CN1654784A - 涡轮叶片的特制的紊流 - Google Patents

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Abstract

提供了一种具有改善的冷却特性的涡轮叶片。该涡轮叶片具有一个翼面部分，该翼面部分具有一个跨度和在该翼面部分中，从该翼面部分的根部延伸至该翼面部分的顶部的至少一个冷却通道。在该至少一个冷却通道中，设置多个紊流激励装置。该紊流激励装置具有沿着该翼面部分的跨度变化的p/e比，其中p为相邻的紊流激励装置之间的栅距，e为该紊流激励装置的高度。

Description

涡轮叶片的特制的紊流
发明领域
本发明总的涉及燃气涡轮发动机，尤其涉及具有带有多个为减轻热负荷特制的紊流发生器的冷却通道的涡轮叶片。
背景技术
通常，在涡轮发动机中，要在涡轮叶片中设置内部冷却通道。另外，根据涡轮转子级的具体位置，在发动机内，各种涡轮转子级需要或多或少的冷却。第一级涡轮叶片，因为位于第一叶轮后面，该叶片立即暴露在从燃烧室流出的热的燃烧气体中，因此需要最高的冷却程度。还已知，横跨每一个涡轮叶片的温度分布沿着该叶片的中间部分最高，而邻近该叶片的根部和顶部处的温度比沿着该中间部分的温度低些。
在一些情况下，在该涡轮叶片内设置多个从该叶片根部延伸至该顶部的冷却通道。通常，从压缩机的级中的一个级出来的冷却空气送至这些通道中，以冷却该叶片。为了加强冷却空气通过该通道的传热，在这些通道的全长上使用紊流激励器或紊流发生器。热能从涡轮叶片的外部压力和负压表面通至内部区域，并由内部冷却抽取热。在有肋的通道中的传热性能主要取决于该通道的直径、肋的结构和流动的雷诺数。进行了许多基础研究来了解由该肋造成的流动分离所引起的传热增强的现象。在流动经过表面上安装的肋中，边界层将该肋的上游和下游分开。这些流动分离将该边界层重新连接在传热表面上，从而增加传热系数。该分离的边界层增强紊流混合，因此，从接近表面的流体发出的热可以更有效地分散至主流动中，从而增加传热系数。
在这些通道中使用的紊流激励器有许多形式。例如，它们可以是与该通道的侧壁连接的百负板，该百负板与通过该通道的冷却空气流成一个角度。
Chin等人提出的美国专利5413463号说明了在燃气涡轮叶片中的紊流冷却通道，其中，根据沿着该叶片的局部冷却要求，紊流激励器设置在沿着从该根部至该顶部的翼面的长度的优选区域上。该紊流激励器最好是位于该涡轮叶片的中间区域上，同时，通过该叶片的根部和顶部的通道保持基本上是滑腔的。
尽管存在着具有紊流冷却通道的这些涡轮叶片，仍需要冷却改善的叶片。
发明概述
本发明的目的是要提供一种具有带有适合于热负荷的紊流的一个或多个冷却通道的涡轮发动机零件。
上述目的可通过本发明的涡轮叶片来达到。
根据本发明，提供了一种具有改善的冷却特性的涡轮发动机零件。该涡轮发动机零件具有一个翼面部分，该翼面部分具有一个跨度，和在该翼面部分中，从该翼面部分的根部延伸至该翼面部分的顶部的至少一个冷却通道。在该至少一个冷却通道中，设置多个紊流激励装置。该紊流激励装置具有沿着该翼面部分的跨度变化的p/e比，其中p为相邻的紊流激励装置之间的栅距，e为该紊流激励装置的高度。
本发明的涡轮叶片的精制的紊流的其他详细情况，以及所附带的其他目的和优点，在下面的详细说明和附图中提出。图中相同的符号表示相同的零件。
附图简要说明
图1表示在具有多个内部冷却通道的燃气涡轮发动机中使用的一个涡轮叶片；
图2为根据本发明的冷却通道的截面图；
图3为沿着图2中的3-3线所取的横截面图；
图4为表示具有根据本发明的特制紊流的一个冷却通道的图形；和
图5表示具有根据本发明的不同的栅距/高度比的多个区域的涡轮叶片。
优选实施例详细说明
图1表示安装在一个基座12上的燃气涡轮叶片10，它具有一个翼面部分13，在该翼面部分中有多个内部冷却通道14延伸。该冷却通道14在包括从该根部16至该顶部18的叶片全长上穿过该叶片。该冷却通道14的出口在该叶片的顶部上。该冷却通道14使从入口出来的冷却流体(例如空气)，通过其全长，与冷却液体源(例如压缩机排气)连通，以便冷却该叶片10的材料(例如金属)。
根据本发明，如图2和图3所示，每一个冷却通道14具有多个多对通行支板形式的紊流发生器30。该通行支板围绕着该冷却通道14的壁31延伸。更多的p/e比低的紊流发生器30在具有更多的预计热负荷的诸如中间跨度区域的区域中。当不需要更高的传热要求时，可减少紊流发生器30的数目，从而在这些区域形成更高的p/e比。如图4所示，根据本发明，这可以通过当热负荷沿着该翼面13的跨度改变时，改变该通行支板的栅距(p)对高度(e)的比来达到。这样，如上所述，在热负荷高的区域(主要为翼面13的中间跨度)，使用较低的p/e比；而在不需要更多的热负荷保护(例如冷却通道的入口和出口部分)的区域，使用较高的p/e比。
如图2所示，该冷却通道14具有紊流发生器30的高度(e)小，和/或栅距(p)大(即相邻的通行支板或紊流发生器的宽度中间点之间的距离)的一个入口区域32。该冷却通道14还具有该紊流发生器30的高度(e)小和/或栅距(p)大的一个出口区域34。另外，该冷却通道14还可具有该紊流发生器30的高度大和/或栅距小的一个中间跨度区域36。虽然表示了具有一个中间跨度区域的冷却通道14；但可以具有多于1个中间跨度的区域，而每一个中间跨度区域具有不同的p/e比。
本发明的涡轮叶片10可以由技术上已知的任何适当的金属制造(例如镍基超耐热合金)，并可以使用任何技术上已知的适当方法铸造。该冷却通道14和该紊流发生器30可以使用技术上已知的任何适当的方法(例如STEM钻削或EDM铣削)制造。在一个典型的涡轮叶片中，沿着该翼面13的弦有多个冷却通道14。
图5表示根据本发明的，具有8个区域A-H的一个涡轮叶片10。根据一个具体通道的位置，在A、E、C和G区域中的紊流发生器30的栅距p可从0.050英寸变化至0.500英寸，最好为0.180-0.290英寸；而紊流发生器30的高度e可从0.004英寸变化至0.080英寸，最好为0.008-0.010英寸。在B和F区域中，该栅距p可从0.050英寸变化至0.500英寸，最好为0.110-0.180英寸；而该紊流发生器的高度可从0.004英寸变化至0.050英寸，最好为0.008-0.010英寸。在D和H区域中，该栅距可从0.050英寸变化至0.500英寸，最好为0.360-0.362英寸；而该高度可从0.004英寸变化至0.050英寸，最好为0.008-0.010英寸。
在A-H区域的每一个区域中，p/e比可以在5-30范围内。另外，在每一个区域中，该高度与直径(D)的比可以在0.05-0.30范围内，
虽然，在叶片10的一个具体的冷却通道14的一个具体的区域中，该栅距可从一个冷却通道至另一个冷却通道变化，但可以设计一个叶片，使得对每一个冷却通道，在一个具体区域中的该栅距的常数。
虽然表示的紊流发生器是对准的，但该紊流发生器30可以交错排列。
另外，虽然表示的紊流发生器30具有与通过冷却通道的流动下垂直的表面，但该紊流发生器30可以具有与该流动下成一个角度的表面(例如，与该流动F成一个30-70°范围内的角度的表面)。
从上述的说明中可以看出，本发明提供了一种可以更好地满足该涡轮叶片冷却要求的涡轮叶片。这点可通过改变沿着该涡轮叶片的翼面部分的跨度，该紊流发生器的密度来达到。
虽然，结合涡轮叶片说明了本发明的冷却系统，但应理解，同样的冷却方案可以用在具有热负荷沿着该冷却通道的长度变化的冷却通道的任何涡轮发动机零件中。
显然，根据本发明，提供了一种可完全满足在前提出的目的、措施和优点的涡轮叶片的特制的紊流。虽然从具体实施例的角度说明了本发明，但业内人士，在阅读了上述详细的说明后，显然可以作其他的替代，改造和变化。因此，要将这些替代，改造和变化包含在所附权利要求书的宽广的范围内。

Claims (22)

1.一种涡轮发动机零件，它包括：
具有跨度的一个翼面部分；
在所述翼面部分中，至少一个从所述翼面部分的根部延伸至所述翼面部分的顶部的冷却通道；和
在所述至少一个冷却通道中的多个紊流激励装置，所述紊流激励装置的p/e沿着所述翼面部分的跨度变化，其中p为相邻的紊流激励装置之间的栅距，e为每一个所述紊流激励装置的高度。
2.如权利要求1所述的涡轮发动机零件，其特征为，所述紊流激励装置的p/e比，在所述至少一个冷却通道的中间跨度区域内，比在所述至少一个冷却通道的末端区域内低。
3.如权利要求2所述的涡轮发动机零件，其特征为，在所述中间跨度区域内，所述p/e比在5-30范围内。
4.如权利要求2所述的涡轮发动机零件，其特征为，在所述末端区域内，所述p/e比在5-30范围内。
5.如权利要求1所述的涡轮发动机零件，其特征为，在所述至少一个冷却通道的中间跨度区域内，所述p/e比较低，而在所述至少一个冷却通道的非中间跨度区域内较高。
6.如权利要求1所述的涡轮发动机零件，其特征为，在接近所述根部区域内的所述栅距从0.050英寸变化至0.500英寸。
7.如权利要求1所述的涡轮发动机零件，其特征为，在接近所述根部的区域内，所述栅距从0.350英寸变化至0.362英寸。
8.如权利要求1所述的涡轮发动机零件，其特征为，在中间跨度区域内，所述栅距从0.050英寸变化至0.500英寸。
9.如权利要求1所述的涡轮发动机零件，其特征为，在中间跨度区域内，所述栅距从0.110英寸变化至0.180英寸。
10.如权利要求1所述的涡轮发动机零件，其特征为，在接近所述顶部的区域内，所述栅距从0.050英寸变化至0.500英寸。
11.如权利要求1所述的涡轮发动机零件，其特征为，在接近所述顶部的区域内，所述栅距从0.180英寸变化至0.290英寸。
12.如权利要求1所述的涡轮发动机零件，其特征为，所述高度从0.004英寸变化至0.050英寸。
13.如权利要求1所述的涡轮发动机零件，其特征为，所述高度从0.008英寸变化至0.010英寸。
14.如权利要求1所述的涡轮发动机零件，其特征为，所述涡轮叶片有多个冷却通道，每一个所述的冷却通道具有多个紊流激励装置，所述紊流激励装置的p/e比沿着该翼面部分的跨度变化。
15.如权利要求1所述的涡轮发动机零件，其特征为，所述零件包括涡轮叶片。
16.如权利要求1所述的涡轮发动机零件，其特征为，所述至少一个冷却通道的直径为D，而e/D比在0.05-0.30范围内。
17.一种制造涡轮发动机零件的方法，它包括：
制成一个具有带有一个根部，一个顶部和一个跨度的翼面的零件；和
在所述零件内制造至少一个具有多个紊流激励装置的冷却通道，该装置的p/e比沿着所述零件的跨度变化，其中p为所述紊流激励装置中相邻的该装置之间的栅距，e为一个相应的紊流激励装置的高度。
18.如权利要求17的方法，其特征为，所述制造步骤包括形成邻近带有紊流激励装置的所述翼面部分的所述根部的每一个所述冷却通道的第一区域，该紊流激励装置具有第一p/e比；并且形成带有紊流激励装置的每一个所述冷却通道的一个中间跨度区域，该紊流激励装置具有比所述第一p/e比小的第二p/e比。
19.如权利要求18所述的方法，其特征为，所述制造步骤包括形成邻近带有紊流激励装置的所述翼面部分的所述顶部的每一个所述冷却通道的第三区域，该紊流激励装置具有比所述第二p/e比大的第三p/e比。
20.如权利要求19所述的方法，其特征为，所述制造步骤还包括提供比所述第一p/e比大的所述第三p/e比。
21.如权利要求17所述的方法，其特征为，所述涡轮零件制造步骤包括制成涡轮叶片。
22.如权利要求17所述的方法，其特征为，所述涡轮零件制造步骤包括利用铸造方法制成所述涡轮发动机零件。
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