CN1793614A - 涡轮翼面冷却通道 - Google Patents

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Abstract

一种内部冷却的燃气涡轮发动机的涡轮叶片(120)具有一个外侧覆环(24)和从该覆环的外侧端(30)延伸至内侧端(28)的一个翼面(26)，一个冷却通道(50)具有在该覆环中的一个入口(52)，至少部分地在该翼面内的第一转弯(62)，从该入口向内通过该翼面延伸至该第一转弯的第一支路(60)，和从该第一转弯伸出的第二支路(70)。一个分隔壁(122)在该通道中，并且具有在该翼面外侧跨度一半的一个上游端(124)，和具有多个孔口(140)。该叶片可以作为没有该分隔壁的基本结构(20)的重新设计形成。

Description

涡轮翼面冷却通道
发明领域
本发明涉及涡轮机零件的冷却。尤其涉及燃气涡轮发动机的涡轮叶片和轮叶翼面的内部冷却。
背景技术
有关燃气涡轮发动机叶片和轮叶冷却的有着相当发达的技术。在工作过程中，特别是该发动机的涡轮部分的那些零件受到极高温的加热。因此，这种零件的翼面一般包括蛇形的内部通道。在美国专利5511309，5741117，5931638，6471479和6634858中和美国专利申请公报2001/0018024A1中表示出示例性的一些通道。
发明概述
本发明的一个方面包括一个内部冷却的燃气涡轮发动机的涡轮叶片。该叶片具有一个外侧覆环和一个从该覆环的外侧端延伸至一个内侧端的翼面。一个冷却通道具有在该覆环中的一个入口，至少部分地在该翼面内的第一转弯，从该入口向内通过该翼而延伸至该第一转弯的第一支路，和从该第一转弯伸出的第二支路。一个分隔壁在该通道中，并具有在该翼面的外侧跨度一半处的一个上游端，和具有多个孔口。
本发明的另一个方面包括从一个基本结构将一个内部冷却的涡轮机零件的结构重新设计成重新设计的结构的方法。该基本结构具有通过一个翼面的一个内部通道。该通道具有第一和第二基本上在跨度方向的支路和它们之间的第一转弯。加入一个壁，将该通道分叉为第一和第二部分。该壁在该通道内，沿着长度，从壁的第一末端延伸至壁的第二末端。用其他方法基本上保持该第一冷却通道的基本形状。
在附图和下面的说明中，说明本发明的一个或多个实施例的详细情况。本发明的其他特点，目的和优点从该说明和附图中和从权利要求书中将会清楚。
附图简述
图1为现有技术的翼面的剖开的，局部示意性的中间截面图；
图2为根据本发明的原理的一个翼面的剖开的，局部示意性的中间截面图；
图3为沿着3-3线所取的图2所示翼面的沿流动方向的局部截面图。
在各个附图中，相同的代号表示相同的零件。
优选实施例说明
图1表示涡轮零件20。该零件20代表一个基本的零件。根据本发明，可以对它进行再设计。其他的现有技术或已开发的零件可以作为可替换的基本零件。该示例性零件20为具有一个内侧平台22和一个外侧覆环24的叶片，并且可以由镍或钴基超级合金铸成一体和任意地涂层。该叶片可以为燃气涡轮发动机的涡轮部分的叶片。翼面26从平台22的内侧端28延伸至覆环24的外侧端30，并且具有将压力侧和负压侧表面分开的前缘32和后缘34。
在该示例性零件20中，冷却通道网络的一个或多个通道至少部分地穿过该翼面26，携带一个或多个冷却气流。在该示例性翼面中，前缘的通道40在该前缘32的内侧，从该平台22上的入口延伸至该覆环24，并通过前缘冷却孔42排出薄膜冷却气流。另一个通道50更曲折地在下游方向500上，沿着冷却流道，从该覆环中的入口52延伸至一个示例性的下游通道末端54。该末端可以关闭或可以与该平台中的一个口连通。
该通道50的一个上游的第一支路60，在基本上为180°的第一转弯62，从该入口52的上游延伸至下游端。从图1可看出，该第一支路60在前缘侧，以隔开通道40和50的第一壁64的第一部分63的相邻表面为边界。在后缘侧，该第一支路60以第二壁66的第一部分65为边界。该通道50还以通道的压力和负压侧表面(图1中没有示出)的相邻部分为边界。该示例性的第二壁66，在第一转弯62，向下游延伸至末端67。该第一壁64的第二部分68，作为该平台22的一部分，沿着该第一转弯62的周边延伸。
第二通道支路70从该第一转弯62的中心处的第一末端，向下游延伸至第二转弯72的第二末端。该第二支路70沿着后缘侧，以沿着壁64的第三部分69的壁64的第一表面的延续部分为边界。在上游侧，该通道70以沿着部分65的第二壁66的相对的第二表面为边界。该第一壁64和其第三部分69延伸至在该第二转弯72的中心处的末端74。该第二壁66的第二部分75，作为该覆环24的一部分，沿着该第二转弯72的周边延伸。
第三个通道支路76从在第二转弯72的第一末端延伸至由通道末端54确定的第二末端。该第三个支路76在前缘侧以和第三部分69的第一表面相对的第一壁的第三部分69的第二表面为边界、并且沿着通道500从壁面端部74向下游延伸。沿着后缘侧，该第三个支路76向包含诸如助80，上游支撑82一类的几组示例性零件的出口槽78，和在后缘34的下游/出口支撑84开放。
在工作中、冷却气流沿着流道500，从入口52，通过该第一支路60，在相对于发动机中心线(没有示出)的基本上径向内侧方向上，通向下游。该气流在第一转弯62向外侧转弯，并向外前进，通过该第二支路70，至第二转弯72。在第二转变处72，气流向内转弯，通过该第三个支路76。当通过该第三个支路76时，气流的逐渐增加的量流入出口槽78叶，在肋80之间通过，并围绕着支撑82和84，冷却该翼面的后缘部分。
图2和3表示叶片120，它可以是作为图1的叶片20的重新设计的形式形成的。该示例性的重新设计保留了一般的冷却通道结构(例如，壁和其他结构零件的形状和大致位置与尺寸)，但在该通道50的第一支路60的至少一部分内，加入一个示例性的分隔壁122。为了容易说明，与叶片20相类似的零件用相同的标号表示。该示例性的分隔壁122从第一/上游端124延伸至第二/下游端126，并且一般具有第一和第二表面130和132。该分隔壁122局部地将通道50的气流510分裂或分叉为第一和第二气流部分510A和510B。
该分隔壁122的上游端124最好在该入口52的下游，使得气流510在达到上游端124之前，充分展开。在该示例性翼面中，上游端124在该第一支路60的上游的一半处。示例性的下游端126接近或稍微在该第一转弯62内。下面说明关于该下游端126的位置的考虑。
气流部分510A和510B在该下游端126充分地再结合。为了使流量最大，最好该二个气流部分平稳地再结合。这点通过使气流部分510A和510B之间中间连通，以平衡其压力，使在该下游端126处的气流部分的再结合紊流减少可以至少部分地达到。该连通可以通过在壁122上的孔或阻断来达到。在该示例性实施例中，间隙140将该壁122分成多个部分142。
加入该分隔壁122可以具有多个潜在优点中的一个或多个优点。图3表示沿着翼面的压力侧和负压侧表面154和156，在压力侧壁和负压侧壁150和152之间的壁122。一个直接的作用是有该壁122可以增加沿着该第一支路60，从一个或二个壁150的有效传热。在几个潜在的传热机构的第一机构中、附加的热可以通过该分隔壁表面130和132传至气流部分510A和510B。如果该壁122局部地减小相对于没有该壁的基本叶片的气流的横截面积，则可以出现第二机构。这种减少可以局部地增加机器的数目(特别是如下所述，如果沿着该通道在别处有流量节流的补偿性减小)。机器数目增加可使从壁150和152的比传热增加。
在下游，通过减小在该出口槽78中的节流可以补偿性地减少流量节流。这种节流减小可以利用许多方法中的一种或多种达到。例如，可以减小零件80，82和84的数目，增加它们的间隔和隔开距离，和有效减少该槽的堵塞。可使零件80，82和84变薄来增加它们的隔开距离。可以用其他的零件代替零件80、82和84，以减少节流。
另一个可能的直接优点是强度增加。该示例性壁122结构上连接壁150和152。这可以减少向外凸出的负压侧壁152的隆起，并帮助保持所希望的空气动力学形状。
增加传热，以进一步冷却翼面可减少氧化的趋势。还可以减少热循环的数量。增加强度还可以减少机械循环中包括的应变。在许多最佳协同作用的一种，减小机械应变可帮助避免抗氢化涂层的剥落，从而可以进一步减少氧化的机会。减小热循环数量和机械应变，与减少氧化一起，将减小热机械疲劳(TMF)的趋势，从而可以增加零件寿命或进行使零件寿命不可接受地恶化的其他改变。
对壁122的结构有许多考虑。如上所述，只存在气流510基本上充分展开后，该壁才开始。然而，该壁最好离上游足够远开始，以便得知沿着该翼面所希望区域的所希望的优点。例如，在该覆环24内的通道50的近端部分中，气流可能不是充分展开。这样，该壁122可以进入翼面L1距离处开始。L1的示例性质为局部的翼面跨距L的5～50％，更窄则为10～30％(例如，大约1/4)。该壁122可以在大部分跨距上继续(例如50～75％)。虽然，该壁可以在或接近转弯62结束，但该壁可以进一步延伸(例如，形成大部分穿过该第一转弯62或甚至超出其外面，进入该第二支路70的一个转弯叶片)。
该示例性壁厚度为T。示例性厚度与壁64和66的厚度相同，并可以为通道厚度的一小部分(例如5～20％更窄可为大约8～15％或接近10％，以便局部地将有效通道/流通的横截面积减少一个相同的量)。每一个壁部分142的长度为L2，它比T大很多(例如，至少为3T，更窄则为(4～10)倍的T)。孔140的长度为L3，它也比L2小很多(例如小30％)。这样，沿着该壁122，该孔为总面积的一个小百分数(例如小于大约25％，更窄则为10～20％)。该示例性分隔壁部分沿着冷却通道作成细长形和它们紧密靠近，相对于其他结构有优点。例如，其损耗比圆形截面的支撑小。
另外一些和更广泛的重新设计可包括部分地(例如，但不是完全地)补偿沿着分叉的流道的该分隔壁的横截面积的减小。例如，形成流道的一个或二个壁(例如64和66)可以相对于图1的基本翼面稍微偏移。如果该分隔壁带有所希望的强度，可使面积减小例如15％，但8％的节流可达到所希望的空气速度，则该壁的偏移有差别。例如，当第一壁64的第一部分63(图2)相对于其图1的对应物固定时，则第三部分69可以向着翼面后缘偏移。
根据零件的几何形状，可以对一个给定的支路加入多个分隔壁。然而，一个壁一般已足够和有效。一般，在该第一支路中靠近该分隔壁处不加入其他横跨在压力和负压侧壁上的零件。在压力和负压侧壁上的不横跨的零件(例如，紊流发生器)可以加入或从基本叶片上保留。
已经说明了本发明的一个或多个实施例。然而，应当理解，在不偏离本发明的精神和范围的条件下，可作各种改变。例如，可将原理用在各种现有通道结构的重新设计上。任何这种重新设计都受到现有结构的影响。另外，该原理可以用在新设计的结构上。因此，其他的实施例处在下述权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种内部冷却的燃气涡轮发动机的涡轮叶片(120)，包括：
一个外侧覆环(24)；
一个从该覆环的外侧端(30)延伸至内侧端(28)的翼面(26)；
一条冷却通道(50)；具有：
一个在该覆环(24)中的入口(52)；
一个至少部分地在该翼面内的第一转弯(62)；
一个从入口(54)向内径该翼面(26)延伸至该第一转弯(62)的第一支路(60)；和
一个从该第一转弯(62)伸出的第二支路(20)；和
一个在该通道(50)中的分隔壁(122)，具有：
一个在该翼面(26)的外侧跨度一半上的上游端(124)；
多个孔口(140)。
2.如权利要求1所述的叶片(120)，其特征为，沿着该第一支路没有在翼面压力侧和负压侧壁之间延伸的附加零件。
3.如权利要求2所述的叶片(120)，其特征为，在该第一支路(60)内的该分隔壁(122)的长度至少为该翼面的跨度(L3)的一半。
4.如权利要求1所述的叶片(120)，其特征为，该分隔壁(122)基本上局部地将该第一支路(60)分隔为第一和第二流道部分，每一个流道部分的横截面积至少为综合的横截面积的35％。
5.如权利要求1所述的叶片(120)，其特征为，该分隔壁延伸至该翼面内侧的第二端的外侧，并且不延伸至该第一转弯的中间的下游。
6.如权利要求1所述的叶片(120)，其特征为，在该翼面(26)的内侧末端(28)，该叶片有一个平台(22)；和
该第一转弯(62)部分地在该平台(22)内。
7.如权利要求1所述的叶片(120)，其特征为，该第一转弯(62)超过90°。
8.如权利要求1所述的叶片(120)，其特征为，该冷却通道(50)延伸至后缘的排放槽(78)。
9.一种内部冷却的涡轮机零件(120)，包括：
一个在内侧端(28)和外侧端(26)之间延伸的翼面(26)；和
至少部分地在该翼面(26)内的限定一冷却通道(50)的内部表面部分；
其中，该冷却通道(50)具有从上游的第一支路(60)至下游的第二支路(70)的第一转变(62)；
一个分隔壁(122)将该冷却通道(50)的截面分叉为第一和第二部分，并且在该通道(50)内沿着长度从第一支路中的壁的第一末端(124)延伸至壁的第二末端(126)；该壁第一末端(124)处于该翼面(26)内在该第一支路(60)的一部分的上游一半处；沿着该第一支路，没有在该翼面压力侧壁(150)和负压侧壁(152)之间延伸的附加零件；和
该分隔壁(122)有多个孔(140)。
10.如权利要求9所述的零件(120)，其特征为，
该第一和第二部分中沿着该分隔壁(122)的所述长度，分别构成冷却通道(50)横截面积的35～65％。
11.如权利要求9所述的零件(120)，其特征为，
该分隔壁第二末端(126)靠近在该第一转弯(62)的第一支路(60)的一端。
12.如权利要求9所述的零件(120)，其特征为，该通道(50)具有从该第二支路(70)至第三个支路(76)的第二转弯(72)；
该壁(22)沿着翼面跨度(L3)的大部分延伸。
13.如权利要求9所述的零件(120)，其特征为，
该通道(50)具有从第二支路(70)至第三支路(76)的第二转弯(72)；
该第三支路(76)沿着后缘的排放槽(78)。
14.如权利要求9所述的零件(120)，其特征为，它是一个叶片，并且具有：
一个内侧平台(22)；和
一个外侧覆环(24)。
15.如权利要求9所述的零件，其特征为，
该分隔壁(122)第一末端(124)处于从该翼面外侧端至该翼面内侧端的翼展方向的距离(L3)的10％～30％之间。
16.一种从基本结构(20)将一个内部冷却的涡轮机零件的结构重新设计成一重新设计的结构(120)的方法，其中，该基本结构(20)具有一个通过该翼面(26)的内部通道(50)，并且在它们之间具有第一(60)和第二(70)大致沿翼展方向的支路与在其间的第一转弯(62)；该方法包括如下步骤：
增加一个壁(122)，将该通道(50)分叉为第一和第二部分，该壁在该通道内沿长度从该壁的第一末端(124)延伸至该壁的第二末端(126)；和
用其他方法基本上将该第一冷却通道(50)保持基本形状。
17.如权利要求16所述的方法，其特征为，
该第一转弯(62)围绕第二壁(65)的末端。
18.如权利要求16所述的方法，其特征为，
该壁(122)有一连串孔(140)。
19.如权利要求16所述的方法，其特征为，该壁(122)与在该翼面内的第一支路的长度至少成50°延伸。
20.如权利要求16所述的方法，其特征为，沿着该第一支路(60)，没有附加的零件增加到压力侧壁(150)负压侧壁(152)之间的跨度上。
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