CN1920258A - 具有倾斜端孔的涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

一种涡轮叶片(10)，包括中空翼片(12)，其上设有多个延伸通过端面(28)的弓形端孔(42)，端孔并朝从端面(28)向外延伸的声响肋部(34)倾斜。

Description

具有倾斜端孔的涡轮叶片

技术领域

本发明大体上涉及燃气轮发动机，具体地涉及一种涡轮转子叶片。

背景技术

在燃气轮发动机，空气通过压缩机加压，与燃料在燃烧器混合，产生加热的燃烧气体。燃烧气体产生的能量在高压涡轮机(HPT)中是压缩机的动力，在低压涡轮机(LPT)中是飞机扇涡轮发动机的上游扇的动力，或者是船舶和工业涡轮发动机的输出轴的动力。

第一级涡轮转子叶片首先接收来自燃烧室的热燃烧气体，因此经受燃烧气体的高温。第一级涡轮机叶片由目前技术水平的超合金金属形成，可在HPT的恶劣条件下保持强度，最大程度地延长叶片使用寿命。

此外，各涡轮机叶片是中空的，包括特别设置的冷却回路，利用压缩机排出的一部分空气，在操作时内部冷却涡轮机叶片，并提供从涡轮机翼片通过各排气膜冷却孔排出的用过气体的绝热空气外膜。

各叶片包括从连接到燕尾件的平台向外延伸的翼片，燕尾件用于分别安装叶片于支撑转子盘的周边。翼片具有沿径向延伸的一般为内凹的压力侧和一般为外凸的吸力侧，从位于平台的翼片根部跨越延伸到径向外端，轴向在相对的前缘和后缘之间沿翼弦延伸。

翼片中的冷却回路可有许多特别设计的结构，用于冷却具有不同热载荷的翼片的不同部分，热载荷来自在相对的压力侧和吸力侧上通过的燃烧气体。

翼片的内凹-外凸结构在其表面形成了不同的速度和压力分布区域，使得操作期间转动支撑盘的燃烧气体产生的能量效率最大化。

因此，燃烧气体的热载荷在复杂的三维图中从根部到顶部及从前缘到后缘是变化的，从而影响翼片不同部分的局部冷却要求。

各翼片在紧靠前缘的后面具有最大厚度，逐渐减小到薄后缘。各翼片一般还包括位于翼片顶部的压力和吸力侧的延伸部，形成了围绕开口端腔的声响肋部，端腔从包围内部冷却回路顶部的顶面延伸。

各翼片的首先接受热燃烧气体的前缘和薄后缘，及位于翼片顶部的小声响肋部，具有不同的结构和不同的功能，分别具有与其结构相关的为得到满意的冷却，保证涡轮机叶片具有有效的长使用寿命的特定问题。

现代的涡轮机叶片已经发展了数十年，已经使其在燃气轮发动机的有效使用寿命提高到数年或数千小时，这期间不会产生不希望的可限制其有效寿命的热损坏。但是，涡轮机叶片的寿命还受到许多区域的局部热损坏的限制，尽管大部分叶片的性能未丧失。

例如，涡轮机叶片端部是叶片希望的长有效使用寿命期间的一个难以适当冷却的区域。围绕翼片端部的声响肋部是压力和吸力侧的局部延伸部，用于减少端部和围绕的涡轮壳之间的径向空隙或间隙，以减少使用期间不希望的燃烧气体泄漏。由于涡轮机叶片偶然会与周围涡轮壳摩擦，较小的声响肋部可减少顶部摩擦的负面作用，同时保证包围内部冷却回路的端面的整体性。

声响肋部本身是固体材料并且相对较薄，周围是操作期间轴向沿压力和吸力侧流动的热燃烧气体，当操作期间气体在端部泄漏时，热燃烧气体径向沿压力侧流过与周围涡轮壳的端部间隙。因此，声响肋部承受其外侧和端腔内的内侧的加热，以及沿其径向最外边的加热。此外，端部承受转动时翼片端部的高离心加速度，以及操作时向下游流动的热燃烧气体的高速度。

因此，现有技术已具有各种冷却涡轮机叶片端部的结构，具有不同的复杂性，不同的性能，在希望的长使用寿命期间操作发动机时具有不同的有效性。

涡轮机叶片端部一般包括多个端孔，正交延伸通过端面，用于从内部冷却回路排出的冷却空气充填端腔。通过这种方式，排出的冷却空气相对进入端腔的热燃烧气体，改进了端部冷却。

此外，薄膜冷却孔一般设置在压力侧叶片端部附近，操作时在压力侧的声响肋部形成薄膜冷却。在这两种结构中，排出的冷却空气提供了声响肋部的外侧和内侧表面的局部薄膜冷却。

由于排出的冷却空气在压力下通过端孔排出，空气以单独气流高速正交于端面排出，这样就限制了冷却效率。因此，可采用对称的通过端面的发散端孔来扩散排出的空气，以降低速度，从而增加了压力，增强了端腔内的冷却。

在另一传统的端部冷却机构中，圆柱形端孔倾斜通过端面，以冲击冷却声响肋部的内部或内侧表面，具体是位于具有最大热负荷的翼片压力侧的声响肋部。但是，由于端孔具有较小的直径，不能在初始铸造叶片时制造出，必须通过铸造后钻孔形成。钻孔要求接近端面，且不能损坏铸造的声响肋部。为了具有效率，倾斜端孔的位置必须靠近声响肋部，因此声响肋部会干涉附近端孔的加工。

因此，倾斜端孔必须在形成声响肋部前预先加工，然后再形成声响肋部，这样就增加了制造的难度和成本，可损坏声响肋部和主翼片之间的整体性。翼片一般用定向凝固超合金或单晶合金制造。

因此，希望能提供一种具有改进的端部冷却的涡轮机转子叶片。

发明内容

一种涡轮机叶片包括中空的翼片，其具有多个延伸通过端面的弓形端孔，端孔并朝从端面向外延伸的声响肋部倾斜。

附图说明

在下面结合附图的详细介绍中，通过优选和示例性的实施例，对本发明的其他目的和优点进行了具体介绍。附图中：

图1是示例性燃气涡轮发动机的部分轴测图，其中第一级转子叶片从支撑转子盘的周边径向向外延伸；

图2是图1所示的翼片端部沿剖面2-2的截面图；

图3是通过图2所示的翼片端部沿剖面3-3的轴向侧视图；

图4是图3所示的翼片端部沿剖面4-4的顶视图；

图5是类似图2的根据本发明另一实施例的翼片端部的截面图；

图6是图5所示翼片端部的一部分沿剖面6-6的顶视图；

图7是根据另一实施例的沿图1所示翼片端部的剖面2-2的轴测截面图；

图8是图7所示翼片端部一部分的制造方法的放大正视截面图；

图9是图8所示的翼片端部部分的沿线9-9所示方向的顶视图。

部件表

10                              涡轮机叶片

12                              翼片

14                              平台

16                              燕尾件

18                              转子盘

20                              压力侧壁

22                              吸力侧壁

24                              冷却回路

26                              根部

28                              端面

30                              前缘

32                              后缘

34                              声响肋部

36                              端腔

38                              冷却空气

40                              燃烧气体

42                              端孔

44                              入口

46                              出口

48                              前壁

50                              后壁

52                              侧壁

54                              (放电加工)电极

56                              圆角

58                              突部

具体实施方式

图1显示了示例性HPT涡轮机转子叶片10，可用于燃气涡轮发动机。叶片包括中空的翼片12，从平台14沿径向向外延伸，平台与支撑燕尾件16整体形成。燕尾件设置成可支撑叶片于部分显示的涡轮机转子盘18周边的相应槽中。

翼片12包括一般为内凹的压力侧壁20，和圆周相对的一般为外凸的吸力侧壁22，侧壁20和侧壁22横向间隔开，形成内部冷却回路或通道24。翼片还沿径向或纵向从与平台14相连的径向内根部26延伸到径向外部的平面端面28，端面位于翼片的相对远端。两个侧壁还沿翼弦在相对的前缘和后缘30，32之间轴向延伸。

小声响肋部34从侧壁20，22围绕端面28的周边整体延伸，肋部与翼片通过一体或整体铸造形成。声响肋部沿侧壁在前缘和后缘之间延伸，在端面上部形成端部空腔36，当安装到燃气涡轮发动机时，其径向向外开放，面对周围的涡轮壳(未显示)。

操作时，带压力的冷却空气38从发动机(未显示)的压缩机排出，通过带有一个或多个入口的燕尾件的基体，入口与叶片的内部冷却回路24流体连通。翼片可有任何传统的冷却回路，通过各排薄膜冷却孔及传统设计和制造的后缘孔排出用过的冷却空气。

通过这种方式，冷却空气首先用于内部冷却翼片，然后通过薄膜冷却孔沿压力侧壁和吸力侧壁排出，形成相应的薄膜冷却空气，提供了相对燃烧室(未显示)排出的热燃烧气体40的绝热层。

如背景技术部分所述，叶片10的端区非常难以冷却，因为小声响肋部34位于端区周边，沿压力侧壁和吸力侧壁的外侧直接暴露于热燃烧气体，并当操作时燃烧气体流到或泄漏到声响肋部时肋部的内侧暴露于热燃烧气体。

因此，图1显示的涡轮机叶片包括改进的用于端部冷却的结构，其中多个弓形端孔42延伸通过端面28，与冷却回路24流体连通，可接收冷却回路的冷却空气。

图2显示了根据示例性实施例的端孔42，其中相应的孔42以较小或偏斜的掠射角朝翼片各侧的声响肋部34倾斜或弯曲，以引导冷却空气38。声响肋部34最好是用普通的超合金金属与翼片整体铸造，以增强高温强度。端孔42设置成通过端面28，非常接近肋部34与端面连接的基体。端孔朝声响肋部34的内表面或表面向外倾斜，横向朝肋部的内侧表面偏压或引导从孔排出的冷却空气，以增强冷却效率。

如图2所示，各端孔42包括直线的入口44，其延伸穿过端面28的底部，与冷却回路24流体连通，以接收进入空气。各个孔42还包括整体形成的出口46，其从入口44朝相邻肋部34的内侧表面倾斜或弯曲。出口46向外朝声响肋部34倾斜可将出口46的空气流偏移或偏压到肋部的内表面，形成倾斜的冲击冷却，并形成薄膜冷却空气，改进与空气的热绝缘。

图2显示出端孔42的横截面，图3显示出端孔4的侧向截面，扩大或增加了入口44通流面积的出口46可定向向外朝声响肋部34扩散从入口排出的冷却空气38，而不是向内朝端腔的中间扩散。

入口44具有一定长度，大约为端面28厚度的一半，并最好沿其中心轴线轴对称，其形状可以是矩形，如图4所示，或是正方形，圆形，或是椭圆形，可根据性能和制造方式来设置。

相应地，出口46最好横向朝肋部34不对称，如图2所示；并且如图3所示，沿肋部34的横向是对称的。

通过这种方式，从各端孔42排出的空气流向外朝声响肋部34的内表面偏压或偏移，如图2所示，同时还向前朝前缘和向后朝后缘沿肋部34的侧面横向扩散，如图3所示。从各端孔42排出的空气的有效作用区因此最大，同时还偏压或偏移冷却空气向外扫过肋部的内表面。

在图2和3所示的实施例中，入口44是垂直的，或基本正交于端面28，端面28基本是平面的。相应地，弓形的出口46包括平面前壁48，如图2和4所示，其设置成接近声响肋部34的基部，并从入口44以小倾斜角度A向外朝肋部34倾斜。各出口还包括平面后壁50，内侧与前壁48间隔开，通常与入口44的后表面平齐。

实现各出口46的四边形结构的是一对平面侧壁52及前和后侧壁48，50，在相应的小弧形连接处或圆角处围绕出口周边。

由于图2显示的倾斜端口42的通流面积较小，最好在初始铸造带有实心铸造端面28的翼片之后形成。通过这种方式，声响肋部34最初铸造成压力和吸力侧壁20，22的延伸部分，并具有与所用特定超合金相同的冶金性能，得到可在燃气涡轮发动机的恶劣环境下高温操作的增强强度。

各端口42然后可通过相应结构的放电加工(EDM)电极54进行加工，电极具有远端，设置成具有配合倾斜的出口孔42所希望的结构。如图2所示，EDM电极54的远端设置成可打孔和配合孔入口44的结构，包括倾斜的与前壁48的倾斜角度A配合的凸部，用于形成端孔的倾斜出口48。

电极54然后可靠近声响肋部34垂直下降进入端腔36，电极沿轴向向下移动，通过EDM加工形成端孔42。

因为出口46向外朝肋部34倾斜，相应的电极54具有对应的向外朝同一肋部34倾斜的凸部，电极支撑于垂直柄，其与相邻的肋部内表面间隔开适当间距C。间距C应当足够大，以防止孔形成期间电极下降时EDM偶然加工预先铸造的声响肋部34。

EDM工艺形成的端孔的入口44可以相对较小，有效直径为大约10到15mil(0.25-0.38mm)，电极柄的横向间隔C具有类似尺寸，以防止偶然放电加工。

由于后壁50与入口44垂直平齐，都与平面的端面28基本正交。只要EDM电极54垂直移动，可在一个操作中形成倾斜的端孔42，包括倾斜前壁48。

如图3所示，出口46的一对侧壁52以类似或相同的倾斜角B倾斜，从共同入口44向外发散。相应地，EDM电极54的位于柄下面凸部区的小远端局部扩宽，在EDM形成端孔42的同时，对应形成两个侧壁52。

图2和图3的两个正交平面显示的端孔的示例性结构可从传统的常用于涡轮机叶片冷却的轴对称扩展孔得到。但是，取代了轴对称，图3显示的端孔42只是沿声响肋部34在前缘和后缘之间横向对称，来扩散排出的冷却空气；但是在图2所示的横截面是不对称或非对称的，从端孔向外朝声响肋部34的相邻内表面偏压或偏转排出的冷却空气。

在典型的扩展孔，扩展壁的扩展角度的数值受到限制，以避免扩展壁上的排放冷却空气的流分离，使扩散效应最大化。此外，传统的轴对称扩散孔中的传统扩展角保持相同。

在图2和图3所示的示例性实施例中，端孔的前壁48以倾斜锐角A朝肋部34倾斜，该角度最好大于出口侧壁52的倾斜角B。例如，横向倾斜角A可以是大约27度，横向倾斜角B可以是大约22度，总横向扩展大约44度。

通过这种方式，从顶孔排出的空气可沿声响肋部34的长度横向扩散，如图3所示，并可具有更大作用地朝声响肋部34的基部倾斜或弯曲。由于前壁48是倾斜的，后壁50是垂直的，从端孔排出的空气在前后壁之间在角度范围内扩散。前壁48最好设置在声响肋部34的内侧表面附近，但受限于图2所示的要求的偏离间距C，以防止形成孔时偶然放电加工声响肋部。

前壁48的较大倾斜角A有助于保证排出的冷却空气具有提高的冷却作用，更靠近声响肋部34的基体端，当空气向上流过声响肋部的远端时可以继续上升。

从端孔扫过声响肋部的空气形成某种冲击冷却，否则正交于表面；以及形成肋部内表面的薄膜冷却。此外，前壁48的过大倾斜角A可导致排出空气的流分离，促进湍流的生成，湍流可增加热传递，进一步改进声响肋部内表面的冷却。

图2到4显示了一个实施例，其中声响肋部34在较小的圆角处整体连接到端面28，圆角的半径大约在5到20mil(0.13-0.5mm)，端孔的出口46终止于或紧靠圆角56。例如，圆角56尽可能地小，以便端孔42设置的尽可能靠近声响肋部34的内表面。而且，可选择圆角56的尺寸以配合图2显示的间隙C，保证端孔的位置尽可能接近声响肋部34，不会在形成孔的过程中出现偶然的放电加工声响肋部。

图5和6显示了端孔42的另一实施例，其中位于声响肋部34的基部和端面28的圆角56比较大，大到端孔42的出口46终止于圆角56的至少一部分或全部。图5显示了圆角56的半径R，其足以全部容纳端孔42的出口。

通过这种方式，端孔出口的高度从垂直后壁50增加到倾斜的前壁48，两个侧壁52的高度在其间逐渐增加。较高的侧壁然后可用来额外限制从出口排出的冷却空气。此外，增高的侧壁还可促进较早冷却声响肋部34，更接近在大圆角56处连接侧壁的基部。

图7到9显示了又一个倾斜端孔42的实施例，其中端腔36包括多个凸部或突起58，整体连接或铸造于端面28和肋部34基部之间的连接处，并沿肋部在翼片的前缘和后缘之间横向或沿翼弦间隔开。

各凸部58提供了突起于端面名义高度的小平台，其中对应的一个端孔42可径向延伸通过凸部，流体连通内部冷却回路24。通过这种方式，孔出口46的所有4个壁48，50，52可径向向外延伸到对应的声响肋部34基部的高度，增加在肋部的基部的内部对流冷却，并进一步限定排出空气朝声响肋部的内表面倾斜，同时沿肋部的翼弦方向横向扩散。

由于凸部位于翼片的径向外端部，在操作时可产生离心载荷，端面28可保持比较薄，凸部58设置成只局部限制相应端孔的出口46，进一步控制了冷却空气的排放。

图8示意地显示了制造涡轮机叶片的示例性方法，通常其最初铸造成整体件，包括实心的端面28和相邻的声响肋部34，凸部在铸造时整体形成。在这个结构中，考虑到顶孔较大和扩展的尺寸，各顶孔42的出口部分46可在相应的凸部58铸造出。但是，小入口44太小难以铸造，铸造后的端面28在这个区域是实心的。

因此，在初始铸造涡轮机叶片后，可采用任何传统的方法穿过相应的凸部58和端面28形成对应的入口44，与内部冷却回路24流体连通。由于出口46预先铸造成，入口44可直线垂直穿过凸部打出，不需要图2所示偏置的EDM电极。例如，入口44可使用传统的激光打孔来实现，或使用带有简单的小尺寸直线电极的EDM打孔，以配合入口44要求的尺寸。

预先铸造凸部58的特殊好处是能够额外铸造出任何结构的扩展和弓形出口46。例如，图8和9所示出口的后壁50现在可从入口44向外朝声响肋部34倾斜，还可朝倾斜的前壁48倾斜。后壁50沿与前壁48相同的方向倾斜，但倾斜锐角较小，使出口46在入口和声响肋部之间扩展。

在这个实施例中，端孔入口44垂直或基本正交于端面28延伸，因为后壁50稍微倾斜，入口将部分延伸通过后壁50的中间，如图9所示，因为进行打孔，形成局部凹槽。但是后壁50的其余部分为下面的入口44提供了稍微外伸部分，帮助排出的空气倾斜地流过声响肋部34。

在上面介绍的各个实施例中，入口44可用来测量翼片排出的空气数量。根据需要和根据制造经济性，入口44可具有任何适当的结构，从矩形到圆形，椭圆形。

倾斜的出口在横向上与冷却的声响肋部是不对称的，因此允许所有的入口空气向外引导到肋部，使得冷却空气向内流向端腔中心的损失最小，如果有损失的话。孔出口的扩展结构可用来推动排放的冷却空气的扩散，同时偏移或偏压冷却空气直接流向声响肋部，以加强冷却作用。

尽管已经介绍了本发明的认为是优选和示例性的实施例，对于阅读了本文的所属领域的技术人员，本发明的其他改进应当是很明显的，因此，希望在不脱离本发明的精神和范围的情况下，所有这些改进被所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种涡轮转子叶片(10)，包括：

翼片(12)，从平台(14)上的根部(26)向外延伸，平台与支撑燕尾件(16)整体形成；

所述翼片(12)包括相对的压力侧壁和吸力侧壁(20，22)，侧壁间隔开形成内部冷却回路(24)，翼片从所述根部(26)跨越延伸到相对远端的端面(28)，并在相对的前缘和后缘(30，32)之间沿翼弦延伸；

声响肋(34)，从所述侧壁(20，22)围绕所述端面(28)延伸，并在端面上方形成开口的端腔(36)；和

多个弓形端孔(42)，延伸通过所述端面，与接收冷却空气(38)的所述冷却回路(24)流体连通，并朝所述肋部(34)倾斜，向肋部引导所述冷却空气(38)。

2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，各所述端孔(42)包括直入口(44)，基本正交延伸通过所述端面(28)的底部；和倾斜出口(46)，从所述入口朝所述肋部(34)弯曲。

3.根据权利要求2所述的叶片，其特征在于，所述出口(46)从所述入口(44)扩展通流面积，扩散从入口排出的冷却空气(38)。

4.根据权利要求3所述的叶片，其特征在于，所述出口(46)包括：

平面前壁(48)，从所述入口(44)向外朝所述肋部(34)倾斜；

平面后壁(50)，内侧与所述前壁(48)间隔开；和

一对平面侧壁(52)，与所述前和后壁(48，50)连接到一起，围绕所述出口(46)。

5.根据权利要求4所述的叶片，其特征在于，所述肋部(34)在圆角(56)处连接所述端面(28)，所述出口(46)终止于所述圆角(56)。

6.根据权利要求5所述的叶片，其特征在于，所述后壁(50)与所述入口(44)共线。

7.根据权利要求5所述的叶片，其特征在于，所述后壁(50)可从所述入口(44)向外朝所述倾斜前壁(48)倾斜。

8.根据权利要求5所述的叶片，其特征在于，所述出口(46)的一对侧壁(52)倾斜，从所述入口(44)向外扩展。

9.根据权利要求8所述的叶片，其特征在于，所述前壁(48)以某倾斜角朝所述肋部(34)倾斜，该倾斜角大于所述出口侧壁(52)的倾斜角。

10.根据权利要求5所述的叶片，其特征在于，还包括多个突部(58)，整体连接到所述端面(28)和肋部(34)，并沿着肋部间隔设置，各所述突部(58)包括对应的一个所述端孔(42)，端孔延伸穿过突部，与所述冷却通路(24)流体连通。

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