CN1982654A - 钝形顶部涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮翼型(12)包括相对的压力侧壁和吸气侧壁(24，26)，其在相对的前缘和后缘(28，30)之间呈弦形地并在从根部(32)到外侧顶部端盖(34)的跨度上延伸。顶部端盖(34)桥接侧壁(24，26)，并且一凹槽(36)沿压力侧壁(24)弦式延伸并在顶部端盖(34)下方。

Description

钝形顶部涡轮叶片
技术领域
本发明涉及一种燃烧气体涡轮发动机，尤其涉及对涡轮叶片的冷却。
背景技术
在燃烧气体涡轮发动机中，空气在压气机内被压缩并在燃烧器内与燃料混合产生热燃烧气体。通过若干个透平级从热燃烧气体中提取能量来给压缩机提供动力和产生有用功，如在涡轮风扇式飞机发动机的应用中是为上游风扇提供动力。
每个涡轮级包括一个固定的涡轮喷嘴，涡轮喷嘴可以引导燃烧气体通过一排相应的从支撑转子盘径向向外延伸的涡轮转子叶片。
定子叶片和转子叶片包括带有内部冷却回路的空心翼型，在运行过程中，该冷却回路利用从压缩机抽出的空气进行冷却。为了在运行过程中当燃烧气体朝下游流过涡轮时能最大限度地从中提取能量，每级定叶片和动叶片的配置不同。针对燃烧气体向下游流过叶片压力侧和吸气侧时所产生的不同热负载，每个定叶片和动叶片也包括不同的冷却结构。
典型的涡轮叶片包括一个具有径向外部顶部的翼型，该顶部部分与围绕的涡轮罩隔开，从而在两者之间形成一个小的间隙或空隙。在运行过程中，燃烧气体流过涡轮叶片的压力侧和吸气侧，燃烧气体的一小部分通过小的顶部空隙从叶片顶部泄漏。
冷却涡轮顶部尤其困难，因为它在前缘和后缘之间的翼型压力侧和吸气侧都暴露在热燃烧气体中，同时经过顶部-罩壳空隙的热燃烧气体也覆盖在顶部的上面。
由于叶片顶部偶尔会与周围的涡轮罩发生顶部摩擦，因此，顶部通常包括从压力侧和吸气侧壁伸出的高度短的会发声的凸肋(squealer rib)，该伸出肋从顶部平面向外径向延伸，从而限定了一向外开口的顶部槽。顶部平面为翼型的内部冷却回路限定了一外部边界，并且该发声的凸肋被定位在顶部的外侧，这就进一步增加了运行过程中顶部冷却的困难。
因此，涡轮叶片顶部用于发动机中也会受到氧化，而且在发动机的停机维修期间需进行相应的维修。氧化对叶片顶部的危害通常是缩短了运行过程中叶片的有效寿命，同时由于叶片顶部的氧化和磨损增加了顶部处的间隙，相应地也降低了运行过程中的涡轮效率。
在专利US5261789和US6672829中披露了两种对叶片顶部冷却的重要改进，这两个专利都是转让给了目前的受让人。在前一专利文件中，沿涡轮叶片的压力侧设置了与压力侧发声的凸肋向内错位的一个顶部支架，该顶部支架通过用冷却空气膜遮蔽顶部来加强顶部的冷却，该冷却空气膜可以阻止运行过程中顶部上面的燃烧气体发生径向移动。
在后一专利文件中，披露了在顶部支架上有一倾斜的压力侧发声的凸肋，从而确保在其上形成冷却空气膜以提高顶部性能。
然而，由于叶片顶部偶尔会与周围的涡轮罩发生顶部摩擦，所述发声的凸肋就会受到磨损从而既影响叶片顶部性能效率，又会影响顶部支架的冷却性能。
因此，希望能提供一种涡轮叶片，虽然仍存在顶部摩擦，但可以提高顶部的冷却。
发明内容
一种涡轮翼型包括相对的压力侧壁和吸气侧壁，并在相对的前缘和后缘之间呈弦形地以及在从根部到外侧顶部端盖的跨度上延伸。顶部端盖桥接两个侧壁，并且一个凹槽沿压力侧壁弦式地延伸并在顶部端盖下方。
附图说明
根据优选的和示例性的实施例，本发明连同其目的和优点，通过结合相应附图在下面的详细描述中进行说明，其中：
图1是一个实施方式的涡轮转子叶片的轴向正视图。
图2是图1所示叶片顶部的一部分沿2-2线的部分轴向截面图。
图3是图2所示的叶片顶部沿3-3线的放大的部分截面图。
图4是叶片顶部的替代实施例的放大的部分截面图。
具体实施方式
图1所示为燃烧气体涡轮发动机的涡轮转子叶片10。该叶片包括一个空心翼型12，该空心翼型依次整体接合到径向内部平台14和燕尾榫16。示例燕尾榫为轴向进入燕尾榫，其具有多个支撑在沿转子盘周边的互补的燕尾槽中的柄或突起(未示出)。
整排的涡轮叶片10都从支撑转子盘径向向外延伸，并且接收来自上游燃烧器(未示出)的燃烧气体18以从中提取能量从而在运行中给发动机压缩机(未示出)提供能量。
空心翼型包括一个内部冷却回路20，它通过燕尾榫中的进气通道接收运行过程中从压缩机放出的冷却空气22。该冷却回路可以具有传统的结构，例如图示的具有适当的进口和出口的三通道盘旋冷却回路。冷却回路通常通过穿过翼型的多排薄膜冷却孔和一排后缘出孔而排出用过的冷却空气。
翼型12包括一个基本上凹形的压力侧壁24、和一个侧向相对或周向相对的基本上凸形的吸气侧壁26，两侧壁在前缘和后缘28，30之间弦式或轴向呈弦形地、以及在从平台14的根部32到翼型远端的径向外部钝形顶部端盖34的纵向或径向跨度上延伸。
如图2和图3所示顶部端盖34可以提供一个钝的或基本上平的翼型远端。这种结构没有传统的两侧壁凸肋或者短伸出部，那种通常在翼型上形成暴露的顶部空腔。由于消除传统的凸肋，也就消除了冷却那些凸肋的额外复杂性。
相反，顶部端盖34由在内部冷却回路20中循环的冷却空气22内部地冷却。而且，刚好在顶部端盖之下设置一压力侧第一凹槽36，用于在运行过程中冷却顶部端盖，以及当顶部端盖安装在传统的涡轮罩(未示出)内、环绕设置成在两者之间径向有一小的容隙或缝隙时，用于改善顶部端盖的密封性能。
如图1-3所示的凹槽36在压力侧壁24的外表面上轴向或弦式延伸，并在径向跨度上紧密地间隔在顶部端盖之下。如图1所示，顶部凹槽36起始于前缘28正后方的压力侧壁24上，并沿向后方向朝后缘30弦式延伸，顶部凹槽的本身大部分位于顶部端盖34下方。凹槽36的两个相对末端在前后缘结束之处的前后缘附近适当地在深度上接合在翼型中。
如图3所示，压力侧壁24在一内部突起或弯曲部分38处与顶部端盖34相连，突起或弯曲部分38支持或含有外部凹槽36的一部分。相应地，吸气侧壁26在内部凹的第一圆角40处与顶部端盖34相连，凹的第一圆角40具有一合适的半径以使吸气侧壁和顶部端盖圆滑地接合在一起。
内部弯曲部分38和圆角40在径向跨度上布置在顶部端盖34的内表面下方，用于保持顶部端盖在内部冷却回路20上以及两个相对侧壁之间的整个厚度。
一排传统的薄膜冷却孔42自内部冷却回路20流动连通延伸，通过内部弯曲部分38进入凹槽36，用于在运行过程中排出冷却空气。凹槽36在运行过程中充满了加压的冷却空气，并提供了一热绝缘空气层，以保护顶部端盖在运行期间不受到流经其上的热燃烧气体18的损害。
由于翼型随引导压力侧的吸气侧旋转，燃烧气体流过顶部端盖首先是从压力侧流过，在此处遇到自压力侧凹槽36排出的冷却空气。从凹槽排放的冷却空气继续沿主导方向从压力侧流过顶部端盖到吸气侧，并保护顶部端盖不受燃烧气体的危害。
通过气动地抑制燃烧气体自由流动通过缝隙，导入顶部端盖和环绕涡轮罩之间的缝隙的用过的冷却空气也改善了翼型在缝隙处的密封性能。
图2和图3所示的顶部端盖34相当简单和平坦，并包括一个于顶部凹槽36的正上方与压力侧壁24邻接的第一方形外部转角44。顶部端盖也包括一个与吸气侧壁26邻接的第二方形外部转角46。内部弯曲部分38位于第一外部转角44正后方并与其成为一个整体。而且内部圆角40位于第二外部转角46的正后方。
这样，第一转角44可以与凹槽36下方的压力侧壁24的外表面共面对齐，用于延伸压力侧壁，并使从燃烧气体中提取能量的有效表面积最大。与之类似，第二转角46与吸气侧壁26的外表面共面对齐，以使吸气侧壁的表面积以及在运行中提取来自燃烧气体的能量最大化。
如上所述，翼型12是空心构件，其中含有冷却空气22循环通过的内部冷却回路20，用于冷却在运行期间受到外部燃烧气体热负荷的整个翼型。两个侧壁24和26相当薄和轻，并具有如图2和3所示在顶部端盖34附近或与之结合之处的标定厚度A。顶部端盖34的标定厚度B相当薄并且近似或基本上等于靠近顶部端盖的侧壁厚度A。
薄膜冷却孔42延伸通过内部弯曲部分38并提供当中的内部对流冷却，并且也通过弯曲部分自身提供的传导路径从悬突在凹槽36上方的第一转角44带走热量。
图3所示的顶部凹槽36延伸进入压力侧壁24的侧向深度C优选大于侧壁厚度A，以达到内部弯曲部分38并有小部分延伸进入到弯曲部分38。
内部弯曲部分38优选地以第二凹圆角或凹槽48接合顶部端盖34的内表面，该第二凹圆角或凹槽48优选地凹陷在弯曲部分38之后以使顶部端盖和凹槽后方弯曲部分之间的厚度最小化。内部弯曲部分38也以另一个弧形圆角接合凹槽36下方的压力侧壁24的内表面。
在顶部端盖以下和内部弯曲部分38周围形成的几个内部弧形圆角，增加压力侧壁和吸气侧壁以及两侧壁与共同顶部端盖34连接处的传导冷却表面积，该共同顶部端盖在两侧壁之间延伸。内部弯曲部分38和顶部端盖36的结构相适应，相应的圆角将弯曲部分连接到顶部端盖36和压力侧壁以减小运行期间的应力，同时在顶部凹槽36附近形成了一狭窄的热传导路径来冷却翼型顶部。
在图3所示优选的翼型顶部实施例中，顶部凹槽36基本上与内部弯曲部分38在横向型面上是同心的，内部弯曲部分38提供衬托凹槽36的狭窄金属带。
凹槽36具有一延伸至弯曲部分38的凹形中心圆角，从而与它的凸出部分相吻合。凹槽的中心圆角以相应于凹槽顶上的压力侧转角44和凹槽之下的压力侧壁24外表面的外部和内部凸起半径而而侧向向外弯曲。
凹槽也包括沿水平方向桥接压力侧壁24的下壁或基础壁，以及以约45度从凹槽的内壁向外倾斜的上壁。
因此，凹槽36从所述一排薄膜冷却孔42向外偏离，且在形成从凹槽排出的薄膜冷却层之前使得通过孔42排出的用过的冷却空气分散。
凹槽外壁的倾斜角度随离开其相对两端之间凹槽的中间跨度的凹槽深度C相应地变化，当凹槽深度C达到0时，两相对端接合在翼型的前后缘附近。
如图2所示的顶部端盖34除了具有一个或多个较大的灰尘孔50外，最好是无孔的或连续的，就像在原始的由凸肋形成的顶部空腔中那样。在内部冷却回路20的径向外圈处按照所需布置灰尘孔50，以排除含在冷却空气中的灰尘，而在运行过程中不堵住灰尘孔50。
因而，灰尘孔通常地比薄膜冷却孔或其他类型的顶部冷却孔的直径大，后两种孔的直径较小以防止从冷却回路过量排放冷却空气。顶部孔50优选侧向布置在顶部端盖中间附近的第一转角和第二转角44，46之间。另外，顶部孔50促进了内部冷却空气22沿顶部端盖下方的内圆角以及弯曲部分38的循环，从而改善了顶部端盖自身的内部冷却。
如图3所示，顶部端盖34优选在第一转角44和第二转角46之间沿圆周方向是平的，没有断开同时也没有以前用到的凸肋。顶部端盖的平面轮廓在叶片转动方向上从压力侧延伸到吸气侧，而且在圆周旋转方向上可以有肉眼看不到的一个微小的凸形弧，该凸形弧用来与气体涡轮发动机的高压涡轮内的涡轮罩周围的凹形弧匹配。
图4所示为顶部端盖的另一个实施例，在第一转角44和第二转角46之间也还是平的，除了设置了一第二凹槽或顶部沟槽52。顶部沟槽52自第一转角44和布置在其下方的顶部凹槽36朝内隔开，并且排列在内部弯曲部分38的顶上。
像凹槽36一样，顶部沟槽52从它的中间圆角向外偏离，在深度上接合在翼型的前缘和后缘附近，在该处其径向深度减为零。顶部端盖优选的是沿顶部沟槽52是不穿孔的，沟槽52在翼型上力提供了一个再循环区域，在这个区域内燃烧气体和来自顶部凹槽36的用过的冷却空气可以再循环以改善翼型顶部与环绕的涡轮罩的密封性能。
另外，顶部沟槽52减少了第一转角44、内部弯曲部分38与顶部凹槽36它们和顶部端盖之间的热量，从而减小该区域内顶部端盖的运行温度。
以上示例和优选实施例中描述的涡轮叶片用钝形顶部端盖代替传统的具有凸肋的、并在在凸肋之间具有一暴露的顶部空腔的叶片顶部。取消了凸肋，暴露在热燃烧气体中的外表面区域也随之减小。
顶部端盖本身相对较薄，其以与压力侧壁和吸气侧壁的厚度相适合的厚度桥接或盖在两侧壁上面。薄的顶部端盖由内部冷却回路20中循环的冷却空气22内部冷却，冷却回路20可以是任何适当的结构。同时，在压力侧第一转角44正下方的翼型压力侧布置顶部凹槽36，以加强涡轮叶片自身的空气动力性能，同时释放冷却空气膜使顶部端盖避免来自其外表面的损害。
内部弯曲部分38的厚度最好是与翼型的压力侧壁和吸气侧壁的厚度相适合，并且与顶部端盖毗邻以是顶部端盖所承受的离心负载和热负荷最小化，并且通过设置薄膜冷却孔42改善顶部端盖的冷却，薄膜冷却孔延伸通过弯曲部分38并给沿弯曲部分38轴向延伸的顶部凹槽36供给冷却空气。
如图3所示，优选的是凹槽36位于顶部端盖暴露的顶部下方，以维持第一转角44的方形横截面。这样，第一转角44保持一个具有合适半径高度的方形末梢，第一转角具有一相应的平的外表面，该外表面与凹槽下方压力侧壁24的平的外表面共面对齐。
第一转角44的高度大约为5-10密耳(mil)，它是凹槽整个深度C的较小的一部分，凹槽深度约为20-40密耳(mil)。这样，钝的顶部端盖和它的方形转角对于偶尔发生的与周围涡轮罩的顶部摩擦是有作用的，而且可以在不改变结构的情况下提高强度或在发生顶部摩擦之后改善性能。
虽然这里描述了被认为是本发明的优选地或示例性的实施例，但是，本发明的其他改型对本领域中的普通技术人员是明显的，因此，期望在所附的技术方案中得到保护的所有变型都落入本发明的实质精神和范围之内。
因此，期望保护的是在所附的技术方案中所限定和区别开的发明。

Claims (10)

1.一种涡轮翼型(12)包括：
侧向相对的压力侧壁和吸气侧壁(24，26)，在相对的前缘和后缘(28，30)之间呈弦形地以及在从根部(32)到外侧顶部端盖(34)的跨度上延伸，顶部端盖在其远端处桥接所述侧壁；
一凹槽(36)在所述压力侧壁(24)的外表面弦式延伸并在所述顶部端盖(34)的下方；以及
所述压力侧壁(24)在衬托所述凹槽(36)的内部弯曲部分(38)处接合所述顶部端盖(34)，而且所述吸气侧壁(26)在内部圆角(40)处接合所述顶部端盖(34)，并且所述弯曲部分(38)和圆角(40)均位于所述顶部端盖(34)下方。
2.根据权利要求1所述的翼型，所述翼型(12)进一步包括一内部冷却回路(20)、和一排由此延伸并通过所述弯曲部分(38)进入所述凹槽(36)的薄膜冷却孔(42)。
3.根据权利要求2所述的翼型，其中所述顶部端盖(34)包括一与所述压力侧壁(24)毗邻并位于所述凹槽(36)上方的第一外部转角(44)，以及一与所述吸气侧壁(26)毗邻的第二外部转角(46)，所述弯曲部分(38)位于所述第一转角(44)的后面，所述圆角(40)位于所述第二转角(46)的后面。
4.根据权利要求3所述的翼型，其中所述第一转角(44)与位于所述凹槽(36)下方的所述压力侧壁(24)的外表面共面对齐。
5.根据权利要求4所述的翼型，其中所述侧壁(24，26)的标定厚度在所述顶部端盖(34)附近，并且所述顶部端盖(34)具有相似的标定厚度。
6.根据权利要求5所述的翼型，其中所述凹槽(36)延伸入所述压力侧壁(24)的深度大于所述侧壁的标定厚度以部分延伸进入所述弯曲部分(38)。
7.根据权利要求5所述的翼型，其中所述弯曲部分(38)以凹陷于所述弯曲部分(38)之后的圆角(48)连接所述顶部端盖(34)。
8.根据权利要求5所述的翼型，其中所述凹槽(36)与所述弯曲部分(38)同心，并在所述前缘(28)后面的压力侧壁(24)中开始，并向位于所述顶部端盖(34)下方的所述后缘(30)弦式地延伸。
9.根据权利要求5所述的翼型，所述顶部端盖(34)在所述第一和第二转角(44，46)之间是平的。
10.根据权利要求5所述的翼型，顶部端盖(34)包括一自所述第一转角(44)向内隔开的并排列在所述弯曲部分(38)顶上的顶部沟槽(52)。
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