TW446790B - Turbine blade tip with offset squealer - Google Patents

Description

^4679〇 4 4^7 9 0 A7 __ ___ B7 五、發明說明（1) 本發明由能源部（D Ο E )所頒發之政府合約 DEFC2 1 — 9 5-MC3 1 1 7 6號下之政府支持完 成。政府對本發明具有一些權利。 發明背景 本申請書係有關渦輪機葉片，且特別係有關改善渦輪 機葉片梢間隔特性。 渦輪機引擎包含一壓縮器用以壓縮與燃料混合之空氣 ，並在燃燒器中點燃’以產生燃燒氣體。燃燒氣體流進渦 輪機中，俾由撞擊熱燃燒氣體於一個，或一列葉片轉子組 件上，使燃燒器內所產生之熟能變換爲渦輪機內之機械能 〇 渦輪機引擎之性能及效率受擎內之轉動及固定組成件 間所存在之間隔重大影響。當葉片轉子組及固定組件，諸 如覆罩間之間隔增加時，引擎之效率降低。 — 經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 ------------〇-裝--------訂· (請先閱讀背面之沒意^項再填窝本頁) 故此，引擎之設計者需維持葉片轉子組件及覆：間之 該間隔.（此處稱爲4間隔空隙"）於最小，而不干擾轉子 組件之轉動，或影響轉子或覆罩之結構完善。然而，即使 使用複雜之間隔控制方法，間隔空隙不能完全消除。 轉子葉片梢及.相鄰之固定覆罩間之間隔空隙提供一狹 窄之氣流通道於葉片之壓力及吸力面之間*導致熱氣流漏 出，此對葉片氣體動力性能有害。雖不宜有漏氣流產生1 但間隔空隙需應付葉片在操作期間中之整個生長。葉片之 整個生長爲若干生長組成件之產物，包括轉子之熱膨脹， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x 297公釐） -4- 44679η Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（2〉 由於轉子普通.較覆罩更難冷卻，導致該膨脹。此冷卻困難 由轉子葉片延伸於相當大之徑向距離上，並包括許多部份 之‘_熱膨脹所造成，而覆罩則爲遠較小巧之組成件。 如上述，梢漏氣流之主要有害之影響在葉片氣體動力 性能上，但次要且較不熟悉之影響則係有關漏氣流所帶之 對流熱轉移。與熱工作氣體接觸之葉片梢處之表面區域代 表葉片上之一額外熱負荷，此與轉移至吸力及壓力面表面 區之熱一起需由葉片內冷卻氣流移去。該額外熱負荷對引 擎性能施加熱動力損害，並降低整個渦輪機性能。 在葉片梢上所產生之熱負荷可重大變化，並損害於葉 片梢耐久性，尤其是尾緣附近之葉片梢區域，此區域難以 由葉片內部冷卻氣流充分冷卻。結果，葉片梢傳統上爲渦 輪機中結構最易受損之區域。葉片梢之結構受損對渦輪機 性能具有嚴動影響。葉片梢上材料之損失增大該間隔空隙 ，增加漏氣流及熱轉移越過葉片梢，且通常加重以上所有 問題。 有許多普通葉片梢設計，用以維持梢帽處葉片之適當 .t 壓力及吸力面氣流表面，並提供與固定覆罩最小之間隔。 並有許多冷卻構造，用以冷卻梢帽，俾獲得葉片之可用壽 命，而無不欲之銹蝕。由於包括葉片梢在內之葉片之冷卻 普通使用來自氣體渦輪機壓縮器之壓縮空氣之一部份，故 該空氣不能用於引擎之燃燒室中燃燒，此降低渦輪機引擎 之整個效率。故此，包含葉片梢在內之葉片之冷卻應由儘 量少之壓縮空氣達成，以減少渦輪機效率至最低程度。然 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 4 4 6 7 9 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（3 ) 而’渦輪機葉片可由蒸汽等冷卻，並可爲開放管路或封閉 管路冷卻。 '故此1自以上顯然，在本藝中有需要改善渦輪機葉片 梢漏氣流之特性。 發明槪要 一種工業渦輪機組件包含多個轉動葉片部份，與一固 定覆罩成分開之關係'轉動葉片包含一根部份，一翼具有 —壓力側壁及一吸力側壁界定一外周邊，及一梢部份具有 一梢帽。一偏位鳴聲器置於梢帽上。偏位鳴聲器置於向內 離開轉動葉片之外周邊之位置。偏位鳴聲器增加氣流阻力 1並減少熱氣流在特定之壓力差上越過葉片梢部份漏出， 以提高整個渦輪機效率。 附圖簡述 — 圖1爲代表性渦輪機葉片之槪要立視圖； 圖.2爲本發明之一實施例之圖1之梢斷面2 — 2上之 頂平面圖； 圖3爲沿本發明之一實施例之圖2之斷面3 - 3上所 取之渦輪機葉片之部份切開圖 圖4 一 6爲試驗室之連串資料圖，顯示一平坦梢，一 鳴聲器梢，及一本發明之實施例之偏位鳴聲器之梢表面熱 轉移係數分佈，以B t u/h r/f t 2/F爲熱轉移單 位；及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------裝--------訂. (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -6 - 4 467 9 A7 B7 五、發明說明（4 ) 圖7 - 10爲沿本發明之另外實施例之圖2之斷面3 一 3上所取之渦輪機葉片之另外部份切開圖。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 主要元件對照表 1、1 0 2、1 2 3、 1 4 4、 1 6 5、 1 8 6、 2 0 7、2 2 8,24 9,26 10,28 11.、3 0 12,32 13.50 14,54 15,56 渦輪機組件 轉子葉片部份 外覆罩 內根部份 翼 外梢部份 壓力側壁 吸力側壁 前邊緣 尾邊緣 外梢帽 間隔空隙 偏位鳴聲器 背面階 槽 明之詳細說明 —渦輪機組件1 0包含多個轉子葉片部份1 2 ’及 覆罩1 4同心置於轉子葉片1 2周圍，如顯示於圖1 子葉片部份1 2包含一內根部份]β —蠶1 8，及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐 ----------7^ —裝--------訂· (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

-7- 44679 0 A7 -------- B7__ 五、發明說明（5 ) (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) 外梢n!3份2 0.。雖在此以渦輪機組件1 Q說明本發明’但 本發明不限於實施於禍輪機組件。本發明可實施及使用於 許多其他構形上。故此’應明瞭渦輪機組件1 Q爲一示範 組件，其中可實施及利用本發明。 翼1 8向外延伸進入渦輪機之工作媒質流徑路中，在 此’工作媒質氣體施加動力於其表面上。冀i 8包含一壓 力側壁2 2及一反面之吸力側壁2 4 (圖2)，在前邊緣 26(圖1)及後邊緣28處連接一起。外梢部份20包 含一外梢帽3 0，如顯示於圖2。 如最佳顯示於圖1 ，外覆罩1 4與梢部份2 0分開， 以界定一間隔空隙3 2於其間。如以上背景部份中所大體 討論’渦輪機之性能及效率受間隔空隙3 2重要影響。通 過間隔空隙3 2之漏氣流量愈大，渦輪機效率愈低，因爲 漏氣流並不施加動力於葉片表面面上，且故此不提供工作 0 -* * 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 依據本發明之一實施例，圖2顯示梢部份2 0 此由 壓力側壁2 2，吸力側壁24，前緣26，後緣28，及 梢帽30界定。葉片部份12 (圖1)之轉動方向由圖2 之箭頭"A 〃大體表示》 —偏位鳴聲器5 0置於梢帽3 0上。偏位鳴聲器5 0 伸進間隔空隙3 2中（圖1 )，俾由製造氣流阻力於其間 ，使漏氣流受阻及轉向。 偏位鳴聲器5 0 (圖2 )提高氣流通過間隔空隙3 2 (圖1 )之阻力，並從而降低在特定壓力差上熱氣流之漏 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公t ) ^46790 A7 __ B7__ 五、發明說明（6) 出，俾提高整個渦輪機效率。 如顯示於圖3 ’偏位鳴聲器5 0之寬度（在最接近壓 力側壁 2 2之部份上由表示，及在最接近吸力側壁 2 4之部份上由〜ί "表示）可改變，以獲得最佳性能， 普通取決於整個渦輪機組件之大小。在一實施例中，寬度 (e) ’ Ci)在約0.02吋至約0.15吋間之範圍 。在一實施例中，例如在飛機引擎渦輪機，寬度（e)， (ί )在約0 · 0 2吋至約0 . 〇 5吋間之範圍，及在工 業動力渦輪機，寬度（e) ’ （ί)在約〇.〇5吋至約 ◦ . 150吋間之範圍。寬度（e)及（f)普通相等， 但並非必需。然而，寬度（e) ， （f)可在梢帽30之 周邊周圍改變。 偏位鳴聲器5 0之高度（在最接近壓力側壁2 2之部 份上由〃表示’及在最接近吸力側壁2 4之-部份上由 、b "表示）可改變，以獲得最佳性能，普通取決.於整個 渦輪機組件之大小。在一實施例中，高度（a) ，( b ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 K n I n n J. I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁> 在約0.03吋至約0·3吋間之範圍•在一實施例中， 例如，在飛機引擎渦輪機，高度（a ) ，（ b )在約 0 . 03吋至約0 _ 100吋間之範圍，及在工業動力渦 輪機，高度（a) ，（b)在約0.05吋至約0.3吋 間之範圍。高度（a ) ’ ( b )普通相等，但並非必需。 然而’高度（a) - (b)可在梢帽30之周邊周圍改變 本紙張尺度適用中®國家楳準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -9- ά4€190 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員Η消費合作杜印製 五、發明說明（7) 偏位鳴聲器5 0置於向內離開葉片梢3 〇之外周邊 5 2之位置。偏位鳴聲器5 0形成梢形輪緣，圔牆，或密 封條，此偏離至葉片梢3 0內部。偏位產生一階5 4或棚 圍繞葉片梢3 0之整個周邊。通常沿圓周移行進入葉片壓 力面上之梢空隙3 2中之漏氣流需流過凹下之階5 4，此 包含一分離之氣流區（低熱轉移區）。而且，階5 4亦用 作氣流阻礙元件。 偏位鳴聲器5 0之內偏位置（在最接近圖3中壓力個J 壁2 2之部份上由〃表示’及在最接近吸力側壁2 4 之部份上由表示）可改變，以獲得最佳性能，普通 取決於整個渦輪機組件之大小。在一實施例中，內偏位置 (c) ’ （ci)在約〇.〇5吋至約0.5吋間之範圍。 在一實施例中，例如，在飛機引擎渦輪機，內偏位置（c )’ （d)在約0 · 050吋至約0 . 150吋間之範圍 ’及在動力滑輪機，內偏位置（c ) ，（ d )在約. 0.05吋至約0.50吋間之範圍。內偏位置（c)， (d) 普通相等，但並非必需。然而，內偏位置（c)， (d )可在梢帽3 0之周邊周圍變化。 而且，離開吸力側2 4之氣流需移回越過一背面之階 5 4 ’此包含一分離區。偏位鳴聲器5 0之偏離梢帽3 0 之周邊亦用以減小梢空腔寬度對深度比率，從而提供較低 之空腔地板熱轉移。偏位鳴聲器亦可包含至少一槽5 6接 近後緣2 8 ，供任何梢空腔冷卻劑氣流流出。槽5 6位置 及大小及朝向可視需要改變。吸力面分離階之存在亦可減 i I I I--I----裝 i — (請先Μ讀背面之泫$項再填寫本頁) -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格<210 X 297公釐） -10- 經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 A7 B7 _ 五、發明說明（8) 小主氣流中吸.力梢捲起漩渦。 偏位鳴聲器5 0置於葉片之較有效之內部冷卻區上。 故此，自下方更佳冷卻偏位鳴聲器5 0。圖4，5，及6 顯示三構形之外葉片梢之對流熱轉移係數分佈，如由試驗 室規模之測試決定（所有係數以B t u / h r / f t 2 / F爲單位）。此等葉片梢構形各在相等流率，溫度，及梢 間隔之情況下運轉，在幅度上不等於一普通渦輪機葉片。 此等測試模型無內部冷卻。 圖4顯示在一光滑，平坦葉片梢上之熱轉移。由於此 葉片梢無特別機構來減少梢漏氣流，故此測試在梢外表面 上產生最高之熱負荷。 圖5顯示在光滑之葉片梢上之熱轉移，具有加裝之周 邊鳴聲器輪緣，如由粗黑輪廓所示。在鳴聲器輪緣周邊內 ，此葉片梢上之熱轉移在幅度上遠低於無鳴聲器之情形。 加裝鳴聲器輪緣在增加通過梢空隙之漏氣流之阻_力，且從 而減少梢表面上之熱負荷。並未量度鳴聲器輪綠本·身之表 面上之熱轉移，但自其他公佈之文件資料（例如Metzger, 4 D. E.，Bunker，R. S.，及 Chyu，Μ. K.，1 9 8 9，” 窄流 通道中橫槽壁上之空腔熱轉移”，熱轉移雜誌，卷111 ，第73-79頁），此等表面遭遇與鳴聲器周邊內之葉 片梢表面相同或較大之熱轉移程度。由於此鳴聲器輪緣置 於葉片梢之周邊上’故與接收來自葉片之內部冷卻通道之 任何冷卻利益大幅隔離。 圖6顯示具有偏位鳴聲器輪緣之本發明之光滑葉片梢 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------ο-裝--------訂· <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -11 - 4 4 6 7 9 0 Δ7 ι\ί - Β7 α d 芏、蔡明說明（9) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 上之熱轉移，.亦由粗黑輪廓近似表示。在此情形中。在偏 位鳴聲器之周邊內之熱轉移幅度甚至低於周邊鳴聲器者， 此導致甚至更爲降低葉片梢之熱負荷。偏位鳴聲器外之區 域中所示之熱轉移程度並不較偏位鳴聲器週邊內之最高程 度爲差。在此情形，由於偏位鳴聲器並非在葉片梢之遠周 邊上，而是在葉片內冷卻通道正上方。此位置大爲提高延 伸之鳴聲器輪緣之冷卻作用，導致降低溫度及增長壽命。 而且，由於氣流再循環區由偏位鳴聲器形成於輪綠周邊外 之區域中，故在鳴聲器輪緣表面上之熱轉移程度預期亦較 周邊鳴聲器輪緣者爲低。 本發明可使用任何適當之製造方法。偏位鳴聲器例如 可與葉片梢或整個葉片一體鑄成，由氣流阻礙器之電子束 焊接於葉片梢，由物理蒸氣沉積材料於葉片梢上，或由硬 焊材料製成。或且，已鑄成過大尺寸之葉片梢可由各種方 法，例如雷射磨削移去材料，從而製造偏位鳴聲器一。 經濟部智慧財產局員工消費合作钍印製 圖7至1 0顯示本發明之偏位鳴聲器之梢冷卻孔之使 用。除內部冷卻外，普通作法爲使冷卻空氣之一部份經由 翼壓力面中之孔，或梢表面中之孔，或此等之合倂轉向至 葉片梢外。此等冷卻孔噴出冷卻劑，用以防止表面受熱氣 體，並提供額外之流體密封作用，以減少氣體漏出。此冷 卻劑可經由偏位鳴聲器輪緣間之孔（圖7 )，或經由此等 孔及偏位鳴聲器輪緣外之周邊區域中之孔（圖8 )，或經 由梢附近之翼表面上之孔（圖9 )噴出。而且，冷卻孔可 設置穿過偏位鳴聲器輪緣，如圖1 0所示，只要孔直徑小 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） -12 - 446790 經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 五、發明說明（1Q 於輪緣寬度即可。且應明瞭 位置，及角度。 雖此處已顯示及說明本 藝之人士可想出許多修改及 請專利範圍應涵蓋在本發明 及更改。 主要元件對照表 1 1 0 渦 輪 機 組 2 1 2 轉 子 葉 片 3 1 4 外 覆 罩 4 、 1 6 內 根 部 份 5 1 8 翼 6 % 2 0 外梢部 份 7 2 2 壓 力 側 壁 8 、 2 4 吸 力 側 壁 9 、 2 6 刖 邊 緣 1 0 、 2 8 尾 邊 緣 1 1 、 3 〇 外 梢 帽 1 2 、 3 2 間 隔 空 隙 1 3 、 5 0 偏 位 鳴 聲 1 4 5 4 背 面 階 1 5 5 6 槽 件 部份 A7 B7 _ 冷卻孔可爲各種形狀，大小， 發明之僅一些特色，但精於本 更改。故此，應明瞭後附之申 之真正精神內之所有此等修改 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中困图家楳準（CNS>A4規格（210 X 297公釐） -13 -

Claims (1)

1. 446790 A8 E8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 .—種渦輪機組件，包含： {請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) 至少一轉子葉片’包含一根部份，一翼具有一壓力側 壁及一吸力側壁界定一外周邊，及一梢部份具有梢帽； —外覆罩，同心設置於該至少一轉子葉片周圍，覆罩 與梢部份聯合界定一間隔空隙於其間；及 —偏位鳴聲器’置於梢部份之梢帽上，其中，該偏位 鳴聲器置於向內離開該至少一轉子葉片之外周邊之位置， 以降低熱氣流經該間隔空隙漏出。 2 .如申請專利範圍第1項所述之渦輪機組件，其中 ，該偏位鳴聲器之寬度在約〇 · 02吋至約0 · 1 50吋 間之範圍。 3 .如申請專利範圍第1項所述之渦輪機組件，其中 ，該寬度在約0 . 〇 2吋至約0 . 0 5吋間之範圍》 4，如申請專利範圍第1項所述之渦輪機組件，其中 ，該S度在約0 . 〇 5吋至約◦. 1 5 0吋間之範-圍。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之渦輪機組件·，其中 ’該偏位鳴聲器之高度在約〇.〇3吋至約0.3吋間之 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 範圍。 6 .如申請專利範圍第1項所述之渦輪機組件，其中 ，該高度在約0 . 〇 3吋至約0 · 1 〇 0吋間之範圍。 7 .如申請專利範圍第}項所述之渦輪機組件，其中 ，該高度在約0 〇 5吋至約0 · 3吋間之範圍。 8 .如申請專利範圍第1項所述之渦輪機組件，其中 ，該偏位鳴聲器之寬度及高度約相等。 本紙俵尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐J~~' ' " -14 - 4 46790 as C8 D8 六、申請專利乾圍 " 9 ·如申請專利範圍第1項所述之渦輪機組件，其中 ，該偏位鳴聲器置於向內離開梢帽之外周邊約0 . 05至 約0 . 5时間之位置。 1 〇 _如申請專利範圍第1項所述之渦輪機組件，其 中，該偏位鳴聲器置於約0050至約〇,150吋間 之位置。 1 1 .如申請專利範圍第1項所述之渦輪機組件，另 包含多個散置之梢冷卻孔。 1 2 . —種減少熱氣流經由轉動葉片及固定覆罩間之 間隔空隙漏出之方法，該方法包括步驟： 置一偏位鳴聲器向內離開轉動葉片之外周邊之位置， 以製造一棚包圍葉片之周邊’產生一分離之氣流區及一氣 流阻礙元件’並減少熱氣流經由其中漏出β (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智惡財產局員工消骨合作社印製 本紙张尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210ΧΜ公f ) -15-