TW558591B - Ramped tip shelf blade - Google Patents

Description

558591 ⑴ 玖、發明說明: (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 發明背景 本發明大體上係關於氣體渦輪引擎，特別是關於其中的 渦輪葉片冷卻。 在一氣體渦輪引擎中，空氣在壓縮機中加壓且在燃燒機 中與燃料混合，以產生熱燃燒氣體，其向下游流動通過自 彼擷取能量的渦輪級。在一渦輪扇飛機引擎實施例中，一 南壓渦輪供應動力予壓縮機，且一低壓渦輪供應動力予上 第-級渦輪葉片首先從燃燒機接受熱燃燒氣體，且典型 上使用自壓縮機放出的空氣而氣冷。㈤輪葉片冷卻極難理 解，且鑑於葉片冷卻的複雜性，此技藝頗為熱門。 典型的渦輪葉片包含-大體上凹入的壓力側及一在前導 與尾隨邊緣之間轴向或弦向延伸之對立、大體上凸出的吸 入側’前導與尾隨邊緣自葉片的根部持續徑向延伸至葉尖 =片的翼形部分是中空的’且自—將葉片安裝於支撐轉 子盤中的支撐鳩尾榫頭徑向向外延伸。 冷卻空氣經由鳩尾榫頭而引導至每一葉 通道形成在用於調適冷卻果的翼 ” 口 σ 品田m 木異小内’以減輕翼形外轰 面周圍所經歷的熱負載。 異心外录 翼形的徑向外端部或葉 沿著翼形之厭七^ 7部，因為它暴露於 ^ 力與吸入側二者及在周圍的靜子外覃式續置 隙或:隙中之熱燃燒氣體。因為職片 、·’白勺茶尖磨擦，所以翼形葉尖典型上由壓力斑 558591 發晡說嗔纔貫. σ側之長而穴的肋部延伸物形成，肋部延伸物在前導與 尾隨邊緣連結在一起，且其間界定一敞開的葉尖空腔，其 具有一圍繞翼形之内部通道的地板。 葉片葉穴々卻之一顯著的進步是美國專利5,26ι，789號， 其揭不使用一沿著渦輪葉片之壓力側的葉尖架面。葉尖架 面經由形成於彼的孔而獲得冷卻空氣，且使沿著葉片葉尖 之壓力側的燃燒氣體流中斷。所獲得的係包含壓力側葉尖 肋部之葉片葉尖的改良冷卻。 渦輪葉片的典型輪廓是新月形，其中葉片的寬度從前導 邊緣以後增加，然後收歛且寬度減少到其狹窄的尾隨邊緣 葉片之所心的空氣動力性能控制壓力與吸入側的空氣動 力輪廓，且典型上導致葉片之相當薄的尾隨邊緣區域。 因為上述葉尖架面凹入渦輪葉片的壓力側，所以葉片在 可以形成架面的尾隨邊緣附近必需具有足夠的厚度。 然而，在具有相當薄的尾隨邊緣區域之渦輪葉片中，可 以形成葉尖架面且具有足夠的強度俾使葉片有長的使用壽 命之寬度係不夠的。在此構造中，葉尖架面可以終止於尾 隨邊緣的前方’且在空間允許之處引入葉片。以此方式使 葉尖架面終止將形成一垂直面，在該處，葉尖架面與壓力 側混合，而葉尖架面的邊界具有在一後隅角相交的水平與 垂直線。 因為燃燒氣體流可以在操作期間由後架面隅角牽制或中 斷，所以氣體流之此牽制可以增加燃燒氣體熱傳遞，以致 於當燃燒氣體再附著至終止的葉尖架面之壓力側下游時， (3) 558591

葉尖的局部加熱可能導致葉片葉尖快速氧化，其對於葉 的使用壽命有不利的影響。 因此，所欲者為提供一種渦輪葉片，儘管葉尖架面終止 於葉片尾隨邊緣的上游，仍具有改良的葉尖冷卻。 發明概要 ❿ 一種氣體渦輪引擎葉片包含延伸於前導與尾隨邊緣及根 部至葉尖之間的壓力及吸入側。壓力側包含一凹入於其中 的葉尖肋部’以界定一終止於傾斜的斜坡之葉尖架面。斜 坡"T以對準燃燒良體流的流線，以防止其中斷及自彼開始 之熱傳遞之增加。 圖式簡單說明 本發明-依據較佳及示範實施例·及它的其他目的與優點 更特別說明於配合附圖之下列詳細說明，其中·· 圖1 ίτ、一具有依據本發明示範性實施例之葉片葉尖冷卻 的氣體渦輪引擎第一級轉子葉片等角視圖。 ❿ 圖2係通過繪示於圖丨之葉片翼形之一部分且大體上沿著 線2-2所作的徑向剖視圖。 圖3係通過繪示於圖1之翼形且沿著線3-3所作的正剖視 圖。 圖係、g不於圖1之翼形的葉尖區域之放大、等角視圖。 圖5:通過繪示於圖1之翼形葉尖的尾隨邊緣區域且大體 上沿著線5-5所作的放大頂視圖。 發明詳細說明 緣示於圖1的係一用於翁辦讲 用％乱収肩輪引擎之示範性第一级渦 -8- 558591 (4) 發瞵說稱繽賀 輪轉子葉片10，熱燃燒氣體12在操作期間引導於其上方。 葉片包含一體式連結至一典型上形成於共同外罩中的安裝 鳩尾榫頭16之中空翼形；u。翼形的構造係用於自燃燒氣體 擷取忐1。而且，鳩尾榫頭的構造係用於將葉片固定於一 在操作期間轉動之轉子盤（未顯示）的周緣中。 如圖1與2所不，翼形具有一包含對立的壓力及吸入側J 8 、20之新月形空氣動力輪廓，壓力及吸入側μ、在對立 的前導與尾隨邊緣22、24之間軸向或弦向延伸。翼形側也 在縱向，自一在一體式葉片平台的根部26徑向延伸至一徑 向的外葉尖28。 中空翼形可以具有任何傳統的内部構造，且典型上包含 複數内部流動通道30，其具有在鳩尾榫頭16中的適當入口 ，經由彼，自引擎的壓縮機（未顯示）接受冷卻空氣3 2，當 作在操作期間使葉片冷卻的冷卻劑。 如圖2所示，有九徑向延伸於翼形内部之内部流動通道3〇 ，用於優先冷卻它的各部分。在翼形前導邊緣之前二通道 提供前導邊緣之專用的撞擊冷卻。在尾隨邊緣24前方的二 通道提供翼形之薄尾隨邊緣區域之專用的冷卻。五中間通 道配置在用於冷卻翼形中部之五通彎曲迴路中。 翼形包含薄膜冷卻孔3 4的各徑向列，其通過所需要之翼 形的壓力及吸入側’用於提供有效的冷卻。而且，翼形包 含一列尾隨邊緣排放孔3 6，用於從最後二内部通道，沿著 尾隨邊緣軸向向外排放冷卻空氣。圖1與2所示實施例中的 尾隨邊緣排放孔36是槽的形式’其配置於翼形的壓力側18 558591

(5) 中或僅破壞之’且終止於尾隨邊緣本身。依此方式，翼形 的尾隨邊緣區域可以相當薄，而僅引導排放孔36通過其壓 力側’使翼形維持足夠的強度，以有長的壽命。 如圖3與4所示，一大體上平坦的葉尖地板列橋接翼形的 壓力及吸入側，且將七内部通道圍繞於其内。葉尖地板包 含第一與第一長而尖的葉尖肋部4 〇、4 2，其個別沿著壓力 及吸入側延伸，且互相連結在翼形的前導與尾隨邊緣。壓 力及吸入側肋部40、42環繞葉片葉尖，且在其間界定一敞 開的葉尖空腔44。 吸入側第二肋部42形成翼形吸入側壁之自前導邊緣至尾 隨邊緣的一體式與共同延伸的延伸物。壓力側第一肋部4〇 形成翼形壓力側壁的延伸物，且較少共同延伸或與彼齊平。 更特別地，顯示於圖4的第一肋部4〇自翼形葉尖28徑向向 内或向下凹入翼形的壓力側，以在其内界定一示範性L形隅 角之面向外的葉尖架面46。如圖3與4所示，第一肋部⑽在 深度D的方向自翼形葉尖向下凹入，且在寬度w的方向自壓 力側向内凹入，以在其内界定葉尖架面。 依據本發明，圖4所示葉尖架面46終止於一傾斜的斜坡Μ ，其朝尾隨邊緣軸向向後且朝翼形葉尖徑向向上延伸。 圖4所不二長而尖的肋部40、42在葉尖地板上方具有大致 上相同的高度，以提供一大致上均勻的徑向餘隙或間隙予 一壞繞的靜子外罩（未顯示）。葉尖架面46較佳為開始於翼 形的前導邊緣22㈣，且在需要時較佳為自彼略為向後，、 以在插作期間當燃燒氣體1 2流動於彼上方時加強葉尖冷卻 -10 -

558591 。葉尖架面大部分大致上平行於葉尖地板38與自彼延伸的 肋部而延伸，而具有大致上恆定的深度D，直至它與架面 钭坡48相交之處。然後，架面的斜坡部分之深度d減小，使 斜坡與翼形壓力側-它在該處與翼形葉尖連結-徑向混合。 如圖4所示，在靠近前導邊緣22及它與尾隨邊緣以連結之 處，第一肋部40與翼形壓力側18側向共同延伸或齊平。斜 坡48在空間允許之處配置於尾隨邊緣24的前方，原因在於 翼形之尾隨邊緣區域之相當薄的側向寬度。所以，第一肋 部40在架面斜坡48與尾隨邊緣24之間和壓力側以共同延伸 ’以提供壓力側表面之空氣動力連續性。 因此，架面斜坡48藉由使深度D與寬度者皆混合於翼 形葉尖的壓力側而終止於其内，且實際上消失於尾隨邊緣 前方之翼形的徑向最外部分或葉尖2 8。 圖5緣示在尾隨邊緣之翼形葉尖的放大部分，包含葉尖架 面46的最後部分與它的終止斜坡48。翼形尾隨邊緣區域儘 可能與示範性實施例一樣薄，而形成翼形之壓力與吸入側 的壁必需具有最小的厚度，俾使壽命增加。而且，内部流 動通道j 0的尺寸具有根據使用傳統鑄造以形成那些通道之 能力的最小尺寸。 在鑄造時’長陶瓷指用於界定個別流動通道，該陶曼指 中的某些陶瓷指係由埋放於其中的細長桿加強。這些桿延 伸至翼形的葉尖空腔，其由桿支撐的補償性陶瓷塊所界定。 因此，繪示於圖5的葉尖架面46必須終止於翼形尾隨邊緣 24前方，因為存在的空間不足以將架面與適當尺寸的内部 558591

⑺ 通道及葉尖空腔製造於寬度尺寸實際上係薄的尾隨邊緣區 域中。 圖4繪示葉尖架面46的前端只在軸向與壓力側混合，以維 持恆定的深度D ’直到它終止於它的前端為止。所以，一 垂直面形成於葉尖架面的前端。 類似地，葉尖架面46的後端可以只在軸向與壓力側混合 ’但疋其將在葉尖架面的後端導致類似的垂直面。該垂直 面實際上將在架面終止於翼形壓力側之處形成一 L形隅角 。此隅角對於燃燒氣體流線的主要方向是非所欲的，代表 性者繪示於圖4，且其徑向向外傾斜。 燃燒氣體流的現代三維計算流動分析預測圖4所緣示的 流線之傾斜角。當通過上述L形葉尖架面的後垂直面上方時 ’此傾斜的流線將導致恰在葉尖架面後方之處由於再附著 而造成流線中斷。燃燒氣體流線的中斷使熱傳遞增加，且 可能導致恰在葉尖架面後方之翼形葉尖的局部加熱增加。 然而’依據本發明，葉尖架面終止於傾斜的斜坡48，以 消除上述非所欲的垂直面及在它與翼形壓力側混合處之葉 尖架面的對應L形隅角。 為了上述製造的理由，繪示於圖4的架面斜坡48較佳為終 止於尾隨邊緣24的前方，且壓力側1 8沿著葉尖架面與斜坡 共同延伸。架面斜坡48相對於大致上平直的葉尖架面46以 小銳角A傾斜，以大致上匹配於在引擎操作之所欲設計點 的燃燒氣體流之流線的角定向或傾斜。 所以’傾斜的架面斜坡48隔離於翼形尾隨邊緣的前方， -12 - 558591 以在緊鄰於葉尖架面與斜坡後方之處提供平滑的翼形壓力 Η之未中斷的連續性，用於維持燃燒氣體！ 2沿著斜坡與 ^隨邊緣之間的壓力側及在壓力側第一葉尖肋部4〇的後部 分上方之附著。燃燒氣體流線將大體上平行於對應傾斜的 架，斜坡48而流動’使得接著將沿著壓力側而再附著之燃 燒氣體的流動分離減至最小或避免之。 繪示於圖4的葉尖架面46較佳為大致上平坦且具有自翼 形葉尖開始的大致上恒定深度D。而且，架面斜坡48較= 為大致上平坦或平直，且與葉尖架面相鄰，其間係傾斜 鈍角。 木面斜坡較佳為為自葉尖架面、葉尖地板Μ與第一葉尖 肋部40的公稱水平方向，以約12度的傾斜角a，朝翼形葉 尖與尾隨邊緣徑向向外歪斜或傾斜。 如圖j所不，葉尖架面46較佳為與第一肋部4〇相鄰，其間 係一直隅角。而且，一列架面排放孔5〇向内延伸通過與内 部流動通道30流動連通的葉尖地板38，以自彼排放冷卻劑 · '如圖4所示，木面孔5 〇的列如所欲地沿著葉尖架面與斜 坡的長度延伸，以沿著彼排放冷卻劑。 在葉尖架面中的冷卻劑流提供壓力側之長而尖的肋部4〇 與一熱絕緣屏障之薄膜冷卻，以抗拒熱燃燒氣體的加熱效 應。葉尖架面享用上述專利所揭示之原始葉尖架面的全部 利益，且享用引入傾斜的架面斜坡48於架面後端所皮之額 外利益。 雖然已經在此說明認為係本發明之較佳及示範性實施例 -13 - 558591 (9) 發萌翻繽黃 ，但是專精於此技藝的人從此處的教導可以明白本發明的 其他修改，所以，所欲者為，將此類修改全部保護於附屬 申請專利範圍中，視為落在本發明的真實精神與範疇内。 因此，欲由美國專利特許証保護者係由下列申請專利範 圍界定及區別之本發明。 圖式代表符號說明 10 葉片 12 燃燒氣體 14 翼形 16 鳩尾榫頭 18 壓力側 20 吸入側 22 前導邊緣 24 尾隨邊緣 26 根部 28 葉尖 30 内部流動通道 32 冷卻空氣 34 薄膜冷卻孔 36 尾隨邊緣排放孔 38 葉尖地板 40 第一肋部 42 第二肋部 44 葉尖空腔 46 葉尖架面 48 斜坡 50 架面排放孔

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Claims (1)

1. 558591 拾、申請專利.範動 1. 一種氣體渦輪引擎葉片（10)，包含： 一具有對立的壓力及吸入側（18, 20)之翼形（14)，該壓 力及吸入側（18，20)在前導與尾隨邊緣（22，24)之間的弦 向及在根部（26)與葉尖（28)之間延伸； 一葉尖地板（3 8)，其橋接該壓力與吸入側，且包含沿 著該葉尖地板延伸的第一與第二肋部（4〇, 42)以在其間 界定一葉尖空腔（44);且 該第一肋部（40)凹入該壓力側中，以在其中界定一葉 尖架面（46)，且該葉尖架面終止於該尾隨邊緣（24)的前 方，在一向外朝該翼形葉尖傾斜的斜坡（48)中。 2. 如申請專利範圍第1項之葉片，其中該葉尖架面（46)開始 於該前導邊緣（22)附近，且大部分大致上平行於該葉尖 地板（38)延伸而後至該架面斜坡（48)，然後沿著該斜坡 而珠度減小。 3如申請專利範圍第2項之葉片，其中該第一肋部（40)與該 翼形壓力側（18)共同延伸於該架面斜坡（48)與該尾隨邊 緣（24)之間，且該斜坡（48)的深度與寬度二者和該壓力 側在該葉尖（28)混合。 4如申請專利範圍第3項之葉片，其中該翼形（14)又包含一 列尾隨邊緣排放孔（36)，其破壞該壓力側（丨8)且終止於 該尾隨邊緣，且該架面斜坡（48)向前與該尾隨邊緣隔離 ，以維持燃燒氣體流之附著沿著在其間之壓力側。 y如申凊專利祀圍第4項之葉片，其中該架面斜坡（48)在該 558591 电議專獅圔栽夏 壓力側（1 8)中傾斜’以大致上匹配於該燃燒氣體流的流 線。 6. 如申請專利範圍第4項之葉片，其中該架面斜坡（48)相對 該葉尖架面（46)傾斜約12度。 7. 如申請專利範圍第4項之葉片，其中該架面斜坡（48)大致 上是平坦的。 8如申請專利範圍第4項之葉片，其中該葉尖架面（46)大致 上是平坦的，且該架面斜坡（48)大致上是平坦的且與該 葉尖架面以鈍角關係相連接。 9. 如申請專利範圍第4項之葉片，其中該葉尖架面（46)以一 隅角連接該第一肋部（40)，且包含一列沿著該葉尖架面 之排放孔（50)。 10. —種氣體涡輪引擎葉片（10)，具有一沿著長而尖的葉尖 肋部（40)而凹入一壓力側（丨8)之葉尖架面（46)，且該架面 終止於一在該尾隨邊緣（24)前方的傾斜斜坡（48)，且該 斜坡併入該壓力側中。 1 1 .如申請專利範圍第1 〇項之葉片，其中又包含在其内的内 部流動通道（30)，用於引導冷卻劑（32)通過該葉片，且 該葉尖架面（46)包含一列與該通道流動連通的排放孔 (5 0) ’用於沿著該架面與該斜坡排放該冷卻劑。 12.如申請專利範圍第丨丨項之葉片，進一步包含一與該壓力 側（18)隔離且延伸於該尾隨邊緣（24)與一對立的前導邊 緣（22)之間的吸入側（2〇)，且該葉尖架面（46)開始於該前 導邊緣（2 2)後方的該壓力側’且具有大致上恒定的深度

   ’直至該斜坡（48)為止，而該斜坡的深度減小以與該壓 力側（18)合併。 13·如申請專利範圍第12項之葉片，其中該斜坡（48)的寬度 進一步與該壓力側（1 8)合併。 14.如申請專利範圍第13項之葉片，其中該架面斜坡（48)在 遠壓力側中傾斜，以大致上與可沿著該壓力側流動之該 燃燒氣體流的流線一致。 11如申請專利範圍第13項之葉片，其中該架面斜坡（48)相 對該葉尖架面（46)傾斜約12度。 16. —種氣體渦輪引擎葉片（1〇),包含一中空翼形（丨4)與一 體式鳩尾榫頭（1 6) ’該翼形具有延伸於前導與尾隨邊緣 (22,24)及根部（26)至葉尖（2 8)之間之對立的壓力及吸入 側（1 8,20) ’且該葉尖包含分別沿著該壓力與吸入側延伸 的第一與第二葉尖肋部（4〇,42)，而該第一葉尖肋部的深 度與寬度二者凹入該壓力側（18)中，以在其内界定一終 止於朝該尾隨邊緣（24)延伸之傾斜的斜坡（48)之葉尖架 面（46)。 17. 如申請專利範圍第16項之葉片，其中該架面斜坡（48)的 深度與寬度二者在該葉尖（28)與該翼形壓力側合併。 18. 如申請專利範圍第17項之葉片，其中該架面斜坡（48)在 該壓力側中傾斜，大致上與可沿著該壓力側流動之該燃 燒氣體流的流線一致。 19. 如申請專利範圍第18項之葉片，其中該架面斜坡（48)終 止於泫尾隨邊緣刚方，且該壓力側（1 8)沿著該葉尖架面 558591 申籮專纖圍績買· 與斜坡共同延伸。 20.如申請專利範圍第19項之葉片，其中該架面斜坡（48)相 對該葉尖架面（46)傾斜約12度。