TWI280315B - Airfoil with large fillet and micro-circuit cooling - Google Patents

Description

1280315 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 〃一般言之，本發明係有關於渦輪槳葉，而更明確言之， 係有關於具有-大圓角及相關冷卻特色件之渴輪樂葉。 【先前技術】 /行的涡輪槳葉之設計構型，在槳葉與相連平台之間的 變遷處，含有小前緣圓肖，或不含前緣圓角。結果，在該 處^展出夕個氣徑渦流（gaS ，以致槳葉上引生 多處積聚熱氣，終致在該等處所產生嚴重的災變。 為要緩和此項災難，採用具有相當半徑的大圓角以使該 等氣徑渦流得以實質消除。一大圓角在另一方面傾向增加 =屬體，因而增加槳葉的質量。在流體區域中像這樣的熱 ^里的增加，對於離心荷载與熱應力、疲勞及潛變，會有 負面的〜響。所以，吾人亟望，不只要能大幅增加大圓角 的半徑，還要能減小與大圓角有關聯的質量，並且還要對 此一區域提供適當的冷卻作用。 【發明内容】 簡言之，根據本發明的一方面，該較大圓角的厚度予以 最小化以減小其質量，同時採用一專屬的徑向通道，在冷 卻空氣流動通過一系列的薄膜孔之前，將其傳送到該圓角 及如緣的背面。 根據本發明的另一方面，該專屬的徑向通道，將作為冷 部劑用的空氣流引入，使其衝擊在該圓角區的底部，然後 在離開前緣薄膜孔之前，向上流動通過一系列的特色件， 104198.doc 1280315 例如半球形的突出體（dimples)。 根據本發明的另一方 ^ ^ ^ ^ 接補、％及前緣兩腔室模芯# 卻通道… ㈣成為“诸内腔室之間的衝擊冷 …用-種難炫金屬模芯來替代；金屬模芯含有一 :?模芯高度和若干用雷射製成在模怒内中的特色件 幻如σ座），俾以增強熱的傳遞。 .根據本發明的另—方面，在 T . . ^ Ρ1 L至之間的貫通孔，為 塞乂佺的目標壁涵蓋範圍，是從圓的形狀修改成如一 脊馬埸之形狀。 根據本發明的另一方面，前緣衝擊貫通孔的安置，是“ 中央平面而偏向槳葉的壓力側設置。 V. 、再依據本發明的另一方面，在衝擊進給腔室中包括若干 遮攔片（trip strips)，而該衝擊貫通孔是大致設置在相鄰兩 條片之間，俾以避免兩結構之間的干擾。 根據本發明的另一方面，前緣進給通道的入口，為了要 加強冷卻空氣的流動特性，是製作成如鐘口的形狀。 根據本务明的另一方面，前緣蓮蓬頭洞孔與圓角蓮蓬頭 洞孔之間的徑向間隙予以減小，俾以加強其等的冷卻效果。 再依據本發明的另一方面，不連續的雷射製洞孔是用向 前擴散形狀的洞孔替代，以增加薄膜冷卻的涵蓋範圍及減 低务生X堵塞的洞孔同時對局部的金屬溫度有不良影響的 機率。 再依據本發明的另一方面，該進給洞孔是用儀表測量， 以便&供所需的流量控制。 ^4198.(100 !28〇315 再依據本發明的£ 渠，以便善加利用：’該前緣内側表面上設有-溝 再化攄w 线㈣巾的較冷部分。 均=::的另一方面，採用微迴路内側特色件，以 徑及流動量，並㈣微料Μ作為傳導途 完龍擾[同時可給與大圓角内裏的微迴路結構的 在此後要加說明的圖式中 的且將、，曰不右干較佳的及可代用 1:—但是’仍可在不偏離本發明的真正精神及 乾与下，對其等作成多種其它的修改及可❹ 【實施方式】 現就圖1Α及1Β來說，其中表示一晝家對於由熱氣體流動 經過一無圓角（㈣葉部分與平台部分大致成直角相交）的 渦輪樂葉所產生的渦流結構所具的概念。在此可以看出， 因為有層流分離的發生㈣朗流㈣，致使熱氣聚積在 翼片的負《側’如圖所示’而這些熱氣可以在該等區域中 導致嚴重的災變。 圖2中，顯示一經過前述具有小圓角或無圓角翼片周圍的 氣體流線的計异流體動力模擬。在此處又可以看出，副流 旋渦有助於熱負荷對於翼片的影響。 在全力著手解決前述難題之際，翼片經修改成包括一相 當大半徑的前緣圓角。舉例來說，現有的槳葉設計構型， 是採用一有0.080吋或以下範圍内的半徑（或偏置（〇ffset))的 前緣圓角連接到槳葉平台。根據目前加大圓角尺寸的設 計’ 一圓角經設置成具有一半徑，其大小可高達整個徑向 104198.doc 1280315 翼展尺寸的四分之一、或大約3/8吋或更高。此項修改已證 明可改進翼片的流動特性，並因而可大幅降低圓角區的溫 度。舉例來說，在圖3中顯示關於一無圓角翼片（在下圖）和 一大圓角白勺翼片（在上圖）兩者分為A、B、C三層級溫度色碼 的指示。在各個指示圖中，在底部溫度較冷的範圍用較濃 顏色A表不，而在頂部較熱溫度範圍用較淡顏色◦表示。一 如可以承認的，流過修改後的翼片（有圓角）的氣體溫度，在 較冷區A大致有比無圓角翼片較大的部分。這是因為圓角有 助於抑止端牆渦流（end wall vortex)所導致的結果。 同樣地，在圖3B中，其中顯示一無圓角的翼片（如圖左所 示）矛有圓角的翼片（如圖右所示）的絕熱壁溫度的比較。 >、。彳凊幵/而s，較浪厚部分D是表示較冷的溫度範圍，而 較淺淡部分E是表示較高的溫度範圍。也可以看出，有圓角 的翼片的絕熱壁溫度，比起無圓角的翼片纟，有相當的減 縮。 雖然’車乂大圓角的採用成功地解決了前述副流旋渴的問 題，但是，此種大圓角的使用也能引起其它與翼片設計及 使：相關聯的問題。-般來說，彳以理解的，大半徑的引 用選^立曰加翼片中金屬質的總量。像這樣在圓角區中質量 的大幅增加，對於離心負荷及熱應力、疲勞、及潛變等方 面來說’都可能會有負面的影響。所以本發明是藉減小較 大圓角水葉的負2；來解決此項問題’並且設置各種業已證 明對於冷卻較大圓角前緣有顯著效率的特色件。 現就圖4A及4B來說，其分別顯示一渦輪槳葉叫前視圖 104198.doc 1280315

及側視圖。該渦輪槳葉11具有··一樅樹形部分12，供該槳 葉11固著至一旋轉件（諸如一圓盤）用；一翼片部分13;及一 平台部分14,含有界定平面x-x的前緣15與後緣20。該翼片 郤刀13具有壓力側（即凹面側）及一負壓側（即凸面側），一 界疋平面Y「Yl (其大致正交於平面X-X)的前緣16，及一 後緣17。如圖中所示，在前緣16變遷到並固著到平台14的 文遷點有一相當大半徑的圓角1 8，從平台14上的一點25 伸展到前緣16上的一點3〇。距離D是界定平面Ui與一通 過點25且與平面Υι_Υι成平行的平面之間的偏置。一 在兩點25及30之間伸展並形成一圓角角$的圓角線，用 以界定圓㈣的大小。根據本發明，該大圓角收由兩參 數D及0所界定，而偏置距離〇是在於㈣ 圍内：圓角角是在-至-的範圍内。就是這個大圓角; 服了如述端牆涡流的問題。 如在這類型_葉中已成為慣例的，在前緣牆壁之後設 有一前緣腔室19，而和該前緣腔室19平行的是一冷卻劑補 給腔室:卜該冷卻劑補給腔室21是由一冷卻空氣源所補 給’冷部空氣是經由穿過樅樹形部分12的徑向通道22通過 而向上流動。冷卻劑補給腔室21是藉多數個衝擊冷卻通道 =流體相通地連接到前緣腔室19。這些衝擊冷卻通⑽ 疋精助小型的陶究棒的鐘德从 牛㈣一物在每造過程中製成，陶究棒 在鑄造過後予以移除’空出衝擊冷卻通扣。於是，冷卻 空氣通過該徑向通道22谁a、人" 、進入冷部劑補給腔室21中。然後通 過衝擊冷卻通道23進入前緣腔室19中，在前緣腔室Η，冷 104198.doc 1280315 部广氣衝擊則緣的内側表面，然後經由多個薄膜孔排放到 木葉外側。根據本發明的—方面，前緣腔室向下朝平台 14乙伸進入直接在圓角18後面的一擴大的圓角腔室24。 另外還认置專屬的圓角進給通道26，徑向延伸通過樅樹 形部分12，如圖所示。圓角進給通道26是藉一貫通孔27成 流體相通地連接到圓角腔室Μ。 在払作時，將冷卻空氣引進到圓角進給通道26中，通過 貫通孔^而進入圓角月空室24中，在將其㈣薄膜孔（未圖示） 排出之剷，先用以冷卻圓角1 8。 到目前為止，衝擊冷卻通道23 f是圓橫截面形狀。吾人 已發現’如果將這些通道的橫截面形狀在徑向上予以伸長 …賽馬埸形狀時，如在圖沾中，當冷卻空氣流動通過 這些通道而流入前緣腔室19中時，可以獲得較佳的脾 壁的涵蓋程度。 ^ 現就圖5A及5B言，顯示一可代用具體實施例，也包括— 專屬的圓角進給通道26 ’徑向向上延伸穿通過樅樹形部分 12並通過-貫通孔27。如在圖从及仙的具體實施例中 貫通孔27連通—圓角腔請。然而，冷卻劑流是指向衝^ 圓角區的底部’並向上流動經過的冷卻特形 半球形的突出體），然後取道諸前緣薄膜孔而離出。這D 二種設計顯示於圖7中，如圖7中所示，有多個突出體 形S翼片前緣16的内側表面31上。這些突出體可給與= 角區别緣一加強的冷卻效果。 本t月的可代用具體實施例示於圖§ a及8B中，圖中不 104l98.doc 1280315 是採用如冑面關於圖4AA4B的具體實施例所提及的連接 補給及前緣兩腔室的模芯的陶究製模芯，而是採用一種難 溶金屬模芯(RMC)32來連接補給及前緣兩腔室的模芯。這 些特色件在圖9A-9C中有更為清楚的表示。該讀％可以 作成非常小的模芯高度’並可含有雷射製成的諸如台座的 特色件’俾以增強熱的傳遞。這種構型的優點，是在於熱 傳遞的提昇’而這是由於在圓角腔室24中有增強的衝擊作 用的緣故。 _ 增強冷卻特性的另-特色表示於圖1()中。在此可以認知 的，衝擊冷卻通道28,通常的作法，是設置在紫葉丨丨的負 壓側34和壓力側36的中間、或中平面33上。但是，在目前 的設計中，衝擊冷卻通道28，如圖中所示，是偏向壓力側 36設置。這樣設置的結果，藉用因樂葉旋轉所產生的科氏 力（Coriolis forces)，可以改善冷卻的效果。 在流動通道中採用遮攔片，是增強翼片中流動及冷卻特 .性的一種常用辦法。圖11A及11B中顯示一雙此類遮攔片 37，疋鉍用在圓角通道26上。吾人已經認知，貫通孔27的 叹置，在預防遮攔片可能對流向貫通孔27的流動的干擾， 是很重要的。因此，最好是把貫通孔27設置在相鄰兩遮攔 片37之間大致居中的位置上，如圖中所示。該同一概念， 同樣適用於衝擊冷卻通道28相對遮攔片的設置；該遮搁片 可以設在冷卻劑補給腔室2 1中。 現對圖12來說，其中顯示另一加強冷卻特性的特色件。 在此，徑向進給通道22及圓角進給通道26均有一鐘形入 104198.doc -11 - 1280315 口’ y刀別顯示在3 8和39兩處。該等鐘形開口已經確認可以 減低空氣流入兩通道中時的阻力和壓力損，並從而增加可 能獲得的冷卻效果總額。 引導冷卻空氣從前緣腔室19及圓角腔室24到槳葉前緣16 的薄膜孔，其功用已在前面述及。這些薄膜孔沿槳葉前緣 16的徑向間隔通常是一致的。在圖13中，這些標示為“的 薄膜孔’就一般的前緣腔室19連通到槳葉前緣的情形來 說，是不相平行的。倒是，其等是傾斜的，以適應其等沿 圓角1 8曲線的個別位置，如圖中所示。除薄膜孔4丨的傾斜 以外’吾人已認知，和槳葉主要部分的冷卻孔不同的，該 等薄膜孔41最好較為緊密聚集設置，俾以增加沿圓角18一 、七疋的長度上的薄膜孔數目。例如，在槳葉主要部分上的 薄膜孔之間的典型間隔（亦即相鄰兩孔中心之間的節距），是 在薄膜孔直徑的兩倍的範圍内。然而，薄膜孔41沿圓角的 間隔最好疋在薄膜孔直徑的一又二分之一（11/2)倍的範圍 内。 圖14A 14D中，顯示在於槳葉與圓角前緣處的薄膜冷卻 孔的一可代用具體實施例。在此，顯示一溝渠42製作成在 刖緣16中，向下延伸到圓角18並變遷為圓角18，如圖中所 不。多個薄膜孔43則將前緣16的内側表面連通到溝渠42， 如圖所示。最好，薄膜孔43是製作成具有賽馬場形狀的橫 截面，而不是圓形的橫截面，這在前面提起過。該溝渠的 作用疋在使冷卻空氣經由薄膜孔通過並在溢出前緣Μ表面 以前，先將溝渠充滿。 i04198.doc -12- 1280315 巩對園〗5來說，薄膜孔可以 形狀，在從内側表面31延仲到十:、另―修改是使其等的 量部44及一浐茫邻46 # 引、、16的過程_，包含一測 M4及擴張部46β該測量部料最好是具 或具有赛馬場橫戴面形狀’而兮 _ /狀 示的圓錐形狀，俾以增強冷卻是具有如圖中所 後擴張部46，一如前述，將其細 …、 者鈇，、士此 、f Ρ工氣排放到溝渠42。 二然，廷些部分的傾斜角可加以變動以密合特 而求。典型的值，舉例來說 叫， 的万角。 了以疋一 2〇。的α角及一 14〇 儘管已特別參照圖式中所示 例，tf太I 1佳的及可代用的具體實施 人士本發明加以說明及描述，可為本工藝中的技術嫻孰 ;士所可理解的，仍然有多項在細節方面的變更可以實 偏離申請專利範圍中所定義的本發明的真正精神 【圖式簡單說明】 型 圖1Α及1Β緣圖表示根據先前技藝的渴輪槳葉的渴流模 圖2為一根據先前技藝的渦輪紫葉的頂視圍，顯示圍繞在 其四周的流線型。 之間溫度降低的比 較 圖3A顯示大圓角槳葉與小圓角槳葉 之間絕熱壁溫度的比 圖3B顯不大圓角槳葉與小圓角槳葉 圖 圖4 A及4B為一根據本發明的大圓角槳葉的局部剖視 104198.doc -13- 1280315 圖5A及5B顯示該槳葦 朱的~可代用實施例。 圖6A及6B顯示根據本終 ♦&明的貫通孔的特色件 圖7顯示在根據本發明的 使用 具體實施例中凹窩的安置及 圖SA及SB顯不一根據本 明的大因角槳葉的另一 用具體實施例。 幻乃了代 圖9A-9C顯示根據本發明的槳葉在其 微迴路模芯。 ~ 前緣圓角區中使用 位置 圖10顯示根據本發明的-具體實施例的貫通孔所設定的 圖11Α及11Β顯示根據本發 孔所設定的位置。 明的另一具體實施例的貫通 施例，在前緣進給通道 圖12顯示根據本發明的一具體實 的底部處的入口。 =示根據本發明的一具體實施例，在前緣蓮蓬頭洞 孔/、圓角蓮蓬頭洞孔之間的關係。 【主要7G件符號說明】 顯示在根據本發明的_具體糊 ’、 定形狀的洞孔和一相關的溝渠。 圖各個進給處使用流量控制的測量洞孔。 11 渴輪槳葉 12 椴樹形部分 13 翼片部分 14 平台部分 104198.doc 1280315

15、16 前緣 17、20 後緣 18 圓角 19 前緣腔室 21 冷卻劑補給腔室 22 徑向通道 23、28 衝擊冷卻通道 24 圓角腔室 25、30 點 26 圓角進給通道 27 貫通孔 29 突出體 31 内側表面 32 難熔金屬模芯（RMC) 33 中平面 34 負壓側 36 壓力側 37 遮攔片 38、39 鐘形入口 41、43 薄膜孔 42 溝渠 44 測量部 46 擴張部 A、B、C、D、E 溫度色碼層級 104198.doc 15 1280315 a、β

D

F-F Θ X-X、Y】-Yi、Y2-Y2 角 偏置（距離） 圓角線 圓角角 平面

104198.doc 16-

Claims (1)

1280315 十、申請專利範圍： 一燃氣輪機引擎組合件，包括： 一旋轉圓盤之用； ，並在一前緣及一 一樅樹形部分，作為該組合件安裝至 一平台部分，與該樅樹形部分相連 後緣之間的—第一平面上伸展； 、Μ 15角與4平台部分相連接；該圓角自該 平口弟一平面成一銳角延伸至翼片之一前緣，而前緣係

一大致正交於該第-平面之第二平面伸展，以形成一 在鑪翼片内部之圓角腔室；及 在6亥組合件内中之冷卻裝置，用以供給冷卻空氣至該 圓角腔室。 2.如請求則之燃氣輪機引擎組合件，其中該銳角係在於1〇。 至60。之範圍内。 3·如請求们之燃氣輪機引擎組合件，其中該圓角之大小係 由-偏置距離予以界定’該偏置距離則由介於該圓角盥 =第一平面相交之第一點與該圓角與該第二平面相交^ 第二點之間之距離予以界定，沿平行於該第一平面之一 平面度量；另外’其中該偏置距離係在於請Q时至ms 吋之範圍内。 ^ 4·如請求項1之燃氣輪機引擎組合件，其中該冷卻裝置包括 一專屬徑向通道，用以引導冷衫氣流動通過該樅樹形 部分而進入該圓角腔室中。 5.如請求項4之燃氣輪機引擎組合件’其中該徑向通道係藉 一個或多個貫通孔與該圓角腔室相連通。 9 104198.doc 1280315 6. 如請求項4之燃氣輪機引擎組合件，其中該圓角腔室具有 複數個凸起物形成在其内側表面上，藉以被該冷卻空氣 所冷卻。 7. 如請求項6之燃氣輪機引擎組合件，其中該複數個凸起物 均為半球體。 8·如請求項4之燃氣輪機引擎組合件，其中該徑向通道在其 入口處具鐘口形狀。 9·如請求項4之燃氣輪機引擎組合件，其中該冷卻装置㈣ 圓角腔室内含有複數個通道，該等通道由耐火金屬模芯 所構成。 10.如請求項!之燃氣輪機引擎組合件，其中該翼片具有一前 緣L至& #部劑補給腔室，而該冷卻劑補給腔室之冷 ^空氣▲之補給係取道於該樅樹形部分中—冷卻劑補給通 ^ W冷部劑;給腔室係藉助於複數個衝擊冷卻通孔 成流體相通方式連接至該前緣腔室。 請求項W之燃氣輪機引擎組合件，其中該等衝擊冷卻 L孔均4有一成為賽馬場形狀之橫截自。 12. 月求項1G之燃氣輪機引擎組合件，其中該翼片具有一 •'側及貞職’尚且其中該複數個衝擊冷卻通道之 配置位置，係較諸該負壓側更為接近該塵力側。 之《輪機料組合件，其巾鮮衝擊冷卻 二：合複數個遮攔片’用以增強冷卻空氣之流量；尚 铜各該複數個衝擊冷卻通道，係大致配置在相鄰兩 4襴片之中間位置。 104198.doc 1280315 14.:=Γ°之燃氣輪機引擎組合件，#中該翼片前緣及 ::一角各具有複數個薄膜冷卻孔，用以?丨導冷卻空氣之 伙内部腔室至槳葉表面之流動。 項14之燃氣輪機引擎組合件’其中該圓角内相鄰 向間隔’係小於該槳葉中相鄰兩薄膜 4部孔之徑向間隔。 16·=求項14之燃氣輪機引擎組合件，其中㈣葉及圓角 渠製作在其前緣中’該溝渠之凹面係朝向前緣 〃各忒複數個薄膜冷卻孔成流體相通關係。 17·:請求項14之燃氣輪機引擎組合件’其中該複數個薄膜 :::广測量部及一擴散部；該測量部係配置在該 =别緣之内側表面附近，而該擴散部係配置在該前緣 附近。 18·:請求項17之燃氣輪機引擎組合件，其中該擴散… 縱長橫截面形狀上係具圓錐形狀。 ^ 一燃氣輪機引擎組合件，包括一翼片，該翼片具有一商 緣2與-冷卻劑補給腔室，而該冷卻劑補給腔室之^ 部空乳之補給係取道-冷卻劑補給通道，而該冷卻劑補 給腔室係藉助複數個衝擊冷卻通孔成流體相通方式連接 至遠珂緣腔室；其中該等衝擊冷卻通孔均具有—賽馬p 形狀之橫截面。 月求項19之燃氣輪機引擎組合件，其中該翼片具有 1力側及一負壓側，尚且其中該複數個衝擊冷卻通道之 配置位置’係較諸該負壓側更為接近該壓力側。 104198.doc 1280315 項19之燃氣輪機引擎組合件，其中該等冷卻劑補 給腔室包含複數個遮攔片，用以增強冷卻空氣之流量； 尚且其中各該複數個衝擊冷卻通道，係大致配置在相鄰 兩遮攔片之中間位置。 如：求項19之燃氣輪機引擎組合件，其中該翼片具複數 ”膜冷卻孔，用以弓丨導冷卻空氣從該前緣腔室^翼片 —表面’尚且’其中該等薄膜冷卻孔包含—測量部及 :擴散部，該測量部係配置在該前緣腔室之内側表面附 、而_散部係配置在該前緣腔室之外側表面附近。 .=^22之燃氣輪機引擎組合件，其中該擴散部在其 ‘長検截面形狀上係具圓錐形狀。 24_ =請求項19之燃氣輪機引擎組合件，包括：—平台 著至該翼片並在一前緣與一後緣之間的平面上伸： -圓：’連接該翼片與該平台’該圓角自該 :銳角下伸展’俾在該翼片内中形成—圓角腔室；及_ 冷卻裝置’用以供給冷卻空氣與該圓角腔室。 A如請求項24之燃氣輪機引擎組合件，其中該翼片 角均有複數個薄膜冷卻孔，用以引導冷卻空氣二 腔室至翼片表面之流動。 門1 W 燃氣輪機引擎組合件，其中在該圓角内相 鄰兩薄膜冷卻孔之徑向間隔係小 冷卻孔之徑向間隔。 於_葉中相鄰兩薄膜 π如請求項24之燃氣輪機引擎組合件，其中該料盘圓角 有一製作在其等前緣中之共用溝渠，該溝渠之凹面係朝 104198.doc 1280315 向前緣而與各該複數個薄膜冷卻孔成流體相通關係。 28·如請求項24之燃氣輪機引擎組合件，其中該銳角係在於 1〇°至60。之範圍内。 29·如請求項24之燃氣輪機引擎組合件，其中該冷卻裝置包 括一專屬徑向通道，用以引導冷卻空氣流動進入該圓角 腔室中。

如μ求項29之燃氣輪機引擎組合件，其中該徑向通道係 藉一個或多個貫通孔與該圓角腔室相連通。 如請求項24之燃氣輪機引擎組合件，其中該圓角腔室具 有複數個凸起物形成在其内側表面上，並由該冷卻空氣 予以冷卻。 32·如請求項31之燃氣輪機引擎組合件，#中該複數個凸起 物均為半球體。 33·如請求項29之燃氣輪機引擎組合件 其入口處具鐘口形狀。 34.如請求項24之燃氣輪機引擎組合件，其中該冷 該圓角腔室内含有複數彳目^、胃 是数個通道’由耐火金屬模芯所構成。 104198.doc