專利名稱：Z形冷卻渦輪翼型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種燃氣渦輪發(fā)動機，特別是渦輪葉片的冷卻。
背景技術(shù)：
在燃氣輪機中，空氣在壓氣機中被壓縮并在燃燒室中和燃料混合以產(chǎn)生熱的燃氣。燃氣在高壓渦輪(HPT)接著是低壓渦輪(LPT)中輸出能量。在典型的渦輪風扇式飛機發(fā)動機的應用中，HPT驅(qū)動壓氣機，LPT驅(qū)動上游風機。
HPT最先接收來自燃燒室的最熱的燃氣，所以必須進行相應地冷卻以保證它適當?shù)氖褂脡勖?。渦輪機級包括布置在燃燒室出口的渦輪定子噴嘴，其用于首先接收和導引燃氣。噴嘴包括安裝在外套和內(nèi)套之間的一列空心的定子葉片。
噴嘴葉片導引燃氣通過渦輪轉(zhuǎn)子葉片的第一級，該轉(zhuǎn)子葉片從一支撐轉(zhuǎn)子盤徑向地向外延伸。每個渦輪機葉片包括一個翼型，燃燒氣體越過該翼型流動，并受布置在翼型根部的平臺限制。該平臺連接到一支撐燕尾榫上，燕尾榫將各個渦輪葉片安裝到相應的形成于支撐轉(zhuǎn)子盤的周向上的燕尾槽中。
定子葉片和轉(zhuǎn)子葉片都是中空的，內(nèi)部都相應地設(shè)有用來引導從壓氣機流出的加壓空氣的冷卻回路，以對在操作過程中經(jīng)受熱燃氣產(chǎn)生的熱負荷的部件進行冷卻。
為了其特定的空氣動力性能，噴嘴葉片和渦輪葉片具有不同的翼型形狀。噴嘴葉片和渦輪葉片在定子噴嘴和轉(zhuǎn)子盤中的不同運轉(zhuǎn)使得它們的構(gòu)造不同，安裝也不同。
因此，在考慮到隔片和葉片之間的固有區(qū)別以及燃氣渦輪發(fā)動機工作條件方面，對于噴嘴葉片和轉(zhuǎn)子葉片來說渦輪翼型冷卻的現(xiàn)有技術(shù)是相當成熟、精確、深奧的，現(xiàn)有技術(shù)利用噴嘴葉片和轉(zhuǎn)子葉片的不同結(jié)構(gòu)來優(yōu)化冷卻性能。
典型的噴嘴葉片和渦輪葉片的翼型包括通常是凹的壓力側(cè)，以及相對的通常是凸的-吸力側(cè)，吸力側(cè)在相對的前后緣之間弦向延伸，并橫穿其縱向跨度徑向延伸。每個噴嘴葉片的徑向末端安裝到相應的內(nèi)套和外套。每個渦輪葉片的燕尾榫端部安裝到轉(zhuǎn)子盤的周向上，翼型的徑向外部末梢在緊靠環(huán)繞渦輪輪蓋處自由地延申。
為了使其中引導的有限的壓縮機排出的空氣的冷卻性能達到最大化，對于不同結(jié)構(gòu)和不同工作條件的噴嘴葉片和渦輪葉片相應地需要具有不同的冷卻回路。而且，渦輪葉片經(jīng)受了工作中另外復雜的旋轉(zhuǎn)，這樣的旋轉(zhuǎn)使冷卻空氣產(chǎn)生了離心力，同時由于流體向旋轉(zhuǎn)葉片內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)的第二流向產(chǎn)生了科里奧利力。
盡管如此，噴嘴葉片和渦輪葉片具有類似的冷卻特性，例如徑向延伸的流道、用于傳熱的內(nèi)部渦輪機、布置在壓力側(cè)和/或吸力側(cè)上多列徑向或縱向的薄膜冷卻孔、以及用于排出用過的冷卻空氣的附加的后緣出口。
薄膜冷卻是常用的冷卻方法，冷卻空氣從翼型內(nèi)部通過薄膜排出，這樣就提供了一個使整個翼型的外表面與周圍的熱燃氣隔離的空氣覆蓋層。
在相應的翼型內(nèi)部，可能會使用沖擊冷卻技術(shù)來沖擊冷卻翼型內(nèi)表面選定的位置，以防翼型外部的高熱負荷。翼型內(nèi)多個冷卻回路典型地是布置成獨立的冷卻回路，特別是專用于翼型前后緣之間的，以及沿著壓力、吸力側(cè)壁的不同部位的回路。
限定相應氣流道的翼型內(nèi)的分隔肋通過流道的冷卻空氣達到自我冷卻。翼型的壓力和吸力側(cè)壁直接經(jīng)受致使其在高溫下工作的外部熱燃氣。
相反地，內(nèi)部肋通過自身的側(cè)壁使之免受于外部燃氣，實質(zhì)上在較低溫度下工作。
因此，翼型外側(cè)壁和其內(nèi)部肋工作溫度的不同相應地造成了它們溫度的不同，從而造成熱應力。
噴嘴葉片和渦輪葉片均遭受這樣的不同的熱應力，以及自身燃氣的壓力產(chǎn)生的附加應力。而且渦輪葉片還會遭受在工作中來自旋轉(zhuǎn)葉片的離心應力。
因而，由于通過相對的壓力和吸力側(cè)壁以及其前后緣弦上和跨過縱向全長的徑向上的溫度和應力分布不同，渦輪噴嘴葉片和轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計是非常復雜的。
在每個渦輪翼型內(nèi)部，沿著相應的肋的溫度和應力分布也發(fā)生復雜地變化，肋在每個翼型內(nèi)部限定了多條流道和流體回路。
因此，每個渦輪翼型的強度和壽命受翼型復雜結(jié)構(gòu)中內(nèi)部和外部任何一處存在的最高溫度和最大應力所限制，從而導致長期工作中燃氣輪機中熱疲勞損傷的積累。
因此，就需要進一步改進渦輪翼型的冷卻結(jié)構(gòu)以提高其強度和壽命。

發(fā)明內(nèi)容
一種渦輪翼型包括間隔開的壓力側(cè)壁和吸力側(cè)壁，壓力側(cè)壁和吸力側(cè)壁限定了在全部長度延伸并被肋隔開的流道。側(cè)流道沿著其中一側(cè)壁布置，并且被肋與相對的側(cè)壁間隔開，一中央流道橋接兩側(cè)壁。側(cè)流道和中央流道交替地排列成Z字型蜿蜒流動的冷卻回路，從而將熱量從側(cè)壁傳遞到中央流道。


在下面的具體實施方式
中將參考附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例和進一步目的和優(yōu)點進行詳細說明。附圖中圖1是優(yōu)選實施例燃氣輪機渦輪轉(zhuǎn)子葉片的一部分的剖面主視圖。
圖2是圖1中所示翼型沿線2-2的徑向剖面圖。
圖3是圖2中所示翼型端部沿線3-3的主視剖面圖。
圖4是圖2所示翼型沿線4-4的主視剖面圖。
圖5是圖2所示翼型端部吸力面沿線5-5的剖視圖。
具體實施例方式
如圖1所示，在燃氣輪機HPT的第一級配置有渦輪轉(zhuǎn)子葉片14。該葉片包括翼型16，平臺18以及支撐燕尾榫20，其依次結(jié)合成一個整體單元或整體鑄件。
燕尾榫20有一常規(guī)的軸向入口結(jié)構(gòu)和相應的凸耳或柄腳，凸耳或柄腳用于將葉片安裝到渦輪旋轉(zhuǎn)盤周向相應的燕尾槽(未示出)中。
翼型16包括總體上凹的壓力側(cè)壁22以及切向相對的總體上凸的吸力側(cè)壁24。另外，如圖2所示，兩側(cè)壁在相對的前緣26和后緣28之間以弦狀軸向延伸，并在從根部30，即翼型和平臺的接合處，到徑向外端32的全部長度上徑向延伸。
在工作過程中，發(fā)動機燃燒室中(未示出)生成的以及經(jīng)由第一級渦輪噴嘴(未示出)排出的燃氣34流過安裝在支撐轉(zhuǎn)子盤周向上的整列渦輪葉片14的翼型16。渦輪翼型16從燃氣中提取能量來驅(qū)動和支撐渦輪轉(zhuǎn)子，渦輪轉(zhuǎn)子接著驅(qū)動發(fā)動機的壓氣機旋轉(zhuǎn)(未示出)。
如圖1和圖2所示，渦輪翼型的相對側(cè)壁22和24在前后緣之間被橫向隔開，從而限定出在翼型里面的多條冷卻流道1-12，這些流道在軸向跨度上延伸，并被相應的壁或肋36隔開。在工作過程中，加壓的冷卻空氣38適時地從壓氣機流出，并經(jīng)渦輪葉片被導引到相應的流道中，從而冷卻經(jīng)受流經(jīng)兩側(cè)壁外表面的燃氣34的熱負荷的葉片。
內(nèi)部的肋36在翼型的縱向跨度上從根部到末端徑向延伸，同時在壓力側(cè)壁22和吸力側(cè)壁24之間橫向延伸，從而將中空的翼型劃分成多條流道1-12，越過整個壓力和吸力側(cè)，優(yōu)先冷卻翼型從根部到端部以及前后緣之間的不同部位。多根肋36互相配合橋接翼型的相對側(cè)壁，同時與具有整體結(jié)構(gòu)的中空翼型相互配合增強其冷卻性能。
更具體地，如圖2所示翼型的多條流道包括側(cè)流道1、3、5，其直接布置在壓力側(cè)壁或左側(cè)壁22的內(nèi)部或沿其內(nèi)表面布置，并在肋36中的相應肋處與相對的吸力側(cè)壁或右側(cè)壁24橫向隔開。
相應地，流道還包括另外的側(cè)流道8、9、10，其直接布置在吸力側(cè)壁24的內(nèi)部或沿其內(nèi)表面布置并在肋36中的相應肋處與相對的壓力側(cè)壁22隔開。
從翼型上各自的側(cè)壁，左右側(cè)流道僅僅部分地延伸，并在翼型內(nèi)部終止于位于兩側(cè)壁中間的脊線附近。原尺寸一半的側(cè)流道與一條或多條尺寸偏大或全尺寸的中部或中央流道2、4協(xié)同地橋接壓力側(cè)壁22和吸力側(cè)壁24，導引冷卻空氣38流經(jīng)不同流道。
例如，幾條流道可以被設(shè)定成幾個獨立的冷卻回路，特別地設(shè)置成在不同的熱負荷和離心應力的情況下，分別冷卻翼型的不同部位。在第一冷卻回路，側(cè)流道、中部或中央流道1-5被有序地排列成連續(xù)的流道，其中側(cè)流道和中央流道橫向地交替排列，從而形成Z形螺旋冷卻回路，將側(cè)壁的燃氣熱能傳遞至中央流道2、4。
特別地，渦輪翼型凹的壓力側(cè)壁22遭受的燃氣熱負荷最大，因此在很高的溫度工作。Z形螺旋冷卻回路1-5利用相應的分隔肋36的橫向Z型結(jié)構(gòu)，優(yōu)先橫向引導走高溫壓力側(cè)壁的熱量，同時優(yōu)先引導Z形螺旋冷卻回路中的冷卻空氣以降低內(nèi)部肋和外部壓力側(cè)壁之間的溫度差，并加強渦輪葉片的強度和壽命。
此外，Z形螺旋冷卻回路優(yōu)先地協(xié)同作用在通過螺旋回路導引的冷卻空氣上的科里奧利力來提高在回路幾條流道內(nèi)的冷卻效率。
圖2所示為肋36的優(yōu)選結(jié)構(gòu)，多根肋36把側(cè)壁連成整體并把不同的流道1-12分隔開。特別地，肋36在相應的外部交叉點或結(jié)點40處將壓力壁22和吸力壁24連接在一起，并從側(cè)壁橫向向內(nèi)延伸以在相應的內(nèi)部交叉點或結(jié)點42處互相結(jié)合。如圖2所示，多個內(nèi)部結(jié)點42通常沿著側(cè)壁22、24中間的翼型的脊線隔開布置。
兩條示范性的中央流道2、4與左側(cè)流道1、3、5在相應的內(nèi)部接點42和外部結(jié)點40處結(jié)合形成連續(xù)的流體通道，以在冷卻和熱應力之間提供互補優(yōu)勢。
例如，外部結(jié)點40直接與相應的側(cè)壁結(jié)合，從側(cè)壁向翼型內(nèi)部提供橫向向內(nèi)的有效的熱傳導路徑，流道中的冷卻空氣在其中流動。內(nèi)部結(jié)點42布置在翼型的中心處遠離外表面的熱負荷。中央流道2、4的大部分被協(xié)同的側(cè)流道1、3、5、8-10與外側(cè)壁分隔開。
圖1和圖2所示的優(yōu)選實施例中，左側(cè)流道1、3、5的大部分或者是位于工作中翼型遭受燃氣的高熱負荷的前后緣之間的長度直接布置在壓力側(cè)壁22的內(nèi)部。
相應地，Z形螺旋冷卻回路被排列成三通道回路，其包括布置在壓力側(cè)壁22內(nèi)部的第一側(cè)流道1，接著是中央第二流道2，再接著是也布置在壓力側(cè)壁內(nèi)部的第三側(cè)流道3。
翼型壓力側(cè)上的Z形螺旋冷卻回路更優(yōu)選地排列成五通道回路，其還包括接在第三流道3后面的中央第四流道4，以及接著第四流道4的第五側(cè)流道5。這樣，五個流道1-5首尾相連成連續(xù)的流道，從而限定出相應的五通道Z形螺旋冷卻回路，該回路在壓力側(cè)壁內(nèi)部的冷卻空氣從前后緣之間的橫向和徑向混合的迂回螺旋通道中流向后部時，在翼型相對的側(cè)壁間具有明顯的Z形的左右側(cè)轉(zhuǎn)向，以及在翼型末端和根部具有明顯的徑向轉(zhuǎn)向。
圖1是五通道螺旋流道1-5的側(cè)視圖，流道1-5在翼型從根部30到末端32之間的整個徑向跨度上延伸，五個流道中相應的肋36在翼型末端下面和平臺上面交替地終結(jié)，實現(xiàn)多條流道之間相應的流動轉(zhuǎn)向，在那里冷卻空氣最初的流向從徑向外部到徑向內(nèi)部發(fā)生了變化，反之亦然。
圖3所示為第一流道1和第二流道2間的較短肋36的剖面視圖，其影響徑向向內(nèi)地把冷卻空氣38從第一流道轉(zhuǎn)向至第二流道的流動彎道。
類似也，圖4所示為第二流道2和第三流道3間的短肋36的始端的剖面視圖，短肋36的始端在平面18之上留有間隔，其構(gòu)成了徑向向外地把冷卻空氣從第二流道2轉(zhuǎn)向至第三流道3的流動彎道。
通過一個相應的流動彎道空氣從圖1、2、4所示的第三流道3再次轉(zhuǎn)向，所述的流動彎道位于分隔第三流道3和第四流道4的短肋36的頂部。圖1還示出了第四流道4和第五流道5間的短肋36的底端，短肋的底端在平臺18的平面之上留有間隔其限定出最后的流動彎道，再一次徑向向外地改變從第四流道4流動至第五流道5的冷卻空氣的流動方向。
限定出五個流道1-5的多個肋36優(yōu)選地為無孔的，因此實質(zhì)上導引冷卻空氣連續(xù)地通過該五條流道?？墒牵趬毫?cè)壁22也可以構(gòu)成不同的徑向列或行的任何常規(guī)的薄膜冷卻孔44，為一條或多條不同的流道包括五個流道1-5提供出口。
例如，在第三流道3的尾部，一列薄膜冷卻孔44延伸通過壓力側(cè)壁，而且在相應的外部結(jié)點40下面向后傾斜，從第一回路排出一部分冷卻空氣來薄膜冷卻壓力側(cè)壁外表面。另外，在第五流道5的尾端設(shè)置的另一列薄膜冷卻孔44，朝著后緣向后傾斜，在該區(qū)域?qū)毫?cè)壁進行另外的薄膜冷卻。
第一螺旋冷卻回路1-5的最重要的優(yōu)點就是其中優(yōu)選的組合Z形結(jié)構(gòu)。從緊靠著遭受壓力側(cè)壁外部燃氣高熱負荷的翼型前緣26的第一流道1開始，冷卻空氣依次流經(jīng)五個流道1-5。當空氣冷卻第一流道1外部的壓力側(cè)壁部位時吸收了其中的熱量并相應變熱。
熱的空氣然后從外部的第一流道1流進內(nèi)部的中央流道2，加熱其它低溫的肋36。冷卻空氣然后從第二流道2流進第三側(cè)流道3，在那里冷卻空氣又一次從壓力側(cè)壁部位吸熱，在翼型內(nèi)部熱的冷卻空氣又一次流進第二中央流道4，以依次加熱其它的限定流道的低溫肋36。
最后，冷卻空氣從第四流道4流向第一回路的最后一個側(cè)流道5，冷卻空氣在從一列薄膜冷卻孔44排出之前冷卻壓力側(cè)壁的該部位，，這些薄膜冷卻孔44然后在那里為壓力側(cè)壁尾部進行薄膜冷卻。
通過橫向交替地把冷卻空氣從外部流道1、3導引到相應的內(nèi)部中央流道2、4，在翼型內(nèi)部有效地導引壓力側(cè)壁的熱量，加熱了圍繞著中央流道2、4的內(nèi)部肋36，相應地降低了外部壓力側(cè)壁和內(nèi)部肋之間的溫差。
外部壓力側(cè)壁和內(nèi)部肋之間溫差的降低改善了整個金屬翼型的溫度分布的均勻性，也相應地降低了其中的熱應力。
此外，由于渦輪葉片和帶動壓力側(cè)壁22的吸力側(cè)壁24在轉(zhuǎn)子盤上旋轉(zhuǎn)，中央流道2、4依次從第一側(cè)流道1和第三側(cè)流道3接收冷卻空氣，中央流道2、4將旋轉(zhuǎn)運動引入到相應的第一側(cè)流道1和第三側(cè)流道3。因為在工作過程中，冷卻空氣有質(zhì)量并承受離心加速度和離心力；由于冷卻空氣在不同的徑向流道1-5間的方向變化的矢量積，空氣也承受第二科里奧利加速度或科里奧利力。中央流道2、4的靠前位置利用科里奧利力為改善那些通道中的冷卻空氣和它們周圍部件或肋36之間的熱傳遞提供便利。
相應的多個肋36的互相結(jié)合以及它們與相對的壓力和吸力側(cè)壁的結(jié)合形成了內(nèi)部結(jié)點42和外部結(jié)點40，其優(yōu)選結(jié)構(gòu)如圖2所示。肋36成雙的傾斜地從翼型中心朝橫向向外延伸，在相應的外部結(jié)點40處結(jié)合壓力側(cè)壁22和吸力側(cè)壁24。例如，在流道1、3間和流道3、5間的壓力側(cè)上的兩個外部結(jié)點40；以及流道8、9間和流道9、10間的吸力面上的兩個外部結(jié)點40。
中央流道2、4均通過相應的的四根肋36限定，四根肋36成對的與相對的側(cè)壁22、24通過兩個相應的外部結(jié)點40結(jié)合。沿著弧線在對邊上，限定每條中央流道2、4的四根肋36也成對地通過兩個內(nèi)部結(jié)點42結(jié)合在一起。
限定中央流道2、4的四根肋36優(yōu)選的形成四邊形結(jié)構(gòu)，通常呈菱形輪廓橋接兩側(cè)壁22、24，兩個外部結(jié)點和兩個內(nèi)部結(jié)點分別位于菱形結(jié)構(gòu)的四個角。
相對地，給呈菱形輪廓的兩個中央流道2、4依次輸送的兩個側(cè)流道1、3具有互補的三角形輪廓，其長基線沿側(cè)壁連接外部結(jié)點40，頂點布置在內(nèi)部結(jié)點42處。
側(cè)流道1、3、5和相應的中央流道2、4間的隔離肋36的傾斜結(jié)構(gòu)具有了許多的優(yōu)點，包括在五個流道1-5間橫向構(gòu)造了優(yōu)選的呈Z形螺旋流體通道，以及促進了通過肋從外部結(jié)點40到相應內(nèi)部結(jié)點42的直接熱傳導。
此外，中央流道2、4具有相對大些，并且優(yōu)選地具有比側(cè)流道1、3、5更大的流通截面，這樣就提高了渦輪葉片制造的鑄件合格率，并進一步提高了熱傳遞性能。因為側(cè)流道的流通截面比中央流道的流通截面小，冷卻空氣在其中以比在中央流道中更高的流速通過，這樣在降低了中央流道2、4的熱傳遞和冷卻來提高它們的溫度以及減少其與側(cè)壁間的溫差的同時，加強了從側(cè)壁的熱傳遞和排熱。
如上所述，圖2中所示的多個肋36被設(shè)置成在翼型內(nèi)部限定多條流道1-12，在一個優(yōu)選實施例中排列成三個被無孔的肋相互隔開的獨立冷卻回路。前面所述的Z形螺旋回路1-5限定出翼型內(nèi)部第一回路，其直接布置在壓力側(cè)壁22內(nèi)部，并位于前后緣26、28間。
在前緣26和第一回路1-5之間，由相應的流道6、7限定的第二回路直接布置在前緣26或其后面。在吸力側(cè)壁24內(nèi)部，由流道8-12限定的第三回路在弦向上布置在第二回路6-7后面，以及在橫向上布置在第一回路1-5的后面。
圖1、2、5所示的第二回路包括被一根穿孔肋36隔開的兩平行的流道6、7，在肋36徑向跨度上分布著一列沖擊孔46。第二沖擊冷卻回路6-7也可以具有常規(guī)結(jié)構(gòu)，空氣進入第六流道6，然后經(jīng)沖擊孔46流入第七流道7，從而沖擊冷卻前緣26的背面。
在優(yōu)選實施例中，第七流道7可以包括一列或多列附加的薄膜冷卻孔44作為該回路的排出口，以及被用來沿著壓力和吸力側(cè)壁導引冷卻空氣薄膜中的使用過的冷卻空氣。
如圖1、2、5所示，第三冷卻回路優(yōu)選結(jié)構(gòu)包括多條平行的流道8-12，這些流道被相應的多根肋36在弦向上隔開。該回路的肋36包括相應的縱列冷卻切孔48，這些切孔通過肋和吸力側(cè)壁24的結(jié)合處弦向延伸，用以沿著吸力側(cè)壁的內(nèi)表面在多個流道中用剪切力導引冷卻空氣38。
圖2、5對第三冷卻回路作了極好的說明，第三回路包括部分在橫向上和弦向上布置在第一回路后面以及第二回路6-7和后緣28間的五條流道8-12。前面的四條流道8、9、10、11在相應肋36中具有相應的多列切孔48，以在冷卻空氣通過一列后緣上的出口槽50排出之前，有序地把同樣的冷卻空氣順次從第八流道8導引到第十二流道12，沿著翼型薄后緣的出口槽50具有任何常規(guī)的結(jié)構(gòu)。
如圖2所示，Z形的第一回路1-5在第三剪切回路8-12的后面橫向布置，于是它們共有相應的內(nèi)部結(jié)點，比如位于兩個中央流道2、4前端的兩個內(nèi)部結(jié)點42。因為翼型吸力側(cè)的熱負荷比翼型壓力側(cè)的熱負荷小，與螺旋回路1-5相比，剪切冷卻回路8-12的冷卻效果較弱，因此通過其中內(nèi)部肋36的相應網(wǎng)格促進了翼型兩側(cè)溫度的均勻性。兩個普通的中央流道2、4補足了在翼型壓力側(cè)的第一回路1-5和在翼型吸力側(cè)的第三回路8-12冷卻性能的差異。
如圖1、2所示，三個回路最好各自獨立，在翼型16最寬或最弓起的部位，它們各自相應的入口流道1、6、8優(yōu)選地直接成組聚集在前緣26后面翼型16的最大寬度或隆起區(qū)域處。三個入口流道1、6、8經(jīng)平臺18和燕尾榫20延伸至燕尾榫底部，按照常規(guī)方式接收來自壓氣機的加壓的冷卻空氣38。
相對要冷的壓氣機空氣38經(jīng)由流道1、6、8導引，從前緣開始，最先到達第一個四分之一弦長范圍內(nèi)翼型的最寬部位，在該寬度區(qū)域最大化冷卻效率。由此處，冷卻空氣被分配，向前通過第二回路6-7，優(yōu)先地冷卻翼型的前緣區(qū)域；向后通過相應的第一回路1-5和第三回路8-12，分別冷卻翼型相對的壓力側(cè)和吸力側(cè)以及其中的橫肋36網(wǎng)格的補充內(nèi)部冷卻。
來自三個回路的使用過的冷卻空氣通過相應的側(cè)壁由多列薄膜冷卻孔44和后緣出口槽50排出。第五流道5從后緣28向上和朝著第三回路最后的兩條流道11、12終止，另外一列薄膜冷卻孔44可以經(jīng)由壓力側(cè)壁布置在第十一流道11的尾端，從而重新活躍如圖2所示從第一冷卻回路展開的冷卻空氣薄膜。
上面公開的渦輪翼型可以具有其它的常規(guī)特征，以確保提高有限的冷卻空氣38的冷卻效率。例如，沿著壓力側(cè)壁和/或吸力側(cè)壁內(nèi)部具有小凸起的常規(guī)的渦輪機52可以被引入到前述的一條或多條流道中，從而可以局部地加強冷卻空氣的熱傳遞。
在優(yōu)選實施例中，翼型壓力側(cè)壁上的側(cè)流道1、3、5可以具有多列渦輪機52，其沿著壓力側(cè)壁的內(nèi)表面以弦狀延伸，并沿跨度方向相互隔開。
相反地，協(xié)同的中央流道2、4優(yōu)選地沿著其限定肋36呈平滑的，并有意不具有任何渦輪機。這樣，流道1、3、5的熱傳遞可以增強，而中央流道2、4的熱傳遞減弱。
因此，在Z形螺旋冷卻回路范圍內(nèi)，在中央流道2、4內(nèi)部的冷卻減弱的同時，壓力側(cè)壁22的冷卻可以局部增強，從而相應地提高其周圍肋36的工作溫度。內(nèi)部肋和外部壓力側(cè)壁間的溫差因此減小，熱應力相應地減小。
小尺寸側(cè)流道1、3、5、8-10的優(yōu)先采用增強了翼型各側(cè)壁的冷卻。翼型壓力側(cè)上的三條側(cè)流道1、3、5與較大尺寸的內(nèi)部中央流道2、4在優(yōu)選呈Z形的螺旋冷卻回路中配合，進一步增強有限空氣的冷卻性能，且由沿著吸力側(cè)與壓力側(cè)上的Z形螺旋冷卻回路共享中央流道2、4的第三回路的冷卻性能進行補充。
按照通常的做法，整個渦輪葉片一體地常規(guī)澆鑄，圖2所示的多條流道仍然是十分大的?？梢杂萌齻€相應的陶瓷心子在翼型內(nèi)部構(gòu)成三個獨立的冷卻回路，達到有效的渦輪葉片鑄件合格率。
在此僅僅闡述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，很明顯，在不脫離本發(fā)明的情況下能夠作出其它的修改，因此，本發(fā)明要求所有這些修改都包含在所附權(quán)利要求書的保護范圍內(nèi)。
此外，本發(fā)明要求保護的權(quán)利要求如下。
附圖標記列表1-12流道 50出口槽14轉(zhuǎn)子葉片52渦輪機16翼型18平臺20支撐燕尾榫22壓力側(cè)壁24吸力側(cè)壁26前緣28后緣30根部32端部34燃氣36肋38冷卻空氣40外部結(jié)點42內(nèi)部結(jié)點44冷卻孔46沖擊孔48剪切孔
權(quán)利要求
1.一種渦輪葉片(14)，包括翼型(16)，所述翼型(16)在其根部(30)處與平臺(18)連接，平臺(18)與支撐燕尾榫(20)連接；所述翼型(16)具有三個獨立冷卻回路部分沿所述翼型的壓力側(cè)壁(22)的內(nèi)部布置的Z形螺旋第一回路(1-5)，第一回路在弦向上位于布置在所述翼型前緣的沖擊第二回路(6-7)的后面，且在橫向上位于布置在沿相對的吸力側(cè)壁(24)內(nèi)部布置的剪切第三回路(8-12)的后面；以及所述第一回路包括沿著所述側(cè)壁(22)的多條側(cè)流道(1，3)，所述測流道(1，3)交替地與中央流道(2)橋接所述壓力側(cè)壁和吸力側(cè)壁(22，24)。
2.如權(quán)利要求1所述的葉片，其特征在于，所述翼型(16)包括限定出所述三個回路的相應流道(1-12)的多個肋(36)，三個回路在從所述翼型(16)的根部(30)到外端(32)間的跨度上延申；以及三個回路中的各回路包括相應的入口流道(1，6，8)，它們直接成組地匯集在所述前緣(26)之后且位于所述翼型(16)的最大寬度處，還包括各自的穿過側(cè)壁(22，24)的出口孔(44，50)，并且所述入口流道穿過平臺(18)和燕尾榫(20)而延伸至燕尾榫(20)的底部以接收冷卻空氣(38)。
3.如權(quán)利要求2所述的葉片，其特征在于，所述肋(36)與所述側(cè)壁(22，24)在外部結(jié)點(40)處結(jié)合并從此處向內(nèi)延伸，并且在內(nèi)部結(jié)點(42)處相互結(jié)合，所述中央流道(2，4)與所述側(cè)流道(1，3，5)在相應的內(nèi)部和外部結(jié)點(40，42)間以流體連通的方式相結(jié)合。
4.如權(quán)利要求3所述的葉片，其特征在于，所述肋(36)成對傾斜地向外延伸，與所述側(cè)壁(22，24)在相應的外部結(jié)點(40)處結(jié)合，并且從所述側(cè)壁(22，24)向內(nèi)延伸，在相應的內(nèi)部結(jié)點(42)處結(jié)合在一起。
5.如權(quán)利要求4所述的葉片，其特征在于，所述螺旋回路(1-3)布置成三通道回路，其包括布置在所述壓力側(cè)壁(22)內(nèi)部的第一側(cè)流道(1)，接著是第二中央流道(2)，再接著是也布置在所述壓力側(cè)壁(22)內(nèi)部的第三側(cè)流道(3)。
6.如權(quán)利要求5所述的葉片，其特征在于，所述中央流道(2，4)由四根所述肋(36)限定，其中所述肋通過兩個所述外部結(jié)點(40)與相對的側(cè)壁(22，24)結(jié)合，并且通過兩個所述內(nèi)部結(jié)點(42)彼此相互結(jié)合。
7.如權(quán)利要求6所述的葉片，其特征在于，所述中央流道(2，4)具有橋接所述側(cè)壁(22，24)的菱形輪廓；以及所述側(cè)流道(1，3)具有三角形輪廓，其底邊橋接所述外部結(jié)點(40)，頂點在所述內(nèi)部結(jié)點(42)處。
8.如權(quán)利要求7所述的葉片，其特征在于，所述螺旋回路(1-5)布置成五通道回路(1-5)，該五通道回路還包括接著所述第三流道(3)的中央第四流道(4)，以及接著所述第四流道(4)的第五側(cè)流道(5)。
9.如權(quán)利要求8所述的葉片，其特征在于，所述第二回路包括被帶孔的肋(36)隔開的兩條流道(6，7)，用以從所述翼型(16)的內(nèi)部對所述前緣(26)進行沖擊冷卻。
10.如權(quán)利要求9所述的葉片，其特征在于，所述第三回路包括在所述第二回路(6，7)和所述后緣(28)之間在橫向上和弦向上布置在所述第一回路(1-5)后面的五條流道(8-12)；以及所述第三回路中的所述肋(36)包括相應的多列冷卻剪切孔(48)，其位于所述肋(36)與所述吸力側(cè)壁(24)的結(jié)合處。
全文摘要
一種渦輪翼型(16)，包括被分隔開的壓力和吸力側(cè)壁(22，24)，其限定出在跨度上延伸的流道(1－12)，流道被肋(36)分隔開。側(cè)流道(1，3，5，8－10)沿著側(cè)壁(22，24)之一布置，并被肋(36)從相對的側(cè)壁(22，24)隔開，中央流道(2，4)橋接起側(cè)壁(22，24)。側(cè)流道和中央流道(1－5)交替排列成Z形螺旋冷卻回路，把熱量從側(cè)壁(22，24)傳遞到中央流道(2，4)。
文檔編號F01D5/18GK1982655SQ20061006479
公開日2007年6月20日 申請日期2006年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月5日
發(fā)明者李經(jīng)邦, A·R·沃迪亞, S·R·布拉斯費爾德 申請人:通用電氣公司