專利名稱：平衡冷卻的渦輪機(jī)噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其涉及其中的渦輪機(jī)噴嘴.
背景技術(shù)：
在燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中，空氣在壓縮機(jī)中增壓并且在燃燒室中與燃料混合以便產(chǎn)生熱的燃燒用氣體。在高壓渦輪機(jī)(HPT)中能量從該燃燒用氣體中獲取，該高壓渦輪機(jī)向壓縮機(jī)提供動(dòng)力，并且另外的能量可在低壓渦輪機(jī)(LPT)中獲取到，在作為示例的渦輪風(fēng)扇式航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合中該低壓渦輪機(jī)向上游的風(fēng)扇提供動(dòng)力.
高壓渦輪機(jī)(HPT)和低壓渦輪機(jī)(LPT)包括在工作過程中由燃燒用氣體加熱的對(duì)應(yīng)的渦輪機(jī)噴嘴.在HPT和LPT中第一級(jí)噴嘴均包括一排中空的定子翼片，該定子翼片在其相對(duì)端部處成一體地連接到徑向內(nèi)條帶和外條帶上。該定子翼片具有相同翼型件結(jié)構(gòu)以便將燃燒用氣體引導(dǎo)到下游的一排渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片，該渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片從支承轉(zhuǎn)子盤的周邊徑向地向外延伸。
定子翼片還包括在其中的相同的冷卻回路，在冷卻回路中對(duì)應(yīng)的隔板在翼型件的相對(duì)的正壓側(cè)和負(fù)壓側(cè)之間延伸，以便限定出在兩個(gè)條帶之間跨接的多個(gè)徑向延伸的流動(dòng)通道，以便在工作中使得從壓縮機(jī)流出的加壓冷氣空氣的一部分在翼型件中循環(huán)。
冷卻回路可具有各種的常規(guī)構(gòu)型，并且通常包括不同的成排的薄膜冷卻孔，這些冷卻孔延伸穿過每一翼型件的相對(duì)的正壓側(cè)和負(fù)壓側(cè)以便排出在對(duì)應(yīng)的冷卻空氣薄膜中的已經(jīng)使用過的冷卻空氣，該冷卻空氣薄膜在熱學(xué)上形成一空氣隔熱層，以便在外部保護(hù)翼片以防止葉片受到熱的燃燒用氣體的影響。
燃燒用氣體首先沿定子翼片的前緣接觸定子翼片，該前緣通常由沿每一翼型件的跨度分布的對(duì)應(yīng)的成排的薄膜冷卻孔或針孔來保護(hù)。該燃燒用氣體隨后流經(jīng)在相鄰翼片之間的對(duì)應(yīng)的噴嘴通道并且沿翼片的后緣離開該噴嘴。薄的后緣通常包括一排薄膜冷卻出口槽，其使得已經(jīng)使用的冷卻空氣的另一部分從內(nèi)部冷卻回路中排出。
由于噴嘴翼片具有特定的空氣動(dòng)力學(xué)的翼型件構(gòu)型以便用于在HPT和LPT中獲得能量，因此燃燒用氣體在每一翼片的不同構(gòu)型的正壓側(cè)和負(fù)壓側(cè)上的速度和壓力分布是不同的，并且對(duì)于翼片而言對(duì)應(yīng)地形成了不同的熱負(fù)荷。另外，每一翼片在其相對(duì)端部處固定地安裝到外條帶和內(nèi)條帶上，外條帶和內(nèi)條帶也承受燃燒用氣體的熱負(fù)荷.
由于噴嘴是環(huán)形結(jié)構(gòu)，因此來自燃燒用氣體的熱負(fù)荷使得噴嘴在其被加熱時(shí)沿直徑方向膨脹，并且對(duì)應(yīng)地當(dāng)該加熱和相應(yīng)的工作溫度降低時(shí)噴嘴沿直徑方向收縮。
環(huán)形噴嘴由于來自燃燒用氣體的熱負(fù)荷改變而引起的膨脹和收縮在單獨(dú)的翼片和支承條帶中產(chǎn)生明顯的熱應(yīng)力。由于燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在其預(yù)期壽命期間以重復(fù)周期來工作，因此該渦輪機(jī)噴嘴經(jīng)歷加熱和冷卻循環(huán)，這將產(chǎn)生低循環(huán)疲勞(LCF)。
渦輪機(jī)噴嘴的壽命通常受到噴嘴經(jīng)歷的低循環(huán)疲勞(LCF)的累積循環(huán)的限制.噴嘴的LCF壽命通常受到噴嘴中的的任一位置承受的LCF循環(huán)的最大累積疲勞的限制，最大累積疲勞最終將導(dǎo)致噴嘴強(qiáng)度的相應(yīng)下降以及引起噴嘴中的不希望的破裂損壞.
然而，在渦輪機(jī)噴嘴中的LCF有限位置是該渦輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的特定工作循環(huán)和包括特定冷卻構(gòu)型的噴嘴本身的特定結(jié)構(gòu)的函數(shù)。
通過將環(huán)形噴嘴沿周邊分成多個(gè)小部段從而可相應(yīng)地增加典型的渦輪機(jī)噴嘴的LCF壽命，小部段通常包括在外和內(nèi)條帶的對(duì)應(yīng)的部段中的一個(gè)或兩個(gè)噴嘴翼片.環(huán)形噴嘴的部段化結(jié)構(gòu)使得其環(huán)狀結(jié)構(gòu)連續(xù)性中斷并且降低了其中的熱應(yīng)力強(qiáng)度。
然而，環(huán)形噴嘴的部段化相應(yīng)地需要在這些部段之間設(shè)置適當(dāng)?shù)拿芊饧@增加了噴嘴的復(fù)雜性，并且降低了其總體效率。
單個(gè)翼片噴嘴部段完全地與環(huán)形噴嘴的圓周連續(xù)性結(jié)構(gòu)脫離連接，并且允許單個(gè)噴嘴翼片隨其對(duì)應(yīng)的條帶部段自由地膨脹和收縮。
在兩個(gè)翼片噴嘴部段中或成對(duì)形式中，單獨(dú)翼片不再自由地獨(dú)立膨脹和收縮，而是受到第二翼片的膨脹和收縮以及其與共用條帶部段的整體連接的影響.
并且，三個(gè)翼片噴嘴部段或三個(gè)一組的形式還增加了熱阻，這是三個(gè)翼片中的任一個(gè)翼片借助對(duì)應(yīng)的條帶部段與其它兩個(gè)翼片整體地互連。
特別是，三個(gè)翼片部段的熱膨脹往往使得外條帶的周邊或圓弧矯直，這將拉伸載荷引入到兩個(gè)在外側(cè)或端部的翼片中，同時(shí)對(duì)應(yīng)地將壓縮載荷引入到中間或居中的翼片中。
由于翼片本身及其冷卻結(jié)構(gòu)以及安裝的條帶部段在條帶與條帶之間通常是相同的，因此在部段中承受的不同的熱負(fù)荷會(huì)將不同的熱應(yīng)力引入到翼片和條帶中，這不利地影響噴嘴的LCF壽命。由于在三個(gè)翼片噴嘴部段中的中間翼片在結(jié)構(gòu)上由兩個(gè)端部翼片和共用的支承條帶來限制，因此在中間翼片中可能具有限制LCF壽命的位置。
因此，現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪機(jī)噴嘴及其不利的工作環(huán)境需要在發(fā)動(dòng)機(jī)性能或效率與LCF壽命之間進(jìn)行平衡.
因此，所希望的是提供這樣一種渦輪機(jī)噴嘴，該渦輪機(jī)噴嘴具有用于提高渦輪機(jī)噴嘴的空氣動(dòng)力效率和LCF壽命的改進(jìn)結(jié)構(gòu).

發(fā)明內(nèi)容
一種渦輪機(jī)噴嘴，其具有第一圖案的薄膜冷卻孔的中間翼片，所述第一圖案的薄膜冷卻孔構(gòu)造成比兩個(gè)相鄰端部翼片中的每一端部翼片排出更多的冷卻空氣，所述端部翼片具有相應(yīng)的第二圖案的薄膜冷卻孔。


以下參照附圖并結(jié)合實(shí)施例的詳細(xì)描述以及權(quán)利要求，可更好地理解本發(fā)明的這些和其它的特征和優(yōu)點(diǎn)。在附圖中圖1是在其中包括第一級(jí)LPT渦輪機(jī)噴嘴的燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖；圖2是圖1所示的渦輪機(jī)噴嘴沿線2-2截取的一部分的平面圖；和圖3是圖2所示的噴嘴部段的示意正視圖，其中示出了不同的第一和第二圖案的薄膜冷卻孔。
具體實(shí)施例方式
圖1示意性地示出了燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)10，其圍繞縱向或軸向中心軸線軸對(duì)稱.該發(fā)動(dòng)機(jī)包括常規(guī)的多級(jí)式軸流壓縮機(jī)12，該壓縮機(jī)構(gòu)造成便于使得空氣14增壓。該增壓的空氣14被引導(dǎo)到常規(guī)的環(huán)形燃燒室16中，在該燃燒室中空氣與燃料混合并點(diǎn)燃，以便產(chǎn)生熱的燃燒用氣體18。
該燃燒用氣體從燃燒室排放到高壓渦輪機(jī)(HPT)中，該高壓渦輪機(jī)借助驅(qū)動(dòng)軸從而連接到壓縮機(jī)12的轉(zhuǎn)子上，以便在工作中使得其中的多排壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn).
圖1所示的核心發(fā)動(dòng)機(jī)可用于任何典型的燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，例如渦輪風(fēng)扇式航空發(fā)動(dòng)機(jī)，在這種典型的渦輪風(fēng)扇式航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合中，(未示出的)上游風(fēng)扇由下游的低壓渦輪機(jī)(LPT)來驅(qū)動(dòng).或者，對(duì)于船用和工業(yè)用發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合而言，LPT可連接到外部驅(qū)動(dòng)軸上。
LPT包括環(huán)形的第一級(jí)渦輪機(jī)噴嘴20，其特別地構(gòu)造成用于將燃燒用氣體引導(dǎo)到一排常規(guī)的第一級(jí)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片22中，該第一級(jí)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片22從支承轉(zhuǎn)子盤徑向向外延伸。從葉片22獲得的能量用于使得該轉(zhuǎn)子盤和對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn).
如圖1和2所示的第一級(jí)渦輪機(jī)噴嘴20是具有三個(gè)翼片部段的環(huán)形組件.每一三個(gè)成組的部段包括內(nèi)側(cè)或中間翼片24，其與兩個(gè)外側(cè)或端部翼片26沿周向分隔開。這三個(gè)翼片24、26在對(duì)應(yīng)于這三個(gè)翼片的部段中在跨度上徑向延伸并且在其相對(duì)的端部處成一體地連接到沿周向呈弧形的外和內(nèi)條帶28、30上。
這三個(gè)翼片整體地鑄造或釬焊到該支承條帶28、30上，以便形成整體的或一體的組件.以這樣的方式，這三個(gè)翼片借助兩個(gè)條帶28、30剛性地互連，并且這兩個(gè)條帶提供了連續(xù)部分的徑向外和內(nèi)流動(dòng)邊界，以用于在工作過程中在其間引導(dǎo)燃燒用氣體18.
如圖2所示，噴嘴部段的相對(duì)的周向端部使得環(huán)形噴嘴的周向連續(xù)性在相應(yīng)的軸向分模線32處中斷，軸向分模線32借助卡在其間的常規(guī)鍵密封來適當(dāng)?shù)孛芊狻Ｒ赃@樣的方式，三個(gè)翼片部段圍繞噴嘴的周邊的分模線32少于現(xiàn)有技術(shù)中的一個(gè)翼片的噴嘴部段的情況。在工作過程中，較少的分模線和較少的鍵密封可相應(yīng)地增大渦輪機(jī)噴嘴的效率。
圖2所示的每一葉片24、26具有相同的翼型件構(gòu)形，以便將燃燒用氣體18引導(dǎo)到下游的渦輪機(jī)葉片。例如，每一翼片包括大致凸形的正壓側(cè)壁34以及沿周向相對(duì)的大致凹形的負(fù)壓側(cè)壁36.兩個(gè)側(cè)壁在外和內(nèi)條帶28、30之間在跨度上徑向延伸，如圖1所示，并且借助上述的釬焊和鑄造從而成一體地連接到外和內(nèi)條帶上。每一翼片的這兩個(gè)側(cè)壁還在相對(duì)的前緣和后緣38、40之間在翼弦上軸向延伸.
如圖1和2所示的渦輪機(jī)噴嘴中的每一翼片是中空的，并且其中包括一相似或相同的內(nèi)部冷卻回路42，以便使得加壓的冷卻空氣14經(jīng)該冷卻回路循環(huán)，從而在內(nèi)部冷卻該翼片。冷卻回路42可具有任何常規(guī)構(gòu)形，并且通常由相應(yīng)的隔板或肋來限定，隔板或肋成一體地在正壓側(cè)壁和負(fù)壓側(cè)壁之間橋接以便在其中形成徑向延伸的流動(dòng)通道。
例如，在每一翼片中冷卻回路包括直接設(shè)置在前緣38之后的第一流動(dòng)通道44，其由成一體的孔板或肋46界定。該第一肋46包括一排沖擊孔48，如圖2清晰所示，冷卻空氣經(jīng)該沖擊孔以相應(yīng)的噴射流面向前緣的背表面排出，以便對(duì)其進(jìn)行沖擊冷卻。在該實(shí)施例中，翼片不包括在渦輪機(jī)噴嘴中常用的離散或可拆卸的沖擊導(dǎo)片或插入件。
冷卻空氣從位于第一通道44之后在專用的前緣冷卻回路中的第二徑向通道供應(yīng)到該第一通道。冷卻回路42還包括由大于三個(gè)流動(dòng)通道限定的三個(gè)蛇形流程支路，它們通向后緣并由相應(yīng)的隔板分隔開。
如圖1所示，每一翼片包括相應(yīng)的穿過外條帶28的入口50，其接收來自壓縮機(jī)的加壓空氣。一對(duì)出口52設(shè)置在內(nèi)條帶30下面的共用壓力腔內(nèi)，以便經(jīng)該出口將一部分冷卻氣體從三個(gè)翼片中排出。并且，每一翼片還包括一排后緣槽口或出口54，在翼片的緊靠后緣之前的正壓側(cè)面上，后緣槽口或出口54將已經(jīng)使用的蛇形流動(dòng)的冷卻空氣排出。
在渦輪機(jī)噴嘴中所有的翼片24、26在圖中是彼此相同的，但除了其前緣區(qū)域之外.特別是，如圖2和3所示的中間翼片24包括第一圖案的薄膜冷卻孔56、58、60，它們沿前緣38設(shè)置成列或排，以便與第一通道44流動(dòng)連通，從而從其中排出已經(jīng)使用的沖擊冷卻空氣。
相反的是，在每一三個(gè)成組的噴嘴部段中兩個(gè)端部翼片26均包括第二圖案的薄膜冷卻孔56、58，它們沿端部翼片的前緣38設(shè)置成列或排，以便與第一通道44流動(dòng)連通，從而從其中排出已經(jīng)使用的沖擊冷卻空氣。
由于每一噴嘴部段包括至少三個(gè)翼片，兩個(gè)端部翼片26優(yōu)選為彼此相同，其包括設(shè)置在其前緣附近的對(duì)應(yīng)的第二圖案的薄膜冷卻孔56、58。相反，在中間翼片24中第一圖案的薄膜冷卻孔56、58、60明顯不同于第二圖案，以便在中間翼片24中的前緣區(qū)域中共同地排出的薄膜冷卻空氣多于在兩個(gè)端部翼片26的對(duì)應(yīng)前緣區(qū)域的情況。
在每一噴嘴部段中，圖2所示的三個(gè)翼片24、26具有相同的內(nèi)部冷卻回路，包括相同的前緣沖擊冷卻，已經(jīng)使用的沖擊冷卻空氣在前緣之后收集在相應(yīng)的第一通道44中。通過將不同的第一和第二圖案的薄膜冷卻孔設(shè)置在中間翼片24和兩個(gè)端部翼片26的前緣上，從而使得從第一通道44排出的已經(jīng)使用的沖擊冷卻空氣可優(yōu)先地用于以不同于兩個(gè)端部翼片的方式冷卻該中間翼片的前緣。
在優(yōu)選實(shí)施例中，第一圖案包括比第二圖案多的薄膜冷卻孔，以便使得從中間翼片24中共同地排出的冷卻空氣多于從兩個(gè)端部翼片26中的每一端部翼片排出的冷卻空氣.以這樣的方式，與沿前緣具有較少薄膜冷卻孔的兩個(gè)端部翼片的前緣冷卻相比，在中間翼片的前緣處數(shù)量增多或增大的薄膜冷卻孔可用于增加中間翼片的前緣冷卻.
例如，在三個(gè)成組的翼片24、26中的兩個(gè)不同圖案的薄膜冷卻孔56、58、60均優(yōu)選為具有相似或相同的入口直徑，其大約14密耳(0.36毫米)，以便對(duì)流經(jīng)冷卻孔的排出流率進(jìn)行節(jié)流或限制。由于這些薄膜冷卻孔的直徑對(duì)于翼片冷卻的實(shí)際使用而言是最小尺寸，因此在兩種圖案中的薄膜冷卻孔數(shù)量?jī)?yōu)選為不同的，以便與兩個(gè)端部翼片相比以不同的方式冷卻該中間翼片。
通過提供增強(qiáng)的中間翼片冷卻，從而使得其中的熱應(yīng)力相應(yīng)地降低以便補(bǔ)償在中間翼片中由于上述的熱膨脹和收縮問題引起的較大熱應(yīng)力.降低中間翼片中的熱應(yīng)力可相應(yīng)地提高三個(gè)成組的噴嘴部段的LCF壽命。
在上述的第一級(jí)LPT渦輪機(jī)噴嘴的連續(xù)開發(fā)過程中，對(duì)于所有的三個(gè)成組的噴嘴的三個(gè)翼片而言，發(fā)現(xiàn)在三個(gè)成組的噴嘴中限制LCF壽命的位置是具有相同翼片構(gòu)型的中間翼片的前緣區(qū)域。與在三個(gè)成組形式中的兩個(gè)端部翼片26相比，通過僅僅沿中間翼片24的前緣提供附加的薄膜冷卻，可降低中間翼片的前緣區(qū)域中的溫度和熱應(yīng)力，從而相應(yīng)地增加噴嘴的LCF壽命。
在每一三個(gè)成組的噴嘴中的三個(gè)翼片相似地包括沿其前緣或靠近前緣的共用的第二圖案的薄膜冷卻孔56、58，其中中間翼片24包括新的第一圖案的附加薄膜冷卻孔60，以便在第一通道44內(nèi)局部地增強(qiáng)沖擊空氣的冷卻有效性，并且當(dāng)已經(jīng)使用的沖擊空氣從其排出時(shí)還可增強(qiáng)在中間翼片的前緣外側(cè)的冷卻。
如圖2和3所示，在中間翼片24中的第一圖案的薄膜冷卻孔56、58、60優(yōu)選為在其中包括在兩個(gè)端部翼片26中的相同的第二圖案的冷卻孔56、58以便保持其相似的性能。
更具體地而言，兩種第一圖案和第二圖案的冷卻孔包括相似或相同的第一排第一薄膜冷卻孔56，其延伸穿過兩種類型的翼片24、26的正壓側(cè)壁34。這兩種圖案還包括相似或相同的第二排第二薄膜冷卻孔58，其延伸穿過兩種類型的翼片24、26的負(fù)壓側(cè)壁36.因此，在對(duì)應(yīng)于常規(guī)針孔的優(yōu)選為相同的構(gòu)型中，兩種冷卻孔圖案共有第一和第二排孔56、58。
第一圖案的孔于第二圖案不同，這是由于其還包括在中間翼片24的前緣38附加的一排或多排附加的第三薄膜冷卻孔60，這些附加的冷卻孔60不在兩個(gè)端部翼片26的第二圖案中，而是優(yōu)選為在翼片的相對(duì)側(cè)面上位于兩排針孔56、58之間在前緣上不穿孔(imperforate)。
如圖3清晰所示，第一圖案優(yōu)選為包括兩排附加的第三薄膜冷卻孔60，其沿中間翼片24的前緣38的跨度設(shè)置，該附加孔以淋浴頭形式分別延伸穿過正壓側(cè)壁34和負(fù)壓側(cè)壁36。
在圖3所示的優(yōu)選實(shí)施例中，兩排附加的第三薄膜冷卻孔60設(shè)置在從內(nèi)條帶30到外條帶28的范圍的30-85％內(nèi)，該范圍對(duì)應(yīng)于射流到中間翼片的前緣上的燃燒用氣體的溫度分布峰值范圍。
如圖2和3所示，第一薄膜冷卻孔58優(yōu)選為在截面上是柱形，并且從第一流動(dòng)通道44軸向地向后傾斜，以便在正壓側(cè)壁34上呈現(xiàn)橢圓形出口。第二薄膜冷卻孔60相似地從第一流動(dòng)通道44中穿過負(fù)壓側(cè)壁36軸向地向后傾斜，但是其優(yōu)選為在截面上從柱形入口是發(fā)散的，以便實(shí)現(xiàn)排出的薄膜冷卻空氣的散流。
柱形的第一孔58和發(fā)散的第二孔60可具有任何常規(guī)的構(gòu)型，并且每一排的數(shù)量沿中間翼片24的徑向跨度以及沿兩個(gè)端部翼片26的跨度優(yōu)選為19個(gè)。
沿前緣的附加兩排中的第三薄膜冷卻孔60在一實(shí)施例中在截面上也是柱形的，并且在每一排中的數(shù)量為10個(gè).第三薄膜冷卻孔60以第一和第二孔56、58的形式軸向地向后傾斜，并且在示意性實(shí)施例中具有大約25度的徑向傾斜分量A。
在中間翼片24的正壓側(cè)壁34上的復(fù)合成排的傾斜的第三孔60朝向外條帶向后傾斜，然而在負(fù)壓側(cè)壁36上成排的第三薄膜冷卻孔60相似地朝向外條帶28向后傾斜，其傾斜度的復(fù)合角度大致相同。
圖3所示的中心偏置的三個(gè)成組形式的噴嘴實(shí)施了一種選擇性地冷卻不同構(gòu)型的噴嘴翼片24、26的方法，以便補(bǔ)償在中間翼片24中由于在三個(gè)成組形式的噴嘴部段中不同部件的不同熱膨脹和收縮所引起的熱應(yīng)力。如圖1和2所示，加壓的冷卻空氣14以并聯(lián)流動(dòng)分配到每一三個(gè)成組形式的噴嘴的三個(gè)翼片中的相應(yīng)的內(nèi)部冷卻回路42中.
并且，分配或再分配流經(jīng)在中間翼片24中的第一圖案的薄膜冷卻孔56、58、60的冷卻空氣14大于流經(jīng)兩個(gè)端部翼片26中的第二圖案的薄膜冷卻孔56、58的冷卻空氣。以這樣的方式，在每一三個(gè)成組形式中，冷卻空氣可從兩個(gè)端部翼片26中的每一翼片再分配到安裝在其間的中間翼片24中，以便從第一圖案的薄膜冷卻孔56、58、60中排出，第一圖案的薄膜冷卻孔56、58、60在數(shù)量上總體大于在兩個(gè)端部翼片26中的每一翼片上的第一圖案的冷卻孔的數(shù)量。
以這樣的方式，在中間翼片24的前緣38附近的薄膜冷卻孔的密度較大，與從兩個(gè)端部翼片26的前緣38附近的較低密度的第二圖案薄膜冷卻孔相比，較大密度的冷卻孔對(duì)于從它們排出更多的薄膜冷卻空氣而言是有效的。較少的冷卻空氣引導(dǎo)流經(jīng)兩個(gè)端部翼片26，冷卻空氣而是轉(zhuǎn)向流入安裝在其間的共用的中間翼片24，以便增強(qiáng)該中間翼片的前緣冷卻.
流經(jīng)中間翼片24的增大冷卻空氣流可以借助流經(jīng)兩個(gè)端部翼片26的冷卻空氣減少來補(bǔ)償或平衡.以這樣的方式，以不包括附加孔60的兩個(gè)端部翼片26的附加前緣冷卻為代價(jià)或以其冷卻損失為代價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)三個(gè)成組形式噴嘴中平衡冷卻(countercooling).
中間翼片24和兩個(gè)端部翼片26的兩種不同冷卻構(gòu)型的平衡冷卻可以借助增加或增大從中間翼片24的第一圖案的薄膜冷卻孔56、58、60排出的冷卻空氣的流率并且相應(yīng)地降低流經(jīng)兩個(gè)端部翼片26的冷卻空氣的流率來實(shí)現(xiàn)。由于三個(gè)成組噴嘴中的三個(gè)翼片在構(gòu)型上是彼此相同的，除了前緣薄膜冷卻孔的圖案不同之外，因此從第一圖案孔流出的流率的增大優(yōu)選為借助相應(yīng)地降低流經(jīng)第二圖案孔的流率來實(shí)現(xiàn)。
圖3示出了在中間翼片中增加第三薄膜冷卻孔60的情況，在相應(yīng)六排第一孔56和第二孔58中具有兩排附加薄膜冷卻孔(X)的三個(gè)成組噴嘴的中間結(jié)構(gòu).在該中間三個(gè)成組噴嘴中，在三個(gè)成組噴嘴中的所有的三個(gè)翼片彼此相同，每一均包括在正壓側(cè)壁上的一排21個(gè)第一孔56和在負(fù)壓側(cè)壁上的另一排21個(gè)第二孔58。給定流率的冷卻空氣流供應(yīng)到每一三個(gè)成組噴嘴并在三個(gè)翼片中大致相等地分配.
相反，圖3示出了三個(gè)成組噴嘴已經(jīng)改進(jìn)的情況，僅僅在中間翼片24上設(shè)置有兩排附加的薄膜冷卻孔60，這相應(yīng)地增大了中間翼片24所需的空氣流。為了平衡該增加的空氣流需求，在最初的三個(gè)翼片中最初的第一和第二薄膜冷卻孔56、58中的緊靠在外條帶28下面和緊靠在內(nèi)條帶30上面的一個(gè)孔(X)被除去，以便總體上減小這六排所需的空氣流。
以這樣的方式，第一和第二孔56、58中的12個(gè)被除去，以便補(bǔ)償沿中間翼片的前緣形成為兩排的20個(gè)新的第三孔60.除了對(duì)于LPT噴嘴20的這種變型引入本發(fā)明所述的不同圖案的冷卻孔，最初或中間的LPT噴嘴20在構(gòu)型和操作上是常規(guī)的，并且在美國(guó)已經(jīng)銷售并公開使用了多年。
由于第一和第二孔56、58具有不同的構(gòu)型并且以不同方式安裝在三個(gè)翼片的正壓側(cè)壁34和負(fù)壓側(cè)壁36上，因此它們相應(yīng)地對(duì)于流經(jīng)的空氣流進(jìn)行不同地節(jié)流。
分析表明對(duì)于附加淋浴頭孔60的附加的流率需求大致借助由于20個(gè)上述的第一和第二針孔56、58的除去所產(chǎn)生的流率下降來補(bǔ)償.由于流過噴嘴翼片24、26的燃燒用氣體的溫度通常在中心位置達(dá)到最高，因此選擇性地處于靠近外和內(nèi)條帶的20個(gè)孔(X)不會(huì)明顯降低葉片的靠近條帶的冷卻效率。
然而，在內(nèi)條帶30之上在大約30-85％中間跨度范圍內(nèi)設(shè)置第三薄膜冷卻孔60相當(dāng)于沿中間翼片24的前緣在燃燒用氣體流的中心峰值處優(yōu)選地增強(qiáng)薄膜冷卻。
應(yīng)當(dāng)注意，在緊靠中間翼片24的前緣設(shè)置第三薄膜冷卻孔60具有復(fù)合的冷卻效果。首先，附加排的第三薄膜冷卻孔60進(jìn)一步保護(hù)并冷卻了圍繞中間翼片24的前緣的外表面。并且，如圖2所示，供應(yīng)到附加排的第三薄膜冷卻孔60中的流率增大是從供應(yīng)的前緣腔44提供的，其相應(yīng)地增大了流經(jīng)一排沖擊孔48的沖擊空氣流及其冷卻效果.
如上所述，與兩個(gè)端部翼片26的對(duì)應(yīng)前緣區(qū)域相比，中間翼片24的前緣區(qū)域的優(yōu)先附加冷卻可用于有利地補(bǔ)償由于在燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中噴嘴部段的不同熱膨脹和收縮產(chǎn)生的中間翼片24的熱感應(yīng)應(yīng)力。對(duì)于供應(yīng)到每一三個(gè)成組噴嘴部段的冷卻空氣的給定總流率，空氣優(yōu)先地被更多地分配到中間翼片24，這多于分配到兩個(gè)端部翼片26的空氣，以便提高第一級(jí)渦輪機(jī)噴嘴的LCF壽命和可靠性，同時(shí)由于三個(gè)成組結(jié)構(gòu)沿其周向需要較少的軸向分模線32因此空氣動(dòng)力性能得到了改進(jìn).
在替代實(shí)施例中，對(duì)于中間翼片和端部翼片的不同的第一和第二孔圖案不同地構(gòu)造，以便不同地冷卻這些翼片.例如，兩種圖案可在孔尺寸或直徑上不同，其中較大的孔可用于控制所希望的不同的流率.按照需要，在不同圖案中孔數(shù)量可以是相同或不同的.
并且，薄膜冷卻孔的分布、布置、和構(gòu)型也可以改變，以便實(shí)現(xiàn)不同的冷卻性能，從而補(bǔ)償位于噴嘴部段或甚至是更大翼片部段中的在中間翼片或相對(duì)于外側(cè)翼片的翼片中所產(chǎn)生的不同熱應(yīng)力.
以上描述本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例。然而應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可作出各種變型。例如，可加入現(xiàn)有技術(shù)中已知的或者以后開發(fā)出來的附加特征.因此，其它的實(shí)施例也落入后附權(quán)利要求限定的范圍內(nèi).
權(quán)利要求
1.一種渦輪機(jī)噴嘴(20)，其包括具有第一圖案的薄膜冷卻孔(56、58、60)的中間翼片(24)，所述第一圖案的薄膜冷卻孔構(gòu)造成比兩個(gè)相鄰端部翼片(26)中的每一端部翼片排出更多的冷卻空氣(14)，所述端部翼片具有相應(yīng)的第二圖案的薄膜冷卻孔(56、58)。
2.如權(quán)利要求1所述的噴嘴，其特征在于，所述翼片(24、26)中的每一噴嘴包括相對(duì)的正壓側(cè)壁和負(fù)壓側(cè)壁(34、36)，所述正壓側(cè)壁和負(fù)壓側(cè)壁上在跨度上在與其成一體地連接的外條帶和內(nèi)條帶之間延伸，并且在翼弦上在相對(duì)的前緣和后緣(38、40)之間延伸；所述翼片(24、26)中的每一噴嘴是中空的并且還包括內(nèi)部冷卻回路(42)以便使得所述冷卻空氣(14)循環(huán)流經(jīng)該冷卻回路，以使該冷卻空氣從所述第一和第二圖案的孔(56、58、60)中排出；和所述第一圖案包括多于所述第二圖案的孔(60)，以便使得從該中間翼片(24)排出的冷卻空氣(14)大于從所述端部翼片(26)中的每一端部翼片中排出的冷卻空氣。
3.如權(quán)利要求2所述的噴嘴，其特征在于，所述端部翼片(26)大致彼此相同，該端部翼片包括在其中的所述第二圖案的薄膜冷卻孔(56、58)，在該中間翼片(24)中的所述第一圖案的薄膜冷卻孔(56、58、60)不同于所述第二圖案。
4.如權(quán)利要求3所述的噴嘴，其特征在于，在該中間翼片(24)中的所述第一圖案的薄膜冷卻孔(56、58、60)包括在其中的所述第二圖案。
5.如權(quán)利要求4所述的噴嘴，其特征在于，所述內(nèi)部冷卻回路(42)包括在所述前緣(38)之后的第一通道(44)，該第一通道由帶孔肋(46)來界定以便對(duì)所述前緣(38)進(jìn)行沖擊冷卻；所述第一圖案的薄膜冷卻孔(56、58、60)沿該中間翼片(24)的所述前緣(38)設(shè)置，以便與其中的所述第一通道(44)流動(dòng)連通；和所述第二圖案的薄膜冷卻孔(56、58)沿所述端部翼片(26)的所述前緣(38)設(shè)置，以便與其中的所述第一通道(44)流動(dòng)連通。
6.如權(quán)利要求5所述的噴嘴，其特征在于，所述第一和第二圖案包括穿過所述翼片(24、26)的該正壓側(cè)壁(34)的相似的第一排孔(56)，以及穿過所述負(fù)壓側(cè)壁(36)的相似的第一排孔(58)；和所述第一圖案包括靠近所述中間翼片(24)的所述前緣(38)的附加兩排薄膜冷卻孔(60)，在所述端部翼片(26)的所述第二圖案中沒有所述薄膜冷卻孔(60)。
7.如權(quán)利要求6所述的噴嘴，其特征在于，所述第一圖案包括沿所述中間翼片(24)的所述前緣(38)的附加兩排薄膜冷卻孔(60)，其分別延伸穿過所述正壓側(cè)壁(34)和負(fù)壓側(cè)壁(36)。
8.如權(quán)利要求7所述的噴嘴，其特征在于，所述第一排薄膜冷卻孔(58)是柱形的并且數(shù)量為19個(gè)；所述第二排薄膜冷卻孔(60)是發(fā)散的并且數(shù)量為19個(gè)；和所述附加兩排薄膜冷卻孔(60)是柱形的并且數(shù)量為每排10個(gè)。
9.如權(quán)利要求8所述的噴嘴，其特征在于，所述附加兩排薄膜冷卻孔(60)設(shè)置從該內(nèi)條帶(30)到該外條帶(28)的跨度的大約30-85％的范圍內(nèi)。
10.如權(quán)利要求9所述的噴嘴，其特征在于，所有的薄膜冷卻孔(56、58、60)具有相似的入口直徑。
全文摘要
一種渦輪機(jī)噴嘴(20)，其包括具有第一圖案的薄膜冷卻孔(56、58、60)的中間翼片(24)，所述第一圖案的薄膜冷卻孔構(gòu)造成比兩個(gè)相鄰端部翼片(26)中的每一端部翼片排出更多的冷卻空氣(14)，所述端部翼片具有相應(yīng)的第二圖案的薄膜冷卻孔(56、58)。
文檔編號(hào)F01D9/02GK1987055SQ200610135569
公開日2007年6月27日 申請(qǐng)日期2006年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月19日
發(fā)明者D·A·弗洛德曼, J·D·夏皮羅, M·P·庫利克 申請(qǐng)人:通用電氣公司