專利名稱：沖擊冷卻的輪葉罩,合并其的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子及冷卻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于渦輪機(jī)，例如飛行器發(fā)動機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)、蒸汽渦 輪機(jī)等的葉片。更具體地，本發(fā)明涉及渦輪機(jī)葉片尖端罩的冷卻。作為 非限制性示例，本發(fā)明及其背景參考燃?xì)鉁u輪機(jī)描述。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪機(jī)典型地包括產(chǎn)生壓縮空氣的壓縮機(jī)段。燃料與壓縮空氣 的部分混合且在一個或更多燃燒器中燃燒，從而產(chǎn)生熱的壓縮氣體。熱 壓縮氣體在渦輪機(jī)段中膨脹以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)軸動力。渦輪機(jī)段典型地包括多 個交替排的靜止輪翼(噴嘴)和旋轉(zhuǎn)葉片(輪葉)。每個旋轉(zhuǎn)葉片具有 翼片部分和根部分，它通過根部分附接到轉(zhuǎn)子。由于葉片被暴露在從燃燒器排出的熱氣體，要求冷卻方法以獲得有 用的設(shè)計(jì)壽命周期。傳統(tǒng)地，葉片冷卻通過從壓縮機(jī)吸取壓縮空氣的部 分且將它引導(dǎo)到渦輪機(jī)段，從而旁通燃燒器實(shí)現(xiàn)。在引導(dǎo)到渦輪機(jī)段中 之后，該冷卻空氣流動通過形成在葉片的翼片部分中的通道。通常，提 供徑向通道，其將冷卻空氣在葉片尖端處徑向向外地排出。在許多旋轉(zhuǎn)翼片上，整體尖端罩用于葉片的徑向外部端上，以生成 熱氣體必須通過其的通道的外部表面。具有罩作為翼片的部件導(dǎo)致發(fā)動 機(jī)性能的提高。因此，希望整個外部表面被尖端罩覆蓋。然而，由于通 過旋轉(zhuǎn)速度施加的機(jī)械力，在旋轉(zhuǎn)翼片上的整體罩是高度受應(yīng)力的部 件。高溫環(huán)境聯(lián)合高應(yīng)力使得設(shè)計(jì)在遍及葉片的剩余部分的整個有用壽 命有效地運(yùn)行的罩成為挑戰(zhàn)。解決該挑戰(zhàn)的兩種方法是減少應(yīng)力和/或減 少溫度。用于減少應(yīng)力的通用方法是移除懸置罩的部分(使罩成扇形)，從 而減少施加的載荷。然而，減少尖端罩覆蓋范圍導(dǎo)致對發(fā)動機(jī)性能的損 害。此外或在替換方法中，在葉片尖端處排出的冷卻空氣流過罩的徑向 向外面向的表面，從而提供膜冷卻措施。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出通過采用局部定向的沖擊冷卻更有效地冷卻葉片尖端 罩，以減少尖端罩的高度受應(yīng)力區(qū)，主要但不限于在翼片和尖端罩之間 的圓角處的金屬溫度。本發(fā)明進(jìn)一步提供使用這樣的沖擊冷卻來冷卻尖 端罩的方法。因而本發(fā)明可以實(shí)施在渦輪機(jī)葉片中，包括用于將所述葉片固定 到渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的根部分；從所述根縱向延伸的翼片部分；延伸通過所述 翼片的至少一個翼片冷卻通道，所述翼片冷卻通道具有用于接收冷卻流 體流的進(jìn)口 ；從所述翼片向外突出且具有徑向向內(nèi)面向的表面和徑向向 外面向的表面的罩；限定至少 一個離開孔以使冷卻流體從所述翼片冷卻 通道離開的壁；與至少一個所述離開孔流動連通的至少一個罩冷卻室， 所述離開孔指向所述冷卻室的目標(biāo)壁表面，從而所述離開孔限定沖擊孔 以沖擊冷卻作為沖擊區(qū)域的所述目標(biāo)壁表面；和至少一個出口孔隙，以 使用盡的沖擊冷卻流體流出所述冷卻室。本發(fā)明也可以實(shí)施在具有一排渦輪機(jī)葉片的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子中，所述渦 輪機(jī)葉片的至少一個包括用于將所述葉片固定到渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的根部 分；從所述根縱向延伸的翼片部分；延伸通過所述翼片的至少一個翼片 冷卻通道，所述翼片冷卻通道具有用于接收冷卻流體流的進(jìn)口；從所述 翼片向外突出且具有徑向向內(nèi)面向的表面的罩；限定至少一個離開孔以 使冷卻流體從所述翼片冷卻通道離開的壁；與至少一個所述離開孔流動 連通的至少一個罩冷卻室，所述離開孔定向?yàn)閷⒗鋮s流體向目標(biāo)沖擊區(qū) 域引導(dǎo)，從而所述離開孔限定沖擊孔以沖擊冷卻所述目標(biāo)沖擊區(qū)域；和 至少一個出口開口 ，以-使用盡的沖擊冷卻流體流出所述^f卻室。本發(fā)明可以進(jìn)一步實(shí)施在冷卻燃?xì)鉁u輪機(jī)翼片的方法中，燃?xì)鉁u輪 機(jī)翼片具有在大致垂直于翼片的平面內(nèi)延伸的相關(guān)的大致平面的罩，該 方法包括a)在所示翼片中提供至少一個翼片冷卻通道；b)在所述罩 內(nèi)提供至少一個冷卻室；c)將冷卻空氣從該至少一個翼片冷卻通道通 過至少一個沖擊孔向該至少一個冷卻室的壁表面引導(dǎo)；和d)將用盡的 沖擊冷卻空氣通過在冷卻室中的至少一個出口開口引導(dǎo)。


通過結(jié)合附圖仔細(xì)研究以下更詳細(xì)的本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的 描述，將更完全地理解和意識本發(fā)明的這些和其他目的和優(yōu)勢，其中圖l是具有尖端罩的常規(guī)渦輪機(jī)葉片的示意性透視圖；圖2是圖示罩成扇形的常規(guī)尖端罩的示意性俯視圖；圖3是本發(fā)明示例實(shí)施例的示意性截面圖；圖4是本發(fā)明又一示例實(shí)施例的示意性截面圖；圖5是根據(jù)第一示例實(shí)施例的圖3結(jié)構(gòu)的示意性俯視圖;圖6是根據(jù)第二示例實(shí)施例的圖3結(jié)構(gòu)的示意性俯視圖;圖7是本發(fā)明的進(jìn)一步示例實(shí)施例的示意性俯視圖；和圖8是沿圖7的線8-8截取的截面圖。
具體實(shí)施方式
在圖1中示意性地圖示了典型的葉片，冷卻通道在葉片尖端離開以 流動過尖端罩。如在此示意性地圖示的，每個渦輪機(jī)葉片10包括翼片 部分12和4艮部分14。翼片部分具有前緣和后緣。通常凹的壓力表面和 通常凸的吸力表面在翼片的相對側(cè)上在前緣和后緣之間延伸。在所示示 例中，葉片根14包括柄16和接合轉(zhuǎn)子上相應(yīng)的燕尾榫槽的燕尾榫18， 以將葉片固定到轉(zhuǎn)子。如圖1和2所示，罩20在翼片12的尖端處形成且從翼片向外延伸。 因而罩具有徑向向內(nèi)和徑向向外面向的表面且被暴露到流動通過渦輪 機(jī)段的熱壓縮氣體。每個罩具有支承表面22、 24,它在其上接觸相鄰葉 片的罩，從而限制葉片振動。此外， 一個或更多隔板26典型地從罩徑 向向外延伸，以防止圍繞相應(yīng)的葉片排的熱氣體的泄漏。在一些常M^的 輪葉葉片結(jié)構(gòu)中，多個冷卻空氣通道徑向向外地延伸通過葉片到葉片尖 端內(nèi)。在其他常規(guī)的輪葉葉片結(jié)構(gòu)中，蜿蜒的通道限定在翼片中。如圖 2中所示，徑向冷卻空氣通道常規(guī)地終止于空氣排出孔28處，其允許冷 卻空氣在罩的徑向向外表面處排出。盡管在圖2中圖示了九個孔28,可 以采用更多或更少的通道。在部件的內(nèi)側(cè)上提供冷卻。沖擊被廣泛地用于葉片中在翼片的前緣處， 通常較少地用于冷卻翼片的凹和凸側(cè)，且通常也較少地用于冷卻后緣。 本發(fā)明提出新的設(shè)計(jì)以冷卻工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)或飛行器發(fā)動機(jī)葉片的尖 端罩。更具體地，采用局部定向的沖擊冷卻以減少在尖端罩的高度受應(yīng) 力區(qū)，主要是翼片和尖端罩之間的圓角中的金屬溫度。操作溫度的這種減少提供有用部件壽命的增加或允許同樣部件操作在更熱的環(huán)境中而 不損害有用壽命。存在多種方法，通過該方法在尖端罩中生成沖擊冷卻。 一個示例方 法是形成通過葉片的整體部件的沖擊孔。這些孔可以在部件中鑄造或可 以在鑄件形成之后通過加工方法在部件中生成。圖3和圖4顯示在整體沖擊橋中目標(biāo)為翼片到罩圓角的沖擊的兩個示例。圖3描繪到罩的通常 開口的冷卻室142內(nèi)的沖擊，而圖4描繪到以窄通路242形式的冷卻室 內(nèi)的沖擊，其在沖擊區(qū)域下游提供非常好的通路流動熱傳遞。然而，應(yīng) 當(dāng)理解的是，可以提供其他沖擊/流動構(gòu)造。參見圖3的示意性截面圖，在一個示例實(shí)施例中，采用在尖端罩120 內(nèi)側(cè)的密封的或通常密封的室130作為沖擊流動源，從翼片112連接到 冷卻空氣。在一個示例實(shí)施例中，該內(nèi)部室13(H皮足夠地密封，使得它 可以被增壓。因而，空氣以常規(guī)的方式被吸入到葉片中，例如燕尾榫或 柄區(qū)域附近，流動通過柄且到翼片112內(nèi)并沿翼片112流向尖端罩120。在圖3所示的示例中，空氣從翼片流動到尖端罩內(nèi)側(cè)的增壓室130 內(nèi)?？諝馊欢鴱脑黾邮冶煌苿油ㄟ^至少一個沖擊孔132,其對準(zhǔn)尖端罩 120內(nèi)側(cè)的希望的位置，沖擊區(qū)域134。圖3描繪尖端罩沖擊冷卻的一 個實(shí)施例，其中翼片到罩圓角134是目標(biāo)沖擊區(qū)域。然而，沖擊孔可以 指向在其他尖端罩位置處的沖擊區(qū)域?？梢岳斫?，與通路流動相比，沖 擊為局部區(qū)提供熱傳遞的較好形式。圖3實(shí)施例進(jìn)一步在冷卻室142, 例如圓角區(qū)域內(nèi)提供湍流器，以進(jìn)一步提高冷卻流體的熱傳遞。在一個 示例實(shí)施例中，為了增壓該增壓區(qū)130,沖擊孔的總體截面面積小于翼 片冷卻劑通道。盡管這提供較好的沖擊熱傳遞，但它不是要求的。沖擊 孔面積可以大于翼片冷卻劑通道面積且沖擊還起作用，雖然以減少的性臺匕 fi匕。沖擊后的空氣從沖擊區(qū)域134流動通過冷卻室142到一個或更多離 開孔隙，例如離開孔隙136、 138,且流動到主氣流內(nèi)。冷卻空氣也可以 直接從室130在140處離開。盡管至少一個增壓區(qū)130圖示在圖3實(shí)施 例中，應(yīng)當(dāng)理解的是，可以讓翼片冷卻劑通道充當(dāng)該增壓區(qū)。沖擊孔然 后源自翼片冷卻劑通道且將冷卻劑向外部室引導(dǎo)。現(xiàn)在參見圖4的示意性截面圖，在另一示例實(shí)施例中，采用在尖端 罩220內(nèi)側(cè)密封的或通常密封的室230,從而沖擊冷卻通過沖擊孔232被引導(dǎo)到?jīng)_擊區(qū)域234上，其可以大于圖3實(shí)施例的區(qū)域。此外，沖擊 冷卻后的空氣被引通通過冷卻室或通道242,其在沖擊區(qū)域234下游提 供非常好的通路流動熱傳遞。耗盡的冷卻空氣然后流動到一個或更多離 開孔隙，例如離開孔隙236,且流動到主氣流內(nèi)。冷卻空氣也可以直才妻 從室230在240處離開。更進(jìn)一步，在上述任何實(shí)施例中，沖擊冷卻后 的空氣也通過經(jīng)由膜孔在其上沖擊的表面離開。因而，在沖擊之后，空 氣不需要流動通過冷卻室。圖3中所示的結(jié)構(gòu)的兩個可能俯^L圖在圖5和6中示意性圖示。在 圖5中，沖擊射流132流動到連接的冷卻室142內(nèi)。圖6圖示第二可能 的實(shí)施例，其中相鄰的室342不一皮連接?？梢岳斫?，可以采用任何數(shù)量 的室142、 242、 342和沖擊孔132、 232,且室如認(rèn)為是必要或希望的可 以是隔離的或可以是連接的，例如以在沖擊區(qū)域下游提供通路流動。在尖端罩中生成沖擊冷卻的另一方法在圖7和8中示意性地圖示。 在該示例實(shí)施例中，非整體的沖擊板444、 446、 448、 450被結(jié)合到尖 端罩420。這些板可以具有任何數(shù)量和才莫式的孔，以用作沖擊孔432。 在這點(diǎn)上，孔在沖擊板444、 446、 448、 450中可以根據(jù)希望布置，以 提供最優(yōu)的冷卻設(shè)計(jì)。如在圖3和4的實(shí)施例中，室430形成在尖端罩 420內(nèi)且具有通過翼片412供應(yīng)到它的冷卻空氣。在圖7和8的實(shí)施例 中，該室用作沖擊空氣源，沖擊空氣然后流動通過沖擊板444、 446、 448、 450以在希望的沖擊區(qū)域434處沖擊冷卻。在所示的示例實(shí)施例中，增 壓的室430包括與翼片冷卻通道直接流動連通的主增壓區(qū)和在沖擊板上 方的輔助增壓區(qū)。沖擊后的空氣流動通過罩到一個或更多離開孔隙(未 顯示)。在圖7和8中所示實(shí)施例中，蓋板452結(jié)合到葉片，以生成罩 的頂部，允許分開制作的沖擊板被安放在罩內(nèi)側(cè)。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是， 其他整體的和非整體的沖擊設(shè)計(jì)可以提供為本發(fā)明的進(jìn)一 步替代實(shí)施 例。因而，盡管在圖7和8中所示的實(shí)施例提供兩個增壓區(qū)，可以使用 具有一個或沒有增壓區(qū)的沖擊板。作為替換，具有沖擊孔的整體壁(如 圖3和4所示)可以用非整體沖擊板替換。盡管本發(fā)明已經(jīng)結(jié)合當(dāng)前認(rèn)為是最可行的和優(yōu)選的實(shí)施例描述，應(yīng) 當(dāng)理解的是，本發(fā)明并不限于所披露的實(shí)施例，但相反，意欲覆蓋包括 在所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的不同修改和等價(jià)布置。例如，盡管 已經(jīng)特別參考尖端罩的冷卻，在此所披露的技術(shù)可以用于不位于葉片尖端處的罩。在這點(diǎn)上， 一些葉片具有將它連接到它的相鄰葉片的大約 片的中間長度的罩，且上文所述的沖擊冷卻可以被包含在其中。零件列表渦4侖才幾葉片io翼片部分12 根部分14 柄16 燕尾榫18 罩20支承表面22、 24隔板26空氣排出孔28翼片112尖端罩120室130沖擊孔132沖擊區(qū)域/罩圓角134離開孔隙136、 138冷卻空氣離開140冷卻室142尖端罩220室230沖擊孔232沖擊區(qū)域234離開孔隙236冷卻空氣離開240冷卻室或通道242室342翼片412尖端罩420室430沖擊孔432沖擊區(qū)域434沖擊板444、 446、 448、 450 蓋板45權(quán)利要求
1.一種渦輪機(jī)葉片，包括用于將所述葉片固定到渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的根部分(14)；從所述根縱向延伸的翼片部分(12、212、412)；延伸通過所述翼片的至少一個翼片冷卻通道，所述翼片冷卻通道具有用于接收冷卻流體流的進(jìn)口；從所述翼片向外突出且具有徑向向內(nèi)面向的表面和徑向向外面向的表面的罩(20、120、220、420)；限定至少一個離開孔的壁，以使冷卻流體從所述翼片冷卻通道離開；與至少一個所述離開孔流動連通的至少一個罩冷卻室(130、142、230、242、342、430)，所述離開孔指向所述冷卻室的目標(biāo)壁表面，從而所述離開孔限定沖擊孔(132、232、432)以沖擊冷卻作為沖擊區(qū)域的所述目標(biāo)壁表面(134、234、434)；和至少一個出口孔隙(140、236、240)，以使用盡的沖擊冷卻流體流出所述冷卻室。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)葉片，包括與所述翼片冷卻通道 流動連通的至少一個增壓區(qū)(130、 230、 430) , /人而/人其接收冷卻流 體，且其中所述壁是所述增壓區(qū)的壁。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)葉片，其中所述目標(biāo)壁表面包括 在翼片和罩之間的圓角的內(nèi)部壁表面(134、 234)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)葉片，其中所述罩具有支承表面 (22、 24),以接合相鄰葉片的罩。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪機(jī)葉片，其中至少一個所述出口孔 隙(136、 236 )鄰近所述支承表面布置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪機(jī)葉片，其中所述增壓區(qū)包括主增 壓區(qū)和輔助增壓區(qū)，且其中所述輔助增壓區(qū)通過沖擊板與所述冷卻室流 動連通，沖擊板具有通過其限定的多個沖擊孔。(圖8)
7. —種具有一排渦輪機(jī)葉片的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子，所述渦輪機(jī)葉片的至 少一個包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)葉片。
8. —種冷卻燃?xì)鉁u輪機(jī)翼片的方法，該燃?xì)鉁u輪機(jī)翼片具有在大 致垂直于翼片的平面內(nèi)延伸的相關(guān)的大致平面的罩，該方法包括a) 在所述翼片中提供至少一個翼片冷卻通道；b) 在所述罩內(nèi)提供至少一個冷卻室(130、 142、 230、 242、 342、 430 );c) 將冷卻空氣從該至少一個翼片冷卻通道通過至少一個沖擊孔 (132、 232、 432 )向該至少一個冷卻室的壁表面引導(dǎo)；以及d) 將用盡的沖擊冷卻空氣通過在冷卻室中的至少一個出口開口 (136、 138、 140、 236、 240)引導(dǎo)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中步驟d)通過在所述罩內(nèi)提供 在該罩的周邊邊緣(136、 236 )處開口的至少一個冷卻空氣排氣孔實(shí)現(xiàn)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中在罩內(nèi)提供至少一個增壓區(qū) (130、 230、 430 ),冷卻空氣從所述至少一個翼片冷卻通道供應(yīng)到所述至少一個增壓區(qū)，且所述沖擊孔限定在所述至少一個增壓區(qū)的壁中。
全文摘要
本發(fā)明涉及沖擊冷卻的輪葉罩，合并其的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子及冷卻方法。局部定向的沖擊冷卻用于減少在尖端罩(120、220、420)的高度受應(yīng)力區(qū)上的金屬溫度。
文檔編號F02C7/18GK101235728SQ20081000290
公開日2008年8月6日 申請日期2008年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月12日
發(fā)明者B·P·阿爾內(nèi)斯, E·D·本杰明, R·A·布里廷厄姆 申請人:通用電氣公司