渦輪噴嘴插入件的制作方法
【專利摘要】公開了一種燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪噴嘴插入件(7)。該插入件(7)可包括細長的中空主體部分(9)、形成在所述細長的主體部分(9)的第一端處的凸緣部分(11)和形成在所述細長的主體部分(9)的與所述第一端相對的第二端處的接觸部分(13)。
【專利說明】渦輪噴嘴插入件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體上涉及燃氣渦輪發(fā)動機(GTE)的渦輪噴嘴(渦輪導(dǎo)向裝置，turbinenozzle),更具體地涉及一種用于GTE潤輪噴嘴的插入件。

【背景技術(shù)】
[0002]GTE通過從燃料在壓縮空氣流中燃燒產(chǎn)生的熱氣體流獲取能量來產(chǎn)生動力。一般來說，渦輪發(fā)動機具有位于上游的空氣壓縮機，該空氣壓縮機聯(lián)接到位于下游的渦輪，在空氣壓縮機和渦輪之間設(shè)有燃燒腔室(“燃燒室”)。當壓縮空氣和燃料的混合物在燃燒室中燃燒時釋放能量。在典型的渦輪發(fā)動機中，一個或多個燃料噴射器將液態(tài)或氣態(tài)烴燃料引導(dǎo)到燃燒室中用于燃燒。所產(chǎn)生的熱氣體被引導(dǎo)經(jīng)過渦輪的葉片并使渦輪旋轉(zhuǎn)和產(chǎn)生機械動力。
[0003]在高性能GTE中，使用壓縮空氣的一部分來冷卻暴露于熱氣體流的GTE部件，例如渦輪部件。GTE包括用于接收壓縮空氣的所述部分的冷卻通道和冷卻流，以提高GTE內(nèi)的各部件的可靠性和循環(huán)壽命。GTE的部件、如固定的渦輪導(dǎo)向葉片(通常被稱為渦輪噴嘴)被布置成使得壓縮空氣的所述部分流過渦輪噴嘴的多個內(nèi)部冷卻通道。
[0004]授予Devore等人的美國專利申請公開N0.2010/0054915 (’ 915專利文獻)描述了一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的葉型件的葉型件插入件。根據(jù)’ 915專利文獻中所述的設(shè)備，該葉型件插入件允許渦輪葉型件的暴露于高溫工作流體流的內(nèi)表面的對流冷卻。在’ 915專利文獻中描述的插入件的一個實施例包括形成在插入件壁的外部上的、在葉型件的冷卻通道的橫截面區(qū)域內(nèi)延伸的間隔片。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]一方面，本發(fā)明公開了一種用于葉型件(葉片，airfoil)的插入件。所述插入件可包括細長的中空主體部分、形成在所述細長的主體部分的第一端處的凸緣部分以及形成在所述細長的主體部分的與所述第一端相對的第二端處的接觸部分。
[0006]另一方面，本發(fā)明公開了一種燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪噴嘴。所述渦輪噴嘴可包括在渦輪噴嘴內(nèi)形成的多個氣流通道和布置在所述多個氣流通道中的一個通道內(nèi)的插入件。該插入件可包括沿著所述多個通道中的一個的長度延伸的細長的中空主體部分、形成在所述細長的主體部分的第一端處并從所述多個通道中的一個延伸出的凸緣部分和形成在所述細長的主體部分的與所述第一端相對的第二端處的接觸部分。
[0007]又一方面，本發(fā)明公開了一種制造或重新制造具有多個內(nèi)部通道的渦輪噴嘴的方法。該方法可包括提供插入件，所述插入件具有細長的中空主體部分、形成在所述細長的主體部分的第一端處的凸緣部分以及形成在所述細長的主體部分的與所述第一端相對的第二端處的接觸部分。該方法還可包括將所述接觸部分插入所述多個通道中的一個中，以及將所述凸緣部分固定至所述渦輪噴嘴。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是GTE的渦輪噴嘴的等距視圖；
[0009]圖2是包括噴嘴插入件的GTE的渦輪噴嘴的剖視圖；
[0010]圖3是噴嘴插入件的等距視圖；
[0011]圖4是圖2的噴嘴插入件沿線4-4截取的放大剖視圖；
[0012]圖5是圖2的噴嘴插入件沿線5-5截取的放大剖視圖；
[0013]圖6是圖2的噴嘴插入件沿線6-6截取的放大剖視圖；
[0014]圖7是圖2的噴嘴插入件沿線7-7截取的放大剖視圖；
[0015]圖8是圖1的渦輪噴嘴沿線8-8截取的剖視圖；和
[0016]圖9是示出制造具有插入件的渦輪噴嘴的方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0017]圖1是GTE的渦輪噴嘴I的視圖。來自例如軸向GTE的GTE (未示出)的燃燒室部段的氣體可流過GTE的渦輪部段的固定結(jié)構(gòu)。所述固定結(jié)構(gòu)可包括多個固定的導(dǎo)向葉片或渦輪噴嘴1，以引導(dǎo)來自GTE的燃燒室部段的空氣流。如在下文中更詳細地描述的，渦輪噴嘴I可以是具有能夠接收和導(dǎo)向或引導(dǎo)例如冷卻空氣的流體流的內(nèi)部通道的葉型件。
[0018]圖2示出了例如渦輪噴嘴I的葉型件的剖視圖，其中包括插入件7。渦輪噴嘴I可以是GTE (未示出)的第一級渦輪組件的常規(guī)渦輪噴嘴。渦輪噴嘴I是具有前緣3和尾緣5的葉型件，其中前緣3設(shè)置于來自GTE(未示出)的燃燒室部段的空氣流中，處于尾緣5的上游。渦輪噴嘴I包括多個內(nèi)部空氣流冷卻通道，壓縮的冷卻空氣100的一部分可以通過該通道流動。例如，圖2的渦輪噴嘴I包括與前緣3相鄰的第一通道25、第二通道27、第三通道29和與尾緣5相鄰的第四通道31。所述通道可以分別由形成渦輪噴嘴I的多個壁限定，例如，渦輪噴嘴的第一、第二、第三和第四側(cè)壁39、41、43和45以及渦輪噴嘴的上壁47和渦輪噴嘴的下壁49。在一些實例中，渦輪噴嘴I可設(shè)置有布置成在任何方向或多個方向上通過渦輪噴嘴I的內(nèi)部空間的多于或少于四個內(nèi)部冷卻空氣流通道。
[0019]如圖2所示，插入件7包括細長的主體部分9，當插入件7被布置在第一通道25內(nèi)時，所述主體部分9沿著第一通道25的至少一部分長度延伸。當插入件7被布置在第一通道25內(nèi)時，在插入件主體部分9與第一和第二側(cè)壁39和41之間可分別存在間隙21。此夕卜，在插入件7的出口 17和第一通道25的出口 51之間可以存在空間。雖然圖2示出了布置在第一通道25內(nèi)的、與渦輪噴嘴I的前緣3相鄰的插入件7，但是插入件7也可以布置在例如第二通道27中或能夠接收所述插入件7的任何附加通道中。
[0020]當插入件7如圖2所示布置在第一通道25內(nèi)時，插入件7可以在固定位置23處被固定至第一通道25的頂部部分。具體地，插入件7的一個端部可包括入口 15和凸緣11以允許插入件7在固定位置23處被固定在第一通道25內(nèi)。凸緣11可包括比插入件主體9更寬的大致直的部分10，如將在下面更詳細地描述的，其中，所述直的部分10大致平行于插入件的主體9延伸。如圖2所示，凸緣11還可包括朝向插入件7的主體9以預(yù)定角度漸縮的錐形部分12。在一些實施例中，錐形部分12可以以相對于與凸緣11的直的部分10平行的線成10和20度之間的角度漸縮。在其它實施例中，凸緣11可以以小于10度或大于20度的角度漸縮。凸緣11可通過例如激光焊接或釬焊的焊接被分別固定至噴嘴I的一部分，例如分別固定至第一和第二側(cè)壁39和41。如圖2所示，凸緣11可以從第一通道25延伸到第一通道25外側(cè)的一個位置。
[0021]插入件7的與凸緣11相對的另一端18 (在本文中稱為“自由端”)可自由地布置在第一通道25內(nèi)。本文使用的“自由地布置”可指部件或部件的一部分未被固定至另一部件。自由端18包括出口 17和接觸部分13，將在下文中更詳細地描述。接觸部分13接觸內(nèi)壁53和55并在第一通道25內(nèi)支承插入件7 (圖8)。
[0022]圖3示出了與渦輪噴嘴I分開的噴嘴插入件7的視圖。在一些實施例中，插入件7由金屬、例如金屬板制成。如圖3所示，插入件7具有中空的內(nèi)部和總長度200。該長度200可小于插入件7如圖2所示被布置于其中的渦輪噴嘴的內(nèi)部流動通道的長度。然而，在其它實施例中，插入件7的長度200可以基本上等于或大于插入件7設(shè)置于其中的渦輪噴嘴的內(nèi)部流動通道、例如第一通道25的長度。雖然插入件7的總長度200可以根據(jù)渦輪噴嘴I的尺寸為任何長度，但在一個示例性實施例中，總長度200在大約10.541和10.643cm(4.150和4.190英寸)之間。此外，凸緣11的直的部分10具有在與總長度200相同的方向沿插入件7的長度延伸的凸緣長度300。雖然凸緣長度300可以根據(jù)插入件7的尺寸為任意長度，但在一個示例性實施例中，凸緣長度300在大約0.406和0.508cm(0.160和0.200英寸)之間。
[0023]如圖3所示，以及下面更詳細地描述的，接觸部分13(也可以稱為“肋”、“凸耳”或“支架”)可以在插入件7的相對的兩側(cè)上包括兩個突出部。接觸部分13可以是可變形的，并且可以具有圓形形狀，例如，如圖3所示，接觸部分13可包括可變形的柱形形狀的部分。此外，在替代實施例中，可提供多個接觸部分13。
[0024]現(xiàn)在將描述圖4-7，其示出了圖3所示的插入件7的各個剖視圖。在沿圖3的線
4-4截取的圖4中，示出了插入件7的具有接觸部分13的自由端18。如圖4(以及圖5和6)所示，插入件7具有可稱為“彎曲”或“弓形”的剖面形狀。彎曲或弓形形狀的插入件7可以關(guān)于經(jīng)過接觸部分13的中點的線對稱。圖4的剖視圖還示出了插入件7的主體部分9的寬度400 (即插入件7的第一寬度)。在一些實施例中，寬度400可以是大約1.156cm (0.455英寸)。圖4(以及圖5-7)還示出了插入件7的厚度700，其可以是對于整個插入件7都均勻的厚度700。在一個實施例中，厚度700可以是大約0.381±0.051mm(0.015±0.002英寸)。
[0025]圖4還示出了接觸部分13的圓形形狀，其可以布置在插入件7的主體部分9的寬度400的中央。在一些實施例中，接觸部分13可以具有預(yù)定的寬度600，其小于主體部分9的寬度400的約三分之一。因此，對于大約1.156cm(0.455英寸)的寬度400，寬度600可以是大約0.386cm(0.152英寸)。當接觸部分13設(shè)置成圓形形狀時，例如柱面形狀時，接觸部分13可以具有預(yù)定的直徑900(圖4和7)。在一個實施例中，直徑900可以是大約
0.274cm(0.108英寸)。柱面形狀的周長在圖4中以虛線示出。
[0026]沿圖3的線5-5截取的圖5示出了插入件7的主體部分的剖視圖。圖5示出了插入件的不存在接觸部分13的部分。沿圖3的線6-6截取的圖6示出了插入件7的凸緣11的在入口 15處的端部的剖視圖。圖6所示的剖面與圖5所示的剖面相似；然而，插入件7在凸緣11的端部處的寬度大于在該插入件7的主體部分9處的寬度。插入件在入口 15處的凸緣11的寬度(即插入件7的第二寬度)500可以是大約1.232cm(0.485英寸)。
[0027]沿圖3的線7-7截取的圖7示出了圖3的沿著線7_7的剖視圖。如圖7所示，接觸部分13具有長度800。在一些實施例中，接觸部分的長度800可小于插入件7的總長度200的大約十分之一。因此，對于在大約10.541和10.643cm(4.150和4.190英寸)之間的插入件總長度200，接觸部分的長度800可以在大約1.054和1.064cm (0.415和0.419英寸)之間。在一個示例性實施例中，接觸部分的長度800可以是大約0.635±0.5cm(0.250±0.2英寸)。
[0028]圖8示出了圖2的渦輪噴嘴沿線8-8截取的剖視圖。渦輪噴嘴I包括壓力側(cè)35和與壓力側(cè)35相對的吸力側(cè)37。壓力側(cè)35和吸力側(cè)37兩者都布置在前緣3和尾緣5之間。在圖8中，插入件7的具有接觸部分13的部分示出為處于渦輪噴嘴I的第一通道25內(nèi)。如以上所提到的，接觸部分13與第一通道25的內(nèi)壁53和55相接觸，例如直接接觸。本文使用的“直接接觸”是指在接觸部分13與內(nèi)壁53和55之間沒有空間或額外的部件。如圖8所示，插入件7和渦輪噴嘴I的形成第一通道25的壁之間有空間。該空間包括如上所述的圖2所示的間隙21。
[0029]工業(yè)實用性
[0030]所描述的系統(tǒng)可以適用于GTE的渦輪噴嘴。此外，雖然該系統(tǒng)已關(guān)于第一級渦輪組件中的渦輪噴嘴進行描述，但該系統(tǒng)也可以應(yīng)用到GTE的渦輪部段的任何級中的任何渦輪噴嘴。該構(gòu)造可以是GTE的渦輪部段中的可采用冷卻的其余渦輪級的典型構(gòu)造。此外，盡管上面提到的插入件已經(jīng)關(guān)于渦輪噴嘴進行描述，但該插入件可適于與在GTE的渦輪部段中的任何級中的任何葉型件、例如渦輪葉片適配。此外，該插入件系統(tǒng)可以施用于任何其他噴嘴或隔離管的應(yīng)用以用于隔離在噴嘴或管內(nèi)流動的冷卻空氣。此外，所描述的冷卻系統(tǒng)可以施用于各種工業(yè)，例如，渦輪制造、熱交換、能量或航空航天。
[0031]下面的操作將針對GTE的渦輪噴嘴；然而，通過其它葉型件或管狀設(shè)備的空氣流可以是類似的。
[0032]圖9示出了制造或重新制造具有插入件的渦輪噴嘴的方法。在步驟150中，提供具有接觸部分的渦輪噴嘴插入件。該插入件可以由例如金屬管的管部段形成，其厚度等于所需的插入件7的厚度。為了形成插入件7，可以形成至少一個模具以允許一次壓成插入件7的適當形狀。在一些實施例中，可以采用多個模具以在多個步驟中形成插入件7。用于形成插入件7的至少一個模具被定制，因此插入件7能夠被壓制成具有適當?shù)某叽?，例如凸緣長度以及接觸部分的寬度、長度和直徑。該插入件可以由具有大約0.813cm(0.320英寸)的初始外徑的一定長度的管狀件壓制成和形成。在一個實施例中，厚度等于所述插入件7的厚度的Inconel?600無縫管可被壓制以形成插入件7。
[0033]為了組裝所形成的插入件與渦輪噴嘴1，在步驟250中，可以將插入件7插入渦輪噴嘴I的通道、例如第一通道25中。插入件7的具有接觸部分13的自由端18被首先插入第一通道25，并且插入件7被壓入第一通道25，直到凸緣11、特別是凸緣11的錐形部分12阻止進一步插入。一旦插入件7如圖2所示被完全插入第一通道25，則在步驟350中，例如通過諸如如上所述的激光焊接或釬焊的焊接將凸緣11固定至噴嘴，但也可采用替代的固定技術(shù)。
[0034]參見圖2的渦輪噴嘴1，當在GTE中投入運行時，在第一流中，冷卻空氣100流入插入件7的入口 15并通過流經(jīng)插入件7的中空內(nèi)部而流過第一通道25。第一流中的冷卻空氣100隨后從插入件7的出口 17流出，通過第一通道25的任何剩余長度，并從第一通道25的出口 51流出。冷卻空氣100通過第一通道25中的插入件7的流動冷卻了至少與前緣3相鄰的一部分渦輪噴嘴I。在可以與第一流同時發(fā)生的第二流中，冷卻空氣100通過入口28流入第二通道27。第二流中的冷卻空氣100然后以蜿蜒的方式經(jīng)第三通道29和第四通道31朝著渦輪葉片I的尾緣5流動，并通過經(jīng)布置于鄰近尾緣5的孔19流出第四通道31而從渦輪噴嘴I的內(nèi)部流出。通過渦輪噴嘴I的內(nèi)部通道的冷卻空氣100的第二流也有利于渦輪噴嘴I的冷卻。
[0035]插入件7有助于防止GTE部件由于高溫而受到侵蝕。渦輪噴嘴I的形成第一通道25的壁與插入件7之間的空間(包括間隙21)是停滯的，即，沒有空氣通過該空間流動。如上所述的，冷卻空氣100流過插入件7的內(nèi)部。因此，渦輪噴嘴I的形成第一通道25的壁與插入件7之間的空間(包括間隙21)提供了噴嘴壁與流經(jīng)插入件的冷卻空氣100之間的隔離層，其有助于使冷卻空氣100維持在較低溫度。因此，上述插入件可以幫助防止GTE部件由于高溫而損耗。
[0036]此外，由于有冷空氣流經(jīng)的插入件7與暴露于來自GTE(未示出)的燃燒室的熱氣流的渦輪噴嘴I之間存在熱力差(也稱為熱失配)，因此允許插入件7的自由端18熱膨脹。由于插入件7的自由端18未被固定在渦輪噴嘴I的第一通道25內(nèi)，因此，當插入件7被布置在第一通道25內(nèi)時，允許在沿著插入件7的長度方向上發(fā)生一些移動，從而防止噴嘴-插入件組件由于熱膨脹而損壞。雖然自由端18未被固定在第一通道25內(nèi)，但接觸部分13限制了插入件7在垂直于插入件7的長度的方向上的運動。因此，接觸部分13防止插入件7在第一通道25內(nèi)的振動，即懸臂振動。
[0037]此外，提供接觸部分13減小了插入件7的自由端18與渦輪噴嘴I的內(nèi)部空氣流通道的內(nèi)壁接觸的表面積。這種接觸表面積的減小使得插入件7容易組裝在渦輪噴嘴I內(nèi)，SP，插件7易于插入渦輪噴嘴I內(nèi)。此外，可變形的接觸部分13可允許插入件7與渦輪噴嘴I的通道的內(nèi)壁之間的過渡配合，例如過盈配合或滑動配合，從而使渦輪噴嘴I的通道可容納插入件7。如上所述的接觸部分的預(yù)定直徑可能是重要的，以便提供插入件7在渦輪噴嘴I的通道內(nèi)的適當裝配。此外，上述噴嘴插入件7可以設(shè)置成一個尺寸適合所有部件，從而與例如GTE中任何級的任何渦輪噴嘴適配。
[0038]雖然接觸部分13已被描述為具有柱面形狀、例如彎曲的肋，但該接觸部分13并不限定于這樣的形狀。例如，在一些情況下，接觸部分13可具有球面形狀，例如球面的突出部。然而，在可能不方便制造以形成球面形狀的接觸部分13的情況下，也可以形成柱面形狀的接觸部分13。
[0039]對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將顯而易見的是，可以對所公開的渦輪冷卻系統(tǒng)進行各種修改和變型。通過考慮所公開的系統(tǒng)和方法的說明書和實踐，其他實施例對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將顯而易見。本發(fā)明的說明書和實施例應(yīng)當認為僅是示例性的，本發(fā)明的實際范圍由以下權(quán)利要求及其等同方案給出。
【權(quán)利要求】
1.一種用于葉型件的插入件(7)，包括: 細長的中空主體部分(9)； 形成在所述細長的主體部分的第一端處的凸緣部分(11);和 形成在所述細長的主體部分的與所述第一端相對的第二端處的接觸部分(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的插入件，其中，所述主體部分的所述第一端和所述第二端是開放的，并且所述插入件構(gòu)造成允許空氣流在所述第一端和所述第二端之間流經(jīng)所述插入件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的插入件，其中，所述接觸部分包括多個圓形的突出部，第一突出部形成在所述插入件的第一側(cè)上，第二突出部形成在所述插入件的與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的插入件,其中,所述接觸元件的寬度(600)小于所述主體部分的寬度(400)的三分之一。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的插入件，其中，所述接觸部分形成在所述主體部分的寬度的中間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的插入件，其中，所述接觸部分沿所述主體部分朝向所述第一端延伸。
7.根據(jù)權(quán)利要求7所述的插入件，其中，所述接觸部分的長度(800)小于所述插入件的總長度(200)的十分之一。
8.—種制造或重新制造具有多個內(nèi)部通道(25，27，29，31)的渦輪噴嘴(I)的方法，所述方法包括: 提供插入件，該插入件包括: 細長的中空主體部分； 形成在所述細長的主體部分的第一端處的凸緣部分；和 形成在所述細長的主體部分的與所述第一端相對的第二端處的接觸部分； 將所述接觸部分插入所述多個通道中的一個中；和 將所述凸緣部分固定至所述渦輪噴嘴。
9.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述接觸部分被插入所述多個通道中的所述一個中，直到所述凸緣部分接觸所述渦輪噴嘴的外部部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，通過利用至少一個模具壓制一管件以形成插入件來提供所述插入件。
【文檔編號】F01D5/18GK104145086SQ201380011787
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月29日
【發(fā)明者】S·斯塔福德, X·古 申請人:索拉透平公司