專利名稱：渦輪葉片末端轉(zhuǎn)彎部分的下側(cè)上的湍流器及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及渦輪葉片的冷卻，具體而言，涉及閉合回路的蒸汽冷卻式渦輪葉片中冷卻通道的末端轉(zhuǎn)彎部分下側(cè)上的湍流增強(qiáng)機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在閉合回路的蒸汽冷卻式渦輪葉片中，對(duì)徑向上的外側(cè)末端區(qū)域的有效冷卻對(duì)于這部分的壽命是至關(guān)重要的。一般的空氣冷卻式渦輪葉片中，可以從葉片中的孔噴射冷卻液以在表面上形成相對(duì)較冷的膜而保護(hù)這部分，與這種空氣冷卻式渦輪葉片不同，蒸汽冷卻式渦輪葉片中的所有冷卻能力都必須來自機(jī)器的內(nèi)部。由于蜿蜒回路中流的回轉(zhuǎn)，在末端轉(zhuǎn)彎部分(tip turn)處出現(xiàn)相對(duì)于板或者管道構(gòu)造的熱傳遞增強(qiáng)效應(yīng)，并且該增強(qiáng)效應(yīng)一般在正常工作條件下足以冷卻葉片的末端區(qū)域。但是，在葉片末端的阻熱涂層失效的情況下，希望在末端的內(nèi)側(cè)表面上具有增強(qiáng)的熱傳遞，以將金屬溫度保持在合理的限度之下。
專利文獻(xiàn)中對(duì)渦輪葉片的末端區(qū)域或末端轉(zhuǎn)彎部分的冷卻進(jìn)行了討論。例如，美國(guó)專利6,474,947描述了一種空氣冷卻式渦輪葉片，其采用了一種膜孔(film hole)構(gòu)造來提高典型末端轉(zhuǎn)彎部分的局部區(qū)域中的熱傳遞。美國(guó)專利5,536,143具體涉及一種閉環(huán)蒸汽冷卻式渦輪葉片的設(shè)計(jì)，并描述了在末端包括湍流增強(qiáng)特征的可能性。具體而言，該專利描述了使用多個(gè)圓角形或方形的凸起肋片來增強(qiáng)末端區(qū)域中的熱傳遞。這種使用多個(gè)結(jié)構(gòu)特征的缺點(diǎn)在于，由于多個(gè)肋片而增大了壓力損失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在閉環(huán)蒸汽冷卻式渦輪葉片的末端區(qū)域中實(shí)現(xiàn)了熱傳遞增強(qiáng)，以減小由阻熱涂層缺失帶來的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，使由于附加的湍流增強(qiáng)結(jié)構(gòu)特征造成的額外壓力損失最小化。根據(jù)一示例性實(shí)施例，鄰近葉片在徑向上的外側(cè)端處的冷卻劑流的末端轉(zhuǎn)彎部分，在末端罩的下側(cè)上設(shè)置了單個(gè)湍流器或者熱傳遞增強(qiáng)裝置。該結(jié)構(gòu)在阻熱涂層失效情況下改善了熱保護(hù)，并且使經(jīng)過轉(zhuǎn)彎部分的壓力損失最小化。
在一個(gè)示例性實(shí)施例中，單個(gè)湍流增強(qiáng)裝置或湍流器是長(zhǎng)形肋片形式的，該肋片被結(jié)合作為渦輪葉片的末端罩中的插塞的整體的一部分。由于內(nèi)部鑄造型芯撐的緣故，鑄造工藝使得在渦輪葉片的末端中留有孔。這些孔以一定的方式被封閉，或者利用覆蓋該末端的絕大部分或者全部的單個(gè)板，或者利用用于各個(gè)相應(yīng)開口或孔的單獨(dú)的插塞。因此，湍流增強(qiáng)裝置不僅可以被結(jié)合作為一個(gè)整體插塞的一部分，也可以作為單體板的一部分，其中湍流器被設(shè)置在該板上以便位于鄰近各個(gè)末端轉(zhuǎn)彎部分之處。湍流器可以具有大致方形或者圓弧形的橫截面，對(duì)經(jīng)過轉(zhuǎn)彎部分時(shí)的壓降和熱傳遞增強(qiáng)效應(yīng)產(chǎn)生不同的影響。湍流器還可以與末端轉(zhuǎn)彎部分成一定角度交叉，沿流的方向(象冷卻翅片)，或者沿垂直于流的方向?；蛘?，也可以使用在末端轉(zhuǎn)彎部分中取向以實(shí)現(xiàn)所需效果的人字形肋片因此，在一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一渦輪葉片，其具有一輪軸部分和一翼型部分，所述翼型部分有著前緣和后緣以及一徑向上的外側(cè)末端；所述翼型部分中的一內(nèi)部閉環(huán)冷卻回路，其包括通過至少一相應(yīng)的末端轉(zhuǎn)彎部分連接的至少一徑向流出通道和至少一徑向流入通道，所述末端轉(zhuǎn)彎部分位于鄰近所述徑向上的外側(cè)末端的所述翼型部分的徑向上的外側(cè)端處，其中所述至少一末端轉(zhuǎn)彎部分具有形成在所述徑向上的外側(cè)末端的下側(cè)上的、伸入到所述末端轉(zhuǎn)彎部分中的單個(gè)湍流增強(qiáng)裝置。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一渦輪葉片，其具有一輪軸部分和一翼型部分，所述翼型部分有著前緣和后緣以及一徑向上的外側(cè)末端；所述翼型部分中的一內(nèi)部閉環(huán)冷卻回路包括通過多個(gè)相應(yīng)的末端轉(zhuǎn)彎部分連接的多個(gè)徑向流出通道和多個(gè)徑向流入通道，所述末端轉(zhuǎn)彎部分位于所述翼型部分的徑向上的外側(cè)端處，所述冷卻回路在所述徑向上的外側(cè)末端中還包括多個(gè)型芯撐孔，每個(gè)孔利用一插塞封閉，所述插塞在其下側(cè)上具有伸入相應(yīng)的一個(gè)末端轉(zhuǎn)彎部分中的至多一個(gè)長(zhǎng)形的肋片。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及一渦輪葉片，其具有一輪軸部分和一翼型部分，所述翼型部分有著前緣和后緣以及一徑向上的外側(cè)末端；所述翼型部分中的一內(nèi)部閉環(huán)冷卻回路包括通過多個(gè)相應(yīng)的末端轉(zhuǎn)彎部分連接的多個(gè)徑向流出通道和多個(gè)徑向流入通道，所述末端轉(zhuǎn)彎部分位于所述徑向上的外側(cè)末端處，所述冷卻回路在所述徑向上的外側(cè)末端中還包括多個(gè)型芯撐孔，每個(gè)孔用一個(gè)覆蓋多個(gè)型芯撐孔的板封閉，所述板的下側(cè)上具有多個(gè)肋片，但是該板的下側(cè)上的至多一個(gè)長(zhǎng)形肋片伸入到相應(yīng)的一個(gè)末端轉(zhuǎn)彎部分中。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明涉及在形成于氣體渦輪葉片的翼型部分中的相應(yīng)的閉環(huán)冷卻回路中增強(qiáng)熱傳遞的方法，該回路包括通過相應(yīng)的末端轉(zhuǎn)彎部分連接的多個(gè)徑向流出通道和多個(gè)徑向流入通道，所述末端轉(zhuǎn)彎部分鄰近其中具有型芯撐孔的一翼型末端，該方法包括a)用相應(yīng)的插塞封閉所述型芯撐孔；以及b)在每個(gè)插塞的下側(cè)上形成一個(gè)長(zhǎng)形肋片，使得所述肋片伸入所述末端轉(zhuǎn)彎部分中。
以下將結(jié)合下述附圖具體描述本發(fā)明。


圖1是示出內(nèi)部閉環(huán)冷卻回路的渦輪葉片的透視圖；圖2是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，用來封閉葉片末端部分中的型芯撐孔(core support hole)的結(jié)合了一湍流器的插塞的下側(cè)的透視圖；圖3是沿圖2中線3-3所取的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
附圖中各標(biāo)號(hào)所指如下渦輪葉片10，輪軸(shank)部分12，翼型部分14，前緣和后緣16、18，蜿蜒冷卻回路20，入口22，通道24、26、28、30、32、34、36、38，U形彎頭40、42、44、46，插塞48、50、52、54，圍壁56，凸緣58，肋片湍流器60，凹入?yún)^(qū)62。
參照?qǐng)D1，其以簡(jiǎn)化形式示出了具有輪軸部分12和翼型部分14的渦輪葉片10。翼型部分14形成有相應(yīng)的前緣和后緣16、18。閉環(huán)的蜿蜒冷卻回路20形成在翼型部分內(nèi)。冷卻蒸汽經(jīng)由入口22進(jìn)入葉片10，流經(jīng)單個(gè)封閉的蜿蜒回路18，其中回路18總共具有，例如，通過180°回轉(zhuǎn)U形彎頭40、42、44和46依次連接的八個(gè)徑向延伸的通道24、26、28、30、32、34、36和38。從而，入口20與第一徑向流出通道22連通，而最后的徑向流入通道38與出口40連通。徑向通道的總數(shù)量可以根據(jù)具體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)而變化。冷卻蒸汽也可以通過40進(jìn)入葉片，并沿與所示箭頭相反的方向流動(dòng)，在通路22處出去。此外，本發(fā)明并不限于單個(gè)蜿蜒回路。
末端轉(zhuǎn)彎區(qū)域?qū)?yīng)于位于冷卻通道最外側(cè)的徑向端處的反轉(zhuǎn)U形彎頭40、42、44和46，插塞48、50、52和54被示出，封閉在鑄造葉片過程中由于型芯撐而產(chǎn)生的渦輪葉片末端中的孔。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，每個(gè)插塞在其下側(cè)(即，伸入到末端轉(zhuǎn)彎區(qū)域中的冷卻回路中)結(jié)合一單個(gè)的湍流增強(qiáng)結(jié)構(gòu)或裝置。由于插塞及其各自的湍流增強(qiáng)結(jié)構(gòu)基本上相同，所以只需對(duì)一個(gè)進(jìn)行詳細(xì)描述。
現(xiàn)在來看圖2，插塞48具有圍壁56，該圍壁56在其徑向內(nèi)側(cè)端具有凸緣58。該凸緣是插塞固位機(jī)構(gòu)中的一部分，并且可以起到一定的熱傳遞增強(qiáng)作用。該示例性實(shí)施例中的湍流增強(qiáng)機(jī)構(gòu)或者裝置是長(zhǎng)形的肋片湍流器60形式的，該湍流器60一般具有方形或者圓弧形(rounded)橫截面，在下凸緣58的范圍之內(nèi)延伸跨越在形成于插塞下側(cè)上的凹入?yún)^(qū)62上。肋片湍流器60可以取向?yàn)榇怪庇谀┒颂幍牧鞯姆较?，象在冷卻翅片中那樣平行于流的方向，或者與末端轉(zhuǎn)彎部分交叉成一角度(例如，沿對(duì)角方向)?；蛘?，肋片可以設(shè)置成人字形形式，以對(duì)通過該轉(zhuǎn)彎部分時(shí)的熱傳遞增強(qiáng)效應(yīng)和壓降產(chǎn)生其它影響。在目前優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，單個(gè)圓弧形的肋片被布置成垂直于流的方向。本發(fā)明并不限于“肋片”湍流器，而是涵蓋所有等同的湍流增強(qiáng)裝置。
在其它結(jié)構(gòu)中，單個(gè)板(未示出)可以被用來封閉翼型部分末端的孔。在這種情況下，該板可以延伸在末端的絕大部分之上或者其全部之上，并且可以被形成具有多個(gè)湍流增強(qiáng)肋片，每個(gè)這種肋片被定位成伸入到內(nèi)部的閉環(huán)冷卻回路的一個(gè)相應(yīng)的末端轉(zhuǎn)彎部分中。
盡管已經(jīng)結(jié)合目前被認(rèn)為是最可行的優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明并不限于所公開的實(shí)施例，相反，本發(fā)明意圖覆蓋落入所附權(quán)利要求的精神和范圍之內(nèi)的各種變形和等同結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種渦輪葉片(10)，其具有一輪軸部分(12)和一翼型部分(14)，所述翼型部分有著前緣和后緣(16、18)以及一徑向上的外側(cè)末端；所述翼型部分中的一內(nèi)部閉環(huán)冷卻回路(20)，其包括通過至少一相應(yīng)的末端轉(zhuǎn)彎部分(40)連接的至少一徑向流出通道(24)和至少一徑向流入通道(26)，所述末端轉(zhuǎn)彎部分位于鄰近所述徑向上的外側(cè)末端的所述翼型部分的徑向上的外側(cè)端處，其中所述至少一末端轉(zhuǎn)彎部分具有形成在所述徑向上的外側(cè)末端的下側(cè)上的、伸入到所述末端轉(zhuǎn)彎部分中的單個(gè)湍流增強(qiáng)裝置(60)。
2.如權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其中，所述單個(gè)湍流增強(qiáng)裝置(60)包括一肋片。
3.如權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其中，所述肋片(60)具有大致方形的橫截面。
4.如權(quán)利要求2所述的渦輪葉片，其中，所述肋片(60)具有大致圓弧形的橫截面。
5.如權(quán)利要求2所述的渦輪葉片，其中，所述肋片(60)在冷卻蒸汽流經(jīng)所述末端轉(zhuǎn)彎部分的方向上延伸。
6.如權(quán)利要求2所述的渦輪葉片，其中，所述肋片(60)在垂直于冷卻蒸汽流經(jīng)所述末端轉(zhuǎn)彎部分的方向上延伸。
7.如權(quán)利要求2所述的渦輪葉片，其中，所述肋片(60)在冷卻蒸汽流經(jīng)所述末端轉(zhuǎn)彎部分的方向的對(duì)角方向上延伸。
8.如權(quán)利要求2所述的渦輪葉片，其中，所述肋片(60)大致是人字形的。
9.如權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其中，在所述徑向上的外側(cè)末端中還包括多個(gè)型芯撐孔，每個(gè)所述孔被一插塞(48)所封閉。
10.一種增強(qiáng)相應(yīng)的形成在一氣體渦輪葉片中翼型部分(14)中的閉環(huán)冷卻回路(20)中的熱傳遞的方法，所述回路包括通過相應(yīng)的末端轉(zhuǎn)彎部分(40、42)連接的多個(gè)徑向流出通道(24、28)和多個(gè)徑向流入通道(26、30)，所述末端轉(zhuǎn)彎部分鄰近其中有著型芯撐孔的一翼型末端，所述方法包括a)用相應(yīng)的插塞(48、50)封閉所述型芯撐孔；和b)在每個(gè)所述插塞的下側(cè)上形成一個(gè)長(zhǎng)形的肋片(60)，使得所述肋片伸入所述末端轉(zhuǎn)彎部分中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種渦輪葉片(10)，該渦輪葉片(10)包括一輪軸部分(12)和一翼型部分(14)，所述翼型部分有著前緣和后緣(16、18)以及一徑向上的外側(cè)末端。一內(nèi)部閉環(huán)冷卻回路(20)形成在所述翼型部分中，并且包括通過至少一相應(yīng)的末端轉(zhuǎn)彎部分(40)連接的至少一徑向流出通道(24)和至少一徑向流入通道(26)，所述末端轉(zhuǎn)彎部分位于翼型部分的徑向上的外側(cè)端處。所述至少一末端轉(zhuǎn)彎部分在所述徑向上的外側(cè)末端的下側(cè)上設(shè)置有伸入到所述末端轉(zhuǎn)彎部分中的單個(gè)湍流增強(qiáng)裝置(60)。
文檔編號(hào)F02C7/18GK1690364SQ20051006698
公開日2005年11月2日 申請(qǐng)日期2005年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月27日
發(fā)明者約翰·A·伊斯門, 馬修·J·芬德利, 喬恩·A·埃巴徹 申請(qǐng)人:通用電氣公司