專利名稱：帶有微軸流冷卻系統(tǒng)的葉片外部密封件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的葉片外部空氣密封件。更特定地，本發(fā)明涉及帶有改進(jìn)的冷卻特征的葉片外部空氣密封件。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)包括壓縮機(jī)、燃燒器和渦輪機(jī)。壓縮空氣與燃料在燃燒器中混合以生成熱氣體軸流。熱氣體流過渦輪機(jī)并流向多個渦輪機(jī)葉片。渦輪機(jī)葉片將熱氣體流轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，以使得驅(qū)動壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子軸旋轉(zhuǎn)。每個渦輪機(jī)葉片頂端和外部空氣密封件之間的間隙可優(yōu)選地控制，以使得其間的熱氣體流最小化。在渦輪機(jī)葉片頂部和外部空氣密封件之間的熱氣體流不被轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并因此對發(fā)動機(jī)的總體性能有不利影響。因此，在渦輪機(jī)葉片頂部和外部空氣密封件之間的間隙被精密地控制。
外部空氣密封件暴露于熱氣體，因此需要冷卻。外部空氣密封件典型地包括內(nèi)室，冷卻空氣流經(jīng)內(nèi)室以控制外部空氣密封件的溫度。冷卻空氣典型地從其它的系統(tǒng)放出，這因此也減小了可用于提供推力這一基本目的的能量的量。因此希望使得從其它的系統(tǒng)放出的用來實現(xiàn)冷卻的空氣的量最小化。目前使用了不同的冷卻外部空氣密封件的方法，包括沖擊冷卻，其中冷卻空氣被引導(dǎo)沖向暴露于熱氣體的外部表面的背側(cè)。進(jìn)一步地，冷卻孔被用于沿外表面提供冷卻空氣，以產(chǎn)生冷卻膜來保護(hù)暴露的表面。這些方法中每一個提供了良好的結(jié)果。然而，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的改進(jìn)導(dǎo)致了溫度的上升和那些暴露于熱氣體流中的部件的更加極端的運(yùn)行條件。
因此，需要設(shè)計和開發(fā)一種葉片外部空氣密封件，它最大效率使用冷卻空氣以同時增加冷卻效力和降低冷卻所需的冷卻空氣的量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是用于渦輪發(fā)動機(jī)的外部空氣密封組件，其包括在兩個主腔內(nèi)的多個產(chǎn)生湍流空氣流并增加了表面區(qū)域的臺(pedestal)，其結(jié)果是用于維持熱側(cè)表面處于希望的溫度的冷卻能力的增加。
外部密封組件包括多個連接在一起的密封段，以形成圍繞多個渦輪機(jī)葉片的罩。外部空氣密封段的每個包括暴露于氣體流的熱側(cè)和暴露于冷卻空氣供給的背側(cè)。外部空氣密封段包括前緣，后緣和兩個橫向于前緣和后緣的軸向緣。后緣腔和前緣腔在密封段內(nèi)分開。冷卻空氣被引入到密封段的背側(cè)且進(jìn)入腔的每個以冷卻熱側(cè)。
通過多個入口開口為腔提供冷卻空氣。入口開口橫向于氣體流布置。冷卻空氣進(jìn)入腔并流向多個位于前緣的出口和多個沿后緣的出口。冷卻空氣也通過多個再供給開口進(jìn)入腔，這將附加的冷卻空氣引入到腔的局部區(qū)域，用于最大化冷卻和傳熱功能。
密封段包括鄰近軸向緣布置的軸向腔，它為軸向緣提供了冷卻空氣流以防止熱氣體漏出鄰近的密封段之間。軸向腔包括分流器以使冷卻空氣流與其它腔隔離。
前緣、后緣和軸向腔包括多個中斷冷卻空氣流的臺，以增加熱吸收能力并增加能從熱側(cè)傳熱的表面區(qū)域。對冷卻空氣流的中斷造成了希望的從入口到出口的湍流。湍流空氣流提供了增加的熱吸收能力。進(jìn)一步地，通過多個臺提供的增加了的表面區(qū)域提供了熱吸收能力的增加。增加了的湍流和增加了的表面區(qū)域的組合增加了冷卻特征的效率，允許了使用較少的冷卻空氣流來提供希望的密封段的冷卻。
因此，本發(fā)明的葉片外部空氣密封件增加了冷卻空氣效力，使得對維持希望的外部空氣密封件的溫度的冷卻空氣的需求降低。
這些和其它的本發(fā)明的特征可結(jié)合如下的說明和附圖最好地理解，如下是簡要描述。


圖1是示意性的渦輪發(fā)動機(jī)的視圖，其包括根據(jù)本發(fā)明的葉片外部空氣密封件。
圖2是放大的渦輪機(jī)葉片和葉片外部空氣密封件的截面視圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的葉片外部空氣密封件的部分截面視圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的葉片外部空氣密封件的橫截面視圖。
圖5A是根據(jù)本發(fā)明的軸向緣冷卻特征部的橫截面視圖。
圖5B是另一個根據(jù)本發(fā)明的軸向緣冷卻特征部的橫截面視圖。
圖6A是根據(jù)本發(fā)明的臺的示意性視圖。
圖6B是另一個根據(jù)本發(fā)明的臺的示意性視圖。
圖6C是另一個根據(jù)本發(fā)明的臺的示意性視圖。
圖6D是另一個根據(jù)本發(fā)明的臺的示意性視圖。
圖6E是另一個根據(jù)本發(fā)明的臺的示意性視圖。
圖7是本發(fā)明的密封段的截面?zhèn)纫晥D。
圖8是圖示了熱輸入和與前緣軸向距離之間的關(guān)系的圖。
圖9是圖示了熱輸入和與前緣處于一定軸向距離處的冷卻能力之間的關(guān)系的圖。
具體實施例方式
參考圖1和圖2，渦輪發(fā)動機(jī)組件10部分地且示意性地示出，且包括用于從熱燃燒氣體流12轉(zhuǎn)化能量為機(jī)械能的渦輪機(jī)葉片14。渦輪機(jī)葉片14是具有前緣16和后緣18的翼片。如所知，通過排放襯里組件15將氣體流12引導(dǎo)向渦輪機(jī)葉片14。渦輪機(jī)葉片14包括頂部緣19，它與外部空氣密封組件20隔開。外部空氣密封組件20隔開需要的間隙17，以最小化葉片頂部緣19和外部空氣密封組件20之間的氣體流12。外部空氣密封組件20包括多個外部空氣密封段22。
參考圖2，外部空氣密封段22包括暴露于氣體流12的熱側(cè)24和暴露于冷卻空氣流44供給的背側(cè)28。外部空氣密封段22包括前緣30、后緣32和兩個橫向于前緣和后緣30、32的軸向緣34(見圖3)。密封段22通過前部支撐腿36和后部支撐腿38安裝在發(fā)動機(jī)組件10的固定結(jié)構(gòu)上。后緣腔40和前緣腔42布置在密封段22內(nèi)部熱側(cè)24和背側(cè)28之間。冷卻空氣流44引入到密封段22的背側(cè)28且進(jìn)入腔40、42的每個，以冷卻熱側(cè)24。
參考圖3和圖4，腔40、42接收通過多個入口開口46的冷卻空氣流44。入口開口46橫向于氣體流12布置。入口開口46使其內(nèi)部連通冷卻空氣的腔40、42交替。提供分流器56用于在前緣腔42和后緣腔40之間分配冷卻空氣。分流器56構(gòu)建為使得鄰近的入口開口46供給冷卻空氣到不同的腔40、42。
進(jìn)入腔40、42的冷卻空氣流44流向多個位于前緣30的出口50和多個沿后緣32的出口52。冷卻空氣流44也通過多個再供給開口48進(jìn)入腔。再供給開口48引入附加的冷卻空氣44到腔40、42的局部區(qū)域以優(yōu)化冷卻和傳熱功能。
密封段22還包括鄰近軸向緣34布置的軸向腔54和55。軸向腔54、55提供冷卻空氣流44到軸向緣34以防止熱氣體12漏出鄰近的密封段22之間。軸向腔54、55包括分流器57，以使得冷卻空氣流44與其它腔隔離。軸向腔54、55接收來自僅與該腔連通的再供給開口48的冷卻空氣流。圖4圖示了在軸向緣34對面且位于前緣30和后緣32上的軸向腔54和66。這提供了對在軸向緣34處的熱量建立和熱量吸收的控制，而與由前緣腔和后緣腔40、42提供的控制分離。
參考圖5A，另一個軸向緣冷卻結(jié)構(gòu)包括用于接受密封件(未繪出)的槽61。通道59將冷卻空氣44直接連通到鄰近密封段22之間的分界面。這提供了對軸向緣34的冷卻并防止了在鄰近的密封段22之間的熱氣體12的侵入。
參考圖5B，另一個軸向緣冷卻結(jié)構(gòu)包括與前緣腔或后緣腔40、42之一連通的附加的出口63。冷卻空氣流44的注入提供了希望的對每個密封段22的軸向緣的冷卻。
參考圖3和圖4，前緣腔、后緣腔和軸向腔40、42、54和55包括多個中斷冷卻空氣流44的臺60，以增加熱吸收能力并增加能從熱側(cè)24傳熱的表面區(qū)域。腔40、42和54包括頂表面58和底表面60。底表面60被示出并包括多個臺62。
臺62在頂表面58和底表面60之間延伸以形成蜂窩結(jié)構(gòu)，這造成了冷卻空氣流44的曲折的路徑。臺62是中斷冷卻空氣流44的層流的圓柱形結(jié)構(gòu)。對冷卻空氣流44的中斷造成了希望的從入口46到出口50、52的湍流。湍流空氣流提供了增加的熱吸收能力。進(jìn)一步地，通過多個臺62提供的增加了的表面區(qū)域也提供了熱吸收能力的增加。增加了的湍流和增加了的表面區(qū)域的組合增加了冷卻特征的效率，允許了使用較少的冷卻空氣流來提供希望的密封段22的冷卻。
參考圖6A至6E，雖然圓柱形臺62圖示為填充腔40、42、54和55，其它形狀也在本發(fā)明的意圖內(nèi)。圖6A圖示了矩形臺80，它布置以提供并造成冷卻空氣流44的曲折路徑。圖6B圖示了布置在壁83之間的多個V形的臺82，以在冷卻空氣流44內(nèi)造成希望的湍流。圖6C包括交替排列定位的矩形臺84，以中斷空氣流44。圖6D圖示了多個波狀壁的臺86，其造成了冷卻空氣流的曲折路徑。圖6E包括交替排列的多個橢圓形的臺88，以提供希望的冷卻空氣流44的曲折的路徑。圖示的例子不是窮舉的且其它形狀和結(jié)構(gòu)也在本發(fā)明的意圖中，以完成應(yīng)用特定的冷卻特性。
密封段22使用失模芯模制操作來構(gòu)造，其中模芯提供為具有希望的構(gòu)造，其將提供希望的腔結(jié)構(gòu)。模芯上用形成段的材料模制。材料可以包括金屬、復(fù)合結(jié)構(gòu)或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的陶瓷結(jié)構(gòu)。模芯然后從密封段22中移除以提供希望的腔40、42和54的內(nèi)部構(gòu)造。應(yīng)該理解的是，許多不同的用于形成密封段22的結(jié)構(gòu)和模制技術(shù)在本發(fā)明的意圖內(nèi)。
參考圖7，密封段22以截面示出且包括多個一般地位于前緣50和后緣52之間的中點的入口46。多個入口46的中途位置對應(yīng)于密封段22的最大加熱區(qū)域。密封段22的熱側(cè)24在從大體上位于前緣50和后緣52之間中途的位置略微偏離向前緣50的位置最熱。多個入口46的位置對應(yīng)于熱側(cè)24表面上最大加熱的區(qū)域。從入口冷卻空氣流44在前緣腔42和后緣腔40之間被分開。冷卻空氣流44流向位于前緣和后緣30、32的每個處的出口50、52。再供給開口48為與多個入口46分開的位置增加了附加的冷卻空氣流44。
參考圖8和圖9，為提供希望的對密封段22的冷卻并因此在熱側(cè)24提供恒定的溫度，被冷卻空氣流44帶走的熱量大體上與從氣體流12輸入的熱量相等。圖8的圖包括示出了輸入到密封段22的熱量相對于與前緣30的軸向位置68之間的關(guān)系的線64。在密封段22的中途點略微向前的點熱量輸入最大。熱量的量穩(wěn)定地向前緣下降，如箭頭72所示，且向后緣下降，如箭頭70所示。最初進(jìn)入腔40、42的冷卻空氣流44具有最大熱吸收能力，對應(yīng)于密封段22上的最熱點。當(dāng)冷卻空氣流44運(yùn)動離開入口46時，它的溫度增加，因此具有減小的熱吸收能力。
參考圖9，圖示出了處于軸向間距處的冷卻空氣44的熱吸收能力和輸入到密封段22的熱量之間的聯(lián)系。圖9示出了熱量輸入76和與前緣的軸向距離77之間的關(guān)系。線70代表了在軸向位置輸入到密封段22的熱量。線74代表了處于軸向位置的冷卻空氣流44的熱吸收能力。如意識到的，在入口位置熱吸收能力最大且對應(yīng)于最大的輸入到密封段22的熱量的量。熱量輸入70和熱吸收能力隨軸向距離離開熱點而下降。密封段22包括與熱量輸入匹配的熱吸收能力，以維持希望的熱側(cè)24的溫度。
進(jìn)一步地，標(biāo)識為78的小的峰值代表了再供給開口48的位置。再供給開口48提供了維持并平衡冷卻能力和輸入到密封段22的熱量之間的關(guān)系所需的附加的冷卻空氣流44。前緣腔42和后緣腔40提供了冷卻潛力，該潛力匹配密封段22上的外部熱負(fù)荷。在腔40、42的每個中的臺幾何形狀調(diào)節(jié)為大體上匹配熱側(cè)24上任何軸向位置的外部熱負(fù)荷。根據(jù)應(yīng)用特定的要求確定特定的位置，以在密封段的局部區(qū)域提供希望的冷卻能力。
本發(fā)明的密封段22通過引導(dǎo)進(jìn)來的冷卻空氣流44到最熱的加熱區(qū)域以及通過在由多個臺62所提供的增加的腔表面上產(chǎn)生湍流來提供改進(jìn)的熱移除特性。作為結(jié)果的密封段22提供了改進(jìn)的冷卻而沒有相應(yīng)地增加冷卻空氣流的需求。
雖然披露了本發(fā)明的優(yōu)選的實施例，在本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到某些修改在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。因此，下面的權(quán)利要求書應(yīng)被研讀以確定本發(fā)明的真實范圍和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種用于渦輪發(fā)動機(jī)的葉片外部空氣密封組件，其包括包括頂表面和底表面的腔，所述的頂表面包括與背側(cè)相對的側(cè)且所述的底表面包括與暴露于燃燒氣體的熱側(cè)相對的側(cè)；和在所述頂表面和所述底表面之間延伸的多個臺，用于造成通過所述腔的湍流冷卻空氣流。
2.如權(quán)利要求1中所述的組件，其中所述的葉片外部密封組件包括前緣、后緣、兩個軸向緣和多個在所述的背側(cè)的入口開口，用于提供冷卻空氣流到所述的腔。
3.如權(quán)利要求2中所述的組件，其中所述的多個入口開口布置為大體上平行于所述的前緣和所述的后緣的行。
4.如權(quán)利要求3中所述的組件，其中所述的多個入口開口布置為大體上在所述的前緣和所述的后緣之間的中途。
5.如權(quán)利要求3中所述的組件，其中所述的腔包括用于從所述的入口孔分離冷卻空氣流的分流器，使得所述的冷卻空氣流的一部分流向所述的前緣且另一部分流向所述的后緣。
6.如權(quán)利要求5中所述的組件，其中所述的腔包括被所述的分流器相互隔離的前緣腔和后緣腔，其中所述的冷卻空氣流的冷卻能力對應(yīng)于熱量輸入，使得所述的密封組件維持希望的表面溫度。
7.如權(quán)利要求3中所述的組件，包括布置在所述前緣和所述的后緣處的多個出口，用于排放冷卻空氣流到燃燒氣體流。
8.如權(quán)利要求3中所述的組件，其中所述的多個臺包括布置在所述分流器和所述的前緣之間的第一多個臺，和布置在所述的分流器和所述的后緣之間的第二多個臺。
9.如權(quán)利要求8中所述的組件，包括沿各軸向緣布置的第三和第四多個臺。
10.如權(quán)利要求9中所述的組件，其中所述的第三和第四多個臺的每個與所述的多個臺的任意其它臺通過軸向分流器隔離。
11.如權(quán)利要求1中所述的組件，其中所述的多個臺的每個包括圓柱形構(gòu)件。
12.如權(quán)利要求1中所述的組件，其中所述的多個臺的每個包括V形結(jié)構(gòu)。
13.如權(quán)利要求1中所述的組件，其中所述的多個臺的每個包括矩形結(jié)構(gòu)。
14.如權(quán)利要求1中所述的組件，其中所述的多個臺的每個包括橢圓形結(jié)構(gòu)。
15.如權(quán)利要求1中所述的組件，其中所述的多個臺包括用于冷卻空氣流的曲折路徑。
16.一種用于渦輪發(fā)動機(jī)的渦輪機(jī)葉片罩組件，其包括多個互相裝配的葉片外部空氣密封段，所述的多個互相裝配的葉片外部空氣密封組件的每個包括包含頂表面和底表面的腔，所述的頂表面包括與背側(cè)相對的側(cè)且所述的底表面包括與暴露于燃燒氣體的熱側(cè)相對的側(cè)，且多個臺在所述的頂表面和所述的底表面之間延伸，用于造成通過所述腔的湍流冷卻空氣流。
17.如權(quán)利要求16中所述的組件，包括在所述的多個互相裝配的葉片外部空氣密封段的鄰近的葉片外部空氣密封段之間的軸向連接。
18.如權(quán)利要求16中所述的組件，其中所述的多個外部空氣密封段的每個包括前緣、后緣、軸向緣和多個沿所述的背側(cè)在所述的前緣和后緣之間布置的入口開口。
19.如權(quán)利要求18中所述的組件，其中所述的腔包括被分流器分開的前緣腔和后緣腔。
20.如權(quán)利要求19中所述的組件，其中所述的入口開口布置為在具有最大熱量產(chǎn)生的軸向位置注入冷卻空氣流。
全文摘要
渦輪機(jī)葉片外部空氣密封組件包括暴露于燃燒熱氣體流的熱側(cè)和暴露于冷卻空氣供給的背側(cè)。外部空氣密封段包括被分流器分開的后緣腔和前緣腔。通過橫向于氣體流布置的多個入口開口供給冷卻空氣到腔。冷卻空氣進(jìn)入腔并流向位于前緣的多個出口和沿后緣的多個出口。在腔的每個內(nèi)的多個臺中斷冷卻空氣流以增加熱吸收能力并增加能從熱側(cè)傳熱的表面區(qū)域。
文檔編號F02C7/28GK1796727SQ20051013776
公開日2006年7月5日 申請日期2005年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月29日
發(fā)明者D·羅曼諾夫, J·德拉克 申請人:聯(lián)合工藝公司