專利名稱：冷卻渦輪機(jī)葉片后緣的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及燃?xì)廨啓C(jī)，尤其涉及冷卻渦輪葉片后緣的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
至少某些已知的渦輪機(jī)包括核心發(fā)動(dòng)機(jī)，核心發(fā)動(dòng)機(jī)具有以串聯(lián)流動(dòng)關(guān)系布置的壓縮進(jìn)入核心發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流的高壓壓縮機(jī)、點(diǎn)燃燃料和壓縮氣體混合物以產(chǎn)生熱的推進(jìn)氣體的燃燒室和利用熱的推進(jìn)氣體旋轉(zhuǎn)的高壓渦輪。高壓渦輪通過軸與高壓壓縮機(jī)相連，這樣高壓渦輪葉片驅(qū)動(dòng)高壓壓縮機(jī)。另外的壓縮機(jī)和渦輪葉片(例如低壓壓縮機(jī)和低壓渦輪)可以與核心發(fā)動(dòng)機(jī)以串聯(lián)流動(dòng)關(guān)系進(jìn)行定位。
每個(gè)渦輪葉片包括一對(duì)側(cè)壁，該對(duì)側(cè)壁在前緣和后緣相連。典型葉片的金屬溫度分布是這樣的，葉片的后緣明顯熱于葉片主要部分的溫度。產(chǎn)生的溫度梯度會(huì)在葉片后緣引起高壓縮應(yīng)力，高應(yīng)力和高溫度一起使葉片后緣成為葉片的壽命限制部位。
因此，至少在某些已知渦輪葉片中，葉片后緣通過從內(nèi)部限定的葉片空腔排放的冷卻空氣的氣膜進(jìn)行冷卻。特別是，冷卻空氣的氣膜通過多個(gè)形成在翼型的壓力側(cè)的后緣狹縫，從翼型的后緣向上游排放。特別是，已知的后緣冷卻狹縫成列設(shè)置，其中每個(gè)狹縫具有相同的長度。這樣在已知葉片中，相鄰狹縫的入口和相鄰狹縫的出口沿著葉片后緣大體上徑向?qū)R。雖然這樣的狹縫定向足夠滿足葉片的機(jī)械和熱學(xué)要求，但是這樣的狹縫幾何結(jié)構(gòu)還會(huì)機(jī)械地削弱靠近某些狹縫入口的葉片。例如，運(yùn)行期間，被削弱的后緣區(qū)域可以造成不希望的振動(dòng)應(yīng)力，其在一段時(shí)間后可能會(huì)導(dǎo)致葉片后緣的徑向破裂和/或材料損失。而且，葉片后緣的薄區(qū)域可能也會(huì)增加這樣的可能性，即，至少部分地由于運(yùn)行期間引起的高離心應(yīng)力，葉片的某些部分可能出現(xiàn)故障。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，提出一種制造用于渦輪葉片的翼型的方法。該方法包括形成基本上實(shí)心的陶瓷翼型芯體；將該芯體插入模具中；和澆鑄成具有在前緣和后緣連接在一起的壓力側(cè)壁和吸力側(cè)壁的翼型，這樣多個(gè)第一后緣狹縫和至少一個(gè)第二后緣狹縫從后緣沿著壓力側(cè)壁延伸，其中第二后緣狹縫具有在狹縫入口和狹縫出口之間測量的長度，該長度長于多個(gè)第一后緣狹縫中的任何一個(gè)相應(yīng)的長度。
另一方面，提供一種用于旋轉(zhuǎn)葉片的翼型。翼型包括壓力側(cè)壁、在前緣和后緣與壓力側(cè)壁連接的吸力側(cè)壁、從后緣沿著壓力側(cè)壁延伸的多個(gè)第一后緣狹縫和從后緣沿著壓力側(cè)壁延伸的至少一個(gè)第二后緣狹縫。多個(gè)第一后緣狹縫和至少一個(gè)第二后緣狹縫均包括入口和出口，并具有在兩者之間測量的長度。所述至少一個(gè)第二后緣狹縫具有的長度長于多個(gè)第一后緣狹縫中任何一個(gè)的長度。
另一方面，提供一種渦輪葉片。渦輪葉片包括一平臺(tái)、從平臺(tái)向內(nèi)徑向延伸的燕尾榫和從平臺(tái)向外徑向延伸的翼型。翼型包括壓力側(cè)壁和吸力側(cè)壁。壓力側(cè)壁與吸力側(cè)壁在前緣和后緣相連。翼型還包括多個(gè)第一后緣狹縫和至少一個(gè)第二后緣狹縫。多個(gè)第一后緣狹縫和至少一個(gè)第二后緣狹縫均從后緣沿著壓力側(cè)壁延伸，均包括入口和出口，并具有在兩者之間測量的長度。所述至少一個(gè)第二后緣狹縫具有的長度長于多個(gè)第一后緣狹縫中任何一個(gè)的長度。


圖1是示例性燃?xì)廨啓C(jī)的示意圖；圖2是示例性高壓渦輪葉片的透視圖，其可用于圖1所示的燃?xì)廨啓C(jī)；和圖3是后緣狹縫樣式的放大示意圖，其可用于圖2所示的渦輪葉片。
具體實(shí)施例方式
圖1是示例性燃?xì)廨啓C(jī)10的示意圖，燃?xì)廨啓C(jī)10包括低壓壓縮機(jī)12、高壓壓縮機(jī)14和燃燒室16。發(fā)動(dòng)機(jī)10還包括高壓渦輪18和低壓渦輪20。壓縮機(jī)12和渦輪20通過第一軸21連接，壓縮機(jī)14和渦輪18通過第二軸22連接。在一個(gè)實(shí)施例中，燃?xì)廨啓C(jī)10是市場上可從俄亥俄辛辛那提的通用電器航空器發(fā)動(dòng)機(jī)公司得到的LM2500發(fā)動(dòng)機(jī)。在另一實(shí)施例中，燃?xì)廨啓C(jī)10是市場上可從俄亥俄辛辛那提的通用電器航空器發(fā)動(dòng)機(jī)公司得到的CFM發(fā)動(dòng)機(jī)。
運(yùn)行時(shí)，空氣通過供給壓縮空氣的低壓壓縮機(jī)12流動(dòng)，從低壓壓縮機(jī)12流到高壓壓縮機(jī)14。高度壓縮的氣體被送往燃燒室16。來自燃燒室16的氣流在通過排放噴嘴24排出燃?xì)廨啓C(jī)10之前，引導(dǎo)通過渦輪噴嘴(圖1中未示出)，以驅(qū)動(dòng)渦輪18和20。
圖2是示例性高壓渦輪葉片80的透視圖，其可用于燃?xì)廨啓C(jī)10(如圖1所示)。圖3是后緣狹縫樣式(PATTERN)81的放大示意圖，其可用于渦輪葉片80。葉片80包括與柄84相連的翼型82。翼型82包括前緣86、后緣88、壓力側(cè)壁90和吸力側(cè)壁92。壓力側(cè)壁90與吸力側(cè)壁92在前緣86和后緣88相連。翼型82還包括尖部94和從尖部94徑向向內(nèi)的根部96。壓力側(cè)壁90和吸力側(cè)壁92在尖部94和根部96之間徑向或縱向延伸。
在示例性實(shí)施例中，柄84包括平臺(tái)98和燕尾榫100。平臺(tái)98在燕尾榫100和翼型82之間延伸，這樣翼型根部96靠近平臺(tái)98，翼型82從平臺(tái)98向外徑向延伸。
在示例性實(shí)施例中，翼型82包括從尖部94延伸的后緣上部分102和向根部96延伸的后緣下部分104。這樣的后緣上部分102從尖部94延伸到后緣下部分104，下部分104在上部分102和根部96之間延伸。
渦輪葉片80包括至少一個(gè)在壓力側(cè)壁90和吸力側(cè)壁92之間限定的冷卻空腔(未示出)。冷卻空腔與多個(gè)沿著后緣88延伸的后緣狹縫108流道相通。特別是，后緣狹縫108沿著壓力側(cè)壁90延伸到后緣88，后緣狹縫108分別徑向布置在尖部94和根部96之間的后緣上部分102和后緣下部分104內(nèi)部。多個(gè)帶(LANDS)或隔板120將每個(gè)后緣狹縫108與相鄰的后緣狹縫108隔開。
后緣狹縫108設(shè)置成使狹縫樣式81從翼型尖部94經(jīng)后緣部分102和104到根部96延伸。特別是，在示例性實(shí)施例中，翼型后緣狹縫108包括多個(gè)第一狹縫150、多個(gè)第二狹縫152和多個(gè)第三狹縫154。每個(gè)狹縫150、152、154具有各自的入口160、162、164和各自的出口166、168、170，出口166、168、170位于每個(gè)入口160、162、164的下游，并鄰近后緣88。相應(yīng)地，每個(gè)狹縫150、152、154分別具有長度L1、L2和L3，這些長度為在每個(gè)入口160、162、164和每個(gè)狹縫出口166、168、170之間測量所得。
在示例性實(shí)施例中，第一狹縫150僅僅在后緣下部分104中限定，并基本等間距地間隔設(shè)置。在可選實(shí)施例中，至少一個(gè)狹縫150被限定在后緣上部分102內(nèi)部。特別是，在示例性實(shí)施例中，后緣下部分104僅僅包括第一狹縫150，并且狹縫150定向成使多個(gè)第一狹縫入口160相互徑向?qū)R以及多個(gè)第一狹縫出口166相互徑向?qū)R。
在示例性實(shí)施例中，第二狹縫152和第三狹縫154僅僅在后緣上部分102中限定。在可選實(shí)施例中，至少一個(gè)第二狹縫152或至少一個(gè)第三狹縫154還被限定在后緣下部分104內(nèi)部。在另一個(gè)可選實(shí)施例中，翼型80包括多個(gè)第二狹縫152和多個(gè)具有多個(gè)不同長度的狹縫。在示例性實(shí)施例中，第二狹縫長度L2長于第一狹縫長度L1，也長于第三狹縫長度L3，第三狹縫長度L3短于第一狹縫長度L1。可選地，可以變化地選擇狹縫長度L1、L2、L3，以保證翼型80實(shí)現(xiàn)這里所述的功能。
在后緣上部分102中，第二狹縫152和第三狹縫154以交替方式設(shè)置，這樣每個(gè)第三狹縫154位于一對(duì)具有長度L2的第二狹縫152之間。特別是，在示例性實(shí)施例中，在狹縫樣式81中，每個(gè)第三狹縫154位于具有長于任何一個(gè)第三狹縫154長度L3的長度的狹縫108之間。例如，在示例性實(shí)施例中，后緣上部分102中的徑向最內(nèi)部的第三狹縫154限定在第一后緣狹縫150和臨近后緣下部分104的第二狹縫152之間。在示例性實(shí)施例中，后緣部分102中的狹縫152和154之間的間距基本相等?？蛇x地，狹縫152和154的尺寸、長度、方向和數(shù)量是可變化選擇的，以便于翼型的性能如這里所述。
相應(yīng)地，在示例性實(shí)施例中，每對(duì)較長的狹縫隔板120之間，兩個(gè)狹縫108通過較短的隔板120隔開。而且，在后緣上部分102中，這里形成的相鄰狹縫108的入口162和164不是徑向?qū)R的。結(jié)果，部分102中狹縫108的入口162和164的錯(cuò)開定向有助于增加上部分102中葉片后緣88的整體剛度，與已知利用后緣冷卻狹縫的翼型相比，有助于改善葉片80的振動(dòng)裕度(VIBRATORYMARGIN)。
運(yùn)行期間，后緣88的冷卻空氣通過燕尾榫100進(jìn)入葉片80，通過葉片80徑向向上游流動(dòng)，以便于對(duì)流冷卻臨近狹縫108的翼型82以及氣膜冷卻狹縫出口166、168、170的下游。特別是，通過狹縫108排放的冷卻流量是內(nèi)部冷卻氣體驅(qū)動(dòng)壓力與外部氣體靜壓力的壓力比函數(shù)。內(nèi)部冷卻氣體驅(qū)動(dòng)壓力從葉片根部96到尖部94是變化的。例如，在后緣下部分104內(nèi)部，驅(qū)動(dòng)壓力可能等于局部靜壓力。當(dāng)冷卻氣體通過翼型80徑向向上游導(dǎo)入、作為從狹縫108排放的氣體的一部分時(shí)，流速減少，導(dǎo)致動(dòng)壓力減少。例如，在后緣上部分102中，驅(qū)動(dòng)壓力可能等于局部靜壓力加上一部分動(dòng)壓力。較長的隔板120可以使更多的來自冷卻空氣徑向流的動(dòng)壓力被捕捉，由此增加離開臨近每個(gè)較長隔板120的狹縫108的空氣的局部驅(qū)動(dòng)壓力，但不會(huì)達(dá)到在翼型80中產(chǎn)生流量變化問題的程度。
在每個(gè)實(shí)施例中，上述后緣狹縫樣式有助于提高相應(yīng)翼型的剛度和有效壽命。特別是，由于翼型后緣上部分中的狹縫入口不是徑向?qū)R的，所以有助于減少翼型的徑向破裂，有助于提高上部分的剛度。而且，狹縫樣式有助于保持上和下后緣部分中冷卻流的均勻。由此，提供了一種包括機(jī)械性能和熱性能基本上得到平衡的葉片后緣的翼型。
在一個(gè)實(shí)施例中，翼型80通過澆鑄芯體(未示出)制成。芯體通過向芯體模具(未示出)中注入液體陶瓷和石墨漿制成，漿被加熱，形成實(shí)心陶瓷翼型芯體。翼型芯體懸置在翼型模具(未示出)中，熱蠟注入到翼型模具，包圍陶瓷翼型芯體。熱蠟?zāi)?，形成具有在翼型中懸置的陶瓷芯體的蠟翼型。
帶有陶瓷芯體的蠟翼型反復(fù)浸入陶瓷漿以在蠟翼型外部形成陶瓷外殼。然后芯體、蠟和外殼組被加熱到升高的溫度，去除蠟，形成中間具有陶瓷芯體的澆鑄模。然后將熔化金屬倒入中空的殼體模具中。用熔化金屬代替蠟翼型，形成具有仍在原地的陶瓷芯體的金屬翼型。然后冷卻翼型，移除陶瓷芯體。
上述渦輪葉片包括后緣冷卻狹縫幾何結(jié)構(gòu)，后緣冷卻狹縫幾何結(jié)構(gòu)有助于延長渦輪葉片的有效壽命。每個(gè)翼型包括一排冷卻狹縫，其包括其中狹縫大體上徑向?qū)R的下部分和其中狹縫具有不同長度、并相互錯(cuò)開而非徑向?qū)R的上部分。冷卻狹縫在改進(jìn)生產(chǎn)效益的情況下有助于增強(qiáng)冷卻和流量調(diào)節(jié)。由此，翼型的后緣冷卻狹縫幾何結(jié)構(gòu)以成本低廉并可靠的方式有助于延長葉片的有效壽命。
上面詳細(xì)描述了渦輪轉(zhuǎn)子葉片的示例性實(shí)施例。后緣狹縫樣式不局限于用于這里描述的特定渦輪葉片實(shí)施例，而是后緣狹縫樣式可獨(dú)立于這里所述的其他轉(zhuǎn)子部件單獨(dú)使用。因此，本發(fā)明不局限于上述詳細(xì)描述的狹縫樣式的具體實(shí)施例。而是，在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)可利用其它變形的狹縫樣式。
雖然本發(fā)明通過各種特定實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，可以用在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的修改實(shí)施本發(fā)明。
零件列表


權(quán)利要求
1.一種轉(zhuǎn)子葉片(80)的冀型(82)，所述翼型包括壓力側(cè)壁(90)；吸力側(cè)壁(92)，其在前緣(86)和后緣(88)處與所述壓力側(cè)壁相連；和多個(gè)從所述后緣沿著所述壓力側(cè)壁延伸的第一后緣狹縫(150)和至少一個(gè)第二后緣狹縫(152)，所述多個(gè)第一后緣狹縫和所述至少一個(gè)第二后緣狹縫均具有入口(162)、出口(168)以及在兩者之間測得的長度，所述至少一個(gè)第二后緣狹縫的長度大于所述多個(gè)第一后緣狹縫的長度。
2.如權(quán)利要求1所述的翼型(82)，其特征在于，所述壓力側(cè)壁(90)和所述吸力側(cè)壁(92)在根部(96)和尖部(94)之間徑向延伸，所述多個(gè)狹縫(150)還包括多個(gè)限定在所述后緣(88)的下部分(104)內(nèi)的狹縫和多個(gè)限定在所述后緣的上部分(102)內(nèi)的狹縫，所述后緣下部分內(nèi)的所述多個(gè)狹縫位于所述后緣上部分內(nèi)的所述多個(gè)狹縫與所述葉片根部之間。
3.如權(quán)利要求2所述的翼型(82)，其特征在于，所述至少一個(gè)第二后緣狹縫(152)限定在所述后緣上部分(102)內(nèi)。
4.如權(quán)利要求2所述的翼型(82)，其特征在于，所述翼型還包括至少一個(gè)第三后緣狹縫(154)，其長度小于所述至少一個(gè)第二后緣狹縫(152)的長度和所述多個(gè)第一后緣狹縫(150)的長度。
5.如權(quán)利要求4所述的翼型(82)，其特征在于，所述至少一個(gè)第三后緣狹縫(154)限定在所述后緣上部分(102)內(nèi)。
6.如權(quán)利要求4所述的翼型(82)，其特征在于，所述后緣上部分(102)具有以交替的方式布置且在所述葉片尖部(94)和所述后緣下部分(104)之間延伸的多個(gè)第二后緣狹縫(152)和多個(gè)第三后緣狹縫(154)。
7.如權(quán)利要求4所述的翼型(82)，其特征在于，所述至少一個(gè)第二后緣狹縫(152)和所述至少一個(gè)第三后緣狹縫(154)有利于增加所述葉片后緣(88)的剛度。
8.如權(quán)利要求4所述的翼型(82)，其特征在于，所述至少一個(gè)第二后緣狹縫(152)和所述至少一個(gè)第三后緣狹縫(154)有利于增加所述葉片后緣(88)的振動(dòng)裕度。
9.一種渦輪葉片(80)，包括平臺(tái)(98)；燕尾榫(100)，其從所述平臺(tái)徑向向內(nèi)延伸；和翼型(82)，其從所述平臺(tái)徑向向外延伸，包括壓力側(cè)壁(90)和吸力側(cè)壁(92)，所述壓力側(cè)壁在前緣(86)和后緣(88)處與所述吸力側(cè)壁相連，所述翼型還包括多個(gè)第一后緣狹縫(150)和至少一個(gè)第二后緣狹縫(152)，所述多個(gè)第一后緣狹縫和所述至少一個(gè)第二后緣狹縫均從所述后緣沿著壓力側(cè)壁延伸，每個(gè)狹縫均具有入口(162)、出口(168)和在兩者之間測得的長度，所述至少一個(gè)第二后緣狹縫的長度大于所述多個(gè)第一后緣狹縫的長度。
10.如權(quán)利要求9所述的渦輪葉片(80)，其特征在于，所述翼型(82)的至少一個(gè)第二后緣狹縫(152)有利于增加所述翼型后緣(88)的剛度和所述翼型的振動(dòng)裕度中的至少一個(gè)。
全文摘要
提供一種用于轉(zhuǎn)子葉片(80)的翼型(82)。翼型(82)包括壓力側(cè)壁(90)。翼型(82)還包括吸力側(cè)壁(92)，其在前緣(86)和后緣(88)與壓力側(cè)壁相連。翼型(82)進(jìn)一步包括多個(gè)從后緣沿著壓力側(cè)壁延伸的第一后緣狹縫(150)和至少一個(gè)第二后緣狹縫(152)。多個(gè)第一后緣狹縫(150)和至少一個(gè)第二后緣狹縫(152)均包括入口(162)、出口(168)和在兩者之間測量的長度，所述至少一個(gè)第二后緣狹縫具有的長度長于所述多個(gè)第一后緣狹縫的長度。
文檔編號(hào)F01D5/18GK1987053SQ20061006407
公開日2007年6月27日 申請日期2006年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月20日
發(fā)明者T·龐, 李經(jīng)邦, K·S·克拉辛, S·R·布拉斯費(fèi)爾德 申請人:通用電氣公司