專利名稱：渦輪葉片冷卻回路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請大致涉及用于改善渦輪發(fā)動機的效率和/或操作的裝置、方法和/或系統(tǒng)。 更具體地，但不局限于此，本申請涉及用于通過通過內(nèi)部冷卻回路或通道的冷卻劑循環(huán)來 冷卻渦輪翼型的裝置、方法和/或系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃氣渦輪發(fā)動機典型地包括壓縮機、燃燒器和渦輪。(注意雖然本發(fā)明可能描述為 主要關(guān)于示例性的燃氣渦輪發(fā)動機，但并不局限于此，并且該參考僅作為實例提供。本領(lǐng)域 技術(shù)人員將了解本發(fā)明的實施例也可用于航空發(fā)動機和其他種類的轉(zhuǎn)式發(fā)動機中)。壓縮 機和渦輪通常包括在各級上軸向堆疊的多排渦輪葉片或翼型。每級都可以包括交替的固定 的多排圓周布局的定子葉片和繞中心軸或軸旋轉(zhuǎn)的多排圓周布局的轉(zhuǎn)子葉片。工作時，在 壓縮機中的轉(zhuǎn)子葉片繞該軸旋轉(zhuǎn)從而壓縮空氣流。然后將所提供的壓縮空氣用于燃燒器從 而燃燒提供的燃料。然后通過該發(fā)動機的渦輪段使從燃燒器所得的熱氣流體膨脹，該渦輪 段包括用于旋轉(zhuǎn)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片。由于該轉(zhuǎn)子葉片連接至中心軸上，轉(zhuǎn)子葉片連同該軸一 起旋轉(zhuǎn)。 這樣，在燃料中所包含的能量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)軸的機械能，該機械能可用于旋轉(zhuǎn)壓縮 機的轉(zhuǎn)子葉片，使得提供燃燒所需的壓縮空氣，以及旋轉(zhuǎn)發(fā)電機的線圈，使得產(chǎn)生電能。在 工作期間，由于熱氣通道的極端溫度、工作流體的速度、以及發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)速度，通常包括 旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子葉片和固定的、圓周布局的定子葉片的所述渦輪翼型變得承受極端的機械和熱 負荷的高應力。 當然，設計和制造更有效率的渦輪發(fā)動機的目標很重要，特別是考慮到化石燃料 的日益缺乏和成本上漲。雖然針對增加渦輪發(fā)動機效率的若干策略已經(jīng)為人所知，但因為 包括例如增加發(fā)動機尺寸、增加通過熱氣通道的溫度、和增加轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)速度的已知 改變通常會對部件產(chǎn)生額外應變，包括使已經(jīng)承受高應力的渦輪翼型產(chǎn)生額外應變，因此 其仍然是有挑戰(zhàn)性的目標。結(jié)果，迫切需要減少作用在渦輪翼型上的運轉(zhuǎn)應力或允許渦輪 翼型更好地承受這些應力的改善的裝置、方法和/或系統(tǒng)。 本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，用于減少熱應力的一種策略為通過冷卻翼型使得翼型 所經(jīng)歷的溫度低于熱氣通道的溫度。有效的冷卻能夠，例如，允許翼型承受更高的燃燒溫 度，承受在高工作溫度下更大的機械應力，和/或延長翼型的零件壽命，所有這些會使渦輪 發(fā)動機更具有成本效益和效率。在工作期間冷卻翼型的一種方法為通過使用內(nèi)部冷卻通道 或回路。通常，這會涉及到使可能由渦輪發(fā)動機的壓縮機所供應的相對冷的壓縮空氣的供 應通過翼型中的內(nèi)部冷卻回路。當壓縮空氣通過翼型時，會對流地冷卻翼型，這可允許該部 分承受冷卻之前所不能承受的燃燒溫度。 在一些情況下，所提供的壓縮空氣通過在翼型表面上的小孔釋放。通過這樣釋放， 所提供的空氣在翼型表面形成相對冷的空氣的薄層或薄膜，其將同時冷卻該部分并將該部 分與它周圍的更高溫度隔離。然而，這種通常稱為"膜冷卻"的冷卻類型的價格很高。以這樣的方式在翼型表面釋放壓縮空氣會降低發(fā)動機的空氣動力效率，特別是在噴嘴或定子葉 片的情況下，如果空氣向喉道的下游釋放。提高通過翼型的內(nèi)部冷卻使得能夠盡量減小或 降低膜冷卻的更好的方法通?？梢栽黾訙u輪發(fā)動機的效率。另外，由于翼型的某些加工和 形狀的限制，翼型具有冷卻"死點"，其通常是難以冷卻的位置。找到更好地冷卻這些位置的 方法會有益于翼型的使用壽命并增加發(fā)動機所能達到的燃燒溫度。因此，對于渦輪翼型的 改善的冷卻策略有持續(xù)需求。

發(fā)明內(nèi)容
因此本申請描述了帶有具有限定接收冷卻空氣的腔的外壁的通常為中空翼型的 渦輪葉片，該翼型包括定位在上游方向的前緣、定位在下游方向的后緣、凸吸力側(cè)、凹壓力 側(cè)、和設置在腔中構(gòu)成為最初接收至少部分進入腔的冷卻空氣并引導冷卻空氣通過多個嵌 入件孔隙來冷卻外壁的內(nèi)表面的嵌入件，該嵌入件還包括大致依照腔的外壁的輪廓并有一 定間隔的結(jié)構(gòu)，其中，部分冷卻空氣通過穿過外壁所形成的多個膜冷卻孔隙離開翼型，其 中，腔和嵌入件隨著它們向后緣部分延伸而變窄，嵌入件最終終止，腔最終終止于銷排列 部，該銷排列部包括通道，多個冷卻銷橫向延伸跨越該通道并與限定銷排列部的相對的壁 成為整體，其中存在包括在嵌入件的下游終止點位置與銷排列部的上游起始點位置之間的 大致軸向距離的第一距離，其中，銷排列部在下游端部包括多個開口 ，該多個開口限定至從 銷排列部延伸至翼型的后緣的多個后緣冷卻孔隙的入口，在翼型的后緣設有出口，冷卻空 氣的一部分通過該出口離開翼型，并且其中，腔、嵌入件和銷排列部構(gòu)成為使得第一距離近 似最小化。 在一些實施例中，近似最小化第一距離的腔、嵌入件、和銷排列部的結(jié)構(gòu)包括從腔 的較寬直徑向銷排列部的窄直徑光滑過渡的收縮出口。在一些實施例中，該收縮出口包括 從腔的較寬直徑向銷排列部的窄直徑的光滑迅速過渡。 在一些實施例中，向下游移動的收縮出口的形狀包括使通道迅速變窄的向凸曲線
過渡的凹曲線。在一些實施例中，銷排列部的銷設置在多排中，各排中的銷相對于任意相鄰
排的銷徑向地偏移，從而攔截所流過的不同水平的冷卻空氣，使得產(chǎn)生湍流并提高冷卻。 在一些實施例中，腔包括由分隔件隔開的前緣腔和后緣腔，所有的通過外壁的膜
冷卻孔隙包括喉道上游的位置，該喉道包括兩個相鄰安裝的翼型之間的最小流面積。在一
些實施例中，近似最小化第一距離的腔、嵌入件、和銷排列部的結(jié)構(gòu)包括嵌入件的后緣構(gòu)成
為向后緣延伸盡可能大的距離，同時維持在安裝期間能夠嵌入翼型中的形狀。 在一些實施例中，近似最小化第一距離的腔、嵌入件和銷排列部的結(jié)構(gòu)包括嵌入
件的后緣構(gòu)成在給定嵌入件的最小曲率、外壁的最小壁厚和最小后緣通道厚度的情況下向
后緣延伸最大距離。在一些實施例中，嵌入件的最小曲率包括在給定材料限制和期望耐用
性水平的情況下在嵌入件中可以形成的最小曲率；最小外壁厚度包括在給定材料和鑄造限
制以及期望的外壁耐用性水平的情況下可以形成的最小外壁厚度；并且其中，最小后緣通
道厚度包括在給定所通過的期望冷卻空氣流量水平的情況下在嵌入件與外壁之間沿著腔
的后緣的最小間隙。 在一些實施例中，近似最小化第一距離的腔、嵌入件和銷排列部的結(jié)構(gòu)包括銷排 列部的上游起始點大致被推向最大銷長度所允許的盡可能的上游；并且，最大銷長度包括給定通過銷排列部的期望熱傳遞水平和鑄造能力情況下的銷的最大長度，該鑄造能力是給
定對應于通過銷排列部的期望熱傳遞水平的銷直徑的情況下的鑄造能力。 通過結(jié)合附圖和權(quán)利要求來閱讀下述優(yōu)選實施例的具體描述，本申請的這些和其
他特征將變得清楚。


通過仔細研究結(jié)合附圖的本發(fā)明的示例性實施例的更詳細的描述將會更完全地 理解本發(fā)明的這些和其他目的和優(yōu)點，其中 圖1顯示了傳統(tǒng)空氣冷卻翼型的橫截面圖； 圖2顯示了在安裝列中的若干翼型的橫截面圖，該翼型示出了根據(jù)本申請的示例 性實施例的內(nèi)部冷卻回路； 圖3是翼型的橫截面圖，其顯示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的內(nèi)部冷卻回路； 以及 圖4是翼型的放大橫截面圖，其顯示了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的內(nèi)部冷卻回 路。部件列表IO翼型12前緣14壓力側(cè)16吸力側(cè)18后緣20前緣22后緣24中間 分隔件26前緣嵌入件28后緣嵌入件30孔隙32膜冷卻孔隙33外壁44后緣冷卻孔隙 46銷52銷排列部54低熱傳遞區(qū)域110翼型lll箭頭112前緣114壓力側(cè)116吸力側(cè) 118后緣119喉道120前緣腔122后緣腔124中間分隔件126前緣嵌入件128后緣嵌 入件130嵌入件孔隙132膜冷卻孔隙133外壁144后緣冷卻孔隙146銷152銷排列部 156收縮出口 (contoured exit) 162嵌入件后緣
具體實施例方式
現(xiàn)在參考附圖，各個數(shù)字在圖中代表相同的部件，圖l示出了傳統(tǒng)空氣冷卻翼型 10。如圖所示，該翼型IO包括整體翼型形狀，并具有前部或前緣12、壓力側(cè)或表面14、吸力 側(cè)16和后緣18。該翼型10通常為中空，并常常通過中間分隔件24被分成兩個內(nèi)腔20、22。 各腔20， 22都包括大體具有依照各自腔的內(nèi)部輪廓但有一定距離的結(jié)構(gòu)的中空嵌入件26、 28。嵌入件26、28包括在預先選定的位置的孔隙30。由傳統(tǒng)的系統(tǒng)和方法將來自渦輪壓縮 機的高壓冷卻空氣引導至嵌入件，通過這種孔隙排出從而形成沖擊腔20、22的內(nèi)壁的空氣 噴射，用于沖擊冷卻(impingement cooling)(如箭頭所示)。 更具體地，設置在前緣腔20中的嵌入件26的孔隙30被定位為沖擊與嵌入件26 相對的腔壁。進入前緣腔20并通過嵌入件26的冷卻空氣通過穿過翼型的外壁33的徑向 間隔開的多排膜冷卻孔隙32排出。外壁33包括并形成內(nèi)空穴。排出的冷卻空氣在臨近翼 型的外表面提供一層邊界空氣，從而限制熱流在表面上的直接接觸，使得從工作流體向翼 型的熱傳遞受到抑制。進入后緣腔22并通過后緣嵌入件28的冷卻空氣通過膜冷卻孔隙32 或通過從翼型的后緣腔22延伸至后緣18的后緣冷卻孔隙44排出。多排大致為圓柱形的冷 卻銷或銷46跨越銷排列部52延伸，銷排列部52位于后緣腔22與后緣冷卻孔隙44之間。
在翼型10中，位于后緣嵌入件28與銷排列部52之間的一般區(qū)域難以冷卻。此后 稱之為"低熱傳遞區(qū)域54"的該區(qū)域為低熱傳遞系數(shù)區(qū)域，因此，是在工作期間形成熱點的 地方。這歸因于多個因素。第一，很少甚至沒有來自嵌入件28的流體沖擊。第二，直到腔22的后緣，即在后緣冷卻孔隙44的入口附近，腔22太寬以至于冷卻銷46不能有效加工。 沒有這樣的熱傳遞的增加特征，熱傳遞系數(shù)保持較低。因此，該區(qū)域易于達到更高的金屬溫 度，這將最終減少翼型的部件壽命。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，從定位在喉道119下游 的膜冷卻孔隙32釋放空氣對部件的空氣動力效率具有明顯的負面影響。因此，通過定位在 喉道119(參見圖2喉道的大概位置)下游的孔隙釋放的冷卻空氣被最小化。因此，通常對 低熱傳遞區(qū)域54沒有太多的膜冷卻，特別是在翼型的吸力側(cè)，這使得在工作期間保持該區(qū) 域充分冷卻的問題更加嚴峻。 現(xiàn)在參考圖2，在裝配圖中示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的多個渦輪翼型110。示出了 通過渦輪的熱氣流動路徑的方向通常為箭頭111的方向。如圖所示，各翼型iio都包括具 有前部或前緣112、壓力側(cè)114、吸力側(cè)116和后緣118的翼型形狀的結(jié)構(gòu)。(這里需注意， 沒有特別說明時，提及"轉(zhuǎn)子葉片(rotor blade)"是指壓縮機或者渦輪的轉(zhuǎn)動的葉片，包括 壓縮機轉(zhuǎn)子葉片和渦輪轉(zhuǎn)子葉片兩者。沒有特別說明時，提及"定子葉片(stator blade)" 是指壓縮機或渦輪的不動的葉片，包括壓縮機定子葉片和渦輪定子葉片兩者。術(shù)語"葉片 (blade)"將在本文指任何類型的葉片。因此，沒有特別說明時，術(shù)語"葉片(blade)"總體 地包括已經(jīng)列出的所有四種渦輪發(fā)動機葉片，即壓縮機轉(zhuǎn)子葉片、壓縮機定子葉片、渦輪轉(zhuǎn) 子葉片、和渦輪定子葉片以及其他類似種類的渦輪發(fā)動機葉片)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解， 喉道119代表兩個翼型之間的最小流通面積。 在圖3和圖4中能夠看得更清楚，在所示實施例中，各翼型通常是中空的，并由中 間分隔件124分為兩個內(nèi)腔120、 122。每個腔120、 122都包括具有大體依照各自腔的內(nèi)部輪 廓并有一定距離的結(jié)構(gòu)的中空嵌入件126、 128。嵌入件126、128包含位于預先選定的位置 的嵌入件孔隙130。通過傳統(tǒng)的系統(tǒng)和方法將來自渦輪壓縮機的高壓冷卻空氣引導至嵌入 件，并通過這種孔隙排出，從而形成沖擊腔120U22的內(nèi)壁的空氣噴射，用于沖擊冷卻(如 箭頭所示)。 更具體地，前緣腔120中的嵌入件126的嵌入件孔隙130定位為沖擊嵌入件126 對面的腔壁。從嵌入件126進入前緣腔120的冷卻空氣通過穿過翼型的外壁133的徑向間 隔開的多排膜冷卻孔隙132排出。外壁133包括并形成內(nèi)空穴。通過膜冷卻孔隙排出的排 放冷卻空氣通常在翼型的外表面附近提供一層邊界空氣，從而限制熱流在這些表面上的直 接接觸。因此抑制了從工作流體向翼型的熱傳遞。 后緣腔122中的冷卻空氣通過膜冷卻孔隙132或通過從翼型110的后緣腔122延 伸至后緣118的后緣冷卻孔隙144排出。多排大致為圓柱形的冷卻銷或銷146可跨越銷排 列部152延伸，銷排列部152位于后緣腔122與后緣冷卻孔隙144之間。這樣的銷可以與 限定銷排列部的相對的壁整體地形成。通常地，各排的銷146相對于相鄰排的銷146徑向 地偏移，從而攔截通過這里的不同層的冷卻空氣流。銷146通常也可以為銷排列部152提 供機械穩(wěn)定性。銷146的功能之一為在流過銷排列部152的空氣中引起湍流。
根據(jù)本申請的示例性實施例，將了解后緣腔122的后部可以包括收縮形狀 (contoured shape)或從后緣腔122向銷排列部152過渡的變窄形狀，因此形成了從后緣腔 122至銷排列部152的收縮出口。此后將該特征稱為"收縮出口 (contoured exit)156"。 收縮出口 156的形狀可以描述為從后緣腔122的后緣的較大寬度向銷排列部152的較窄寬 度光滑過渡的曲部。
如上所述，在傳統(tǒng)空氣冷卻翼型中，與收縮出口 156的位置和銷排列部152的部分 對應的一般區(qū)域通常為難以冷卻的區(qū)域。也就是說，在傳統(tǒng)設計中位于后緣嵌入件128的 端部與銷排列152的開始部分之間的區(qū)域通常為低熱傳遞系數(shù)的區(qū)域。這是因為在該區(qū)域 很少甚至沒有流沖擊而且沒有諸如銷排列的熱傳遞的增加特征。因此，該區(qū)域易于達到更 高的金屬溫度，這可能減少翼型的部件壽命。另外，如上所述，從定位在喉道119下游的膜 冷卻孔隙132釋放空氣對部件的空氣動力效率具有顯著的負面影響。因此，通常避免或盡 量減少從喉道119的下游釋放冷卻空氣，這將為保持該區(qū)域冷卻增加了困難。
在本發(fā)明中，修改并優(yōu)化涉及翼型110的該區(qū)域(即大概對應于翼型110的低熱 傳遞區(qū)域的區(qū)域)設計的若干參數(shù)，使得低熱傳遞區(qū)域的范圍盡可能地減小和/或提高該 區(qū)域的冷卻。相應地，根據(jù)本發(fā)明的實施例的設計通過減少后緣嵌入件128的端部與銷排 列部152的入口之間的軸向距離來盡可能減小低熱傳遞區(qū)域。如在下面將更詳細描述的， 為了盡可能減小該距離，修改了若干參數(shù)。 第一，設計后緣嵌入件128的邊緣使得它在保持后緣嵌入件128的嵌入性 (insertability)的同時盡可能地向銷排列部152延伸。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，因為嵌入 性因素，后緣嵌入件128通常不向后延伸至后緣內(nèi)腔122的極端后緣區(qū)域。由于后緣區(qū)域 的翼型的狹窄和高度三維的后緣翼型形狀使得這個因素在很多翼型中很普遍。也就是說， 因為嵌入件128的三維形狀和在不同徑向高度的變化的軸向長度，嵌入件128不能做成一 直延伸至后緣內(nèi)腔122的后部，即，嵌入件128上的較大軸向長度的區(qū)域會被腔122的較小 的軸向長度的區(qū)域阻擋。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當將后緣也向后進一步推向銷排列部152時就可 以維持該嵌入性。在本設計中，在維持嵌入性的同時嵌入件構(gòu)成為盡量減小嵌入件128的 后緣與銷排列部152的開始部分之間的間隔。換句話說，嵌入件128構(gòu)成為在維持嵌入性 的同時盡可能向后延伸。 另外，嵌入件128的后緣162具有限制后緣162能為多小的最小曲率。該最小曲 率是制造嵌入件的材料的函數(shù)，并且對于給定的期望的嵌入件128的耐用性通常限定在后 緣162所能制造的曲線銳度(sharpness)。對于一些傳統(tǒng)材料，最小曲率大約為等于兩倍壁 厚的半徑。通常地，存在最小的外壁厚度。給定鑄造能力、外壁133的耐用性的期望水平， 包括沖擊阻力和所使用的材料，確定最小外壁厚度。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，還存在有最小 后緣通道厚度。本文所使用的，最小后緣通道厚度為沿著后緣內(nèi)腔122的后緣的在嵌入件 128與外壁133之間的最小間隙。 最小后緣通道厚度通常由通過翼型110的中空通道的期望流量水平來確定。也就 是說，后緣通道具有的最小厚度允許冷卻翼型110的足夠的流率。更具體地，后緣通道的最 小厚度為允許最小水平的冷卻空氣流過翼型的厚度，即足夠的通道空間，從而允許期望水 平的流量到達翼型的后緣使得翼型充分冷卻。結(jié)果，將意識到給定后緣118的翼型110的 減小的厚度時，將通常存在嵌入件可能被推向翼型110的后緣118的最大距離，其通過嵌入 件128的最小曲率、外壁133的最小厚度、和嵌入件128與外壁133之間的最小間隙來指示。 相應地，一旦這些最小距離要求翼型110比實際翼型設計尺寸更厚，則嵌入件128就已經(jīng)向 后緣118推得太遠了。 第二，設置銷排列部152的第一銷排使得它定位為盡可能地向前。通常，由于制造 限制，銷146的長度受到限制。也就是說，超過某個長度的銷146不能被鑄造，因此基本不
8可能制造或制造成本太高。通常，在給定提供通過銷排列部152的期望熱傳遞水平的銷直 徑的情況下，最大銷長度由鑄造能力來確定。更具體地，將認識到使通過銷排列的熱傳遞盡 可能地大將使設計傾向于更細的銷。因為鑄造限制，提供通過該區(qū)域的充分的或期望的熱 傳遞的銷直徑將具有最大的長度。給定此最大長度，銷146盡可能地被向前推。
第三，在本發(fā)明的實施例中，收縮出口 156和銷排列部152的下游出口通過增加在 翼型的壓力側(cè)114和吸力側(cè)116上的壁厚來變得收縮。結(jié)果，當沒有超過會使鑄造銷困難 或成本過高的銷長時第一銷排能夠被進一步向前推。通過多個銷大致定位在低熱傳遞區(qū) 域54，該區(qū)域的冷卻提高了 ，局部熱點減少，用于喉道下游的膜冷卻流的需要被盡可能地減 小。在優(yōu)選的實施例中，向收縮出口 156的后部移動的收縮出口 156的形狀通?？梢孕纬?為向凸曲線過渡的凹曲線，如圖所示。該形狀可以允許光滑過渡，也使后緣內(nèi)腔122的厚度 迅速變窄，使得銷排列部152的第一銷146可以盡可能地向前推。另外，收縮出口 156的該 結(jié)構(gòu)提高了后緣嵌入件128下游的冷卻，因為翼型壁收縮該通道區(qū)域，以最大程度地提高 冷卻空氣速度并增加通過該通道的熱傳遞系數(shù)。 結(jié)果，如所述地，通過盡可能地減小后緣嵌入件28與銷排列部52之間的軸向距離 并通過收縮銷排列部52的入口，能夠充分消除在傳統(tǒng)設計中形成的局部熱點。該結(jié)果減少 對喉道119下游膜冷卻的需要并減少在工作期間冷卻翼型所需的冷卻空氣的量，這些都會 提高渦輪發(fā)動機的效率。在一些實施例中，本發(fā)明可以用于定子葉片，特別地，用于燃氣渦 輪發(fā)動機的渦輪段的定子葉片。這是示例性的，因為本發(fā)明的實施例還可以用于轉(zhuǎn)子葉片。 進一步地，在一些情況中，本發(fā)明可以構(gòu)造為用于燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪段的第一級定子 葉片。在一些這樣的實施例中，燃氣渦輪發(fā)動機可以為由The General Electric Company of Schenectady, New York(紐約州的斯卡奈塔第的通用電氣公司)制造的7FA+e渦輪發(fā)動 機。再一次，根據(jù)本發(fā)明實施例的優(yōu)化的后緣冷卻回路允許被引入噴嘴喉道下游的膜冷卻 流盡可能地小或消除，這減少了空氣動力混合損失。 從上述本發(fā)明的優(yōu)選實施例可以看出，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到改進、改變和 變更。在本領(lǐng)域的技術(shù)范圍內(nèi)的改進、改變和變更將被權(quán)利要求所覆蓋。進一步地，很明顯 的是，前述內(nèi)容僅涉及本申請所述的實施例，在不背離權(quán)利要求及其等價物所限定的申請 的精神和范圍的情況下，可以進行很多改變和變更。
權(quán)利要求
具有大致中空的翼型(110)的渦輪葉片，所述翼型(110)具有限定用于接收冷卻空氣的腔(122)的外壁(133)，所述翼型(110)包括位于上游方向的前緣(112)、位于下游方向的后緣(118)、凸吸力側(cè)(116)、凹壓力側(cè)(114)和設置在所述腔(122)中構(gòu)成為最初接收至少部分進入所述腔(122)的冷卻空氣并將所述冷卻空氣引導通過多個嵌入件孔隙(130)從而冷卻所述外壁(133)的內(nèi)表面的嵌入件(128)，所述嵌入件(128)還包括大致依照所述腔(122)的所述外壁(133)的輪廓但與其有間隔關(guān)系的結(jié)構(gòu)，其中，部分所述冷卻空氣通過穿過所述外壁(133)而形成的多個膜冷卻孔隙(132)而離開所述翼型(110)，其中，所述腔(122)和所述嵌入件(128)隨著它們向所述后緣(118)延伸而變窄，所述嵌入件(128)最終終止，所述腔(122)最終終止于銷排列部(152)，所述銷排列部(152)包括通道，多個冷卻銷(146)橫向延伸跨越所述通道并與限定所述銷排列部(152)的相對的壁形成整體，其中，存在第一距離，所述第一距離包括在所述嵌入件(128)的下游終止點處與所述銷排列部(152)的上游起始點處之間的大致軸向距離，其中，所述銷排列部(152)在下游端部包括多個開口，所述多個開口限定至從所述銷排列部(152)延伸至所述翼型(110)的所述后緣(118)的多個后緣冷卻孔隙(144)的入口，在所述翼型(110)的所述后緣(118)設有出口，所述冷卻空氣的一部分可通過所述出口離開所述翼型(110)，并且其中，所述腔(122)、所述嵌入件(128)和所述銷排列部(152)構(gòu)成為使得所述第一距離近似最小化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，近似最小化所述第一距離的所述腔 (122)、所述嵌入件(128)和所述銷排列部(152)的結(jié)構(gòu)包括從所述腔(122)的較寬直徑向 所述銷排列部(152)的窄直徑平滑過渡的收縮出口 (156)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪葉片，其特征在于，所述收縮出口 (156)包括從所述腔 (122)的較寬直徑向所述銷排列部(152)的窄直徑的平滑迅速過渡。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪葉片，其特征在于，向下游移動的所述收縮出口 (156)的 形狀包括使所述通道迅速變窄的向凸曲線過渡的凹曲線。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的渦輪葉片，其特征在于，所述銷排列部(152)的所述銷(146) 設置在多排中，各排中的所述銷(146)相對于任何相鄰排的所述銷(146)徑向地偏移，從而 攔截以不同水平流過的所述冷卻空氣，使得產(chǎn)生湍流并提高冷卻。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的渦輪葉片，其特征在于，所述腔(122)包括由分隔件(124)分 開的前緣腔(120)和后緣腔(122);并且，其中，所有通過所述外壁(133)的膜冷卻孔隙(132)包括喉道(119)的上游位置，所述 喉道(119)包括兩個相鄰安裝的翼型(110)之間的最小流面積。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，近似最小化所述第一距離的所述腔 (122)、所述嵌入件(128)和所述銷排列部(152)的構(gòu)造包括所述嵌入件(128)的后緣構(gòu)成 為向所述后緣(118)延伸盡可能大的距離，同時維持在組裝中能夠嵌入所述翼型(110)的 形狀。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，近似最小化所述第一距離的所述腔 (122)、所述嵌入件(128)和所述銷排列部(152)的構(gòu)造包括所述嵌入件(128)的后緣構(gòu)成 為在給定所述嵌入件(128)的最小曲率、所述外壁(133)的最小壁厚和最小后緣通道厚度 的情況下向所述后緣(118)延伸盡可能大的距離。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的渦輪葉片，其特征在于，所述嵌入件(128)的最小曲率包括在給定材料限制和期望耐用水平的情況下在所述嵌入件(128)中可能形成的最小曲率；其中，所述最小外壁(133)厚度包括在給定材料和鑄造限制以及期望的外壁(133)的 耐用水平的情況下可能形成的最小外壁(133)厚度；以及其中，所述最小后緣通道厚度包括在給定所通過的冷卻空氣流量的期望水平的情況下 沿著所述腔(122)的所述后緣在所述嵌入件(128)與所述外壁(133)之間的最小間隙。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，近似最小化所述第一距離的所述腔 (122)、所述嵌入件(128)和所述銷排列部(152)的構(gòu)造包括所述銷排列部(152)的所述上 游起始點被大致推向最大銷(146)長度所能允許的盡可能的上游，其中，所述最大銷(146) 長度包括在給定通過所述銷排列部(152)的期望熱熱傳遞水平和鑄造能力的情況下的最 大銷(146)長度，其中，所述鑄造能力是給定對應于通過所述銷排列部(152)的所述期望熱 傳遞水平的所述銷(146)直徑的情況下的鑄造能力。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種渦輪葉片冷卻回路。具體而言，翼型(110)具有限定用于接收冷卻空氣的腔(122)的外壁(133)，所述翼型(110)包括位于上游方向的前緣(112)、位于下游方向的后緣(118)、凸吸力側(cè)(116)、凹壓力側(cè)(114)和設置在腔(122)中構(gòu)成為最初接收至少部分進入腔(122)的冷卻空氣并將冷卻空氣引導通過多個嵌入件孔隙(130)從而冷卻外壁(133)的內(nèi)表面的嵌入件(128)，存在包括嵌入件(128)的下游終止點處與銷排列部(152)的上游起始點位置之間的大致軸向距離的第一距離，腔(122)、嵌入件(128)和銷排列部(152)構(gòu)成為使得該第一距離近似最小化。
文檔編號F01D5/18GK101769170SQ200910113668
公開日2010年7月7日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者D·D·斯努克, E·D·本杰明 申請人:通用電氣公司