專利名稱：渦輪葉片尖端護罩的冷卻孔出口的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請大體涉及渦輪發(fā)動機，且更具體而言涉及用于渦輪葉片的、在尖端護罩附 近具有會聚-發(fā)散通道以便提供改進的冷卻的冷卻孔。
背景技術(shù)：
一般來描述，燃氣渦輪葉片可具有基本成翼型形狀的主體部分。葉片可在內(nèi)端處 連接到根部部分上，且在外端處連接到尖端部分上。葉片還可在尖端部分的附近結(jié)合護罩。 該護罩可自尖端部分延伸，以便防止或降低經(jīng)過尖端的熱氣泄漏。使用護罩還可減小整體 葉片振動。尖端護罩和葉片作為整體可經(jīng)受由于高溫和離心地引起的彎曲應(yīng)力的組合造成 的蠕變損害。作為整體冷卻葉片的一種方法是使用延伸穿過其中的若干冷卻孔。冷卻孔可 將冷卻空氣傳送通過葉片，且在葉片和尖端護罩與熱氣流之間形成熱障。雖然冷卻葉片可減小蠕變損害，但是使用空氣流來冷卻葉片總體上可降低渦輪發(fā) 動機的效率，因為該冷卻空氣不會穿過渦輪區(qū)段。另外，冷卻空氣的效果隨著該空氣從葉片 的底部運動到頂部而減弱。這個減弱的效果可由于更少的冷卻而朝向尖端護罩附近的葉片 的出口導(dǎo)致更高的溫度因此，存在對于這樣的葉片冷卻系統(tǒng)和方法的期望該系統(tǒng)和方法提供足夠的冷 卻，以防止蠕變且提高葉片壽命，同時提高總體渦輪性能和效率。

發(fā)明內(nèi)容
因此本申請描述了一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪葉片。該渦輪葉片可包括翼型 部、定位在翼型部的尖端上的尖端護罩，以及延伸穿過翼型部和尖端護罩的若干冷卻孔。冷 卻孔中的一個或多個可包括尖端護罩附近的直徑漸縮的長度和尖端護罩的表面附近的直 徑漸擴的長度。本申請進一步描述了一種冷卻渦輪葉片的方法。該方法可包括以下步驟使空氣 流過延伸穿過葉片的若干冷卻孔，使該空氣流過冷卻孔中的直徑漸縮的長度，以及使該空 氣流過冷卻孔的出口附近的直徑漸擴的長度。本申請進一步描述了一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪葉片。該渦輪葉片可包括翼 型部、在翼型部的端部上的尖端，以及延伸穿過翼型部和尖端的若干冷卻孔。冷卻孔中的一 個或多個可包括尖端附近的直徑漸縮的長度和尖端的表面附近的直徑漸擴的長度。在結(jié)合幾幅圖和所附的權(quán)利要求書審閱了以下詳細描述之后，本申請的這些和其 它特征將對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員變得顯而易見。


圖1是燃氣渦輪發(fā)動機的示意圖。圖2是燃氣渦輪的若干級的示意圖。
圖3是渦輪葉片的側(cè)面截面圖。圖4是渦輪葉片尖端護罩的俯視圖。圖5是已知的冷卻孔出口的側(cè)面截面圖。圖6是具有如本文所描述的若干冷卻孔出口的渦輪葉片尖端護罩的俯視圖。圖7是圖6的冷卻孔出口的側(cè)面截面圖。圖8A是如本文所描述的冷卻孔出口的一個備選實施例的側(cè)面截面圖。圖8B是圖8A的冷卻孔出口的俯視圖。圖9A是如本文所描述的冷卻孔出口的一個備選實施例的側(cè)面截面圖。圖9B是圖9A的冷卻孔出口的俯視圖。圖IOA是如本文所描述的冷卻孔出口的一個備選實施例的側(cè)面截面圖。圖IOB是圖IOA的冷卻孔出口的俯視圖。圖IlA是如本文所描述的冷卻孔出口的一個備選實施例的側(cè)面截面圖。圖IlB是圖IlA的冷卻孔出口的俯視圖。部件列表10燃氣渦輪發(fā)動機12壓縮機14燃燒器16 渦輪18外部負載20 級22 第一級24 噴嘴26 葉片28 第二級30 噴嘴32 葉片34第三級36 噴嘴38 葉片40熱氣路徑42 平臺44 柄部46鳩尾榫48翼型部50尖端護罩52 尖端54冷卻孔56 出口58 直壁
100渦輪葉片
110翼型部
120尖端護罩
130尖端
140冷卻孔
150出口
160恒定的直徑
170直徑漸縮的長度
180直徑漸擴的長度
190表面
200頸部
210橢圓形形狀
220錐形形狀
230圓形截面
具體實施例方式現(xiàn)在參照附圖，其中同樣的標號在所有幾幅圖中指示同樣的元件，圖1顯示了燃 氣渦輪發(fā)動機10的示意圖。如已知的那樣，燃氣渦輪發(fā)動機10可包括壓縮機12，以壓縮進 入的空氣流。壓縮機12將壓縮的空氣流輸送到燃燒器14。燃燒器14使壓縮的空氣流與 壓縮的燃料流混合，且點燃混合物。(雖然僅顯示了單個燃燒器14，燃氣渦輪發(fā)動機10可 包括任何數(shù)量的燃燒器14。)熱的燃燒氣體轉(zhuǎn)而被輸送到渦輪16。熱的燃燒氣體驅(qū)動渦 輪16，以便產(chǎn)生機械功。在渦輪16中產(chǎn)生的機械功驅(qū)動壓縮機12和外部負載18，例如發(fā) 電機等。燃氣渦輪發(fā)動機10可使用天然氣、各種類型的合成氣，以及其它類型的燃料。燃 氣渦輪發(fā)動機10可具有其它構(gòu)造，且可使用其它類型的構(gòu)件?？稍诒疚闹泄餐褂枚鄠€燃 氣渦輪發(fā)動機10、其它類型的渦輪和其它類型的動力產(chǎn)生裝備。圖2顯示了渦輪16的若干級20。第一級22包括若干周向地隔開的第一級噴嘴 24和葉片26。同樣，第二級28包括若干周向地隔開的第二級噴嘴30和葉片32。另外，第 三級34包括若干周向地隔開的第三級噴嘴36和葉片38。級22、28、34定位在通過渦輪16 的熱氣路徑40中?？稍诒疚闹惺褂萌魏螖?shù)量的級20。圖3顯示了渦輪16的第二級28的葉片32的側(cè)面截面圖。如已知的那樣，各個葉 片32可具有平臺42、柄部44和鳩尾榫46。翼型部48可自平臺42起延伸，且終止于翼型 部48的尖端52附近的尖端護罩50中。尖端護罩50可與翼型部48整體地形成。其它構(gòu) 造是已知的。各個葉片32可具有在鳩尾榫46和翼型部48的尖端52的尖端護罩50之間延伸 的若干冷卻孔54。如圖4所示，冷卻孔54可具有延伸穿過尖端護罩50的出口 56。因而， 冷卻介質(zhì)(例如來自壓縮機12的空氣)可穿過冷卻孔54，且通過出口 56而在翼型部48的 尖端52附近離開，并且進入熱氣路徑40中。如圖5所示，出口 56的形狀大體為圓形，且大 體具有穿過其中的、具有相對恒定的直徑的直壁58?？墒褂闷渌鼧?gòu)造。圖6和7顯示了如本文所描述的渦輪葉片100。該渦輪葉片100包括翼型部110，翼型部110在其尖端130處延伸到尖端護罩120。渦輪葉片100可包括延伸穿過其中的若 干冷卻孔140?？稍诒疚闹惺褂萌魏螖?shù)量的冷卻孔140。冷卻孔140可延伸到尖端護罩120 附近的出口 150。冷卻孔140可穿過翼型部110具有基本恒定的直徑160。冷卻孔140可具有定位在尖端護罩120附近的會聚路徑或直徑漸縮的長度170。 然后冷卻孔140可朝向出口 150的表面190采取漸擴路徑或直徑漸擴的長度180。直徑漸 縮的長度170可比直徑漸擴的長度180更長。長度170、180可變化。漸縮直徑170和漸擴 直徑180可在頸部200處會合。頸部200可在尖端護罩120的表面190下面約100至300 密耳(約2. 54至7. 62毫米)。通過出口 150的及其它地方的冷卻孔140的深度、大小和構(gòu) 造在本文中可有所變化。使用會聚路徑或直徑漸縮的長度170有助于提高尖端護罩120的出口 150處的 傳熱系數(shù)。由于通過會聚形狀的增大的速度，對于相同的質(zhì)量流率，傳熱系數(shù)提高。使用 Dittus-Boelter關(guān)系式(強制對流)的計算顯示了可存在增大了約16%的傳熱系數(shù)。所 產(chǎn)生的傳熱系數(shù)可由于冷卻孔140的大小和形狀、通過其中的質(zhì)量流率、流體粘度和其它 變量而變化。同樣，在表面190處使用發(fā)散路徑或直徑漸擴的長度180提供了強大的再循環(huán)，以 形成薄膜層冷卻，以便對尖端護罩120提供額外的冷卻。這種流動提高了排放系數(shù)，且降低 了表面190附近的吹出。該再循環(huán)可以以每秒約120英尺(每秒約36. 6米)流動。該流 率在本文中可有所變化。本文所提供的改進的冷卻將導(dǎo)致渦輪葉片100總體上有更長的壽命。特別地，漸 縮直徑170和漸擴直徑180的組合通過在尖端護罩120的表面上形成薄膜層以及還通過提 高傳熱系數(shù)而提高了表面190處的冷卻效果。如在圖8A-8B和9A-9B中所示，直徑漸擴的長度180可采取基本橢圓形的形狀 210，而直徑漸縮的長度170可具有基本錐狀的形狀220，且具有基本圓形的截面230。漸縮 直徑170可定位在漸擴直徑180的任何一側(cè)附近。可在本文中使用其它類型的偏移位置。 同樣，如圖10A-10B中所示，漸縮直徑170可定位在漸擴直徑180的中間。如圖IlA-IlBK 示，漸擴直徑180還可采取基本圓形的形狀230。可在本文中使用其它形狀、位置和構(gòu)造。應(yīng)當(dāng)理解，前述內(nèi)容僅涉及本申請的優(yōu)選實施例，且本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可在不 偏離所附的權(quán)利要求書及其等效物限定的本發(fā)明的一般精神和范圍的情況下在本文中作 出許多改變和修改。
權(quán)利要求
一種渦輪葉片(100)，包括翼型部(110)；定位在所述翼型部(110)的尖端(130)上的尖端護罩(120)；以及延伸穿過所述翼型部(110)和所述尖端護罩(120)的多個冷卻孔(140)；所述多個冷卻孔(140)中的一個或多個包括所述尖端護罩(120)附近的直徑漸縮的長度(170)；并且所述多個冷卻孔(140)中的所述一個或多個包括所述尖端護罩(120)的表面(190)附近的直徑漸擴的長度(180)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片(100)，其特征在于，所述多個冷卻孔(140)中的 所述一個或多個包括所述直徑漸縮的長度(170)與所述直徑漸擴的長度(180)之間的頸部 (200)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片(100)，其特征在于，所述直徑漸擴的長度(180)包 括基本橢圓形的形狀(210)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片(100)，其特征在于，所述直徑漸擴的長度(180)包 括基本圓形的形狀(230)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片(100)，其特征在于，所述直徑漸縮的長度(170)包 括基本橢圓形的形狀(210)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片(100)，其特征在于，所述直徑漸縮的長度(170)包 括基本圓形的形狀(230)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片(100)，其特征在于，所述直徑漸縮的長度(170)包 括離所述直徑漸擴的長度(180)的偏移位置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片(100)，其特征在于，所述直徑漸縮的長度(170)包 括第一長度，且所述直徑漸擴的長度(180)包括第二長度，并且其中，所述第一長度大于所 述第二長度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片(100)，其特征在于，所述渦輪葉片(100)進一步包 括第二級葉片。
10.一種冷卻渦輪葉片(100)的方法，包括使空氣流過延伸穿過所述葉片(140)的多個冷卻孔(140)；使所述空氣流過所述多個冷卻孔(140)中的直徑漸縮的長度(170)；以及使所述空氣流過所述多個冷卻孔(140)的出口(150)附近的直徑漸擴的長度(180)。
全文摘要
本發(fā)明涉及渦輪葉片尖端護罩的冷卻孔出口。提供了一種用于燃氣渦輪發(fā)動機(10)的渦輪葉片(100)。該渦輪葉片(100)可包括翼型部(110)、定位在翼型部(110)的尖端(130)上的尖端護罩(120)，以及延伸穿過翼型部(110)和尖端護罩(120)的若干冷卻孔(140)。冷卻孔(140)中的一個或多個可包括尖端護罩(120)附近的直徑漸縮的長度(170)，以及尖端護罩(120)的表面(190)附近的直徑漸擴的長度(180)。
文檔編號F01D5/18GK101929358SQ201010220320
公開日2010年12月29日 申請日期2010年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月24日
發(fā)明者S·N·吉里 申請人:通用電氣公司