專利名稱：燃?xì)鉁u輪葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及渦輪葉片，且更具體地涉及燃?xì)鉁u輪葉片，其包括:根部；以及具有前緣和后緣的翼型；冷卻空氣通道系統(tǒng)，其從根部?jī)?nèi)的冷卻空氣開口經(jīng)由迂回蜿蜒通道延伸到后緣處的后緣通道，其在后緣處包括空氣出口。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪在高溫運(yùn)行，該高溫可能達(dá)到1200攝氏度及更高。因此，渦輪葉片必須能夠承受這樣的高溫。為了延長(zhǎng)葉片的壽命，其通常包含冷卻系統(tǒng)來引導(dǎo)冷卻空氣通過葉片。燃?xì)鉁u輪葉片包括根部、平臺(tái)和從平臺(tái)向外延伸的翼型，翼型包括尖端、前緣和后緣。在燃?xì)鉁u輪運(yùn)轉(zhuǎn)期間，在渦輪葉片的一些區(qū)域中可產(chǎn)生高應(yīng)力。在翼型轂區(qū)域和轂處的后緣區(qū)域內(nèi)存在特定的壽命受限區(qū)，其在翼型的下游側(cè)形成相對(duì)薄的壁。由于其相對(duì)薄的結(jié)構(gòu)以及在運(yùn)轉(zhuǎn)期間的高應(yīng)力，后緣極易形成裂紋，這會(huì)導(dǎo)致翼型失效。冷卻系統(tǒng)包含內(nèi)部冷卻通道，其從燃?xì)鉁u輪的壓縮機(jī)接收空氣并使得空氣通過葉片。冷卻通道包括多個(gè)流路，其被設(shè)計(jì)成將渦輪葉片保持在相對(duì)均勻的溫度。不過，有時(shí)離心力和邊界層處的空氣流動(dòng)會(huì)阻止適度冷卻渦輪葉片的某些區(qū)，從而導(dǎo)致形成局部熱點(diǎn)，這會(huì)減少渦輪葉片的使用壽命。翼型中的冷卻系統(tǒng)可以包括冷卻空氣通路以便最大化翼型尖端和后緣中的對(duì)流冷卻，并且將一部分冷卻空氣通過翼型的尖端和后緣內(nèi)的冷卻孔排出。這樣的渦輪葉片是已知的，例如從美國(guó)專利4278400可知。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提供在翼型的后緣部分具有高冷卻能力的燃?xì)鉁u輪葉片。根據(jù)本發(fā)明通過如上所述的燃?xì)鉁u輪葉片來實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，其中冷卻空氣通道系統(tǒng)包括繞過蜿蜒通道將根部?jī)?nèi)的所述冷卻空氣開口連接于后緣通道的空氣旁路通道。潤(rùn)輪發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)彳丁導(dǎo)致在潤(rùn)輪葉片的多個(gè)區(qū)域中廣生聞應(yīng)力。在翼型后緣中存在一個(gè)特殊的高應(yīng)力區(qū)域，該翼型后緣是形成相對(duì)較薄邊緣的翼型的一部分。因?yàn)楹缶壪鄬?duì)較薄并且是在運(yùn)行期間易于發(fā)生高應(yīng)力的區(qū)域，所以后緣極易受到裂紋形成的影響，這可導(dǎo)致翼型的失效。利用旁路通道，來自根部?jī)?nèi)的開口的冷空氣被直接引導(dǎo)到后緣通道而不會(huì)在徑向通道或蜿蜒通道內(nèi)被加熱，從而非常有效地冷卻后緣。冷卻空氣經(jīng)由根部的徑向內(nèi)側(cè)的開口被供應(yīng)到翼型的內(nèi)部。這樣的根部可具有多于一個(gè)的開口。如已知的那樣，一個(gè)開口可將空氣供應(yīng)到蜿蜒通道且進(jìn)一步供應(yīng)到后緣通道，并且另一開口可作為旁路將空氣直接供應(yīng)到后緣通道。然而，如果所述開口中的一個(gè)用于將空氣供應(yīng)到前緣區(qū)域，那么僅剩下一個(gè)可用于將空氣供應(yīng)到后緣區(qū)域或通道的開口。本發(fā)明提出了尤其針對(duì)葉片的有益方案，其具有多于一個(gè)的開口，尤其是僅兩個(gè)開口，其中僅一個(gè)開口將空氣供應(yīng)到后緣。該一個(gè)開口用于供應(yīng)蜿蜒通道以及旁路通道，有效地冷卻葉片的外壁和后緣。后緣通道可平行于葉片的后緣延伸，直接通向后緣或圍繞后緣的區(qū)域中的一個(gè)或多個(gè)出口。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，旁路的最窄寬度是翼型的翼弦寬度且從而前緣16和后緣18之間的距離(尤其是靠近形成根部的頂部的平臺(tái)的翼弦寬度)的至少10%。當(dāng)從根部?jī)?nèi)的同一開口向旁路通道和蜿蜒通道供給時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意的事實(shí)是:足夠的冷卻空氣經(jīng)由旁路通道被供應(yīng)。旁路通道因此應(yīng)當(dāng)在液力直徑上較大，尤其是在翼型的翼弦寬度的10%和15%之間。該寬度可以是界定旁路通道的壁之間的距離，尤其是在從前緣延伸到后緣的平面內(nèi)。基于相同理由，如果旁路的最窄寬度大于分出旁路通道的冷卻通道的寬度的一半，那么這是有利的。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，冷卻空氣通道系統(tǒng)包括至少部分地位于根部?jī)?nèi)的根部通道，旁路通道在根部之內(nèi)從根部通道分出。由于對(duì)根部之內(nèi)的空氣的加熱是相當(dāng)?shù)偷?，因此該?shí)施例確保旁路空氣在到達(dá)后緣通道時(shí)是冷的。根部通道相比于旁路分支可從根部?jī)?nèi)的開口延伸到更下游的徑向通道。如果旁路通道被設(shè)置成其長(zhǎng)度的至少一半位于根部之內(nèi)，尤其是在葉片的平臺(tái)的徑向內(nèi)側(cè)，則對(duì)旁路通道區(qū)域內(nèi)的葉片的加熱被保持得較低，確保了對(duì)后緣的有效冷卻。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，臺(tái)座位于旁路通道中，所述臺(tái)座被穿過旁路通道的冷卻空氣包圍。來自待冷卻的區(qū)域的熱可被有效地傳遞到冷卻空氣。臺(tái)座可將翼型的壓力側(cè)壁連接于吸力側(cè)壁或者可以僅連接于突出到旁路通道中的壁之一。如果旁路所通向的后緣通道至少在旁路開口的區(qū)域內(nèi)包括臺(tái)座，則可以獲得用于均勻冷卻后緣的連續(xù)空氣流動(dòng)。基于相同理由，優(yōu)選的是每單位面積的臺(tái)座的數(shù)量，即阻塞效應(yīng)，在旁路通道和后緣通道中相同。而且，優(yōu)選的是旁路通道中的臺(tái)座和后緣通道中的臺(tái)座是相同類型。特別地，所述臺(tái)座具有相同形狀和尺寸。如果旁路直接通向后緣則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)后緣的有效冷卻。這正是如下情況那樣:當(dāng)進(jìn)入后緣通道到達(dá)后緣內(nèi)的最近空氣出口的旁路通道的開口和/或后緣通道的開口之間的距離小于將后緣連接于前緣的平面內(nèi)的旁路通道的最窄寬度的三倍時(shí)。在本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例中，旁路在從根部到尖端的徑向方向上通向后緣通道。由于葉片的旋轉(zhuǎn)，徑向力作用在流動(dòng)通過旁路通道的冷卻空氣上。所述流動(dòng)由徑向開口來維持，確保了通過旁路通道的冷卻空氣的充分流動(dòng)。


雖然以具體指明并清楚要求本發(fā)明的權(quán)利要求來總結(jié)了說明書，不過現(xiàn)在將參考附圖僅通過示例方式描述本發(fā)明的實(shí)施例，附圖中:
圖1示出了包括根部和翼型的渦輪葉片的立體圖，
圖2示出了具有用于引導(dǎo)冷卻空氣通過翼型的通道的渦輪葉片的橫截面圖，以及 圖3示出了翼型尖端的俯視圖。
具體實(shí)施例方式參考圖1，示出了用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的示例性渦輪葉片2。葉片2包括翼型4和根部6，該根部6用于常規(guī)地將葉片2固定到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子盤以便將葉片2支撐在渦輪的工作介質(zhì)流動(dòng)路徑內(nèi)，在此工作介質(zhì)氣體在其表面上施加原動(dòng)力。參考圖1和圖2，翼型4具有圍繞中空內(nèi)部14的外壁8。翼型外壁8包括大體凹入的壓力側(cè)壁10和大體凸出的吸力側(cè)壁12 (圖3)，所述壓力側(cè)壁10和吸力側(cè)壁12沿寬度方向分開從而在其間限定中空內(nèi)部14。壓力側(cè)壁和吸力側(cè)壁10、12在上游前緣16和下游后緣18之間延伸并在上游前緣16和下游后緣18處被連結(jié)在一起。前緣16和后緣18軸向或弦向彼此分開。翼型4沿由翼型4的翼展限定的葉片2的縱向或徑向方向從徑向內(nèi)翼型平臺(tái)20向翼型4的尖端24的徑向外葉片尖端表面22徑向延伸。如圖2所示，在中空內(nèi)部14內(nèi)限定兩個(gè)冷卻流體通道系統(tǒng)26、28。冷卻流體通道系統(tǒng)26、28沿翼展方向延伸通過渦輪葉片2并且二者均流體連通于冷卻流體源且彼此分開。冷卻流體通道系統(tǒng)26、28均穿過翼型4并且在壓力側(cè)壁10和吸力側(cè)壁12之間沿其整個(gè)長(zhǎng)度延伸以便將熱量從翼型側(cè)壁10、12的表面?zhèn)鬟f到冷卻流體并且保持葉片2的溫度低于最大允許溫度。冷卻流體通道系統(tǒng)26包括徑向通道30和沿空氣流動(dòng)方向緊隨徑向通道30的軸向通道32。冷卻流體通道系統(tǒng)26從外壁8內(nèi)側(cè)的根部6的徑向內(nèi)端處的開口 34直接沿前緣16延伸、直接相鄰于前緣16從前緣16徑向內(nèi)開端直到尖端底部36從而形成與尖端24的延伸相平行的壁。貫穿該通路，通道系統(tǒng)26沒有分支從而將其冷卻空氣沿前緣16全部供應(yīng)到尖端底部36并且非常有效地冷卻前緣16。沿其進(jìn)一步路線，冷卻流體通道系統(tǒng)26，或更精確地，其軸向通道32結(jié)束于多個(gè)空氣出口 38、40、42，所有這些出口均設(shè)置在翼型4的尖端24處。因此，穿過內(nèi)部開口 34進(jìn)入冷卻流體通道系統(tǒng)26的所有冷卻空氣均被引導(dǎo)到尖端24頂部處的出口 38、40、42。第二冷卻流體通道系統(tǒng)28也開始于葉片2的根部6的徑向內(nèi)端中的開口 44并且沿翼展方向延伸到尖端24。不過，該系統(tǒng)28分叉成多個(gè)通道:兩個(gè)平行徑向通道46、48，蜿蜒流動(dòng)通道50，尖端通道52，旁通通道54和后緣通道56。徑向通道46平行于前緣通道30延伸并且通向尖端通道52和蜿蜒流動(dòng)通道50。徑向通道48被攔截的徑向壁58分隔于徑向通道46、也平行于前緣通道30延伸并且通向尖端通道52和蜿蜒流動(dòng)通道50。蜿蜒流動(dòng)通道50開始于徑向通道46、48的端部，以兩個(gè)U形轉(zhuǎn)彎從徑向向外方向延伸成徑向向內(nèi)并再次徑向向外，并且通向后緣通道56。通過U形轉(zhuǎn)彎壁60來引導(dǎo)徑向向內(nèi)U形轉(zhuǎn)彎，該壁60界定U形轉(zhuǎn)彎并且以至少150度的角度從徑向向內(nèi)轉(zhuǎn)成徑向向外。后緣通道56可以結(jié)束于設(shè)置在后緣18內(nèi)的多個(gè)出口，其中圖1和圖2示出的特定實(shí)施例僅包括一個(gè)后端出口 62，其被形成為徑向裂縫并且延伸過后緣18的徑向長(zhǎng)度的80%。后緣通道56被成形為類似于沿其軸向側(cè)到出口(相應(yīng)地出口 62)中的后緣開放的徑向通路。旁通通道54將從開口 44延伸到徑向通道46、48的根部通道64直接連接于后緣通道56，從而將冷卻空氣直接從根部通道64引導(dǎo)到后緣通道56。旁通通道54在其從根部通道64到后緣通道56的路線期間彎曲，從而沿徑向向外方向通向后緣通道56的直接位于后緣18的出口裂縫處的區(qū)段，因此直接通向后緣18且相應(yīng)地通向后緣空氣出口 62。根部通道64完全位于葉片2的根部6內(nèi)，因此低于平臺(tái)20，即位于平臺(tái)20的徑向內(nèi)部。旁通通道64被定位成其長(zhǎng)度的至少一半(具體地多于其長(zhǎng)度的3/4)低于平臺(tái)20。為了向后緣通道56供應(yīng)充足的冷空氣，旁通通道54的最窄通道寬度66大于分出旁通通道54的根部通道64的寬度的一半。這個(gè)最窄寬度是翼型的翼弦寬度(從而前緣16和后緣18之間的長(zhǎng)度)的大約11%。在旁通通道54的這個(gè)最窄部分中，其垂直于通道寬度66的寬度，也就是說沿從吸力側(cè)壁14到壓力側(cè)壁10的方向的寬度，大于旁通通道54在其進(jìn)入后緣通道56的開放區(qū)域中沿從吸力側(cè)壁14到壓力側(cè)壁10的方向的寬度。在后緣通道56內(nèi)部，多個(gè)臺(tái)座68被定位成被流過后緣56的冷卻空氣所圍繞。臺(tái)座68被形成為圓形臺(tái)柱，其將壓力側(cè)壁10連接于吸力側(cè)壁12并且將外壁8中生成的熱量傳輸?shù)胶缶壨ǖ?6內(nèi)。相同類型的臺(tái)座68位于蜿蜒通道50和旁通通道54的下游區(qū)段內(nèi)，該下游區(qū)段延伸旁通通道54的總長(zhǎng)度的大約2/3，其中每單位面積的臺(tái)座68的數(shù)量在旁通通道54和后緣通道56內(nèi)可以是相同的。兩個(gè)冷卻空氣通道系統(tǒng)26、28為尖端24內(nèi)的出口 38、40、42、70供應(yīng)冷卻空氣，不過通道系統(tǒng)26僅供應(yīng)尖端24內(nèi)的出口 38、40、42而通道系統(tǒng)28供應(yīng)尖端24內(nèi)的至少一個(gè)空氣出口 70和翼型4的后緣處的至少一個(gè)空氣出口 62。圖3中最佳可見尖端24內(nèi)的空氣出口 38、40、42、70的設(shè)置。圖3以俯視圖示出了翼型2的尖端24。尖端24包括肋72或突出壁，其形成外壁8的徑向最外側(cè)區(qū)段、完全地繞尖端24的底部36延伸并且優(yōu)選地使得葉片2的長(zhǎng)度的1%_2%或翼型4的長(zhǎng)度的2%-3%抬升于底部36之上。底部36包含出口 38、40和灰塵出口 74，出口 38形成第一組，并且出口 40形成第二組。第一組出口 38被設(shè)置在尖端24的前緣16上和前緣區(qū)段76內(nèi)，為方便起見稱之為尖端24的頂部的前緣。這個(gè)區(qū)段76從前緣16延伸到圖3所示的假想線，該假想線與葉片2的骨架線80垂直并且穿過翼型4的上游表面或壓力側(cè)表面10。在圖3所示實(shí)施例中，這個(gè)區(qū)段76朝向后緣18延伸一定距離，該距離是前緣16和后緣18之間的距離的1/10。第二組出口 40被設(shè)置在尖端24的壓力側(cè)區(qū)段78，為方便起見稱之為尖端24的頂部的壓力側(cè)，其從壓力側(cè)壁10延伸到骨架線80。兩組出口 38、40均由第一冷卻空氣通道系統(tǒng)26供給。通過在底部36內(nèi)均設(shè)置成直接鄰近肋72的三個(gè)孔來形成第一組出口 38。通過在底部36內(nèi)也均設(shè)置成直接鄰近肋72的五個(gè)孔來形成第二組出口 40，但所述孔之間的距離比第一組出口 38中的寬。第一組的孔均具有比第二組的孔的直徑小的相同直徑。出口 40距彼此的距離不相等。中間出口 40距其相鄰出口 40的距離大于該組的最外側(cè)出口 40距其相鄰出口 40的距離。在兩組出口 38、40之間是從第一組延伸到第二組的無出口區(qū)。這個(gè)區(qū)沿從前緣16到后緣18的方向觀察要大于第一組出口 38的直徑并且大于第二組出口 40的孔之間的最長(zhǎng)距離。在如圖3所示從后緣18延伸到假想線大約延伸距前緣16距離的30%的尖端24后緣區(qū)段82 (為方便起見稱為尖端24的頂部的后緣)中，設(shè)置出口 42、70。它們被形成為槽或裂縫，其直接由肋72或突出壁界定并且徑向指向外并且朝向后緣18傾斜成與徑向方向成大約70度，其中0度是絕對(duì)徑向并且90度是平行于底部。由于這種傾斜，所以兩個(gè)出口 42、70均由壁徑向界定。通過底部36和將第一冷卻通道系統(tǒng)26分離于第二冷卻通道系統(tǒng)28的壁84來界定出口 42。通過壁84和通向肋72的后緣端部的壁86來界定出口 70。
權(quán)利要求
1.一種燃?xì)鉁u輪葉片(2)，包括:根部(6)和翼型(4)，該翼型(4)具有前緣(16)和后緣(18);冷卻空氣通道系統(tǒng)(28)，從根部(6)內(nèi)的冷卻空氣開口(44)經(jīng)由迂回蜿蜒通道(50)延伸到后緣(18)處的后緣通道(56)，在后緣(18)處包括空氣出口(62)， 其特征在于，冷卻空氣通道系統(tǒng)(28 )包括繞過蜿蜒通道(50 )將根部(6 )內(nèi)的所述冷卻空氣開口(44)連接于后緣通道(56)的空氣旁路通道(54)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)鉁u輪葉片(2)， 特征在于旁路通道(54)的最窄寬度是翼型(4)的翼弦寬度的至少10%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的燃?xì)鉁u輪葉片(2)， 特征在于旁路通道(54)的最窄寬度大于分出旁路通道的冷卻通道(64)的寬度的一半。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃?xì)鉁u輪葉片(2)， 特征在于，冷卻空氣通道系統(tǒng)(28)包括至少部分地位于根部(6)內(nèi)的根部通道(64)，旁路通道(54 )在根部(6 )之內(nèi)從根部通道(64 )分出。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃?xì)鉁u輪葉片(2)， 特征在于旁路通道(54)被設(shè)置成其長(zhǎng)度的至少一半位于根部(6)之內(nèi)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃?xì)鉁u輪葉片(2)， 特征在于被冷卻空氣流包圍的臺(tái)座(68)位于旁路通道(54)中。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃?xì)鉁u輪葉片(2)， 特征在于旁路通道(54)所通向的后緣通道(56)至少在旁路開口的區(qū)域內(nèi)包括臺(tái)座(68)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的燃?xì)鉁u輪葉片(2)， 每單位面積的臺(tái)座(68)的數(shù)量在旁路通道(54)和后緣通道(56)中相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求6、7或8所述的燃?xì)鉁u輪葉片(2)， 旁路通道(54)中的臺(tái)座(68)和后緣通道(56)中的臺(tái)座(68)具有相同形狀和尺寸。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃?xì)鉁u輪葉片(2)， 特征在于芳路通道(54)直接通向后緣(18)。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的燃?xì)鉁u輪葉片(2)， 特征在于旁路通道(54)在從翼型的根部(6)到尖端(24)的徑向方向上通向后緣通道(56)。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪葉片(2)，其包括根部(6)和翼型(4)，該翼型具有前緣(16)和后緣(18)；冷卻空氣通道系統(tǒng)(28)，其從根部(6)內(nèi)的冷卻空氣開口(44)經(jīng)由迂回蜿蜒通道(50)延伸到后緣(18)處的后緣通道(56)，在后緣(18)處包括空氣出口(62)。為了有效地冷卻葉片(2)的后緣(18)，提出該冷卻空氣通道系統(tǒng)(28)包括繞過蜿蜒通道(50)將根部(6)內(nèi)的所述冷卻空氣開口(44)連接于后緣通道(56)的空氣旁路通道(54)。
文檔編號(hào)F01D5/18GK103119247SQ201180030863
公開日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2011年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月23日
發(fā)明者V.布雷格曼, M.佩圖克霍夫斯基 申請(qǐng)人:西門子公司, Ooo西門子公司