本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動機葉片凹槽狀葉頂和用于冷卻燃?xì)鉁u輪發(fā)動機凹槽狀葉頂?shù)姆椒?。更具體地，本發(fā)明的實施例涉及冷卻狹槽和葉頂肋片，所述冷卻狹槽和葉頂肋片形成在凹槽狀葉頂軌道中以便沿凹槽狀葉頂壓力側(cè)軌道的內(nèi)側(cè)邊緣引導(dǎo)冷卻氣流。分段式吸力側(cè)軌道實施例在與壓力側(cè)軌道潛在接觸之前刮磨相對的渦輪外殼耐磨表面，從而降低壓力側(cè)軌道摩擦加熱的可能性。

背景技術(shù)：

已知的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機包含被渦輪外殼或殼體周向約束的軸安裝式渦輪葉片。流動通過渦輪葉片的熱氣體引起葉片旋轉(zhuǎn)，葉片旋轉(zhuǎn)將熱氣體內(nèi)的熱能轉(zhuǎn)化為機械功，所述機械功可用于為旋轉(zhuǎn)機械（諸如發(fā)電機）供能。參考圖1到圖4，已知的渦輪發(fā)動機（諸如燃?xì)鉁u輪發(fā)動機30）包括多級壓縮機部段32、燃燒器部段34、多級渦輪部段36和排氣系統(tǒng)38。大氣壓力進氣總體沿流動箭頭F的方向沿渦輪發(fā)動機30的軸向長度被吸入壓縮機部段32內(nèi)。進氣在壓縮機部段32中通過數(shù)行旋轉(zhuǎn)壓縮機葉片逐步加壓，并且通過匹配的壓縮機導(dǎo)葉被引導(dǎo)至燃燒器部段34，在所述燃燒器處，進氣與燃料混合并被點燃。點燃的燃料/空氣混合物（現(xiàn)在處于比原始進氣更大的壓力和溫度下）被引導(dǎo)至渦輪部段36中的多個順序行R₁、R₂等。發(fā)動機的轉(zhuǎn)子和軸39具有多行翼型橫截面形狀的渦輪葉片40，所述渦輪葉片40終止于壓縮機部段32和渦輪部段36中的遠端葉片凹槽狀葉頂46中。為了方便性和簡潔性，對發(fā)動機中的渦輪葉片和耐磨層的進一步論述將集中于渦輪部段36的實施例和應(yīng)用上，不過類似的構(gòu)造也適用于壓縮機部段32。每個葉片40均具有凹形輪廓壓力側(cè)42和凸形吸力側(cè)44。沿燃燒流動方向F流動的高溫和高壓燃燒氣體在葉片40上賦予旋轉(zhuǎn)運動，從而使轉(zhuǎn)子39轉(zhuǎn)動。如眾所周知的那樣，賦予于轉(zhuǎn)子軸上的一些機械功率可用于執(zhí)行有用功。燃燒氣體在轉(zhuǎn)子的徑向遠側(cè)由渦輪外殼60約束且在轉(zhuǎn)子近側(cè)由氣封件約束。參考圖2中所示的行1部段和圖3中相同葉片40的透視圖，相應(yīng)的上游導(dǎo)葉62總體上平行于渦輪葉片的前邊緣48的入射角來引導(dǎo)上游燃燒氣體，并且下游導(dǎo)葉使離開葉片的后邊緣50的下游燃燒氣體轉(zhuǎn)向。

渦輪發(fā)動機30的渦輪外殼60（接近葉片凹槽狀葉頂46）布有多個扇形耐磨部件64，每個耐磨部件均具有：支撐表面，其固持在外殼60內(nèi)并聯(lián)接到外殼60；以及耐磨襯底66，其通過葉頂間隙G與葉頂成相對的、間隔分開的關(guān)系。耐磨襯底常常由金屬/陶瓷材料建構(gòu)，所述材料具有高耐熱性和耐熱蝕性，并且在高燃燒溫度下維持結(jié)構(gòu)完整性。作為耐磨表面66，金屬-陶瓷材料常常比渦輪葉頂46材料更加耐磨，維持葉頂間隙G以避免兩個相對的部件之間的接觸，所述接觸在最好的情況下可能引起葉頂過早磨損且在更糟糕的情形下可能引起發(fā)動機損壞。

除了期望防止葉頂46過早磨損或與耐磨襯底66接觸之外，為了實現(xiàn)理想的氣流和動力效率，每個相應(yīng)的葉頂46均期望地具有相對于耐磨部件64盡可能小的均勻的葉頂間隙G（理想地為零空隙），以使凹形壓力葉片側(cè)42與凸形吸力葉片側(cè)44之間以及軸向地沿燃燒流動方向F的葉頂氣流泄漏L最小化。然而，制造和操作權(quán)衡需要葉頂間隙G大于零。這種權(quán)衡包括相互作用的部件的公差累加，使得建構(gòu)在更高端部（具有可接受的徑向長度公差）上的葉片和建構(gòu)在更低端部（具有可接受的徑向公差）上的耐磨部件耐磨襯底66在操作期間不過度彼此影響。類似地，在發(fā)動機組裝期間，小機械對齊方差能夠引起葉頂間隙G的局部變化。例如，在具有數(shù)米的軸向長度的渦輪發(fā)動機（具有內(nèi)徑為多米的渦輪外殼耐磨襯底66）中，極小的機械對齊方差能夠賦予幾毫米的局部葉頂間隙G方差。

在渦輪發(fā)動機30操作期間，渦輪發(fā)動機外殼60可經(jīng)歷失圓（例如，雞蛋形）熱變形。外殼60的熱變形潛在性在渦輪發(fā)動機30的操作循環(huán)之間增加，因為發(fā)動機被發(fā)動以生成動力且隨后在發(fā)電幾千小時之后被冷卻以便維修。通常，相比于側(cè)向的右和左周向位置（即，3:00和9:00位置），更大的外殼60和耐磨部件64變形趨于在最上和最下外殼周向位置（即，6:00和12:00位置）處發(fā)生。例如，如果6:00位置處的外殼變形引起葉頂與耐磨襯底66接觸，則葉頂凹槽46中的一個或多個可以在操作期間磨損，從而使位于渦輪外殼60的各種其它更小程度變形的周向部分中附近的葉頂間隙從理想間隙G增大到更大間隙。過度的葉片間隙變形增加葉頂泄漏L，從而將熱的燃燒氣體引離渦輪葉片40翼型，從而降低渦輪發(fā)動機的效率。

圖3到圖6中更詳細(xì)地示出示例性葉片40凹槽狀葉頂46構(gòu)造及其與渦輪外殼耐磨表面66的相互作用。凹槽狀葉頂46具有翼型平面形狀葉頂板56，其在其前邊緣48下游和其后邊緣50上游沿其外周邊具有相對的且側(cè)向分開的向外或徑向突出的凹形壓力軌道52和凸形吸力軌道54，所述軌道分別具有相對的內(nèi)面和外面。封閉的葉頂腔57被限定在從前邊緣48到后邊緣50在葉頂板56與壓力軌道52（在圖4中也參考為壓力軌道內(nèi)表面53）及吸力軌道54的相應(yīng)內(nèi)面之間。參考在凹槽狀葉頂46與耐磨表面（為更清楚地觀察流動流線，未示出耐磨表面）之間及在所述兩者周圍的氣流的流線模擬，壓力側(cè)氣流F_P在前邊緣48周圍被偏轉(zhuǎn)并分開而不與壓力側(cè)軌道52接觸，從而允許熱集中在壓力軌道的外面上。這種過度的熱集中能夠引起壓力軌道52被侵蝕，從而使葉片過早地磨損且不期望地增大葉頂間隙，如先前所描述的那樣。燃燒氣體流F_T不期望地從凹槽狀葉頂46的頂部上穿過葉頂間隙，但大部分燃燒氣體流被引離壓力軌道內(nèi)表面53朝向吸力側(cè)軌道，從而沿壓力軌道內(nèi)表面形成另一個潛在的熱集中區(qū)。沿葉頂46的吸力側(cè)44的氣流F_S被引導(dǎo)朝向葉片后邊緣50，在所述后邊緣50處其不能夠輔助從壓力軌道52熱集中區(qū)傳遞熱量。如先前提及的，凹槽狀葉頂46壓力軌道52與耐磨表面46之間的摩擦接觸也不期望地增加壓力軌道區(qū)域的熱集中。

圖7中示出另一個已知的常規(guī)葉片凹槽狀葉頂146，其具有分段式壓力側(cè)軌道152，且所述壓力側(cè)軌道152帶有接近凹槽狀葉頂146后邊緣150的狹槽158。在該實施例中，吸力側(cè)軌道154從前邊緣148向下游到后邊緣150是連續(xù)的。軌道152、154和在下的葉頂板（未示出）形成凹槽狀葉頂腔157。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，所建議的目標(biāo)是通過降低凹槽狀葉頂壓力軌道操作溫度（通過沿壓力軌道的內(nèi)側(cè)表面增加冷卻氣流）來減小渦輪葉片凹槽狀葉頂磨損。

另一個所建議的目標(biāo)是通過降低凹槽狀葉頂壓力軌道操作溫度（通過壓力軌道與發(fā)動機的相對耐磨表面之間的減小的接觸）來減小渦輪葉片凹槽狀葉頂磨損。減小或消除壓力軌道與耐磨表面的接觸減小了壓力側(cè)軌道滑動摩擦加熱的可能性。

在一個或多個示例性實施例中，通過燃?xì)鉁u輪發(fā)動機葉片凹槽狀葉頂來實現(xiàn)這些和其它目標(biāo)，其中所述葉片凹槽狀葉頂包含冷卻狹槽，所述冷卻狹槽在前邊緣下游形成于吸力側(cè)軌道中，以便沿凹槽狀葉頂壓力側(cè)軌道的內(nèi)側(cè)邊緣引導(dǎo)冷卻氣流。一些實施例包含在吸力側(cè)軌道上接近冷卻狹槽的葉頂肋片（fin）。分段式吸力側(cè)軌道實施例在與壓力側(cè)軌道潛在接觸之前刮磨相對的渦輪外殼耐磨表面，從而減小壓力側(cè)軌道摩擦加熱的可能性。在渦輪發(fā)動機操作期間，更冷的壓力側(cè)軌道減小了凹槽狀葉頂侵蝕的可能性。

示例性實施例以燃?xì)鉁u輪發(fā)動機葉片凹槽狀葉頂為特征，其包括翼型平面形狀葉頂板，所述葉頂板在其前邊緣下游和其后邊緣上游沿其外周邊具有相對的且側(cè)向分開的突出的凹形壓力軌道和凸形吸力軌道，所述軌道分別具有內(nèi)面和外面。封閉的葉頂腔被限定在從前邊緣到后邊緣葉頂板與壓力軌道及吸力軌道的相應(yīng)內(nèi)面之間。在前邊緣下游穿過吸力軌道的相應(yīng)內(nèi)面和外面形成至少一個狹槽。該狹槽與葉頂腔連通并且被取向為用于引導(dǎo)冷卻空氣流動通過該處并沿壓力軌道內(nèi)面向下游流動。這些葉片凹槽狀葉頂在方法實施例中用于冷卻燃?xì)鉁u輪發(fā)動機，所述燃?xì)鉁u輪發(fā)動機包括轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有由此徑向突出的葉片，并且其中葉片凹槽狀葉頂與由渦輪外殼支撐的周向耐磨層成相對關(guān)系。通過以下步驟執(zhí)行所述方法：提供并安裝渦輪葉片，所述渦輪葉片具有前述的葉片凹槽狀葉頂；以及操作發(fā)動機使得冷卻空氣沿壓力軌道內(nèi)面向下游流動并且流動通過前邊緣下游穿過吸力軌道的相應(yīng)內(nèi)面和外面形成的狹槽。

額外的實施例以一種用于通過提供一種渦輪葉片來制造燃?xì)鉁u輪發(fā)動機葉片凹槽狀葉頂壓力側(cè)軌道的方法為特征，所述渦輪葉片帶有：翼型平面形狀的葉頂板，所述葉頂板在其前邊緣下游和其后邊緣上游沿其外周邊具有相對的且側(cè)向分開的突出的凹形壓力軌道和凸形吸力軌道，所述軌道分別具有內(nèi)面和外面；以及封閉的葉頂腔，其被限定在從前邊緣到后邊緣在葉頂板與壓力軌道及吸力軌道的相應(yīng)內(nèi)面之間。針對在葉頂中在前邊緣下游穿過吸力軌道的相應(yīng)內(nèi)面和外面的至少一個狹槽確定位置，并且其中所述狹槽與葉頂腔連通并且被取向成用于引導(dǎo)冷卻空氣流動通過該處并沿壓力軌道內(nèi)面向下游流動。在所確定的位置處在葉頂中形成狹槽。

其它實施例以燃?xì)鉁u輪發(fā)動機為特征，所述燃?xì)鉁u輪發(fā)動機包括轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有由此徑向突出的葉片，并且其中每個葉片均具有包括翼型平面形狀葉頂板的凹槽狀葉頂，所述葉頂板在其前邊緣下游和其后邊緣上游沿其外周邊具有相對的且側(cè)向分開的突出的凹形壓力軌道和凸形吸力軌道，所述軌道分別具有內(nèi)面和外面。凹槽狀葉頂包括封閉的葉頂腔，所述封閉的葉頂腔被限定在從前邊緣到后邊緣葉頂板與壓力軌道及吸力軌道的相應(yīng)內(nèi)面之間。在前邊緣下游穿過壓力軌道的相應(yīng)內(nèi)面和外面形成至少一個狹槽。每個相應(yīng)的狹槽均與葉頂腔連通并且被取向成用于引導(dǎo)冷卻空氣流動通過該處并沿壓力軌道內(nèi)面向下游流動。

可由本領(lǐng)域技術(shù)人員以任何組合或子組合共同地或各自地應(yīng)用示例性實施例的相應(yīng)目標(biāo)和特征。

附圖說明

通過結(jié)合附圖考慮以下詳細(xì)描述，能夠容易地理解本發(fā)明的教導(dǎo)，附圖中：

圖1是示例性已知的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的部分軸向橫截面視圖；

圖2是已知的行1渦輪葉片和導(dǎo)葉的詳細(xì)橫截面立視圖，其示出葉頂與圖1的渦輪發(fā)動機的耐磨部件之間的葉頂間隙G；

圖3是圖1和圖2的示例性已知的渦輪葉片的透視圖，所述渦輪葉片帶有閉合的凹槽狀葉頂，所述凹槽狀葉頂具有連續(xù)的壓力側(cè)軌道和吸力側(cè)軌道；

圖4是沿3-3截取的圖3的已知的渦輪葉片和凹槽狀葉頂?shù)牧⒁暀M截面視圖；

圖5是圖3和圖4的已知的凹槽狀葉頂及其相對于渦輪發(fā)動機耐磨表面的相對取向和運動的示意性平面示圖；

圖6是圖5的已知的渦輪葉片凹槽狀葉頂和耐磨表面周圍的氣流的流線型流動模擬；

圖7是另一個已知的凹槽狀葉頂及其相對于渦輪發(fā)動機耐磨表面的對立的相對取向和運動的示意性平面視圖（與圖5類似）；

圖8是本發(fā)明的凹槽狀葉頂?shù)氖纠缘谝粚嵤├捌湎鄬τ跍u輪發(fā)動機耐磨表面的對立的相對取向和運動的示意性平面視圖（與圖7類似）；

圖9是本發(fā)明的凹槽狀葉頂?shù)氖纠缘诙嵤├捌湎鄬τ跍u輪發(fā)動機耐磨表面的對立的相對取向和運動的示意性平面視圖（與圖7類似）；

圖10是包含圖8的第一實施例凹槽狀葉頂?shù)臏u輪葉片的俯視立視圖；

圖11是圖10的渦輪葉片的透視圖；

圖12是在帶有圖8的第一實施例凹槽狀葉頂?shù)臏u輪葉片周圍的氣流的流線型流動模擬；

圖13是包含圖9的第二實施例凹槽狀葉頂?shù)臏u輪葉片的俯視立視圖；

圖14是圖13的渦輪葉片的透視圖；以及

圖15是在帶有圖9的第二實施例凹槽狀葉頂?shù)臏u輪葉片周圍的氣流的流線型流動模擬。

為了促進理解，已經(jīng)在可能的地方使用相同的附圖標(biāo)記來指代諸圖所共有的相同元件。

具體實施方式

在考慮以下描述之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚地認(rèn)識到，能夠容易地利用本發(fā)明的教導(dǎo)來減小沿燃?xì)鉁u輪發(fā)動機葉片的凹槽狀葉頂壓力軌道的熱集中，以便降低葉頂磨損的可能性，所述葉頂磨損減小葉片使用壽命并在磨損的葉頂使發(fā)動機葉頂間隙增大時降低發(fā)動機操作效率。在本發(fā)明的示例性實施例中，渦輪葉片凹槽狀葉頂包含一個或多個冷卻狹槽，所述冷卻狹槽在前邊緣的下游形成于吸力側(cè)軌道中。這些狹槽被取向成用于沿凹槽狀葉頂壓力側(cè)軌道的內(nèi)側(cè)邊緣引導(dǎo)冷卻氣流，使得沿壓力側(cè)軌道的熱集中被輸送遠離凹槽狀葉頂?shù)淖顭釁^(qū)。一些實施例包含吸力側(cè)軌道上接近冷卻狹槽的葉頂肋片。分段式吸力側(cè)軌道實施例在與壓力側(cè)軌道潛在接觸之前刮磨相對的渦輪外殼耐磨表面（類似于除雪車），從而減小壓力側(cè)軌道摩擦加熱的可能性。在渦輪發(fā)動機操作期間，更冷的壓力側(cè)軌道減小凹槽狀葉頂侵蝕的可能性。

當(dāng)與圖3到圖7的已知的常規(guī)凹槽狀葉頂?shù)哪切嵤├啾容^時，對本發(fā)明的開槽式或分段式凹槽狀葉頂實施例的構(gòu)造和功能的益處的更加完整的理解變得顯而易見。已知的常規(guī)葉頂46/146在凹形壓力側(cè)52/152和凸形吸力側(cè)54/154兩者上均具有厚度均勻的一致的、連續(xù)的凹槽狀軌道。在發(fā)動機旋轉(zhuǎn)期間，當(dāng)凹槽與環(huán)形節(jié)段之間存在接觸時，吸力側(cè)凹槽將首先切入環(huán)形節(jié)段中。根據(jù)如圖6中所示的氣體流動模擬CFD分析，經(jīng)過葉頂46的前邊緣48的氣流分裂成兩個流，一個流朝向壓力側(cè)42且一個流朝向吸力側(cè)44。吸力側(cè)氣流F_S在前部部段處進入葉頂腔內(nèi)，并在于下游部段中離開至吸力側(cè)之前在下游位置處與來自壓力側(cè)F_P的泄漏流混合。圖8和圖9的本發(fā)明實施例（每個分別帶有分段式吸力側(cè)凹槽254/354）允許更多的吸力側(cè)氣流F_S進入葉頂腔257/357內(nèi)并使葉頂腔加壓（類似于靜態(tài)壁（static wall）），這將導(dǎo)致來自壓力側(cè)252/352的泄漏F_P更少。包括肋片262/264/254或364/354的分段式凹槽設(shè)計在其相應(yīng)的吸力側(cè)上設(shè)有側(cè)向重疊的凹槽，以具有對耐磨環(huán)形節(jié)段圖案的更多的切割功率且有更好的機會來保持壓力側(cè)凹槽252/352以實現(xiàn)更好的密封。相比于圖5和圖7的常規(guī)凹槽狀葉頂46/146設(shè)計，圖8和圖9的分段式和重疊的吸力側(cè)262/264/254或364/354凹槽構(gòu)造實施例具有更耐久的葉頂和更小的性能喪失的葉頂泄漏（performance robbing tip leakage）。圖8到圖15中示出根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)建構(gòu)的凹槽狀葉頂?shù)膬蓚€示例性實施例。

圖8和圖10到圖12中示出帶有凹槽狀葉頂246的第一示例性實施例葉片240，所述葉片具有在前邊緣248下游的先前描述的分段式吸力側(cè)，所述分段式吸力側(cè)由第一肋片262、第二肋片264和吸力軌道254形成。第一狹槽260和第二狹槽266允許葉片240的吸力側(cè)與葉頂腔257之間連通，如形成在壓力軌道252中接近后邊緣250的可選狹槽258那樣。在該示例性實施例中，凹槽狀葉頂形成有第一狹槽260和第二狹槽266，且?guī)в谢虿粠в歇M槽258。如圖15中所示，沿壓力軌道內(nèi)面253引導(dǎo)腔257內(nèi)的冷卻氣流F_T，由此輸送熱離開壓力軌道252?？蛇x地，通過沿吸力側(cè)添加冷卻孔270或在葉頂腔中添加冷卻孔272或在兩個位置處添加冷卻孔來提供沿壓力軌道內(nèi)面253穿過凹槽狀葉頂腔257的額外有益的氣流。

圖9和圖13到圖15中示出帶有凹槽狀葉頂346的第二示例性實施例葉片340，所述葉片具有在前邊緣348下游的先前描述的分段式吸力側(cè)，所述分段式吸力側(cè)由第一肋片362和吸力軌道354形成。第一狹槽360允許葉片340的吸力側(cè)與葉頂腔357之間連通，如形成于壓力軌道352中接近后邊緣350的可選狹槽358那樣。在該示例性實施例中，凹槽狀葉頂346形成有第一狹槽360，且?guī)в谢虿粠в歇M槽358。如圖18中所示，沿壓力軌道內(nèi)面353引導(dǎo)腔357內(nèi)的冷卻氣流F_T，由此輸送熱離開壓力軌道352?？蛇x地，通過沿吸力側(cè)添加冷卻孔370或在葉頂腔中添加冷卻孔372或在兩個位置處添加冷卻孔來提供沿壓力軌道內(nèi)面353穿過凹槽狀葉頂腔357的額外有益的氣流。

雖然本文中已詳細(xì)示出和描述了包含本發(fā)明的教導(dǎo)的各種實施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠容易地想出仍包含這些教導(dǎo)的許多其它變化的實施例。本發(fā)明就其應(yīng)用方面不限于說明書中所闡述或附圖中所圖示的部件的構(gòu)造和布置的示例性實施例細(xì)節(jié)。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)其它實施例，且能夠以各種方式實踐或?qū)嵤６?，?yīng)理解的是，本文中所使用的措辭和術(shù)語是出于描述的目的且不應(yīng)被視為是限制性的。本文中對“包括”、“包含”或“具有”及其變型的使用意指涵蓋其后所列舉的項及其等效物以及額外項。除非另有其它具體說明或限制，否則術(shù)語“安裝”、“連接”、“支撐”和“聯(lián)接”及其變型被廣義地使用且涵蓋直接和間接的安裝、連接、支撐和聯(lián)接。此外，“連接”和“聯(lián)接”并不限制于物理的或機械的連接或聯(lián)接。