專利名稱：渦輪葉片的特制的紊流的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其涉及具有帶有多個(gè)為減輕熱負(fù)荷特制的紊流發(fā)生器的冷卻通道的渦輪葉片。
背景技術(shù)：
通常，在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，要在渦輪葉片中設(shè)置內(nèi)部冷卻通道。另外，根據(jù)渦輪轉(zhuǎn)子級的具體位置，在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，各種渦輪轉(zhuǎn)子級需要或多或少的冷卻。第一級渦輪葉片，因?yàn)槲挥诘谝蝗~輪后面，該葉片立即暴露在從燃燒室流出的熱的燃燒氣體中，因此需要最高的冷卻程度。還已知，橫跨每一個(gè)渦輪葉片的溫度分布沿著該葉片的中間部分最高，而鄰近該葉片的根部和頂部處的溫度比沿著該中間部分的溫度低些。
在一些情況下，在該渦輪葉片內(nèi)設(shè)置多個(gè)從該葉片根部延伸至該頂部的冷卻通道。通常，從壓縮機(jī)的級中的一個(gè)級出來的冷卻空氣送至這些通道中，以冷卻該葉片。為了加強(qiáng)冷卻空氣通過該通道的傳熱，在這些通道的全長上使用紊流激勵(lì)器或紊流發(fā)生器。熱能從渦輪葉片的外部壓力和負(fù)壓表面通至內(nèi)部區(qū)域，并由內(nèi)部冷卻抽取熱。在有肋的通道中的傳熱性能主要取決于該通道的直徑、肋的結(jié)構(gòu)和流動(dòng)的雷諾數(shù)。進(jìn)行了許多基礎(chǔ)研究來了解由該肋造成的流動(dòng)分離所引起的傳熱增強(qiáng)的現(xiàn)象。在流動(dòng)經(jīng)過表面上安裝的肋中，邊界層將該肋的上游和下游分開。這些流動(dòng)分離將該邊界層重新連接在傳熱表面上，從而增加傳熱系數(shù)。該分離的邊界層增強(qiáng)紊流混合，因此，從接近表面的流體發(fā)出的熱可以更有效地分散至主流動(dòng)中，從而增加傳熱系數(shù)。
在這些通道中使用的紊流激勵(lì)器有許多形式。例如，它們可以是與該通道的側(cè)壁連接的百負(fù)板，該百負(fù)板與通過該通道的冷卻空氣流成一個(gè)角度。
Chin等人提出的美國專利5413463號說明了在燃?xì)鉁u輪葉片中的紊流冷卻通道，其中，根據(jù)沿著該葉片的局部冷卻要求，紊流激勵(lì)器設(shè)置在沿著從該根部至該頂部的翼面的長度的優(yōu)選區(qū)域上。該紊流激勵(lì)器最好是位于該渦輪葉片的中間區(qū)域上，同時(shí)，通過該葉片的根部和頂部的通道保持基本上是滑腔的。
盡管存在著具有紊流冷卻通道的這些渦輪葉片，仍需要冷卻改善的葉片。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是要提供一種具有帶有適合于熱負(fù)荷的紊流的一個(gè)或多個(gè)冷卻通道的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件。
上述目的可通過本發(fā)明的渦輪葉片來達(dá)到。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種具有改善的冷卻特性的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件。該渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件具有一個(gè)翼面部分，該翼面部分具有一個(gè)跨度，和在該翼面部分中，從該翼面部分的根部延伸至該翼面部分的頂部的至少一個(gè)冷卻通道。在該至少一個(gè)冷卻通道中，設(shè)置多個(gè)紊流激勵(lì)裝置。該紊流激勵(lì)裝置具有沿著該翼面部分的跨度變化的p/e比，其中p為相鄰的紊流激勵(lì)裝置之間的柵距，e為該紊流激勵(lì)裝置的高度。
本發(fā)明的渦輪葉片的精制的紊流的其他詳細(xì)情況，以及所附帶的其他目的和優(yōu)點(diǎn)，在下面的詳細(xì)說明和附圖中提出。圖中相同的符號表示相同的零件。
附圖簡要說明

圖1表示在具有多個(gè)內(nèi)部冷卻通道的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的一個(gè)渦輪葉片；圖2為根據(jù)本發(fā)明的冷卻通道的截面圖；圖3為沿著圖2中的3-3線所取的橫截面圖；圖4為表示具有根據(jù)本發(fā)明的特制紊流的一個(gè)冷卻通道的圖形；和圖5表示具有根據(jù)本發(fā)明的不同的柵距/高度比的多個(gè)區(qū)域的渦輪葉片。
優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)說明圖1表示安裝在一個(gè)基座12上的燃?xì)鉁u輪葉片10，它具有一個(gè)翼面部分13，在該翼面部分中有多個(gè)內(nèi)部冷卻通道14延伸。該冷卻通道14在包括從該根部16至該頂部18的葉片全長上穿過該葉片。該冷卻通道14的出口在該葉片的頂部上。該冷卻通道14使從入口出來的冷卻流體(例如空氣)，通過其全長，與冷卻液體源(例如壓縮機(jī)排氣)連通，以便冷卻該葉片10的材料(例如金屬)。
根據(jù)本發(fā)明，如圖2和圖3所示，每一個(gè)冷卻通道14具有多個(gè)多對通行支板形式的紊流發(fā)生器30。該通行支板圍繞著該冷卻通道14的壁31延伸。更多的p/e比低的紊流發(fā)生器30在具有更多的預(yù)計(jì)熱負(fù)荷的諸如中間跨度區(qū)域的區(qū)域中。當(dāng)不需要更高的傳熱要求時(shí)，可減少紊流發(fā)生器30的數(shù)目，從而在這些區(qū)域形成更高的p/e比。如圖4所示，根據(jù)本發(fā)明，這可以通過當(dāng)熱負(fù)荷沿著該翼面13的跨度改變時(shí)，改變該通行支板的柵距(p)對高度(e)的比來達(dá)到。這樣，如上所述，在熱負(fù)荷高的區(qū)域(主要為翼面13的中間跨度)，使用較低的p/e比；而在不需要更多的熱負(fù)荷保護(hù)(例如冷卻通道的入口和出口部分)的區(qū)域，使用較高的p/e比。
如圖2所示，該冷卻通道14具有紊流發(fā)生器30的高度(e)小，和/或柵距(p)大(即相鄰的通行支板或紊流發(fā)生器的寬度中間點(diǎn)之間的距離)的一個(gè)入口區(qū)域32。該冷卻通道14還具有該紊流發(fā)生器30的高度(e)小和/或柵距(p)大的一個(gè)出口區(qū)域34。另外，該冷卻通道14還可具有該紊流發(fā)生器30的高度大和/或柵距小的一個(gè)中間跨度區(qū)域36。雖然表示了具有一個(gè)中間跨度區(qū)域的冷卻通道14；但可以具有多于1個(gè)中間跨度的區(qū)域，而每一個(gè)中間跨度區(qū)域具有不同的p/e比。
本發(fā)明的渦輪葉片10可以由技術(shù)上已知的任何適當(dāng)?shù)慕饘僦圃?例如鎳基超耐熱合金)，并可以使用任何技術(shù)上已知的適當(dāng)方法鑄造。該冷卻通道14和該紊流發(fā)生器30可以使用技術(shù)上已知的任何適當(dāng)?shù)姆椒?例如STEM鉆削或EDM銑削)制造。在一個(gè)典型的渦輪葉片中，沿著該翼面13的弦有多個(gè)冷卻通道14。
圖5表示根據(jù)本發(fā)明的，具有8個(gè)區(qū)域A-H的一個(gè)渦輪葉片10。根據(jù)一個(gè)具體通道的位置，在A、E、C和G區(qū)域中的紊流發(fā)生器30的柵距p可從0.050英寸變化至0.500英寸，最好為0.180-0.290英寸；而紊流發(fā)生器30的高度e可從0.004英寸變化至0.080英寸，最好為0.008-0.010英寸。在B和F區(qū)域中，該柵距p可從0.050英寸變化至0.500英寸，最好為0.110-0.180英寸；而該紊流發(fā)生器的高度可從0.004英寸變化至0.050英寸，最好為0.008-0.010英寸。在D和H區(qū)域中，該柵距可從0.050英寸變化至0.500英寸，最好為0.360-0.362英寸；而該高度可從0.004英寸變化至0.050英寸，最好為0.008-0.010英寸。
在A-H區(qū)域的每一個(gè)區(qū)域中，p/e比可以在5-30范圍內(nèi)。另外，在每一個(gè)區(qū)域中，該高度與直徑(D)的比可以在0.05-0.30范圍內(nèi)，雖然，在葉片10的一個(gè)具體的冷卻通道14的一個(gè)具體的區(qū)域中，該柵距可從一個(gè)冷卻通道至另一個(gè)冷卻通道變化，但可以設(shè)計(jì)一個(gè)葉片，使得對每一個(gè)冷卻通道，在一個(gè)具體區(qū)域中的該柵距的常數(shù)。
雖然表示的紊流發(fā)生器是對準(zhǔn)的，但該紊流發(fā)生器30可以交錯(cuò)排列。
另外，雖然表示的紊流發(fā)生器30具有與通過冷卻通道的流動(dòng)下垂直的表面，但該紊流發(fā)生器30可以具有與該流動(dòng)下成一個(gè)角度的表面(例如，與該流動(dòng)F成一個(gè)30-70°范圍內(nèi)的角度的表面)。
從上述的說明中可以看出，本發(fā)明提供了一種可以更好地滿足該渦輪葉片冷卻要求的渦輪葉片。這點(diǎn)可通過改變沿著該渦輪葉片的翼面部分的跨度，該紊流發(fā)生器的密度來達(dá)到。
雖然，結(jié)合渦輪葉片說明了本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)，但應(yīng)理解，同樣的冷卻方案可以用在具有熱負(fù)荷沿著該冷卻通道的長度變化的冷卻通道的任何渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件中。
顯然，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種可完全滿足在前提出的目的、措施和優(yōu)點(diǎn)的渦輪葉片的特制的紊流。雖然從具體實(shí)施例的角度說明了本發(fā)明，但業(yè)內(nèi)人士，在閱讀了上述詳細(xì)的說明后，顯然可以作其他的替代，改造和變化。因此，要將這些替代，改造和變化包含在所附權(quán)利要求書的寬廣的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，它包括具有跨度的一個(gè)翼面部分；在所述翼面部分中，至少一個(gè)從所述翼面部分的根部延伸至所述翼面部分的頂部的冷卻通道；和在所述至少一個(gè)冷卻通道中的多個(gè)紊流激勵(lì)裝置，所述紊流激勵(lì)裝置的p/e沿著所述翼面部分的跨度變化，其中p為相鄰的紊流激勵(lì)裝置之間的柵距，e為每一個(gè)所述紊流激勵(lì)裝置的高度。
2.如權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，其特征為，所述紊流激勵(lì)裝置的p/e比，在所述至少一個(gè)冷卻通道的中間跨度區(qū)域內(nèi)，比在所述至少一個(gè)冷卻通道的末端區(qū)域內(nèi)低。
3.如權(quán)利要求2所述的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，其特征為，在所述中間跨度區(qū)域內(nèi)，所述p/e比在5-30范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求2所述的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，其特征為，在所述末端區(qū)域內(nèi)，所述p/e比在5-30范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，其特征為，在所述至少一個(gè)冷卻通道的中間跨度區(qū)域內(nèi)，所述p/e比較低，而在所述至少一個(gè)冷卻通道的非中間跨度區(qū)域內(nèi)較高。
6.如權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，其特征為，在接近所述根部區(qū)域內(nèi)的所述柵距從0.050英寸變化至0.500英寸。
7.如權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，其特征為，在接近所述根部的區(qū)域內(nèi)，所述柵距從0.350英寸變化至0.362英寸。
8.如權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，其特征為，在中間跨度區(qū)域內(nèi)，所述柵距從0.050英寸變化至0.500英寸。
9.如權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，其特征為，在中間跨度區(qū)域內(nèi)，所述柵距從0.110英寸變化至0.180英寸。
10.如權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，其特征為，在接近所述頂部的區(qū)域內(nèi)，所述柵距從0.050英寸變化至0.500英寸。
11.如權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，其特征為，在接近所述頂部的區(qū)域內(nèi)，所述柵距從0.180英寸變化至0.290英寸。
12.如權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，其特征為，所述高度從0.004英寸變化至0.050英寸。
13.如權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，其特征為，所述高度從0.008英寸變化至0.010英寸。
14.如權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，其特征為，所述渦輪葉片有多個(gè)冷卻通道，每一個(gè)所述的冷卻通道具有多個(gè)紊流激勵(lì)裝置，所述紊流激勵(lì)裝置的p/e比沿著該翼面部分的跨度變化。
15.如權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，其特征為，所述零件包括渦輪葉片。
16.如權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件，其特征為，所述至少一個(gè)冷卻通道的直徑為D，而e/D比在0.05-0.30范圍內(nèi)。
17.一種制造渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件的方法，它包括制成一個(gè)具有帶有一個(gè)根部，一個(gè)頂部和一個(gè)跨度的翼面的零件；和在所述零件內(nèi)制造至少一個(gè)具有多個(gè)紊流激勵(lì)裝置的冷卻通道，該裝置的p/e比沿著所述零件的跨度變化，其中p為所述紊流激勵(lì)裝置中相鄰的該裝置之間的柵距，e為一個(gè)相應(yīng)的紊流激勵(lì)裝置的高度。
18.如權(quán)利要求17的方法，其特征為，所述制造步驟包括形成鄰近帶有紊流激勵(lì)裝置的所述翼面部分的所述根部的每一個(gè)所述冷卻通道的第一區(qū)域，該紊流激勵(lì)裝置具有第一p/e比；并且形成帶有紊流激勵(lì)裝置的每一個(gè)所述冷卻通道的一個(gè)中間跨度區(qū)域，該紊流激勵(lì)裝置具有比所述第一p/e比小的第二p/e比。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征為，所述制造步驟包括形成鄰近帶有紊流激勵(lì)裝置的所述翼面部分的所述頂部的每一個(gè)所述冷卻通道的第三區(qū)域，該紊流激勵(lì)裝置具有比所述第二p/e比大的第三p/e比。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征為，所述制造步驟還包括提供比所述第一p/e比大的所述第三p/e比。
21.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征為，所述渦輪零件制造步驟包括制成渦輪葉片。
22.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征為，所述渦輪零件制造步驟包括利用鑄造方法制成所述渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)零件。
全文摘要
提供了一種具有改善的冷卻特性的渦輪葉片。該渦輪葉片具有一個(gè)翼面部分，該翼面部分具有一個(gè)跨度和在該翼面部分中，從該翼面部分的根部延伸至該翼面部分的頂部的至少一個(gè)冷卻通道。在該至少一個(gè)冷卻通道中，設(shè)置多個(gè)紊流激勵(lì)裝置。該紊流激勵(lì)裝置具有沿著該翼面部分的跨度變化的p/e比，其中p為相鄰的紊流激勵(lì)裝置之間的柵距，e為該紊流激勵(lì)裝置的高度。
文檔編號F01D5/18GK1654784SQ20051005164
公開日2005年8月17日 申請日期2005年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月9日
發(fā)明者B·P·迪布, W·阿布德爾－梅瑟, D·赫爾雷拉, R·佩奇 申請人:聯(lián)合工藝公司