渦輪翼型件裝置及相應(yīng)方法
【專利摘要】渦輪翼型件裝置(10，110)，包括：翼型件(18，118)，其包括在前緣(24，124)和后緣(26，126)處聯(lián)結(jié)在一起的凹形壓力側(cè)壁(20，120)和凸形吸力側(cè)壁(22，122)；端壁(16，116)，其在翼型件的一個(gè)展向端部處從翼型件(18，118)側(cè)向向外突出，該端壁(16，116)具有面向翼型件(18，118)的外表面(42，142)和相對的內(nèi)表面(40，140)；增壓室(44，144)，其被限定在端壁(16，116)內(nèi)、內(nèi)表面(40，140)與外表面(42，142)之間，其中增壓室(44，144)在平面圖中分叉、具有至少兩個(gè)分支，每一個(gè)分支都具有布置于其上游端部處的喉(2，4，102，104)；以及至少一個(gè)膜冷卻孔(48，148)，其通過外表面(42，142)并且與增壓室(44，144)連通。
【專利說明】渦輪翼型件裝置及相應(yīng)方法

【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，并且更具體地，涉及用于冷卻渦輪翼型件的端壁的方法和裝置。
[0002]在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中，熱氣體離開燃燒器并且被渦輪利用以用于轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。該機(jī)械能驅(qū)動上游高壓壓縮機(jī)。渦輪包括多行葉片，該多行葉片由渦輪轉(zhuǎn)子承載、與靜止噴嘴的行交替。渦輪葉片和噴嘴經(jīng)受腐蝕性、高溫燃燒氣體流。這些“熱部段”部件典型地由相對低溫的冷卻劑流來冷卻，例如從壓縮機(jī)提取(放出)的空氣。
[0003]隨著現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中的渦輪進(jìn)口溫度繼續(xù)升高，熱部段部件的端壁(即渦輪葉片平臺以及噴嘴帶)變得更加難以通過傳統(tǒng)的技術(shù)來冷卻。此外，例如端壁造型的先進(jìn)的氣動特征在保持可接受的材料溫度上施加了額外的壓力。
[0004]當(dāng)前的現(xiàn)有技術(shù)是穿過端壁鉆取膜孔，以由部件下方的冷卻空氣來進(jìn)給所述膜孔。因此，孔僅能夠設(shè)置于能夠被完全鉆到另一側(cè)或者氣體路徑壓力足夠低的某些區(qū)域處，這是由于進(jìn)給這些孔的冷卻空氣壓力大大低于翼型件冷卻空氣。
[0005]一些設(shè)計(jì)使用將壓縮機(jī)放出空氣進(jìn)給到膜冷卻孔的中空平臺，但是這些設(shè)計(jì)通常不適于基于不同的操作條件來提供不同的冷卻孔圖案。
[0006]因此，需要具有改進(jìn)的冷卻的渦輪翼型件平臺。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]該需要由本發(fā)明解決，本發(fā)明提供其中鑄造有冷卻回路的渦輪翼型件。該冷卻回路能夠包括多種冷卻孔的圖案。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種渦輪翼型件裝置，該渦輪翼型件裝置包括:翼型件，該翼型件包括在前緣并且在后緣處聯(lián)結(jié)在一起的凹形壓力側(cè)壁和凸形吸力側(cè)壁；端壁，該端壁在所述翼型件的一個(gè)展向端部處從翼型件側(cè)向向外地突出，該端壁具有面向翼型件的外表面和相對的內(nèi)表面；增壓室，該增壓室被限定在端壁內(nèi)、內(nèi)表面與外表面之間，其中增壓室在平面圖(plan view)中分叉、具有至少兩個(gè)分支，每一個(gè)分支都具有布置于其上游端部處的喉；以及至少一個(gè)膜冷卻孔，該至少一個(gè)膜冷卻孔通過外表面并且與增壓室連通。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種制造渦輪翼型件裝置的冷卻孔圖案的方法，該渦輪翼型件裝置包括:翼型件，該翼型件包括在前緣并且在后緣處聯(lián)結(jié)在一起的凹形壓力側(cè)壁和凸形吸力側(cè)壁；端壁，該端壁在所述翼型件的一個(gè)展向端部處從翼型件側(cè)向向外地突出，該端壁具有面向翼型件的外表面和相對的內(nèi)表面；以及增壓室，該增壓室被限定在端壁內(nèi)、內(nèi)表面和外表面之間，其中增壓室在平面圖中分叉、具有至少兩個(gè)分支，每一個(gè)分支都具有布置于其上游端部處的喉；該方法包括機(jī)加工穿過外表面，以便限定與增壓室連通的至少一個(gè)膜冷卻孔。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]本發(fā)明可以通過參照下文結(jié)合附圖的描述得以最佳理解，在附圖中:
[0011]圖1是根據(jù)本發(fā)明的方面構(gòu)造的渦輪葉片的示意性透視圖；
[0012]圖2是沿圖1的線2-2截取的視圖；
[0013]圖3是圖2中所示的渦輪葉片的局部剖視圖；
[0014]圖4是根據(jù)本發(fā)明的方面構(gòu)造的渦輪噴嘴的示意性透視圖；以及
[0015]圖5是沿圖4的線5-5截取的視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0016]參照附圖，其中相同的附圖標(biāo)記在全部多幅附圖中表示相同元件，圖1示出了示例性的渦輪葉片10。渦輪葉片10包括傳統(tǒng)的燕尾榫12，該燕尾榫12可以具有任何合適的形式，包括與位于轉(zhuǎn)子盤(未示出)中的燕尾榫槽的互補(bǔ)柄腳(tang)相接合的柄腳，以用于在操作期間旋轉(zhuǎn)時(shí)將葉片10徑向地保持于盤。葉片柄14從燕尾榫12徑向向上地延伸并且終止于平臺16，該平臺16從柄14側(cè)向向外地突出并且包繞柄14。平臺16可以被認(rèn)為是一種“端壁”。中空翼型件18從平臺16徑向向外地延伸并且延伸到熱氣體流中。翼型件18具有在前緣24和后緣26處聯(lián)結(jié)在一起的凹形壓力側(cè)壁20和凸形吸力側(cè)壁22。翼型件18從根部28延伸至尖端30，并且可以呈適于從熱氣體流提取能量并且使轉(zhuǎn)子盤旋轉(zhuǎn)的任何構(gòu)造。壓力側(cè)壁20和吸力側(cè)壁22徑向向外地延伸超過尖端帽32，以限定大體被稱為“聲響器尖端”(squealer tip)的結(jié)構(gòu)。
[0017]葉片10可以形成為合適的高溫合金的一件式鑄件，該高溫合金例如為鎳基高溫合金，其在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中的升高的操作溫度下具有可接受的強(qiáng)度。翼型件18的至少一部分可以涂覆已知類型的保護(hù)性涂層，例如抵抗環(huán)境的涂層、熱障涂層、或者二者。
[0018]翼型件12的內(nèi)部是中空的并且可以包括多種已知的冷卻構(gòu)造中的任一種，例如包括其中形成有例如擾流器的多種結(jié)構(gòu)以用于改進(jìn)冷卻空氣效率的平行徑向或蛇形流動通道。所消耗的來自翼型件內(nèi)部的冷卻空氣可以通過膜冷卻孔34和后緣排放孔36排出。冷卻空氣通過一個(gè)或多個(gè)進(jìn)給通道38被進(jìn)給到翼型件18，該一個(gè)或多個(gè)進(jìn)給通道通過燕尾榫12和柄14延伸到翼型件18中。
[0019]平臺16包括內(nèi)表面40和外表面42。增壓室44 (見圖2和3)在平臺16內(nèi)整體形成。增壓室44的外周由內(nèi)表面40和外表面42、并且通過跨越內(nèi)壁40與外壁42之間的間隙的內(nèi)部壁限定和劃定邊界。增壓室44使用已知的鑄造工藝形成為葉片10的部件。
[0020]增壓室44包括(沿從前到后的大體軸向方向)第一區(qū)域1、第二區(qū)域2、和第三區(qū)域3。增壓室44的橫截面積從前向后大體增大。第四區(qū)域4被布置成與第一區(qū)域I流連通。第五區(qū)域5被布置成與第四區(qū)域4流連通并且被布置成相對于第三區(qū)域3軸向向前。增壓室的總體形狀可以被描述成在平面圖中“分叉”或“分支”，其中第二區(qū)域2和第三區(qū)域3限定一個(gè)分支并且第四區(qū)域4和第五區(qū)域5限定第二分支。如下文將更詳細(xì)地解釋的，增壓室44的每一個(gè)分支都包括位于其上游端部處的喉型和噴嘴型結(jié)構(gòu)。
[0021]在發(fā)動機(jī)操作期間，冷卻空氣通過進(jìn)給通道38進(jìn)入燕尾榫12。增壓室44的第一區(qū)域I由進(jìn)給通道38進(jìn)給冷卻空氣。冷卻空氣隨后從第一區(qū)域I流入已連接的第二區(qū)域2中。第二區(qū)域2是平臺16的對流冷卻發(fā)生的主要區(qū)域。第二區(qū)域2具有相對受限的流動區(qū)域，被視作圖2和圖3中減小的寬度或側(cè)向尺寸。這起到喉或噴嘴的作用，以提高流速并且由此增強(qiáng)向平臺16的外部表面?zhèn)鳠帷５诙^(qū)域2的位置(即其沿軸向和切向方向的位置)可以被選擇成與平臺16上被期望在發(fā)動機(jī)操作期間經(jīng)歷最高溫度的位置相對應(yīng)。這可以通過分析或者通過測試來確定。在第二區(qū)域2中用于對流冷卻之后，冷卻空氣流向第三區(qū)域3。第三區(qū)域3可以設(shè)置有內(nèi)部傳熱增強(qiáng)特征，例如肋、散熱片、銷等。在圖示的例子中，包括多個(gè)間隔開的湍流促進(jìn)器或“擾流器46”。冷卻空氣通過多個(gè)膜冷卻孔48 (最佳見于圖2中)離開第三區(qū)域3。膜冷卻孔48的數(shù)量、尺寸、和位置被選擇成在平臺16的一部分上方排放保護(hù)性的冷卻空氣膜。如本文中所使用的，術(shù)語“膜冷卻孔”指的是其尺寸能夠在表面上方排放冷卻空氣膜以便保護(hù)該表面不受高溫流動路徑氣體的影響的孔。盡管精確的尺寸將隨著具體設(shè)計(jì)而發(fā)生變化，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，“膜冷卻孔”與其它類型的孔(例如“沖擊冷卻孔”和“吹掃孔”)之間的區(qū)別。
[0022]膜冷卻孔48可以通過已知的方法形成，例如傳統(tǒng)的鉆孔、激光鉆孔、或者放電加工(ECM)。這些方法在本文中被大體稱為“機(jī)加工”。
[0023]用于冷卻空氣從第一區(qū)域I到達(dá)第三區(qū)域3的流動路徑沿與前緣24和后緣26之間的線大體平行的方向延伸。
[0024]第一區(qū)域I還與第四區(qū)域4連通。像第二區(qū)域2—樣，第四區(qū)域4具有相對受限的流動區(qū)域，被示為圖2和圖3中減小的寬度或側(cè)向尺寸。這起到喉或噴嘴的作用，以增大流速并且由此增強(qiáng)向平臺16的外部表面的傳熱。在用于第四區(qū)域4中的對流冷卻之后，冷卻空氣流向第五區(qū)域5。第五區(qū)域5在平面圖中成大體矩形并且定位成相對于第三區(qū)域3軸向向前。在操作中，來自第一區(qū)域I的一些冷卻空氣進(jìn)入第五區(qū)域5。一個(gè)或多個(gè)吹掃孔50可以設(shè)置于第五區(qū)域5中，排出到平臺16內(nèi)側(cè)(inboard)的次級流動路徑中(通過內(nèi)表面40)。吹掃孔50允許小量的流離開第五區(qū)域5，由此防止第五區(qū)域5中的滯流和碎屑積聚。第四區(qū)域4的出現(xiàn)減小葉片10的重量。此外，第四區(qū)域4提供了能夠在不改變基本鑄件的情況下來修改和/或升級葉片10的冷卻構(gòu)造的方法。例如，能夠通過堵塞吹掃孔50來將其消除(例如，使用釬焊或焊接技術(shù))，并且一個(gè)或多個(gè)膜冷卻孔52 (見圖2)可以被鉆取穿過連接至第四區(qū)域4的平臺16的表面。
[0025]上文所描述的原理也可以應(yīng)用于其它類型的翼型件結(jié)構(gòu)。例如，圖4和圖5示出了示例性的渦輪噴嘴110。渦輪噴嘴110包括在弓狀內(nèi)部帶116與弓狀外部帶117之間沿徑向方向延伸的一對中空翼型件118。像上文所描述的平臺16 —樣，內(nèi)部帶116和外部帶117均可以被認(rèn)為是一種“端壁”。每一個(gè)翼型件118都具有在前緣124和在后緣126聯(lián)結(jié)在一起的凹形壓力側(cè)壁120和相對的凸形吸力側(cè)壁122。翼型件118可以呈適于將熱氣體流引導(dǎo)至一行旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片(未示出)下游的任何構(gòu)造。渦輪噴嘴110可以形成為在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中的升高的操作溫度下具有可接受的強(qiáng)度的合適的高溫合金(例如鎳基高溫合金)的一件式鑄件。渦輪噴嘴110的至少一部分可以涂覆已知類型的保護(hù)性涂層，例如抵抗環(huán)境的涂層、或熱障涂層、或者二者。
[0026]翼型件118的內(nèi)部是中空的并且可以包括多種已知的冷卻構(gòu)造中的任何一種，例如包括其中形成有例如擾流器的多種結(jié)構(gòu)以用于改進(jìn)冷卻空氣效率的平行徑向或蛇形流動通道。所消耗的來自翼型件內(nèi)部的冷卻空氣可以通過膜冷卻孔134和后緣排放開口 136被排出。冷卻空氣通過一個(gè)或多個(gè)進(jìn)給通道38被進(jìn)給到翼型件118，該一個(gè)或多個(gè)進(jìn)給通道38通過內(nèi)部帶116延伸到翼型件118中。
[0027]內(nèi)部帶116包括內(nèi)表面140和外表面142。增壓室144(見圖2和圖3)在內(nèi)部帶116內(nèi)整體形成(可選地，外部帶117能夠包括增壓室)。增壓室144的外周由內(nèi)表面140和外表面142、并且通過跨越內(nèi)表面140和外表面142之間的間隙的內(nèi)部壁限定和劃定邊界。增壓室144使用已知的鑄造工藝形成為渦輪噴嘴110的部件。
[0028]增壓室144的構(gòu)造類似于上文所描述的增壓室44。增壓室144包括第一區(qū)域101、第二區(qū)域102、第三區(qū)域103、第四區(qū)域104、和第五區(qū)域105。增壓室144的總體形狀可以被描述成在平面圖中“分叉”或“分支”，其中第二區(qū)域102和第三區(qū)域103限定一個(gè)分支并且第四區(qū)域104和第五區(qū)域105限定第二分支。增壓室144的每一個(gè)分支都包括位于其上游端處的喉型或噴嘴型結(jié)構(gòu)。更具體地，第二區(qū)域102和第四區(qū)域104均具有相對受限的流動區(qū)域，被示為減小的寬度或側(cè)向尺寸。這起到喉或噴嘴的作用，以增大流速并且由此增強(qiáng)向內(nèi)部帶116的外表面142的傳熱。
[0029]冷卻空氣通過多個(gè)膜冷卻孔148離開第三區(qū)域103。膜冷卻孔148的數(shù)量、尺寸和位置被選擇成在內(nèi)部帶116的一部分的上方排放保護(hù)性的冷卻空氣膜。一個(gè)或多個(gè)吹掃孔150可以設(shè)置于第五區(qū)域105中，排出到內(nèi)部帶116內(nèi)側(cè)的次級流動路徑中。吹掃孔150允許少量的流離開第五區(qū)域105，由此防止第五區(qū)域105中的滯流和碎屑的積聚。
[0030]此外，第五區(qū)域105提供了能夠在不改變基本鑄件的情況下修改和/或更新噴嘴110的冷卻構(gòu)造的裝置。例如，能夠通過堵塞(例如使用釬焊或焊接技術(shù))吹掃孔150來將其消除，并且一個(gè)或多個(gè)膜冷卻孔152可以被鉆取穿過內(nèi)部帶116的表面，連接至第五區(qū)域105。
[0031]上文所描述的冷卻構(gòu)造消除了現(xiàn)有技術(shù)的熱部段氣體部件中的冷卻限制，即膜冷卻孔的位置、取向、以及數(shù)量。隨著去除這些限制，孔能夠定位在端壁上的任何位置處，原因是該端壁現(xiàn)在是中空的并且含有較高的冷卻劑壓力以保證正冷卻流。該設(shè)計(jì)提供溫度較低的空氣以及冷卻設(shè)計(jì)中更大的靈活性。
[0032]該設(shè)計(jì)還提供在不必改變鑄件的情況下改變部件的冷卻設(shè)計(jì)的可能性。例如，根據(jù)具體最終用途、設(shè)計(jì)意圖、以及在設(shè)計(jì)和制造葉片時(shí)可獲得的分析技術(shù)，用于制造上文所描述的渦輪葉片10的相同的基本鑄件能夠被機(jī)加工成具有與增壓室44連通的不同的膜冷卻孔的圖案。
[0033]上文已描述了用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的渦輪翼型件。盡管已描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言顯而易見的是，能夠在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對其進(jìn)行多種改型。因此，提供以上對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例以及用于實(shí)施本發(fā)明的最佳模式的描述僅僅是為了說明的目的并且不是限制的目的。
【權(quán)利要求】
1.一種渦輪翼型件裝置(10,110),包括: 翼型件(18,118)，所述翼型件(18,118)包括在前緣(24,124)并且在后緣(26,126)處聯(lián)結(jié)在一起的凹形壓力側(cè)壁(20,120)和凸形吸力側(cè)壁(22,122)； 端壁(16,116),所述端壁(16,116)在所述翼型件的一個(gè)展向端部處從所述翼型件(18.118)側(cè)向向外地突出，所述端壁(16,116)具有面向所述翼型件(18,118)的外表面(42.142)和相對的內(nèi)表面(40,140)； 增壓室(44,144),所述增壓室(44,144)被限定在所述端壁(16,116)內(nèi)、所述內(nèi)表面(40.140)與所述外表面(42,142)之間，其中所述增壓室(44,144)在平面圖中分叉、具有至少兩個(gè)分支，每一個(gè)分支都具有布置于其上游端部處的喉(2,4,102,104)；以及 至少一個(gè)膜冷卻孔(48,148),所述至少一個(gè)膜冷卻孔(48,148)通過所述外表面(42,142)并且與所述增壓室(44,144)連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置(10,110)，其特征在于，所述增壓室(44,144)包括沿大體軸向方向延伸的第一分支(2,3,102,103),以及相對于所述第一分支(2,3,102,103)軸向向前地布置的第二分支(4,5,104,105^
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(10,110),其特征在于，多個(gè)膜冷卻孔(48,148)布置于所述第一分支(2,3,102,103)中。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(10,110),其特征在于，多個(gè)膜冷卻孔(52,152)布置于所述第二分支(4,5,104,105)中。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置(10,110),其特征在于，吹掃孔(50,150)通過所述內(nèi)表面(40,140)并且與所述增壓室(44,144)的第二分支(4, 5,104,105)連通。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于: 所述翼型件(18,118)是渦輪葉片(10)的部件，所述渦輪葉片(10)包括翼型件(18)、從所述翼型件(18)徑向向內(nèi)地延伸的柄(14)、和從所述柄(14)徑向向內(nèi)地延伸并且被構(gòu)造成與位于轉(zhuǎn)子盤中的燕尾槽相接合的燕尾榫(12)；并且 所述端壁是從所述柄(14)側(cè)向向外地突出并且包繞所述柄(14)的平臺(16)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置(10),其特征在于，進(jìn)給通道(38)延伸穿過所述燕尾榫(12)和所述柄(14)并且與所述增壓室(44)連通。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置(10),其特征在于，所述壓力側(cè)壁(20)和所述吸力側(cè)壁(22)徑向向外地延伸超過尖端帽以限定聲響器尖端的結(jié)構(gòu)。
9.一種制造渦輪翼型件裝置(10,110)的冷卻孔圖案的方法，所述渦輪翼型件裝置(10,110)包括: 翼型件(18,118)，所述翼型件(18,118)包括在前緣(24,124)并且在后緣(26,126)處聯(lián)結(jié)在一起的凹形壓力側(cè)壁(20,120)和凸形吸力側(cè)壁(22,122)； 端壁(16,116),所述端壁(16,116)在所述翼型件的一個(gè)展向端部處從所述翼型件(18.118)側(cè)向向外地突出，所述端壁(16,116)具有面向所述翼型件(18,118)的外表面(42.142)和相對的內(nèi)表面(40,140)；以及 增壓室(44,144),所述增壓室(44,144)被限定在所述端壁(16,116)內(nèi)、所述內(nèi)表面(40.140)和所述外表面(42,142)之間，其中所述增壓室(44,144)在平面圖中分叉、具有至少兩個(gè)分支，每一個(gè)分支都具有布置于其上游端部處的喉(2,4,102,104)； 所述方法包括機(jī)加工穿過所述外表面(42,142),以便限定與所述增壓室(44,144)連通的至少一個(gè)膜冷卻孔(48,148^
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于: 所述翼型件是渦輪葉片(1)的部件，所述渦輪葉片(1)包括所述翼型件(18)、從所述翼型件(18)徑向向內(nèi)地延伸的柄(14)、以及從所述柄(14)徑向向內(nèi)地延伸并且被構(gòu)造成與位于轉(zhuǎn)子盤中的燕尾槽相接合的燕尾榫(12)；并且 所述端壁是從所述柄(14)側(cè)向向外地突出并且包繞所述柄(14)的平臺(16)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述增壓室包括沿大體軸向方向延伸的第一分支(2, 3，102，103)、以及相對于所述第一分支(2, 3,102,103)軸向向前布置的第二分支(4,5,104,105)0
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法還包括機(jī)加工穿過所述外表面(42,142),以便限定與所述第一分支(2,3,102,103)連通的多個(gè)膜冷卻孔(48,148)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法還包括機(jī)加工穿過所述外表面(42,142),以便限定與所述第二分支(4)連通的多個(gè)膜冷卻孔(52,152)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，吹掃孔(50,150)通過所述內(nèi)表面(40,140)并且與所述增壓室(44,144)的第二分支(4,5,104，105)連通，所述方法還包括堵塞所述吹掃孔(50,150^
【文檔編號】F01D9/04GK104379873SQ201380031535
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月15日
【發(fā)明者】S.M.莫爾特, M.E.斯特格米勒, S.M.皮爾森, S.R.布拉斯菲爾德 申請人:通用電氣公司