關(guān)于聯(lián)邦資助的研究或開發(fā)的聲明

本發(fā)明的開發(fā)部分地得到美國能源部的合同號為de-fc26-05nt42644的先進渦輪機開發(fā)計劃的支持。因此，美國政府可以擁有本發(fā)明的某些權(quán)力。

本發(fā)明總體上涉及渦輪葉片，并且更具體地涉及位于渦輪葉片的翼型件梢端處的冷卻系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

通常，燃氣渦輪發(fā)動機包括：壓縮機，該壓縮機用于壓縮空氣；燃燒器，該燃燒器用于將經(jīng)壓縮的空氣與燃料混合并點燃混合物；以及渦輪葉片組件，該渦輪葉片組件用于產(chǎn)生動力。燃燒器通常在高于華氏2,500度的高溫下運行。典型的渦輪燃燒器構(gòu)型將渦輪葉片組件暴露于這些高溫。因此，渦輪葉片必須由能夠承受這些高溫的材料制成。

通常，渦輪葉片由渦輪葉片的一端部處的根部部分以及在渦輪葉片的相反的端部處的長形部分形成，長形部分形成從聯(lián)接至根部部分的平臺向外延伸的葉片。葉片通常由前緣、后緣以及與根部部段相反的梢端構(gòu)成。渦輪葉片的梢端通常具有梢端特征部以減小渦輪機的氣體路徑中的環(huán)形區(qū)段與葉片之間的間隙的尺寸，從而防止梢端流泄漏，這減少了由渦輪葉片產(chǎn)生的扭矩的量。梢端特征部通常被稱為帶槽梢端，并且經(jīng)常結(jié)合在葉片的梢端上以幫助減少渦輪機級的空氣動力損失。這些特征部被設(shè)計成使葉片梢端與環(huán)形區(qū)段之間的泄漏最小化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

公開了一種用于渦輪發(fā)動機中的翼型件的內(nèi)部冷卻系統(tǒng)，其中，該冷卻系統(tǒng)包括弦向延伸的梢端冷卻通道，該弦向延伸的梢端冷卻通道位于帶槽梢端的徑向內(nèi)側(cè)并且至少部分地由具有非線性外表面的內(nèi)壁形成。弦向延伸的梢端冷卻通道的內(nèi)壁的非線性外表面可以由在下述點處相交的壓力側(cè)部段和吸入側(cè)部段形成：所述點比壓力側(cè)部段和吸入側(cè)部段的其他部分更靠近外壁的內(nèi)表面，該外壁形成帶槽梢端的至少一部分。壓力側(cè)部段和吸入側(cè)部段的構(gòu)型使流動截面面積減小，這加速了在弦向延伸的梢端冷卻通道內(nèi)沿弦向方向的冷卻流體流動并將冷卻流體引向壓力側(cè)外壁和吸入側(cè)外壁，以提高冷卻效率。

在至少一個實施方式中，渦輪翼型件可以具有：大體長形的葉片，該大體長形的葉片具有前緣、后緣、位于第一端部處的帶槽梢端；根部，所述根部在與第一端部大體相反的第二端部處聯(lián)接至葉片以支承葉片并將葉片聯(lián)接至盤形件；以及內(nèi)部冷卻系統(tǒng)，該內(nèi)部冷卻系統(tǒng)由定位在大體長形的葉片內(nèi)的至少一個腔形成。內(nèi)部冷卻系統(tǒng)可以包括一個或更多個弦向延伸的梢端冷卻通道，所述一個或更多個弦向延伸的梢端冷卻通道至少部分地由外壁的內(nèi)表面形成，外壁形成帶槽梢端的至少一部分。弦向延伸的梢端冷卻通道可以包括由壓力側(cè)部段和吸入側(cè)部段形成的內(nèi)壁，其中，壓力側(cè)部段具有與壓力側(cè)外壁的內(nèi)表面不平行且不正交的外表面，吸入側(cè)部段具有與吸入側(cè)外壁的內(nèi)表面不平行且不正交的外表面。形成弦向延伸的梢端冷卻通道的內(nèi)壁的壓力側(cè)部段和吸入側(cè)部段的各自的外表面可以相對于彼此不平行且不正交。位于形成所述至少一個弦向延伸的梢端冷卻通道的內(nèi)壁的壓力側(cè)部段和吸入側(cè)部段的各自的外表面之間的相交部比形成所述至少一個弦向延伸的梢端冷卻通道的外壁的壓力側(cè)部段和吸入側(cè)部段的其他部分更靠近形成帶槽梢端的至少一部分的外壁的內(nèi)表面。

在至少一個實施方式中，位于形成弦向延伸的梢端冷卻通道的內(nèi)壁的壓力側(cè)部段和吸入側(cè)部段的各自的外表面之間的相交部彎曲以形成圓角。位于形成弦向延伸的梢端冷卻通道的內(nèi)壁的壓力側(cè)部段的外表面與壓力側(cè)外壁的內(nèi)表面之間的相交部彎曲以形成圓角。類似地，位于形成弦向延伸的梢端冷卻通道的內(nèi)壁的吸入側(cè)部段的外表面與吸入側(cè)外壁的內(nèi)表面之間的相交部彎曲以形成圓角。內(nèi)部冷卻系統(tǒng)可以包括位于壓力側(cè)外壁的內(nèi)表面上的多個紊流器。內(nèi)部冷卻系統(tǒng)還可以包括位于吸入側(cè)外壁的內(nèi)表面上的多個紊流器。內(nèi)部冷卻系統(tǒng)還可以包括位于形成帶槽梢端的至少一部分的外壁的內(nèi)表面上的多個紊流器。

在至少一個實施方式中，形成弦向延伸的梢端冷卻通道的內(nèi)壁的壓力側(cè)部段和吸入側(cè)部段的各自的內(nèi)表面相對于彼此不平行且不相交，并且壓力側(cè)部段和吸入側(cè)部段的各自的內(nèi)表面分別與形成弦向延伸的梢端冷卻通道的內(nèi)壁的壓力側(cè)部段和吸入側(cè)部段的各自的外表面對準。弦向延伸的梢端冷卻通道具有與沿葉展方向延伸的前緣冷卻通道流體連通的一個或更多個入口，其中，前緣冷卻通道的至少一部分由形成大體長形的葉片的前緣的外壁的內(nèi)表面限定。形成弦向延伸的梢端冷卻通道的內(nèi)壁的壓力側(cè)部段和吸入側(cè)部段可以形成弦中蛇形冷卻通道的至少一部分。

在至少一個實施方式中，帶槽梢端可以包括沿徑向延伸的上游肋部和沿徑向延伸的下游肋部。沿徑向延伸的上游肋部包括上游接觸表面和下游接觸表面，其中，上游接觸表面與大體長形的葉片的縱向軸線不正交且不平行，使得上游接觸表面的最內(nèi)拐角比上游接觸表面的最外拐角向上游延伸得更遠；下游接觸表面與大體長形的葉片的縱向軸線不正交且不平行，使得下游接觸表面的最內(nèi)拐角比下游接觸表面的最外拐角向下游延伸得更遠。沿徑向延伸的下游肋部可以包括下游接觸表面和上游接觸表面，其中，下游接觸表面與大體長形的葉片的縱向軸線不正交且不平行，使得下游接觸表面的最內(nèi)拐角比下游接觸表面的最外拐角向下游延伸得更遠；上游接觸表面與大體長形的葉片的縱向軸線不正交且不平行，使得上游接觸表面的最內(nèi)拐角比上游接觸表面的最外拐角向上游延伸得更遠。

內(nèi)部冷卻系統(tǒng)還可以包括定位在沿徑向延伸的上游肋部中的一個或更多個壓力側(cè)膜冷卻孔，所述壓力側(cè)膜冷卻孔具有出口以及入口，出口位于沿徑向延伸的上游肋部的上游接觸表面中，入口將壓力側(cè)膜冷卻孔與內(nèi)部冷卻系統(tǒng)的弦向延伸的梢端冷卻通道聯(lián)接。內(nèi)部冷卻系統(tǒng)還可以包括定位在沿徑向延伸的下游肋部的上游的一個或更多個吸入側(cè)膜冷卻孔，所述吸入側(cè)膜冷卻孔的出口位于帶槽梢端中且位于沿徑向延伸的上游肋部與沿徑向延伸的下游肋部之間。

在使用期間，冷卻流體可以經(jīng)由入口流入前緣冷卻通道中。冷卻流體可以從冷卻流體源流入在翼型件的內(nèi)端部處的前緣冷卻通道的入口中。冷卻流體流動穿過前緣冷卻通道并進入到弦向延伸的梢端冷卻通道的入口中。壓力側(cè)部段和吸入側(cè)部段引導(dǎo)冷卻流體與壓力側(cè)外壁的內(nèi)表面和吸入側(cè)外壁的內(nèi)表面接觸。通過引導(dǎo)冷卻流體與壓力側(cè)外壁的內(nèi)表面和吸入側(cè)外壁的內(nèi)表面接觸，內(nèi)部冷卻系統(tǒng)的冷卻效率得以提高。另外，位于壓力側(cè)外壁的內(nèi)表面和吸入側(cè)外壁的內(nèi)表面上的紊流器可以使內(nèi)部冷卻系統(tǒng)的效率進一步提高。位于形成帶槽梢端的至少一部分的外壁的內(nèi)表面上的紊流器可以進一步增強對帶槽梢端的冷卻。冷卻流體可以經(jīng)由壓力側(cè)膜冷卻孔和吸入側(cè)膜冷卻孔并經(jīng)由靠近翼型件的后緣的出口從弦向延伸的梢端冷卻通道排出。經(jīng)由壓力側(cè)膜冷卻孔和吸入側(cè)膜冷卻孔排出的冷卻流體可以用于冷卻帶槽梢端。

內(nèi)部冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點在于弦向延伸的梢端冷卻通道將冷卻流體朝向壓力側(cè)外壁和吸入側(cè)外壁引導(dǎo)以提高壓力側(cè)外壁的內(nèi)表面和吸入側(cè)外壁的內(nèi)表面上的對流，從而提高內(nèi)部冷卻系統(tǒng)的冷卻效率。

內(nèi)部冷卻系統(tǒng)的另一優(yōu)點在于形成弦向延伸的內(nèi)部冷卻系統(tǒng)的內(nèi)壁的壓力側(cè)部段和吸入側(cè)部段使流動截面面積減小，這加速了在弦向延伸的梢端冷卻通道內(nèi)沿弦向方向的冷卻流體流動并提高了內(nèi)部冷卻系統(tǒng)的冷卻效率。

內(nèi)部冷卻系統(tǒng)的再一優(yōu)點在于帶槽梢端在帶槽梢端中具有更可靠的對流冷卻以實現(xiàn)更好的葉片梢端壽命并且因此實現(xiàn)更低的梢端泄漏流。

內(nèi)部冷卻系統(tǒng)的另一優(yōu)點在于壓力側(cè)冷卻孔定位在斜切表面中，從而使得冷卻孔能夠定位在處于熱點處的表面上并且使冷卻孔具有更長的長度以獲得更佳的冷卻。

本發(fā)明的又一優(yōu)點在于冷卻孔還在斜切表面處提供出口膜冷卻，從而降低了翼型件在通常為熱點的位置處的溫度，該位置是材料的溫度升高的區(qū)域。

下面對這些及其他實施方式進行更詳細的描述。

附圖說明

附圖與說明書結(jié)合并形成說明書的一部分，附圖示出了目前公開的發(fā)明的實施方式，并且附圖與說明書一起公開了本發(fā)明的原理。

圖1是具有翼型件的渦輪發(fā)動機的局部截面立體圖，其中，翼型件包括具有弦向延伸的梢端冷卻通道的內(nèi)部冷卻系統(tǒng)。

圖2是能夠在圖1中示出的渦輪發(fā)動機中使用的具有內(nèi)部冷卻系統(tǒng)的翼型件的立體圖，其中，內(nèi)部冷卻系統(tǒng)具有弦向延伸的梢端冷卻通道。

圖3是沿圖2中的截面線3-3截取的具有內(nèi)部冷卻系統(tǒng)的翼型件的截面角視圖，其中，內(nèi)部冷卻系統(tǒng)具有弦向延伸的梢端冷卻通道。

圖4是沿圖3中的截面線4-4截取的內(nèi)部冷卻系統(tǒng)的局部截面圖，其中，內(nèi)部冷卻系統(tǒng)具有弦向延伸的梢端冷卻通道。

具體實施方式

如圖1至圖4中所示，公開了用于渦輪發(fā)動機14中的翼型件12的內(nèi)部冷卻系統(tǒng)10，其中，冷卻系統(tǒng)10包括弦向延伸的梢端冷卻通道16，該弦向延伸的梢端冷卻通道16位于帶槽梢端18的徑向內(nèi)側(cè)并且至少部分地由具有非線性外表面22的內(nèi)壁20形成。弦向延伸的梢端冷卻通道16的內(nèi)壁20的非線性外表面22可以由在點28處相交的壓力側(cè)部段24和吸入側(cè)部段26形成，點28比壓力側(cè)部段24和吸入側(cè)部段26的其他部分更靠近外壁32的內(nèi)表面30，外壁32形成帶槽梢端18的至少一部分。壓力側(cè)部段24和吸入側(cè)部段26的構(gòu)型減小了流動截面面積，這加速了在弦向延伸的梢端冷卻通道16內(nèi)沿弦向方向的冷卻流體流動，并將冷卻流體引向壓力側(cè)外壁34和吸入側(cè)外壁36，以提高冷卻效率。

在至少一個實施方式中，渦輪翼型件12可以由下述各者形成：大體長形的葉片40，大體長形的葉片40具有前緣42、后緣44以及位于第一端部46處的帶槽梢端18；根部48，根部48在與第一端部46大體相反的第二端部50處聯(lián)接至葉片40以支承葉片40并將葉片40聯(lián)接至盤形件；以及內(nèi)部冷卻系統(tǒng)10，內(nèi)部冷卻系統(tǒng)10由定位在大體長形的葉片40內(nèi)的至少一個腔52形成。內(nèi)部冷卻系統(tǒng)10可以包括至少部分地由外壁32的內(nèi)表面30形成的一個或更多個弦向延伸的梢端冷卻通道16，外壁32形成帶槽梢端18的至少一部分。弦向延伸的梢端冷卻通道16可以包括由壓力側(cè)部段24形成的內(nèi)壁20，壓力側(cè)部段24具有與壓力側(cè)外壁34的內(nèi)表面58不平行且不正交的外表面54。壓力側(cè)部段24的外表面54可以相對于壓力側(cè)外壁34的內(nèi)表面58定位在30度與75度之間。弦向延伸的梢端冷卻通道16還可以包括吸入側(cè)部段26，吸入側(cè)部段26具有與吸入側(cè)外壁36的內(nèi)表面60不平行且不正交的外表面56。吸入側(cè)部段26的外表面56可以相對于吸入側(cè)外壁36的內(nèi)表面60定位在30度與75度之間。形成弦向延伸的梢端冷卻通道16的內(nèi)壁20的壓力側(cè)部段24和吸入側(cè)部段26的外表面54、56可以相對于彼此不平行且不正交。在至少一個實施方式中，壓力側(cè)部段24的外表面54和吸入側(cè)部段26的外表面56在弦向延伸的梢端冷卻通道16的內(nèi)壁20的至少一部分上延伸。在至少一個實施方式中，壓力側(cè)部段24和吸入側(cè)部段26可以在弦向延伸的梢端冷卻通道16的整個內(nèi)壁20上延伸。

壓力側(cè)部段24和吸入側(cè)部段26可以在點28處相交。位于形成弦向延伸的梢端冷卻通道16的內(nèi)壁20的壓力側(cè)部段24和吸入側(cè)部段26的各自的外表面54、56之間的相交部28比形成弦向延伸的梢端冷卻通道16的外壁32的壓力側(cè)部段24和吸入側(cè)部段26的其他部分更靠近形成帶槽梢端18的至少一部分的外壁32的內(nèi)表面30。位于形成弦向延伸的梢端冷卻通道16的內(nèi)壁20的壓力側(cè)部段24和吸入側(cè)部段26的各自的外表面54、56之間的相交部28可以彎曲以形成圓角。位于形成弦向延伸的梢端冷卻通道16的內(nèi)壁20的壓力側(cè)部段24的外表面54與壓力側(cè)外壁34的內(nèi)表面58之間的相交部62可以彎曲以形成圓角或具有另一合適的構(gòu)型。位于形成弦向延伸的梢端冷卻通道16的內(nèi)壁20的吸入側(cè)部段26的外表面56與吸入側(cè)外壁36的內(nèi)表面60之間的相交部64可以彎曲以形成圓角或具有另一合適的構(gòu)型。

內(nèi)部冷卻系統(tǒng)10可以包括用以增強冷卻能力和效率的其他元件。在至少一個實施方式中，內(nèi)部冷卻系統(tǒng)10可以包括位于壓力側(cè)外壁34的內(nèi)表面58上的多個紊流器66。紊流器66可以從壓力側(cè)外壁34的內(nèi)表面58朝向吸入側(cè)部65延伸。內(nèi)部冷卻系統(tǒng)10可以包括位于吸入側(cè)外壁36的內(nèi)表面60上的多個紊流器66。紊流器66可以從吸入側(cè)外壁36的內(nèi)表面60朝向壓力側(cè)部68延伸。在形成帶槽梢端18的至少一部分的外壁32的內(nèi)表面30上可以延伸有一個或更多個紊流器66。

形成弦向延伸的梢端冷卻通道16的內(nèi)壁20的壓力側(cè)部段24和吸入側(cè)部段26的各自的內(nèi)表面70、72可以相對于彼此不平行且不正交，并且壓力側(cè)部段24和吸入側(cè)部段26的各自的內(nèi)表面70、72可以分別與形成弦向延伸的梢端冷卻通道16的內(nèi)壁20的壓力側(cè)部段24和吸入側(cè)部段26的各自的外表面54、56對準。位于壓力側(cè)部段24的內(nèi)表面70與吸入側(cè)部段26的內(nèi)表面72之間的相交部74彎曲以形成圓角。其中，位于壓力側(cè)部段24的內(nèi)表面70與壓力側(cè)外壁34的內(nèi)表面58之間的相交部76彎曲以形成圓角。其中，位于吸入側(cè)部段26的內(nèi)表面72與吸入側(cè)外壁36的內(nèi)表面60之間的相交部78彎曲以形成圓角。

在至少一個實施方式中，如圖3中所示，弦向延伸的梢端冷卻通道16可以具有與沿葉展方向延伸的前緣冷卻通道82流體連通的一個或更多個入口80，其中，前緣冷卻通道82的至少一部分由外壁32的內(nèi)表面84限定，其中，外壁32形成大體長形的葉片40的前緣42。在至少一個實施方式中，弦向延伸的梢端冷卻通道16可以包括靠近翼型件12的前緣42的入口80，并且可以包括靠近翼型件12的后緣44的出口86。前緣冷卻通道82可以包括位于翼型件12的內(nèi)端部50處且與冷卻流體源連通的入口160。

形成弦向延伸的梢端冷卻通道16的內(nèi)壁20的壓力側(cè)部段24和吸入側(cè)部段26可以形成弦中蛇形冷卻通道88的至少一部分。弦中蛇形冷卻通道88可以是三通蛇形冷卻通道。弦中蛇形冷卻通道88可以具有位于弦中蛇形冷卻通道88的第一支路94的內(nèi)部端部92處的第一入口90。在至少一個實施方式中，弦中蛇形冷卻通道88可以包括位于第二轉(zhuǎn)彎部98處的第二入口96，第二轉(zhuǎn)彎部98是弦中蛇形冷卻通道88的第二支路100與第三支路102之間的內(nèi)轉(zhuǎn)彎部。冷卻流體可以經(jīng)由第一入口90進入第一支路94、流動穿過第一轉(zhuǎn)彎部91并進入第二支路100。冷卻流體可以從第二支路100流動穿過第二轉(zhuǎn)彎部98并進入第三支路102。當(dāng)冷卻流體流入第三支路102中時，來自第二入口96的附加的冷卻流體被添加至流入到第三支路102中的冷卻流體。第三支路102中的冷卻流體可以流入后緣冷卻通道156中并且可以通過后緣44中的一個或更多個后緣排出孔口158排出。

帶槽梢端18可以具有任何適當(dāng)?shù)臉?gòu)型。在至少一個實施方式中，如圖4中所示，帶槽梢端18可以包括沿徑向延伸的上游肋部104和沿徑向延伸的下游肋部106。沿徑向延伸的上游肋部104可以包括上游接觸表面108，上游接觸表面108與大體長形的葉片40的縱向軸線110不正交且不平行，使得上游接觸表面108的最內(nèi)拐角112比上游接觸表面108的最外拐角114向上游延伸得更遠。沿徑向延伸的上游肋部104還可以包括下游接觸表面116，該下游接觸表面116與大體長形的葉片40的縱向軸線110不正交且不平行，使得下游接觸表面116的最內(nèi)拐角118比下游接觸表面116的最外拐角120向下游延伸得更遠。沿徑向延伸的下游肋部106可以包括下游接觸表面122，下游接觸表面122與大體長形的葉片40的縱向軸線110不正交且不平行，使得下游接觸表面122的最內(nèi)拐角124比下游接觸表面122的最外拐角126向下游延伸得更遠。沿徑向延伸的下游肋部106還可以包括上游接觸表面128，該上游接觸表面128與大體長形的葉片40的縱向軸線110不正交且不平行，使得上游接觸表面128的最內(nèi)拐角130比上游接觸表面128的最外拐角132向上游延伸得更遠。

內(nèi)部冷卻系統(tǒng)10還可以包括定位在沿徑向延伸的上游肋部104中的一個或更多個壓力側(cè)膜冷卻孔134，壓力側(cè)薄膜冷卻孔134具有位于沿徑向延伸的上游肋部104的上游接觸表面108中的出口136以及將壓力側(cè)膜冷卻孔134與內(nèi)部冷卻系統(tǒng)10的弦向延伸的梢端冷卻通道16聯(lián)接的入口138。壓力側(cè)膜冷卻孔134可以具有定位成與外表面142不平行且非線性的縱向軸線140，外表面142形成翼型件12的壓力側(cè)部68。內(nèi)部冷卻系統(tǒng)10還可以包括定位在沿徑向延伸的下游肋部106的上游的一個或更多個吸入側(cè)膜冷卻孔150，吸入側(cè)薄膜冷卻孔150具有位于帶槽梢端18中且位于沿徑向延伸的上游肋部104與沿徑向延伸的下游肋部106之間的出口152。吸入側(cè)薄膜冷卻孔150可以具有縱向軸線162，縱向軸線162與定位在沿徑向延伸的上游肋部104與沿徑向延伸的下游肋部106之間的帶槽梢端18的外表面154不平行且非線性，使得冷卻流體從吸入側(cè)膜冷卻孔150排出，具有至少部分下游矢量。

在使用期間，冷卻流體可以經(jīng)由入口80流入前緣冷卻通道82中。冷卻流體可以從冷卻流體源流入在翼型件12的內(nèi)端部50處的前緣冷卻通道82的入口160中。冷卻流體流動穿過前緣冷卻通道82并且進入到弦向延伸的梢端冷卻通道16的入口80中。壓力側(cè)部段24和吸入側(cè)部段26引導(dǎo)冷卻流體與壓力側(cè)外壁34的內(nèi)表面58和吸入側(cè)外壁36的內(nèi)表面60接觸。通過引導(dǎo)冷卻流體與壓力側(cè)外壁34的內(nèi)表面58和吸入側(cè)外壁36的內(nèi)表面60接觸，提高了內(nèi)部冷卻系統(tǒng)10的冷卻效率。另外，位于壓力側(cè)外壁34的內(nèi)表面58上的紊流器66和位于吸入側(cè)外壁36的內(nèi)表面60上的紊流器66可以進一步提高內(nèi)部冷卻系統(tǒng)10的效率。冷卻流體可以經(jīng)由壓力側(cè)膜冷卻孔134和吸入側(cè)薄膜冷卻孔150并經(jīng)由靠近翼型件12的后緣44的出口86從弦向延伸的梢端冷卻通道16排出。經(jīng)由壓力側(cè)膜冷卻孔134和吸入側(cè)膜冷卻孔150排出的冷卻流體可以用于冷卻帶槽梢端18。

出于對本發(fā)明的實施方式進行說明、解釋和描述的目的提供了前述內(nèi)容。對這些實施方式的修改和改變對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是明顯的，并且在不脫離本發(fā)明的范圍或主旨的情況下可以對這些實施方式進行修改和改變。