CN105308268A - 具有双复合成角度孔和狭槽的冷却式涡轮叶片 - Google Patents
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Abstract
一种用于燃气涡轮发动机中的涡轮叶片。所述涡轮叶片包括基部，所述基部具有叶片根部、平台、冷却空气入口及基部空气通道。所述涡轮叶片还包括翼型部分，所述翼型部分与基部相邻接，并具有外壁、翼型空气通道、多个与所述翼型空气通道流体连通的后缘狭槽以及多个与所述翼型空气通道流体连通的穿过外壁的定向膜孔。所述多个定向膜孔包括配置为向尖端排出冷却空气的第一部分和配置为向所述平台排出冷却空气的第二部分。
Description
技术领域
本发明总体上涉及气体涡轮发动机，且更具体地涉及一种冷却式涡轮叶片。
背景技术
高性能燃气涡轮发动机通常依赖于增加涡轮入口温度，从而提高燃料经济性和总额定功率。如果不对这些较高的温度进行补偿，则会使发动机部件氧化以及缩短部件寿命。许多技术的应用使得部件寿命得到了增加。所述技术包括利用来自发动机的压缩机部分的空气进行内部冷却和薄膜冷却。引气延长了叶片的寿命，但也会导致效率损失。因此，对于翼型冷却而言，固定式燃气轮机以及移动式燃气轮机的压缩空气均有限。
在2003年10月7日授予Richter等人的美国专利第6630645号，示出了一种燃气轮机的涡轮叶片。具体而言，Richter等人的公开示出了一种燃气轮机的涡轮叶片，其中，形成为冷却空气孔的许多开孔大致以锐角运行通过所述部件壁。来自涡轮叶片的空腔的压缩机空气通过冷却空气孔，以便将冷却空气膜导引至涡轮叶片的外表面。
本发明的目的在于克服已知问题和/或由本发明人发现的问题。
发明内容
本文公开了一种用于燃气涡轮发动机的涡轮叶片。所述涡轮叶片包括基部和邻接到基部的翼型部分。基部包括叶片根部、平台、冷却空气入口以及位于基部内的基部空气通道，基部空气通道配置为接收和导向来自冷却空气入口的冷却空气。翼型部分包括从基部延伸到尖端的外壁，所述外壁形成前缘、后缘、压力侧和吸力侧。翼型部分还包括位于外壁内的翼型空气通道，翼型空气通道配置为接收和导向来自基部空气通道的冷却空气。翼型部分还包括与翼型空气通道流体连通并配置为将来自翼型部分的第一百分比的冷却空气排出的多个后缘狭槽。翼型部分还包括穿过外壁的多个定向膜孔，并且每一膜孔均具有膜孔入口和膜孔出口，膜孔入口定位在膜孔出口的前方，多个定向膜孔与翼型空气通道流体连通并配置为排出第二百分比的冷却空气。多个定向膜孔的第一部分中的每个，均使其膜孔入口定位成较其膜孔出口更靠近平台，并且多个定向膜孔的第二部分中的每个，均使其膜孔出口定位成较其膜孔入口更靠近平台。而且，多个定向膜孔的第二部分定位成较多个定向膜孔的第一部分更靠近平台。
附图说明
图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图。
图2是图1的涡轮叶片的局部剖开等距视图。
图3是图2的涡轮叶片的局部剖开压力侧视图。
图4是图3的涡轮叶片沿截面切割线4-4截取的界面俯视图。
图5是图4的一部分的放大图。
具体实施方式
本发明提供了一种具有位于压力侧和后缘狭槽上游的冷却孔的涡轮叶片。实施例包括定向冷却孔和定向后缘狭槽，在定向后缘狭槽内冷却空气被引导至朝向涡轮叶片的尖端和基部。使用二级冷却效果(或虚拟冷却)，通过采用如当前所公开的双复合角度设计，排出的冷却空气可为叶片后缘尖端和平台(端壁)提供叶片冷却。
图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图。为了清楚起见和便于解释，(此处和其它附图中)省略或放大了一些表面。而且，本发明将通常提及燃气涡轮发动机的转动中心轴线95，该轴线可以大致由其轴120(其由多个轴承组件150支持)的纵向轴线限定。中心轴线95可以与各种其它发动机同心部件共用或共享。本发明还将提及中心轴线95的一个或多个有代表性的半径96。
除非另有说明，径向、轴向和圆周方向以及测量值的提及均是指中心轴线95。另外，本发明可提及“前”和“后”方向。除非另有说明，通常，所有对“前”和“后”的提及均与一次空气(即用于燃烧过程中的空气)的流动方向相关联。例如，前为相对于一次空气流动(即朝向空气由此处进入系统的点或前缘)的“上游”，并且后为相对于一次空气流动(即朝向空气由此处离开系统的点或后缘)的“下游”。
结构上来讲，燃气涡轮发动机100包括入口110、压缩机200、燃烧室300、涡轮400、排气500以及动力输出联接件600。压缩机200包括一个或多个压缩机转子组件220。燃烧室300包括一个或多个喷射器350并包括一个或多个燃烧室390。涡轮400包括一个或多个涡轮转子组件420，具有定位在最靠近燃烧室300的第一级涡轮转子组件421。根据一个实施例，一个或多个涡轮转子组件420可以在圆周上(例如，在第一级涡轮转子组件421)装配有多个冷却式涡轮叶片440。
如图所示，压缩机转子组件220和涡轮转子组件420均为轴流式转子组件，其中每个转子组件包括沿周向装配有多个翼型(例如，冷却式涡轮叶片440″)的转子盘。当安装时，通过沿周向分布在环形壳体中的静止轮叶(“定子轮叶”或“喷嘴”)250、450将和一个转子盘相关联的转子叶片与和相邻的转子组件相关联的转子叶片轴向分离。
以上部件(或它们的子部件)中的一个或多个可由不锈钢和/或耐用的高温材料(被称为“超耐热合金”)制成。超耐热合金或高性能合金是一种展示出在高温下的优良的机械强度和抗蠕变性、良好的表面稳定性，以及耐腐蚀性和抗氧化性的合金。超耐热合金可包括例如哈斯特洛伊耐蚀镍基合金(HASTELLOY)、铬镍铁合金(INCONEL)、沃斯帕洛伊合金(WASPALOY)、RENE合金、HAYNES合金、耐热铬镍铁合金(INCOLOY)、MP98T、TMS合金、CMSX单晶合金等材料。
图2是图1的涡轮叶片的局部剖开等角图。特别地，参考冷却式涡轮叶片440运行期间的中心轴线95、第一径向线96、第二径向线98以及旋转路径97，示出了从燃气涡轮发动机100的其余部分中分离出来的冷却式涡轮叶片440。为了清晰和说明起见，已经去除了某些特征件/部件。例如，冷却式涡轮叶片440可包括额外的冷却孔、凹槽、表面等。另外，虽然冷却式涡轮叶片440被示出具有瞄准两个方向的薄膜冷却，但是本文所提出的概念可以扩展到多个方向和/或在该特定实施方式中没有说明的方向。
概括地，冷却式涡轮叶片440包括邻接到基部441的翼型部分442。另外，冷却式涡轮叶片440包括在基部441上的根端443，以及在翼型部分442上且与根端443相对的尖端444。尽管此处仅示出了冷却式涡轮叶片440的下游部分上的薄膜冷却特征件，但是冷却式涡轮叶片440还可包括在上游部分上的薄膜冷却特征件。
翼型部分442为配置成接收来自基部441的冷却空气15的大体上中空的叶片，以导向翼型部分442内的冷却空气15，以及使用一定百分比的冷却空气15用于翼型部分442的外表面和/或平台461上的目标区域的薄膜冷却。目标区域或区的实例可包括后缘尖端445、后缘根部446，以及平台后缘447。
基部441包括叶片根部460、平台461、冷却空气入口462，以及基部空气通道463。在运行期间，叶片根部460将冷却式涡轮叶片440保持在其相应的涡轮转子组件中，并且所述叶片根部460可包括“杉树形”、“灯泡形”或“燕尾形”根部，这里列出几例。
平台461为翼型部分442从其延伸提供基础或参考框架。平台461配置成限制运行期间通过翼型部分442的被激励(经燃烧的)气体相对于平台461的向下(即，相对于第二径向线98径向向内)的流动。当安装时，平台461，以及还有靠近尖端444的涡轮机外壁(未示出)用于形成热气体导管(被激励气体导管)。
冷却空气入口462可包括位于基部441中(例如，邻近根端443)的一个或多个开口。基部空气通道463可包括位于基部441内的一个或多个通道，它们配置成接收来自冷却空气入口462的冷却空气15并且将冷却空气15导向至翼型部分442。在这里，基部441的部分已被去掉，以便示出基部空气通道463和冷却空气入口462。
翼型部分442包括外壁470、翼型空气通道480、多个后缘狭槽481，以及多个定向膜孔482。外壁470可从平台461向上延伸到尖端444。特别地，外壁470“横跨”在基部441与尖端444之间，形成翼型部分442的翼型表面。如翼型表面一样，外壁470包括空气动力学特征件，例如前缘484、后缘485、压力侧486、吸力侧487、中弧线488，以及翼型形状489。
中弧线488通常被定义为沿着翼型的中心从前缘484到后缘485延伸的线。通常，中弧线488为翼型形状489的压力侧486和吸力侧487的平均线。翼型形状489通常被定义为如在横截面中所见的翼型表面的形状，其于给定点处在垂直于z轴449(下面讨论)的平面内截取。因此，翼型部分442的翼型表面为平台461与尖端444之间的翼型形状489的集合。
另外，翼型部分442可具有在基部441与尖端444之间变化的复杂的几何形状。例如，翼型部分442的翼型形状489可增大弧形长度、厚度、扭曲度和/或随着其向下横跨改变形状(参考作为基础或参考框架的平台461)。此外，翼型部分442的整体几何形状可以根据涡轮机应用的不同而变化。
因此，由于其复杂的几何形状，在描述翼型部分442时，本文引用了冷却式涡轮叶片440的操作方面。特别地，参照作为基础或参考框架的平台461，沿着z轴449、从平台461(或目标点，例如所描述的特征件的位置)朝着尖端444向上行进来测量“向上”和“向下”方向。例如，在z方向上从根端443向尖端444的行进为“向上”，以及反之亦然。
这里，z轴449被方便地定义为与一个平面垂直的轴，所述平面与冷却式涡轮叶片440上的给定目标点在运行期间的旋转路径97(例如定向膜孔482的中心)相切。因此，在运行期间，z轴449与安装它的气体涡轮发动机100的中心轴线95的第二径向线98(参见图1)同轴。为了进行说明，在翼型部分442沿其中弧线488的一点上示出了示例性z轴449。
本文中可能也参考了外壁470的空气动力学特征件。具体地讲，翼型部分442的“向前”和“向后”方向在其前缘484(向前)与其后缘485(向后)之间沿着翼型形状489进行了大体测量。类似地，在描述翼型部分442的冷却特征件(具体指定向膜孔482)时，相对于翼型部分442的翼型表面对“向内”和“向外”方向进行了大体测量。具体地讲，向内和向外方向为沿着一条垂直于与翼型表面相切的平面的线，“向内”是指朝向中弧线488，“向外”是指相反的方向。
翼型部分442还可包括尖端壁471，位于其尖端444(“上”端)处。尖端壁471可延伸穿过翼型部分442，大体上或完全封堵外壁470的中空部分。尖端壁471可配置为重新定向冷却空气15，使其不通过尖端444逸出(例如见图3)。根据一个实施例并如图所示，尖端壁471可向下凹陷(朝向平台461)，使得其不与翼型部分442的尖端444平齐。根据一个实施例，尖端壁471可以包括一个或多个穿孔(未示出)，使得一定百分比的冷却空气15可以从尖端444排出。
翼型部分442还可包括外壁470内的结构件或特征件。所述内部结构可以包括结构构件以及热力学构件。例如，翼型部分442可包括在外壁470的压力侧486和吸力侧487之间延伸的一个或多个肋片473(也可参见图3)。一个或多个肋片473可配置作为冷却式涡轮叶片440内的框架结构和热交换器，并形成翼型空气通道480的一部分。
翼型空气通道480可包括外壁470内的一个或多个通道，一个或多个通道配置为从基部空气通道463接收冷却空气15，并导向冷却空气15穿过和流出外壁470。如上所述，翼型部分442的部分已被切除以示出翼型空气通道480。所述一个或多个通道可以包括外壁470内的空腔、内部管道、未使用空间以及开口的任意组合。此外，翼型空气通道480可以包括被接合或分离的通道。翼型空气通道480可终止于外壁470内的各种开口。例如，翼型空气通道480的若干部分可以终止于后缘狭槽481、定向膜孔482和/或尖端壁471穿孔中，为运行期间冷却空气15从冷却式涡轮叶片440流出提供出口。
多个后缘狭槽481为一系列开口，一系列开口配置成从冷却式涡轮叶片440排出一定百分比的冷却空气15。具体地讲，后缘狭槽481可以是在平台461和尖端444之间分层的开口，靠近翼型部分442的后缘485。所述开口可以是直线横截面、角形横截面、圆形横截面，或它们的任意组合。此外，后缘狭槽481与翼型空气通路480流体连通，并且可配置为排出由翼型空气通道480接收到的冷却空气15的绝大部分。
根据一个实施例，后缘狭槽481可以被集成到外壁470中。具体地讲并如图所示，外壁470的吸力侧487的至少一部分可比外壁470的压力侧486延伸得更下游一些，以露出其间的不连续部分。然后，一系列后缘板条464可穿过不连续部分，在外壁470的吸力侧487和外壁470的压力侧486之间延伸。具体地讲，所述一系列后缘板条464可大致呈三角形，三角形的顶点靠近后缘485，底边在外壁470的压力侧后缘472和外壁470的吸力侧487之间延伸。此外，后缘板条464可以在翼型部分442中外壁470的压力侧486和外壁470的吸力侧487之间继续上行，过渡到肋片473或其它内部结构件中。根据一个实施例，后缘板条464可配置作为冷却翅片，用于翼型部分442的一个或多个部件(例如，外壁470、肋片473等等)。
多个定向膜孔482包括一系列开口，所述开口配置成从冷却式涡轮叶片440排出一定百分比的冷却空气15。具体地讲，定向膜孔482为穿过外壁470的通道。此外，定向膜孔482与翼型空气通路480流体连通，并且可配置为排出由翼型空气通道480所接收的冷却空气15的一小部分，用于冷却式涡轮叶片440的外表面的薄膜冷却。例如，定向膜孔482可在平台461和尖端444之间分布，靠近翼型部分442的后缘485。此外，正如下面进一步讨论的，定向膜孔482之所以是“定向”的，是因为它们配置成在沿着z向具有非零角度的方向上(例如，相对于平台461成“向上”或“向下”的角度)引导小百分比的冷却空气15。
连同地或独立地，后缘狭槽481及多个定向膜孔482可以配置为在翼展膜中策略性地将冷却空气15排出到局部热点和/或难以触及的位置。例如，制造或其它限制可能需要使最外侧的后缘狭槽481和/或最外侧的定向膜孔482从尖端444或平台461偏移。相比于沿流线排放，它们可以相对于它们的位置成一定角度以专门到达后缘尖端445、后缘根部446和/或所述平台后缘447，并同时维持了其间的连续翼展膜。
图3是图2的涡轮叶片的局部剖开压力侧视图。具体地，当冷却式涡轮叶片440安装(见图1)时，侧视图与燃气涡轮发动机100的轴向视图相重合。例如，在安装时，图示侧视图将是沿中心轴线95向后看(入口110朝向排气口500)，具有逆时针旋转路径97。图4是图3的涡轮叶片沿截面切割线4-4截取的截面俯视图。如上所述，为了实现简化和说明的目的，已经去除某些特征件/部件。例如，切除冷却式涡轮叶片440的部分以示出用于导向冷却空气15的示例性通道。具体而言，示出冷却空气15经过翼型空气通道480在曲折路径(例如，由尖端壁471重新定向)中行进。
参照上面所讨论的多个定向膜孔482，每个定向膜孔482的位置可由其膜孔出口475的中心方便地限定。另外，定向膜孔482的位置可由以下距离来方便地限定：与平台461在其z向(例如，垂直位置468)的距离，以及沿翼型形状489的曲线穿过它(例如水平位置469)与其位置的前缘484的距离。翼型形状489可通过前缘484和后缘485之间的翼型表面上的曲线进行估计，所述曲线沿z向与平台461和/或尖端444等距离。可替换地，翼型形状489可由接近目标定向膜孔482的流线进行估计。
例如，翼型部分442上的定向膜孔482的位置可由以下项来估计和描述：与平台461的特定跨度(垂直位置468)的长度和沿如上所述曲线距前缘484到后缘485(水平位置469)的长度百分比，上述曲线为例如翼型形状、等距的、流线型等。又如，翼型部分442上的定向膜孔482的位置可由以下项来估计和描述：与平台461的特定跨度(垂直位置468)的长度和沿如上所述曲线与前缘484(水平位置469)的距离。
如图所示，多个定向膜孔482可位于翼型部分442的压力侧486，朝向后缘485。具体而言，多个定向膜孔482通过翼型部分442的压力侧486上的外壁470，并位于外壁470的翼型表面上，前缘484的下游，距离前缘484到后缘485的长度的至少一半，即距离前缘484到后缘485的长度的60％和90％之间(沿外壁470测量的)。
例如，多个定向膜孔482可位于下游距离前缘484到后缘485的长度的至少60％。同样例如，多个定向膜孔482可位于下游距离前缘484到后缘485的长度的至少70％。同样例如，多个定向膜孔482可位于下游距离前缘484到后缘485的长度的60％和90％之间。同样例如，多个定向膜孔482可位于下游距离前缘484到后缘485的长度的65％和85％之间。
通常，定向膜孔482可配置为朝向冷却式涡轮叶片440的较热区域排出膜层冷却空气15。如上所述，多个定向膜孔482配置为在沿着z向具有一个非零的角度或者远离膜过渡线483的方向上(此处，膜过渡线483与截面切割线4-4相重合)排出冷却空气15。具体而言，一些定向膜孔482可以引导冷却空气15朝向尖端444(相对于其对应的z轴449向上)，并且其它定向膜孔482可将冷却空气15引导至平台461(相对于其对应的z轴449向下)。
根据一个实施方式，多个定向膜孔482可以在下游成一定角度，且远离所述膜过渡线483成一定角度。具体而言，每个膜孔入口474位于其对应的膜孔出口475的前方，提供用于膜排出方向476以指向下游方向(以下将进一步讨论)。此外，每个膜孔入口474比其对应的膜孔出口475更靠近膜过渡线483，提供用于膜排出方向476，以便远离膜过渡线483成一定角度。注意，这里，图中所示的膜过渡线483为接近翼型部分442的跨距中间的线，然而，在其它实施方式中，膜过渡线483可以从跨距中间偏离(例如，位于比翼型部分442的跨距中间更靠近或远离尖端444)。
根据一个实施例，多个定向膜孔482的第一部分可配置为以第一目标角478从外壁470向上排放冷却空气15，并且多个定向膜孔482的第二部分可配置为以第二目标角479从外壁470向下排放冷却空气15。如图所示，该第一目标角478和第二目标角479可方便地表示为定向膜孔482的膜排出方向476与垂直于相应z轴449的平面之间的角度，该角度在由膜排出方向476与相应的z轴449形成的平面中测量。
例如，第一目标角478可以是在正方向大约30度，第二目标角479可以是在反方向大约30度。还例如，第一目标角478可以是在正方向大约15度到30度，第二目标角479可以是在反方向大约15度到30度。还例如，第一目标角478可以是在正方向大约10度到40度，第二目标角479可以是在反方向大约10度到40度。还例如，第一目标角478和第二目标角479可对应基本类似于后缘狭槽481的第一后缘角465和第二后缘角466。
根据一个实施例，第一目标角478和第二目标角479可以是彼此的反射，具有基本相同的角度但是互为彼此的负角。根据另一个实施例，第一目标角478和第二目标角479可能在标量值(角度的绝对值)和方向(角度符号)上彼此不同。另外，多个定向膜孔482中的每一个都配置为以独立于另一个定向膜孔482的目标角从外壁470排放冷却空气15。
根据一个实施例，所述多个定向膜孔482可配置为横跨翼型部分442沿翼展方向分配冷却薄膜。具体地，所述定向膜孔482可在平台461和尖端444之间或其间一部分被分层。另外，多个定向膜孔482可间隔开，这样提供连续的薄膜覆盖。例如，定向膜孔482可以沿翼展方向分布，其中桨距直径比(P/D)为4，或在3-5或2-7的P/D范围内。在此，使用相应的膜孔出口475的分割直径(在此，圆形直径垂直于膜孔排出方向476)，在z向沿着线从中心到中心来测量桨距直径比。
根据一个实施例，多个定向膜孔482可被置于带或列内。具体地，多个定向膜孔482可沿翼展方向分布，同时在一定范围内限制它们相对于前缘484的水平位置469。例如，多个定向膜孔482可以保持在如下水平范围内：例如上文所描述该水平范围是沿曲线从前缘484到后缘485的总长度的20％。还例如，定向膜孔482可保持在5种直径中每一个的水平范围内。此外，翼展方向分布可在平台461和尖端444之间并且在带或列内部形成单线、多条线、交错式阵列或以其他分布分层。
根据一个实施例，多个定向膜孔482可包括具有第一目标角478的定向膜孔482(例如，单列，多列，或任何其他翼展方向分布)的第一翼展方向阵列，和具有第二目标角479的定向膜孔482的第二翼展方向阵列，所述第二目标角479不同于第一目标角478。如图所示，定向膜孔482的第一翼展方向阵列和定向膜孔482的第二翼展方向阵列可能各自形成单列，跨越翼型部分442的一部分(此处，分别为顶部半跨和底部半跨)。例如，定向膜孔482的第一翼展方向阵列可能在膜过渡线483一侧上沿翼展方向向尖端444延伸，并且定向膜孔482的第二翼展方向阵列可能在所述膜过渡线483的另一侧上沿翼展方向向平台461延伸。此外，第一目标角478和第二目标角479每一个都指向下游并且远离膜过渡线483。
另外，上述定向膜孔482的第一和第二翼展方向阵列可以偏移并可彼此重叠。具体地，如图所示，定向膜孔482的两个半跨阵列在流动方向(此处，沿着它们的水平位置469)上彼此重叠以避开在跨距中间的微弱薄膜覆盖。例如，第一翼展方向阵列可以偏移，或可置于第二翼展方向阵列的上游，反之亦然。
此外，第一翼展方向阵列的至少一个定向膜孔482可以位于在膜过渡线483上与第二翼展方向阵列的相同侧，并且第二翼展方向阵列的至少一个定向膜孔482可以位于在膜过渡线483上与第一翼展方向阵列的相同侧。替代地，第一翼展方向阵列的定向膜孔482可以位于膜过渡线483上，并且第二翼展方向阵列的一个定向膜孔482可以位于膜过渡线483上。具有第一目标角478和第二目标角479的附加定向膜孔482也可在流动方向上彼此重叠。
根据一个实施例，第一翼展方向阵列可具有离尖端444最近的第一开始定向膜孔482和离尖端444最远的第一终止定向膜孔482，形成第一“单列”翼展方向阵列。此外，第二翼展方向阵列可具有离平台461最近的第二开始定向膜孔482和离平台461最远的第二终止定向膜孔482。另外，第一终止定向膜孔482可与第二终止定向膜孔482等距地定位到平台461，或比其离平台461更近，从而彼此重叠。类似地，第二终止定向膜孔482可与第一终止定向膜孔482等距地定位到尖端444，或比其离尖端444更近。
根据一个实施例，多个后缘狭槽481可配置成将来自冷却式涡轮叶片440的冷却空气15相对于作为基础的平台461向上和向下地排出。尤其是，多个后缘狭槽481的上部可倾斜、成角度或以其它方式配置成将来自冷却式涡轮叶片440的冷却空气15相对于作为基础的平台461至少部分向上排出(即，包括朝向尖端444的速度分量)。类似地，多个后缘狭槽481的下部可倾斜、成角度或以其它方式配置成将来自冷却式涡轮叶片440的冷却空气15相对于作为基础的平台461至少部分向下排出(即，包括朝向平台461的速度分量)。
另外，多个后缘狭槽481的开口可包括导向装置或者其它结构，其配置成在z方向上赋予流动分量。例如，多个后缘狭槽481可包括多个后缘板条464，所述后缘板条464成角度且横跨后缘485。尤其是，多个后缘狭槽481的上部可包括在第一后缘角465处成角度的第一系列后缘板条464，以及在第二后缘角466处成角度的第二系列后缘板条464。
第一后缘角465和第二后缘角466可方便地表示为冷却空气15从每个后缘狭槽481排出的方向和垂直于其相应z轴449的平面之间的角，所述角在由排出方向和相应z轴449形成的平面中测量。若后缘板条464的形状基本平坦或扁平，第一后缘角465和第二后缘角466可方便地测量为后缘板条464和垂直于其相应z轴449的平面之间的角。
根据一个实施例，第一后缘角465可在正方向上约为30度；且第二后缘角466可在反方向上约为30度。可选地，第一后缘角465可在正方向上约为15度至30度；且第二后缘角466可在反方向上约为15度至30度。可选地，第一后缘角465可在正方向上约为10度至40度；且第二后缘角466可在反方向上约为10度至40度。
根据另一个实施例，第一后缘角465和第二后缘角466可彼此制约。尤其是，第一后缘角465和第二后缘角466可为彼此的反射，具有基本相同的角度但为彼此的负角。可选地，第一后缘角465和第二后缘角466可在标量值(角度的绝对值)和方向(角符号)上彼此不同。此外，多个后缘狭槽481中的每个可配置成在独立于其它后缘狭槽481的后缘角处将来自冷却式涡轮叶片440的冷却空气15排出。
根据一个实施例，多个后缘狭槽481可包括扇形狭槽467。扇形狭槽467是多个后缘狭槽481的上部和下部之间的过渡。尤其是，扇形狭槽467可配置成将来自冷却式涡轮叶片440的冷却空气15向上、向下和在中间排出。例如，扇形狭槽467可包括两个相邻但分离的后缘板条464，所述后缘板条464分别具有第一后缘角465和第二后缘角466且呈扇形散开定位(即，使得它们的上游端比它们的下游端更加靠近彼此)。扇形狭槽467可具有大体梯形形状，其中后缘485和压力侧后缘472形成其平行侧。此外，两个相邻但分开的后缘板条464可关于它们之间的中心线对称。可选地，两个相邻但分开的后缘板条464可不对称。
另外，扇形狭槽467可与上述定向膜孔482的第一翼展方向阵列和第二翼展方向阵列相协调。尤其是，扇形狭槽467可关于膜过渡线483对称。可选地，两个相邻但分开的后缘板条464可定位在膜过渡线483的相对侧上。
图5是图4的一部分的放大图。如所示出，每个定向膜孔482可包括膜孔入口474和膜孔出口475。冷却空气15通过沿膜排出方向476经过膜孔入口474到膜孔出口475可从冷却式涡轮叶片440排出。膜排出方向476可方便地限定为从膜孔入口474的中心到膜孔出口475的中心的方向。膜排出方向476可方便地由膜孔排出角477和其相应目标角478和目标角479描述。
通常，膜孔排出角度477是在膜排出方向476和外壁470的翼型表面之间形成的角度。更具体地，如在垂直于在定向膜孔482(如下所述)位置上的z轴449的平面所测量的，膜孔排出角度477是在膜排出方向476和与翼型表面(尽管在翼型表面中的任何不连续部分)相切的平面之间形成的角度。根据一个实施例，多个定向膜孔482每个均可具有30度或更小的膜孔排出角度477。根据另一个实施例，多个定向膜孔482每个均可具有20度和30度之间的膜孔排出角度477。根据再一个实施例，多个定向膜孔482每个均可具有15度和45度之间的膜孔排出角度477。另外，多个定向膜孔482可具有基本相同的膜孔排出角度477，它们彼此独立，或它们中的一些组合。
工业实用性
本发明通常应用于冷却式涡轮叶片，以及具有冷却式涡轮叶片的燃气涡轮发动机。所述实施例不限于与特定类型的燃气涡轮发动机结合使用，而是可应用于固定或移动的燃气涡轮发动机，或其任何变体。燃气涡轮发动机，以及因而其组件，可适用于许多工业应用，比如，但不限于，举几个例子来说，石油和天然气工业(包括石油和天然气的传输、采集、储存、回收，以及升举)、发电工业、热电联产、航天以及运输业的各方面。
总体上，本发明的冷却式涡轮叶片的实施例可应用于燃气涡轮发动机的使用、组装、制造、操作、维护、维修，和改进，且可使用其用于改进性能和效率、减少维护和维修，和/或降低成本。另外，本发明的冷却式涡轮叶片的实施例可应用于燃气涡轮发动机寿命的任何阶段，从设计到原型机制造和第一制造，以及直到寿命的终止。相应地，冷却式涡轮叶片可用于第一产品，作为对现有燃气涡轮发动机的改进或增强，作为预防措施，或甚至是响应事件。
当本发明的冷却式涡轮叶片可优选地包括与较早类型的冷却式涡轮叶片可互换的相同的接口时，尤其如此。此外，本发明的冷却式涡轮叶片可优选地包括定向膜孔和配置为匹配冷却质量流量的后缘狭槽以进一步可互换。
在操作时，通过冷却空气入口向冷却式涡轮叶片提供加压冷却空气。然后，冷却空气经由基部空气通道和翼型通道分别导向通过基部和翼型部分，且通过定向膜孔和后缘狭槽排出。另外，对于二阶冷却作用，可选择双重复合角度用于定位热区。同时，定向膜孔可偏离且重叠以避免微弱的薄膜覆盖，在所述微弱的薄膜覆盖存在定向膜孔的目标角过渡部分。后缘狭槽和扇形狭槽可与定向膜孔及其过渡部分相协调。
另外，本发明的冷却式涡轮叶片可包括定向膜孔和后缘狭槽中的一个或多个的排出角度的各种变化，同时保持恒定的冷却质量流量。这样，可通过重新定位定向膜孔和后缘狭槽(例如，响应于老化数据、测试、热分析，和/或经验确定)来降低涡轮叶片后缘尖端和根部金属温度，而无需不得不向冷却式涡轮叶片增加冷却质量流量。这样，可优化涡轮翼型冷却设计、节约冷却质量流量以及改善涡轮机效率。此外，用过的冷却空气(即，已对冷却式涡轮叶片内部的热量进行对流传热的冷却空气)可被重复利用以提供额外的服务，即冷却冷却式涡轮叶片的外部。
上述详细描述在本质上仅仅是示例性的且并不意图限制本发明或本发明的应用和使用。所述实施例不限于与特定类型的燃气涡轮发动机结合使用。因此，尽管为便于解释本实施例被示出且描述为在固定燃气涡轮发动机上实施，但应当理解，其可在多种其他类型的燃气涡轮发动机上，以及在多种其他系统和环境中实施。另外，本发明无意受存在于任何前述部分的任何理论的限制。还可以理解的是，附图可包括放大的尺寸和图示以更好地示出所示参考项目，且并不认为是限制性的，除非有这样的明确说明。
Claims (10)
1.一种用于燃气涡轮发动机(100)中的涡轮叶片(440)，所述涡轮叶片(440)具有尖端(444)和根端(443)，所述涡轮叶片(440)包括：
基部(441)，其包括叶片根部(460)、平台(461)、冷却空气入口(462)以及位于所述基部(441)内的基部空气通道(463)，所述基部空气通道(463)配置为接收且导向来自所述冷却空气入口(462)的冷却空气；以及
翼型部分(442)，其邻接所述基部(441)，所述翼型部分(442)包括
外壁(470)，其从所述基部(441)延伸至所述尖端(444)，所述外壁(470)形成前缘(484)、后缘(485)、压力侧(486)以及吸入侧(487)，
翼型空气通道(480)，其位于所述外壁(470)内，所述翼型空气通道(480)配置为接收和导向来自所述基部空气通道(463)的冷却空气，
多个后缘狭槽(481)，其与所述翼型空气通道(480)流体连通，并且配置为排出来自所述翼型部分(442)的第一百分比的所述冷却空气，以及
多个定向膜孔(482)，其穿过所述外壁(470)，并且每个定向膜孔(482)具有膜孔入口(474)和膜孔出口(475)，所述膜孔入口(474)位于所述膜孔出口(475)的前方，所述多个定向膜孔(482)与所述翼型空气通道(480)流体连通并且配置为排出第二百分比的所述冷却空气，
所述多个定向膜孔(482)的第一部分，每个第一部分分别使所述膜孔入口(474)定位成比所述膜孔出口(475)更靠近所述平台(461)，以及
所述多个定向膜孔(482)的第二部分，所述第二部分定位成比所述多个定向膜孔(482)的第一部分更靠近所述平台(461)，所述多个定向膜孔(482)的每个第二部分(482)分别使所述膜孔出口(475)定位成比所述膜孔入口(474)更靠近所述平台(461)。
2.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮叶片(440)，其中，所述多个定向膜孔(482)定位为穿过所述外壁(470)的所述压力侧(486)，且定位于所述前缘(484)的下游，距离为从所述前缘(484)到所述后缘(485)的长度的至少一半。
3.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮叶片(440)，其中，所述多个定向膜孔(482)的所述第一部分在所述尖端(444)和膜过渡线(483)之间分层；
其中，所述多个定向膜孔(482)的所述第二部分在所述膜过渡线(483)和所述平台(461)之间分层；且
其中，所述多个定向膜孔(482)按翼展方向分布，其桨距直径比(P/D)的范围为2-7。
4.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮叶片(440)，其中，所述多个定向膜孔(482)的所述第一部分作为第一单列翼展方向阵列从膜过渡线(483)朝向所述尖端(444)延伸；
其中，所述多个定向膜孔(482)的所述第二部分作为第二单列翼展方向阵列从所述膜过渡线(483)朝向所述平台(461)延伸；
其中，所述第一单列展翼方向阵列和所述第二单列展翼方向阵列中的一个位于另一个的上游；
其中，所述多个定向膜孔(482)的所述第一部分中的一个定位在所述膜过渡线(483)和所述平台(461)上或二者之间；且
其中，所述多个定向膜孔(482)的所述第二部分中的一个定位在所述膜过渡线(483)和所述尖端(444)上或二者之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮叶片(440)，其中，所述多个定向膜孔(482)的所述第一部分进一步配置为相对于作为地面的所述平台(461)以正方向10度至40度之间的第一目标角(478)向上排出冷却空气；且
其中，所述多个定向膜孔(482)的所述第二部分进一步配置为相对于作为地面的所述平台(461)以反方向10度至40度之间的第二目标角(479)向下排出冷却空气；
其中，所述多个定向膜孔(482)位于所述前缘(484)的下游，距离为从所述前缘(484)到所述后缘(485)的长度的60％至90％之间；且
其中，所述多个定向膜孔(482)的每一个包括与所述外壁(470)成15度至45度之间的膜孔排出角度(477)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮叶片(440)，其中，所述多个后缘狭槽(481)的上部进一步配置为相对于作为地面的平台(461)以第一后缘角(465)从所述涡轮叶片(440)向上排出冷却空气；且
其中，所述多个后缘狭槽(481)的下部进一步配置为相对于作为地面的所述平台(461)以第二后缘角(466)从所述涡轮叶片(440)向下排出冷却空气；
其中，所述多个后缘狭槽(481)包括扇形狭槽(467)，所述扇形狭槽位于所述多个后缘狭槽(481)的所述上部和所述多个后缘狭槽(481)的所述下部之间，所述扇形狭槽(467)配置成相对于作为地面的所述平台(461)向上、向下以及在两者之间排出冷却空气；
其中，所述多个定向膜孔(482)的所述第一部分和所述多个后缘狭槽(481)的所述上部在膜过渡线(483)和所述尖端(444)之间延伸；且
其中，所述多个定向膜孔(482)的所述第二部分和所述多个后缘狭槽(481)的所述下部在所述膜过渡线(483)和所述平台(461)之间延伸。
7.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮叶片(440)，其中，所述多个后缘狭槽(481)的上部进一步配置为相对于作为地面的所述平台(461)以正方向10度至40度的第一后缘角(465)从所述涡轮叶片(440)向上排出冷却空气；且
其中，所述多个后缘狭槽(481)的下部进一步配置为相对于作为地面的所述平台(461)以反方向10度至40度之间的第二后缘角(466)从所述涡轮叶片(440)向下排出冷却空气。
8.根据权利要求7所述的涡轮叶片(440)，其中，所述多个后缘狭槽(481)包括扇形狭槽(467)，所述扇形狭槽位于所述多个后缘狭槽(481)的所述上部和所述多个后缘狭槽(481)的所述下部之间，所述扇形狭槽(467)配置成相对于作为地面的所述平台(461)向上、向下以及在两者之间排出冷却空气；
其中，所述多个定向膜孔(482)的所述第一部分进一步配置为以第一目标角(478)向上排出冷却空气，所述第一目标角(478)与所述第一后缘角(465)基本上相同；
其中，所述多个定向膜孔(482)的所述第二部分进一步配置为以第二目标角(479)向下排出冷却空气，所述第二目标角(479)与所述第二后缘角(466)基本上相同；
其中，所述多个定向膜孔(482)的所述第一部分和所述多个后缘狭槽(481)的所述上部在膜过渡线(483)和所述尖端(444)之间延伸；且
其中，所述多个定向膜孔(482)的所述第二部分和所述多个后缘狭槽(481)的所述下部在所述膜过渡线(483)和所述平台(461)之间延伸。
9.一种包括涡轮机(400)的燃气涡轮发动机(100)，所述涡轮机(400)具有涡轮转子总成(421)，所述涡轮转子总成(421)包括根据前述权利要求中任一项所述的涡轮叶片(440)，其中，所述涡轮转子总成(421)安装在所述涡轮机的第一级中。
10.一种用于燃气涡轮发动机(100)中的涡轮转子总成(420)，所述燃气涡轮发动机(100)包括多个根据前述权利要求中任一项所述的涡轮叶片(440)，所述涡轮转子总成(420)包括在其圆周上配置有所述多个涡轮叶片(440)的转子盘。
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