CN1525046A - 涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

一种涡轮叶片，顶部压力腔具有这样的装置，该装置能在极热条件下优先地从冷却通道网络向冷却区域引导冷却空气或转移冷却空气。

Description

涡轮叶片

技术领域

本发明涉及涡轮机，尤其是涉及被冷却的涡轮叶片。

背景技术

热处理在涡轮叶片的设计和制造中是一个重要的考虑因素。叶片通常被制成具有冷却通道网络。通常的网络通过叶片平台接收冷却空气。冷却空气经回旋状通道流过翼面，其至少一部分经翼面中的一些孔而流出。这些孔包括沿着翼面的压力侧和负压侧表面分布的孔(例如气膜孔)和在前后缘的表面交汇处的孔。其它的孔可位于叶片的顶部。在一般的制造技术中，叶片的主要部分是通过铸造和机械加工工艺制成的。在铸造工艺中，利用一个牺牲型芯来至少制成冷却通道网络的主要部分。叶片顶部的型芯的适当支承件，与伸出铸件顶端部分的型芯部分相关，且在把型芯移开时留下相关的孔。因此，制成带有顶部空穴的铸件是已知技术，将一板插入该顶部空穴内，至少部分地阻挡型芯留下的孔。这样可以对流过顶部的流量和分布进行改造，从而获得满意的性能。这种结构可在美国专利US3,533,712、3,885,886、3,982,851、4,010,531、4,073,599和5,564,902中看到。在许多这种叶片中，板下沉于铸件顶部空穴内，留出一个叶片顶部空穴或压力腔。

发明内容

本发明一个方面，提供了具有这样装置的压力腔，该装置用于优先地从通道网络的前缘分支、沿着形成压力腔的凸缘的压力侧引导或转移冷却空气。这一点可以利用仅部分地阻挡铸件内导气口的顶板来实现。该板具有一前缘，被定位为优先地沿着压力侧直接让气流通过该口。该板前缘相对于翼面截面的局部中线向前倾斜。该板阻挡的中线负压侧的口的面积比压力侧上的多。沿着该板前面的叶片顶部空穴的压力侧的长度可以比沿负压侧的长度长。

在本发明的另一方面中，提供叶片这样的装置，该装置能优先地引导气流从尾通道流到压力侧。这一点可使板尾部沿着尾口的负压侧而不是沿着相邻的压力侧延伸来实现。沿着负压侧可相对其前部突出。该尾部沿着压力侧可相对其前部凹进去。

在另一方面，顶部压力腔的壁的一侧(如压力侧)可具有一个侧面后缘缝隙，该缝隙具有用以减小缝隙处应力集中的装置。这一点可以利用在缝隙的前内侧角处有效地减轻热和机械应力的曲率半径来实现。

下面，在附图和说明书中阐述了本发明的一个或多个实施例的详细结构。本发明的其它特点、目的和优点从说明书、附图以及权利要求书中可以清楚地显示出来。

附图说明

图1是根据本发明的原理的涡轮叶片的视图；

图2是图1中叶片铸件的顶部视图；

图3是图1中叶片顶部隔室的盖板的视图；

图4是图1中叶片压力侧的尾缘顶部的局部视图；

图5是图1中叶片顶部的视图；

图6是图1中叶片顶部的前部的视图；

图7是图1中叶片顶部隔室尾部的局部视图。

在不同的图中，相同的附图标记和标识代表相同的元件。

具体实施方式

图1表示具有翼面42的涡轮叶片40，该翼面沿着从内侧平台46上接近根部44到远端顶部48的长度延伸。多个这样的叶片并排组装，它们各自的内侧平台形成一个界定了流动通道内侧部分的环。在示例性的实施例中，叶片的主要部分由金属合金整体形成(例如铸件)。铸件上形成一个顶部隔室，其内固定一独立的盖板50。

翼面从前缘60向尾缘62延伸。前后缘使压力侧和负压侧或表面64和66分开。为了冷却叶片，叶片上提供了与平台内口(未示出)相连的冷却通道网络。示例性的通道网络包括一组通常沿翼面纵向延伸的空腔。最前面的空腔即通常与前缘平行延伸的前缘空腔。最后面的空腔即通常与尾缘平行延伸的尾缘空腔。这些空腔可以在一端或两端和/或沿其长度的几个位置上连接起来。通道网络还包括延伸到压力表面和负压表面64和66的多个孔，以进一步冷却表面和使表面与外部高温隔离。这些孔可以由在尾缘空腔和接近尾缘的某一位置之间延伸的尾缘孔80排列而成。

在一示例性的实施例中，叶片的主要部分通过铸造和机械加工制成。铸造操作利用牺牲型芯形成通道网络而完成。利用示例性的铸造工艺制成具有上述铸件顶部隔室100(图2)的最后得到的铸件。隔室装有腹板102，该腹板具有构成铸件顶部隔室的基面的外侧表面103。外侧表面103低于壁结构的凸缘104，该壁结构具有在最后得到的翼面的压力侧和负压侧上的部分105和106。腹板102从前缘到尾缘形成有一组孔110、112、114、116、118和120。这些孔可以由安装在用于支承的外侧模型上的牺牲型芯的一部分形成。这些孔与通道网络连通。这些孔显示出冷却空气由叶片损失的不需要的通道。因此，有优势的是用盖板50(图3)全部或部分地盖住一些或全部孔。盖板具有内侧和外侧表面130和132(图4)。内侧表面130平放在腹板表面103上，外侧表面132低于凸缘104处于凹进状态(下沉)，以留出一个叶片顶部空穴或隔室。在工作中，凸缘(在下面描述的凹入条件下)基本上接近相邻护罩的内部(例如有大约0.1英寸的间隙)。

盖板50最初形成具有第一部分140和第二部分142的一个周边，其中第一部分通常与翼面压力侧的轮廓相关，第二部分通常与翼面负压侧相关。示例性的盖板材料是镍基超耐热合金(例如0.03英寸厚的UNS N06625)。部分140和142(在下述偏离条件下)的尺寸为可紧密地配装在接近壁结构部分105和106内表面的顶部隔室内。在示例性的实施例中，周边部分140和142不是一直延伸到前缘。周边部分在连接部分144终止，在示例性实施例中，该连接部分沿着两个压力侧和负压侧从前缘凹进去。向着尾缘，周边部分由尾周边部分146连接起来。如下面进一步详细描述的，周边部分140的尾部148从它的余部稍微凹进去一些，周边部分142的尾部150相对余部稍微突出些。盖板还包括孔160、162和164。

盖板的安装是将盖板定位在铸件隔室内并将盖板沿着周边部分140和142的部分焊接到铸件上。特别的，在所说明的实施例中，通常从第一铸孔110向后直到凹入部和突出部148和150前面，将盖板激光焊接到铸件上。然后，用填缝焊接方法(如MIG或TIG焊接)将盖板沿周边部分142的前部和沿着突出部150焊接到负压侧上。突出部的伸出部分有助于在局部的非支承板和负压侧壁部分106之间建立焊桥。

在示例性的实施例中，当这样安装时，在盖板的前部180(图6)局部地盖住导气孔110时，盖板就部分地阻挡了前缘空腔与叶片顶部隔室或压力腔连通。在示例性的实施例中，孔110的尾端几乎与局部中线520垂直。盖住孔110的前部180的大部分，覆盖着中线负压侧上孔的那一部分，并且覆盖的负压侧上的孔面积比例比覆盖的压力侧的孔面积比例大。阻挡特性受到口的几何形状和翼面截面的影响。在示例性的实施例中，由中线负压侧上的盖板阻挡的导气口的面积，是压力侧上被阻挡面积的2-6倍(或者更窄的范围4-5倍)。

前部180的形状可以变化。在示例性的实施例中，盖板周边部分144为近乎直线且其与导气方向负压侧上的中线之间的角度θ小于90°。由于存在这一倾斜角，负压侧周边部分142比压力侧部分140更靠近前缘延伸。这一方案的结果是，前部180优先地向压力侧引导气流，以增大压力侧上的冷却量。这样，在压力侧需要更大冷却时，可以更有效地利用气流。

在示例性的实施例中，第二腹板孔112和第一盖板孔160实际上是共同延伸的，因此，盖板可以充分地或更有效地阻挡其余的腹板孔。在示例性的实施例中，盖板孔162和164与腹板孔114和116对准，但是盖板孔较小些，这样实际上减小了通过这些孔的气流。在示例性的实施例中，盖板实际上封住了腹板孔118，且如下面更详细的描述盖板延伸到部分地盖住后腹板孔120。对经过孔112的气流给予相对较小的限制可以更有效地利用冷却空气，这是因为通过顶部隔室的较大部分的空气量预计比直接流向尾缘的空气多。

图7表示局部地盖住铸件尾孔120的盖板的尾部190。更准确的说，尾部190覆盖了孔的导气负压侧部分，凹入部148与该孔的负压侧周边间隔开。这一构形再次优先地引导空气沿压力侧从尾缘空腔流过孔120。

图4还表示出一直延伸到尾缘62的负压侧顶壁部分106。压力侧壁部分105并不是原封不动的延伸。该壁部分105原封不动的延伸到位置200，从该位置到尾缘相对壁106的相邻区域凹进去。在示例性的实施例中，位置200在尾缘前面540距离处。在示例性的实施例中，壁部分105到尾缘空腔的尾缘末端的后部消失。壁部分105与基础表面202汇合，该基础表面沿着表面部分106相对凸缘104凹入距离542。示例性的距离542与相对凸缘表面104的腹板表面103的凹入程度大致相同。示例性的壁部分105的尾部具有到表面202的连续弯曲的凹面过渡段204。该过渡段具有一半径或曲率半径，并且与直角过渡段相比，它足够大可以降低热/机械的应力集中，从而减少爆裂的机会。示例性的半径为在距离542的0.4和1.0倍之间(更窄的范围是0.6～0.8倍)。示例性的数值范围是在0.100英寸到0.300英寸之间。

上面已经描述了本发明的一个或更多个实施例。然而，可以理解，在不偏离本发明的精神和范围的条件下可以对本发明作各种改进。例如很多详细结构可以进行具体的应用。在将这些原理应用到现有应用场合下，或者更详细地说，应用到对现有叶片进行改进时，这些应用或现有叶片的特点都会对实施产生影响。因此，其它的实施例都包括在下述权利要求书的范围内。

元件目录(仅供代理人和起草者参考；不是申请的构成部分)

40 涡轮叶片

42 翼面

44 根部

46 平台

48 末端顶部

50 盖板

60 前缘

62 尾缘

64，66 负压侧或面

80 尾缘孔

100 顶部隔室

102 腹板

103 外侧面

104 凸缘

105和106 部分

110，112，114，116，118和120 一组孔

130和132 内侧和外侧面

140 第一部分

142 第二部分

144 连接部分

146 后周边部分

148 尾部

150 尾部

160，162，164 孔

180 导气部分

190 尾气部分

202 基面

294 凹面过渡段

500 轴线

502 长度

504 直径

510 间距

520 弦线

540 距离

Claims (16)

1.一种叶片，包括：

一翼面体，具有：

一内部冷却通道网络，和

一主体顶部空穴，通过多个口与冷却通道网络连通，以及

至少一个板，以下沉平面方式被固定在主体顶部空穴内，以留出一个叶片顶部压力腔，且该板至少部分地阻挡多个口中的至少几个，同时具有这样的装置，该装置优先地引导气流沿着主体顶部空穴的壁的前缘部分的压力侧流动，该压力侧与主体顶部空穴的壁的前缘部分的负压侧对应。

2.根据权利要求1所述的叶片，其特征是：该装置包括一个部分地阻挡所说多个口的一个导气口的板的前缘，同时该前缘固定为优先地引导气流沿着主体顶部空穴的壁的前缘部分的压力侧流过该导气口。

3.根据权利要求2所述的叶片，其特征是：该板前缘相对翼面截面的局部中线是向前倾斜的。

4.根据权利要求2所述的叶片，其特征是：由所说中线的负压侧上的板挡住的所说进气口的面积，是由所说中线的压力侧上的板挡住的所说导气口的面积的2-6倍。

5.根据权利要求2所述的叶片，其特征是：由所说中线的负压侧上的板挡住的所说导气口的面积，是由所说中线的压力侧上的板挡住的所说导气口的面积的4-5倍。

6.根据权利要求1所述的叶片，其特征是：沿着该板前面的叶片顶部空穴的壁的压力侧的长度，是沿着该板前面的叶片顶部空穴的壁的负压侧的长度的1.1到4.0倍。

7.根据权利要求1所述的叶片，其特征是：沿着该板前面的叶片顶部空穴的壁的压力侧的长度，是沿着该板前面的叶片顶部空穴的壁的负压侧的长度的1.5到2.0倍。

8.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于还包括：优先使气流从所说内部冷却通道网络的尾通道向主体顶部空穴的壁的压力侧转向的装置。

9.根据权利要求1所述的叶片，其特征是：该壁具有一压力侧尾缘缝隙，该叶片还包括用于限制在缝隙处应力集中的装置。

10.一种叶片，包括：

一翼面体，具有：

一内部冷却通道网络，和

一主体顶部空穴，通过多个口与冷却通道网连通，以及

至少一个板，被固定在主体顶部空穴内，下沉于该顶部，以留出一个接近该顶部的叶片顶部空穴，且该板至少部分地阻挡多个口中的至少几个，并且具有这样的装置，该装置优先地使气流从所说内部冷却通道网络的尾通道向主体顶部空穴的壁的压力侧转向，该压力侧与壁的负压侧对应。

11.根据权利要求10所述的叶片，其特征是：该装置包括一个部分地阻挡所说多个口中至少一个的板的尾部，同时该板的尾部被定位为优先地引导气流沿着主体顶部空穴的壁的压力侧部分流过所说至少一个口。

12.根据权利要求11所述的叶片，其特征是：该板尾部沿着负压侧相对其前面的部分突出。

13.根据权利要求11所述的叶片，其特征是：该板尾部沿着压力侧相对其前面的部分凹进去。

14.一种叶片，包括：

一平台，和

一翼面，沿着从平台处的根部到顶部的长度延伸；

具有分隔压力侧和负压侧的前缘和尾缘；

具有一冷却通道网络；和

具有一顶部空穴，与冷却通道网络连通，该顶部空穴由沿着所说压力侧和负压侧的至少一部分的壁所界定，该壁在所说第一压力侧和负压侧的尾部部分具有缝隙，该缝隙具有深度和宽度，该壁在缝隙处具有尾端，其中：该壁在缝隙的前内侧角的曲率半径在0.100英寸到0.300英寸之间。

15.根据权利要求14所述的叶片，其特征是：所说第一侧是压力侧。

16.根据权利要求14所述的叶片，其特征是该翼面包括：

一翼面体，与平台整体形成，以及

至少一个板，该板构成顶部空穴的底部，下沉于顶部，且焊接到翼面体上。

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