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CN1536200A - 涡轮元件 - Google Patents

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CN1536200A
CN1536200A CNA2004100325264A CN200410032526A CN1536200A CN 1536200 A CN1536200 A CN 1536200A CN A2004100325264 A CNA2004100325264 A CN A2004100325264A CN 200410032526 A CN200410032526 A CN 200410032526A CN 1536200 A CN1536200 A CN 1536200A
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refractory metal
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F·J·昆哈
��Ĭ����
M·T·达默
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Abstract

一种涡轮元件翼面，具有冷却通道网络，所述冷却通道网络具有从后通道朝向后缘延伸的狭槽。多个分立的支柱横跨压力和吸力侧壁部分之间的狭槽。

Description

涡轮元件
美国政府的权利
根据由the United States Air Force，Wright Patterson AirForce Base裁定的合同号F33615-02-C-2202，政府可能对本发明中具有权利。
技术领域
本发明涉及燃气轮机，特别涉及被冷却的涡轮元件(例如，叶片和翼)。
背景技术
效率受到涡轮元件热性能的限制。来自于发动机的压缩机的空气旁通燃烧器并冷却这些元件，使它们可暴露于大大超过元件合金基体的熔点的温度。冷却旁通代表损耗，因此希望尽可能少地使用空气。元件的翼面的后缘冷却是特别重要的。在空气动力学上，希望后缘部分薄并且具有低的楔角以使冲击损失达到最小。
在一种常用的制造方法中，在元件铸造工艺中利用牺牲芯形成在元件翼面内的冷却网络的主要通道。翼面可设有与网络连通的孔。这些孔中的一些或者全部可被钻出。这些孔可包括在压力和吸力侧面上的膜孔和沿着后缘或者在后缘附近的孔。
发明内容
因此，本发明的一个方面是一种具有平台和翼面的涡轮元件。翼面沿着从平台的第一端到第二端的长度延伸。翼面具有前缘和后缘以及压力和吸力侧。翼面具有冷却通道网络，所述冷却通道网络包括后通道和从后通道朝向后缘延伸的狭槽。狭槽局部地分离翼面的压力和吸力侧壁部分并且具有相对的第一和第二狭槽表面。多个分立的支柱横跨压力和吸力侧壁部分之间的狭槽。
在各个实施例中，支柱沿着狭槽的尺寸不大于0.10英寸。第二端可是一个自由顶端。支柱可包括前支柱组、在前支柱组后的第一测量支柱排、在第一测量排后的第二测量支柱排和在第一和第二测量排之间的至少一个居间组。第一测量排可具有大于前组的限制因素。第二测量排可具有大于前组的限制因素。居间组可具有小于第一和第二测量排的限制因素。支柱可包括在狭槽出口前面间隔的后支柱阵列。叶片可基本上由镍合金构成。翼面的精确后缘可沿着狭槽的出口下降。支柱可布置有多排基本上为圆形的支柱的前组、基本上为圆形的支柱后排以及具有在它们相关排的方向上的伸长截面的支柱居间排。支柱沿着狭槽的尺寸不大于0.10英寸。
本发明的另一个方面是一种包括陶瓷元件和耐火金属片的涡轮元件形成芯组件。陶瓷元件具有至少部分地限定了在涡轮元件内的导管网络的相关支路的部分。耐火金属片被固定在陶瓷元件中，该陶瓷元件位于后面一个部分的延伸后部上。该耐火金属片具有在相对的第一和第二表面之间延伸的孔，该第一和第二表面用于形成在涡轮元件的翼面的压力侧部和吸力侧部之间的相关支柱。
在各个实施例中，可具有至少一排圆形孔和基本上在它们排列方向上延伸的至少一排孔。可具有多排这样的细长孔。细长孔可基本上为矩形。所述排可是弧形的。排可设有排的第一分组和在第一分组后面的第一测量排，排中第一分组包括具有一定特征宽度和较大特征间隙的孔，第一测量排具有一定特征宽度和较小特征间隙。所述组件可与模具组合，其中模具和片的压力侧和吸力侧相交部位沿着片的基本上未开孔部分下降。
本发明的另一个方面涉及制造涡轮叶片。陶瓷芯和有孔耐火金属片被装配。模具形成在芯和片周围。模具具有一些限定叶片平台的表面和从处于平台的根部延伸到顶端的翼面。装配的芯和片具有一些用于形成通过翼面的冷却通道网络的表面。熔融合金被注入到模具中并且使其凝固以初始形成叶片。去除模具。装配的芯和耐火金属片被破坏地去除。接着可在叶片中钻出多个孔以进一步形成冷却通道网络。可在将片与芯装配在一起之前在片中激光钻孔。
附图说明
在附图和下面的描述中涉及了本发明的一个或者多个实施例的细节。从说明书和附图以及权利要求中可以明显地看出本发明的其他特征、目的和优点，附图包括：
图1是现有技术所涉及的叶片的中间截面图；
图2是图1的叶片的翼面的截面图；
图3是根据本发明原理的叶片的中间截面图；
图3A为图3的局部放大视图；
图4是图1的叶片的翼面的截面图；
图5是形成图3的叶片的插件的俯(吸力侧)视图；和
图5A为图5的局部放大视图；
图6是图3的叶片在制造过程中的截面图。
在各个附图中相同的附图标记表示相同的部件。
具体实施方式
图1示出了现有的涡轮叶片20，涡轮叶片20具有翼面22，该翼面22沿着从在内侧平台26处的近端根部24到限定叶片顶端的远端28的长度延伸。可利用它们各自的平台并排装配多个这样的叶片，所述各个平台形成了界定流动路径的内部的内环。在一个示例性的实施例中，叶片是由金属合金整体形成的。
翼面从前缘30延伸到后缘32。前缘和后缘使压力和吸力侧或者表面34和36分离(图2)。为了冷却翼面，翼面设有与平台中的端口42接合的冷却通道网络40(图1)。示例性通道网络包括一系列基本上沿着翼面在长度方向上延伸的一系列腔。最靠后的腔被称为基本上平行于后缘32延伸的后缘腔44。倒数第二腔46位于后缘腔44前面。在所示实施例中，腔44和46是冲击腔。倒数第二腔46通过位于使两个腔(倒数第二腔46和供给腔主体部48)分离的壁54中的孔52的阵列接收来自供给腔50的主体部48空气。供给腔50接收来自平台中的后组端口空气。类似地，后缘腔44从倒数第二腔46通过在这两个腔之间的壁58中的孔56接收空气。在主体部48的下游，供给腔具有一系列蜿蜒的支路60、61、62和63。最终的支路63通过孔65使远端通向顶端或者凹部64。该示例性叶片还包括接收来自在平台中的端口前组空气的前供给腔66。示例性的前供给腔66仅具有一个主体部68，主体部68从平台朝向顶端延伸并且通过孔70使远端通向顶端凹部64。前缘腔72具有三个隔离的区，这些隔离的区以端部对端部的形式在前缘内部延伸并且被壁74相互隔离。前缘腔72通过使前缘腔72和主体部68分离的壁77中的孔76的阵列接收来自主体部68的空气。
叶片还可包括从通道网络40延伸到压力和吸力表面34和36的孔80A-80P(图2)以进一步对表面进行冷却和使表面与高外部温度隔离。在这些孔中，后缘孔80P阵列在靠近前缘的一个位置和后缘冲击腔44的后端之间延伸。所示孔80P具有沿着压力侧面仅略微在后缘32前面的出口82。所示孔80P被形成为被立柱84分离的狭槽(图1)。
在示例性的叶片中，空气从主体部48通过顺序地对壁54和58进行冲击穿过腔46和44。这样，腔46和44被称为冲击腔。空气通过狭槽80P离开腔44。通过从主体部48的远端供给的并且通过壁92与腔46和44分离后缘顶端狭槽90(图1)排出附加的空气。
可利用牺牲芯铸造来制造叶片。在一个示例性工艺中，芯包括形成包括腔、顶端凹部、各个连接孔和孔80P(但不包括膜孔80A-800)的冷却通道网络正片的陶瓷件或者组合件。芯可被放置在具有叶片基本形状的永久铸模中并且石蜡或者其他牺牲材料可被注入以形成叶片塞。模具被移除并且陶瓷涂层施加在塞的外部。陶瓷涂层形成了牺牲模。熔融金属可被注入以取代石蜡。在冷却后，牺牲模和芯可被去除(诸如通过化学淋溶)。进一步的机加工和精加工步骤可包括钻出孔80A-80O。类似地可形成翼片(例如，在翼面的两端具有平台)。
图3示出了本发明所涉及的叶片120。为了便于说明，所示的叶片为图1的叶片20的示例性的比较微小地再设计的变型。在该再设计中，叶片的外部尺寸基本上保持相同。另外，在后供给腔124的主体部122前面的叶片内部特征是相同的，并且用相同的附图标记表示。尽管如上所述，但可选择的再设计可进一步改变。主体部122的后端126之后没有居间壁，而是有多个支柱排或者支座排130、132、134、136、138、140、142、144和146。在该示例性实施例中，所述排呈略微弧形，对应于后缘32的圆弧。在一个示例性实施例中，前排130仅沿着翼面的长度的远部(例如大约该翼面长度的一半)延伸。其余排基本上一直从根部延伸到与顶端相邻部分。在该示例性实施例中，五排130-138的前组具有基本上形成为直圆柱并且具有散布的间隙161的支座160。支座160具有第一直径D1，第一中心间隔或节距P1和第一间隙S1，其中S1＝P1-D1。这样，D1是支座160沿着相关排的中心线和与该中心线横交的方向的特征尺寸。排节距或者中心线对中心线的间隔R1略小于P1并且略大于S1。这些排使它们的相略微交错。该略微交错设置成使得当沿着反映离心作用的影响的大致总的流向510看过去时相邻的支座基本上是异相的。
下一排140具有基本上形成为倒圆的直矩形柱的支座162。支座162具有长度L2(平行于该排测量的)、宽度W2(垂直于该排测量的)、节距P2和间隙S2。在该示意性实施例中，该节距基本上与P1相同并且支座162与前组中的最后排138的支座160完全是异相的。这使得前组最后排支座就在支座162之间的间隙163的前面。排140和排138之间的排间距R2略小于R1。下一排142也具有基本上形成为倒圆的直矩形柱的支座164。该排支座具有长度L3、宽度W3、节距P3和间隙S3。在该示意性实施例中，L3和W3都小于L2和W2。但是，节距P3与P1基本相等并且也完全是异相地交错以使支座164就在相关间隙163的后面并且在支座164支座之间的间隙165就在相关支座162的后面。在排142和在其前面的排140之间的排节距R3略微小于R2和R1。下一排144也具有基本上形成为倒圆的直矩形柱的支座166。支座166具有长度L4、宽度W4、节距P4和间隙S4。在该示意性实施例中，这些尺寸基本上等于在其前面的排142的尺寸，但是完全是异相的以使每一个支座166就在间隙165后面并且每一个间隙167就在支座164的后面。与R3类似，在排144和其前面的排142之间的排节距R4略微小于R2和R1。在该示意性实施例中，后排146也具有基本上形成为直圆柱的支座168，支座168具有直径D5、节距P5和在它们之间的间隙169的间隔S5。在该示意性实施例中，D5小于D1和矩形支座的长度。另外，节距P5小于其他排的节距并且间隙S5小于除排140以外的其他排的间隙。与R3和R4类似，在排146和其前面的排144之间的排间距R5略微小于R2和R1。在该示意性实施例中，排146的中心线完全在后缘32前面，以便在每一个支座168的后端和后缘32之间具有间隙180。该示例性间隙具有基本上为直径D5的100％至200％的厚度T。
为了便于说明，图4示出了通过每一排132-146的支座剖开的叶片截面。所示这些支座形成在从主体部122的后端126处的入口183延伸至后缘32处的出口184的狭槽182内。狭槽具有高度H和入口至出口的长度L。狭槽局部地分隔壁部190和192，壁部190和192分别沿着翼面的压力侧和吸力侧具有相对的平行朝向内部的内侧表面193和194。该狭槽从平台26处的内侧端195(图3)延伸到与顶端28相邻的外侧端196。
根据本发明的一个优选制造方法，通过在装配到陶瓷芯的薄牺牲元件上铸造叶片从而形成支座。一种示例性牺牲元件是部分插入到芯的配合结构中的金属件(插件)。插件开始可由耐火金属(例如，钼)片制成，接着将其装配到陶瓷芯上。图5示出了通过对前体片材机加工(例如通过激光切割/钻孔)形成的插件200。插件具有其自己的前缘202和后缘204以及内侧端206和外侧端207。内侧端206和外侧端207的中心部分对应于并且限定了狭槽内侧端195和外侧端196。插件具有对应于并限定了支座160-168的排130-146的孔230、232、234、236和238的排210、212、214、216、218、220、222、224和226。图5还示出了插件200具有一对从后缘204延伸的搬运突耳240。前部252设置成可被插入到陶瓷芯中的互补狭槽中。为了参照，增加线254以表示该部分的后边界。类似地，线256表示最终叶片的后缘的位置。图6示出了在制造的中间阶段中的叶片。其中示出了在插件200和陶瓷芯302的组件周围在牺牲陶瓷模具300中正在铸造叶片前体。插件的前部252被埋在芯后部306中的狭槽304中，该芯后部306形成后供给腔48。芯的其他部分308、310、312、314、316和318形成支路60-63、前供给腔66和前缘冲击腔72。其他部分(未示出)形成顶端凹部和图3的叶片中的其他内部结构。插入件的压力侧面和吸力侧面208和209的中心部分对应于并且限定出狭槽的压力侧面和吸力侧面193和194以及边界壁部190和192。在铸造后，模具、芯和插入件被破坏性地去除，诸如通过化学淋溶。接着，可对叶片进行进一步的机加工(包括利用激光、放电或者其他方法钻出膜孔以及最终的机加工)和/或处理(例如，热处理、表面处理、镀敷等)。
插件的使用可提供对支座尺寸、几何形状和定位的控制，而仅利用单件陶瓷芯不能经济、可靠和/或容易地实现上述控制。示例性带厚和相关的狭槽高度H是0.012英寸。在示例性支座组合和布置中的示例性尺寸设置中，直径D1是0.025英寸，节距P1是0.060英寸，留下0.035英寸的间隙S1。支座沿着排(D1)的尺寸与节距的比率限定了沿着被支座阻塞的排的面积百分比。对于该确定的尺寸，在这些排的前组中的每一排的阻塞系数为41.7％。排节距R1是0.060英寸。直径D5是0.020英寸，节距P5是0.038英寸，间隙S5是0.018英寸，阻塞系数为52.6％。排节距R5是0.031英寸。示例性的倒角矩形支座具有半径为0.005英寸的角部。长度L2是0.04英寸，宽度W2是0.020英寸，并且节距P2是0.063英寸，对于阻塞系数为63.5％间隙S2是0.023英寸。排间距R2是0.055英寸。长度L3是0.025英寸，宽度W3是0.015英寸，并且节距P3是0.063英寸，间隙S2是0.038英寸，阻塞系数为39.7％。排节距R3是0.040英寸。长度L4是0.025英寸，宽度W4是0.015英寸，并且节距P4是0.063英寸，间隙S4是0.038英寸，阻塞系数为39.7％。排节距R4是0.033英寸。
支座的形状、尺寸和布置可以加工成达到所需的包括热交换的热流性能。在前面区域上的支座的较低阻塞布置与在紧挨着前面区域的后面和后缘附近的测量区域(排)中的较高阻塞的组合可用于实现在两个测量排附近的较高的热交换。因此可利用比与冲击腔相关的压降低的压降实现这样的集中，产生低的热/机械应力和相关的疲劳。对于第一测量排使用细长支座(相对于产生类似的总阻塞系数的大量较小支座)能够控制局部流速。在后测量排中使用数量较多的非细长支座能够使后尾流湍流达到最小。在两个测量排之间存在的具有中间细长部分的支座提供两个测量排之间的尾流/湍流之间的逐渐过渡。与后测量排相关的小间隔和高阻塞系数也用于加速流动以使离开狭槽出口的流和在压力侧和吸力侧上的流之间的马赫数有利匹配。如在示例性实施例中，实际的后缘与狭槽出口对准而不具有明显在来自实际的后缘的压力侧上面的出口，这是特别有利的。该有利的平衡可包括狭槽后缘马赫数为在压力侧和吸力侧上的马赫数的至少50％(例如，当压力侧或者吸力侧的马赫数为0.8时，狭槽后缘马赫数为0.45-0.55)。支座后排后面的间隙180用于进一步使在狭槽出口前面的尾流扩散。这可减少与被卷在尾流中的燃气相关的氧化可能性。为此，间隙最好至少可为沿着后支座排的尺寸(D5)。较宽的范围是超过该尺寸1.5倍并且特定的范围是超过该尺寸的1.5至2.0倍。
对于前组，利用较少数量的比后测量排的支座直径大的圆形支座，能够在不需要较大热交换的前部产生很少的热交换。以给定的密度使用直径较大的支座能够提供较大的结构整体性。
已经描述了本发明的一个或者多个实施例。但是，应该理解的是，在不脱离本发明的保护范围的情况下可进行各种变型。例如，涡轮元件外部轮廓的细节和环境可影响冷却要求和本发明的任何特定的实施。在现有元件被再设计和改造的同时应用现有元件的特征时，现有元件的特征可能限制或者影响实施特征。因此，其他实施例在下列的权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种涡轮元件包括：
平台；以及
翼面，
所述翼面沿着从平台的第一端到第二端的长度延伸；
翼面具有前缘和后缘以及压力和吸力侧；以及
翼面具有冷却通道网络，
其特征在于，所述冷却通道网络包括：
后通道；
从后通道朝向后缘延伸的狭槽，狭槽局部地分离翼面的压力和吸力侧壁部分并且具有相对的第一和第二狭槽表面；以及
多个分立的支柱横跨压力和吸力侧壁部分之间的狭槽。
2.如权利要求1所述的元件，其特征在于，多个支柱沿着狭槽的尺寸不大于0.10英寸。
3.如权利要求1所述的元件，其特征在于，第二端是一个自由顶端。
4.如权利要求1所述的元件，其特征在于，多个支柱包括：
前支柱组；
在前支柱组后的第一测量支柱排，第一测量排具有大于前组的限制因素的限制因素；
在第一测量排后的第二测量支柱排，第二测量排具有大于前组的限制因素的限制因素；以及
在第一和第二测量排之间的至少一个居间组，居间组具有小于第一和第二测量排的限制因素的限制因素。
5.如权利要求1所述的元件，其特征在于，多个支柱包括在狭槽出口前面间隔的后支柱阵列。
6.如权利要求1所述的元件，其特征在于，叶片基本上由镍合金构成。
7.如权利要求1所述的元件，其特征在于，翼面的精确后缘沿着狭槽的出口下降。
8.如权利要求1所述的元件，其特征在于，多个支柱包括：
多排基本上为圆形截面的支柱的前组；
基本上为圆形截面的支柱后排；以及
具有在它们相关排的方向上的伸长截面的支柱的多个居间排。
9.一种涡轮元件包括：
平台；以及
翼面，
所述翼面沿着从平台的第一端到第二端的长度延伸；
翼面具有前缘和后缘以及压力和吸力侧；以及
翼面具有冷却通道网络，
其特征在于，所述冷却通道网络包括：
后通道；
从后通道朝向后缘延伸的狭槽，狭槽局部地分离翼面的压力和吸力侧壁部分并且具有相对的第一和第二狭槽表面；以及
在狭槽中的装置，该装置用于提供在第一区域上的向后逐渐增大的热交换系数、在所述第一区域后面的第一部位处的第一峰值热交换系数、在第一部位后面的第二部位处的小于第一峰值热交换系数的第二峰值热交换系数，以及在所述第一和第二部位之间的热交换系数的局部谷值。
10.如权利要求9所述的元件，其特征在于，该装置具有多个支柱，这些支柱沿着狭槽的尺寸不大于0.10英寸。
11.一种涡轮元件形成芯组件，包括：
至少一个陶瓷元件，陶瓷元件具有多个用于至少部分地限定在涡轮元件内的导管网络的相关支路的部分；以及
至少一个耐火金属片，耐火金属片被固定在至少一个陶瓷元件中，该陶瓷元件设置成在多个部分中的后面一个部分的后面延伸，并且耐火金属片具有：
相对的第一和第二表面；以及
在第一和第二表面之间延伸的多个孔，该第一和第二表面用于形成在涡轮元件的翼面的压力侧部和吸力侧部之间的相关支柱。
12.如权利要求11所述的芯组件，其特征在于，多个孔包括：
至少一排圆形孔；以及
基本上在它们的排的方向上延伸的至少一排细长孔。
13.如权利要求11所述的芯组件，其特征在于，多个孔包括：
多排圆形孔；以及
基本上在它们排列方向上伸长的多排细长孔。
14.如权利要求13所述的芯组件，其特征在于，至少一些细长孔基本上为矩形。
15.如权利要求11所述的芯组件，其特征在于，多排孔包括多排弧形的所述孔。
16.如权利要求11所述的芯组件，其特征在于：
多个孔被布置成多排；
在多排的第一排分组中，在每一排中的孔基本上具有一定特征宽度和较大特征间隙；以及
在多排中的第一分组后面的至少第一测量排中，在每一排中的孔基本上具有一定特征宽度和较小特征间隙。
17.如权利要求11所述的芯组件，其特征在于，所述组件与模具组合，其中模具和耐火金属片的压力侧和吸力侧相交部位沿着所述片的基本上未开孔部分下降。
18.一种制造涡轮叶片的方法包括：
装配至少一个陶瓷芯和有孔耐火金属片；
在陶瓷芯和耐火金属片周围形成模具，其特征在于：
模具具有一些表面，这些表面基本上限定：
叶片平台；
翼面；
所述翼面沿着从平台的第一端到第二端的长度延伸；以及
翼面具有前缘和后缘以及压力和吸力侧；以及
装配的陶瓷芯和耐火金属片具有一些用于形成通过翼面的冷却通道网络的表面；
熔融合金被注入到模具中；
使合金凝固以初始形成叶片；
去除模具；以及
破坏性地去除装配的陶瓷芯和耐火金属片。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：
在叶片中钻出多个孔以进一步形成冷却通道网络。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：
在将耐火金属片与陶瓷芯装配在一起之前在该耐火金属片中激光钻孔。
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