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CN1651736A - 微型回路平台 - Google Patents

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CN1651736A
CN1651736A CNA2005100064682A CN200510006468A CN1651736A CN 1651736 A CN1651736 A CN 1651736A CN A2005100064682 A CNA2005100064682 A CN A2005100064682A CN 200510006468 A CN200510006468 A CN 200510006468A CN 1651736 A CN1651736 A CN 1651736A
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CN
China
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micro
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pressure
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CNA2005100064682A
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F·昆哈
K·桑特勒
B·特勒
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United Technologies Corp
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Abstract

一种燃气涡轮发动机零件(例如高压涡轮叶片)具有一个翼面部分，一个平台和在该平台内的微型回路。该微型回路用于冷却靠近该翼面部分的压力侧的一个平台边缘和该平台的后缘中的至少一个。该微型回路包括在该翼面的负压侧上的第一微型回路，和在该翼面的压力侧上的第二微型回路。在该平台内的该微型回路可达到高的热对流效率，高的薄膜覆盖和高的冷却有效性。

Description

微型回路平台
政府利益说明
由美国空军部签订的合同No.F33615-02C-2202的结果，美国政府享有本发明中的一些权利。
发明领域
本发明涉及一种改进的涡轮发动机零件，它具有冷却所述涡轮发动机零件的平台的一个微型回路。
背景技术
涡轮叶片的翼面部分的现行结构没有使用专用的冷却来减轻平台的损坏，特别是在边缘上。结果，在该平台的边缘上产生严重的氧化和腐蚀。这种氧化和腐蚀可导致产生裂纹，会影响涡轮叶片的结构。平台裂纹向着翼面圆角传播，并与翼面和平台上其他高应力集中区域产生的其他裂纹连接。为了解决氧化和腐蚀问题而增大相邻平台之间的流动区域提供了空气附加泄漏的一条路径，对发动机的预期性能有不好的影响。
不需改变翼面设计，解决这些问题的一种方法是引入更多的冷却流量，这也会影响整个发动机的性能。由于这种方法是不能接受的，因此需要一种新的结构设计。最理想是，这种新结构不增加冷却的冷却剂流量。
发明概述
因此，本发明的一个目的是要提供一种具有新的结构设计的涡轮发动机零件，该零件可达到高的热对流效率，高的薄膜覆盖和高的冷却有效性。
本发明的另一个目的是要提供一种涡轮发动机零件，它在平台区域的金属温度梯度大大降低，并延长热疲劳寿命。
本发明的涡轮发动机零件可达到上述目的。
根据本发明，涡轮发动机零件广义地说包括具有一个压力侧和一个负压侧的一个翼面部分，靠近该翼面部分的根部的一个平台，该平台具有一个前缘和一个后缘；和在该平台内，用于冷却靠近该翼面部分的压力侧的一个平台边缘和该后缘中的至少一个的装置。
本发明的微型回路平台的其他详细情况，以及其他的目的和优点，在以下的详细说明和附图中给出。图中，相同的符号表示相同的零件。
附图简述
图1表示在燃气涡轮发动机中使用的一个涡轮叶片；
图2为该涡轮叶片的平台部分的俯视图，切开部分表示本发明的微型回路；
图3为图2所示的平台部分的截面图，它表示负压侧微型回路的入口；
图4为沿着图2中的4-4线所取的截面图；
图5为图2所示的平台部分的截面图，它表示压力侧的微型回路的入口；和
图6为沿着图2中的6-6线所取的截面图。
优选实施例详述
现参见附图。图1表示用在燃气涡轮发动机中的一个涡轮叶片10。该涡轮叶片10具有用于使该叶片与一个回转件(例如一个圆盘)连接的一个冷杉树形零件12，具有一个根部16和一个顶部18的一个翼面部分14，和具有一个下侧22和一个上表面24的一个平台20。该翼面部分14具有一个前缘26，一个后缘28，一个压力侧30，和一个负压侧32。该平台20具有一个前缘或前边缘34，一个后缘或后边缘36，一个压力侧边38和一个负压侧边40。该涡轮叶片10还具有一个靠近该平台40的下侧22的腔42。虽然，图1只表示一个腔42，但在该涡轮叶片10的另一侧面上，还有一个相应的腔。在工作过程中，一般该腔42容纳仅发动机的一部分(例如高压压缩机)吹来的冷却空气。
现在参见图2～4，在翼面部分14的负压侧32和平台的后缘36之间，在该平台20内作出第一微型回路50。该微型回路为L形，如需要也可以为任何其他适当的形状。该微型回路50具有在该负压侧32和该压力侧边缘38之间延伸的第一腿部52，和与该后缘36平行并沿着它延伸的第二腿部54。
该微型回路50带有一个入口56，它位于该平台20的下侧22上，并接收从腔42来的冷却空气(发动机放出的空气)。该微型回路50还具有一个出口58，它位于该平台20的上表面24上，并将冷却空气吹在该后缘36上。最好，该入口56和该出口58都为槽形状。该入口56最好位于大约为从其前边缘34计算的该平台20跨度的60～70％的前边缘34至其后边缘36的距离上。
一条冷却流体通道60从该入口56延伸至该出口58，并具有距离D。在本发明的一个优选实施例中，该冷却流体通道60的高度H在15～25密耳范围内。在本发明的一个优选实施例中，H∶D应为1或更大。如果H∶D的比值小于1，则用于提供冷却的特点不太有效。
为了提高冷却的有效性，在该微型回路50内和该平台20内装入多个柱62。该柱62最好交错排列，以形成紊流更严重的流动，这可以提高冷却的有效性。
在该出口58处，压力应至少比在这个区域中的涡轮发动机零件的通道压力(sink pressure)大3％，最好至少大5％。
参见图2，5和6可看出，在该平台20内形成第二微型回路80。该第二微型回路80位于该翼面部分14的负压侧32和该平台的负压边缘40之间。该第二微型回路80具有在该平台20的下侧2上的一个入口82，和在该平台20的上表面24上的一个出口84。该入口82和该出口84最好都为槽形状。
该入口82最好位于从该前边缘34计算的，从该平台20跨度的大约33％～50％的前边缘34至该后边缘36的距离上。该微型回路80有一个冷却流体通道86，它从该入口82至该出口84伸出一个距离D。在该流体通道86内有一个防止金属构件损坏的装置88，该防止损坏的装置88的形状最好为与该流体通道86的侧壁90和92隔开的一个细长的岛。该防止损坏的装置88最好有一个前缘94，它离开该入口82一个为距离D的50～60％的距离。该防止损坏的装置88的厚度大约为该流体通道86的宽度W的40％。该防止损坏的装置可以有任何适当的长度。
该出口84的排列方向最好为在靠近该边缘40的区域，特别是在可能产生裂纹的圆角23的区域中，将冷却空气吹至该平台上。在本发明的一个优选实施例中，该流体通道86的高度H＝15～25密耳。如以前一样，比值H∶D为1或更大。另外，出口84处的压力应至少比该出口84区域的通道压力大3％，最好为至少大5％。
为了达到本发明的目的，希望在该入口56和82处的压力在具有最高压力点的发动机压缩机站处的压力(P3)的55～65％范围内。使用本发明的微型回路50和80，可使在该出口58处的压力在30～40％P3的范围内，和在该出口84处的压力在45～55％P3的范围内。还发现，对流效率可达40～50％，它比没有本发明的微型回路的其他设计可能达到的10～15％的对流效率好得多。
本发明的另一些优点为大大降低在边缘36和38处的金属温度，这样可提高氧化寿命一个至少为2X的因子，并且消除了平台边缘损坏。
在一个优选实施例中，在整个该微型回路50和80上具有一个固定不变的限流部分，以有效地降低从该微型回路入口56和82至该微型回路出口58和84的压力。在该微型回路80中的柱62的位置应有效地保持固定的冷却剂流量，该流量最好为在站2.5处的发动机空气流量的0.15～0.35％范围内。由于该微型回路50的设计，可以达到高的微型回路冷却对流效率，减小金属温度梯度和延长热疲劳寿命。该微型回路50和80还可增加冷却剂的热拾取量。结果，冷却剂温度升高，使对流效率提高。
该槽形的出口58和84对形成高的冷却薄膜覆盖是有利的。这可保护该平台边缘36和38不致氧化和腐蚀。
虽然从涡轮叶片的角度说明了本发明，但本发明的微型回路冷却可被用于需要冷却平台的其他燃气涡轮发动机零件中。
显然，根据本发明已提供了一种可完全达到上述目的，手段和优点的微型回路平台。虽然本发明就特定的实施例作了说明，但业内人士在阅读了上述说明后明白，可以作其他的替代，改进和变更。因此，要将这些替代，改进和变更包含在所附权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种燃气涡轮发动机零件，它包括：
具有一个压力侧和一个负压侧的一个翼面部分；
靠近所述翼面部分的根部的一个平台，所述平台具有一个前缘和一个后缘；和
在所述平台内的装置，它用于冷却靠近所述翼面部分的所述压力侧的一个平台边缘和所述后缘中的至少一个。
2.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机零件，其特征为，所述平台冷却装置包括在靠近所述负压侧的所述平台内的第一微型回路。
3.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机零件，其特征为，所述第一微型回路为L形，其第一腿部沿着所述负压侧延伸，第二腿部沿与所述后缘平行的方向延伸；在所述平台的下侧上的一个入口和在所述平台的上表面上的一个出口。
4.如权利要求3所述的燃气涡轮发动机零件，其特征为，还包括从所述入口延伸至所述出口的一条流体通道；和在所述流体通道内，用于在所述通道内形成紊流流动的多个柱。
5.如权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其特征为，所述柱交错排列，并且所述通道从所述入口至所述出口延伸一个距离D，并具有高度H；其中，比值H∶D大于1。
6.如权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其特征为，所述第一微型回路的入口压力处在具有最高压力点的发动机压缩机站处的压力(P3)的55～65％范围内，其出口压力为30～40％P3。
7.如权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其特征为，所述第一微型回路的出口压力至少比靠近所述出口的通道压力大3％。
8.如权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其特征为，所述第一微型回路的出口压力至少比靠近所述出口的通道压力大5％。
9.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征为，所述冷却装置包括在所述平台内在所述翼面部分的所述压力侧和所述平台的一个边缘之间延伸的第二微型回路。
10.如权利要求9所述的燃气涡轮发动机，其特征为，所述第二微型回路具有在所述平台的下侧上的一个入口，在所述平台的上表面上的一个出口，和在所述入口和所述出口之间延伸的一个流体通道，其中所述第二微型回路的所述出口靠近所述翼面部分的后缘，并且将冷却空气输至所述平台和所述后缘之间的圆角上。
11.如权利要求10所述的燃气涡轮发动机，其特征为，所述第二微型回路的入口压力处在具有最高压力点的发动机压缩机站压力(P3)的55～65％范围内，其出口压力为45～55％P3。
12.如权利要求10所述的燃气涡轮发动机零件，其特征为，所述第二微型回路的出口压力至少比靠近所述出口的通道压力大3％。
13.如权利要求10所述的燃气涡轮发动机零件，其特征为，所述第二微型回路的出口压力至少比靠近所述出口的通道压力大5％。
14.如权利要求10所述的燃气涡轮发动机零件，其特征为，所述第二微型回路具有在所述通道内，在所述入口和所述出口之间用以防止金属构件损坏的装置，所述防止金属构件损坏装置与所述通道的侧壁隔开，并且其前缘离所述入口的距离为所述通道长度的50～60％的距离。
15.一种用在燃气涡轮发动机中的涡轮叶片，它包括：
具有一个压力侧和一个负压侧的一个翼面部分；
靠近所述翼面部分的根部的一个平台；
在所述平台内，位于所述翼面部分的压力侧和所述平台的压力侧边缘之间的第一微型回路，经所述第一微型回路有冷却流体流过；和
在所述平台内，位于所述翼面的所述负压侧和所述平台的后边缘之间的一第二微型回路，冷却流体经所述第二微型回路流动。
16.如权利要求15所述的涡轮叶片，其特征为，所述第一和第二微型回路中的每一回路具有位于所述平台的下侧上的，用于接收冷却流体的一个入口；所述第一和第二微型回路中的每一个回路，具有一个槽形出口，用于将冷却流体排出在所述平台的上表面上。
17.如权利要求16所述的涡轮叶片，其特征为，所述第一微型回路的所述槽形出口，将所述冷却流体排出在所述平台的后缘上；所述第二微型回路的所述槽形出口将所述冷却流体排出在所述翼面部分的后缘部分上。
18.如权利要求16所述的涡轮叶片，其特征为，所述第一微型回路，在从所述入口延伸至所述槽形出口的通道内，具有形成紊流流动的装置。
19.如权利要求18所述的涡轮叶片，其特征为，所述紊流流动形成装置包括多个在所述通道内交错排列的柱。
20.如权利要求16所述的涡轮叶片，其特征为，所述第二微型回路具有从所述入口延伸至所述槽形出口的一条流体通道；其中，防止金属构件损坏的装置位于所述流体通道内。
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