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CN1749534A - 涡轮叶片翼面后缘的冷却系统 - Google Patents

涡轮叶片翼面后缘的冷却系统 Download PDF

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Abstract

该冷却系统包括多个在该翼面内径向延伸的通道(32，132)，用于对流冷却该翼面。预先确定数目的通道穿过该翼面顶部。一个或多个残留的通道(46，146)进入邻近该翼面的后缘和翼面顶部区域的一个封闭空间(44，144)中，并沿着邻近该后缘(40，140)区域的一个或多个通道(38，138)，沿径向向内流动。该通道沿着该翼面的压力侧进入孔(42，142)中。这样，该后缘区域被对流冷却，以及被从该孔流出的空气薄膜薄膜冷却。

Description

涡轮叶片翼面后缘的冷却系统
发明领域
本发明涉及用于冷却涡轮叶片翼面的冷却系统，尤其涉及采用径向冷却通道以便用对流方式冷却该翼面并以对流与薄膜方式冷却该翼面的后缘区域的一种冷却系统。
背景技术
近年来，燃气涡轮一直趋向于提高入口点火温度，以改善输出和发动机效率。当气体温度升高时，在较高的金属温度下叶片翼面产生很大的比需变损坏。该蠕变损坏恶化，直至产生蠕变断裂，并且损坏涡轮流动通道零件为止。另外，当点火温度升高时，因为热的燃烧气体沿径向向着顶部离心飞出，因此入口温度分布的趋势为在该翼面的顶部较热。这使得较大跨度的翼面更容易产生蠕变损坏。另外，因为翼面的形状，当该翼面的温度升高时，其后缘的包括氧化，蠕变和低循环疲劳裂纹的损坏增加。
在现有的叶片设计中，使用电化学加工(ECM)方法形成基本上沿径向通过该叶片的翼面的冷却通道。具体地说，使用成形的管子电化学加工(STEM)方法作出冷却孔，该方法是使用一个圆形的导向管，用电学方法腐蚀与该导向管形状相同的一个通道，“钻出”孔。该导向管钻削在该翼面的全长上扩展。一般一个单独的钻削过程在该叶片与转子叶轮榫连接的底部开始，并与由翼面STEM钻削方法腐蚀的通道相交。这样，从该叶片的榫，通过这些钻削通道，输送至翼面顶部的冷却空气，以对流方式冷却该翼面。然而，当该钻削孔的长度增加时，该成形的管会偏移。另外，考虑到空气动力学效率，将该翼面形状作成使其后缘非常薄。结果，只能在离开该后缘一定距离内钻削该STEM钻削孔，并且必然留下一大部分后缘不能较好地冷却。因此，需要一种可以更有效地冷却叶片翼面后缘区域的系统。
发明概述
在本发明的一个优选实施例中。提供了一个涡轮叶片的冷却系统。该叶片具有一个翼面，一个基座和连接在该翼面和该基座之间的一个平台。该翼面具有多条大致沿径向方向沿该翼面延伸的通道，用于与在该通道的径向内端处的冷却介质源连通，并当该冷却介质沿着该通道，大致沿径向向外方向流向该翼面的顶部时，以对流方式冷却该翼面。在邻近该翼面顶部的翼面出口孔口处，作出预定数目的通道，以使用过的冷却介质流入该涡轮的热气体通道中。该多条通道中的至少一条其余的通道，在邻近该翼面的顶部处，与一条冷却通道连通。该冷却通道沿着该翼面的后缘区域大致向内延伸，以便用对流方式冷却该后缘区域。该通道沿着该翼面的一侧并在该翼面长度的中间，终止于一出口孔处以便以薄膜方式冷却该后缘。
在本发明的另一个优选实施例中，提供了冷却涡轮叶片的方法。该叶片具有一个翼面，一个基座和连接在该翼面和该基座之间的一个平台。该方法包括下列步骤：使该翼面带有多条沿其径向向其顶部延伸的通道；使冷却介质沿该通道沿径向向外方向流向该翼面顶部，以便以对流方式冷却该翼面；在邻近该翼面顶部的出口孔处，形成预定数目的通道，以使用过的冷却介质流入该涡轮的热气体通道中；在邻近该翼面顶部的位置处使来自该多条通道中的至少一条其余通道的冷却介质与沿着该翼面的后缘区域大致沿径向向内方向延伸的一冷却通道连通，以便以对流方式冷却该后缘区域；并且使该通道沿该翼面的一侧并在该翼面长度的中间，终止于一个出口孔，以便以薄膜方式冷却该后缘。
附图简述
图1为有代表性的涡轮叶片的侧视图，它表示现有技术的冷却系统，其中，各种冷却通道用虚线表示；
图2为根据本发明的一个优选方面的通过包括一个冷却系统的翼面的部分横截面图；
图3为与图2相同的视图，表示另一个实施例；和
图4为表示该翼面顶部和该翼面的盖的顶部视图。
优选实施例说明
参见附图，尤其是图1。它表示一个通常的涡轮叶片10，该叶片包括一个翼面12，一个基座14和一个连接在该翼面12和基座14之间的平台16。为了密封该涡轮热气体流动通道(没有示出)中的热气体，该涡轮叶片10包括干扰反射翼(angelwing)密封件18和一个顶部覆环20。另外，翼面10包括多条沿径向延伸的通道22，该通道22从该基座14，通过该平台16和翼面12，通过该顶部覆环20进至气体流动通道中。通常，将例如空气一类的冷却介质供给这些通道，以便当空气沿径向向外方向，从该翼面顶部流入热气体通道时，以对流方式冷却该翼面12。如图1所示，邻近该后缘26有一个区域24，仍不能较好地冷却。如上所述，当要保持该后缘区域24的结构整体性时，不能在很接近该后缘26处“钻”出通道22。
在图2和3中，根据本发明的一个优选实施例，至少部分冷却介质(例如空气)被改道，以便更好地冷却图1的现有技术没有很好冷却的该翼面的后缘区域。在该冷却系统中，冷却空气大致沿径向向内方向沿着邻近该后缘的通道流动，并沿着该翼面一侧作为薄膜排出。该通道和出口孔起到以对流方式冷却该后缘区域和沿着该后缘区域形成一绝热薄膜的双重作用。
在图2所示的翼面30的优选例子中，设有多条通道32，这些通道沿着该翼面长度大致沿径向方向延伸。这些通道22利用上述STEM钻削方法钻出。考虑到在STEM方法中所使用的成形管直径的偏移特性，沿大致径向向内方向自该翼面顶部36，尽可能靠近该后缘34，钻出预定数目的通道32。这样，沿着该翼面，在尽可能靠近该后缘34处，形成沿径向延伸的该通道32中的一条或多条通道38。这些一条或多条通道38在最需要冷却的关键区域一即翼面的后缘区域40，横向直通该翼面的一侧，最好为压力侧。该通道38的横截面最好为圆形。然而，当通过该翼面一侧通道断开时，这样作出的孔42的轮廓一般为椭圆形。在应力区域中的孔42的椭圆形轮廓可减少所产生的应力集中的影响。
为了使冷却介质在一条或多条通道38中流动，沿该翼面顶部的径向向内方向并直达该翼面顶部形成一凹部。该凹部44与一条或多条径向通道32连通。在所示的实施例中，在邻近该翼面顶部处，该通道32中的二条通道46与该凹部44连通，但一条或多条通道46也可以。该凹部44也可形成一个邻近该翼面顶部36与一条或多条通道38连通的封闭空间。结果，冷却空气沿着该一条或多条径向通道46沿径向向外方向流动，其中该流动进入该封闭空间44，并沿着该通道38沿径向向内方向反向流动。在通道38中的流动，沿着该翼面的压力侧径该孔42流出。由于冷却空气在通道38中大致沿径向向内方向流动的这一结果，该翼面的后缘区域以对流方式被冷却。另外，沿着该后缘区域的压力侧，通过该出口孔42，供给冷却空气薄膜，以便以薄膜方式冷却该后缘区域。
从图4可看出，该翼面30的顶部带有一个覆环盖48。该覆环盖包括与一个切齿52一起的一个覆环密封件50。该切齿52沿着该涡轮的一个固定覆环(没有示出)切出一条槽。如图4所示，该通道32具有直通该覆环盖48的出口孔口54，藉此，以对流方式冷却该翼面主要部分的冷却空气排空到该热气体通道。然而，该封闭空间44用一个盖或一个盖塞56覆盖。该盖或盖塞可以铜焊、焊接或用其他方法固定在该翼面顶部。这样，该封闭空间44被盖塞56封闭，可使径向向外流动的冷却空气通过这些一条或多条预定的通道46反向，沿径向向内方向流动，以对流方式冷却该翼面的后缘区域，并当经该出口孔42流出时，以薄膜方式冷却该后缘区域。
参见图3，相同的标号加在与图2相同的零件上，但在前面加1。在这个实施例中，该封闭空间144在该翼面顶部延伸或作得深得多。该封闭空间160的底部162沿径向向内方向跟该翼面顶部间隔，并向该后缘倾斜。这样，该延伸的封闭空间160可使STEM钻削方法在该翼面内形成比在图2的实施例中更深的通道138。利用这种方法，在图2的实施例中的孔42的位置的径向向内的位置上，出口孔142贯穿该翼面的压力侧。
虽然，已结合目前认为是最实际和优选的实施例说明了本发明，但应当了解，本发明不是仅限于所述的实施例，相反，在所附权利要求书的精神和范围内，它涵盖各种改进和等同的结构。
零件清单-839-1613-GE153588-从权利要求1-9和15中选择
14    基座
30    翼面
32    通道
38    通道
40    后缘
42    出口孔
44    封闭空间
46    通道
54    出口孔口
56    盖
130   翼面
132   通道
134   后缘
138   通道
140   后缘
142   出口孔
144   封闭空间
146   通道
160   封闭空间
162   底部

Claims (10)

1.一种涡轮叶片的冷却系统，该叶片包括：
一个翼面(30，130)，一个基座(14)和连接该翼面和基座之间的一个平台(16)；
所述翼面具有多条通道(32，132)，这些通道大致沿其径向延伸，用于跟该翼面径向内端的冷却介质源连通，并当该冷却介质沿着该通道大致沿径向向外方向该向该翼面的顶部时，以对流方式冷却该翼面；
预定数目的所述通道，具有邻近所述翼面顶部的出口孔口(54)，以使用过的冷却介质流入该涡轮的热气体通道中；
所述多条通道中的至少一条其余的通道(46，146)，在邻近该翼面的顶部处与一条冷却通道(38，138)连通，该冷却通道沿着该翼面的后缘(40，140)区域，大致向内延伸，以便用对流方式冷却该后缘区域，
所述通道(38，138)沿着该翼面的一侧并在该翼面长度的中间，终止于一出口孔(42，142)中，以便沿着所述翼面一侧以薄膜方式冷却该后缘。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述孔(42，142)穿过该翼面的压力侧。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述孔(42)沿着所述压力侧的轮廓为椭圆形。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述通道(38，138)沿着一条比所述一通道更接近该后缘(34)的路径延伸。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多条通道(32，132)中其余的通道(46，146)，在邻近该翼面顶部，与至少二条通道(38，138)连通，该二条通道(38，138)沿着该翼面的后缘区域大致沿径向向内方向延伸，以便以对流方式冷却该翼面的后缘区域；所述二条通道(38，138)沿着该翼面的所述一侧并在该翼面长度的中间，终止于出口孔(41，142)中，以便沿着所述翼面一侧，以薄膜方式冷却该后缘。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述出口孔(42，142)沿着所述翼面长度处在不同的径向位置。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述翼面(30)包括一个邻近所述翼面顶部的横跨的封闭空间(44，144)，与所述一个其余的通道(46，146)的一出口和所述通道(38，138)的一入口连通。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述封闭空间(44，144)直通该翼面顶部，并且在该翼面顶部有一盖(56)封闭该封闭空间。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述封闭空间(44)的底部(162)沿径向向内方向跟该翼面顶部间隔。
10.如权利要求1所述的系统，其特征为，所述多条通道的其余的通道(46，146)在邻近该翼面顶部处与至少二条通道(38，138)连通，该二条通道(38，138)沿着该翼面的后缘区域(40，140)，大致沿径向向内方向延伸，以便以对流方式冷却该翼面的后缘区域；所述二条通道沿着该翼面的所述一侧并在该翼面长度的中间，终止于出口孔(42，142)中，以便沿着所述翼面一侧，以薄膜方式冷却该后缘；所述封闭空间包括邻近所述翼面顶部的一个横跨的封闭空间(44，144)，与所述其余通道的出口和所述二条通道的入口连通。
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