具有雙復合成角度孔和狹槽的冷卻式渦輪葉片的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明總體上涉及氣體渦輪發動機，且更具體地涉及一種冷卻式渦輪葉片。
【背景技術】
[0002]高性能燃氣渦輪發動機通常依賴于增加渦輪入口溫度，從而提高燃料經濟性和總額定功率。如果不對這些較高的溫度進行補償，則會使發動機部件氧化以及縮短部件壽命。許多技術的應用使得部件壽命得到了增加。所述技術包括利用來自發動機的壓縮機部分的空氣進行內部冷卻和薄膜冷卻。引氣延長了葉片的壽命，但也會導致效率損失。因此，對于翼型冷卻而言，固定式燃氣輪機以及移動式燃氣輪機的壓縮空氣均有限。
[0003]在2003年10月7日授予Richter等人的美國專利第6630645號，示出了一種燃氣輪機的渦輪葉片。具體而言，Richter等人的公開示出了一種燃氣輪機的渦輪葉片，其中，形成為冷卻空氣孔的許多開孔大致以銳角運行通過所述部件壁。來自渦輪葉片的空腔的壓縮機空氣通過冷卻空氣孔，以便將冷卻空氣膜導引至渦輪葉片的外表面。
[0004]本發明的目的在于克服已知問題和/或由本發明人發現的問題。
【發明內容】
[0005]本文公開了一種用于燃氣渦輪發動機的渦輪葉片。所述渦輪葉片包括基部和鄰接到基部的翼型部分。基部包括葉片根部、平臺、冷卻空氣入口以及位于基部內的基部空氣通道，基部空氣通道配置為接收和導向來自冷卻空氣入口的冷卻空氣。翼型部分包括從基部延伸到尖端的外壁，所述外壁形成前緣、后緣、壓力側和吸力側。翼型部分還包括位于外壁內的翼型空氣通道，翼型空氣通道配置為接收和導向來自基部空氣通道的冷卻空氣。翼型部分還包括與翼型空氣通道流體連通并配置為將來自翼型部分的第一百分比的冷卻空氣排出的多個后緣狹槽。翼型部分還包括穿過外壁的多個定向膜孔，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，多個定向膜孔與翼型空氣通道流體連通并配置為排出第二百分比的冷卻空氣。多個定向膜孔的第一部分中的每個，均使其膜孔入口定位成較其膜孔出口更靠近平臺，并且多個定向膜孔的第二部分中的每個，均使其膜孔出口定位成較其膜孔入口更靠近平臺。而且，多個定向膜孔的第二部分定位成較多個定向膜孔的第一部分更靠近平臺。
【附圖說明】
[0006]圖1是示例性燃氣渦輪發動機的示意圖。
[0007]圖2是圖1的渦輪葉片的局部剖開等距視圖。
[0008]圖3是圖2的渦輪葉片的局部剖開壓力側視圖。
[0009]圖4是圖3的渦輪葉片沿截面切割線4-4截取的界面俯視圖。
[0010]圖5是圖4的一部分的放大圖。
【具體實施方式】
[0011]本發明提供了一種具有位于壓力側和后緣狹槽上游的冷卻孔的渦輪葉片。實施例包括定向冷卻孔和定向后緣狹槽，在定向后緣狹槽內冷卻空氣被引導至朝向渦輪葉片的尖端和基部。使用二級冷卻效果(或虛擬冷卻)，通過采用如當前所公開的雙復合角度設計，排出的冷卻空氣可為葉片后緣尖端和平臺(端壁)提供葉片冷卻。
[0012]圖1是示例性燃氣渦輪發動機的示意圖。為了清楚起見和便于解釋，(此處和其它附圖中)省略或放大了一些表面。而且，本發明將通常提及燃氣渦輪發動機的轉動中心軸線95，該軸線可以大致由其軸120 (其由多個軸承組件150支持)的縱向軸線限定。中心軸線95可以與各種其它發動機同心部件共用或共享。本發明還將提及中心軸線95的一個或多個有代表性的半徑96。
[0013]除非另有說明，徑向、軸向和圓周方向以及測量值的提及均是指中心軸線95。另夕卜，本發明可提及“前”和“后”方向。除非另有說明，通常，所有對“前”和“后”的提及均與一次空氣(即用于燃燒過程中的空氣)的流動方向相關聯。例如，前為相對于一次空氣流動(即朝向空氣由此處進入系統的點或前緣)的“上游”，并且后為相對于一次空氣流動(即朝向空氣由此處離開系統的點或后緣)的“下游”。
[0014]結構上來講，燃氣渦輪發動機100包括入口 110、壓縮機200、燃燒室300、渦輪400、排氣500以及動力輸出聯接件600。壓縮機200包括一個或多個壓縮機轉子組件220。燃燒室300包括一個或多個噴射器350并包括一個或多個燃燒室390。渦輪400包括一個或多個渦輪轉子組件420，具有定位在最靠近燃燒室300的第一級渦輪轉子組件421。根據一個實施例，一個或多個渦輪轉子組件420可以在圓周上(例如，在第一級渦輪轉子組件421)裝配有多個冷卻式渦輪葉片440。
[0015]如圖所示，壓縮機轉子組件220和渦輪轉子組件420均為軸流式轉子組件，其中每個轉子組件包括沿周向裝配有多個翼型(例如，冷卻式渦輪葉片440")的轉子盤。當安裝時，通過沿周向分布在環形殼體中的靜止輪葉(“定子輪葉”或“噴嘴”)250、450將和一個轉子盤相關聯的轉子葉片與和相鄰的轉子組件相關聯的轉子葉片軸向分離。
[0016]以上部件(或它們的子部件)中的一個或多個可由不銹鋼和/或耐用的高溫材料(被稱為“超耐熱合金”)制成。超耐熱合金或高性能合金是一種展示出在高溫下的優良的機械強度和抗蠕變性、良好的表面穩定性，以及耐腐蝕性和抗氧化性的合金。超耐熱合金可包括例如哈斯特洛伊耐蝕鎳基合金(HASTELL0Y)、鉻鎳鐵合金(INC0NEL)、沃斯帕洛伊合金(WASPALOY)、RENE 合金、HAYNES 合金、耐熱鉻鎳鐵合金(INC0L0Y)、MP98T、TMS 合金、CMSX 單晶合金等材料。
[0017]圖2是圖1的渦輪葉片的局部剖開等角圖。特別地，參考冷卻式渦輪葉片440運行期間的中心軸線95、第一徑向線96、第二徑向線98以及旋轉路徑97，示出了從燃氣渦輪發動機100的其余部分中分離出來的冷卻式渦輪葉片440。為了清晰和說明起見，已經去除了某些特征件/部件。例如，冷卻式渦輪葉片440可包括額外的冷卻孔、凹槽、表面等。另外，雖然冷卻式渦輪葉片440被示出具有瞄準兩個方向的薄膜冷卻，但是本文所提出的概念可以擴展到多個方向和/或在該特定實施方式中沒有說明的方向。
[0018]概括地，冷卻式渦輪葉片440包括鄰接到基部441的翼型部分442。另外，冷卻式渦輪葉片440包括在基部441上的根端443，以及在翼型部分442上且與根端443相對的尖端444。盡管此處僅示出了冷卻式渦輪葉片440的下游部分上的薄膜冷卻特征件，但是冷卻式渦輪葉片440還可包括在上游部分上的薄膜冷卻特征件。
[0019]翼型部分442為配置成接收來自基部441的冷卻空氣15的大體上中空的葉片，以導向翼型部分442內的冷卻空氣15，以及使用一定百分比的冷卻空氣15用于翼型部分442的外表面和/或平臺461上的目標區域的薄膜冷卻。目標區域或區的實例可包括后緣尖端445、后緣根部446，以及平臺后緣447。
[0020]基部441包括葉片根部460、平臺461、冷卻空氣入口 462，以及基部空氣通道463。在運行期間，葉片根部460將冷卻式渦輪葉片440保持在其相應的渦輪轉子組件中，并且所述葉片根部460可包括“杉樹形”、“燈泡形”或“燕尾形”根部，這里列出幾例。
[0021]平臺461為翼型部分442從其延伸提供基礎或參考框架。平臺461配置成限制運行期間通過翼型部分442的被激勵(經燃燒的)氣體相對于平臺461的向下(即，相對于第二徑向線98徑向向內)的流動。當安裝時，平臺461，以及還有靠近尖端444的渦輪機外壁(未示出)用于形成熱氣體導管(被激勵氣體導管)。
[0022]冷卻空氣入口 462可包括位于基部441中(例如，鄰近根端443)的一個或多個開口。基部空氣通道463可包括位于基部441內的一個或多個通道，它們配置成接收來自冷卻空氣入口 462的冷卻空氣15并且將冷卻空氣15導向至翼型部分442。在這里，基部441的部分已被去掉，以便示出基部空氣通道463和冷卻空氣入口 462。
[0023]翼型部分442包括外壁470、翼型空氣通道480、多個后緣狹槽481，以及多個定向膜孔482。外壁470可從平臺461向上延伸到尖端444。特別地，外壁470 “橫跨”在基部441與尖端444之間，形成翼型部分442的翼型表面。如翼型表面一樣，外壁470包括空氣動力學特征件，例如前緣484、后緣485、壓力側486、吸力側487、中弧線488，以及翼型形狀489。
[0024]中弧線488通常被定義為沿著翼型的中心從前緣484到后緣485延伸的線。通常，中弧線488為翼型形狀489的壓力側486和吸力側487的平均線。翼型形狀489通常被定義為如在橫截面中所見的翼型表面的形狀，其于給定點處在垂直于z軸449 (下面討論)的平面內截取。因此，翼型部分442的翼型表面為平臺461與尖端444之間的翼型形狀489的集合。
[0025]另外，翼型部分442可具有在基部441與尖端444之間變化的復雜的幾何形狀。例如，翼型部分442的翼型形狀489可增大弧形長度、厚度、扭曲度和/或隨著其向下橫跨改變形狀(參考作為基礎或參考框架的平臺461)。此外，翼型部分442的整體幾何形狀可以根據渦輪機應用的不同而變化。
[0026]因此，由于其復雜的幾何形狀，在描述翼型部分442時，本文引用了冷卻式渦輪葉片440的操作方面。特別地，參照作為基礎或參考框架的平臺461，沿著z軸449、從平臺461(或目標點，例如所描述的特征件的位置)朝著尖端444向上行進來測量“向上”和“向下”方向。例如，在z方向上從根端443向尖端444的行進為“向上”，以及反之亦然。
[0027]這里，z軸449被方便地定義為與一個平面垂直的軸，所述平面與冷卻式渦輪葉片440上的給定目標點在運行期間的