具有弦向延伸的带槽梢端冷却通道的涡轮翼型件冷却系统 |
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| 申请号 | CN201580074345.4 | 申请日 | 2015-01-22 | 公开(公告)号 | CN107208485A | 公开(公告)日 | 2017-09-26 |
| 申请人 | 西门子能源有限公司; | 发明人 | 李经邦; | ||||
| 摘要 | 公开了一种用于 涡轮 发动机 (14)中的 翼型 件(12)的内部冷却系统(10)，其中，冷却系统(10)包括弦向延伸的梢端冷却通道(16)，该弦向延伸的梢端冷却通道位于带槽梢端(18)的径向内侧并且至少部分地由具有非线性外表面(22)的内壁(20)形成。弦向延伸的梢端冷却通道(16)的内壁(20)的非线性外表面(22)可以由在下述点(74)处相交的压 力 侧部段(24)和吸入侧部段(26)形成：所述点比压力侧部段(24)和吸入侧部段(26)的其他部分更靠近形成带槽梢端(18)的至少一部分的外壁(32)的内表面(30)。压力侧部段(24)和吸入侧部段(26)的构型使流动截面面积减小，这 加速 了在弦向延伸的梢端冷却通道(16)内沿弦向方向的冷却 流体 流动并且将冷却流体引向压力侧外壁(34)和吸入侧外壁(36)，以提高冷却效率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种涡轮翼型件(12)，其特征在于， |
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| 说明书全文 | 具有弦向延伸的带槽梢端冷却通道的涡轮翼型件冷却系统技术领域[0003] 本发明总体上涉及涡轮叶片，并且更具体地涉及位于涡轮叶片的翼型件梢端处的冷却系统。 背景技术[0004] 通常，燃气涡轮发动机包括：压缩机，该压缩机用于压缩空气；燃烧器，该燃烧器用于将经压缩的空气与燃料混合并点燃混合物；以及涡轮叶片组件，该涡轮叶片组件用于产生动力。燃烧器通常在高于华氏2,500度的高温下运行。典型的涡轮燃烧器构型将涡轮叶片组件暴露于这些高温。因此，涡轮叶片必须由能够承受这些高温的材料制成。 [0005] 通常，涡轮叶片由涡轮叶片的一端部处的根部部分以及在涡轮叶片的相反的端部处的长形部分形成，长形部分形成从联接至根部部分的平台向外延伸的叶片。叶片通常由前缘、后缘以及与根部部段相反的梢端构成。涡轮叶片的梢端通常具有梢端特征部以减小涡轮机的气体路径中的环形区段与叶片之间的间隙的尺寸，从而防止梢端流泄漏，这减少了由涡轮叶片产生的扭矩的量。梢端特征部通常被称为带槽梢端，并且经常结合在叶片的梢端上以帮助减少涡轮机级的空气动力损失。这些特征部被设计成使叶片梢端与环形区段之间的泄漏最小化。 发明内容[0006] 公开了一种用于涡轮发动机中的翼型件的内部冷却系统，其中，该冷却系统包括弦向延伸的梢端冷却通道，该弦向延伸的梢端冷却通道位于带槽梢端的径向内侧并且至少部分地由具有非线性外表面的内壁形成。弦向延伸的梢端冷却通道的内壁的非线性外表面可以由在下述点处相交的压力侧部段和吸入侧部段形成：所述点比压力侧部段和吸入侧部段的其他部分更靠近外壁的内表面，该外壁形成带槽梢端的至少一部分。压力侧部段和吸入侧部段的构型使流动截面面积减小，这加速了在弦向延伸的梢端冷却通道内沿弦向方向的冷却流体流动并将冷却流体引向压力侧外壁和吸入侧外壁，以提高冷却效率。 [0007] 在至少一个实施方式中，涡轮翼型件可以具有：大体长形的叶片，该大体长形的叶片具有前缘、后缘、位于第一端部处的带槽梢端；根部，所述根部在与第一端部大体相反的第二端部处联接至叶片以支承叶片并将叶片联接至盘形件；以及内部冷却系统，该内部冷却系统由定位在大体长形的叶片内的至少一个腔形成。内部冷却系统可以包括一个或更多个弦向延伸的梢端冷却通道，所述一个或更多个弦向延伸的梢端冷却通道至少部分地由外壁的内表面形成，外壁形成带槽梢端的至少一部分。弦向延伸的梢端冷却通道可以包括由压力侧部段和吸入侧部段形成的内壁，其中，压力侧部段具有与压力侧外壁的内表面不平行且不正交的外表面，吸入侧部段具有与吸入侧外壁的内表面不平行且不正交的外表面。形成弦向延伸的梢端冷却通道的内壁的压力侧部段和吸入侧部段的各自的外表面可以相对于彼此不平行且不正交。位于形成所述至少一个弦向延伸的梢端冷却通道的内壁的压力侧部段和吸入侧部段的各自的外表面之间的相交部比形成所述至少一个弦向延伸的梢端冷却通道的外壁的压力侧部段和吸入侧部段的其他部分更靠近形成带槽梢端的至少一部分的外壁的内表面。 [0008] 在至少一个实施方式中，位于形成弦向延伸的梢端冷却通道的内壁的压力侧部段和吸入侧部段的各自的外表面之间的相交部弯曲以形成圆角。位于形成弦向延伸的梢端冷却通道的内壁的压力侧部段的外表面与压力侧外壁的内表面之间的相交部弯曲以形成圆角。类似地，位于形成弦向延伸的梢端冷却通道的内壁的吸入侧部段的外表面与吸入侧外壁的内表面之间的相交部弯曲以形成圆角。内部冷却系统可以包括位于压力侧外壁的内表面上的多个紊流器。内部冷却系统还可以包括位于吸入侧外壁的内表面上的多个紊流器。内部冷却系统还可以包括位于形成带槽梢端的至少一部分的外壁的内表面上的多个紊流器。 [0009] 在至少一个实施方式中，形成弦向延伸的梢端冷却通道的内壁的压力侧部段和吸入侧部段的各自的内表面相对于彼此不平行且不相交，并且压力侧部段和吸入侧部段的各自的内表面分别与形成弦向延伸的梢端冷却通道的内壁的压力侧部段和吸入侧部段的各自的外表面对准。弦向延伸的梢端冷却通道具有与沿叶展方向延伸的前缘冷却通道流体连通的一个或更多个入口，其中，前缘冷却通道的至少一部分由形成大体长形的叶片的前缘的外壁的内表面限定。形成弦向延伸的梢端冷却通道的内壁的压力侧部段和吸入侧部段可以形成弦中蛇形冷却通道的至少一部分。 [0010] 在至少一个实施方式中，带槽梢端可以包括沿径向延伸的上游肋部和沿径向延伸的下游肋部。沿径向延伸的上游肋部包括上游接触表面和下游接触表面，其中，上游接触表面与大体长形的叶片的纵向轴线不正交且不平行，使得上游接触表面的最内拐角比上游接触表面的最外拐角向上游延伸得更远；下游接触表面与大体长形的叶片的纵向轴线不正交且不平行，使得下游接触表面的最内拐角比下游接触表面的最外拐角向下游延伸得更远。沿径向延伸的下游肋部可以包括下游接触表面和上游接触表面，其中，下游接触表面与大体长形的叶片的纵向轴线不正交且不平行，使得下游接触表面的最内拐角比下游接触表面的最外拐角向下游延伸得更远；上游接触表面与大体长形的叶片的纵向轴线不正交且不平行，使得上游接触表面的最内拐角比上游接触表面的最外拐角向上游延伸得更远。 [0011] 内部冷却系统还可以包括定位在沿径向延伸的上游肋部中的一个或更多个压力侧膜冷却孔，所述压力侧膜冷却孔具有出口以及入口，出口位于沿径向延伸的上游肋部的上游接触表面中，入口将压力侧膜冷却孔与内部冷却系统的弦向延伸的梢端冷却通道联接。内部冷却系统还可以包括定位在沿径向延伸的下游肋部的上游的一个或更多个吸入侧膜冷却孔，所述吸入侧膜冷却孔的出口位于带槽梢端中且位于沿径向延伸的上游肋部与沿径向延伸的下游肋部之间。 [0012] 在使用期间，冷却流体可以经由入口流入前缘冷却通道中。冷却流体可以从冷却流体源流入在翼型件的内端部处的前缘冷却通道的入口中。冷却流体流动穿过前缘冷却通道并进入到弦向延伸的梢端冷却通道的入口中。压力侧部段和吸入侧部段引导冷却流体与压力侧外壁的内表面和吸入侧外壁的内表面接触。通过引导冷却流体与压力侧外壁的内表面和吸入侧外壁的内表面接触，内部冷却系统的冷却效率得以提高。另外，位于压力侧外壁的内表面和吸入侧外壁的内表面上的紊流器可以使内部冷却系统的效率进一步提高。位于形成带槽梢端的至少一部分的外壁的内表面上的紊流器可以进一步增强对带槽梢端的冷却。冷却流体可以经由压力侧膜冷却孔和吸入侧膜冷却孔并经由靠近翼型件的后缘的出口从弦向延伸的梢端冷却通道排出。经由压力侧膜冷却孔和吸入侧膜冷却孔排出的冷却流体可以用于冷却带槽梢端。 [0013] 内部冷却系统的优点在于弦向延伸的梢端冷却通道将冷却流体朝向压力侧外壁和吸入侧外壁引导以提高压力侧外壁的内表面和吸入侧外壁的内表面上的对流，从而提高内部冷却系统的冷却效率。 [0014] 内部冷却系统的另一优点在于形成弦向延伸的内部冷却系统的内壁的压力侧部段和吸入侧部段使流动截面面积减小，这加速了在弦向延伸的梢端冷却通道内沿弦向方向的冷却流体流动并提高了内部冷却系统的冷却效率。 [0015] 内部冷却系统的再一优点在于带槽梢端在带槽梢端中具有更可靠的对流冷却以实现更好的叶片梢端寿命并且因此实现更低的梢端泄漏流。 [0016] 内部冷却系统的另一优点在于压力侧冷却孔定位在斜切表面中，从而使得冷却孔能够定位在处于热点处的表面上并且使冷却孔具有更长的长度以获得更佳的冷却。 [0020] 图1是具有翼型件的涡轮发动机的局部截面立体图，其中，翼型件包括具有弦向延伸的梢端冷却通道的内部冷却系统。 [0021] 图2是能够在图1中示出的涡轮发动机中使用的具有内部冷却系统的翼型件的立体图，其中，内部冷却系统具有弦向延伸的梢端冷却通道。 [0022] 图3是沿图2中的截面线3-3截取的具有内部冷却系统的翼型件的截面角视图，其中，内部冷却系统具有弦向延伸的梢端冷却通道。 [0023] 图4是沿图3中的截面线4-4截取的内部冷却系统的局部截面图，其中，内部冷却系统具有弦向延伸的梢端冷却通道。 具体实施方式[0024] 如图1至图4中所示，公开了用于涡轮发动机14中的翼型件12的内部冷却系统10，其中，冷却系统10包括弦向延伸的梢端冷却通道16，该弦向延伸的梢端冷却通道16位于带槽梢端18的径向内侧并且至少部分地由具有非线性外表面22的内壁20形成。弦向延伸的梢端冷却通道16的内壁20的非线性外表面22可以由在点28处相交的压力侧部段24和吸入侧部段26形成，点28比压力侧部段24和吸入侧部段26的其他部分更靠近外壁32的内表面30，外壁32形成带槽梢端18的至少一部分。压力侧部段24和吸入侧部段26的构型减小了流动截面面积，这加速了在弦向延伸的梢端冷却通道16内沿弦向方向的冷却流体流动，并将冷却流体引向压力侧外壁34和吸入侧外壁36，以提高冷却效率。 [0025] 在至少一个实施方式中，涡轮翼型件12可以由下述各者形成：大体长形的叶片40，大体长形的叶片40具有前缘42、后缘44以及位于第一端部46处的带槽梢端18；根部48，根部48在与第一端部46大体相反的第二端部50处联接至叶片40以支承叶片40并将叶片40联接至盘形件；以及内部冷却系统10，内部冷却系统10由定位在大体长形的叶片40内的至少一个腔52形成。内部冷却系统10可以包括至少部分地由外壁32的内表面30形成的一个或更多个弦向延伸的梢端冷却通道16，外壁32形成带槽梢端18的至少一部分。弦向延伸的梢端冷却通道16可以包括由压力侧部段24形成的内壁20，压力侧部段24具有与压力侧外壁34的内表面58不平行且不正交的外表面54。压力侧部段24的外表面54可以相对于压力侧外壁34的内表面58定位在30度与75度之间。弦向延伸的梢端冷却通道16还可以包括吸入侧部段26，吸入侧部段26具有与吸入侧外壁36的内表面60不平行且不正交的外表面56。吸入侧部段26的外表面56可以相对于吸入侧外壁36的内表面60定位在30度与75度之间。形成弦向延伸的梢端冷却通道16的内壁20的压力侧部段24和吸入侧部段26的外表面54、56可以相对于彼此不平行且不正交。在至少一个实施方式中，压力侧部段24的外表面54和吸入侧部段26的外表面56在弦向延伸的梢端冷却通道16的内壁20的至少一部分上延伸。在至少一个实施方式中，压力侧部段24和吸入侧部段26可以在弦向延伸的梢端冷却通道16的整个内壁20上延伸。 [0026] 压力侧部段24和吸入侧部段26可以在点28处相交。位于形成弦向延伸的梢端冷却通道16的内壁20的压力侧部段24和吸入侧部段26的各自的外表面54、56之间的相交部28比形成弦向延伸的梢端冷却通道16的外壁32的压力侧部段24和吸入侧部段26的其他部分更靠近形成带槽梢端18的至少一部分的外壁32的内表面30。位于形成弦向延伸的梢端冷却通道16的内壁20的压力侧部段24和吸入侧部段26的各自的外表面54、56之间的相交部28可以弯曲以形成圆角。位于形成弦向延伸的梢端冷却通道16的内壁20的压力侧部段24的外表面54与压力侧外壁34的内表面58之间的相交部62可以弯曲以形成圆角或具有另一合适的构型。位于形成弦向延伸的梢端冷却通道16的内壁20的吸入侧部段26的外表面56与吸入侧外壁36的内表面60之间的相交部64可以弯曲以形成圆角或具有另一合适的构型。 [0027] 内部冷却系统10可以包括用以增强冷却能力和效率的其他元件。在至少一个实施方式中，内部冷却系统10可以包括位于压力侧外壁34的内表面58上的多个紊流器66。紊流器66可以从压力侧外壁34的内表面58朝向吸入侧部65延伸。内部冷却系统10可以包括位于吸入侧外壁36的内表面60上的多个紊流器66。紊流器66可以从吸入侧外壁36的内表面60朝向压力侧部68延伸。在形成带槽梢端18的至少一部分的外壁32的内表面30上可以延伸有一个或更多个紊流器66。 [0028] 形成弦向延伸的梢端冷却通道16的内壁20的压力侧部段24和吸入侧部段26的各自的内表面70、72可以相对于彼此不平行且不正交，并且压力侧部段24和吸入侧部段26的各自的内表面70、72可以分别与形成弦向延伸的梢端冷却通道16的内壁20的压力侧部段24和吸入侧部段26的各自的外表面54、56对准。位于压力侧部段24的内表面70与吸入侧部段26的内表面72之间的相交部74弯曲以形成圆角。其中，位于压力侧部段24的内表面70与压力侧外壁34的内表面58之间的相交部76弯曲以形成圆角。其中，位于吸入侧部段26的内表面72与吸入侧外壁36的内表面60之间的相交部78弯曲以形成圆角。 [0029] 在至少一个实施方式中，如图3中所示，弦向延伸的梢端冷却通道16可以具有与沿叶展方向延伸的前缘冷却通道82流体连通的一个或更多个入口80，其中，前缘冷却通道82的至少一部分由外壁32的内表面84限定，其中，外壁32形成大体长形的叶片40的前缘42。在至少一个实施方式中，弦向延伸的梢端冷却通道16可以包括靠近翼型件12的前缘42的入口80，并且可以包括靠近翼型件12的后缘44的出口86。前缘冷却通道82可以包括位于翼型件 12的内端部50处且与冷却流体源连通的入口160。 [0030] 形成弦向延伸的梢端冷却通道16的内壁20的压力侧部段24和吸入侧部段26可以形成弦中蛇形冷却通道88的至少一部分。弦中蛇形冷却通道88可以是三通蛇形冷却通道。弦中蛇形冷却通道88可以具有位于弦中蛇形冷却通道88的第一支路94的内部端部92处的第一入口90。在至少一个实施方式中，弦中蛇形冷却通道88可以包括位于第二转弯部98处的第二入口96，第二转弯部98是弦中蛇形冷却通道88的第二支路100与第三支路102之间的内转弯部。冷却流体可以经由第一入口90进入第一支路94、流动穿过第一转弯部91并进入第二支路100。冷却流体可以从第二支路100流动穿过第二转弯部98并进入第三支路102。当冷却流体流入第三支路102中时，来自第二入口96的附加的冷却流体被添加至流入到第三支路102中的冷却流体。第三支路102中的冷却流体可以流入后缘冷却通道156中并且可以通过后缘44中的一个或更多个后缘排出孔口158排出。 [0031] 带槽梢端18可以具有任何适当的构型。在至少一个实施方式中，如图4中所示，带槽梢端18可以包括沿径向延伸的上游肋部104和沿径向延伸的下游肋部106。沿径向延伸的上游肋部104可以包括上游接触表面108，上游接触表面108与大体长形的叶片40的纵向轴线110不正交且不平行，使得上游接触表面108的最内拐角112比上游接触表面108的最外拐角114向上游延伸得更远。沿径向延伸的上游肋部104还可以包括下游接触表面116，该下游接触表面116与大体长形的叶片40的纵向轴线110不正交且不平行，使得下游接触表面116的最内拐角118比下游接触表面116的最外拐角120向下游延伸得更远。沿径向延伸的下游肋部106可以包括下游接触表面122，下游接触表面122与大体长形的叶片40的纵向轴线110不正交且不平行，使得下游接触表面122的最内拐角124比下游接触表面122的最外拐角126向下游延伸得更远。沿径向延伸的下游肋部106还可以包括上游接触表面128，该上游接触表面128与大体长形的叶片40的纵向轴线110不正交且不平行，使得上游接触表面128的最内拐角130比上游接触表面128的最外拐角132向上游延伸得更远。 [0032] 内部冷却系统10还可以包括定位在沿径向延伸的上游肋部104中的一个或更多个压力侧膜冷却孔134，压力侧薄膜冷却孔134具有位于沿径向延伸的上游肋部104的上游接触表面108中的出口136以及将压力侧膜冷却孔134与内部冷却系统10的弦向延伸的梢端冷却通道16联接的入口138。压力侧膜冷却孔134可以具有定位成与外表面142不平行且非线性的纵向轴线140，外表面142形成翼型件12的压力侧部68。内部冷却系统10还可以包括定位在沿径向延伸的下游肋部106的上游的一个或更多个吸入侧膜冷却孔150，吸入侧薄膜冷却孔150具有位于带槽梢端18中且位于沿径向延伸的上游肋部104与沿径向延伸的下游肋部106之间的出口152。吸入侧薄膜冷却孔150可以具有纵向轴线162，纵向轴线162与定位在沿径向延伸的上游肋部104与沿径向延伸的下游肋部106之间的带槽梢端18的外表面154不平行且非线性，使得冷却流体从吸入侧膜冷却孔150排出，具有至少部分下游矢量。 [0033] 在使用期间，冷却流体可以经由入口80流入前缘冷却通道82中。冷却流体可以从冷却流体源流入在翼型件12的内端部50处的前缘冷却通道82的入口160中。冷却流体流动穿过前缘冷却通道82并且进入到弦向延伸的梢端冷却通道16的入口80中。压力侧部段24和吸入侧部段26引导冷却流体与压力侧外壁34的内表面58和吸入侧外壁36的内表面60接触。通过引导冷却流体与压力侧外壁34的内表面58和吸入侧外壁36的内表面60接触，提高了内部冷却系统10的冷却效率。另外，位于压力侧外壁34的内表面58上的紊流器66和位于吸入侧外壁36的内表面60上的紊流器66可以进一步提高内部冷却系统10的效率。冷却流体可以经由压力侧膜冷却孔134和吸入侧薄膜冷却孔150并经由靠近翼型件12的后缘44的出口86从弦向延伸的梢端冷却通道16排出。经由压力侧膜冷却孔134和吸入侧膜冷却孔150排出的冷却流体可以用于冷却带槽梢端18。 [0034] 出于对本发明的实施方式进行说明、解释和描述的目的提供了前述内容。对这些实施方式的修改和改变对于本领域技术人员来说将是明显的，并且在不脱离本发明的范围或主旨的情况下可以对这些实施方式进行修改和改变。 |
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