專利名稱：利用密封槽通道冷卻燃?xì)鉁u輪構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于燃?xì)鉁u輪的護(hù)罩和噴嘴，且更具體地涉及用于燃?xì)鉁u輪的冷卻護(hù)罩和噴嘴的布置。
背景技術(shù)：
在燃?xì)鉁u輪中所采用的護(hù)罩包圍且部分地限定穿過該渦輪的熱氣路徑。典型地， 護(hù)罩的特征在于，繞熱氣路徑布置的多個(gè)周向延伸的護(hù)罩區(qū)段，其中每個(gè)區(qū)段包括離散的內(nèi)部護(hù)罩主體和外部護(hù)罩主體。常規(guī)地，對(duì)于每個(gè)外部護(hù)罩區(qū)段，存在兩個(gè)或三個(gè)內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段，其中外部護(hù)罩區(qū)段固定到渦輪的固定內(nèi)部殼體或罩殼上并且內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段固定到外部護(hù)罩區(qū)段。內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段直接包圍渦輪的旋轉(zhuǎn)部件，即攜帶動(dòng)葉或葉片排的轉(zhuǎn)子葉輪。由于內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段暴露于熱氣路徑中的熱燃燒氣體，故用于冷卻內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段的系統(tǒng)常常需要降低區(qū)段的溫度。對(duì)于在由于它們靠近渦輪燃燒器而暴露于很高溫度的燃燒氣體的渦輪的第一級(jí)和第二級(jí)中的內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段尤為如此。由于渦輪動(dòng)葉或葉片旋轉(zhuǎn)，傳熱系數(shù)也很高。為了冷卻護(hù)罩，典型地，來自渦輪壓縮機(jī)的較冷的空氣經(jīng)由對(duì)流冷卻孔供應(yīng)以冷卻區(qū)段的側(cè)部且防止熱路徑氣體吸入到間隙內(nèi)，該典型冷卻孔延伸穿過這些區(qū)段并進(jìn)入?yún)^(qū)段之間的間隙。然而，由單個(gè)冷卻孔清除和冷卻的面積較小，這是因?yàn)殡x開冷卻孔的冷卻空氣的速度較高且冷卻空氣擴(kuò)散到熱氣流動(dòng)路徑內(nèi)。典型地，后沖擊空氣通過位于密封槽表面上的硬質(zhì)/布質(zhì)密封件而泄漏到兩個(gè)內(nèi)部護(hù)罩之間的氣體路徑內(nèi)。特別地，在動(dòng)葉區(qū)域上方的護(hù)罩斜面為壽命有限的區(qū)域，主要是由于氧化。這是由于動(dòng)葉甩向護(hù)罩區(qū)段間的間隙的熱氣的持續(xù)吸入造成。傳統(tǒng)冷卻方法使用從后沖擊冷卻分段鉆出的沿著斜面的冷卻孔，或者沿著密封槽的長度加工的離散垂直通道，這在某種程度上改進(jìn)了斜面冷卻，但其效果是很局部的，因?yàn)樗鼈儾⑽锤采w低壽命斜面區(qū)域的整個(gè)長度。包括密封槽的燃?xì)鉁u輪的另一構(gòu)件是噴嘴。噴嘴可由多個(gè)分段或區(qū)段和在相鄰區(qū)段之間的密封件形成。在燃?xì)鉁u輪中的服務(wù)運(yùn)行噴嘴可具有扭曲側(cè)壁，這是由于先前的焊接維修或由于服務(wù)期間的應(yīng)力釋放造成。在操作溫度下由施加的負(fù)載所造成的蠕變應(yīng)變也可造成扭曲。側(cè)壁的這種移動(dòng)將造成包含于側(cè)壁中的密封槽相對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)中心不在適當(dāng)位置。如果不將側(cè)壁壓回到適當(dāng)位置，在相鄰區(qū)段之間的密封槽未彼此對(duì)準(zhǔn)，且它可證明不能將密封件裝配于適當(dāng)位置?；蛘撸芷仁姑芊饧M(jìn)入槽內(nèi)但這將噴嘴區(qū)段鎖定在一起使得它們不可彼此相對(duì)移動(dòng)或“浮動(dòng)”。在操作期間，需要這種浮動(dòng)來允許熱膨脹和確保區(qū)段抵靠密封面加載(鉤裝配和弦鉸鏈)。如果它們鎖定在一起，那么有可能它們將傾斜且不抵靠它們的密封面加載。這將導(dǎo)致壓縮機(jī)排放空氣直接泄漏到熱氣路徑內(nèi)且將減小可用于燃燒和用于冷卻噴嘴的空氣量。減少用于燃燒的空氣的結(jié)果將是降低渦輪的性能且增加排放。可用冷卻空氣的減少將導(dǎo)致噴嘴增加的氧化，這是由于產(chǎn)生的較高金屬溫度，并且缺乏冷卻也將造成噴嘴內(nèi)的熱梯度變化，導(dǎo)致部件增加的開裂。這將會(huì)增加隨后的維修成本且可縮短部件壽命。未對(duì)準(zhǔn)的側(cè)壁也可導(dǎo)致流動(dòng)路徑梯級(jí)。熱氣將不具有平滑路徑，而是將由相鄰噴嘴區(qū)段之間失配所牽絆，導(dǎo)致湍流和減少的氣流能量，從而降低性能。湍流也增加到噴嘴的傳熱且因此將升高金屬溫度，導(dǎo)致增加的氧化和開裂。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一實(shí)施例，用于燃?xì)鉁u輪的構(gòu)件的區(qū)段包括前邊緣；后邊緣；在前邊緣與后邊緣之間的一對(duì)相反側(cè)面；以及設(shè)于每個(gè)側(cè)面中的密封槽。密封槽包括表面，其具有在從前邊緣到后邊緣限定的軸向上延伸的通道；到通道的至少一個(gè)入口 ；以及來自通道的至少一個(gè)出口，其中至少一個(gè)出口與至少一個(gè)入口在軸向上在下游間隔開。根據(jù)另一實(shí)施例，燃?xì)鉁u輪包括內(nèi)部護(hù)罩和噴嘴中的至少一個(gè)，其中內(nèi)部護(hù)罩和噴嘴中的至少一個(gè)包括多個(gè)周向布置的區(qū)段，每個(gè)區(qū)段包括前邊緣；后邊緣；在前邊緣與后邊緣之間的一對(duì)相反側(cè)面；以及設(shè)于每個(gè)側(cè)面中的密封槽，該密封槽包括表面，該表面包括在從前邊緣到后邊緣限定的軸向上延伸的通道；到該通道的至少一個(gè)入口 ；以及來自該通道的至少一個(gè)出口，其中至少一個(gè)出口與至少一個(gè)入口在軸向上在下游間隔開。根據(jù)又一實(shí)施例，提供冷卻燃?xì)鉁u輪的構(gòu)件的方法。該構(gòu)件包括多個(gè)周向布置的區(qū)段。每個(gè)區(qū)段包括前邊緣；后邊緣；在前邊緣與后邊緣之間的一對(duì)相反側(cè)面；以及設(shè)于每個(gè)側(cè)面中的密封槽。該構(gòu)件還包括在每個(gè)密封槽上的密封件。該方法包括通過至少一個(gè)入口引導(dǎo)泄漏到密封件下方的密封槽內(nèi)的冷卻空氣進(jìn)入在密封槽的表面中形成的通道內(nèi)， 其中該通道在從前邊緣到后邊緣限定的軸向上延伸；沿著該通道引導(dǎo)泄漏冷卻空氣；以及通過至少一個(gè)出口引導(dǎo)泄漏冷卻空氣離開通道，其中至少一個(gè)出口與至少一個(gè)入口在軸向上在下游間隔開。



12沖擊腔/壓室
14后邊緣對(duì)流冷卻孔口
16前邊緣對(duì)流冷卻孔口
18密封槽
20斜面
22密封槽表面
24通道
26斜面泄漏/冷卻空氣
28入□通道
30軸向通道
32離開通道
34熱氣路徑
36蛇形通道
38(多個(gè))入口
40(多個(gè))出口
42外壁
44翼型件
46內(nèi)壁
具體實(shí)施例方式參看圖1-3，內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段2包括前邊緣4和后邊緣6。內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段2構(gòu)造成由前邊緣鉤8和后邊緣鉤10連接到外部護(hù)罩區(qū)段。內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段2包括沖擊腔或壓室12，其從渦輪壓縮機(jī)接收較冷空氣以冷卻該內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段。如圖1所示，后邊緣對(duì)流冷卻孔口 14延伸穿過內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段2，且如圖2所示，前邊緣對(duì)流冷卻孔口 16設(shè)于前邊緣4附近。仍參看圖1-3，內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段2可包括密封槽18，密封槽18構(gòu)造成接納位于密封槽表面22上的硬質(zhì)/布質(zhì)密封件。通常，后沖擊空氣泄漏到兩個(gè)內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段之間的氣體路徑內(nèi)且通過位于密封槽表面22上的硬質(zhì)/布質(zhì)密封件。后沖擊泄漏/冷卻空氣在密封槽18上的硬質(zhì)/布質(zhì)密封件下方進(jìn)入密封槽18且離開進(jìn)入熱氣路徑內(nèi)，從而提供更靠近內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段的斜面20的主動(dòng)冷卻。斜面20設(shè)于內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段2的相反側(cè)面上。參看圖4，離散通道M設(shè)于密封槽表面22中。后沖擊泄漏/冷卻空氣進(jìn)入密封槽 18上的硬質(zhì)/布質(zhì)密封件下方的垂直入口通道M且向斜面20提供主動(dòng)冷卻。如本文所用的，術(shù)語垂直是指垂直于內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段的軸向的方向，內(nèi)護(hù)罩區(qū)段的軸向在穿過渦輪護(hù)罩的熱氣路徑的上游位置到下游位置的方向上從前邊緣到后邊緣限定。由入口通道M提供的冷卻是局部的且并未覆蓋斜面區(qū)域的整個(gè)長度。參看圖5，燃?xì)鉁u輪噴嘴的分段或區(qū)段包括外壁42、內(nèi)壁46和在壁42、46之間的翼型件44。噴嘴區(qū)段包括前邊緣4和后邊緣6。該分段還包括設(shè)于噴嘴區(qū)段的相反側(cè)面中的多個(gè)密封槽18。密封槽18保持端面密封件(有時(shí)稱作花鍵密封件或斜面密封件)，其在相鄰的噴嘴區(qū)段之間密封且防止壓縮機(jī)排放空氣泄漏到熱氣路徑內(nèi)且防止熱氣吸入到該構(gòu)件內(nèi)。參看圖6，根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例，密封槽表面22包括多個(gè)垂直入口通道觀。后沖擊泄漏/冷卻空氣沈進(jìn)入多個(gè)垂直入口通道28且然后在通道30中軸向流動(dòng)，且然后進(jìn)入垂直離開通道32到熱氣路徑34內(nèi)。如本文所用的，術(shù)語軸向是指在從穿過渦輪的熱氣路徑的上游位置到下游位置的方向上從前邊緣到后邊緣的內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段的方向。如圖6所示，離開通道32與入口通道觀交替定位。這種構(gòu)造降低了來自熱氣路徑34的燃燒氣體可進(jìn)入內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段的密封槽的可能性。但應(yīng)了解入口通道觀和離開通道32可彼此同軸。還應(yīng)了解入口通道28和/或出口通道32可不垂直于軸向通道30，而是可替代地提供為與軸向通道30成角度。還應(yīng)了解入口通道的數(shù)量可不同于出口通道的數(shù)量，或者入口通道和/或出口通道的寬度和/或長度可彼此不同。參看圖7，根據(jù)另一實(shí)施例的密封槽表面22包括多個(gè)垂直入口通道觀。后沖擊泄漏/冷卻空氣沈進(jìn)入入口通道28且流入到通道30內(nèi)且然后從垂直離開通道32流出到熱氣路徑34內(nèi)。如圖7所示，離開通道32在密封槽表面22的軸向上設(shè)于入口通道28后方。 這種構(gòu)造在前邊緣回流邊際較低的情況下提供可靠冷卻，因?yàn)樗乐篃釟庠趨^(qū)段的前邊緣附近短路通過離開通道32。參看圖8，根據(jù)另一實(shí)施例的密封槽表面22包括通道36。泄漏/冷卻空氣沈在入口 38進(jìn)入該通道且在出口 40離開通道36。通道36可在密封槽表面22中呈之字形構(gòu)造。作為之字形構(gòu)造的替代或組合，通道可包括蛇形構(gòu)造。盡管通道36的每個(gè)部分或區(qū)段在圖8中示出為線性的，但是應(yīng)了解這些部分或區(qū)段可為彎曲的或曲線的。與圖6和圖7 所示的實(shí)施例相比，圖8的構(gòu)造提供增加的對(duì)流路徑長度。在圖6-8的實(shí)施例中所示的通道30、36提供更靠近斜面的熱表面的密封槽表面22 的連續(xù)對(duì)流冷卻。通過提供連續(xù)的部分或全部長度軸向?qū)α骼鋮s，后沖擊泄漏/冷卻空氣的傳熱系數(shù)增加且可實(shí)現(xiàn)更靠近熱斜面的有效冷卻。更靠近熱金屬的連續(xù)的部分或全部長度軸向?qū)α骼鋮s幫助冷卻該斜面，從而增加內(nèi)部護(hù)罩和/或噴嘴區(qū)段的機(jī)械壽命。由于更多的冷卻提供給護(hù)罩和/或噴嘴低壽命區(qū)域，特別地提供給渦輪動(dòng)葉區(qū)域上方的護(hù)罩區(qū)段的斜面長度，能實(shí)現(xiàn)更高的機(jī)械壽命。圖6-8所示的實(shí)施例的密封槽表面可利用內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段或噴嘴區(qū)段的密封槽鑄造而成。還應(yīng)了解圖6-8所示的密封槽表面22的實(shí)施例可由于內(nèi)部護(hù)罩或噴嘴區(qū)段的密封槽表面的放電加工而形成?，F(xiàn)有護(hù)罩和/或噴嘴區(qū)段因此可被修改成包括具有連續(xù)軸向通道和(多個(gè))入口和(多個(gè))出口的密封槽表面。沿著密封槽通道的冷卻流可用于冷卻斜面金屬溫度低于某些溫度要求，導(dǎo)致更均勻的金屬溫度分布。通過提供連續(xù)的部分或全部長度軸向?qū)α骼鋮s，可實(shí)現(xiàn)更靠近熱斜面的有效冷卻。斜面溫度的降低可增加護(hù)罩和噴嘴部分間隔且實(shí)現(xiàn)更高的機(jī)械壽命。由于目標(biāo)為護(hù)罩和/或噴嘴的壽命有限的區(qū)域，故可通過增加HGP間隔實(shí)現(xiàn)更高的機(jī)械壽命。雖然結(jié)合目前被認(rèn)為是最實(shí)用且優(yōu)選的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)了解本發(fā)明并不限于所公開的實(shí)施例，而是相反，本發(fā)明預(yù)期涵蓋包括于所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的各種修改和等效布置。
權(quán)利要求
1.一種用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)件的區(qū)段，所述區(qū)段包括前邊緣⑷；后邊緣(6)；在所述前邊緣與所述后邊緣之間的一對(duì)相反側(cè)面00)；以及密封槽(18)，其設(shè)于每個(gè)側(cè)面中，所述密封槽包括表面(22)，所述表面包括通道(30，36)，其在從所述前邊緣到所述后邊緣限定的軸向上延伸，到所述通道的至少一個(gè)入口 08，38)，以及來自所述通道的至少一個(gè)出口(32，40)，其中，所述至少一個(gè)出口與所述至少一個(gè)入口在軸向上在下游間隔開。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)段，其特征在于，所述通道(30)延伸密封槽表面02)的全部軸向長度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的區(qū)段，其特征在于，所述至少一個(gè)入口包括至少一個(gè)入口通道(觀)，所述至少一個(gè)出口包括至少一個(gè)出口通道(32)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的區(qū)段，其特征在于，所述至少一個(gè)入口通道08)和所述至少一個(gè)出口通道(32)中的至少一個(gè)垂直于所述通道(30)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的區(qū)段，其特征在于，所述至少一個(gè)出口包括多個(gè)出口，所述至少一個(gè)入口包括多個(gè)入口，所述多個(gè)出口與所述多個(gè)入口軸向偏移。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的區(qū)段，其特征在于，所述至少一個(gè)出口包括多個(gè)出口，所述至少一個(gè)入口包括多個(gè)入口，所有出口在所有入口的軸向下游。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)段，其特征在于，所述軸向通道(36)包括之字形和蛇形中的至少一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)段，其特征在于，所述區(qū)段包括內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)段，其特征在于，所述區(qū)段包括噴嘴區(qū)段。
10.一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，包括內(nèi)部護(hù)罩和噴嘴中的至少一個(gè)，其中，所述內(nèi)部護(hù)罩和所述噴嘴中的至少一個(gè)包括多個(gè)周向布置的根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的區(qū)段。
11.一種冷卻燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)件的方法，所述構(gòu)件包括多個(gè)周向布置的區(qū)段，每個(gè)區(qū)段包括前邊緣G)，后邊緣(6)，在所述前邊緣與所述后邊緣之間的一對(duì)相反側(cè)面(20)， 以及設(shè)于每個(gè)側(cè)面中的密封槽(18)，所述構(gòu)件還包括在每個(gè)密封槽上的密封件，所述方法包括通過至少一個(gè)入口( ，38)引導(dǎo)泄漏到所述密封件下方的密封槽內(nèi)的冷卻空氣進(jìn)入在所述密封槽的表面0 中形成的通道(30，36)內(nèi)，其中，所述通道在從所述前邊緣到所述后邊緣限定的軸向上延伸；沿著所述通道引導(dǎo)泄漏冷卻空氣06)；以及通過至少一個(gè)出口(32，40)引導(dǎo)所述泄漏冷卻空氣離開所述通道，其中，所述至少一個(gè)出口與所述至少一個(gè)入口在軸向上在下游間隔開。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)入口包括至少一個(gè)入口通道(觀)，所述至少一個(gè)出口包括至少一個(gè)出口通道(32)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)入口通道和所述至少一個(gè)出口通道中的至少一個(gè)垂直于所述軸向通道。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)出口包括多個(gè)出口，所述至少一個(gè)入口包括多個(gè)入口，所述多個(gè)出口與所述多個(gè)入口軸向偏移。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述軸向通道包括之字形和蛇形中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用密封槽通道冷卻燃?xì)鉁u輪構(gòu)件。用于燃?xì)鉁u輪的構(gòu)件的區(qū)段包括前邊緣(4)；后邊緣(6)；在前邊緣與后邊緣之間的一對(duì)相反側(cè)面(20)；以及設(shè)于每個(gè)側(cè)面中的密封槽(18)。該密封槽包括表面(22)，其具有在從前邊緣到后邊緣限定的軸向上延伸的通道(30，36)；到通道的至少一個(gè)入口(28，38)；以及來自通道的至少一個(gè)出口(32，40)。至少一個(gè)出口與至少一個(gè)入口在軸向上在下游間隔開。該區(qū)段可為內(nèi)部護(hù)罩區(qū)段或噴嘴區(qū)段。
文檔編號(hào)F01D25/14GK102191954SQ20111005827
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2011年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月3日
發(fā)明者R·米納克施森達(dá)拉姆, 劉洋 申請(qǐng)人:通用電氣公司