具有近壁微回路邊緣冷卻的渦輪機葉片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及用于在渦輪機葉片的前緣和后緣中提供冷卻的微回路冷卻通道，更具體地，涉及包括具有十字銷的流動通道并為渦輪機葉片的前緣和后緣提供雙壁冷卻的微回路冷卻通道。
【背景技術(shù)】
[0002]世界能源需求持續(xù)上升，這需要產(chǎn)生可靠的、可負擔的、高效且環(huán)保的能量。燃氣渦輪機發(fā)動機是提供高效能量的一種已知機器，并且通常應用于發(fā)電廠的發(fā)電機或飛機或船中的發(fā)動機。典型的燃氣渦輪機發(fā)動機包括壓縮機部段、燃燒部段和渦輪機部段。壓縮機部段向燃燒部段提供壓縮空氣流，在燃燒部段，空氣與燃料(諸如天然氣)混合，并且被點火以產(chǎn)生熱工作氣體。工作氣體膨脹通過渦輪機部段并被相關(guān)輪葉引導橫跨其中的多排葉片。當工作氣體穿過渦輪機部段時，其引起葉片旋轉(zhuǎn)，這繼而引起軸旋轉(zhuǎn)，由此提供機械功。
[0003]嚴格控制工作氣體的溫度，從而使其不超過特定渦輪機發(fā)動機設(shè)計的某個預定溫度，因為太高溫度可損壞發(fā)動機的渦輪機部段中的各個部分和部件。然而，期望使得工作氣體的溫度盡可能高，因此工作氣體的溫度越高，氣體流動越快，這致使發(fā)動機更高效地操作。
[0004]在某些燃氣發(fā)動機渦輪機設(shè)計中，壓縮空氣流的一部分也用于冷卻渦輪機部段中的某些部件，通常是輪葉、葉片和環(huán)部段。能夠為這些部件提供的較大程度的冷卻和/或較高效的冷卻允許部件保持處于較低的溫度，并因此工作氣體的溫度可以更高。例如，通過降低壓縮氣體的溫度，需要較少的壓縮氣體來保持所述部分處于期望溫度，從而導致較高的工作氣體溫度和來自發(fā)動機的更多能量和效能。此外，通過在渦輪機部段中的一個位置處利用較少的冷卻空氣，更多的冷卻空氣可用于渦輪機部段中的另一位置處。在一種已知的渦輪機發(fā)動機設(shè)計中，80%的壓縮空氣流與燃料混合以提供工作氣體，并且20%的壓縮空氣流用于冷卻渦輪機部段部分。如果由于冷卻空氣處于更低的溫度而使得較少的冷卻空氣被用于一個特定位置，則更多的冷卻空氣可用于渦輪機部段中的其他區(qū)域處，以用于增加冷卻。
[0005]本領(lǐng)域已知在渦輪機部段的葉片內(nèi)提供迂回的冷卻空氣流動通道，其中，在冷卻空氣離開葉片之前，空氣以來回運動方式向上流到一個通道并向下流動到相鄰通道。本領(lǐng)域還已知在渦輪機葉片的前緣處提供“噴淋頭”冷卻通道，其中，空氣流入所述通道并流出成角度的孔口以提供前緣冷卻。進一步已知的是在渦輪機葉片的后緣處提供部分薄膜冷卻。然而，這些冷卻設(shè)計的外部傳熱系數(shù)顯示葉片翼面的前緣和后緣都具有高熱負荷，因此需要進一步的過度冷卻。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本公開描述了為渦輪機葉片提供薄壁前緣和后緣冷卻的微回路冷卻通道。葉片包括:限定封閉結(jié)構(gòu)的外殼壁；以及多個肋，其在封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)至少延伸葉片長度的一部分，并且限定允許冷卻空氣流從封閉結(jié)構(gòu)的近端流到遠端的迂回流動通道。微回路冷卻通道位于翼面的前緣和翼面的后緣處，并且包括橫跨微回路冷卻通道延伸的多個微型銷。
[0007]根據(jù)結(jié)合附圖進行的以下描述和所附權(quán)利要求，本發(fā)明的其他特征將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0008]圖1是燃氣渦輪機發(fā)動機的剖切立體圖；
圖2是與燃氣渦輪機發(fā)動機分離的已知渦輪機葉片的剖視圖；
圖3是沿圖2所示的葉片的線3-3截取的剖視圖；
圖4是在豎直軸上示出傳熱系數(shù)(HTC)并且在水平軸上示出葉片翼面的壓力側(cè)(PS)和吸力側(cè)(SS)的距離的曲線圖；
圖5是在葉片的前緣和后緣中都包括微回路冷卻通道的渦輪機葉片的剖視圖；
圖6是沿圖5所示的葉片的線6-6截取的剖視圖；
圖7是圖5所示的前緣微回路冷卻通道的剖視圖；
圖8是圖6所示的翼面的后緣的剖切端視圖；以及圖9是冷卻回路，示出了圖5和6所示的葉片中的冷卻流體流路。
【具體實施方式】
[0009]涉及用于燃氣渦輪機發(fā)動機的葉片的前緣和后緣的微回路冷卻通道的本發(fā)明的實施例的以下論述本質(zhì)上僅是示例性的，并且決非意在限制本發(fā)明或其應用或用途。
[0010]圖1的燃氣渦輪機發(fā)動機10的剖切立體圖，燃氣渦輪機發(fā)動機包括壓縮機部段12、燃燒部段14和渦輪機部段16，它們?nèi)勘话庠谕鈿?0內(nèi)，其中，發(fā)動機10的操作致使中心軸或轉(zhuǎn)子18旋轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生機械功。通過非限定性例子示出和描述發(fā)動機10，以給出下述本發(fā)明的背景。本領(lǐng)域技術(shù)人員應該明白，其他燃氣渦輪機發(fā)動機設(shè)計也將受益于本發(fā)明。轉(zhuǎn)子18的旋轉(zhuǎn)將空氣抽吸到壓縮機部段12中，在該處，空氣被輪葉22引導并被旋轉(zhuǎn)葉片20壓縮，以被傳送到燃燒部段14，在該處，壓縮空氣與諸如天然氣的燃料混合，并且燃料/空氣混合物在該處被點火以產(chǎn)生熱工作氣體。更具體地，燃燒部段14包括許多周向放置的燃燒器26，每個燃燒器接收通過噴射器(未示出)噴入燃燒器26中并與壓縮空氣混合以被點火器24點火以產(chǎn)生工作氣體的燃料，該工作氣體通過過渡結(jié)構(gòu)28被引導到發(fā)動機部段16中。通過渦輪機部段16中周向放置的靜止輪葉(未示出)來引導工作氣體，使其流過周向放置的可旋轉(zhuǎn)渦輪機葉片34，這致使渦輪機葉片34旋轉(zhuǎn)，由此旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子18。一旦工作氣體穿過渦輪機部段16，它就作為廢氣通過出口噴嘴36從發(fā)動機10輸出。
[0011]每組周向放置的靜止輪葉限定一排輪葉，并且每組周向放置的葉片34限定一排38葉片34。在本非限定性實施例中，渦輪機部段16包括處于交替順序的四排38旋轉(zhuǎn)葉片34和四排靜止的輪葉。在其他燃氣渦輪機發(fā)動機設(shè)計中，渦輪機部段16可包括更多或更少排的渦輪機葉片34。可以注意到，最前排渦輪機葉片34 (被稱作第一排葉片)和輪葉(被稱作第一排輪葉)接收最高溫度的工作氣體，其中，工作氣體的溫度隨著其流過渦輪機部段16而降低。
[0012]圖2是已知的翼面或葉片40的剖視圖，翼面或葉片40意在代表第一排葉片，但可以總體代表燃氣渦輪機發(fā)動機10中的多排葉片中的任何葉片24，其中，葉片40包括下面詳細論述的冷卻空氣流動通道。圖3是沿圖2的線3-3截取的葉片40的剖視圖。葉片40包括被構(gòu)造為允許葉片40以本領(lǐng)域技術(shù)人員周知的方式被牢固地安裝到轉(zhuǎn)子18上的附接部分42。葉片平臺44被設(shè)置在附接部分42的遠端處并且限定葉片40的錐形翼面部分46的開始部分。翼面部分46包括壓力側(cè)(P/S) 86和吸力側(cè)(S/S) 84，它們由翼面部分46在其旋轉(zhuǎn)時其上存在的壓力限定。此外，翼面部分46還包括前緣80和后緣82。
[0013]翼面部分46包括外殼48和許多內(nèi)部肋50、52、54、56、58、60和62，內(nèi)部肋通常被構(gòu)造為單片式插入件并且由陶瓷制成，其限定一系列流動通道。流動通道包括在外殼48和肋50之間的噴淋頭流動通道64、在肋50和肋52之間的流動通道66、在肋52和肋54之間的流動通道68、在肋54和肋56之間的流動通道70、在肋56和肋58之間的流動通道72、在肋58和肋60之間的沖擊流動通道74、在肋60和肋62之間的沖擊流動通道76以及在肋62和外殼48之間的沖擊流動通道78。流動通道68、70和72結(jié)合地形成迂回的流動通道?？諝馔ㄟ^附接部分42中的輸入開口 90流入葉片40中，進入通道66并流向外殼48的端部92，其中空氣流的一部分通過孔口 94離開通道66。該空氣流的一部分流過肋50中的孔口96進入噴淋頭通道64并通過向上朝向端部92成角度的一系列孔口 100離開翼面部分46。空氣流還通過附接部分42中的開口 102進入葉片40并流到通道68中，在該處空氣流的一部分流出孔口 104?？諝饬鞯拇蟛糠至魅胪ǖ?0以沿翼面46流回并進入附接部分42中的具有被蓋板108覆蓋的開口的室106。然后，空氣通過通道72并通過外殼48中的孔口 110沿葉片40流回。
[0014]肋58包括允許空氣流入肋58和60之間的通道60的一系列孔口 120，肋60包括允許空氣流入肋60和62之間的通道62的一系列孔口 122，并且肋62包括允許空氣流入肋58和外殼48之間的通道94的一系列孔口 124。外殼48中的一系列孔口 130允許空氣流出葉片40。顯然，肋58、60和62中的孔口 120、122和124彼此交錯，從而使得空氣不會從一個通道橫跨下一通道直接流到隨后的通道中。這致使流過一個孔口的空氣撞擊下一通道中肋的一個部段，這還產(chǎn)生增加冷卻效果的紊流。具體地，此空氣流作用在通道74、76和78內(nèi)產(chǎn)生渦旋，所述渦旋也提供紊流以便有效地冷卻。
[0015]本領(lǐng)域已知提供被安裝到流動通道部分66、68、70和72的內(nèi)壁上的紊流器或擋條構(gòu)造，其大體由圖2中的附圖標記132表示。為此用途的擋條通常是沿與冷卻空氣流垂直的方向形成到葉片40的外殼48的內(nèi)表面上的金屬條。在本設(shè)計中，擋條132被示出為傾斜的擋條，因為它們相對于冷卻空氣流的方向稍微成角度。在替代性實施例中，擋條132可垂直于空氣的流動方向。有時采用傾斜的擋條而不是垂直的擋條，從而使得擋條較長，這提供更加紊流的空氣流。
[0016]圖4是示出豎直軸上為傳熱系數(shù)(HTC)以及水平軸上為翼面46的壓力側(cè)48和吸力側(cè)62上沿翼面46的距離的曲線圖。曲線140示出了在后緣82和前緣80處，翼面具有相比翼面46的中間弦區(qū)域需要額外冷卻的高HTC。
[0017]如上所述，在翼面46的前緣和后緣處通常需要過度冷卻。通過噴淋頭通道64和沖擊通道74、76和78在翼面46中提供這種過度冷卻。此設(shè)計仍在這些區(qū)域提供高傳熱系數(shù)，如圖4所示，尤其考慮到現(xiàn)代燃氣渦輪機發(fā)動機設(shè)計的增加的渦輪機溫度。因此期望提高那些傳熱系數(shù)。本發(fā)明提出通過使用薄壁微回路冷卻提供改進的過度冷卻，如下所述。
[0018]圖5是剖視圖，圖6是沿包括(例如燃氣渦輪機發(fā)動機10的)渦輪機部段16的翼面152的葉片150的線6-6截取的剖視圖，葉片150具有與葉片40相