專利名稱：降低渦輪葉尖溫度的方法和裝置的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明總的涉及燃氣輪機轉(zhuǎn)子葉片，尤其涉及降低轉(zhuǎn)子葉尖溫度的方法和裝置。
燃氣輪機轉(zhuǎn)子葉片通常包含具有前緣、后緣、壓力側(cè)和負壓側(cè)的翼面。該壓力側(cè)和負壓側(cè)在翼面前、后緣處連接。并徑向跨越在翼面根部和頂部之間。為有利于減少翼面頂部和靜止定子部件之間的燃燒氣體的泄漏，該翼面包含一個自該翼面頂部徑向向外伸出的端區(qū)。
該翼面端區(qū)包含一個自翼面前緣伸展到后緣的第一端壁和一個也自翼面前緣伸展而在翼面后緣處跟該第一端壁連接的第二端壁。該端區(qū)防止若轉(zhuǎn)子葉片擦刮定子部件時對翼面造成的損害。
在運轉(zhuǎn)期間，沖擊轉(zhuǎn)動著的轉(zhuǎn)子葉片的燃燒氣體將熱量傳入葉片翼面和端區(qū)。在高溫中超時間的連續(xù)運轉(zhuǎn)會使翼面端區(qū)熱疲勞。為便于降低翼面端區(qū)的運轉(zhuǎn)溫度，至少一些已知的轉(zhuǎn)子葉片包含在端壁內(nèi)的一些槽，以允許燃燒氣體以低溫流過該端區(qū)。
為使轉(zhuǎn)子葉尖的熱疲勞減至最輕，至少一些已知的轉(zhuǎn)子葉片包含一個靠近該端區(qū)的端臺，以便于降低這些端區(qū)的運轉(zhuǎn)溫度。該端臺被界定在翼面的壓力側(cè)內(nèi)，當轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)時它破壞燃燒氣體流，從而能形成一冷卻空氣膜層，貼緊在翼面的壓力側(cè)。該膜層將葉片跟高溫燃燒氣體隔熱。
本發(fā)明概述在一個示例性實施例中，燃氣輪機的轉(zhuǎn)子葉片包含一個有利于降低轉(zhuǎn)子葉片運轉(zhuǎn)溫度而不犧牲渦輪機空氣動力效率的端區(qū)。該端區(qū)包含從一翼面端板徑向向外伸展的一個第一端壁和一個第二端壁。第一端壁自翼面前緣鄰近伸展到翼面的后緣。第二端壁也自該翼面前緣鄰近伸展，并在該翼面后緣處跟該第一端壁連接，以界定一個頂部敞口的端腔。第二端壁的至少一部分凹下，界定一端臺。一凹口自該端板延伸，在該翼面前緣處被界定在第一和第二端壁之間。
在運轉(zhuǎn)期間，當轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)時，在各轉(zhuǎn)子葉片前緣附近的高溫燃燒氣體移動到該翼面端區(qū)。由于這些端壁自該翼面伸展，因此在轉(zhuǎn)子葉片和靜止結(jié)構(gòu)部件之間界定一密封間隙，這有利于減少燃燒氣體的泄漏。若在靜止結(jié)構(gòu)部件和轉(zhuǎn)子葉片之間出現(xiàn)擦刮，則這些端壁接觸這些靜止部件，而翼面則未受損傷。當轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動時，在前緣附近的低溫燃燒氣體流經(jīng)該凹口，將較低的燃氣溫度導入該端腔內(nèi)。轉(zhuǎn)子葉片壓力側(cè)的燃燒氣體也流過該端區(qū)臺階，并與薄膜冷卻空氣混合。結(jié)果，該凹口和臺階有利于降低端區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)子葉片的工作溫度，而不消耗額外的冷卻空氣，從而改善了渦輪機的效率。
附圖簡述

圖1是燃氣輪機的簡圖；圖2是可用于圖1中所示的燃氣輪機的轉(zhuǎn)子葉片的局部透視圖；圖3是圖2中所示轉(zhuǎn)子葉片的另一實施例的橫剖視圖；圖4是可用于圖1中所示的燃氣輪機的轉(zhuǎn)子葉片的又一實施例的局部透視圖。
本發(fā)明詳述圖1是燃氣輪機10的簡圖，該機包括一螺旋槳組件12，一高壓壓氣機14和一燃燒室。發(fā)動機還包括一高壓渦輪18，一低壓渦輪20和一助力器22。螺旋槳組件12包括一排螺旋槳葉片24，自轉(zhuǎn)子盤26徑向向外伸展。發(fā)動機10有一進氣側(cè)28和一排氣側(cè)30。
在運轉(zhuǎn)時，空氣流經(jīng)螺旋槳組件12，而被壓縮的空氣供給高壓壓氣機14。高壓壓縮空氣供給燃燒室16。來自燃燒室16的空氣流(在圖1中未示)驅(qū)動渦輪18和20，而渦輪20驅(qū)動螺旋槳12。
圖2是可用于一燃氣輪機，如燃氣輪機10的轉(zhuǎn)子葉片40的局部透視圖。在一個實施例中，若干轉(zhuǎn)子葉片40構(gòu)成燃氣輪機10的一個高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片級(未示)。每一轉(zhuǎn)子葉片40包括一個空心翼面42和一個用以以已知方式將翼面42安裝到一轉(zhuǎn)子盤上的整體燕尾(未示)。
翼面42包含一個第一側(cè)壁44和一第二側(cè)壁46。第一側(cè)壁44是中凸的，限定翼面42的負壓側(cè)，而第二側(cè)壁46是中凹，限定翼面42的壓力側(cè)。側(cè)壁44和46在前緣48處在前緣48下游的翼面42的軸向間隔的后緣50處彼此連接。
第一和第二側(cè)壁44和46分別縱向或徑向向外伸展，自鄰近燕尾槽的葉根(未示)橫跨到限定一內(nèi)冷卻腔(未示)的徑向外邊界的一端板54。該冷卻腔被界定在側(cè)壁44和46之間的翼面42內(nèi)。翼面42的內(nèi)部冷卻作用在該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)是已知的。在一個實施例中，該冷卻腔包含一條以壓氣機放氣冷卻的螺旋形通道。在另一實施例中，側(cè)壁44和46包含若干穿過這些壁的氣膜冷卻孔口，以有利用該冷卻腔的額外冷卻。在又一個實施例中，翼面42包含若干后緣孔口(未示)，用來自該冷卻腔排出冷卻空氣。
翼面42的端區(qū)60往往被稱作嘯聲頂，包含一個第一端壁62和一個第二端壁64，與翼面42整體形成。第一端壁62自翼面前緣48附近沿其第一側(cè)壁44伸展到其后緣50。更具體地說，第一端壁62自端板54伸展到外緣65，形成一高度66。第一端壁高度66沿第一端壁62基本上是不變的。
第二端壁64自翼面前緣48附近沿第二側(cè)壁46延伸，在翼面后緣50處與第一端壁62連接。更具體地說，第二端壁64與第一端壁62側(cè)向間隔，從而以端壁62、64和端板界定一頂部敞口的端腔70。第二端壁64還自端板54徑向向外伸展到外緣72，形成一高度74。在該示例性實施例中，第二端壁高度74等于第一端壁高度66。另一種方案是，第二端壁高度74不等于第一端壁高度66。
一凹口80沿翼面前緣48被界定在第一端壁62和第二端壁64之間。更具體地說，凹口80的寬度82在第一和第二端壁62、64之間延伸，高度84相應在凹口80的被端板54界定的底部86和第一與第二端壁外緣65、72之間度量。
在一個替換實施例中，凹口80并不自端板54延伸，而是分別自第一和第二端壁外緣65、72向端板54延伸一小于凹口高度84的距離(未示)，因此，凹口底部86離端板54有一距離(未示)。在另一替換實施例中，第二端壁64不與第一端壁64在翼面后緣50處連接，而一孔口(未示)在翼面后緣50處被界定在第一端壁62和第二端壁64之間。
凹口80與頂部敞口的端腔70保持流通關(guān)系，以允許燃燒氣體在低溫下進口腔70，使受熱較少。在一個實施例中，凹口80還包括一個導壁(在圖2中未示)，用來將進入頂部敞口的端腔70的氣流導向第二端壁64。更具體地說，該導壁自凹口80向翼面后緣50延伸。
第二端壁64在自翼面第二側(cè)壁46上至少部分地內(nèi)凹。更具體地說，第二端壁64自翼面第二側(cè)壁46凹向第一端壁62，以界定一個徑向向外面向的第一端臺90，它大致在前緣48和后緣50之間延伸。更具體地說，端臺90包含一前緣94和一后緣96。前緣94和后緣96各自變尖，與第二側(cè)壁46齊平。端臺前緣94在翼面前緣48下游一段距離，而端臺后緣96在翼面后緣50上游一段距離。
內(nèi)凹的第二端壁64和端臺90在其間界定一大致L形溝槽102。在該示例性實施例中，端板54通常是不穿孔的，而僅包含若干在端臺90上穿通端板54的孔口106?？卓?06沿端臺90軸向間隔，在溝槽102和翼面內(nèi)冷卻腔之間保持流通關(guān)系。在一個實施例中，端區(qū)60和翼面42均涂以隔熱涂層。
在運轉(zhuǎn)期間，嘯聲端壁62和64處在普通的靜止定子罩(未示)接近處，在其間界定一密封間隙(未示)，這有利于減少燃燒氣體的泄漏。端壁62和64自翼面42徑向向外延伸。因此，若在轉(zhuǎn)子葉片40和定子罩之間出現(xiàn)擦刮，則僅端壁62和64接觸該罩，而翼面62未受損傷。
因為流經(jīng)渦輪機流通的燃燒氣體呈現(xiàn)拋物線分布，因此接近渦輪葉尖區(qū)前緣48的燃燒氣體的溫度低于接近渦輪機葉尖區(qū)后緣50的溫度。由于較冷的燃燒氣體流入凹口80，因此葉尖區(qū)60的熱負荷下降了。更具體地說，流入凹口80的燃燒氣體比從轉(zhuǎn)子葉片壓力側(cè)經(jīng)端隙漏到轉(zhuǎn)子葉片負壓側(cè)44的氣體有更高的壓力和較低的溫度。結(jié)果，凹口80有利于降低端區(qū)60內(nèi)的工作溫度。
此外，由于燃燒氣體流過翼面第一端臺90，因此溝槽102使翼面壓力側(cè)46不連續(xù)，這使燃燒氣體自翼面第二側(cè)壁46分離，從而有利于減少其熱傳導。另外，溝槽102形成一冷卻空氣區(qū)，以積聚和構(gòu)成緊貼側(cè)壁46的氣膜。第一端臺孔口106將冷卻空氣自翼面內(nèi)冷卻腔排出，在端區(qū)60上構(gòu)成一氣膜冷卻層。隨著葉片轉(zhuǎn)動，在接近葉片中心線(未示)的前緣48處的轉(zhuǎn)子葉片40的外邊的燃燒氣體在徑向流動中會沿著第二側(cè)壁46向靠近后緣50的翼面端區(qū)60遷移，使前緣頂端的工作溫度低于后緣頂端的工作溫度。第一端臺90在遷移的徑向流動中用作反向臺階，對貼著側(cè)壁46積聚的冷卻空氣膜提供保護。結(jié)果，端臺90有利于改善氣膜的冷卻作用，從而降低側(cè)壁46的工作溫度。
圖3是可用于燃氣輪機，如燃氣輪機10的轉(zhuǎn)子葉片120的另一實施例的橫剖視圖。轉(zhuǎn)子葉片120基本上類似于圖2中所示的轉(zhuǎn)子葉片40，并且與轉(zhuǎn)子葉片40的部件相同的轉(zhuǎn)子葉片120中的部件在圖3中采用與圖2中使用的同樣標號標記。相應地，轉(zhuǎn)子葉片120包含翼面42(示于圖2)，在前后緣48、50之間延伸的側(cè)壁44和46(示于圖2)和凹口80。此外，轉(zhuǎn)子葉片120包含第二端壁64和第一端臺90。相應地，轉(zhuǎn)子葉片120包含一第一端壁122。在第一和第二端壁122和64之間定界凹口80。
第一端壁122自鄰近的翼面前緣48沿第一側(cè)壁44延伸，在翼面后緣50處與第二端壁連接。更具體地說，第一端壁122跟第二端壁64側(cè)向間隔，以界定頂部敞口的端腔70。第一端壁122自端板54徑向向外伸展一個高度(未示)到外緣126。在該示例性實施例中，該第一端壁高度等于第二端壁高度74。或者，該第一端壁高度不等于第二端壁高度。
第一端壁122自翼面第一側(cè)壁44至少部分地凹入。更具體地說，第一端壁122自翼面第一側(cè)壁44向第二端壁64凹入，以界定一徑向面向外的第二端臺130，它大致在翼面前、后緣48、50之間延伸。更具體地說，端臺130包含前緣134和后緣136。前緣134和后緣136各自變尖，與第一側(cè)壁44齊平。端臺前緣134距翼面前緣48下游一段距離138，而端臺后緣136距翼面后緣50上游一段距離140。
內(nèi)凹的第一端壁122和第二端壁130在其間界定一大致L型溝槽144。在該示例性實施例中，端板54通常是大穿孔的，并包含若干在第一端臺90處穿過端板54的孔口106，和若干在第二端臺130處穿過端板54的孔口146?？卓?46沿第二端臺130軸向間隔，并在溝槽144和翼面內(nèi)冷卻腔之間保持流通關(guān)系。在一個實施例中，端區(qū)62和翼面42均涂以隔熱涂層。
在運轉(zhuǎn)時，嘯聲端壁122和64與普通靜止定子罩(未示)相處甚近，并在其間界定一密封間隙(未示)，以利減少燃燒氣體泄漏。端壁122的以與上述端壁62同樣的方式起作用，并自翼面42徑向向外延伸。因此，若在轉(zhuǎn)子葉片40和定子罩之間出現(xiàn)擦刮，則僅端壁122和64接觸該罩，而翼面42未受損傷。
此外，隨著轉(zhuǎn)子葉片40轉(zhuǎn)動和燃燒氣體流過翼面端臺90和130，溝槽102和144使翼面壓力側(cè)46和負壓側(cè)44相應產(chǎn)生不連續(xù)，這使燃燒氣體相應地自翼面?zhèn)缺?6和44分離，從而有利于減少其熱傳導。溝槽144的功能與溝槽102相似，便于氣膜冷卻流通。
圖4是可用于燃氣輪機，如燃氣輪機10(示于圖1)的轉(zhuǎn)子葉片200的一個替代實施的部分局部透視圖。轉(zhuǎn)子葉片200基本上類似于圖2所示的轉(zhuǎn)子葉片，并且，與轉(zhuǎn)子葉片40的部件相同的轉(zhuǎn)子200中的部件在圖4中采用與圖2中使用的相同標號標記。因此，轉(zhuǎn)子葉片200包含翼面42，分別在前、后緣48、50之間延伸的側(cè)壁44和46和凹口80。此外，轉(zhuǎn)子葉片200包含第一端壁62、凹口80和第二端壁202。相應地，在第一和第二端壁62和202之間界定凹口80。
第二端壁202自鄰近的翼面前緣48沿翼面第一側(cè)壁44延伸到翼面后緣50。更具體地說，第二端壁202自端板54延伸一個高度(未示)至外緣204。該第二端壁高度沿第二端壁202基本上是不變的。第二端壁202與第一端壁62側(cè)向間隔，界定頂部敞開的端腔70。在該示例性實施例中，該第二端壁高度等于第一端壁高度66?；蛘撸摰诙吮诟叨炔坏扔诘谝欢吮诟叨?6。
凹口80包含一個自第一端壁62向翼面后緣延伸的導壁210。更具體地說，導壁210自第一端壁62彎曲延伸，界定凹口80的弧形入口212。
導壁210的長度214要選得能將進入頂部敞口端腔70的氣流導向第二端壁202。
上述轉(zhuǎn)子葉片是價廉而高度可靠的。該轉(zhuǎn)子葉片包含一個界定在第一和第二端壁的前緣之間的前緣凹口。這些端壁在轉(zhuǎn)子葉片后緣處相互連接，并界定一端腔。在該示例性實施例中，這些端壁中的一個是凹入的，以界定一端臺，在運轉(zhuǎn)期間，隨著轉(zhuǎn)子葉片的轉(zhuǎn)動，這些端壁防止轉(zhuǎn)子葉片擦刮靜止結(jié)構(gòu)件。當燃燒氣體流過該轉(zhuǎn)子葉片時，該轉(zhuǎn)子葉片凹口有利于減少該端腔的受熱，而不增加冷卻空氣的需要量和不犧牲該轉(zhuǎn)子葉片的空氣動力效率。此外，該端臺使流過翼面的燃燒氣體不連續(xù)，有利于對端臺的空氣冷卻層的形成。結(jié)果，轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)較低的工作溫度有利于以廉價而可靠的方式延長該轉(zhuǎn)子葉片的有效壽命。
雖然就各種特定的實施例說明了本發(fā)明，然而，業(yè)內(nèi)人士會理解到可通過修改未實施本發(fā)明而處在權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制造燃氣輪機(10)轉(zhuǎn)子葉片(40)的方向，該制造方法有利于降低轉(zhuǎn)子葉片頂部(60)的工作溫度，該轉(zhuǎn)子葉片包含一前緣(48)，一后緣(50)，一第一側(cè)壁(44)和一第二側(cè)壁(46)，該第一和第二側(cè)壁在軸向前緣和后緣處彼此連接，并在轉(zhuǎn)子葉片根部和轉(zhuǎn)子葉片端板(54)之間徑向延伸，所述方法包括如下步驟使一個第一端壁(62)自轉(zhuǎn)子葉片端板沿該第一側(cè)壁延伸；使一個第二端壁(64)自轉(zhuǎn)子葉片端板沿該第二側(cè)壁延伸，這樣第二端壁與第一端壁在轉(zhuǎn)子葉片后緣處彼此連接，而沿轉(zhuǎn)子葉片前緣在第一和第二端之間界定一凹口(80)。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于還包括如下步驟使導壁(210)自轉(zhuǎn)子葉片凹口(80)朝后向轉(zhuǎn)子葉片后緣(50)延伸，使進入該凹口的流體能借助于該導壁被導向第一側(cè)壁(44)。
3.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述使第一端壁(62)延伸的步驟還包括如下步驟使第一端壁的至少一部分相對于轉(zhuǎn)子葉片第一側(cè)壁(44)凹下，以界定一第一端臺(90)。
4.如權(quán)利要求3的方法，其特征在于所述使第二端壁(64)延伸的步驟還包括如下步驟使第二端壁的至少一部分相對于轉(zhuǎn)子葉片第二側(cè)壁(46)凹下，以界定一第二端臺(130)。
5.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述使第二端壁(64)延伸的步驟還包括如下步驟將第二端壁定位得能使自端臺(54)延伸的凹口(80)被界定在第一端壁(62)和第二端壁之間。
6.燃氣輪機(10)的翼面，包括一個前緣(48)；一個后緣(50)；一個端板(54)；一個徑向延伸跨越在翼面根部和所述端板之間的第一側(cè)壁；一個在前緣和后緣處連接于所述第一側(cè)壁的第二側(cè)壁(46)，所述第二側(cè)壁徑向延伸跨越在翼面根部和端板之間；一個沿第一側(cè)壁自所述端板徑向向外延伸的第一端壁(62)；一個沿第二側(cè)壁自端壁徑向向外延伸的第二端壁(64)，所述第一端壁在后緣處連接于第二端端壁；和一個沿所述翼面前緣在第一端壁和第二端壁之間延伸的凹口。
7.權(quán)利要求6的翼面(42)，其特征在于所述凹口(80)包括一個自所述凹口向所述翼面后緣(50)延伸的導壁(210)。
8.如權(quán)利要求7的翼面(42)，其特征在于所述導壁(210)的外形能將進入凹口(80)的氣流導向第一端壁(62)。
9.如權(quán)利要求6的翼面(42)，其特征在于所述第一端壁(62)自第一側(cè)壁(44)至少部分地向內(nèi)凹入，以界定第一端臺(90)。
10.如權(quán)利要求9的翼面(42)，其特征在于第二端壁(64)自第二側(cè)壁(46)至少部分地向內(nèi)凹入，以界定第二端臺(130)。
11.如權(quán)利要求6的翼面(42)，其特征在于第一端壁(62)和第二端壁(64)的高度基本相等。
12.如權(quán)利要求6的翼面(42)，其特征在于第一端壁(62)自端板(54)伸展第一距離(98)，第二端壁(64)自端板伸展第二距離(100)。
13.如權(quán)利要求12的翼面(42)，其特征在于凹口(80)自端板(54)伸展第一距離(98)或第二距離(100)中的至少一個距離。
14.一種燃氣輪機(10)，包括若干轉(zhuǎn)子葉片(40，120，200)，每一轉(zhuǎn)子葉片包括一個翼面(42)，該翼面包括一前緣(48)，一后緣(50)，一第一側(cè)壁(44)，一第二側(cè)壁(46)，一第一端壁(62)，一第二端壁(64)和一凹口(80)，所述翼面的第一和第二側(cè)壁沿軸向在前、后緣彼此連接，第一和第二側(cè)壁自葉根徑向延伸到所述端板(54)，第一端壁沿第一側(cè)壁自端板徑向向外延伸，第二端壁沿第二側(cè)壁自端板徑向向外延伸，凹口在第一端壁和第二端壁之間沿翼面前緣延伸。
15.權(quán)利要求14的燃氣輪機(10)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子葉片翼面第一側(cè)壁(44)是中凹的，而轉(zhuǎn)子葉片翼面第二側(cè)壁(46)是中凸的。
16.權(quán)利要求15的燃氣輪機(10)，其特征在于轉(zhuǎn)子葉片翼面凹口(80)包括一個自凹口向轉(zhuǎn)子葉片后緣(50)延伸的導壁(210)，該導壁的外形能將進入口的氣體導向第一端壁(62)。
17.權(quán)利要求15的燃氣輪機(10)，其特征在于轉(zhuǎn)子葉片第一端壁(62)相對于轉(zhuǎn)子葉片第一側(cè)壁(44)至少部分地向內(nèi)凹入，以界定第一端臺(90)。
18.權(quán)利要求17的燃氣輪機(10)，其特征在于轉(zhuǎn)子葉片第二端壁(64)相對于轉(zhuǎn)子葉片第二側(cè)壁(46)至少部分地向內(nèi)凹入，以界定第二端臺(130)。
19.一種燃氣輪機(10)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子葉片凹口(80)自轉(zhuǎn)子葉片端板(54)徑向向外延伸。
20.一種燃氣輪機(10)，其特征在于所述轉(zhuǎn)子葉片第一端壁(62)和轉(zhuǎn)子葉片第二端壁(64)具有大致相同的高度。
全文摘要
敘述了一種燃氣輪機(10)的轉(zhuǎn)子葉片,它包含一個有利于降低轉(zhuǎn)子葉片工作溫度的端區(qū)(60)。該端區(qū)包含自翼面(42)的端板(54)徑向向外延伸的一個第一端壁(62)和一個第二端壁(64)。這些端壁自翼面前緣(48)附近延伸,而在翼面后緣(50)處相互連接。在翼面前緣處在第一和第二端壁之間界定一凹口。第二端壁的至少一部分是凹入的,以界定一端臺(90)。
文檔編號F01D5/20GK1364975SQ0210153
公開日2002年8月21日 申請日期2002年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月9日
發(fā)明者C·P·李, C·普拉卡斯, M·L·舍爾頓, J·H·斯塔克維特, H·辛, G·A·林克 申請人:通用電氣公司