專利名稱：鈍形頂部渦輪葉片的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燃燒氣體渦輪發(fā)動機，尤其涉及對渦輪葉片的冷卻。
背景技術：
在燃燒氣體渦輪發(fā)動機中，空氣在壓氣機內被壓縮并在燃燒器內與燃料混合產(chǎn)生熱燃燒氣體。通過若干個透平級從熱燃燒氣體中提取能量來給壓縮機提供動力和產(chǎn)生有用功，如在渦輪風扇式飛機發(fā)動機的應用中是為上游風扇提供動力。
每個渦輪級包括一個固定的渦輪噴嘴，渦輪噴嘴可以引導燃燒氣體通過一排相應的從支撐轉子盤徑向向外延伸的渦輪轉子葉片。
定子葉片和轉子葉片包括帶有內部冷卻回路的空心翼型，在運行過程中，該冷卻回路利用從壓縮機抽出的空氣進行冷卻。為了在運行過程中當燃燒氣體朝下游流過渦輪時能最大限度地從中提取能量，每級定葉片和動葉片的配置不同。針對燃燒氣體向下游流過葉片壓力側和吸氣側時所產(chǎn)生的不同熱負載，每個定葉片和動葉片也包括不同的冷卻結構。
典型的渦輪葉片包括一個具有徑向外部頂部的翼型，該頂部部分與圍繞的渦輪罩隔開，從而在兩者之間形成一個小的間隙或空隙。在運行過程中，燃燒氣體流過渦輪葉片的壓力側和吸氣側，燃燒氣體的一小部分通過小的頂部空隙從葉片頂部泄漏。
冷卻渦輪頂部尤其困難，因為它在前緣和后緣之間的翼型壓力側和吸氣側都暴露在熱燃燒氣體中，同時經(jīng)過頂部-罩殼空隙的熱燃燒氣體也覆蓋在頂部的上面。
由于葉片頂部偶爾會與周圍的渦輪罩發(fā)生頂部摩擦，因此，頂部通常包括從壓力側和吸氣側壁伸出的高度短的會發(fā)聲的凸肋(squealer rib)，該伸出肋從頂部平面向外徑向延伸，從而限定了一向外開口的頂部槽。頂部平面為翼型的內部冷卻回路限定了一外部邊界，并且該發(fā)聲的凸肋被定位在頂部的外側，這就進一步增加了運行過程中頂部冷卻的困難。
因此，渦輪葉片頂部用于發(fā)動機中也會受到氧化，而且在發(fā)動機的停機維修期間需進行相應的維修。氧化對葉片頂部的危害通常是縮短了運行過程中葉片的有效壽命，同時由于葉片頂部的氧化和磨損增加了頂部處的間隙，相應地也降低了運行過程中的渦輪效率。
在專利US5261789和US6672829中披露了兩種對葉片頂部冷卻的重要改進，這兩個專利都是轉讓給了目前的受讓人。在前一專利文件中，沿渦輪葉片的壓力側設置了與壓力側發(fā)聲的凸肋向內錯位的一個頂部支架，該頂部支架通過用冷卻空氣膜遮蔽頂部來加強頂部的冷卻，該冷卻空氣膜可以阻止運行過程中頂部上面的燃燒氣體發(fā)生徑向移動。
在后一專利文件中，披露了在頂部支架上有一傾斜的壓力側發(fā)聲的凸肋，從而確保在其上形成冷卻空氣膜以提高頂部性能。
然而，由于葉片頂部偶爾會與周圍的渦輪罩發(fā)生頂部摩擦，所述發(fā)聲的凸肋就會受到磨損從而既影響葉片頂部性能效率，又會影響頂部支架的冷卻性能。
因此，希望能提供一種渦輪葉片，雖然仍存在頂部摩擦，但可以提高頂部的冷卻。

發(fā)明內容
一種渦輪翼型包括相對的壓力側壁和吸氣側壁，并在相對的前緣和后緣之間呈弦形地以及在從根部到外側頂部端蓋的跨度上延伸。頂部端蓋橋接兩個側壁，并且一個凹槽沿壓力側壁弦式地延伸并在頂部端蓋下方。


根據(jù)優(yōu)選的和示例性的實施例，本發(fā)明連同其目的和優(yōu)點，通過結合相應附圖在下面的詳細描述中進行說明，其中圖1是一個實施方式的渦輪轉子葉片的軸向正視圖。
圖2是圖1所示葉片頂部的一部分沿2-2線的部分軸向截面圖。
圖3是圖2所示的葉片頂部沿3-3線的放大的部分截面圖。
圖4是葉片頂部的替代實施例的放大的部分截面圖。
具體實施例方式
圖1所示為燃燒氣體渦輪發(fā)動機的渦輪轉子葉片10。該葉片包括一個空心翼型12，該空心翼型依次整體接合到徑向內部平臺14和燕尾榫16。示例燕尾榫為軸向進入燕尾榫，其具有多個支撐在沿轉子盤周邊的互補的燕尾槽中的柄或突起(未示出)。
整排的渦輪葉片10都從支撐轉子盤徑向向外延伸，并且接收來自上游燃燒器(未示出)的燃燒氣體18以從中提取能量從而在運行中給發(fā)動機壓縮機(未示出)提供能量。
空心翼型包括一個內部冷卻回路20，它通過燕尾榫中的進氣通道接收運行過程中從壓縮機放出的冷卻空氣22。該冷卻回路可以具有傳統(tǒng)的結構，例如圖示的具有適當?shù)倪M口和出口的三通道盤旋冷卻回路。冷卻回路通常通過穿過翼型的多排薄膜冷卻孔和一排后緣出孔而排出用過的冷卻空氣。
翼型12包括一個基本上凹形的壓力側壁24、和一個側向相對或周向相對的基本上凸形的吸氣側壁26，兩側壁在前緣和后緣28，30之間弦式或軸向呈弦形地、以及在從平臺14的根部32到翼型遠端的徑向外部鈍形頂部端蓋34的縱向或徑向跨度上延伸。
如圖2和圖3所示頂部端蓋34可以提供一個鈍的或基本上平的翼型遠端。這種結構沒有傳統(tǒng)的兩側壁凸肋或者短伸出部，那種通常在翼型上形成暴露的頂部空腔。由于消除傳統(tǒng)的凸肋，也就消除了冷卻那些凸肋的額外復雜性。
相反，頂部端蓋34由在內部冷卻回路20中循環(huán)的冷卻空氣22內部地冷卻。而且，剛好在頂部端蓋之下設置一壓力側第一凹槽36，用于在運行過程中冷卻頂部端蓋，以及當頂部端蓋安裝在傳統(tǒng)的渦輪罩(未示出)內、環(huán)繞設置成在兩者之間徑向有一小的容隙或縫隙時，用于改善頂部端蓋的密封性能。
如圖1-3所示的凹槽36在壓力側壁24的外表面上軸向或弦式延伸，并在徑向跨度上緊密地間隔在頂部端蓋之下。如圖1所示，頂部凹槽36起始于前緣28正后方的壓力側壁24上，并沿向后方向朝后緣30弦式延伸，頂部凹槽的本身大部分位于頂部端蓋34下方。凹槽36的兩個相對末端在前后緣結束之處的前后緣附近適當?shù)卦谏疃壬辖雍显谝硇椭小?br> 如圖3所示，壓力側壁24在一內部突起或彎曲部分38處與頂部端蓋34相連，突起或彎曲部分38支持或含有外部凹槽36的一部分。相應地，吸氣側壁26在內部凹的第一圓角40處與頂部端蓋34相連，凹的第一圓角40具有一合適的半徑以使吸氣側壁和頂部端蓋圓滑地接合在一起。
內部彎曲部分38和圓角40在徑向跨度上布置在頂部端蓋34的內表面下方，用于保持頂部端蓋在內部冷卻回路20上以及兩個相對側壁之間的整個厚度。
一排傳統(tǒng)的薄膜冷卻孔42自內部冷卻回路20流動連通延伸，通過內部彎曲部分38進入凹槽36，用于在運行過程中排出冷卻空氣。凹槽36在運行過程中充滿了加壓的冷卻空氣，并提供了一熱絕緣空氣層，以保護頂部端蓋在運行期間不受到流經(jīng)其上的熱燃燒氣體18的損害。
由于翼型隨引導壓力側的吸氣側旋轉，燃燒氣體流過頂部端蓋首先是從壓力側流過，在此處遇到自壓力側凹槽36排出的冷卻空氣。從凹槽排放的冷卻空氣繼續(xù)沿主導方向從壓力側流過頂部端蓋到吸氣側，并保護頂部端蓋不受燃燒氣體的危害。
通過氣動地抑制燃燒氣體自由流動通過縫隙，導入頂部端蓋和環(huán)繞渦輪罩之間的縫隙的用過的冷卻空氣也改善了翼型在縫隙處的密封性能。
圖2和圖3所示的頂部端蓋34相當簡單和平坦，并包括一個于頂部凹槽36的正上方與壓力側壁24鄰接的第一方形外部轉角44。頂部端蓋也包括一個與吸氣側壁26鄰接的第二方形外部轉角46。內部彎曲部分38位于第一外部轉角44正后方并與其成為一個整體。而且內部圓角40位于第二外部轉角46的正后方。
這樣，第一轉角44可以與凹槽36下方的壓力側壁24的外表面共面對齊，用于延伸壓力側壁，并使從燃燒氣體中提取能量的有效表面積最大。與之類似，第二轉角46與吸氣側壁26的外表面共面對齊，以使吸氣側壁的表面積以及在運行中提取來自燃燒氣體的能量最大化。
如上所述，翼型12是空心構件，其中含有冷卻空氣22循環(huán)通過的內部冷卻回路20，用于冷卻在運行期間受到外部燃燒氣體熱負荷的整個翼型。兩個側壁24和26相當薄和輕，并具有如圖2和3所示在頂部端蓋34附近或與之結合之處的標定厚度A。頂部端蓋34的標定厚度B相當薄并且近似或基本上等于靠近頂部端蓋的側壁厚度A。
薄膜冷卻孔42延伸通過內部彎曲部分38并提供當中的內部對流冷卻，并且也通過彎曲部分自身提供的傳導路徑從懸突在凹槽36上方的第一轉角44帶走熱量。
圖3所示的頂部凹槽36延伸進入壓力側壁24的側向深度C優(yōu)選大于側壁厚度A，以達到內部彎曲部分38并有小部分延伸進入到彎曲部分38。
內部彎曲部分38優(yōu)選地以第二凹圓角或凹槽48接合頂部端蓋34的內表面，該第二凹圓角或凹槽48優(yōu)選地凹陷在彎曲部分38之后以使頂部端蓋和凹槽后方彎曲部分之間的厚度最小化。內部彎曲部分38也以另一個弧形圓角接合凹槽36下方的壓力側壁24的內表面。
在頂部端蓋以下和內部彎曲部分38周圍形成的幾個內部弧形圓角，增加壓力側壁和吸氣側壁以及兩側壁與共同頂部端蓋34連接處的傳導冷卻表面積，該共同頂部端蓋在兩側壁之間延伸。內部彎曲部分38和頂部端蓋36的結構相適應，相應的圓角將彎曲部分連接到頂部端蓋36和壓力側壁以減小運行期間的應力，同時在頂部凹槽36附近形成了一狹窄的熱傳導路徑來冷卻翼型頂部。
在圖3所示優(yōu)選的翼型頂部實施例中，頂部凹槽36基本上與內部彎曲部分38在橫向型面上是同心的，內部彎曲部分38提供襯托凹槽36的狹窄金屬帶。
凹槽36具有一延伸至彎曲部分38的凹形中心圓角，從而與它的凸出部分相吻合。凹槽的中心圓角以相應于凹槽頂上的壓力側轉角44和凹槽之下的壓力側壁24外表面的外部和內部凸起半徑而而側向向外彎曲。
凹槽也包括沿水平方向橋接壓力側壁24的下壁或基礎壁，以及以約45度從凹槽的內壁向外傾斜的上壁。
因此，凹槽36從所述一排薄膜冷卻孔42向外偏離，且在形成從凹槽排出的薄膜冷卻層之前使得通過孔42排出的用過的冷卻空氣分散。
凹槽外壁的傾斜角度隨離開其相對兩端之間凹槽的中間跨度的凹槽深度C相應地變化，當凹槽深度C達到0時，兩相對端接合在翼型的前后緣附近。
如圖2所示的頂部端蓋34除了具有一個或多個較大的灰塵孔50外，最好是無孔的或連續(xù)的，就像在原始的由凸肋形成的頂部空腔中那樣。在內部冷卻回路20的徑向外圈處按照所需布置灰塵孔50，以排除含在冷卻空氣中的灰塵，而在運行過程中不堵住灰塵孔50。
因而，灰塵孔通常地比薄膜冷卻孔或其他類型的頂部冷卻孔的直徑大，后兩種孔的直徑較小以防止從冷卻回路過量排放冷卻空氣。頂部孔50優(yōu)選側向布置在頂部端蓋中間附近的第一轉角和第二轉角44，46之間。另外，頂部孔50促進了內部冷卻空氣22沿頂部端蓋下方的內圓角以及彎曲部分38的循環(huán)，從而改善了頂部端蓋自身的內部冷卻。
如圖3所示，頂部端蓋34優(yōu)選在第一轉角44和第二轉角46之間沿圓周方向是平的，沒有斷開同時也沒有以前用到的凸肋。頂部端蓋的平面輪廓在葉片轉動方向上從壓力側延伸到吸氣側，而且在圓周旋轉方向上可以有肉眼看不到的一個微小的凸形弧，該凸形弧用來與氣體渦輪發(fā)動機的高壓渦輪內的渦輪罩周圍的凹形弧匹配。
圖4所示為頂部端蓋的另一個實施例，在第一轉角44和第二轉角46之間也還是平的，除了設置了一第二凹槽或頂部溝槽52。頂部溝槽52自第一轉角44和布置在其下方的頂部凹槽36朝內隔開，并且排列在內部彎曲部分38的頂上。
像凹槽36一樣，頂部溝槽52從它的中間圓角向外偏離，在深度上接合在翼型的前緣和后緣附近，在該處其徑向深度減為零。頂部端蓋優(yōu)選的是沿頂部溝槽52是不穿孔的，溝槽52在翼型上力提供了一個再循環(huán)區(qū)域，在這個區(qū)域內燃燒氣體和來自頂部凹槽36的用過的冷卻空氣可以再循環(huán)以改善翼型頂部與環(huán)繞的渦輪罩的密封性能。
另外，頂部溝槽52減少了第一轉角44、內部彎曲部分38與頂部凹槽36它們和頂部端蓋之間的熱量，從而減小該區(qū)域內頂部端蓋的運行溫度。
以上示例和優(yōu)選實施例中描述的渦輪葉片用鈍形頂部端蓋代替?zhèn)鹘y(tǒng)的具有凸肋的、并在在凸肋之間具有一暴露的頂部空腔的葉片頂部。取消了凸肋，暴露在熱燃燒氣體中的外表面區(qū)域也隨之減小。
頂部端蓋本身相對較薄，其以與壓力側壁和吸氣側壁的厚度相適合的厚度橋接或蓋在兩側壁上面。薄的頂部端蓋由內部冷卻回路20中循環(huán)的冷卻空氣22內部冷卻，冷卻回路20可以是任何適當?shù)慕Y構。同時，在壓力側第一轉角44正下方的翼型壓力側布置頂部凹槽36，以加強渦輪葉片自身的空氣動力性能，同時釋放冷卻空氣膜使頂部端蓋避免來自其外表面的損害。
內部彎曲部分38的厚度最好是與翼型的壓力側壁和吸氣側壁的厚度相適合，并且與頂部端蓋毗鄰以是頂部端蓋所承受的離心負載和熱負荷最小化，并且通過設置薄膜冷卻孔42改善頂部端蓋的冷卻，薄膜冷卻孔延伸通過彎曲部分38并給沿彎曲部分38軸向延伸的頂部凹槽36供給冷卻空氣。
如圖3所示，優(yōu)選的是凹槽36位于頂部端蓋暴露的頂部下方，以維持第一轉角44的方形橫截面。這樣，第一轉角44保持一個具有合適半徑高度的方形末梢，第一轉角具有一相應的平的外表面，該外表面與凹槽下方壓力側壁24的平的外表面共面對齊。
第一轉角44的高度大約為5-10密耳(mil)，它是凹槽整個深度C的較小的一部分，凹槽深度約為20-40密耳(mil)。這樣，鈍的頂部端蓋和它的方形轉角對于偶爾發(fā)生的與周圍渦輪罩的頂部摩擦是有作用的，而且可以在不改變結構的情況下提高強度或在發(fā)生頂部摩擦之后改善性能。
雖然這里描述了被認為是本發(fā)明的優(yōu)選地或示例性的實施例，但是，本發(fā)明的其他改型對本領域中的普通技術人員是明顯的，因此，期望在所附的技術方案中得到保護的所有變型都落入本發(fā)明的實質精神和范圍之內。
因此，期望保護的是在所附的技術方案中所限定和區(qū)別開的發(fā)明。
權利要求
1.一種渦輪翼型(12)包括側向相對的壓力側壁和吸氣側壁(24，26)，在相對的前緣和后緣(28，30)之間呈弦形地以及在從根部(32)到外側頂部端蓋(34)的跨度上延伸，頂部端蓋在其遠端處橋接所述側壁；一凹槽(36)在所述壓力側壁(24)的外表面弦式延伸并在所述頂部端蓋(34)的下方；以及所述壓力側壁(24)在襯托所述凹槽(36)的內部彎曲部分(38)處接合所述頂部端蓋(34)，而且所述吸氣側壁(26)在內部圓角(40)處接合所述頂部端蓋(34)，并且所述彎曲部分(38)和圓角(40)均位于所述頂部端蓋(34)下方。
2.根據(jù)權利要求1所述的翼型，所述翼型(12)進一步包括一內部冷卻回路(20)、和一排由此延伸并通過所述彎曲部分(38)進入所述凹槽(36)的薄膜冷卻孔(42)。
3.根據(jù)權利要求2所述的翼型，其中所述頂部端蓋(34)包括一與所述壓力側壁(24)毗鄰并位于所述凹槽(36)上方的第一外部轉角(44)，以及一與所述吸氣側壁(26)毗鄰的第二外部轉角(46)，所述彎曲部分(38)位于所述第一轉角(44)的后面，所述圓角(40)位于所述第二轉角(46)的后面。
4.根據(jù)權利要求3所述的翼型，其中所述第一轉角(44)與位于所述凹槽(36)下方的所述壓力側壁(24)的外表面共面對齊。
5.根據(jù)權利要求4所述的翼型，其中所述側壁(24，26)的標定厚度在所述頂部端蓋(34)附近，并且所述頂部端蓋(34)具有相似的標定厚度。
6.根據(jù)權利要求5所述的翼型，其中所述凹槽(36)延伸入所述壓力側壁(24)的深度大于所述側壁的標定厚度以部分延伸進入所述彎曲部分(38)。
7.根據(jù)權利要求5所述的翼型，其中所述彎曲部分(38)以凹陷于所述彎曲部分(38)之后的圓角(48)連接所述頂部端蓋(34)。
8.根據(jù)權利要求5所述的翼型，其中所述凹槽(36)與所述彎曲部分(38)同心，并在所述前緣(28)后面的壓力側壁(24)中開始，并向位于所述頂部端蓋(34)下方的所述后緣(30)弦式地延伸。
9.根據(jù)權利要求5所述的翼型，所述頂部端蓋(34)在所述第一和第二轉角(44，46)之間是平的。
10.根據(jù)權利要求5所述的翼型，頂部端蓋(34)包括一自所述第一轉角(44)向內隔開的并排列在所述彎曲部分(38)頂上的頂部溝槽(52)。
全文摘要
一種渦輪翼型(12)包括相對的壓力側壁和吸氣側壁(24，26)，其在相對的前緣和后緣(28，30)之間呈弦形地并在從根部(32)到外側頂部端蓋(34)的跨度上延伸。頂部端蓋(34)橋接側壁(24，26)，并且一凹槽(36)沿壓力側壁(24)弦式延伸并在頂部端蓋(34)下方。
文檔編號F01D5/18GK1982654SQ20061006470
公開日2007年6月20日 申請日期2006年12月5日 優(yōu)先權日2005年12月5日
發(fā)明者李經(jīng)邦, A·R·沃迪亞, J·C·布勞爾 申請人:通用電氣公司