本發(fā)明涉及例如在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、蒸汽機(jī)等中的渦輪機(jī)的葉片。更具體地，本發(fā)明涉及對(duì)渦輪機(jī)葉片尖端護(hù)罩的冷卻。

背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)包括渦輪機(jī)部分，其中熱壓縮氣體膨脹以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)軸功率。渦輪機(jī)部分常包括多個(gè)交替行的固定輪葉(噴嘴)和旋轉(zhuǎn)葉片(斗葉)。每個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片具有翼型和將旋轉(zhuǎn)葉片連接到轉(zhuǎn)子的根部。在某些情況下，在每個(gè)渦輪機(jī)葉片的徑向向外端部上包括一體式尖端護(hù)罩，以使得一組葉片在組裝時(shí)產(chǎn)生限制熱壓縮氣體經(jīng)過(guò)葉片的翼型部分的通路的外表面。包含一體式尖端護(hù)罩可趨向于增強(qiáng)渦輪機(jī)部分從熱壓縮氣體獲得功的能力，從而改進(jìn)渦輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。遺憾的是，旋轉(zhuǎn)翼型上的一體式尖端護(hù)罩由于這些尖端護(hù)罩受到機(jī)械和氣動(dòng)力、以及高溫環(huán)境而高度受力。為改進(jìn)渦輪機(jī)葉片的使用設(shè)計(jì)壽命，采用冷卻方法。通常，通過(guò)從壓縮機(jī)取得一部分壓縮工作流體(例如空氣)、并將該壓縮工作流體直接傳送到渦輪機(jī)部分而不會(huì)使冷卻流體暴露于燃燒器部分中增加的熱量，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)葉片冷卻。該冷卻流體提供加壓、并相對(duì)冷的流體的來(lái)源，該流體很容易流過(guò)在渦輪機(jī)葉片中形成的通路、并提供對(duì)渦輪機(jī)葉片的冷卻。因此，經(jīng)常提供徑向通路，以將冷卻流體從葉片的根部徑向向外地運(yùn)送至葉片的尖端，冷卻流體在葉片的尖端被排出。相應(yīng)地，本領(lǐng)域技術(shù)人員尋求對(duì)翼型后緣和尖端護(hù)罩具有改進(jìn)冷卻的渦輪機(jī)葉片。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，冷卻的渦輪機(jī)葉片包括：根部，其用于將葉片固定到轉(zhuǎn)子；翼型，其從根部沿著徑向軸線延伸；和尖端護(hù)罩，其設(shè)置在翼型的徑向向外端部上。尖端護(hù)罩從翼型沿著周向延伸，并且在其自身內(nèi)限定中心增壓室和外圍增壓室。翼型限定后部翼型冷卻通路，后部翼型冷卻通路在鄰近翼型的后緣部分處徑向延伸穿過(guò)翼型。翼型還限定后部冷卻入口，以將冷卻流體的后部流(aftstream)提供至后部翼型冷卻通路。翼型還限定至少一個(gè)后部冷卻出口，以將冷卻流體的后部流從后部翼型冷卻通路排出到外周增壓室。尖端護(hù)罩限定至少一個(gè)外圍增壓室排出口(peripheralplenumvent)，以將冷卻流體的后部流排出。所述翼型限定一個(gè)或多個(gè)中心翼型冷卻通路，所述一個(gè)或多個(gè)中心翼型冷卻通路徑向延伸穿過(guò)所述翼型的中心部分，所述翼型限定中心冷卻入口以將冷卻流體的中心流提供至所述一個(gè)或多個(gè)中心翼型冷卻通路，并且所述翼型限定至少一個(gè)中心冷卻出口以將所述冷卻流體的中心流從所述一個(gè)或多個(gè)中心翼型冷卻通路排出到所述中心增壓室。所述尖端護(hù)罩限定至少一個(gè)中心增壓室沖擊孔，以形成沖擊冷卻流體的流、并將所述沖擊冷卻流體的流從所述中心增壓室引導(dǎo)至目標(biāo)表面。所述后部翼型冷卻通路具有圓形的橫截面形狀；或者，所述后部翼型冷卻通路的橫截面形狀構(gòu)造成符合所述翼型的所述后緣部分的外形。所述后部翼型冷卻通路的第一壁與所述翼型的所述后緣部分的壓力表面基本平行，所述后部翼型冷卻通路的第二壁與所述翼型的所述后緣部分的吸力表面基本平行。所述至少一個(gè)中心冷卻出口的總橫截面積大于所述至少一個(gè)中心增壓室沖擊孔的總橫截面積。所述至少 一個(gè)后部冷卻出口的總橫截面積大于所述至少一個(gè)外圍增壓室沖擊孔的總橫截面積。所述目標(biāo)表面包括位于所述翼型和所述尖端護(hù)罩之間的過(guò)渡圓角的內(nèi)壁。所述尖端護(hù)罩具有支承表面，以與另一冷卻的渦輪機(jī)葉片的另一尖端護(hù)罩配合。所述至少一個(gè)外圍增壓室排出口設(shè)置成與所述支承表面相鄰。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供用于冷卻渦輪機(jī)葉片的方法，渦輪機(jī)葉片具有翼型和尖端護(hù)罩，尖端護(hù)罩從翼型的尖端沿周向延伸。該方法包括在尖端護(hù)罩中提供中心增壓室和外圍增壓室，并將冷卻流體供應(yīng)分成中心冷卻流和外圍冷卻流。引導(dǎo)外圍冷卻流穿過(guò)后部翼型冷卻通路，后部翼型冷卻通路在鄰近翼型的后緣部分處徑向延伸穿過(guò)翼型，以從翼型的后緣部分向外圍冷卻流傳熱。引導(dǎo)中心冷卻流穿過(guò)一個(gè)或多個(gè)中心翼型冷卻通路，中心翼型冷卻通路延伸穿過(guò)翼型的中心部分，以從中心部分向中心冷卻流傳熱。將外圍冷卻流從后部翼型冷卻通路引導(dǎo)至外圍增壓室，將中心冷卻流從一個(gè)或多個(gè)中心翼型冷卻通路引導(dǎo)至中心增壓室。從外圍增壓室排出外圍冷卻流，并從中心增壓室排出中心冷卻流。該方法還包括將冷卻流體的后部流經(jīng)由后部冷卻入口提供至后部翼型冷卻通路，并將冷卻流體的流從外圍增壓室經(jīng)由至少一個(gè)外圍增壓室排出口排出。所述方法還包括引導(dǎo)所述中心冷卻流的至少一部分朝著目標(biāo)表面穿過(guò)至少一個(gè)沖擊孔。所述方法還包括引導(dǎo)所述外圍冷卻流的至少一部分朝著目標(biāo)表面穿過(guò)至少一個(gè)沖擊孔。根據(jù)下列結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，這些和其他優(yōu)點(diǎn)和特征將更加顯而易見(jiàn)。附圖說(shuō)明視為本發(fā)明的主題被具體指出并明確地在說(shuō)明書(shū)結(jié)尾處的權(quán)利要求書(shū)中要求保護(hù)。從下列結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述 和其他特征以及優(yōu)點(diǎn)將顯而易見(jiàn)，其中：圖1是示例性冷卻的渦輪機(jī)葉片的示圖；圖2是示例性冷卻的渦輪機(jī)葉片的俯視圖；圖3是本發(fā)明的示例性實(shí)施例的橫截面圖；圖4是本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的橫截面圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明如圖3所示的結(jié)構(gòu)的第一示例性實(shí)施例的平面示意圖；和圖6是根據(jù)本發(fā)明如圖3所示的結(jié)構(gòu)的第二示例性實(shí)施例的平面示意圖。詳細(xì)的描述通過(guò)參照附圖的示例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例以及優(yōu)點(diǎn)和特征進(jìn)行解釋。具體實(shí)施方式如圖1所示，渦輪機(jī)葉片100包括翼型112和根部114。翼型112沿著徑向軸線從根部114延伸到葉片尖端130。翼型112具有前緣部分116和后緣部分118，從前緣到后緣的距離限定翼型弦長(zhǎng)(airfoilchordlength)117。通常凹形的壓力表面120和通常凸形的壓力表面122在翼型112的相對(duì)側(cè)上的前緣和后緣之間延伸。在圖示的示例中，葉片100的根部114包括柄部124和燕尾榫126以配合轉(zhuǎn)子上的相應(yīng)燕尾榫槽，以使得渦輪機(jī)葉片100能被固定到轉(zhuǎn)子。如圖1和圖2所示，尖端護(hù)罩128設(shè)置在葉片尖端130上，即定位成與翼型112的徑向外端相鄰，并且沿著周向(即，沿著與徑向軸線基本垂直的方向)從翼型112延伸。尖端護(hù)罩128具有徑向向內(nèi)的面對(duì)表面和徑向向外的面對(duì)表面，這兩個(gè)表面都暴露于流過(guò)渦輪機(jī)部分的熱壓縮氣體。每個(gè)尖端護(hù)罩128具有支承面136、138，尖端護(hù)罩128在該支承面136、138上接觸相鄰葉片的相鄰尖端護(hù)罩的支承面。一個(gè)或多個(gè)擋板140從尖端護(hù)罩128徑向向外延伸，以防止熱氣體在葉片周圍泄露。如圖1所示，一個(gè)或多個(gè)中心翼型冷卻通路160延伸穿過(guò)翼型112的中心部分(即，在距離翼型的中心小于翼型弦長(zhǎng)度(airfoilchordlength)的約25％的距離內(nèi))，后部翼型冷卻通路162延伸穿過(guò)翼型112的后緣部分。一個(gè)或多個(gè)中心翼型冷卻通路160和后部翼型冷卻通路162從根部114沿徑向延伸到葉片尖端130，這些通路各自在根部114處接收加壓冷卻流體的流(加壓冷卻流體可以包括從安裝有渦輪機(jī)葉片的發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)部分收集的壓縮氣體或另外的流體)，在葉片尖端130處冷卻流體的流可以被引導(dǎo)至待冷卻的位置、或者可以另外地被排出或排放。例如，如圖3和圖4所示，在尖端護(hù)罩128中局部的定向沖擊冷卻被用于降低尖端護(hù)罩的高受力區(qū)域中的材料(例如金屬或陶瓷)溫度。更具體地，尖端護(hù)罩128包括內(nèi)部中心冷卻室142，該冷卻室142將冷卻流體提供至期望區(qū)域，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)尖端護(hù)罩128的沖擊冷卻。后部翼型冷卻通路162的橫截面形狀可以構(gòu)造成符合翼型112的后緣部分的外形。本說(shuō)明書(shū)描述的徑向冷卻通路、腔室、增壓室和冷卻通路可以使用很多處理/制程(例如電化學(xué)鉆孔)來(lái)形成。電化學(xué)鉆孔的一種形式稱為型管電解加工(STEM)，并且例如對(duì)于渦輪機(jī)葉片徑向冷卻通路的情況，實(shí)現(xiàn)使形成的通路的深徑比(depthtodiameterratio)相對(duì)較大的加工。STEM鉆孔通過(guò)使用具有絕緣外部涂層的管狀陰極進(jìn)行陽(yáng)極溶解來(lái)制造通路。STEM制程/方法制造出的通路的直徑可以沿著通路的長(zhǎng)度變化。除了沿著通路的長(zhǎng)度變化，STEM鉆孔還可以制造出橫截面不是圓形的通路。例如，可以在制造出具有圍繞電極均勻分布的間隙的圓形通路的條件下通過(guò)使電極徑向移動(dòng)到渦輪機(jī)葉片中而鉆出冷卻通路的初始部分。隨后，電極可以沿著與電極的縱軸橫切的方向(adirectiontransversetothelongitudinalaxis)移動(dòng)(即，朝向通路的壁的一側(cè))。然后將從通路的壁的該側(cè)去除額外的材料，因此制造出具有偏心的橫截面的通路?？梢栽诓煌姆较蛏现貜?fù)該過(guò) 程，以制造出具有期望橫截面的通路。如圖5所示，內(nèi)部中心冷卻室142包括由尖端護(hù)罩128限定的中心增壓室144和外圍增壓室146。中心翼型冷卻通路160徑向延伸穿過(guò)翼型112進(jìn)入到尖端護(hù)罩128中，并與中心增壓室144相交。后部翼型冷卻通路162定位成接近葉片的后緣，該后部冷卻通路162與外圍增壓室146而不是中心增壓室144相交。根據(jù)本示例性實(shí)施例，穿過(guò)后部翼型冷卻通路162的冷卻流體使外圍增壓室146而不是(asapposedto)中心增壓室144增壓。在圖示的實(shí)施例中，已經(jīng)對(duì)外圍增壓室146進(jìn)行增壓的冷卻空氣可以經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)外圍增壓室排氣口156排出。但是，應(yīng)注意，可替換的實(shí)施例提供中心增壓室和外圍增壓室之間的流體連通。根據(jù)這種替換實(shí)施例，從中心增壓室144排氣到主氣體流中可以減小或消除從外圍增壓室146(例如經(jīng)由外圍增壓室排氣口156)排氣到主氣體流中的需求。如圖5所示，后部翼型冷卻通路162具有圓形的橫截面形狀。但是，應(yīng)當(dāng)理解，后部翼型冷卻通路還可以具有更緊密地符合翼型的外形的橫截面形狀，從而實(shí)現(xiàn)最小壁厚度的需求，同時(shí)還定位成相對(duì)更接近翼型的后緣，并提供期望的橫截面積以容納所期望的冷卻流體的流的量和/或速度。例如，如圖6所示，后部翼型冷卻通路162的示例性的橫截面形狀包括基本與翼型的一個(gè)外表面平行的第一壁，和基本與翼型的另一不同外表面平行的第二壁。相應(yīng)地，后部翼型冷卻通路162構(gòu)造成滿足最小壁厚度的需求，同時(shí)提供對(duì)翼型的后緣的改進(jìn)冷卻。結(jié)果，根據(jù)本實(shí)施例，后部翼型冷卻通路162能夠定位成鄰近翼型的后緣(例如，在距翼型后緣小于翼型弦長(zhǎng)度的約25％的距離內(nèi))，從而降低材料操作溫度、并改進(jìn)蠕變性能。通過(guò)對(duì)外圍增壓室146而不是中心增壓室144增壓，后部翼型冷卻通路162的布置可有效地將外圍增壓室146內(nèi)的后部翼型冷卻通路162的更熱流體隔離，使之遠(yuǎn)離中心增壓室144，以使得更熱的流體之后能夠被迫進(jìn)入尖端護(hù)罩的 需要較少冷卻、和/或具有較高承載能力的區(qū)域，并使得中心增壓室144內(nèi)的冷卻流體能夠更冷、并被應(yīng)用于尖端護(hù)罩的需要較多冷卻和/或具有較低承載能力的區(qū)域。產(chǎn)生的尖端護(hù)罩操作溫度的降低可提供部件使用壽命的增加，和/或使得相同的部件能在更熱的環(huán)境下操作而不損害使用壽命。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)引導(dǎo)冷卻流體從后部翼型冷卻通路、或從一個(gè)或多個(gè)中心翼型冷卻通路經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)沖擊孔而形成朝著目標(biāo)表面的沖擊冷卻流體的一個(gè)或多個(gè)流，可以在尖端護(hù)罩中產(chǎn)生沖擊冷卻。所述一個(gè)或多個(gè)沖擊孔可以形成為葉片的一體部件，并且可以鑄造在該部件內(nèi)，或者可以通過(guò)在形成鑄件之后進(jìn)行加工而制成。圖3和圖4中示出以一體式?jīng)_擊橋形件中的翼型-至-護(hù)罩的過(guò)渡圓角(fillet)為目標(biāo)的沖擊冷卻的示例。圖3示出引導(dǎo)至基本打開(kāi)的冷卻室142中的沖擊冷卻。圖4示出進(jìn)入具有窄通道形狀的冷卻室142中的沖擊冷卻。圖4的更窄通道提供增加的冷卻流體速度，并因此改進(jìn)沖擊區(qū)域下游的熱傳遞。但是，應(yīng)當(dāng)理解，還可以提供其他沖擊/流動(dòng)構(gòu)造。參照?qǐng)D3的示意性橫截面圖，在示例性實(shí)施例中，中心增壓室144包括被容納在尖端護(hù)罩128內(nèi)部、并由尖端護(hù)罩128限定的密封或基本密封的腔室。中心增壓室144從翼型112內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)中心翼型冷卻通路160接收加壓冷卻流體，以提供加壓沖擊冷卻流體的流。在示例性實(shí)施例中，中心增壓室144被充分密封(即，充分限制排氣)，以使得中心增壓室144可以由一個(gè)或多個(gè)中心翼型冷卻通路160增壓。因此，以常規(guī)方式，流體被接納到葉片中(例如在燕尾榫或柄部區(qū)域附近)，流過(guò)柄部、并進(jìn)入翼型112、且沿著翼型112朝向尖端護(hù)罩128流。在圖3圖示的示例中，流體從翼型流動(dòng)到尖端護(hù)罩128內(nèi)部的加壓的中心增壓室144中。然后流體從加壓的腔室被驅(qū)動(dòng)經(jīng)過(guò)至少一個(gè)沖擊孔150，并且被引導(dǎo)至尖端護(hù)罩128內(nèi)部的期望位置(即，沖擊 區(qū)域152，例如尖端護(hù)罩的后部目標(biāo)表面或壁)。圖3表示尖端護(hù)罩沖擊冷卻的實(shí)施例，其中翼型至護(hù)罩的過(guò)渡圓角是目標(biāo)沖擊區(qū)域。但是，沖擊孔可以在其他尖端護(hù)罩位置被導(dǎo)向沖擊區(qū)域。將理解，與在通道中流動(dòng)的更一般的流相比，沖擊冷卻為局部區(qū)域提供熱傳遞的形式。圖3的實(shí)施例還在冷卻室142內(nèi)(例如在過(guò)渡圓角區(qū)域)提供擾流子(turbulators)，以進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)冷卻流體的熱傳遞。在示例性實(shí)施例中，沖擊孔的總橫截面積小于一個(gè)或多個(gè)中心翼型冷卻通路160的橫截面積。結(jié)果，中心增壓室144被增壓。盡管這提供優(yōu)越的沖擊熱傳遞，但是非必須的。沖擊孔的總面積可以大于一個(gè)或多個(gè)中心翼型冷卻通路的面積，并且仍然具有沖擊功能，雖然性能降低。后沖擊流體(post-impingementfluid)從沖擊區(qū)域152流過(guò)冷卻室148到達(dá)一個(gè)或多個(gè)外圍增壓室排氣口156、158，并進(jìn)入到主氣體流中。冷卻流體還可以在外圍增壓室排氣口156處直接從冷卻室(peripheralplenumvent)142離開(kāi)。盡管圖3的實(shí)施例中示出至少一個(gè)冷卻室142，但是應(yīng)當(dāng)理解可以使翼型冷卻劑通路作為該增壓室。然后沖擊孔將始于翼型冷卻劑通路，并將冷卻劑引導(dǎo)至渦輪機(jī)葉片的外部腔室?，F(xiàn)在參照?qǐng)D4的示意性橫截面圖，在另一示例性實(shí)施例中，中心增壓室144被密封或基本密封、并且容納在尖端護(hù)罩128內(nèi)部，利用該中心增壓室144以使得經(jīng)過(guò)沖擊孔150的沖擊冷卻被引導(dǎo)至沖擊區(qū)域152上，該沖擊區(qū)域152可以大于圖3的實(shí)施例中的沖擊區(qū)域。此外，后沖擊冷卻流體被輸送通過(guò)冷卻室142，冷卻室142提供在沖擊區(qū)域152下游的通道流動(dòng)熱傳遞。排出的冷卻流體然后流動(dòng)到一個(gè)或多個(gè)外圍增壓室排氣口156，并進(jìn)入到主氣體流中。冷卻流體還可以在外圍增壓室排氣口156處直接從冷卻室142離開(kāi)。此外，在上述任意實(shí)施例中，后沖擊冷卻流體還可以經(jīng)由膜孔穿過(guò)該冷卻流體沖擊的表面而離開(kāi)。因此，所述流體在沖擊之后不是必須流過(guò)冷卻室。圖3所示的結(jié)構(gòu)的兩個(gè)可能的俯視圖在圖5和圖6中示意性示出。 在圖5中，沖擊孔150進(jìn)入連接的冷卻室142中。圖6示出第二個(gè)可能的實(shí)施例，其中相鄰的冷卻室142未連接。將理解，可以利用任意數(shù)量的腔室142和沖擊孔150，腔室可以根據(jù)視為必要或期望的情況而被隔離或連接，以例如提供沖擊區(qū)域下游的通道流動(dòng)。盡管僅結(jié)合有限數(shù)量的實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)很容易理解本發(fā)明不限于這些公開(kāi)的實(shí)施例。相反，本發(fā)明可以被修改成并入目前沒(méi)有描述但是符合本發(fā)明的精神和范圍的任意數(shù)量的改變、替換、替代或等效布置。此外，盡管描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的各個(gè)方面可以僅包括某些描述的實(shí)施例。相應(yīng)地，本發(fā)明不應(yīng)視為受到前文描述的限制，而是僅有所附權(quán)利要求書(shū)的范圍限制。