專利名稱：渦輪葉片的紊流孔結(jié)構(gòu)的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明總的涉及燃氣渦輪發(fā)動機，尤其涉及在葉片內(nèi)具有冷卻通道，以便與葉片進行有效的熱交換和冷卻葉片的渦輪葉片，更詳細地說，涉及該冷卻通道的紊流孔結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
通常，在渦輪發(fā)動機中，要在渦輪葉片中設(shè)置內(nèi)部冷卻通道。根據(jù)渦輪轉(zhuǎn)子級的具體位置，在發(fā)動機內(nèi)各個渦輪轉(zhuǎn)子級要求或多或少的冷卻。第一級渦輪葉片由于位于第一輪葉后面，立即暴露在從燃燒室流出的熱的燃燒氣體中，因此通常要求最高的冷卻程度。另外，在橫跨每一個渦輪葉片的跨度上的溫度分布是沿著該葉片的中間部分溫度最高，與鄰近該葉片的根部和頂部處的溫度比沿著該中間部分的溫度低些。
在一些情況下，在渦輪葉片內(nèi)設(shè)置從該葉片的根部延伸至其頂部的多個冷卻通道。通常，從壓縮機多個級的一個級出來的冷卻空氣送至這些通道，以冷卻該葉片。在這些通道的全部長度上使用紊流激勵器，以增強通過該通道的冷卻空氣的傳熱。熱能從渦輪葉片的外部壓力和負(fù)壓表面流至內(nèi)部區(qū)域，并通過內(nèi)部冷卻提取熱。在具有隔開的肋的通道中，傳熱性能主要取決于該通道的直徑，該肋的形狀和流動的雷諾數(shù)。進行了許多基礎(chǔ)研究來了解由該肋造成的流動分離引起的傳熱增強現(xiàn)象。一個邊界層將該肋的上游和下游隔開。這些流動分離使該邊界層重新附著在傳熱表面上，這樣增加傳熱導(dǎo)數(shù)。該隔開的邊界層增加紊流混合，因此，由靠近表面的流體產(chǎn)生的熱可以更有效地分散至主流動中，從而增加傳熱系數(shù)。
在這些通道中所用的紊流激勵器有許多形式。例如，這些激勵器可以為與通道側(cè)壁連接的百頁板，這些百頁板與通過通道的冷卻空氣流成一個角度。
Chiu等人提出的美國專利5413463號說明了在燃氣渦輪葉片中的紊流冷卻通道，其中，紊流激勵器根據(jù)對沿著該葉片的局部冷卻要求設(shè)在沿著從根部至頂部的翼面長度的優(yōu)選區(qū)域上。該紊流激勵器位于該渦輪葉片優(yōu)選的中間區(qū)域上，而通過該葉片根部和頂部的通道保持基本上為滑膛的。
盡管存在具有紊流冷卻通道的這些渦輪葉片，仍需要有改善冷卻的葉片。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是要提供具有帶激勵冷卻的紊流激勵裝置的冷卻通道的渦輪葉片。
上述目的可通過本發(fā)明的渦輪葉片達到。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種冷卻改善的渦輪葉片。該渦輪葉片具有帶有一個根部末端和一個頂部末端，和在翼面中的至少一個冷卻通道的翼面。每一個冷卻通道從該根部末端延伸至該頂部末端，并且具有圓形的橫截面。在每一個冷卻通道中設(shè)置多個紊流激勵裝置。每一個紊流激勵裝置為弧形形狀，并外接一個小于180°的圓弧。
本發(fā)明的渦輪葉片的紊流孔結(jié)構(gòu)的其他詳細情況，以及所附帶的其他目的和優(yōu)點在下列的詳細說明和附圖中提出。圖中相同的符號表示相同的零件。
附圖的簡要說明

圖1表示在具有多個內(nèi)部冷卻通道的燃氣渦輪發(fā)動機中使用的一個渦輪葉片；圖2為根據(jù)本發(fā)明的紊流冷卻通道的截面圖；圖3為沿著圖2中的3-3線所取的截面圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明的紊流冷卻通道的另一個實施例的截面圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明的紊流冷卻通道的又一個實施例的截面圖；圖6為具有偏移的紊流激勵裝置的根據(jù)本發(fā)明的紊流冷卻通道的另一個實施例的截面圖；和圖7為具有偏移的紊流激勵裝置的紊流冷卻通道的再一個實施例的截面圖。
優(yōu)選實施例詳細說明圖1表示安裝在一個基座12上的一個燃氣渦輪葉片10，它具有帶有多個內(nèi)部冷卻通道14的一個翼面13。這些冷卻通道穿過，包括從該翼面13的根部末端16至該翼面13的頂部末端18的該葉片的全長。一般，該渦輪葉片10具有許多冷卻通道14。每一個冷卻通道14的出口在該頂部末端18。另外，每一個冷卻通道14使從入口進入的冷卻流體(例如空氣)與一個空氣源(例如壓縮機的放氣)，通過其全長連通，以便冷卻該渦輪葉片10的材料(例如金屬)。該渦輪葉片10可由技術(shù)上已知的任何適當(dāng)?shù)慕饘僦圃?例如鎳基超耐熱合金)。如后面將要說明的那樣，為了改善該渦輪葉片10的冷卻特性，每一個冷卻通道14具有多個紊流激勵裝置。
圖2和圖3表示具有圓形橫截面的冷卻通道14的第一實施例。該冷卻通道14沿著其軸線，從根部末端16延伸至頂部末端18，并具有壁32。該壁32形成直徑為D的冷卻流體的一個通道。
多個紊流激勵裝置34包括在該通道14中。該紊流激勵裝置可以包括高度為e，外接一個小于180°圓弧的弧形斷開板條36。e/D的比最好在0.05～0.30范圍內(nèi)。在圖2和圖3所示的結(jié)構(gòu)中，該紊流激勵裝置34包括在該壁32上作出的多對斷開板條36。該斷開板條36具有隔開一個間隙g的末端部分38和40、該間隙g可以在1e～4e的范圍內(nèi)。在一個優(yōu)選實施例中，該間隙g可以在0.015～0.050英寸范圍內(nèi)。該斷開板條36還具有與軸線孔以及通過該通道14的冷卻流體的流動垂直的表面42。該間隙g最好在偏離最大熱負(fù)荷的方向上。
又如圖2所示，沿著軸線30，放置多對斷開板條36。多對斷開板條隔開一個柵距P。該柵距P為從第一斷開板條36的中點至第二斷開板條36的中點的距離。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，P/e比在5～30范圍內(nèi)。
最好，多對斷開板條36對準(zhǔn)，使一對斷開板條36的間隙g與相鄰的多對斷開板條36的間隙g對準(zhǔn)。從在該通道14中形成流動的紊流和減少流動的壓力降的觀點來看，這種結(jié)構(gòu)是非常理想的。
參見圖4可看出，該紊流激勵裝置34可以不是在該壁32上形成的斷開板條，而是在該壁32中切出的缺口50。如以前那樣，每一個缺口50可以為弧形形狀，并可以外接一個小于180°的圓弧。另外，該缺口的e/D比可以在0.05～0.30范圍內(nèi)，并且可以有一個與軸線30和通過該通道14的冷卻流體的流動垂直的表面52。如以前那樣，P/e比在5～30范圍內(nèi)。
圖5表示具有紊流激勵裝置60的冷卻通道14的另一個實施例。該紊流激勵裝置具有與軸線30和通過該通道14的冷卻流體的流動成一個角度α的表面62。角度α在30～70°范圍內(nèi)(例如45°)。該紊流激勵裝置可以為壁32上的斷開板條，成為在該壁32中的缺口。如以前那樣，該紊流激勵裝置60最好為弧形形狀，并外接一個小于180°的圓弧。該紊流激勵裝置60可以與端部隔開一個間隙的多對裝置60對準(zhǔn)。每一對紊流激勵裝置可以沿著軸線30偏移。這樣作的好處是，對于一個等價的傳熱水平，可減小壓力降。P/e比也可以在5～30范圍內(nèi)。
圖6表示冷卻通道14的另一個實施例。在這個實施例中，該紊流激勵裝置包括第一組斷開板條70和第二級斷開板條72。該第一組斷開板條70與第二組斷開板條72偏移。該斷開板條70和72都是弧形形狀，并外接一個小于180°的圓弧。如以前一樣，該斷開板條70和72的e/D比在0.05～0.30范圍內(nèi)。每一組斷開板條的P/e比最好在5～30范圍內(nèi)。
圖7表示具有偏移的紊流激勵裝置80的冷卻通道14的又一個實施例。該偏移的紊流激勵裝置80為第一組缺口82和第二組偏移的缺口84形式。每一個缺口82和84都為弧形形狀，并外接一個小于180°的圓弧。每一個缺口82和84的e/D比在0.05～0.30范圍內(nèi)。在這個實施例中，如在其他實施例中一樣，每一組缺口的P/e比在5～30范圍內(nèi)。
圖2～7所示的冷卻通過可以用技術(shù)上已知的任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄖ圃臁Ｔ诒景l(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，帶有各種紊流激勵裝置的該冷卻通道利用STEM鉆削方法制造。
具有圖2～7所示的紊流孔結(jié)構(gòu)的冷卻通道14，在從該通道的入口至該通道的出口的壓力降減小的情況下，冷卻得到改善。
參見圖3可看出，雖然圖中只表示了二個斷開板條36，但應(yīng)當(dāng)了解，該通道14可以具有多于2個的對準(zhǔn)的斷開板條，每一個斷開板條與相鄰的斷開板條36隔開一個間隙g。例如，該通道14可以有4個或8個對準(zhǔn)的斷開板條36。在具有4個對準(zhǔn)的斷開板條36的情況下，每一個斷開板條可以外接一個小于90°的圓弧。在具有8個對準(zhǔn)的斷開板條的情況下，每一個斷開板條可以外接一個大于45°的圓弧。
顯然，根據(jù)本發(fā)明已經(jīng)提供了可完全滿足上述目的、措施和優(yōu)點的渦輪葉片的紊流孔結(jié)構(gòu)。雖然從具體實施例的角度已說明了本發(fā)明，但業(yè)內(nèi)人士在閱讀上述詳細說明后知道，可以作其他的替換，改進和變化。因此要將這些替換，改進和變化都包含在所附權(quán)利要求書的寬廣范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種渦輪葉片，它包括具有一個根部末端和一個頂部末端的一個翼面；在所述翼面內(nèi)的至少一條冷卻通道，所述至少一個冷卻通道從該根部末端延伸至該頂部末端，并且具有圓形的橫截面；在所述至少一條冷卻通道內(nèi)的多個紊流激勵裝置；和每一個所述的紊流激勵裝置都為弧形形狀，并外接一個小于180°的圓弧。
2.如權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征為，所述多個紊流激勵裝置包括一對對準(zhǔn)的紊流激勵裝置，所述一對對準(zhǔn)的紊流激勵裝置的第一的末端部分跟所述一對對準(zhǔn)的紊流激勵裝置的第二的末端部分隔開。
3.如權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征為，所述多個紊流激勵裝置包括至少二個對準(zhǔn)的紊流激勵裝置；并且所述對準(zhǔn)的紊流激勵裝置中的一個的末端部分，跟所述對準(zhǔn)的紊流激勵裝置中的另一個的末端部分隔開。
4.如權(quán)利要求2所述的渦輪葉片，其特征為，所述兩末端部分隔開1e～4e范圍的間隙，其中e為紊流激勵裝置的高度；其中，每一個所述通道的直徑為D，每一個紊流激勵裝置的高度為e，其中e/D比在0.05～0.30范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征為，所述紊流激勵裝置包括一些弧形的斷開板條。
6.如權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征為，所述多個紊流激勵裝置包括沿著從所述根部末端延伸至所述頂部末端的軸線對準(zhǔn)的多個紊流激勵裝置，其中，所述多個紊流激勵裝置隔開一柵距P，每一個所述的紊流激勵裝置的高度為e，P/e比處在5～30范圍內(nèi)。
7.如權(quán)利要求6所述的渦輪葉片，其特征為，所述對準(zhǔn)的紊流激勵裝置包括多對對準(zhǔn)的紊流發(fā)生器，每一對紊流發(fā)生器具有隔開的末端部分，其中，第一對紊流發(fā)生器的所述隔開的末端部分沿軸向與相鄰的多對紊流發(fā)生器的隔開的末端部分對準(zhǔn)。
8.如權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征為，所述紊流激勵裝置包括多個在所述至少一條切入冷卻通道的壁內(nèi)的缺口。
9.如權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征為，所述紊流激勵裝置包括第一組紊流發(fā)生器和與所述第一組紊流發(fā)生器偏移的第二組紊流發(fā)生器。
10.如權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征為，每一個所述的紊流激勵裝置具有一個與從所述頂部末端延伸至所述根部末端的軸線垂直的表面。
11.如權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征為，每一個所述的紊流激勵裝置具有一個與從所述頂部末端延伸至所述根部末端的軸線成30～70°范圍的角度的表面。
12.如權(quán)利要求10所述的渦輪葉片，其特征為，所述紊流激勵裝置包括第一組紊流發(fā)生器，和偏離所述第一組紊流發(fā)生器的第二組紊流發(fā)生器。
13.如權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征為，它還包括從所述根部末端延伸至所述頂部末端的多條冷卻通道，且每一個所述的冷卻通道具有多個所述的紊流激勵裝置。
14.如權(quán)利要求13所述的渦輪葉片，其特征為，每一條所述的冷卻通道內(nèi)的所述多個紊流激勵裝置具有一個與流過所述冷卻流體的流動垂直的表面。
15.如權(quán)利要求13所述的渦輪葉片，其特征為，每一條所述冷卻通道內(nèi)的所述多個紊流激勵裝置具有一個與流過所述冷卻通道的冷卻流體的流動成30～70°范圍的角度的表面。
16.如權(quán)利要求13所述的渦輪葉片，其特征為，在每一條所述冷卻通道內(nèi)的所述多個紊流激勵裝置包括與第二組紊流激勵裝置偏移的第一組紊流激勵裝置。
全文摘要
冷卻改善的一個渦輪葉片具有帶有一個根部末端和一個頂部末端，和在翼面中的至少一個冷卻通道的一個翼面。每一個冷卻通道從該根部末端延伸至該頂部末端，并具有圓形的橫截面。在每一個冷卻通道中設(shè)置多個紊流激勵裝置。每一個紊流激勵裝置為弧形形狀，并外接一個小于180°的圓弧。
文檔編號F01D5/18GK1654783SQ200510051639
公開日2005年8月17日 申請日期2005年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月9日
發(fā)明者B·P·迪布, W·阿布德爾－梅瑟, D·赫爾雷拉, R·佩奇 申請人:聯(lián)合工藝公司