[发明专利]使用和改造用于涡轮翼面的膜冷却增强装置的方法

说明书

技术领域

本文所公开的主题大体而言涉及燃气涡轮发动机，且更特定而言，涉及使用和改造其中的膜冷却增强装置的方法。

背景技术

燃气涡轮发动机大体上包括压缩机，其对空气进行加压，空气然后与燃料在燃烧器中混合以生成热燃烧气体。在多个涡轮级中从这些燃烧气体提取能量以向压缩机提供动力并产生有用功，通常通过向飞机涡轮风扇应用中的风扇提供动力，或者通过向海洋、工业和其它应用的输出轴杆提供动力。

燃烧气体沿着涡轮发动机的各个构件流动并向涡轮发动机的各个构件传热。这些热构件部分地由冷却系统冷却，冷却系统在冷却回路中使用由压缩机生成的加压空气的一部分来提供其向热燃烧气体暴露或由此加热的表面的膜冷却，冷却回路延伸到这些构件的表面。膜冷却的涡轮构件包括燃烧器、喷嘴、转子盘、桨叶(blade)、叶片(vane)、护罩、衬套和其它构件。

热燃烧气体最初从燃烧器排放到固定高压涡轮入口，其包括第一级涡轮喷嘴，第一级涡轮喷嘴包括周向间隔开的径向延伸的定子喷嘴叶片阵列，定子喷嘴叶片包括在内带与外带(inner and outer bands)之间延伸的叶片翼面。叶片翼面是部分中空的且形成冷却回路的一部分且包括延伸穿过其侧壁的膜冷却孔的各个行和其它图案用于排放膜冷却空气以在其外表面上形成边界层，特别是在翼面的前边缘和尾边缘。涡轮的其它级还包括类似的喷嘴和叶片阵列。

涡轮的第一级还包括涡轮转子，涡轮转子包括周向间隔开的径向延伸的涡轮转子桨叶阵列，涡轮转子桨叶附连到支承的转子盘的外部。每个桨叶包括部分中空的燕尾榫头部分，其附连到部分中空的涡轮翼面(turbine airfoil)，其中，它们的中空部分形成冷却回路的一部分且包括穿过其侧壁延伸的膜冷却孔的各个行和其它图案用于其外表面的膜冷却，特别是翼面的前边缘和尾边缘。涡轮的其它级还包括类似的转子盘和叶片阵列。

膜冷却孔还存在于典型燃气涡轮发动机的其它构件中且被布置成各种图案，用于促进在直接地或间接地向热燃烧气体暴露的表面上的空气的膜冷却覆盖层(blanket)。膜冷却孔通常布置成线性行，且这些行在横向(laterally)间隔开用于根据需要来分配膜冷却空气，以调节自燃烧气体的局部热负荷并形成冷却空气覆盖层。

典型膜冷却孔是管状的或圆柱形的且由(例如)激光钻孔制成。另一形式的膜冷却孔是扩散孔，其在本技术领域中具有各种构造。在扩散孔中，其出口部分的流动面积从上游入口在下游向后方向上发散或增加用于减小从中的排放速度。示范性扩散孔具有梯形出口和内区(inner land)，梯形出口的侧边缘以合适的小扩散角发散，内区以比穿过孔的入口部分的标称倾斜角更浅的倾斜角与构件外侧表面融合。以此方式，典型扩散孔有效地用于在横向传播所排放的冷却空气射流且局部地提高膜冷却性能。

对于预期热负荷，具体地设计膜冷却孔的构造、数量和图案，包括其截面形状、长度以及与待冷却表面的角度，其在构件之间且在个别构件的外侧表面上不同。一般而言，膜冷却孔的设计(包括大小、形状、图案、位置和其它方面)具有减少从压缩机抽出的膜冷却空气量的目的，这是由于用于膜冷却的这些空气的使用阻止其在燃烧过程中的使用且因此降低了发动机效率。

膜冷却孔的性能受到许多因素的影响，包括其几何形状，包括其表面积；以及在具体构件中的局部条件，包括在膜冷却孔的外侧与内侧之间的压差或压力比，以及在外侧表面上燃烧气体的速度和压力分布。

虽然包括扩散孔的膜冷却孔有用于以上文所述的方式提供膜冷却，但控制膜冷却孔的外侧与内侧之间的压差或压力比和通过它们的空气流动以及邻近该孔的翼面侧壁的对流冷却量的能力大体上被限制为控制孔自身的特征，诸如其位置、间距、大小、形状、方位(即，孔入口相对于冷却回路的方位以及与翼面表面的角度)、数目等，而这受到用于形成它们的制造方法以及其它考虑(诸如翼面的总性能要求)的限制。

因此，希望提供从燃气涡轮发动机构件中利用的膜冷却孔来冷却燃气涡轮发动机构件的改进的方法。

发明内容

根据本发明的一方面，公开了一种使用用于涡轮翼面的膜冷却插入件的方法。该方法包括：形成具有膜冷却孔的翼面侧壁，膜冷却孔在翼面冷却回路与翼面表面之间延伸。该方法还包括形成膜冷却插入件和将膜冷却插入件设置于膜冷却孔中。

根据本发明的另一方面，公开了一种改造(reconstructing)用于涡轮翼面的膜冷却插入件的方法。该方法包括从涡轮翼面的膜冷却孔移除剩余的膜冷却插入件。该方法还包括将第二膜冷却插入件设置于膜冷却孔中。