[发明专利]冷却的涡轮机叶片和用于冷却涡轮机叶片的方法

说明书

技术领域

本发明涉及例如在航空发动机、燃气涡轮机发动机、蒸汽机等中的涡轮机的叶片。更具体地，本发明涉及对涡轮机叶片尖端护罩的冷却。

背景技术

燃气涡轮机发动机包括涡轮机部分，其中热压缩气体膨胀以产生旋转轴功率。涡轮机部分常包括多个交替行的固定轮叶(喷嘴)和旋转叶片(斗叶)。每个旋转叶片具有翼型和将旋转叶片连接到转子的根部。

在某些情况下，在每个涡轮机叶片的径向向外端部上包括一体式尖端护罩，以使得一组叶片在组装时产生限制热压缩气体经过叶片的翼型部分的通路的外表面。包含一体式尖端护罩可趋向于增强涡轮机部分从热压缩气体获得功的能力，从而改进涡轮机发动机的性能。遗憾的是，旋转翼型上的一体式尖端护罩由于这些尖端护罩受到机械和气动力、以及高温环境而高度受力。

为改进涡轮机叶片的使用设计寿命，采用冷却方法。通常，通过从压缩机取得一部分压缩工作流体(例如空气)、并将该压缩工作流体直接传送到涡轮机部分而不会使冷却流体暴露于燃烧器部分中增加的热量，从而来实现叶片冷却。该冷却流体提供加压、并相对冷的流体的来源，该流体很容易流过在涡轮机叶片中形成的通路、并提供对涡轮机叶片的冷却。因此，经常提供径向通路，以将冷却流体从叶片的根部径向向外地运送至叶片的尖端，冷却流体在叶片的尖端被排出。

相应地，本领域技术人员寻求对翼型后缘和尖端护罩具有改进冷却的涡轮机叶片。

发明内容

根据本发明的一个方面，冷却的涡轮机叶片包括：根部，其用于将叶片固定到转子；翼型，其从根部沿着径向轴线延伸；和尖端护罩，其设置在翼型的径向向外端部上。尖端护罩从翼型沿着周向延伸，并且在其自身内限定中心增压室和外围增压室。翼型限定后部翼型冷却通路，后部翼型冷却通路在邻近翼型的后缘部分处径向延伸穿过翼型。翼型还限定后部冷却入口，以将冷却流体的后部流(aft stream)提供至后部翼型冷却通路。翼型还限定至少一个后部冷却出口，以将冷却流体的后部流从后部翼型冷却通路排出到外周增压室。尖端护罩限定至少一个外围增压室排出口(peripheral plenum vent)，以将冷却流体的后部流排出。

所述翼型限定一个或多个中心翼型冷却通路，所述一个或多个中心翼型冷却通路径向延伸穿过所述翼型的中心部分，所述翼型限定中心冷却入口以将冷却流体的中心流提供至所述一个或多个中心翼型冷却通路，并且所述翼型限定至少一个中心冷却出口以将所述冷却流体的中心流从所述一个或多个中心翼型冷却通路排出到所述中心增压室。所述尖端护罩限定至少一个中心增压室冲击孔，以形成冲击冷却流体的流、并将所述冲击冷却流体的流从所述中心增压室引导至目标表面。所述后部翼型冷却通路具有圆形的横截面形状；或者，所述后部翼型冷却通路的横截面形状构造成符合所述翼型的所述后缘部分的外形。

所述后部翼型冷却通路的第一壁与所述翼型的所述后缘部分的压力表面基本平行，所述后部翼型冷却通路的第二壁与所述翼型的所述后缘部分的吸力表面基本平行。所述至少一个中心冷却出口的总横截面积大于所述至少一个中心增压室冲击孔的总横截面积。所述至少一个后部冷却出口的总横截面积大于所述至少一个外围增压室冲击孔的总横截面积。所述目标表面包括位于所述翼型和所述尖端护罩之间的过渡圆角的内壁。所述尖端护罩具有支承表面，以与另一冷却的涡轮机叶片的另一尖端护罩配合。所述至少一个外围增压室排出口设置成与所述支承表面相邻。

根据本发明的另一方面，提供用于冷却涡轮机叶片的方法，涡轮机叶片具有翼型和尖端护罩，尖端护罩从翼型的尖端沿周向延伸。该方法包括在尖端护罩中提供中心增压室和外围增压室，并将冷却流体供应分成中心冷却流和外围冷却流。引导外围冷却流穿过后部翼型冷却通路，后部翼型冷却通路在邻近翼型的后缘部分处径向延伸穿过翼型，以从翼型的后缘部分向外围冷却流传热。引导中心冷却流穿过一个或多个中心翼型冷却通路，中心翼型冷却通路延伸穿过翼型的中心部分，以从中心部分向中心冷却流传热。将外围冷却流从后部翼型冷却通路引导至外围增压室，将中心冷却流从一个或多个中心翼型冷却通路引导至中心增压室。从外围增压室排出外围冷却流，并从中心增压室排出中心冷却流。

该方法还包括将冷却流体的后部流经由后部冷却入口提供至后部翼型冷却通路，并将冷却流体的流从外围增压室经由至少一个外围增压室排出口排出。

所述方法还包括引导所述中心冷却流的至少一部分朝着目标表面穿过至少一个冲击孔。所述方法还包括引导所述外围冷却流的至少一部分朝着目标表面穿过至少一个冲击孔。

根据下列结合附图的详细描述，这些和其他优点和特征将更加显而易见。