[发明专利]具有非约束性流动转向引导结构的涡轮叶片

说明书

关于联邦资助研究的声明

本发明的研发部分地得到由美国能源部授予的合同No.DE-FC26-05NT42644的支持。因此，在该发明中美国政府对本发明会享有一定的权利。

技术领域

该发明总体上涉及涡轮叶片，更具体地涉及具有冷却回路以引导冷却空气通过叶片翼型的涡轮叶片。

背景技术

常规的燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器和涡轮。压缩机对向燃烧器供应的外界空气进行压缩，被压缩的空气与燃料在燃烧器中结合并且点燃混合物，从而产生形成热工作气体的燃烧产物。工作气体供应至涡轮，其中，气体通过多排成对的静止轮叶和旋转叶片。旋转叶片联结至轴及盘组件。当工作气体膨胀通过涡轮时，工作气体使叶片旋转，并且因此使轴及盘组件旋转。

由于涡轮叶片暴露于热工作气体，因而涡轮叶片必须由能够承受如此高的温度的材料制造。此外，涡轮叶片通常包含冷却系统以延长叶片的寿命并减小由过高的温度造成的故障的可能性。

通常，涡轮叶片包括根部、平台和从平台向外延伸的翼型。翼型通常由梢部、前缘和后缘组成。大部分叶片通常包含形成冷却系统的内部冷却通道。叶片中的冷却通道可以接纳来自于涡轮发动机的压缩机的冷却空气并且使空气通过叶片。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种涡轮叶片，该涡轮叶片包括翼型，翼型包括在叶片平台与叶片梢部之间沿展向延伸的外壁。外壁包括压力侧壁和吸力侧壁，并且压力侧壁和吸力侧壁在翼型的弦向间隔开的前缘和后缘处接合在一起。在压力侧壁与吸力侧壁之间延伸有至少一个分隔肋以限定曲折的冷却路径，曲折的冷却路径具有在叶片平台与叶片梢部之间在展向方向上延伸的相邻的冷却通道。流动转向引导结构在相邻的冷却通道中的每个冷却通道之间围绕所述至少一个分隔肋的端部延伸。流动转向引导结构包括：第一元件，第一元件从压力侧壁延伸至冷却路径中的压力侧壁与吸力侧壁之间的侧向位置；第二元件，第二元件从吸力侧壁延伸至冷却路径中的压力侧壁与吸力侧壁之间的侧向位置；其中，第一元件和第二元件包括在侧向位置处彼此侧向交叠的相应的远端边缘。

流动转向引导结构可以包括与所述至少一个分隔肋径向对准的中央部段，并且在中央部段处、在第一元件与第二元件之间可以限定径向间隙。

侧向交叠量与第一元件和第二元件之间的径向间隙的比率可以在25％至100％的范围内。

中央部段可以包括弓形形状。

流动转向引导结构可以包括位于中央部段的相反两端处的端部部段，其中，端部部段可以与相邻通道中的相应的通道对准。

第一元件和第二元件可以弦向地彼此间隔开以沿着端部部段中的每个端部部段的展向部段限定弦向间隙。

冷却路径中的第一元件和第二元件侧向地交叠的位置可以是压力侧壁与吸力侧壁之间的中间位置。

所述至少一个分隔肋可以是使与前缘相邻的第一冷却通道与第一冷却通道下游的第二冷却通道分开的第一分隔肋，并且流动转向引导结构可以位于第一分隔肋的径向外端部与叶片梢部之间。

第二分隔肋可以设置成将第二冷却通道与第二冷却通道下游的第三冷却通道分开，并且另一流动转向引导结构可以设置成围绕第二分隔肋的径向内端部延伸，其中，第二流动转向引导结构可以包括：第三元件，第三元件从压力侧壁延伸至冷却路径中的压力侧壁与吸力侧壁之间的第二侧向位置；第四元件，第四元件从吸力侧壁延伸至冷却路径中的压力侧壁与吸力侧壁之间的第二侧向位置；其中，第三元件和第四元件包括在第二侧向位置处彼此侧向交叠的相应的远端边缘。

第二流动转向引导结构可以包括弓形的中央部段，该弓形的中央部段具有与第二冷却通道和第三冷却通道中的相应的冷却通道对准的端部部段，并且其中，与第三冷却通道对准的端部部段可以穿过第三冷却通道延伸翼型的展向高度的至少约30％。

根据本发明的另一方面，提供了一种涡轮叶片，该涡轮叶片设置成包括翼型，翼型包括在叶片平台与叶片梢部之间沿展向延伸的外壁。外壁包括压力侧壁和吸力侧壁，压力侧壁和吸力侧壁在翼型的弦向间隔开的前缘和后缘处接合在一起。在压力侧壁与吸力侧壁之间延伸有至少一个分隔肋以限定曲折的冷却路径，曲折的冷却路径具有在叶片平台与叶片梢部之间在展向方向上延伸的相邻的冷却通道。流动转向引导结构围绕所述至少一个分隔肋的端部延伸以将冷却流体流从一个冷却通道引导至另一冷却通道。流动转向引导结构包括第一元件和第二元件，第一元件和第二元件分别从压力侧壁和吸力侧壁朝向彼此延伸，其中，第一元件和第二元件的总侧向高度比在元件的对应位置处、压力侧壁与吸力侧壁之间的流动路径的宽度大。