[发明专利]具有内部冷却通道的涡轮翼型件

说明书

技术领域

本发明一般涉及燃气涡轮发动机，更具体地涉及燃气涡轮发动机中的翼型件的内部冷却系统。

背景技术

通常，燃气涡轮发动机包括用于压缩空气的压缩机、用于将压缩空气与燃料混合并点燃混合物的燃烧室和用于产生动力的涡轮叶片组件。典型的涡轮燃烧室结构将涡轮静叶片和动叶片组件暴露在高温下。因此，涡轮静叶片和动叶片必须由能够承受这样高的温度的材料制成，或者必须包括冷却特征，以使部件能够在超过材料性能的环境中继续使用。涡轮发动机通常包括从壳体径向向内延伸的多排固定式的涡轮静叶片，并且包括多排可转动的涡轮动叶片，该涡轮动叶片附接到用于转动转子的转子组件。

通常，涡轮动叶片和静叶片暴露于加热翼型件的高温燃烧室气体。这些翼型件包括用于降低翼型件的温度的内部冷却系统。内部冷却系统之一被描述为近壁冷却系统。在近壁冷却系统中，内部冷却流被引向靠近待冷却的壁的附近。一些翼型件包括形成近壁冷却通道的四壁设计。冷却空气穿过近壁冷却通道以冷却外壁。然而，由于外壁和内壁之间的工作温度的显著差异，四壁设计具有固有的结构问题。由于外壁受到热气路径空气的影响，而内壁不会被热气路径空气接触并且几乎在冷却空气的温度下工作，因此，与内壁相比，外壁将在明显更高的温度下工作。内壁和外壁之间的工作温度的这种差异在壁中产生高的热应力并且可以极大地限制翼型件的使用寿命。此外，在通过熔模铸造形成的涡轮翼型件中形成多壁构造所需的复杂的芯部是具有挑战性的。因此，需要降低近壁冷却的燃气涡轮翼型件的外壁和内壁之间的热应力，并克服创建复杂冷却系统的挑战。

发明内容

本发明公开了一种具有内部冷却系统的涡轮翼型件，该内部冷却系统具有形成近壁冷却通道的一个或多个囊状件。囊状件可以符合在内部冷却系统内形成腔的内表面的形状。一个或多个间隔肋(standoff rib)可以从形成腔的内表面径向向内延伸，以将囊状件保持在与内表面隔开的位置，使得近壁冷却通道形成在囊状件和内表面之间。近壁冷却通道可以通过将囊状件插入到腔内处于第一可插入位置并且将囊状件膨胀到第二膨胀位置而形成。在至少一个实施方式中，由囊状件形成的腔室可以是不包含作为冷却系统的一部分的冷却流体的死区。

在至少一个实施方式中，涡轮翼型件可以由大致长形的中空翼型件形成，该中空翼型件由外壁形成，并且具有前缘、后缘、压力侧、吸力侧和冷却系统，该冷却系统定位于大致长形的中空翼型件的内部并由一个或多个腔形成。涡轮翼型件可以包括定位于冷却系统的一个或多个腔内的一个或多个囊状件。囊状件可以在囊状件的外表面和形成冷却系统的腔的内表面之间形成一个或多个近壁冷却通道。囊状件可以由连续的非线性壁形成。在至少一个实施方式中，囊状件可以限定作为死区的内部腔室。囊状件可以限定不与冷却系统流体连通的密封的内部腔室，使得冷却流体不能在密封的内部腔室和冷却系统之间进行交换。在其他实施方式中，冷却系统可以构造成控制或限制冷却流体流入囊状件的内部腔室。

涡轮翼型件还可以包括从形成冷却系统的腔的内表面延伸并与囊状件接触的一个或多个间隔肋。特别地，至少一个囊状件的第一部分侧向地邻近囊状件的、与间隔肋的梢端接触的部分，囊状件的第一部分可以被定位成比间隔肋的梢端更靠近形成冷却系统的腔的内表面。囊状件的第二部分可以定位于间隔肋的与第一部分相反的一侧，其中，囊状件的第二部分侧向地邻近囊状件的、与间隔肋的梢端接触的部分，囊状件的第二部分可以位于比间隔肋的梢端更靠近到形成冷却系统的腔的内表面。在至少一个实施方式中，间隔肋可以包括从形成冷却系统的腔的内表面延伸并与囊状件接触的多个间隔肋。囊状件在两个相邻的间隔肋之间可以从第一间隔肋条的梢端朝向形成冷却系统的腔的内表面弯曲到最外侧点，并且可以从最外侧点远离形成冷却系统的腔的内表面弯曲到第二间隔肋的梢端。在具有多个间隔肋的涡轮翼型件的实施方式中，在多个间隔肋中的每个间隔肋之间延伸的囊状件可以从第一间隔肋的梢端朝向形成冷却系统的腔的内表面弯曲到最侧外点，并且可以从最外侧点远离形成冷却系统的腔的内表面弯曲到第二间隔肋的梢端。

在至少一个实施方式中，间隔肋可以被定位成引导近壁冷却通道内的冷却流体。多个间隔肋可以由沿翼展方向延伸的多个蛇形形状的肋形成，并且可以沿翼弦方向偏彼此移。多个间隔肋可以定位成与翼展延伸方向非平行且非正交，并且可以形成为沿翼弦方向延伸的排。