專利名稱：渦輪覆環不對稱的冷卻元件的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及燃氣輪發動機，尤其，涉及冷卻的渦輪覆環和冷卻覆環的沖擊擋板。
背景技術：
在燃氣輪發動機中，空氣在壓縮機內加壓，在燃燒室內與燃料混合，并被點燃以產生通過一個或多個從其中提取能量的渦輪級流向下游的熱燃燒氣體。高壓渦輪(HPT)首先接收來自燃燒室的燃燒氣體，并從其中提取能量從而給壓縮機以動力。在通常的航空器燃氣輪發動機的應用中，HPT下游的低壓渦輪(LPT)提取額外的能量以提供用于驅動壓縮機上游的風扇的輸出能量。在工業的或航海燃氣輪發動機中，該LPT驅動輸出軸以給輪船的發電機或推進器提供動力。軸也可以被用于驅動直升機的或噴氣機發動機螺旋槳的推進器。
該HPT包括一個固定式透平噴嘴，具有多個環狀分離布置的定子葉片的或控制從燃燒室中燃燒氣體釋放量的渦輪噴嘴。該HTP還包括至少一個轉子級，它具有多個從轉盤上徑向向外延伸的沿圓周間隔布置的渦輪轉子葉片。這些葉片包括多個翼面，用來接收從噴嘴釋放的燃燒氣體并從其中提取能量以依次旋轉葉輪和壓縮機。這些翼面通常為中空的，且其中還包括內部冷卻回路，從壓縮機中排出的壓縮空氣的一部分通過該回路被引導用于冷卻葉片。
環繞轉子葉片的是一個固定連接到包圍著的定子外殼上的環狀渦輪覆環。該覆環靠近葉片頂部的頂端懸掛，以在其間提供一個小的縫隙或頂端間隙。頂端間隙盡可能地小，使得在把通過此處的燃燒氣體泄漏數量減到最小以發揮發動機的最大工作效率的操作過程中，在此提供一個有效地流體密封。然而，由于轉子葉片和包圍著的渦輪覆環的不同的熱膨脹和收縮，葉片頂端不時與覆環內表面產生摩擦，導致磨損。
因為葉片頂端在轉子葉片的徑向最遠端并且直接暴露于熱燃燒氣體，所以它們很難冷卻，因此葉片的壽命受到限制。葉片頂端通常呈翼面的壓力側和負壓側的聲響器凸緣延伸部的形式，從頂板面向外延伸。冷卻空氣在該頂板面下流通，通過傳導冷卻該凸緣，膜狀冷卻孔可以穿過該頂板面，以膜狀冷卻該暴露的凸緣。
因為渦輪覆環也是暴露于熱燃燒氣體的，它也是通過從壓縮機排出壓縮空氣的一部分來冷卻，通常是對著渦輪覆環的徑向外表面被引導以沖擊冷卻。渦輪覆環通常還包括徑向延伸穿過其中的膜態冷卻孔，其出口在覆環徑向內表面上，冷卻空氣從這里得以排放到膜態中，以冷卻覆環的內表面。
覆環的沖擊冷卻也得到使用。擋板結合沖擊冷卻孔以把冷卻空氣對準覆環的背面或徑向外表面，以在那里獲得沖擊冷卻。相對大數量的沖擊冷卻空氣通常被要求進行有效的沖擊冷卻，這就減弱了發動機的效率。冷卻空氣使用來自發動機的動能，因此導致發動機用更多的燃料。沖擊冷卻空氣通常被供給到一個徑向鄰近覆環的壓力腔中。通過進氣口供給冷卻空氣。沖擊孔通常相對于弓形覆環部分的旋轉軸線和對應的擋板在圓周上對稱方式排列，從而，通過覆環大致均勻地沿圓周方向排出冷卻空氣。
在高壓渦輪中，溫度不總是沿圓周方向是均勻的并且靜態的部件，如渦輪覆環，在流道中能夠經歷熱條紋。這些熱條紋的產生是由于燃燒室燃燒器的布置，也由于它們相對于靜態渦輪噴嘴翼面的設置。來自上游渦輪噴嘴翼面的尾流壓力能通過減弱局部壓力梯度來局部減小靜態部件尾流區域中的膜態和對流冷卻，從而減弱了膜態冷卻空氣的流動。在高壓區域內，尾流壓力還可以導致在覆環前部端面和上游噴嘴之間冷卻空氣的泄流的減少，進一步升高該區域內覆環前緣的局部溫度。這種影響對新的高性能噴嘴特別嚴重，這些噴嘴是結合3-D空氣動力學設計的，且以在流道邊緣具有更急劇的壓力梯度為特征。局部熱區域會導致整個部件的氧化和最終的燃燒。這會導致部件的過早損壞和/或檢修時的高報廢率。
理想的是提供一種適應圓同上熱量梯度的渦輪覆環冷卻系統，并使得冷卻空氣流的數量、發動機效率的損失和燃料消耗減到最小。
發明內容
如覆環部分或擋板的渦輪覆環裝置不對稱冷卻元件包括弓形底板。該底板具有多個穿過該底板延伸的冷卻孔和平行于該弓形底板旋轉軸線的底板的軸向延伸中線。冷卻孔的對稱部分具有對稱的孔入口密集度，其相對于軸向延伸產中線對稱。冷卻孔的不對稱部分具有不對稱的孔入口密集度，其相對于軸向延伸中線不對稱。
示例性的冷卻元件包括冷卻孔的高密集度區域，在不對稱部分比對稱部分具有更高的孔入口密集度。不對稱部分的冷卻孔的低密集度區域比冷卻孔的對稱區域部分具有更低的孔入口密集度。底板的示范性實施例包括被設置在弓形底板尾流區域中的冷卻孔的高密集度區域。
渦輪覆環裝置及其不對稱冷卻元件，如覆環部分和擋板，由于其相對于靜態渦輪噴嘴翼面的設置而減少了圓周上的熱條紋的程度。該不對稱冷卻元件由于其在來自上游渦輪噴嘴翼面的尾流壓力的尾流區域中的設置從而減少了環形熱條紋的程度。該不對稱冷卻元件在靜態部件的尾流區域內通過減少局部壓力梯度來局部地調整膜態和對流冷卻，從而提高尾流區域內的膜態冷卻空氣流。
該不對稱冷卻元件減少了熱量，這是由于尾流壓力導致高壓區域內覆環前部端面和上游噴嘴之間的冷卻空氣泄流的減少。因而，該不對稱冷卻元件減少或消除局部熱區域，并阻止或延緩了整個部件的氧化和最終的燃燒，而且還可以阻止或延緩部件的過早損壞和/或檢修中的高報廢率。該不對稱冷卻元件提供一種適應圓周上熱量梯度的渦輪覆環，并使得冷卻空氣流的數量、發動機效率的損失和燃料消耗減到最小。
附圖簡述本發明的前述方面和其它特征將通過下面與附圖相關的說明得到解釋
圖1示出了具有覆環冷卻孔不對稱形式的覆環冷卻裝置的燃氣輪發動機高壓渦輪部分的軸向剖視圖。
圖2示出了渦輪噴嘴和圖1中所示高壓渦輪部分的下游覆環部分的平面視圖。
圖3示出了圖2所示的擋板及其沿線3-3做出的平面視圖。
圖4示出了圖2中所示的覆環部分及其沿線44做出的平面視圖。
本發明詳述圖1橫截面中圖解的是燃氣渦輪發動機高壓渦輪部件8的一部分，渦輪覆環裝置10設置成緊密地徑向環繞渦輪葉片12。渦輪噴嘴14包括多個附于外帶18上的固定翼片16，用于引導中心發動機氣體流20從燃燒室(未示出)穿過高壓渦輪部分。覆環裝置10包括一個具有環狀排列的弓形覆環部分22的環狀覆環11，其被環狀排列的弓形懸架部分24固定并支撐在適當的位置上，所有這些都環繞發動機中心軸線9沿圓周方向設置。該弓形懸架部分24依次受發動機外殼26的支撐。
每個懸架部分24包括一個前部或上游橫條28和一個尾部或下游橫條30和一個在它們之間的機身底板32。該上游橫條28有一個向后延伸的尾部法蘭34，其徑向重疊了由外殼26安裝向前延伸的框架法蘭36。同樣，該下游橫條30有一個向后面延伸的尾部法蘭40，與一個向前延伸的外殼法蘭42徑向重疊，以支撐源自發動機外殼26的懸架部分24。
參看圖1和2，每個覆環部分22，另一個渦輪覆環裝置不對稱冷卻元件25，具有一個分別帶有徑向向外延伸的前部和尾部橫條46和48的座部44。該前部和尾部橫條46和48通過徑向向外延伸且成角度的間隔布置的側橫條50連接在一起，形成覆環部分空腔52。該覆環部分前部橫條46有一個向前延伸的法蘭54，其在從尾部法蘭34徑向向內的位置上覆蓋了從懸架部分前部橫條28向后延伸的后部法蘭56。懸架法蘭58從懸架部分尾部橫條30處于從法蘭40徑向向內的位置上向后延伸，并被容納在與下墊法蘭60相連的重疊中，該下墊法蘭60通過一個具有C形截面部分的環狀定位環62從覆環部分尾橫條48向后延伸。
以盤形擋板68形式的渦輪覆環裝置不對稱冷卻元件25，通過如銅焊的合適方式在其邊70上附于懸架部分24，且成角度地分開布置，以此使得每個擋板被中心地設置在每個覆環部分空腔52內。覆環腔138被徑向放置，并被限定在每個懸架部分24和座部44之間。從而，每個擋板68在覆環腔138內通過固定擋板的懸架部分限定擋板壓力腔72。每個懸架部分可以安裝一定數量的，如三個，覆環部分和擋板部分，其包括相應數量，如三個，在圓周上間隔設置的擋板68，一個擋板68與每個覆環部分連接。然后，每個擋板壓力腔72提供相應數量的擋板和覆環部分。該擋板68包括鄰接底壁69的側壁71。
從直接在燃燒室前面的壓縮機(未示出)的輸出中提取的高壓覆環冷卻空氣77，被發送到環狀噴嘴壓力腔74中，冷卻空氣從這里通過位于懸架部分前橫條28內的測量孔被供應到每個擋板壓力腔中。測量孔76運送高壓冷卻氣體77直接從噴嘴壓力腔74到擋板壓力腔72，以將泄漏損失減到最小。高壓冷卻氣體77從擋板壓力腔通過擋板68的底壁69內的沖擊冷卻孔78，像沖擊冷卻氣流79那樣沖擊在覆環部分座部44的徑向外背面81上。底壁69是擋板68的弓形底板100。每個底板100包括相反軸向間隔布置的前部和尾部端104和106，并且被限定在與發動機中心軸線線9呈聯合線性的旋轉軸線102附近。每個底板100包括一條平行于旋轉軸線102的軸向延伸中線112。
然后，冷卻空氣77徑向向內流動進入并穿過多個軸向成角度延長的對流冷卻孔80，以提供覆環的對流冷卻，該對流冷卻孔80穿過覆環部分座部44。該對流冷卻中孔80包括在背面81上的對流孔入口120和在覆環部分座部44的徑向內部前表面89上的孔出口137。該覆環部分座部44也是覆環部分22的弓形底板100，并且被限定在旋轉軸線102的周圍，包括平行于旋轉軸線102的軸向延伸中線112。向前放置的對流冷卻孔80的第一部分93相對于發動機中心軸線線9軸向成角度的向前或上游91，向后放置的對流冷卻孔80的第二部分95相對于發動機中心軸線9軸向成角度的向后或下游83。
對流冷卻孔80的第三部分97，可以包括或可以不包括所有的第一部分93，也可以相對于座部44的中線112以順時針方向87沿圓周方向成角度。對流冷卻孔80的第四部分99也可以相對于座部44的中線112以逆時針方向85環狀地成角度，平行于發動機中心軸線9，如圖4所示。總的來說，該對流冷卻孔80的第三部分97從中線112以順時針方向87設置而對流冷卻孔80的第四部分99從中線112以逆時針方向85設置。對流冷卻孔80的安裝角的調節增加了提供給座部44的對流冷卻數量。一旦從對流冷卻孔80通道出來，冷卻空氣77帶著主氣流徑向沿著覆環部分22的內表面89向后或下游流動，以膜態冷卻覆環。
來自渦輪噴嘴14的翼片16的尾流壓力可以通過減少局部壓力梯度來局部地減少下游靜態部分如覆環部分22的尾流區域134中的膜態和對流冷卻，如圖2所示，從而減少穿過如圖2所示的對流冷卻孔80的冷卻空氣流77。這降低了對流和膜態冷卻的效用。尾流壓力也可以引起覆環部分22徑向前端面45和上游渦輪噴嘴14之間的冷卻空氣的泄流在高壓區域中被減少，進一步提高了覆環前緣在這個區域內的局部溫度。這種影響對新的高性能噴嘴特別嚴重，這些噴嘴是結合3-D空氣動力學設計的，且以在流道邊緣具有更急劇的壓力梯度為特征。局部熱區域會導致整個渦輪部件如該區域內的覆環的氧化和最終的燃燒。這會導致部件的過早損壞和/或檢修時的高報廢率。
擋板68的弓形底板100內的沖擊冷卻孔78和穿過覆環座部部分44或該覆環部分22的弓形底板100的對流冷卻孔80包括冷卻孔78和80的對稱和不對稱部分110和116。該對稱部分110有冷卻孔78和80孔入口120的對稱密集度，其相對于軸向延伸的中線112對稱。該冷卻孔78和80的不對稱部分116有冷卻孔78和80孔入口120的不對稱密集度，其相對于軸向延伸中線112不對稱。冷卻元件25可以包括不對稱部分116中的冷卻孔78和80的高密集度區域130，其中高密集度區130具有比對稱部分110中的孔入口密集度高的孔入口120密集度，如圖3和4所示。冷卻元件25的其他實施例可以包括在不對稱部分116中的冷卻孔78和80的低密集度區域132，在不對稱部分116中具有比冷卻孔78和80的對稱區域110中的孔入口密集度低的孔入口120密集度。在此舉例說明的底板100的示范性實施例包括設置在弓形底板100的尾流區域134內的冷卻孔78和80的高密集度區域130。
在此示例性舉例說明的孔入口密集度變化是通過冷卻孔的平均對稱方式和沿行148平均間隔分布的孔入口120來實現的。高密集度區域130具有冷卻孔提高的數量或密集度，它們的孔入口120可以通過在均勻分布的行148之間添加冷卻孔150及其孔入口120來形成。低密集度區域132具有冷卻孔減少的數量或密集度，孔入口120可以通過從均勻分布的行148移開冷卻孔及其孔入口120來形成。既在高密集度區域130內添加冷卻孔，又在低密集度區域132內移開冷卻孔，從而保持了流向覆環的總流量，同時適應覆環周圍壓力下降和高溫的環形變化，阻止覆環上沿渦輪噴嘴高尾流壓力的熱條紋。
盡管在此已經對本發明優選和示例性的實施例進行了描述，但是，根據這些說明對發明做出的其它改進對于本領域技術人員來說也是顯而易見的，因此，希望確保所有落在本發明實際精神和范圍中的改進都在所附權利要求書中得到了保護。
各部份列表8.燃氣輪發動機高壓渦輪部分9.發動機中心軸線10.覆環裝置11.環形覆環12.渦輪葉片14.渦輪噴嘴16.固定翼片18.外帶20.中心發動機氣流22.覆環部分24.懸架部分25.冷卻元件26.外殼28.前部或上游橫條30.尾部或下游橫條32.機身底板34.尾部法蘭36.機殼法蘭40.尾部法蘭42.外殼法蘭44.座部45.徑向前端面46.前部橫條48.尾部橫條50.側橫條52.覆環部分腔54.向前延伸法蘭56.后部法蘭58.懸架法蘭
60.下墊法蘭62.保持環68.擋板70.邊緣72.擋板壓力腔74.環形壓力腔76.測量孔77.高壓覆環冷卻空氣78.沖擊冷卻孔79.冷卻氣流80.對流冷卻孔81.外背面83.下游或向后85.順時針方向87.逆時針方向89.徑向內表面91.上游或向前93.第一部分95.第二部分97.第三部分99.第四部分100.弓形底板102.旋轉軸線104.前端或上游端106.后端或下游端110.對稱部分112.中線116.不對稱部分120.孔入口130.高密集度區
132.低密集度區134.尾流區域137.孔出口138.覆環室148.行150.附加冷卻孔
權利要求
1.一種渦輪覆環組件冷卻元件(25)，包括一個圍繞旋轉軸線(102)限定的弓形板(100)，且具有相反的軸向間隔的前端和后端(104和106)；多個穿過該板(100)的冷卻孔(78和80)；平行于旋轉軸線(102)的底板(100)的軸向延伸中線(112)；具有對稱的孔入口(120)密集度的冷卻孔(78和80)的對稱部分(110)，相反軸向延伸中線(112)對稱；具有不對稱的孔入口(120)密集度的冷卻孔(78和80)的不對稱部分(116)，相對于軸向延伸中線(112)不對稱。
2.如權利要求1所述的冷卻元件(25)，其特征在于還包括一個處于冷卻孔(78和80)的不對稱部分(116)中的冷卻孔(78和80)高密集度區域(130)，該高密集度區域(130)具有比冷卻孔(78和80)的對稱部分(110)中的孔入口密集度高的孔入口(120)密集度。
3.如權利要求2所述的冷卻元件(25)，其特征在于還包括一個處于冷卻孔(78和80)的不對稱部分(116)中的冷卻孔(78和80)低密集度區域(132)，該低密集度區域(132)具有比冷卻孔(78和80)的對稱部分(110)中的孔入口密集度低的孔入口(120)密集度。
4.如權利要求1所述的冷卻元件(25)，其特征在于還包括一個處于弓形板(100)的尾流區域(134)中的冷卻孔(78和80)高密集度區域(130)。
5.如權利要求4所述的冷卻元件(25)，其特征在于還包括一個處于冷卻孔(78和80)的不對稱部分(116)中的冷卻孔(78和80)高密集度區域(130)，該高密集度區域(130)具有比冷卻孔(78和80)的對稱部分(110)中的孔入口密集度高的孔入口(120)密集度。
6.如權利要求5所述的冷卻元件(25)，其特征在于還包括一個處于冷卻孔(78和80)的不對稱部分(116)中的冷卻孔(78和80)低密集度區域(132)，該低密集度區域(132)具有比冷卻孔(78和80)的對稱部分(110)中的孔入口密集度低的孔入口(120)密集度。
7.如權利要求1所述的冷卻元件(25)，其特征在于該冷卻元件(25)為一擋板(68)，這些冷卻孔為沖擊孔(78)。
8.如權利要求7所述的冷卻元件(25)，其特征在于還包括一個處于沖擊孔(78)的不對稱部分(116)中的沖擊孔(78)高密集度區域(130)，該高密集度區域(130)具有比沖擊孔(78)的對稱部分(110)中的孔入口密集度更高的孔入口(120)密集度。
9.如權利要求8所述的冷卻元件(25)，其特征在于還包括一個處于沖擊卻孔(78)的不對稱部分(116)中的沖擊孔(78)低密集度區域(132)，該低密集度區域(132)具有比沖擊孔(78)的對稱部分(110)中的孔入口密集度更低的孔入口(120)密集度。
10.如權利要求1所述的冷卻元件(25)，其特征在于該冷卻元件(25)為一覆環部分(22)，該弓形底板(100)為一座部(44)，這些冷卻孔為對流冷卻孔(80)。
11.一種渦輪覆環裝置(10)，包括多個圍繞發動機中心軸線線(9)沿圓周配置的弓形覆環部分(22)，每個覆環部分(22)包括一個底部(44)，該座部具有一徑向外背面(81)、一徑向內前面(89)和相反的軸向間隔的上游端和下游端(104和106)；多個穿過座部(44)的成角度延長的對流冷卻孔(80)，冷卻孔入口(120)處在背面(81)上，冷卻孔出口(137)處在徑向內前面(89)上；支撐該覆環部分(22)并被固定于燃氣輪機外殼(26)上的多個弓形懸架部分(24)；一個被徑向配置于每個懸架部分(24)和座部(44)之間的覆環腔(138)；一個被徑向配置于每個懸架部分(24)和座部(44)之間的覆環腔(138)內的盤形擋板(68)，在覆環腔(138)內沿擋板(68)徑向向外限定一擋板壓力腔(72)；至少一個穿通每個懸架部分(24)并通至擋板壓力腔(72)的測量孔(76)；多個具有穿通擋板(68)的底板(100)的沖擊孔入口(120)的沖擊孔(78)，大致朝向座部(44)定向，底板(100)和座部(44)徑向間隔，并大致與座部(44)同心；底板(100)和座部(44)的平行的軸向延伸的中心線(112)，這些中線(112)平行于發動機中心軸線(9)；具有不對稱的孔入口(120)密集度的冷卻孔(78和80)的不對稱部分(116)，相對于軸向延伸的中線(112)對稱。
12.如權利要求11所述的渦輪覆環組件(10)，其特征在于還包括一個處于沖擊孔(78)的不對稱部分(116)中的沖擊孔(78)高密集度區域(130)，該高密集度區域(130)具有比沖擊孔(78)的對稱部分(110)中的孔入口密集度較高的孔入口(120)密集度。
13.如權利要求12所述的渦輪覆環組件(10)，其特征在于還包括一個處于沖擊卻孔(78)的不對稱部分(116)中的沖擊孔(78)低密集度區域(132)，該低密集度區域(132)具有比沖擊孔(78)的對稱部分(110)中的孔入口密集度較低的孔入口(120)密集度。
全文摘要
一種包括一弓形底板(100)的渦輪覆環裝置不對稱冷卻元件(25)如覆環部分(22)或擋板(68)。該弓形底板(100)具有多個延伸穿過底板(100)的冷卻孔(78和80)，和平行于弓形底板(100)的旋轉軸線(102)的底板(100)軸向延伸中線(112)。冷卻孔(78和80)的對稱部分(110)具有孔入口(120)對稱密集度，其相對于軸向延伸中線(112)對稱。冷卻孔(78和80)的不對稱部分(116)具有孔入口(120)不對稱密集度，其相對于軸向延伸中線(112)不對稱。一個示范性的冷卻元件(25)包括一個位于不對稱部分(116)的冷卻孔(78和80)高密集度區域(130)，其具有比冷卻孔(78和80)的對稱部分(110)較高的孔入口(120)密集度。不對稱部分(116)的冷卻孔(78和80)低密集度區域(132)具有比冷卻孔(78和80)的對稱部分(110)較低的孔入口(120)密集度。
文檔編號F01D11/08GK1644891SQ20041010232
公開日2005年7月27日 申請日期2004年11月24日 優先權日2003年11月24日
發明者C·C·羅維, A·C·波維斯, J·P·克拉克 申請人:通用電氣公司