專利名稱：用于冷卻燃氣渦輪轉子葉片的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明大體涉及燃氣渦輪發動機，且更特定而言，涉及用于冷卻燃氣渦輪發動機轉子組件的方法和設備。
背景技術：
渦輪轉子組件通常包括至少一排周向間隔開的轉子葉片。每個轉子葉片包括翼型件，翼型件包括壓力側和吸力側，壓力側和吸力側在前緣和后緣處連接在一起。每個翼型件從轉子葉片平臺徑向向外延伸。每個轉子葉片還包括燕尾件，其從柄部徑向向內延伸，柄部在平臺與燕尾件之間延伸。燕尾件用于將轉子組件內的轉子葉片安裝到轉子盤或線軸(spool)上。已知的葉片為中空的，使得由翼型件、平臺、柄部和燕尾件至少部分地限定內部冷卻腔。為了便于防止翼型件暴露于高溫燃燒氣體而損壞，已知的翼型件包括內部冷卻回路，內部冷卻回路通過翼型件來引導冷卻流體。至少一些已知的高壓渦輪葉片包括內部冷卻腔，其為彎曲的使得冷卻氣體的路徑徑向向外引導到葉片頂端，在葉片頂端處，流動反向且往回徑向向內流向葉片根部。流動可通過根部離開葉片或者流動可被導向至后緣中的孔以允許氣體跨過后緣的表面流動來冷卻后緣。具體而言，至少一些已知的轉子葉片通道壓縮器將空氣抽送到限定于側壁之間的腔內，以對流冷卻側壁。可使用沖擊冷卻來實現額外冷卻，其中沖擊插件通過沖擊噴射口陣列對翼型件前緣的內表面引導冷卻流體以便于沿著前緣來冷卻翼型件。然而，受到制造約束限制的這些回路的效率不高，因為這些回路引導冷卻流體通過腔的中心，在中心處，并未有效地從翼型件的壁移除熱。
發明內容
在一個實施例中，提供了用于燃氣渦輪發動機的翼型件。該翼型件包括第一側壁和第二側壁，第一側壁和第二側壁在前緣和后緣處聯接在一起，使得在它們之間限定腔。中心壓室(plenum)限定于腔內且具有中心壓室壁。沖擊腔室限定于腔內，沖擊腔室大致圍繞中心壓室。中心壓室與沖擊腔室流動連通。在另一實施例中，提供一種燃氣渦輪發動機組件，其包括:壓縮器，燃燒器，以及渦輪，其聯接到壓縮器。渦輪包括翼型件，其包括:第一側壁和第二側壁，其在前緣和后緣處聯接在一起，使得在它們之間限定腔。中心壓室限定于腔內且具有中心壓室壁。沖擊腔室限定于腔內，沖擊腔室大致圍繞中心壓室。中心壓室與沖擊腔室流動連通。在又一實施例中，中心壓室壁包括至少一排沖擊噴射口，該至少一排沖擊噴射口徑向延伸。在又一實施例中，至少一排沖擊噴射口包括從中心壓室壁的內表面延伸到中心壓室壁的外表面的至少一個孔。在又一實施例中，沖擊腔室聯接到至少一排膜冷卻孔，該至少一排膜冷卻孔徑向延伸。
在又一實施例中，燃氣渦輪發動機組件還包括聯接到中心壓室的冷卻流體源。在又一實施例中，提供了一種制作用于燃氣渦輪發動機的轉子葉片的方法，其中，該轉子葉片包括翼型件，其具有第一側壁和第二側壁，第一側壁和第二側壁在前緣和后緣處聯接在一起，使得在它們之間限定腔。該方法包括:在該腔內形成中心壓室，中心壓室具有中心壓室壁；以及形成沖擊腔室，其大致圍繞中心壓室，中心壓室與沖擊腔室流動連通。在又一實施例中，方法還包括形成聯接到中心壓室壁以及第一側壁和第二側壁中的一個的至少一個支柱。在又一實施例中，形成至少一個支柱包括將至少一個支柱布置為至少一排支柱。在又一實施例中，方法還包括在中心壓室壁內形成至少一排沖擊噴射口。在又一實施例中，方法還包括在第一側壁內形成至少一排膜冷卻孔，該至少一排膜冷卻孔聯接到沖擊腔室。在又一實施例中，方法還包括在第二側壁內形成至少一排膜冷卻孔，該至少一排膜冷卻孔聯接到沖擊腔室。
圖1為示例性燃氣渦輪發動機的示意 圖2為可用于圖1所示的燃氣渦輪的示例性轉子葉片的透視 圖3為圖2所示的轉子葉片的一部分且沿著線I所截取的透視圖；以及 圖4為圖2所示的轉子葉片且沿著線I所截取的截面圖。部件列表
10 燃氣渦輪發動機 12 風扇組件 14 高壓壓縮器 16 燃燒器 18 高壓渦輪 20 低壓渦輪 22 升壓器(booster)
24 風扇葉片 26 轉子盤 28 進氣側 30 排氣側 40 轉子葉片
42翼型件
43燕尾件
44第一側壁 46 第二側壁 48 前緣
50后緣
51膜孔(film hole) 52葉片根部
53外表面
54翼型件頂端
55后緣槽
56腔
58中心壓室
60沖擊腔室
62內表面
64外表面
66中心壓室壁
68支柱
70第一排支柱
72第二排支柱
80孔。
具體實施例方式圖1為燃氣渦輪發動機10的示意圖，燃氣渦輪發動機10包括風扇組件12、高壓壓縮器14和燃燒器16。發動機10還包括高壓渦輪18、低壓渦輪20以及升壓器22。風扇組件12包括從轉子盤26徑向向外延伸的風扇葉片24的陣列。發動機10具有進氣側28和排氣側30。在一個實施例中，發動機10為可購自Cincinnati, Ohio的General ElectricAircraft Engines 的 CT7 發動機。在操作中，空氣流過風扇組件12并且壓縮空氣被供應到高壓壓縮器14。高度壓縮的空氣輸送到燃燒器16。來自燃燒器16的空氣流(在圖1中未圖示)驅動渦輪18和20，且渦輪20驅動風扇組件12。圖2為可用于燃氣渦輪發動機10 (在圖1中示出)的轉子葉片40的透視圖。圖3為轉子葉片40的一部分且沿著線I所截取的透視圖。圖4為沿著線I所截取的轉子葉片40的截面圖。在一個實施例中，多個轉子葉片40形成燃氣渦輪發動機10的高壓渦輪轉子葉片級(未圖示)。每個轉子葉片40包括中空翼型件42和整體燕尾件43，整體燕尾件43用于將翼型件42以已知的方式安裝到轉子盤(未圖示)上。翼型件42包括第一側壁44和第二側壁46。第一側壁44為凸出的且限定翼型件42的吸力側，且第二側壁46為凹入的且限定翼型件42的壓力側。側壁44和46在翼型件42的前緣48和軸向間隔開的后緣50處連接在一起，后緣50在前緣48的下游。翼型件42包括多個膜孔51，多個膜孔51沿著側壁44和46徑向間隔開且在翼型件頂端54與葉片根部52之間，用于從翼型件42排放冷卻流體以便于冷卻翼型件42的外表面53。膜孔51可具有能使翼型件41如本文所述起作用的任何數量或者在第一側壁44和第二側壁46上的任何位置。翼型件42還包括沿著后緣50在翼型件頂端54與葉片根部52之間徑向間隔開的多個后緣槽55，以從翼型件42排出冷卻流體以便于冷卻翼型件后緣50。由膜孔51和后緣槽55增強的傳熱便于沿著翼型件外表面53的冷卻。第一側壁44和第二側壁46分別從鄰近燕尾件43定位的葉片根部52徑向延伸到翼型件頂端54，翼型件頂端54限定內腔56的徑向外邊界。腔56在側壁44與46之間限定于翼型件42內。在示例性實施例中，腔56被分成中心壓室58和沖擊腔室60。中心壓室58具有內表面62和外表面64,內表面62與外表面64 —起限定中心壓室壁66。中心壓室58從葉片根部52徑向向外延伸到翼型件頂端54且與位于發動機10內的冷卻流體源(未圖示)流動連通。備選地，中心壓室可沿翼型件42的一部分從葉片根部52延伸到翼型件頂端54。一個或多個支柱68從中心壓室壁66延伸通過沖擊腔室60到第一側壁44和第二側壁46。支柱68支承中心壓室壁66且允許沖擊腔室60大致圍繞中心壓室58。在示例性實施例中，一排支柱70將中心壓室壁66聯接到第一側壁44，且第二排支柱72將中心壓室壁66聯接到第二側壁46。備選地，任意數量的支柱68，無論成排地或以其它方式布置，可將中心壓室壁66聯接到第一側壁44和第二側壁46。在示例性實施例中，第一排支柱70和第二排支柱72各包括至少一個支柱68。在排70和72中的每個支柱68大致與相鄰支柱68對準，使得排70和72各以直線或大致直線從葉片根部52徑向延伸到翼型件頂端54。備選地，每個支柱68可具有能使得翼型件42如本文所述起作用的任何方位、布置、間隔、大小、長度和/或幾何形狀。至少一個孔80或沖擊噴射口從內表面62延伸到外表面64。孔80將中心壓室58流體地聯接到沖擊腔室60且便于冷卻第一側壁44和第二側壁46。在示例性實施例中，六排孔80形成于中心壓室壁66中，如圖3和圖4所示的那樣。每排孔80從葉片根部52以直線、大致直線或弓形布置延伸到翼型件頂端54。每排具有至少一個孔80。備選地，中心壓室壁66可具有任意數量的孔80或任意排孔80，且每個孔80或每排孔80可具有能使得翼型件42如本文所述起作用的任何方位、布置、間隔、大小、長度和/或幾何形狀。膜冷卻孔51形成于側壁44和46中且聯接到沖擊腔室60，使得在沖擊腔室60中的冷卻流體可從翼型件42排放。沖擊腔室60也可經由一個或多個通道(未圖示)聯接到后緣槽55，以便于從沖擊腔室60和翼型件42排放冷卻流體。在操作期間，來自冷卻流體源的冷卻流體，通常為空氣，引導到中心壓室58。冷卻流體從葉片根部52流動通過中心壓室58朝向翼型件頂端54且經由孔80直接沖擊到沖擊腔室60內。更具體而言，冷卻流體沖擊到第一側壁44和第二側壁46內，由此冷卻第一側壁44和第二側壁46。冷卻流體從沖擊腔室60和翼型件42經由膜冷卻孔51和后緣槽55排放。上文所述的轉子葉片是節約成本且高度可靠的。轉子葉片包括翼型件，翼型件具有中心壓室和沖擊腔室。采用多種冷卻技術，諸如沖擊冷卻和近壁冷卻來冷卻翼型件的外側壁。中心壓室和沖擊腔室的布置提供冷卻流體的改進流動，與已知的翼型件相比，其便于更均勻地冷卻翼型件的外側壁。由于制作技術的進步而能做出這種布置。例如，本文所述的轉子葉片可通過熔模鑄造而產生，從而得到單晶定向凝固或等軸葉片。本文所述的實施例提供了改進的冷卻效率和剛度及重量特征。因此，在轉子葉片內更冷的操作溫度便于以節約成本且可靠的方式來延長轉子葉片的使用壽命。雖然關于各種具體實施例而描述了本發明，但是本領域技術人員應認識到在權利要求的精神和范圍內在實踐本發明時可做出修改。
權利要求
1.一種用于燃氣渦輪發動機(10)的翼型件(42)，所述翼型件包括: 第一側壁(44)和第二側壁(46)，所述第一側壁和第二側壁在前緣(48)和后緣(50)處聯接在一起，使得在它們之間限定腔(56)； 中心壓室(58)，其限定于所述腔內，所述中心壓室具有中心壓室壁￠6);以及 沖擊腔室(60)，其限定于所述腔內，所述沖擊腔室大致圍繞所述中心壓室，所述中心壓室與所述沖擊腔室流動連通。
2.根據權利要求1所述的翼型件(42)，其特征在于，還包括:至少一個支柱(68)，所述至少一個支柱聯接到所述中心壓室壁￠6)以及所述第一側壁(44)和第二側壁(46)中的一個。
3.根據權利要求2所述的翼型件(42)，其特征在于，所述至少一個支柱(68)布置成至少一排(70)支柱。
4.根據權利要求1所述的翼型件(42)，其特征在于，所述中心壓室壁(66)包括至少一排沖擊噴射口(80)，所述至少一排沖擊噴射口徑向延伸。
5.根據權利要求4所述的翼型件(42)，其特征在于，所述至少一排沖擊噴射口(80)包括至少一個孔，所述孔從所述中心壓室壁￠6)的內表面￠2)延伸到所述中心壓室壁的外表面(64) ο
6.根據權利要求1所述的翼型件(42)，其特征在于，所述沖擊腔室(60)聯接到至少一排膜冷卻孔(51)，所述至少一排膜冷卻孔徑向延伸。
7.根據權利要求1所述的翼型件(42)，其特征在于，還包括:冷卻流體源，其聯接到所述中心壓室(58)。
8.一種燃氣渦輪發動機(10)組件，包括: 壓縮器(14)； 燃燒器(16);以及 渦輪(18)，其聯接到所述壓縮器，所述渦輪包括翼型件(42)，所述翼型件包括: 第一側壁(44)和第二側壁(46)，所述第一側壁和第二側壁在前緣(48)和后緣(50)處聯接在一起，使得在它們之間限定腔(56)； 中心壓室(58)，其限定于所述腔內，所述中心壓室具有中心壓室壁￠6);以及 沖擊腔室(60)，其限定于所述腔內，所述沖擊腔室大致圍繞所述中心壓室，所述中心壓室與所述沖擊腔室流動連通。
9.根據權利要求8所述的燃氣渦輪發動機(10)組件，其特征在于，還包括:至少一個支柱(68)，所述至少一個支柱聯接到所述中心壓室壁￠6)以及所述第一側壁(44)和第二側壁(46)中的一個。
10.根據權利要求9所述的燃氣渦輪發動機(10)組件，其特征在于，所述至少一個支柱(68)布置成至少一排(70)支柱。
全文摘要
本發明涉及用于冷卻燃氣渦輪轉子葉片的方法和設備。提供一種用于燃氣渦輪發動機(10)的翼型件(42)，其包括第一側壁(44)和第二側壁(46)，該第一側壁(44)和第二側壁(46)在前緣(48)和后緣(50)處聯接在一起，使得在它們之間限定腔(56)。中心壓室(58)和沖擊腔室(60)限定于該腔內。中心壓室將冷卻流體引導至沖擊腔室，在沖擊腔室中，冷卻流體沖擊側壁。冷卻流體經由膜冷卻孔(80)從沖擊腔室排放。
文檔編號F01D5/18GK103089326SQ20121042637
公開日2013年5月8日 申請日期2012年10月31日 優先權日2011年10月31日
發明者D.G.科尼策爾, M.W.馬魯斯科, M.W.貝爾, 楊熙, J.H.迪恩斯, B.D.普熱斯勞斯基, A.D.W.蒂爾 申請人:通用電氣公司