專利名稱：渦輪翼型件及對渦輪翼型件進行薄膜冷卻的方法
技術領域：
本申請總體涉及燃氣渦輪發動機，并且更具體地，涉及用于對燃氣渦輪發動機內所使用的翼型件進行薄膜冷卻的方法和裝置。
背景技術：
燃氣渦輪發動機典型地包括壓縮機、燃燒器、和渦輪。對進入壓縮機的空氣流進行壓縮并且將經過壓縮的空氣流引導至燃燒器，在燃燒器處，壓縮空氣流與燃料混合并且點燃，從而產生熱燃燒氣體，所產生的熱燃燒氣體用于驅動渦輪。燃氣渦輪發動機的渦輪部段中所使用的輪葉和葉片均具有翼型部段，該翼型部段沿徑向延伸跨過發動機流路。在發動機操作期間，渦輪機輪葉和葉片暴露于升高的溫度，該升高的溫度能夠導致機械故障和腐蝕。因此，常見的做法是使用耐高溫合金來制造輪葉和葉片并且將耐腐蝕和隔熱的涂層施布于翼型件以及其它暴露于流路的表面。通過使冷卻劑流過翼型件的內部來對翼型件進行冷卻也是普遍的做法。例如，渦輪葉片或轉子輪葉典型地包括空心翼型件，該空心翼型件的外側暴露于熱燃燒氣體，并且向該空心翼型件的內側供給冷卻流體(典型地為壓縮空氣)。翼型件包括前緣和后緣、壓力側、以及吸力側。壓力側和吸力側在翼型件前緣和后緣處連接，并且沿徑向橫跨在翼型件根部與翼型件尖端之間。薄膜冷卻孔在被限定于翼型件內的內部冷卻回路與翼型件的外表面之間延伸。薄膜冷卻孔將冷卻流體從內部冷卻回路引向翼型件的外側，以用于對翼型件進行薄膜冷卻。冷卻孔中的螺旋肋已經用于隨著肋的轉動而沿相同方向產生縱向旋渦的二次流對。可能期望利用膜孔中該已知的行為來改進薄膜冷卻、提高薄膜冷卻的覆蓋率并且提高冷卻效率
發明內容
在一個示例性實施例中，一種渦輪翼型件包括:輪葉，輪葉具有在沿弦向相對的前緣和后緣處連接在一起的壓力側壁和吸力側壁；以及至少一個冷卻孔，該至少一個冷卻孔鄰近前緣布置在壓力側壁與吸力側壁之間。多個彎曲膜孔在該至少一個冷卻孔與輪葉的外部之間延伸。在另一個示例性實施例中，一種渦輪翼型件包括輪葉和多個膜孔，輪葉具有前緣和后緣以及內部冷卻回路，多個膜孔在內部冷卻回路與輪葉的外部之間延伸。多個膜孔成形為鄰近前緣產生離開膜孔的旋流，由此提高局部對流并且向氣路流提供隔離屏障。在又一個示例性實施例中，一種對渦輪翼型件進行薄膜冷卻的方法包括以下步驟:將冷卻空氣輸送至內部冷卻回路；以及使冷卻空氣從內部冷卻回路流過多個膜孔，多個膜孔在內部冷卻回路與輪葉的外部之間延伸。流動步驟包括使冷卻空氣在膜孔中打旋并且由此向氣路流提供隔離屏障。
圖1是渦輪翼型件的輪葉部分的透視圖；圖2示出了螺旋膜孔的示例性布置；以及圖3示出了雙螺旋膜孔。
具體實施例方式薄膜冷卻孔或膜孔在現代燃氣渦輪機中廣泛用于對在渦輪機操作期間暴露于熱燃燒氣體的渦輪翼型件進行冷卻。薄膜冷卻孔以若干方式提供對翼型件的冷卻。首先，其提供對翼型件表面的薄膜冷卻。薄膜冷卻通過保持受到溫度比操作環境低的流體影響的區域上方的薄流體層對主體或表面進行冷卻。流體薄膜將薄膜冷卻表面與外部操作環境隔離，由此減少從外部操作環境向翼型件中的對流傳熱。此外，冷卻流體薄膜還從翼型件表面除熱。其次，隨著冷卻空氣沿孔的長度流過薄膜冷卻孔，薄膜冷卻還提供從包繞薄膜冷卻孔的翼型件側壁的對流傳熱并且對包繞薄膜冷卻孔的翼型件側壁進行冷卻。第三，薄膜冷卻孔通過提供用于冷卻空氣的排放路徑來除熱，該冷卻空氣隨著接著對通過經由翼型件冷卻回路對翼型件進行冷卻而受熱。圖1示出了渦輪翼型件的輪葉部段10。該輪葉包括在沿弦向相對的前緣16和后緣18處連接在一起的壓力側壁12和吸力側壁14。通過布置在壓力側12與吸力側14之間的多個冷卻通路或冷卻孔20限定冷卻回路。至少一個冷卻孔21定位成鄰近前緣16。已知膜孔或薄膜冷卻孔從冷卻孔20中的一個或多個冷卻孔20延伸至輪葉的外部。薄膜冷卻孔典型地成直線并且將冷卻空氣從冷卻孔20引導至輪葉外部。通過繼續參照圖1并且參照圖2，根據優選實施例的翼型件包括多個彎曲膜孔22，多個彎曲膜孔22在冷卻孔21與輪葉10的外部之間延伸。即，冷卻孔21與輪葉10的外部之間的通路包括彎曲凹槽或扭曲凹槽等，使得流過膜孔22和離開 膜孔22的空氣轉向。用于膜孔的示例性形狀可以為螺旋形，但是可以構想出其它的形狀，并且本發明并不一定意味著限于附圖中所示的布置。通過螺旋形或者其它的彎曲或扭曲形狀的膜孔22，出自孔的薄膜流不再具有直接路徑，而是以渦流模式離開，從而通過孔使得局部對流提高，并且向氣路流提供隔離屏障。優選地，螺旋膜孔22同時沿順時針方向和逆時針方向定向。因此，多個螺旋膜孔22中相鄰的螺旋膜孔可以沿相反方向定向。這種結構的結果是，離開流以相反的漩渦打旋，進一步提高該設計的有利效果。如圖2中所示，在示例性實施例中，螺旋膜孔22中的第一組24可以沿一個方向定向，而第二組26沿相反方向定向。如圖所示，第一組24和第二組26可以沿輪葉10的長度交替。在圖2中所示的實施例中，第一組24和第二組26中的每一組都包括三個螺旋膜孔22。在又一個示例性結構中，通過參照圖3，螺旋膜孔中的至少一個螺旋膜孔可以包括雙螺旋膜孔220。即，膜孔220可以包括兩個(或更多個)交錯的螺旋凹槽或通路，冷卻空氣通過所述交錯的螺旋凹槽或通路。具有螺旋膜孔的冷卻回路用于改進薄膜冷卻、提高薄膜冷卻的覆蓋率并且總體提高冷卻效率。旋流使孔內的局部對流提高并且還向氣路流提供隔離屏障。盡管已經結合當前被認為是最可實踐并且優選的實施例對本發明進行了描述，但是應當理解，本發明并不限于所公開的實施例，而是相反，期望覆蓋包括在所附權利要求的精神和范圍內的各種改型和 等同布置。
權利要求
1.一種渦輪翼型件，所述渦輪翼型件包括: 輪葉，所述輪葉包括在沿弦向相對的前緣和后緣處連接在一起的壓力側壁和吸力側壁； 至少一個冷卻孔，所述至少一個冷卻孔鄰近所述前緣布置在所述壓力側壁與所述吸力側壁之間；以及 多個彎曲膜孔，所述多個彎曲膜孔在所述至少一個冷卻孔與所述輪葉的外部之間延伸。
2.根據權利要求1所述的渦輪翼型件，其中所述彎曲膜孔成螺旋形形成螺旋膜孔。
3.根據權利要求2所述的渦輪翼型件，其中所述多個螺旋膜孔沿順時針方向和逆時針方向定向。
4.根據權利要求2所述的渦輪翼型件，其中所述多個螺旋膜孔中相鄰的螺旋膜孔沿相反方向定向。
5.根據權利要求2所述的渦輪翼型件，其中所述螺旋膜孔的第一組沿一個方向定向，且所述螺旋膜孔的第二組沿相反方向定向。
6.根據權利要求5所述的渦輪翼型件，其中所述第一組和所述第二組沿所述輪葉的長度交替。
7.根據權利要求5所述的渦輪翼型件，其中所述第一組和所述第二組中的每一組都包括三個螺旋膜孔。
8.根據權利要求2所述的渦輪翼型件，其中所述多個螺旋膜孔中的至少一個螺旋膜孔包括雙螺旋膜孔。
9.一種渦輪翼型件，所述渦輪翼型件包括: 輪葉，所述輪葉具有前緣和后緣，并且包括內部冷卻回路；以及多個膜孔，所述多個膜孔在所述內部冷卻回路與所述輪葉的外部之間延伸，所述多個膜孔成形為鄰近所述前緣產生離開所述膜孔的旋流，由此提高局部對流并且向氣路流提供隔離屏障。
10.根據權利要求9所述的渦輪翼型件，其中所述多個膜孔是螺旋膜孔。
11.根據權利要求10所述的渦輪翼型件，其中所述螺旋膜孔沿順時針方向和逆時針方向定向。
12.根據權利要求10所述的渦輪翼型件，其中所述螺旋膜孔中相鄰的螺旋膜孔沿相反方向定向。
13.根據權利要求10所述的渦輪翼型件，其中所述螺旋膜孔的第一組沿一個方向定向，且所述螺旋膜孔的第二組沿相反方向定向。
14.根據權利要求13所述的渦輪翼型件，其中所述第一組和所述第二組沿所述輪葉的長度交替。
15.根據權利要求13所述的渦輪翼型件，其中所述第一組和所述第二組中的每一組都包括三個螺旋膜孔。
16.根據權利要求9所述的渦輪翼型件，其中所述螺旋膜孔中的至少一個螺旋膜孔包括雙螺旋膜孔。
17.一種對渦輪翼型件進行薄膜冷卻的方法，所述渦輪翼型件包括輪葉，所述輪葉具有前緣和后緣并且具有內部冷卻回路，所述方法包括: 將冷卻空氣輸送至所述內部冷卻回路；以及 使冷卻空氣從所述內部冷卻回路流過多個膜孔，所述多個膜孔在所述內部冷卻回路與所述輪葉的外部之間延伸，所述流動步驟包括使冷卻空氣在所述膜孔中打旋并且由此向氣路流提供隔離屏障。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述多個膜孔包括螺旋膜孔，并且其中所述流動步驟通過使冷卻空氣從所述內 部冷卻回路流過所述螺旋膜孔實現。
全文摘要
本發明提供一種渦輪翼型件，該渦輪翼型件包括輪葉和多個膜孔，輪葉具有前緣和后緣以及內部冷卻回路，多個膜孔在內部冷卻回路與輪葉的外部之間延伸。多個膜孔成形為鄰近前緣產生離開膜孔的旋流，由此提高局部對流并且向氣路流提供隔離屏障。
文檔編號F01D5/18GK103225517SQ20131002964
公開日2013年7月31日 申請日期2013年1月25日 優先權日2012年1月27日
發明者A.O.本森, 張修章, G.M.伊策爾 申請人:通用電氣公司