渦輪葉片的制作方法
【專利摘要】一種渦輪葉片包括外表面，以及包繞外表面的至少一部分的邊沿。邊沿中的溝槽圍繞外表面的至少一部分延伸。
【專利說明】渦輪葉片
【技術領域】
[0001]本發明大體上涉及渦輪葉片及用于冷卻渦輪葉片的方法。
【背景技術】
[0002]渦輪廣泛用于工業和商業操作中。用于生成電能的典型的商業蒸汽或燃氣渦輪包括靜止和旋轉翼型件或葉片的交錯級。例如，靜止導葉可附接于靜止構件，如，包繞渦輪的外殼，并且旋轉葉片可附接于定位成沿渦輪的軸向中心線的轉子。壓縮的工作流體如但不限于蒸汽、燃燒氣體或空氣流過渦輪，并且靜止導葉加速和引導壓縮的工作流體到旋轉葉片的隨后的級上，以將運動給予旋轉葉片，因此使轉子轉動并且執行功。
[0003]圍繞或繞過渦輪葉片泄漏的壓縮的工作流體降低了渦輪的效率。為了減少繞過旋轉葉片的壓縮的工作流體的量，外殼可包括靜止的護罩節段，其包繞旋轉葉片的各級，并且各個旋轉葉片可包括在外徑向末端處的末端蓋，其減小了護罩節段與旋轉葉片之間的空隙。盡管有效地減小或防止圍繞旋轉葉片的泄漏，但護罩節段與末端蓋之間的相互作用可導致升高的局部溫度，其可降低低循環疲勞極限，并且/或者導致末端蓋處的增大的蠕變。結果，冷卻介質可供應成在流過冷卻通路之前在各個旋轉葉片內流動，以在旋轉葉片的末端蓋上面提供膜冷卻。
[0004]在特定的設計中，各個末端蓋可包括外表面，其至少部分地由邊沿包繞。邊沿和外表面可至少部分地限定在邊沿、外表面與包繞的護罩節段之間的末端腔，其也稱為聲響末端腔。以該方式，冷卻介質可供應至末端腔來在于邊沿上面流動并且流出末端腔之前從末端蓋除去熱。然而，在旋轉葉片的吸入側上面流動的冷卻介質可破壞在旋轉葉片上面的壓縮工作流體的流動，并且/或者降低旋轉葉片的操作效率。結果，改進的渦輪葉片和用于冷卻渦輪葉片的方法將為有用的。
【發明內容】
[0005]本發明的方面和優點在以下描述中在下文闡明，或者可從描述清楚，或者可通過實施本發明學習。
[0006]本發明的一個實施例為一種渦輪葉片，其包括外表面，以及包繞外表面的至少一部分的邊沿。邊沿中的溝槽圍繞外表面的至少一部分延伸。
[0007]本發明的另一個實施例為一種包括外表面的渦輪葉片。壓力側壁沿外表面的第一部分從前緣延伸至后緣。與壓力側壁相對的吸入側壁沿外表面的第二部分從前緣延伸至后緣。壓力側壁或吸入側壁中的至少一個中的凹槽圍繞外表面的至少一部分延伸。
[0008]本發明還可包括一種包括外表面的渦輪葉片。第一壁包繞外表面的至少一部分。第二壁包繞第一壁的至少一部分，以限定第一壁與第二壁之間的溝槽，并且溝槽圍繞外表面的至少一部分延伸。
[0009]本領域技術人員將在審閱說明書時更好認識到此類實施例及其它實施例的特征和方面。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]包括對本領域技術人員而言的本發明的最佳模式的本發明的完整且開放的公開在包括參照附圖的說明書的其余部分中更具體地闡明，在該附圖中:
圖1為在本發明的范圍內的示例性渦輪級的透視圖；
圖2為根據本發明的一個實施例的圖1中所示的渦輪葉片的俯視平面圖；
圖3為根據本發明的一個實施例的圖1中所示的渦輪葉片的俯視透視圖；
圖4為根據本發明的一個實施例的圖1中所示的渦輪葉片的徑向截面視圖；以及圖5為根據本發明的備選實施例的圖1中所示的渦輪葉片的徑向截面視圖。
【具體實施方式】
[0011]現在將進行對本發明的實施例的詳細參照，其一個或更多個實例在附圖中示出。詳細描述使用數字和字母符號來表示附圖中的特征。附圖和描述中相似或類似的符號用于表示本發明的相似或類似的部分。如本文使用的，用語〃第一 〃、〃第二 〃和〃第三〃可以可互換地使用，以將一個構件與另一個區分開，并且不旨在表示獨立構件的位置或重要性。此外，用語〃上游〃和〃下游〃是指流體通道中的構件的相對位置。例如，如果流體從構件A流至構件B，則構件A在構件B的上游。相反，如果構件B從構件A接收流體流，則構件B在構件A的下游。
[0012]各個實例經由闡釋本發明來提供，而不限制本發明。實際上，對本領域技術人員而言將顯而易見的是，在本發明中可進行改型和變化，而不脫離其范圍或精神。例如，示為或描述為一個實施例的一部分的特征可在另一個實施例上使用來產生又一個實施例。因此，意圖是本發明覆蓋歸入所附權利要求及其等同方案的范圍內的此類改型和變化。
[0013]本發明的各種實施例包括渦輪葉片及用于冷卻渦輪葉片的方法。渦輪葉片大體上包括末端蓋，其具有由邊沿至少部分地包繞的聲響末端或腔。邊沿中的凹槽或溝槽沿邊沿的至少一部分延伸。在特定實施例中，邊沿可包括外壁和內壁，它們限定凹槽或溝槽，并且外壁可高于內壁。在其它特定實施例中，內壁可包括提供從凹槽或溝槽到腔的流體連通的一個或更多個切口。在又一個實施例中，凹槽或溝槽可包括鉆入溝槽中的一個或更多個冷卻通路或孔，以提供從內腔穿過末端蓋的流體連通，以將膜冷卻供應至凹槽或溝槽。盡管將大體上在并入到燃氣渦輪中的渦輪葉片的背景下描述本發明的示例性實施例，但本領域技術人員將容易從本文中的教導認識到本發明的實施例不限于燃氣渦輪，除非在權利要求中明確敘述。
[0014]現在參照附圖，其中同樣的標記表示所有圖中的相同元件，圖1提供了本發明的范圍內的示例性渦輪級的透視圖。如所示，渦輪級大體上包括從轉子輪12沿徑向延伸的多個渦輪葉片10。各個渦輪葉片10可連接于具有燕尾形根部16的平臺14。燕尾形根部16可沿軸向滑入轉子輪12中的互補的燕尾槽18中，以將平臺14和渦輪葉片10沿徑向保持就位。環形護罩20或多個護罩節段可沿周向包繞渦輪葉片10，以使轉子輪12和環形護罩20至少部分地限定熱氣體路徑22，燃燒氣體或另一種壓縮的工作流體24可流過熱氣體路徑22。
[0015]各個渦輪葉片10大體上具有翼型形狀，其具有前緣30和在前緣30下游的后緣32。凹入表面或壓力側壁34在渦輪葉片10的一側上在前緣30與后緣32之間延伸，并且凸出表面或吸入側壁36在渦輪葉片10的另一側上在前緣30與后緣32之間延伸。壓力側壁34和吸入側壁36大體上在熱氣體路徑22中沿徑向從平臺14延伸至環形護罩20，以形成渦輪葉片10的翼型形狀。
[0016]圖2提供了俯視平面圖，圖3提供了俯視透視圖，并且圖4提供了根據本發明的一個實施例的圖1中所示的渦輪葉片10的徑向截面視圖。如圖2-4中所示，各個渦輪葉片10包括鄰近環形護罩20的外表面40。壓力側壁34和吸入側壁36可沿徑向延伸超過外表面40來形成邊沿42，其包繞外表面40的至少一部分。以該方式，邊沿42和外表面40至少部分地限定環形護罩20附近的渦輪葉片10的徑向外部中的腔，也稱為聲響腔。
[0017]穿過外表面40的一個或更多個冷卻孔口(未示出)可將冷卻介質從渦輪葉片10內的腔輸送至聲響末端腔。冷卻介質可從外表面40除去熱，同時還將外表面40與包繞的工作流體流24的極端溫度部分地隔離。以該方式，渦輪葉片10的末端可在操作期間保持在可接受的溫度處。如本領域技術人員將認識到的，渦輪葉片10的末端為難以冷卻的區域，并且因此大體上需要穿過聲響末端腔的高水平的冷卻介質流。具體而言，渦輪葉片10的后緣32難以在常規系統中冷卻，因為大部分冷卻介質在到達渦輪葉片10的后緣32之前在吸入側壁36上面掃過。在吸入側壁36上面流動的冷卻介質對渦輪發動機的空氣動力效率有消極作用，并且最小化該流動路徑，因此改進了發動機性能。
[0018]如圖2-4中最清楚地示出的，邊沿42可包括圍繞外表面40的至少一部分延伸的凹槽或溝槽44。例如，邊沿42可包括包繞外表面40的至少一部分的內壁46，以及包繞內壁46的至少一部分的外壁48，以限定內壁46與外壁48之間的凹槽或溝槽44。凹槽或溝槽44的截面輪廓、深度和寬度可根據特定應用和渦輪葉片10上的位置來變化。例如，凹槽或溝槽44可具有帶從前緣30逐漸減小至后緣32的深度和寬度的弓形、正方形、三角形或其它截面輪廓。在特定實施例中，例如，凹槽或溝槽44的深度可在聲響末端腔的深度的大約10%到75%之間。然而，本領域技術人員將容易從本文中的教導認識到，本發明不限于凹槽或溝槽44的任何特定截面、深度或寬度，除非在權利要求中明確敘述。
[0019]在特定實施例中，如圖2-4中所示，凹槽或溝槽44可在邊沿42中圍繞整個外表面40連續地延伸。作為備選或此外，凹槽或溝槽44可包括多個冷卻通路50，其提供流體連通來用于冷卻介質從渦輪葉片10內的一個或更多個腔52流入凹槽或溝槽44中。如圖3中最清楚地示出的，渦輪葉片10內的腔52可具有任何構造，例如，包括具有用于提高冷卻介質效力的其中各種湍流器的蛇線形流動通道。此外，冷卻通路50可朝渦輪葉片10的后緣32成角，以加強溝槽44中的冷卻介質流和熱除去。以該方式，冷卻介質可從腔52流過冷卻通路50，并且流入凹槽或溝槽44中以除去熱和/或保護邊沿42的表面免受與熱氣體路徑22中的工作流體24相關聯的過高溫度。
[0020]在圖2-4中所示的特定實施例中，溝槽44的內壁46可包括一個或更多個切口 54，其提供了從凹槽或溝槽44到聲響末端腔中的外表面40之間的流體連通。該附加的流動路徑可增大供應至聲響末端腔中的外表面40的冷卻介質的量，同時還減少了在邊沿42的外壁48上面泄漏的冷卻介質的量。作為備選或此外,如圖5中示出的特定實施例中所示,邊沿42的外壁48可略高于內壁46，以類似地加強進入聲響末端腔中的冷卻介質流，同時還減少了在邊沿42的外壁48上面泄漏的冷卻介質的量。
[0021]本領域技術人員將容易從本文中的教導認識到，關于圖1-5所示和所述的渦輪葉片10還可提供用于冷卻渦輪葉片10的一種或更多種方法。例如，該方法可包括使冷卻介質從渦輪葉片10內的腔52流過冷卻通路50，并且流入凹槽或溝槽44中。在特定實施例中，該方法還可包括使冷卻介質圍繞外表面40的整個圓周流過邊沿42中的凹槽或溝槽44。在其它特定實施例中，該方法可包括使冷卻介質流過凹槽或溝槽44的內壁46中的切口 54，并且/或者在內壁46上面流動并且橫跨外表面40。
[0022]預期的是，圖1-5中所示和所述的各種實施例將加強對邊沿42的冷卻，同時還減少了在邊沿42上面流動并且流入熱氣體路徑22中的冷卻介質的量。結果，本文所述的實施例將降低尤其是外徑向部分周圍的渦輪葉片10的溫度，從而改進這些構件的低循環疲勞極限，并且減少由于過高溫度而產生的局部蠕變。
[0023]該書面的描述使用實例以公開本發明(包括最佳模式)，并且還使本領域技術人員能夠實踐本發明(包括制造和使用任何裝置或系統并且執行任何并入的方法)。本發明的可專利范圍由權利要求限定，并且可包括本領域技術人員想到的其它實例。如果這些其它實例包括不與權利要求的字面語言不同的結構元件，或者如果這些其它實例包括與權利要求的字面語言無顯著差別的等同結構元件，則這些其它實例意圖在權利要求的范圍內。
【權利要求】
1.一種渦輪葉片，包括: a.外表面； b.包繞所述外表面的至少一部分的邊沿；以及 c.所述邊沿中的溝槽，其中所述溝槽圍繞所述外表面的至少一部分延伸。
2.根據權利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，所述溝槽在所述邊沿中圍繞所述整個外表面連續地延伸。
3.根據權利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，所述邊沿包括限定所述溝槽的外部分的外壁和限定所述溝槽的內部分的內壁，并且所述外壁高于所述內壁。
4.根據權利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，所述邊沿包括限定所述溝槽的外部分的外壁和限定所述溝槽的內部分的內壁，并且所述內壁包括提供從所述溝槽到所述外表面的流體連通的一個或更多個切口。
5.根據權利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，所述渦輪葉片還包括提供從所述渦輪葉片內的流體連通的所述溝槽中的多個冷卻通路。
6.根據權利要求5所述的渦輪葉片，其特征在于，所述溝槽中的所述多個冷卻通路朝所述渦輪葉片的后緣成角。
7.一種渦輪葉片,包括: a.外表面； b.沿所述外表面的第一部分從前緣延伸至后緣的壓力側壁； c.與所述壓力側壁相對的吸入側壁，其中所述吸入側壁沿所述外表面的第二部分從所述前緣延伸至所述后緣；以及 d.所述壓力側壁或所述吸入側壁中的至少一個中的凹槽，其中所述凹槽圍繞所述外表面的至少一部分延伸。
8.根據權利要求7所述的渦輪葉片，其特征在于，所述凹槽在所述壓力側壁和所述吸入側壁中圍繞所述整個外表面連續地延伸。
9.根據權利要求7所述的渦輪葉片，其特征在于，所述壓力側壁包括限定所述凹槽的外部分的外壁和限定所述凹槽的內部分的內壁，并且所述外壁高于所述內壁。
10.根據權利要求7所述的渦輪葉片，其特征在于，所述壓力側壁包括限定所述凹槽的外部分的外壁和限定所述凹槽的內部分的內壁，并且所述內壁包括提供從所述凹槽到所述外表面的流體連通的一個或更多個切口。
11.根據權利要求7所述的渦輪葉片，其特征在于，所述渦輪葉片還包括提供從所述渦輪葉片內的流體連通的所述凹槽中的多個冷卻通路。
12.根據權利要求11所述的渦輪葉片，其特征在于，所述溝槽中的所述多個冷卻通路朝所述渦輪葉片的后緣成角。
13.—種渦輪葉片,包括: a.外表面； b.包繞所述外表面的至少一部分的第一壁；以及 c.包繞所述第一壁的至少一部分以限定所述第一壁與所述第二壁之間的溝槽的第二壁，其中所述溝槽圍繞所述外表面的至少一部分延伸。
14.根據權利要求13所述的渦輪葉片，其特征在于，所述溝槽圍繞所述整個外表面連續地延伸。
15.根據權利要求13所述的渦輪葉片，其特征在于，所述第一壁短于所述第二壁。
16.根據權利要求13所述的渦輪葉片，其特征在于，所述第一壁包括提供從所述溝槽到所述外表面的流體連通的一個或更多個切口。
17.根據權利要求13所述的渦輪葉片，其特征在于，所述渦輪葉片還包括提供從所述渦輪葉片內的流體連通的所述溝槽中的多個冷卻通路。
18.根據權利要求17所述的渦輪葉片，其特征在于，所述溝槽中的所述多個冷卻通路朝所述渦輪葉片的后緣成角。
【文檔編號】F01D5/20GK104520538SQ201380042244
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2013年8月6日 優先權日:2012年8月9日
【發明者】L. 吉利奧 A., A. 桑佩奧 C., B. 巴特勒 J., E. 艾利斯 S. 申請人:通用電氣公司