帶有具有冷卻空氣轉向噴嘴的導葉的燃氣渦輪發動機的制作方法

背景技術：

渦輪發動機(且具體地，燃氣或燃燒渦輪發動機)是從經過發動機而到達大量渦輪葉片上的燃氣流提取能量的旋轉式發動機。燃氣渦輪發動機已用于陸地及航海運動和發電，但最普遍地用于航空應用，諸如用于飛機(包括直升機)。在飛機中，燃氣渦輪發動機用于飛行器的推進。

用于飛行器的燃氣渦輪發動機設計成在高溫下運行，以使發動機推力最大化，所以，諸如高壓渦輪和低壓渦輪的某些發動機構件的冷卻可能是必要的。典型地，通過將更冷的空氣從高壓壓縮機和/或低壓壓縮機用導管輸送至要求冷卻的發動機構件而完成冷卻。在使渦輪冷卻時，可以使冷卻空氣經過渦輪導葉的內部。

一個冷卻的方法是，將壓縮機空氣發送穿過渦輪導葉的內部，在該處冷卻空氣能夠然后傳遞到轉子中，以使轉子的諸如在上面安裝有葉片的旋轉盤的部分冷卻。為了避免效率損失，理想的是，退出導葉且進入轉子的冷卻空氣定向成與轉子的旋轉方向大體上對準且與旋轉盤的速度匹配。

技術實現要素：

在一個方面，本發明的實施例涉及一種用于具有旋轉軸線的燃氣渦輪發動機的導葉組件，導葉組件包括導葉，導葉具有翼型件主體，翼型件主體從前緣軸向地延伸至后緣，并且，從根部徑向地延伸至尖端。導葉包括冷卻空氣通道，冷卻空氣通道徑向地延伸穿過翼型件主體，并且，具有在尖端處的入口和在根部處的出口。流量控制插入件位于冷卻空氣通道內，并且，限定管道，管道具有與冷卻空氣通道入口相對應的入口和與冷卻空氣通道出口相對應的出口。轉向噴嘴安裝至導葉，并且，具有帶有入口和出口的轉向通道，轉向噴嘴入口流體聯接至流量控制插入件出口。轉向通道是這樣的而使得自轉向通道出口起的轉向通道中心線相對于與旋轉軸線垂直的平面形成第一銳角。

在另一方面，實施例涉及一種用于具有旋轉軸線的燃氣渦輪發動機的導葉的轉向噴嘴，其中，轉向噴嘴包括帶有入口和出口的轉向通道，并且，轉向通道局部地轉向經過至少80度的平滑轉角。轉向通道在平滑轉角的下游具有減小的橫截面區域，其中，在轉向噴嘴安裝至導葉時，轉向通道使大體上徑向于旋轉軸線的退出導葉的流轉向至大體上切向于通過使徑向線圍繞旋轉軸線的旋轉而限定的平面的流。

本發明的第一技術方案提供了一種用于具有旋轉軸線的燃氣渦輪發動機的導葉組件，所述導葉組件包括：導葉，其具有從前緣軸向地延伸至后緣且從根部徑向地延伸至尖端的翼型件主體；冷卻空氣通道，其徑向地延伸穿過所述翼型件主體，且具有在所述尖端處的入口和在所述根部處的出口；流量控制插入件，其設置于所述冷卻空氣通道內，且限定具有與冷卻空氣通道入口相對應的入口和與冷卻空氣通道出口相對應的出口的管道；以及轉向噴嘴，其安裝至所述導葉，且具有帶有入口和出口的轉向通道，轉向噴嘴入口流體地聯接至流量控制插入件出口，并且所述轉向通道如此使得自轉向通道出口起的轉向通道中心線相對于與所述旋轉軸線大體上垂直的平面而形成第一銳角。

本發明的第二技術方案是在第一技術方案中，所述轉向通道中心線與所述轉向通道入口處的從所述旋轉軸線延伸的大體上徑向的線對準。

本發明的第三技術方案是在第二技術方案中，所述轉向通道中心線相對于所述徑向線而形成第二銳角。

本發明的第四技術方案是在第三技術方案中，所述第二銳角相對于所述旋轉方向而成零度。

本發明的第五技術方案是在第三技術方案中，所述轉向噴嘴定向成使得所述轉向通道中心線沿所述旋轉軸線的旋轉方向延伸穿過所述轉向通道出口。

本發明的第六技術方案是在第五技術方案中，所述轉向噴嘴包括減小的橫截面區域部分，以在冷卻空氣經過所述轉向通道時加速所述冷卻空氣。

本發明的第七技術方案是在第一技術方案中，所述轉向通道入口容納于所述管道出口內。

本發明的第八技術方案是在第一技術方案中，所述導葉包括在所述根部處的內部平臺，并且，所述轉向噴嘴安裝至所述內部平臺。

本發明的第九技術方案是在第八技術方案中，所述轉向噴嘴包括抵接所述內部平臺的肩狀部，并且，所述肩狀部緊固至所述內部平臺。

本發明的第十技術方案是在第九技術方案中，所述內部平臺具有流體地聯接至所述管道出口的開口，所述轉向通道具有容納于所述內部平臺開口內的位于所述肩狀部上方的插入部分，并且，所述肩狀部起插入止擋部的作用，并且，所述轉向噴嘴包括從所述轉向通道伸出的旋轉止擋部，以將所述轉向噴嘴的旋轉位置相對于所述導葉而固定，由此，通過將所述插入部分插入至所述內部平臺開口中直至所述肩狀部抵接所述平臺，然后，使所述轉向噴嘴旋轉，直至所述旋轉止擋部止擋旋轉，從而將所述轉向噴嘴安裝至所述導葉。

本發明的第十一技術方案是在第十技術方案中，還包括將所述肩狀部緊固至所述內部平臺的金屬接頭，并且，所述插入部分具有將冷卻空氣從所述轉向通道向所述金屬接頭供給的多個孔。

本發明的第十二技術方案是在第一技術方案中，所述轉向噴嘴包括從所述轉向通道延伸的多個翅片，以將熱傳導遠離所述轉向通道。

本發明的第十三技術方案是在第一技術方案中，所述轉向噴嘴包括從所述轉向通道伸出的旋轉止擋部，以將所述轉向噴嘴的旋轉位置相對于所述導葉而固定。

本發明的第十四技術方案是在第一技術方案中，所述轉向通道轉向穿過至少45度角。

本發明的第十五技術方案是在第十四技術方案中，所述轉向通道轉向穿過至少90度角。

本發明的第十六技術方案是在第十四技術方案中，所述轉向通道從所述轉向通道入口處的相對于所述旋轉軸線而徑向定向的大部分轉向至所述轉向通道出口處的與垂直于所述旋轉軸線的平面平行的大部分。

本發明的第十七技術方案是在第十六技術方案中，所述轉向通道包括減小的橫截面區域，以使經過所述轉向通道的所述冷卻空氣加速。

本發明的第十八技術方案是在第十七技術方案中，所述減小的橫截面區域包括所述轉向通道出口附近的連續地減小的橫截面區域。

本發明的第十九技術方案是在第十八技術方案中，所述連續地減小的橫截面區域使所述冷卻空氣加速至在發動機運行旋轉速度的20%內的所述轉向通道出口處的速度。

本發明的第二十技術方案是在第十九技術方案中，所述流量控制插入件包括具有多個沖擊開口的沖擊插入件，以從所述管道供給冷卻空氣。

本發明的第二十一技術方案提供了一種用于具有旋轉軸線的燃氣渦輪發動機的導葉的轉向噴嘴，所述轉向噴嘴包括帶有入口和出口的轉向通道，所述轉向通道局部地轉向穿過至少45度的平滑轉角，并且，所述轉向通道在所述平滑轉角的下游具有減小的橫截面區域，其中，在所述轉向噴嘴安裝至所述導葉時，所述轉向通道使大體上徑向于所述旋轉軸線的退出所述導葉的流轉向至大體上切向于通過使徑向線圍繞旋轉軸線的旋轉而限定的平面的流。

本發明的第二十二技術方案是在第二十一技術方案中，所述減小的橫截面區域包括位于所述轉向通道出口附近或位于所述轉向通道出口處的連續地減小的橫截面區域。

本發明的第二十三技術方案是在第二十二技術方案中，所述連續地減小的橫截面區域使所述冷卻空氣加速至在發動機運行旋轉速度的20%內的所述轉向通道出口處的速度。

本發明的第二十四技術方案是在第二十一技術方案中，還包括肩狀部，該肩狀部位于所述平滑轉角的上游，并且，起插入止擋部的作用。

本發明的第二十五技術方案是在第二十四技術方案中，還包括在所述肩狀部的上游經過所述轉向通道的孔。

本發明的第二十六技術方案是在第二十一技術方案中，還包括從所述轉向通道延伸的多個翅片，以將熱傳導遠離所述轉向通道。

本發明的第二十七技術方案是在第二十六技術方案中，所述多個翅片向所述平滑轉角的上游延伸。

本發明的第二十八技術方案是在第二十一技術方案中，還包括從所述轉向通道伸出的旋轉止擋部。

本發明的第二十九技術方案是在第二十八技術方案中，所述旋轉止擋部位于所述平滑轉角的下游。

附圖說明

在附圖中：

圖1是根據本發明的第一實施例的用于飛行器的燃氣渦輪發動機的示意橫截面圖。

圖2是導葉組件的透視圖。

圖3是包括轉向噴嘴的圖2的導葉組件的內側透視圖。

圖4是圖2和圖3的導葉組件的分解圖。

圖5是圖3和圖4中所示出的轉向噴嘴的透視圖。

圖6是沿著圖3的線v-v截取的導葉組件的放大橫截面圖。

圖7是將發動機中心線、與所述中心線垂直的平面和組裝轉向噴嘴的關系及角一起圖示的示意圖。

零件列表

10發動機

12中心線

14前部

16后部

18風扇區段

20風扇

22壓縮機區段

24低壓壓縮機

26高壓壓縮機

28燃燒區段

30燃燒器

32渦輪區段

34高壓渦輪

36低壓渦輪

38排氣區段

40風扇外殼

42風扇葉片

44核心

46核心外殼

48高壓軸/轉軸

50低壓軸/轉軸

51轉子

52壓縮機級

53盤

54壓縮機級

56旋轉葉片

58旋轉葉片

60導葉

62導葉

64渦輪級

66渦輪級

68渦輪葉片

70渦輪葉片

72渦輪導葉

74渦輪導葉

102導葉組件

106前緣

108后緣

110徑向線

111襯套

112根部

114尖端

116內部平臺

118上板

120流量控制插入件(插入件)

122插入件管道

124插入件管道入口

125轉向噴嘴入口

126轉向噴嘴

128轉向通道

129加速部分

130肩狀部

131轉角

132翅片

134出口

136插入部分

138內部平臺開口

140管道通道

142多個孔

144插入件壁

146任選的開口

148減小的橫截面區域

150旋轉止擋部

152部分

154部分

155平面

156吹掃空氣流。

具體實施方式

本發明的所描述的實施例針對與構件冷卻有關，具體地，與燃氣渦輪發動機中的構件冷卻有關，且更具體地，與燃氣渦輪發動機的渦輪區段的冷卻構件有關的系統、方法及其他裝置。出于圖示的目的，將關于飛行器燃氣渦輪發動機而描述本發明。然而，將理解到，本發明不限于此，并且，可以具有諸如其他移動應用和非移動工業、商業以及住宅應用的非飛機應用中的普遍適用性。

圖1是用于飛行器的燃氣渦輪發動機10的示意橫截面圖。發動機10具有從前部14到后部16大體上縱向地延伸的軸線或發動機中心線12。按照向下游按順序流動的關系，發動機10包括：風扇區段18，其包括風扇20；壓縮機區段22，其包括增壓器或低壓(lp)壓縮機24和高壓(hp)壓縮機26；燃燒區段28，其包括燃燒器30；渦輪區段32，其包括hp渦輪34和lp渦輪36；以及排氣區段38。

風扇區段18包括環繞風扇20的風扇外殼40。風扇20包括圍繞發動機中心線12徑向地安置的多個風扇葉片42。hp壓縮機26、燃燒器30以及hp渦輪34形成發動機10的核心44，其生成燃氣。核心44被核心外殼46環繞，核心外殼46能夠與風扇外殼40聯接。

圍繞發動機10的發動機中心線12同軸地安置的hp軸或轉軸48將hp渦輪34傳動地連接至hp壓縮機26。在更大直徑的環形hp轉軸48內圍繞發動機10的發動機中心線12同軸地安置的lp軸或轉軸50將lp渦輪36傳動地連接至lp壓縮機24和風扇20。發動機10的安裝至轉軸48、50中的任一個或兩者并與其一起旋轉的部分也單獨地或共同地被稱為轉子51。

lp壓縮機24和hp壓縮機26分別包括多個壓縮機級52、54，其中，一組壓縮機葉片58相對于對應的一組靜壓縮機導葉60、62而旋轉，以使經過該級的流體流壓縮或增壓。在單個壓縮機級54中，多個壓縮機葉片58能夠設置成環，并且，能夠相對于發動機中心線12而從葉片平臺至葉片尖端徑向地向外延伸，而對應的靜壓縮機導葉62定位于旋轉葉片58的下游，并且鄰近于旋轉葉片58。注意到，圖1中所示出的葉片、導葉以及壓縮機級的數量僅出于圖示的目的而選擇，且有可能是其他數量。壓縮機級的葉片58能夠安裝至盤53，盤53安裝至hp轉軸48和lp轉軸50中的對應的一個，其中各級具有其自身的盤53。導葉62以圍繞轉子51的周向布置安裝至核心外殼46。

hp渦輪34和lp渦輪36分別包括多個渦輪級64、66，其中，使一組渦輪葉片68、70相對于對應的一組靜渦輪導葉72、74(也被稱為噴嘴)而旋轉，以從經過該級的流體流提取能量。在單個渦輪級64中，多個渦輪葉片68能夠設置成環，并且，能夠相對于發動機中心線12而從葉片平臺至葉片尖端徑向地向外延伸，而對應的靜渦輪導葉72、74定位于旋轉葉片68、70的上游，并且鄰近于旋轉葉片68、70。注意到，圖1中所示出的葉片、導葉以及渦輪級的數量僅出于圖示的目的而選擇，且有可能是其他數量。

在運行中，旋轉風扇20將環境空氣供給至lp壓縮機24，然后，lp壓縮機24將增壓后的環境空氣供給至hp壓縮機26，hp壓縮機26使環境空氣進一步增壓。使來自hp壓縮機26的增壓后的空氣與燃料在燃燒器30中混合且點燃，由此生成燃氣。由hp渦輪34從這些氣體提取一些功，這些功驅動hp壓縮機26。燃氣排放至lp渦輪36中，lp渦輪36提取額外的功，以驅動lp壓縮機24，并且，廢氣最后經由排氣區段38而從發動機10排放。lp渦輪36的傳動驅動lp轉軸50使風扇20和lp壓縮機24旋轉。

風扇20所供給的環境空氣中的一些能夠繞開發動機核心44，并且，用于使發動機10的部分(尤其是熱部分)冷卻，且/或用于使飛行器的其他方面冷卻或給飛行器的其他方面提供動力。在渦輪發動機的背景下，發動機的熱部分通常位于燃燒器30的下游，尤其是渦輪區段32的下游，其中由于hp渦輪34位于燃燒區段28的正下游，因而hp渦輪34是最熱的部分。其他冷卻流體來源能夠是從lp壓縮機24或hp壓縮機26排放的流體，但不限于此。

參考圖2，將更詳細地描述包括導葉62的導葉組件102。導葉62成形為翼型件主體，其中，導葉62具有前緣106和后緣108。導葉62從根部112沿著徑向線110徑向地跨越至尖端114，其中，根部112安裝至內部平臺116，并且，尖端114安裝至上板118。諸如沖擊插入件的流量控制插入件120(此后，將簡稱為插入件)位于導葉62內，并且限定管道122，管道122具有位于導葉62的尖端處的入口124。

參考圖3，著眼于導葉組件102的內側，示出轉向噴嘴126安裝至內部平臺116。轉向噴嘴126包括轉向通道128和肩狀部130，肩狀部130抵接內部平臺116，且借助于焊接、釬焊、錫焊等而使用金屬接頭來緊固至內部平臺116。多個翅片132在肩狀部130下方從轉向通道128徑向地延伸，以傳導熱遠離轉向通道128。轉向通道128終止于出口134中。

圖4是來自圖3的導葉組件102的分解圖，并且圖示轉向通道128進一步包括插入部分136，插入部分136具有肩狀部130上方的轉向通道入口125(圖5)，轉向通道入口125容納于管道出口內，該管道出口圖示為內部平臺開口138，其中，肩狀部130起插入止擋部的作用。該插入部分136將轉向通道128流體地聯接至插入件管道122。

導葉進一步包括冷卻空氣通道或管道通道140，插入件120放置于該通道中，使得插入件管道122被導葉的管道通道140包圍。插入件120包括沿著插入件壁144定位的多個孔142(或沖擊開口)。在將導葉組件102完全地組裝時，沖擊開口提供管道122與管道通道140之間的流體連接。

如圖2-4中所圖示，示出一對導葉62，這對導葉62在其間共同地限定間隙，該間隙被稱為噴嘴。同樣地，雖然導葉組件102示出為包含導葉62、內部平臺116、外部平臺115、插入件120以及轉向噴嘴126，但導葉組件102可能包括更少或更多的構件。

現在，參考圖5，將描述轉向噴嘴126的細節。轉向噴嘴126限定轉向通道128，轉向通道128具有入口125和出口134，帶有轉角131。轉向噴嘴126具有帶有插入部分136和加速部分129的肘狀形狀，其中轉角131位于插入部分136至加速部分129的過渡處。入口125位于插入部分136中，并且，出口134位于第二部分中。對于轉向噴嘴126，雖然圖示為肘狀形狀，但有可能是其他形狀。

位于入口125與出口134之間的肩狀部130還起作用為通過針對插入部分136而設置停止點，從而對轉向噴嘴126的插入部分136的插入進行限制。如圖所示，肩狀部130位于轉彎131的上游的插入部分136上。任選的開口146能夠設置于肩狀部130上方，這允許對導葉62的內部，尤其是轉向噴嘴126與導葉62的接合點的進一步冷卻。

減小的橫截面區域148設置于轉向通道128中。如圖所示，加速部分129包括減小的橫截面區域148。然而，減小的橫截面區域148可能位于沿著轉向通道128的任何位置，其中它在出口134附近最有效。橫截面區域148圖示為具有連續地減小的橫截面區域。然而，減小的橫截面區域148可能是連續的或間斷的，包括單個減小的橫截面區域或一系列的減小的橫截面區域。

旋轉止擋部150從轉向通道128伸出，以將轉向噴嘴126的旋轉位置相對于導葉62而固定。在通過插入部分136的插入直至肩狀部130抵接導葉62或內部平臺116而將轉向噴嘴126安裝至導葉62時，視情況而定，然后使轉向噴嘴126旋轉至某一位置，直至旋轉止擋部150抵接可能是內部平臺116的一部分的另一結構部分，以對轉向噴嘴126的旋轉進行限制。在此意義上，旋轉止擋部還將出口134的位置相對于轉子51，包括相對于發動機中心線12和從發動機中心線12垂直地延伸的徑向線110而固定。轉向通道從沿著部分152的徑向定向的大部分轉向至沿著部分154的與垂直于旋轉軸線的平面155平行的大部分。

參考圖6，轉向通道128具有轉向通道中心線，轉向通道中心線具有與轉角131的下游相比而不同的上游的定向。吹掃空氣流156是冷卻空氣，其穿過插入件管道122而沿著部分152行進至轉向噴嘴126中，并且，沿著部分154在轉向噴嘴出口134處退出。在轉角131的上游，轉向通道中心線的部分152與徑向線110大體上對準。在轉向通道中心線部分152與徑向線110之間形成角β。轉向通道128可定向成使得該角是零度。在大多數情況下，角β將是小于10度的小的銳角。

參考圖7，轉向通道中心線的部分154相對于與發動機中心線12垂直的平面155而形成角α，發動機中心線12也是發動機的旋轉軸線。該角是銳角α。預期到，角α將相對小的，小于10度。在大多數情況下，對于給出的實現方案，理想的是，角α實踐中盡量接近于零。角α越接近于零，退出出口134的吹掃空氣流156就越接近于與平面155相切。

在運行中，轉向噴嘴126以這樣的方式實現退出導葉62的吹掃空氣流156的轉向，以降低與轉彎相關聯的壓力損失。轉彎的量相對于徑向線110而大體上為90度，并且，預期處于80度與90度之間。平滑轉彎131幫助吹掃空氣流156的轉向而不造成顯著的壓力損失，以及對冷卻空氣的最低限度的加熱。轉角131不是銳角拐角，而是，轉角131包括為吹掃空氣流156的轉向作準備的平滑弧狀過渡，而不造成與拐角相關聯的壓力損失。

轉向噴嘴126還使退出出口134的吹掃空氣流156對準，使得吹掃空氣流156與平面155基本上相切。隨著退出的吹掃空氣流156變得越接近于與平面155相切，就存在旋轉空氣的總溫度另外的越大的下降，進入的吹掃空氣射流的速度越是與旋轉空氣的速度匹配，就生成越小的摩擦流體損失(阻力)。

轉向噴嘴126還將退出的吹掃空氣流156沿盤53的旋轉方向指引，而減小的橫截面區域148使吹掃空氣流156相對于轉子51的盤53的旋轉速度而加速。吹掃空氣流156的速度更接近于盤53的旋轉速度還提高效率，因為，吹掃空氣流156不創建盤53必須驅動穿過的空氣流，這減小旋轉盤53上的阻力。在示范性的實施例中，退出噴嘴的冷卻空氣的速度應當高達允許使摩擦力或阻力最小化且使冷卻空氣溫度最小化的設計約束。退出噴嘴的空氣在其沖擊轉子的點處的速度應當盡可能接近于轉子速度。

在生產中，能夠通過仍然將減少出現于與插入部分的交界面的空氣泄漏，降低吹掃空氣退出噴嘴時的壓力損失，且使與急轉彎和高損失的開口/出口相關聯的冷卻空氣的加熱最小化的手段，來鑄造或3d打印或生產出轉向噴嘴。在轉向噴嘴位于適當的位置時，轉向噴嘴自動定心，因為，轉向噴嘴將與插入件孔對準，且關鍵在于，轉向噴嘴設計成符合現有的噴嘴特征。

如上所述，轉向噴嘴是如下的單獨的工件：在組裝至包括沖擊插入件的導葉區段時，降低隨著將吹掃空氣從插入件腔發送至輪空間腔的壓力損失，而轉化為從轉向噴嘴出口流出的更高的吹掃空氣速度。這是一個益處，因為，使吹掃空氣轉向時的高的壓力下降典型地與急轉彎和障礙物相關聯，急轉彎和障礙物迫使吹掃空氣再循環或“擦洗”內部插入件/吹掃噴嘴熱表面，導致吹掃空氣的溫度上升，這繼而對轉子系統不利且縮短轉子壽命。

轉向噴嘴的另一益處包括為選擇吹掃空氣矢量方向的充分的靈活性作準備，典型地通過賦予相對于轉子平面而盡可能多的切向分量而實現該靈活性，使得輪空間腔中的摩擦損失最小化。

轉向噴嘴還允許以出現于附件的插入部分與交界的沖擊插入件之間的交界面的最低限度的泄漏將空氣從插入件腔傳遞至輪空間腔。

應當意識到，轉向噴嘴的應用不限于具有風扇和增壓器區段的渦輪發動機，而同樣地可應用于渦輪噴氣發動機和渦輪發動機。

本書面描述使用示例來公開本發明，包括最佳模式，并且，還使本領域任何技術人員能夠實踐本發明，包括制作并使用任何裝置或系統和執行任何并入的方法。本發明的專利范圍由權利要求限定，并且，可以包括本領域技術人員所想到的其他示例。如果這樣的其他示例具有并非與權利要求的字面語言不同的結構元件，或如果這些示例包括與權利要求的字面語言無實質的差異的等效的結構元件，則這些示例旨在屬于權利要求的范圍內。