具有护罩中的出口路径的涡轮轮叶的制作方法

本文中公开的主题涉及涡轮。具体而言，本文中公开的主题涉及燃气涡轮中的轮叶。

背景技术：

燃气涡轮包括静止叶片组件，其将工作流体(例如，气体)流引导到连接于旋转转子的涡轮轮叶中。这些轮叶设计成耐受涡轮内的高温、高压环境。一些常规带护罩的涡轮轮叶(例如，燃气涡轮轮叶)具有径向冷却孔，其允许冷却流体(即，来自压缩机级的高压空气流)经过以冷却那些轮叶。然而，该冷却流体常规地在径向末端处从轮叶的本体喷射，并且可结束，有助于该径向空间中的混合损失。

技术实现要素：

本公开的各种实施例包括一种涡轮轮叶，其具有：基部；联接于基部并且从基部沿径向向外延伸的叶片，叶片包括：本体，其具有压力侧；与压力侧相对的吸入侧；压力侧与吸入侧之间的前缘；以及压力侧与吸入侧之间的在与前缘相对的侧部上的后缘；以及本体内的多个沿径向延伸的冷却通路；以及在叶片的径向外侧联接于叶片的护罩，护罩包括：多个沿径向延伸的出口通路，其与本体内的第一组多个沿径向延伸的冷却通路流体地连接；以及出口路径，其至少部分地沿周向延伸穿过护罩并且与本体内的不同的第二组多个沿径向延伸的冷却通路中的全部流体地连接。

本公开的第一方面包括：一种涡轮轮叶，其具有：基部；联接于基部并且从基部沿径向向外延伸的叶片，叶片包括：本体，其具有压力侧；与压力侧相对的吸入侧；压力侧与吸入侧之间的前缘；以及压力侧与吸入侧之间的在与前缘相对的侧部上的后缘；以及本体内的多个沿径向延伸的冷却通路；以及在叶片的径向外侧联接于叶片的护罩，护罩包括：多个沿径向延伸的出口通路，其与本体内的第一组多个沿径向延伸的冷却通路流体地连接；以及出口路径，其至少部分地沿周向延伸穿过护罩并且与本体内的不同的第二组多个沿径向延伸的冷却通路中的全部流体地连接。

本公开的第二方面包括：一种涡轮轮叶，其具有：基部；联接于基部并且从基部沿径向向外延伸的叶片，叶片包括：本体，其具有压力侧；与压力侧相对的吸入侧；压力侧与吸入侧之间的前缘；以及压力侧与吸入侧之间的在与前缘相对的侧部上的后缘；以及本体内的多个沿径向延伸的冷却通路；以及在叶片的径向外侧联接于叶片的护罩，护罩包括：标记(notch)，其划出护罩的前半部与后半部之间的近似中点；以及出口路径，其从前半部至后半部至少部分地沿周向延伸穿过护罩，并且与本体内的多个沿径向延伸的冷却通路流体地连接。

本公开的第三方面包括：一种涡轮，其具有：定子；以及容纳在定子内的转子，转子具有：心轴；以及从心轴沿径向延伸的多个轮叶，多个轮叶中的至少一个包括：基部；联接于基部并且从基部沿径向向外延伸的叶片，叶片包括：本体，其具有压力侧；与压力侧相对的吸入侧；压力侧与吸入侧之间的前缘；以及压力侧与吸入侧之间的在与前缘相对的侧部上的后缘；以及本体内的多个沿径向延伸的冷却通路；以及在叶片的径向外侧联接于叶片的护罩，护罩包括：多个沿径向延伸的出口通路，其与本体内的第一组多个沿径向延伸的冷却通路流体地连接；以及出口路径，其至少部分地沿周向延伸穿过护罩并且与本体内的不同的第二组多个沿径向延伸的冷却通路中的全部流体地连接。

技术方案1.一种涡轮轮叶，包括：

基部：

叶片，其联接于所述基部并且从所述基部沿径向向外延伸，所述叶片包括：

本体，其具有：

压力侧；与所述压力侧相对的吸入侧；所述压力侧与所述吸入侧之间的前缘；以及所述压力侧与所述吸入侧之间的在与所述前缘相对的侧部上的后缘；以及

所述本体内的多个沿径向延伸的冷却通路；以及

护罩，其在所述叶片的径向外侧联接于所述叶片，所述护罩包括：

多个沿径向延伸的出口通路，其与所述本体内的第一组多个沿径向延伸的冷却通路流体地连接；以及

出口路径，其至少部分地沿周向延伸穿过所述护罩并且与所述本体内的不同的第二组多个沿径向延伸的冷却通路中的全部流体地连接。

技术方案2.根据技术方案1所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述多个沿径向延伸的出口通路从所述本体延伸至径向外区域。

技术方案3.根据技术方案2所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述多个沿径向延伸的出口通路与所述护罩中的出口路径流体地隔离。

技术方案4.根据技术方案3所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述多个沿径向延伸的出口通路定位成邻近所述本体的所述前缘。

技术方案5.根据技术方案1所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述护罩包括划出前半部与后半部之间的近似中点的标记，其中所述出口路径在所述后半部处延伸穿过所述护罩，并且出口邻近所述本体的所述后缘。

技术方案6.根据技术方案5所述的涡轮轮叶，其特征在于，穿过所述本体内的所述不同的第二组多个沿径向延伸的冷却通路的冷却流体的全部通过所述出口路径离开所述本体。

技术方案7.根据技术方案6所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述多个沿径向延伸的出口通路流体地出口至邻近所述本体的所述前缘的所述护罩的径向外侧的位置，并且其中所述出口路径出口至邻近所述本体的所述后缘的所述护罩的径向相邻的位置。

技术方案8.一种涡轮轮叶，包括：

基部：

叶片，其联接于所述基部并且从所述基部沿径向向外延伸，所述叶片包括：

本体，其具有：

压力侧；与所述压力侧相对的吸入侧；所述压力侧与所述吸入侧之间的前缘；以及所述压力侧与所述吸入侧之间的在与所述前缘相对的侧部上的后缘；以及

所述本体内的多个沿径向延伸的冷却通路；以及

护罩，其在所述叶片的径向外侧联接于所述叶片，所述护罩包括：

标记，其划出所述护罩的前半部与后半部之间的近似中点；以及

出口路径，其从所述前半部至所述后半部至少部分地沿周向延伸穿过所述护罩，并且与所述本体内的所述多个沿径向延伸的冷却通路流体地连接。

技术方案9.根据技术方案8所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述多个沿径向延伸的冷却通路从所述本体延伸至所述出口路径，并且其中所述本体还包括用于引导离开所述本体的冷却流体流的邻近后缘的至少一个肋/导叶。

技术方案10.根据技术方案8所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述出口路径延伸穿过所述护罩的所述前半部与所述后半部之间的所述标记。

技术方案11.根据技术方案10所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述出口路径从所述本体的近似所述前缘跨越至所述本体的近似所述后缘。

技术方案12.根据技术方案8所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述出口路径出口邻近所述本体的所述后缘。

技术方案13.根据技术方案12所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述出口路径出口在所述护罩的径向相邻的位置处。

技术方案14.根据技术方案9所述的涡轮轮叶，其特征在于，穿过所述本体内的所述多个沿径向延伸的冷却通路的冷却流体的全部通过所述出口路径离开所述本体。

技术方案15.一种涡轮，包括：

定子；以及

容纳在所述定子内的转子，所述转子具有：

心轴；以及

从所述心轴沿径向延伸的多个轮叶，所述多个轮叶中的至少一个包括：

基部；

叶片，其联接于所述基部并且从所述基部沿径向向外延伸，所述叶片包括：

本体，其具有：

压力侧；与所述压力侧相对的吸入侧；所述压力侧与所述吸入侧之间的前缘；以及所述压力侧与所述吸入侧之间的在与所述前缘相对的侧部上的后缘；以及

所述本体内的多个沿径向延伸的冷却通路；以及

护罩，其在所述叶片的径向外侧联接于所述叶片，所述护罩包括：

多个沿径向延伸的出口通路，其与所述本体内的第一组多个沿径向延伸的冷却通路流体地连接；以及

出口路径，其至少部分地沿周向延伸穿过所述护罩并且与所述本体内的不同的第二组多个沿径向延伸的冷却通路中的全部流体地连接。

技术方案16.根据技术方案15所述的涡轮，其特征在于，所述多个沿径向延伸的出口通路从所述本体延伸至径向外区域，并且其中所述本体还包括用于引导离开所述本体的冷却流体流的邻近后缘的至少一个肋/导叶。

技术方案17.根据技术方案15所述的涡轮，其特征在于，所述多个沿径向延伸的出口通路定位成邻近所述本体的所述后缘。

技术方案18.根据技术方案15所述的涡轮，其特征在于，所述护罩包括划出前半部与后半部之间的近似中点的标记，其中所述出口路径从所述前半部至所述后半部延伸穿过所述护罩，并且出口邻近所述本体的所述后缘。

技术方案19.根据技术方案18所述的涡轮，其特征在于，所述多个沿径向延伸的出口通路流体地出口至邻近所述本体的所述后缘的所述护罩的径向外侧的位置。

技术方案20.根据技术方案19所述的涡轮，其特征在于，所述出口路径出口至邻近所述本体的所述后缘的所述护罩的径向相邻的位置。

附图说明

本发明的这些及其它的特征将从连同附图进行的本发明的各种方面的以下详细描述更容易理解，该附图绘出了本公开的各种实施例，在该附图中：

图1示出了根据各种实施例的涡轮轮叶的侧视示意图。

图2示出了根据各种实施例的图1的轮叶的近视截面图。

图3示出了图2的轮叶的局部透明三维透视图。

图4示出了根据各种附加实施例的轮叶的近视截面图。

图5示出了图4的轮叶的局部透明三维透视图。

图6示出了根据各种附加实施例的轮叶的近视截面图。

图7示出了图6的轮叶的局部透明三维透视图。

图8示出了根据各种实施例的附加轮叶的近视示意性截面图。

图9示出了根据各种实施例的包括邻近其后缘的至少一个肋/导叶的轮叶的一部分的示意性俯视断面视图。

图10示出了根据各种实施例的涡轮的示意性局部截面图。

注意的是，本发明的附图不一定按比例。附图旨在仅绘出本发明的典型方面，并且因此不应当认作是限制本发明的范围。在附图中，相似的标号表示附图之间的相似元件。

部件列表

2涡轮轮叶

3级

4径向末端区段

6基部

8叶片

10护罩

12本体

14压力侧

16吸入侧

18前缘

20后缘

22冷却通路

28径向外区域

30出口通路

200第一组

210第二组

220出口路径

230轨道

240前半部

250后半部

260室

270位置

302轮叶

400涡轮

402轮叶

402使用轮叶的燃气涡轮

402轮叶

402使用轮叶的涡轮

428径向外侧位置

500涡轮

502定子

504外壳

506转子

508心轴

602轮叶

630第二轨道

802轮叶

830第二轨道

902(多个)肋/(多个)导叶。

具体实施方式

如本文中提到的，公开的主题涉及涡轮。具体而言，本文中公开的主题涉及燃气涡轮中的冷却流体流。

相比于常规途径，本公开的各种实施例包括具有包括出口路径的护罩的燃气涡轮机(或涡轮)轮叶。出口路径可与叶片中的多个沿径向延伸的冷却通路流体地连接，并且可将冷却流体的出路(outlet)从一组(例如，两个或更多)那些冷却通路引导至护罩的径向相邻且邻近轮叶的后缘的位置。

如这些附图中表示的，"a"轴线表示轴向定向(沿涡轮转子的轴线，为了清楚起见省略)。如本文中使用的，用语"轴向"和"轴向地"是指物体沿轴线a的相对位置/方向，其与涡轮机(具体而言，转子区段)的旋转轴线大致平行。如本文中进一步使用的，用语"径向"和/或"径向地"是指物体沿轴线(r)的相对位置/方向，其与轴线a大致垂直，并且在仅一个位置处与轴线a相交。此外，用语"周向"和/或"周向地"是指物体沿圆周(c)的相对位置/方向，其包绕轴线a，但在任何位置处都不与轴线a相交。进一步理解的是，附图之间共有的标号可表示附图中大致相同的构件。

为了冷却燃气涡轮中的轮叶，冷却流将在其行进穿过翼型件内的冷却通路时具有相当大的速度。该速度可通过在轮叶基部/根部处供应相对于轮叶的径向外区域中的流体/热气体的压力的较高压力的空气来实现。在径向外区域处以高速离开的冷却流与高动能相关联。在具有在径向外区域中喷射该高动能冷却流的冷却出口的常规轮叶设计中，该能量中的大部分不但浪费，而且产生径向外区域中的附加的混合损失(在冷却流与来自末端轨道与相邻外壳之间的间隙的末端泄漏流混合时)。

转到图1，示出了根据各种实施例的涡轮轮叶2(例如，燃气涡轮叶片)的侧视示意图。图2示出了轮叶2的近视截面图，其中具体聚焦于图1中大体上示出的径向末端区段4。同时参照图1和2。如所示，轮叶2可包括基部6、联接于基部6(并且从基部6沿径向向外延伸)的叶片8，以及在叶片8的径向外侧联接于叶片8的护罩10。如本领域中已知的，基部6、叶片8和护罩10可均由一种或更多种金属(例如，钢、钢合金等)形成，并且可根据常规途径形成(例如，铸造、锻造或另外机加工)。基部6、叶片8和护罩10可集成地形成(例如，铸造、锻造、三维打印等)，或者可形成为随后连结(例如，经由焊接、硬钎焊、联结或其它联接机构)的单独的构件。

具体而言，图2示出了叶片8，其包括本体12，例如，外壳或壳。本体12(图1-2)具有压力侧14和与压力侧14相对的吸入侧16(图2中阻挡了压力侧16)。本体12还包括压力侧14与吸入侧16之间的前缘18，以及压力侧14与吸入侧16之间的在与前缘18相对的侧部上的后缘20。如图2中所见，轮叶2还包括本体12内的多个沿径向延伸的冷却通路22。这些沿径向延伸的冷却通路22可允许冷却流体(例如，空气)从径向内位置(例如，邻近基部6)流动至径向外位置(例如，邻近护罩10)。在铸造、锻造、三维(3d)打印或其它常规制造技术期间，沿径向延伸的冷却通路22可连同例如本体12制造为通道或导管。

如图2中所示，在一些情况中，护罩10包括从本体12延伸至径向外区域28的多个出口通路30(例如，邻近本体12的前缘18)。出口通路30均与第一组200沿径向延伸的冷却通路22流体地联接，使得流动穿过对应的沿径向延伸的(多个)冷却通路22(在第一组200中)的冷却流体通过延伸穿过护罩10的出口通路30离开本体12。在各种实施例中，如图2中所示，出口通路30与第二组210(不同于第一组200)沿径向延伸的冷却通路22流体地隔离。即，如图2中所示，在各种实施例中，护罩10包括出口路径220，其至少部分地沿周向延伸穿过护罩10，并且与本体12中的第二组210沿径向延伸的冷却通路22中的全部流体地连接。护罩10包括出口路径220，其提供用于多个(例如，形成第二组210的2个或更多)沿径向延伸的冷却通路22的出口，并且提供与第一组200中的沿径向延伸的冷却通路22隔离的流体通道。

如图1和2中所见，护罩10可包括标记(轨道230)，其划出护罩10的前半部240与后半部250之间的近似中点。在各种实施例中，穿过第二组210沿径向延伸的冷却通路22的冷却流体的全部通过出口路径220离开本体12。在各种实施例中，第一组200沿径向延伸的冷却通路22出口至护罩10的径向外侧的位置28，而第二组210沿径向延伸的冷却通路22出口至护罩10的径向相邻的位置270(例如，本体12的径向外侧，护罩标记230的最外点的径向内侧)。在一些情况中，出口路径220与叶片8的本体12内的室260流体地连接，其中室260提供第二组210沿径向延伸的冷却通路22与护罩10中的出口路径220之间的流体通路。进一步理解的是，在各种实施例中，室260/出口路径220可包括肋或导叶(图9)，以有助于在冷却流体流离开护罩10时，使冷却流体流与期望的流体轨迹对准。

图3示出了从护罩10下方观看的绘出各种特征的轮叶2的局部透明三维透视图。理解的是，并且图3中更清楚示出的是，为护罩10的部分的出口路径220与室260流体地连接，使得室260可认作是出口路径220的延伸，或反之亦然。此外，室260和出口路径220可形成为单个构件(例如，经由常规制造技术)。进一步理解的是，后半部250处的护罩10的部分可具有大于后半部250处的护罩的部分的厚度(沿径向测量)，例如以便容纳出口路径220。

在图4中，根据本文中所述的各种附加实施例，轮叶302示为包括在护罩10内在前半部240与后半部250之间延伸的出口路径220，使得来自第一组200沿径向延伸的冷却通路和第二组210沿径向延伸的冷却通路两者的冷却流的全部流动穿过出口路径220。正如图2中所示的轮叶2的实施例那样，轮叶302也可包括尺寸确定成与出口路径220重合的室260。在该实施例中，出口路径220延伸穿过护罩10的前半部240与后半部250之间的标记230，并且出口邻近本体12的后缘20，在护罩10的径向相邻的位置270处。在各种特定实施例中，出口路径220从本体12的近似前缘18跨越至本体12的近似后缘20。

图5示出了绘出各种特征的轮叶302的局部透明三维透视图。理解的是，并且图5中更清楚示出的是，为护罩10的部分的出口路径220与室260流体地连接，使得室260可认作是出口路径220的延伸，或反之亦然。此外，室260和出口路径220可形成为单个构件(例如，经由常规制造技术)。进一步理解的是，后半部250处的护罩10的部分可具有与前半部240处的护罩10的部分大致类似的厚度(沿径向测量)。

图6示出了根据各种附加实施例的轮叶402。如所示，轮叶402可包括出口通路30，其均与第二组210沿径向延伸的冷却通路22流体地联接，使得流动穿过对应的沿径向延伸的(多个)冷却通路22(在第二组210中)的冷却流体通过延伸穿过护罩10的出口路径30离开本体12。在各种实施例中，出口路径30与本体12中的第一组200沿径向延伸的冷却通路22流体地隔离。如关于本文中的其它实施例所述，轮叶402中的护罩10还可包括出口路径220，其至少部分地沿周向延伸穿过护罩，并且与本体12中的第一组200沿径向延伸的冷却通路22中的全部流体地连接。出口路径220提供用于多个(例如，形成第一组200的2个或更多)沿径向延伸的冷却通路22的出口。轮叶402还可包括与出口路径220流体地联接并且定位成邻近护罩10的前半部240的室260。在该实施例中，出口路径220延伸穿过护罩10的前半部240与后半部250之间的标记230，并且出口邻近本体12的后缘20，在护罩10的径向相邻的位置270处。在各种特定实施例中，出口路径220从本体12的近似前缘18跨越至本体12的近似后缘20。在特定实施例中，如可在图7中的轮叶402的示意性局部透明三维图中更有效所见，一组沿径向延伸的出口通路30(在第二组210中，邻近后缘20)绕过出口路径220，并且容许冷却流体流动至径向外区域428，其位于出口路径30和护罩10的径向外侧。理解的是，并且图7中更清楚示出的是，为护罩10的部分的出口路径220与室260流体地连接，使得室260可认作是出口路径220的延伸，或反之亦然。此外，室260和出口路径220可形成为单个构件(例如，经由常规制造技术)。进一步理解的是，前半部240处的护罩10的部分可具有显著大于后半部250处的护罩10的部分的厚度(沿径向测量)。

图8示出了根据各种实施例的附加轮叶802的近视示意性截面图。轮叶802可包括护罩10，其包括位于护罩10的前半部240内的第二轨道830。出口路径220可从第二轨道630延伸至轨道230，并且在护罩10的后半部250附近离开至后缘20处的位置270。

相比于常规轮叶，具有出口路径220的轮叶2,302,402,802允许高速冷却流从护罩10喷射超过轨道230(沿周向经过轨道230，或在轨道230下游)，与在后缘12附近流动的热气体的方向对准。类似于热气体，从护罩10(经由出口路径220)喷射的冷却流的反作用力可在轮叶2,302,402,802上生成反作用力。该反作用力可增大轮叶2,302,602上的总体转矩，并且增大使用轮叶2,302,402,802的涡轮的机械轴动力。在护罩10的径向外侧区域中，静压力在后半部区域250中比在前半部区域240中更低。冷却流体压力比限定为基部6处的冷却流体的输送压力与邻近径向外侧位置428的热气体路径处的喷射压力(称为"储槽压力(sinkpressure)")之比。尽管可存在用于各种类型的燃气涡轮的轮叶的特定冷却流体压力比要求，但储槽压力的减小可减小对邻近基部6的入口处的较高压力的冷却流体的要求。包括出口路径220的轮叶2,302,402,802可在相比于常规轮叶时减小储槽压力，因此需要来自压缩机的较低供应压力来保持相同的压力比。这减小了由压缩机所需的功(用以压缩冷却流体)，并且相对于常规轮叶改进了使用轮叶2,302,402,802的燃气涡轮的效率。甚至进一步，轮叶2,302,402,802可有助于减小使用此类轮叶的涡轮中的混合损失。例如，存在于常规构造中的、与冷却流和末端泄漏流的混合相关联的径向外区域28中的混合损失由离开出口路径220的冷却流体的定向流极大地减小。此外，离开出口路径220的冷却流体与热气体流的方向对准，减小了冷/热流体流之间的混合损失。出口路径220可进一步有助于减小冷却流体与前缘热气体流的混合(在与常规轮叶相比时)，其中轨道230充当帘类机构。出口路径220使冷却流体循环穿过末端护罩10，由此在相比于常规轮叶时降低护罩10中的金属温度。在连续驱动来升高燃气涡轮中的燃烧温度的情况下，轮叶2,302,402,802可加强使用此类轮叶的涡轮中的冷却，允许升高的燃烧温度和较大的涡轮输出。

图9示出了轮叶2的一部分的示意性俯视断面视图，其包括邻近后缘20的至少一个肋/导叶902，用于在冷却流体流邻近护罩10离开时引导冷却流体流。(多个)肋/(多个)导叶902可有助于使冷却流体流与热气体流动路径的方向对准。

图10示出了根据各种实施例的涡轮500(例如，燃气涡轮)的示意性局部截面图。涡轮400包括定子502(示出在外壳504内)和定子502内的转子506，如本领域中已知的。转子506可包括心轴508，连同从心轴508沿径向延伸的多个轮叶(例如，轮叶2,302,402,802)。理解的是，涡轮500的各个级内的轮叶(例如，轮叶2,302,402,802)可为大致相同类型的轮叶(例如，轮叶2)。在一些情况中，轮叶(例如，轮叶2,302和/或402)可位于涡轮500内的中级中。即，在涡轮500包括四(4)个级(沿心轴508轴向地分散，如本领域中已知的)的情况下，轮叶(例如，轮叶2,302,402,802)可位于涡轮500内的第二级(2级)、第三级(3级)或第四级(4级)中，或者在涡轮500包括五(5)个级(沿心轴508轴向地分散)的情况下，轮叶(例如，轮叶2,302,402,802)可位于涡轮500内的第三级(3级)中。

本文中使用的用语出于仅描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本公开。如本文中使用的，单数形式"一"、"一个"和"该"旨在也包括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。还将理解的是，用语"包括(comprises)"和/或"包含(comprising)"在用于本说明书中时表示叙述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但并未排除存在或添加一个或更多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组。

该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。