涡轮机轮叶及相应的涡轮机的制作方法

本发明所公开的主题涉及涡轮机械。具体地，本发明所公开的主题涉及燃气涡轮机轮叶及相应的涡轮机。

背景技术：

燃气涡轮机(gas turbines)包括静叶片组件，其将工作流体(例如，气体)的流动引导到连接到旋转转子的涡轮机轮叶(turbine buckets)中。这些轮叶设计成耐受涡轮机内的高温、高压环境。一些常规护罩涡轮机轮叶(例如，燃气涡轮机轮叶)具有径向冷却孔，其允许冷却流体(即，来自压缩器级的高压空气流动)的通过以冷却那些轮叶。然而，该冷却流体常规地在径向尖端处(at the radial tip)从轮叶的主体喷射，并且可以结束，且造成在叶片护罩的外侧的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机轮叶，其包括：基部(a base)；叶片(a blade)，所述叶片联接到所述基部并且从所述基部径向地向外延伸，以及在所述叶片的径向外侧联接到所述叶片的护罩(a shroud)。所述叶片包括主体(a body)，所述主体具有：压力侧；与所述压力侧相对的吸力侧；在所述压力侧和所述吸力侧之间的前缘；以及在所述压力侧和所述吸力侧之间且在与所述前缘相对的一侧上的后缘。所述叶片还包括在所述主体内的多个径向延伸冷却通道；以及与所述多个径向延伸冷却通道中的至少一个流体地联接的至少一个泄放孔(bleed aperture)，所述至少一个泄放孔在所述后缘处延伸通过所述主体。

本公开的第一方面包括一种涡轮机轮叶，其具有：基部；叶片，所述叶片联接到所述基部并且从所述基部径向地向外延伸，所述叶片包括：主体，所述主体具有：压力侧；与所述压力侧相对的吸力侧；在所述压力侧和所述吸力侧之间的前缘；以及在所述压力侧和所述吸力侧之间且在与所述前缘相对的一侧上的后缘；在所述主体内的多个径向延伸冷却通道；以及与所述多个径向延伸冷却通道中的至少一个流体地联接的至少一个泄放孔，所述至少一个泄放孔在所述后缘处延伸通过所述主体；以及在所述叶片的径向外侧联接到所述叶片的护罩。

在较佳实施例中，所述护罩包括从所述主体延伸到径向外部区域(a radially outer region)的多个出口通道(a plurality of outlet passageways)。

在进一步的较佳实施例中，所述多个出口通道与所述至少一个泄放孔流体地隔离。

在进一步的较佳实施例中，其特征在于，所述多个出口通道邻近所述主体的前缘定位。

所述的涡轮机轮叶较佳地还包括在所述主体内的增压室(a plenum)，所述增压室与所述多个径向延伸冷却通道和所述至少一个泄放孔流体地连接。

在进一步的较佳实施例中，所述增压室将所述多个径向延伸冷却通道与附加的(additional)径向延伸冷却通道流体地隔离。

在进一步的较佳实施例中，所述增压室具有在主体内的梯形(trapezoidal)横截面形状。

在较佳实施例中，所述护罩被径向地密封到所述主体。

在进一步的较佳实施例中，穿过所述多个径向延伸冷却通道的整个冷却流体通过所述至少一个泄放孔离开所述主体。

本公开的第二方面包括一种涡轮机轮叶，其包括：基部；叶片，所述叶片联接到所述基部并且从所述基部径向地向外延伸。所述叶片包括主体，所述主体具有：压力侧；与所述压力侧相对的吸力侧；在所述压力侧和所述吸力侧之间的前缘；以及在所述压力侧和所述吸力侧之间且在与所述前缘相对的一侧上的后缘。所述叶片还包括在所述主体内的多个径向延伸冷却通道；以及与所述多个径向延伸冷却通道中的至少一个流体地联接的至少一个泄放孔，所述至少一个泄放孔通过所述主体延伸到所述压力侧或所述吸力侧中的至少一个。所述涡轮机轮叶还包括在所述叶片的径向外侧联接到所述叶片的护罩。

在较佳实施例中，所述护罩包括从所述主体延伸到径向外部区域的多个出口通道。

在进一步的较佳实施例中，所述多个出口通道与所述至少一个泄放孔流体地隔离。

在进一步的较佳实施例中，所述多个出口通道邻近所述主体的前缘定位。

所述的涡轮机轮叶较佳地还包括在所述主体内的增压室，所述增压室与所述多个径向延伸冷却通道和所述至少一个泄放孔流体地连接，其中所述增压室将所述多个径向延伸冷却通道与附加的径向延伸冷却通道流体地隔离。

在较佳实施例中，所述护罩被径向地密封到所述主体。

在进一步的较佳实施例中，穿过所述多个径向延伸冷却通道的整个冷却流体通过所述至少一个泄放孔离开所述主体。

所述的涡轮机轮叶较佳地还包括与所述多个径向延伸冷却通道中的至少一个流体地联接的附加泄放孔，所述附加泄放孔在所述后缘处延伸通过所述主体。

本公开的第三方面包括一种涡轮机，其包括：定子；以及包含在所述定子内的转子。所述转子具有：主轴(a spindle)；以及从所述主轴径向地延伸的多个轮叶，所述多个轮叶中的至少一个包括：基部；叶片，所述叶片联接到所述基部并且从所述基部径向地向外延伸。所述叶片包括主体，所述主体具有：压力侧；与所述压力侧相对的吸力侧；在所述压力侧和所述吸力侧之间的前缘；以及在所述压力侧和所述吸力侧之间且在与所述前缘相对的一侧上的后缘。所述叶片还包括在所述主体内的多个径向延伸冷却通道；以及与所述多个径向延伸冷却通道中的至少一个流体地联接的至少一个泄放孔，所述至少一个泄放孔在所述后缘处延伸通过所述主体。所述多个轮叶中的至少一个还包括在所述叶片的径向外侧联接到所述叶片的护罩。

在较佳实施例中，所述护罩包括从所述主体延伸到径向外部区域的多个出口通道。

在较佳实施例中，所述多个出口通道与所述至少一个泄放孔流体地隔离。

附图说明

从结合附图进行的本发明的各方面的以下详细描述将更容易地理解本发明的这些和其它特征，附图描绘本公开的各种实施例，其中：

图1显示根据各种实施例的涡轮机轮叶的侧视示意图。

图2显示根据各种实施例的图1的轮叶的特写(close-up)横截面图。

图3显示根据各种实施例的一对轮叶的示意性三维轴向透视图。

图4显示图2和3中的轮叶的一部分的端视图。

图5显示图2-4的轮叶的部分透明三维透视图，其中护罩被去除。

图6显示通过图3中的横截面A1-A1和A4-A4获得的轮叶2的剖视图。

图7显示根据各种实施例的轮叶的特写横截面图。

图8显示根据各种附加实施例的轮叶的特写横截面图。

图9显示根据实施例的轮叶的特写横截面图。

图10显示根据附加实施例的轮叶的特写横截面图。

图11显示根据各种实施例的轮叶的俯视横截面图。

图12显示根据各种附加实施例的轮叶的俯视横截面图。

图13显示根据另外的实施例的轮叶的俯视横截面图。

图14显示根据实施例的轮叶的特写横截面图。

图15显示根据附加实施例的轮叶的特写横截面图。

图16显示根据各种实施例的涡轮机的示意性部分横截面图。

应当注意本发明的图不必按比例绘制。图旨在仅仅描绘本发明的典型方面，并且因此不应当被认为限制本发明的范围。在图中，相似的附图标记表示图之间的相似元件。

具体实施方式

如本发明中所述，所公开的主题涉及涡轮机。具体地，本发明所公开的主题涉及冷却燃气涡轮机中的流体流动。

相比于常规方法，本公开的各种实施例包括燃气涡轮机械(或涡轮机)轮叶，其具有邻近径向尖端、在轮叶护罩的径向内侧的压力侧或吸力侧泄放孔中的至少一个。这些泄放孔与径向延伸冷却通道流体地连接，其允许冷却流体通过轮叶从径向内部位置流动到泄放孔的径向外部位置。在各种实施例中，泄放孔替换延伸通过护罩的常规径向冷却孔。也就是说，在各种实施例中，燃气涡轮机轮叶不包括邻近泄放孔的护罩中的径向面对孔(radially facing apertures)。在一些情况下，轮叶包括在护罩的径向内侧的增压室，所述增压室与径向延伸冷却通道流体地连接。增压室可以与多个径向延伸冷却通道和多个泄放孔流体地连接。

如这些图中所示，“A”轴线表示轴向取向(沿着涡轮机转子的轴线，为了清楚起见被省略)。当在本发明中使用时，术语“轴向”和/或“轴向地”指的是沿着轴线A的物体的相对位置/方向，所述轴线大致平行于涡轮机械(特别地，转子部段)的旋转轴线。当在本发明中进一步使用时，术语“径向”和/或“径向地”指的是沿着轴线(r或R)的物体的相对位置/方向，所述轴线r或R大致垂直于轴线A并且仅仅在一个位置处与轴线A相交。另外，术语“圆周”和/或“圆周地”指的是沿着圆周(c)的物体的相对位置/方向，所述圆周围绕轴线A但是不在任何位置处与轴线A相交。还应当理解图之间的共同附图标记可以表示图中的大致相同的部件。

参见图1，根据各种实施例显示涡轮机轮叶2(例如，燃气涡轮机叶片)的侧视示意图。图2显示轮叶2的特写横截面图(沿着径向延伸冷却通道)，特别地集中于大体上在图1中所示的径向尖端部段4。同时参考图1和2。如图所示，轮叶2可以包括基部6，联接到基部6(并且从基部6径向地向外延伸)的叶片8，以及在叶片8的径向外侧联接到叶片8的护罩10。在本领域中已知，基部6、叶片8和护罩10均可以由一种或多种金属(例如，钢、钢的合金等)形成并且可以根据常规方法形成(例如，铸造、锻造或以另外方式机械加工)。基部6、叶片8和护罩10可以成一体地形成(例如，铸造、锻造、三维打印等)，或者可以形成为随后联结(例如，经由焊接、铜焊、粘结或以其它联接机制)的独立部件。

图3显示形成轮叶组件的一部分的一对轮叶2的示意性三维轴向透视图。同时参考图1-3。特别地，图2显示包括主体12(例如，外壳体或壳)的叶片8。主体12(图1-3)具有压力侧14和与压力侧14相对的吸力侧16(在图3中遮挡吸力侧16)。主体12也包括在压力侧14和吸力侧16之间的前缘18，以及在压力侧14和吸力侧16之间并在与前缘18相对的侧的后缘20。如图2中所见，轮叶2也包括在主体12内的多个径向延伸冷却通道22。这些径向延伸冷却通道22可以允许冷却流体(例如，空气)从径向内部位置(例如，邻近基部6)流动到径向外部位置(例如，邻近护罩10)。径向延伸冷却通道22可以在铸造、锻造、三维(3D)打印或其它常规制造技术期间作为通道或管道与主体12一起被制造。如图2和3中所示，轮叶2还可以包括与多个径向延伸冷却通道22中的至少一个流体地联接的至少一个泄放孔24(显示若干)。(一个或多个)泄放孔24在后缘20处延伸通过主体12，并且将径向延伸冷却通道22与邻近后缘20的外部区域26流体地联接。也就是说，相比于常规轮叶，轮叶2包括在后缘20处、在邻近(例如，相邻)护罩10(但是在护罩10的径向内侧)的位置延伸通过主体12的泄放孔24。这可以允许主体12的充分冷却，同时减小位于护罩10的径向外侧的径向外部区域28(或，径向间隙)中的混合损失。在各种实施例中，从后缘20处的叶片8和护罩10的接合处(junction)测量，泄放孔24沿着后缘20的长度的大约百分之3到大约百分之30朝着基部6延伸。

根据一些实施例，为了冷却(一个或多个)轮叶2，可能需要相当大的冷却流速度。可以通过相对于在外部区域26和/或径向外部区域28中的流体/热气体混合物的压力在轮叶基部/根部6处供应更高压力的流体获得该冷却流的速度。因而，退出到这些区域的冷却流动可以以较高速度离开，并且与相应较高动能关联。在常规设计中，将该流体喷射到径向外部区域不仅浪费该流体中的能量，而且可以造成径向外部区域中的混合损失(其中该流动与围绕轨道34流动的流体混合)。然而，使用轮叶2将更高速度流体流动中的一些转向到外部区域26生成轮叶2上的反作用力，其可以增加轮叶2上的总扭矩(并且因此，增加使用(一个或多个)轮叶2的涡轮机的机械轴功率)。另外，轮叶2可以帮助减小存在于常规轮叶中的两个混合损失机制：a)轮叶2显著地减小与冷却流动和尖端泄漏的混合相关联的径向外部区域中的混合损失；和b)轮叶2提供从泄放孔24喷射的冷却流动以激励后缘尾流(trailing edge wake)(例如，经过后缘的低动量流动)并且减小后缘尾流混合损失。如本发明中所述，在泄放孔24处由流体出口提供的增加的扭矩和减小的混合损失都将帮助改善涡轮机效率。在基部6处供应的冷却流动的总压力被称为供给压力并且在径向外部区域28中的静压力被称为沉陷(sink)压力。期望保持冷却通道上的一定压力比(供给处的总压力与沉陷处的静压力的比率)以获得径向通道中的期望冷却流动量和冷却流动速度。外部区域26中的静压力(static pressure)相比于径向外部区域28总是更低，所以通过利用区域26中的减小沉陷压力，基部处的冷却流动的总压力(供给压力)可以减小，同时保持供给与沉陷压力比。当与常规轮叶相比时轮叶2、400、500将具有减小的沉陷压力(sink pressure)，因此需要来自压缩器的低供给压力以保持相同的压力比。这减小压缩机所需的功(以压缩冷却流体)，并且相对于常规轮叶改善使用轮叶2、400、500的燃气涡轮机的效率。

在一些情况下，如图3中所示，护罩10包括从主体12延伸到径向外部区域28的多个出口通道30。出口通道30均与至少一个径向延伸冷却通道22流体地联接，使得流动通过(一个或多个)相应的径向延伸冷却通道22的冷却流体通过延伸通过护罩10的出口通道30离开主体12。在各种实施例中，如图2中所示，出口通道30与(一个或多个)泄放孔24流体地隔离，使得通过(一个或多个)泄放孔24的来自(一个或多个)径向延伸冷却通道22的流动(例如，冷却流体)不接触来自与出口通道30联接的径向延伸冷却通道22的流动(例如，冷却流体)。在各种实施例中，出口通道30邻近主体12的前缘18定位，使得出口通道30完全位于护罩10的前半部32(近似护罩10中的轨道34所表示的中途点)中。(一个或多个)泄放孔24和将泄放孔24连接到增压室36(在本发明中进一步描述)的通道可以使用例如恒定尺度的不同几何形状生成，使得通道的横截面可以为圆、椭圆等。在另一方面，(一个或多个)泄放孔24和增压室36之间的通道可以具有锥形横截面，其从增压室渐缩到(一个或多个)泄放孔24的出口，或从(一个或多个)泄放孔24的出口渐缩到增压室36。

根据本发明中所述的各种实施例，轮叶2还可以包括在主体12内的增压室36，其中增压室36与多个径向延伸冷却通道22和(一个或多个)泄放孔24中的至少一个流体地连接。增压室36可以为来自多个径向延伸冷却通道22的冷却流动提供混合位置，并且可以通过泄放孔24排出到后缘20。增压室36可以将一组径向延伸冷却通道22与其它径向延伸冷却通道22流体地隔离(例如，将后半部38中的所述通道22与前半部32中的所述通道22隔离)。在一些情况下，如图2中所示，增压室36可以具有主体12内的梯形横截面形状(当通过压力侧面获得横截面时)，使得它在后缘20处比在内部、平行侧处具有更长的侧。根据各种实施例，增压室36沿着后缘20的长度的大约百分之3到大约百分之20延伸。

图4显示轮叶2的端视图，并且图5显示轮叶2的部分透明三维透视图，其中护罩10被去除(使得增压室36不被密封)。应当理解图2显示在通过线A-A的横截面中的轮叶2。

图6显示通过图3中的横截面A1-A1(A1-A1是护罩10和叶片8之间的尖端圆角内(within the tip fillet)的横截面)和A4-A4(A4-A4是护罩10和叶片8之间的尖端圆角正下方的叶片8的横截面)获得的轮叶2的剖视图。该视图展示包括其膨胀(inflated)后缘部段20的轮叶2的另一方面。图6示出相对于常规后缘设计C_TE的部段20的一部分中的膨胀后缘，其中C_TE是在与轮叶2的横截面A2-A2相同的位置处在常规轮叶上获得的横截面。截面A2-A2与C_TE的比较显示当与常规后缘设计相比时部段20具有更大的体积以容纳泄放孔24，同时为了结构完整性保持足够的金属壁厚度。

在各种替代实施例中，分别如图7和8中的轮叶400和500的横截面中所示，延伸增压室536可以在主体12内延伸以与所有径向延伸通道22流体地连接。在这些实施例中，护罩10可以径向地密封到主体12，也就是说，护罩10没有任何出口通道30。因而，在轮叶400(图7)中，穿过径向延伸冷却通道22的整个冷却流体通过(一个或多个)泄放孔24离开主体12。图8显示包括泄放孔24和压力侧出口32两者的特定替代实施例。在该实施例中，轮叶500包括在主体12的压力侧14上的至少一个压力侧出口32。(一个或多个)压力侧出口32可以与延伸增压室536流体地联接，并且可以允许冷却流体从延伸增压室536流动到热气体流动路径538(在图3中显示)以便与工作流体混合。在各种实施例中，沿着其与护罩10的接合部测量，延伸增压室536可以跨越叶片8的宽度的大约百分之60到大约百分之90。

图9和10分别显示根据各种附加实施例的轮叶600和700的横截面图。图9显示具有增压室36的轮叶600，分隔部(例如，弯曲部)602横越后缘20的深度(across the depth of trailing edge 20)(进入页面)至少部分地在增压室36内延伸。在该实施例中，轮叶600包括在主体12的压力侧14上的至少一个压力侧出口32。(一个或多个)压力侧出口32可以与增压室36流体地联接，并且可以允许冷却流体从增压室36流动到热气体流动路径538(在图3中显示)以便与工作流体混合。在各种实施例中，沿着压力侧14和吸力侧16之间的后缘20测量，分隔部602可以沿着叶片8的深度的大约百分之3到大约百分之20延伸。应当理解根据各种实施例，增压室36可以包括将增压室36分成多个部分的多个分隔部(例如，类似于分隔部602)。此外，应当理解本发明中所述的增压室(例如，增压室36)可以采取各种几何形状，并且在本发明中显示和描述的那些形状仅仅是示例性的。图10显示包括多个横向钻孔702的轮叶700，每个横向钻孔702与径向延伸冷却通道22中的不同的一个流体地连接。每个横向钻孔702可以在后缘20处离开，并且在各种实施例中，与相应的径向延伸冷却通道22成角度(例如，大约75-105度角)地对准。

图11、12和13显示根据各种实施例的、包括压力侧出口32和吸力侧出口1332的例子的轮叶的俯视横截面图。

图14和15分别显示轮叶1402和1502的附加实施例的侧视横截面图。轮叶1402可以包括增压室36(未标示)内的销1404的阵列(例如，销堆阵列)以便修改通过增压室36到达(一个或多个)泄放孔24的流体的流动方向。这些销1404可以改善热传递并且减小增压室区域中的叶片8的压力壁和/或吸力壁的叶片金属温度。另外这些销1404连接压力壁和吸力壁的内表面，并且用作结构加强以改善结构完整性。轮叶1502可以包括多个流动紊流器(turbulators)，多个流动紊流器包括径向定向紊流器1504A(沿着r轴线延伸)和圆周定向紊流器1504B(沿着垂直于r轴线的轴线延伸)中的至少一个。紊流器1504A、1504B可以修改通过增压室36到达泄放孔24的流体的分布和/或流动方向。此外，在一些实施例中，紊流器1504B可以将叶片8的吸力侧壁与压力侧壁连接以提供结构支撑，和/或将增压室36分成多个室以在通过泄放孔24离开之前调节增压室36内的冷却流动的分布。

图16显示根据各种实施例的涡轮机800(例如，燃气涡轮机)的示意性部分横截面图。涡轮机800包括定子802(在壳体804内显示)和在定子802内的转子，这在本领域中是公知的。转子可以包括主轴808，以及从主轴808径向地延伸的多个轮叶(例如，轮叶2、400、500、600和/或700)。应当理解涡轮机800的每一级内的轮叶(例如，轮叶2、400、500、600和/或700)可以是基本相同类型的轮叶(例如，轮叶2)。在一些情况下，轮叶(例如，轮叶2、400、500、600和/或700)可以位于涡轮机800内的中间级中。也就是说，在涡轮机800包括四(4)个级(沿着主轴808轴向地分布，这在本领域中是公知的)的情况下，轮叶(例如，轮叶2、400、500、600和/或700)可以位于涡轮机800内的第二级(级3)中，或者在涡轮机800包括五(5)个级(沿着主轴808轴向地分布)的情况下，轮叶(例如，轮叶2、400、500、600和/或700)可以位于涡轮机800内的第三级(级3)和/或第四级(级4)中。

应当理解根据各种实施例，本发明中所述的轮叶(例如，轮叶2、400、500、600和/或700)中的任何一个可以包括可以形成为铸造特征(例如，经由铸造)的增压室。在其它情况下，增压室可以由电火花加工(EDM)、例如从主体的径向尖端加工形成。在各种实施例中，开孔、路径和其它孔可以经由常规加工工艺在任何轮叶中形成。本发明中所述的部件中的任何一个可以使用三维(3D)打印形成。

应当理解尽管本发明中的各种实施例公开了从叶片的径向出口密封的增压室，但是在一些特定实施例中，除了本发明中所述的后缘孔之外，能够形成从增压室到径向尖端的一个或多个出口通道。

本发明中使用的术语仅仅是为了描述特定实施例并且不旨在限制本公开的范围。当在本发明中使用时，单数形式“一”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文明确地另外说明。还将理解当在该说明书中使用时术语“包括”和/或“包含”指明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组的存在或加入。

该书面描述使用例子来公开包括最佳模式的本发明，并且也使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其它例子。这样的其它例子旨在属于权利要求的范围内，只要它们具有与权利要求的文字语言没有区别的结构元件，或者只要它们包括与权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元件。