专利名称：用于燃气涡轮发动机的涡轮喷嘴的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言，涉及用于冷却此类发动机
中的涡轮喷嘴的装置。
背景技术：
燃气涡轮发动机包括具有成串行流动关系的高压压縮机、燃烧器和高压涡轮 ("HPT")的涡轮机械心子(core)。该心子可采用已知的方式进行工作以产生主气流。高 压涡轮包括将离开燃烧器的气体引导到旋转的桨叶或轮叶中的环形阵列("排")的固定叶 片或喷嘴。 一排喷嘴和一排桨叶共同组成一"级"。通常，在串行流动关系中使用两级或多 级。这些构件在温度极高的环境中工作，并且必须由空气流冷却以确保足够的使用寿命。
HPT喷嘴通常构造为在环形内带(band)和环形外带之间延伸的翼型叶片阵列，该 环形内带和环形外带限定穿过喷嘴的主流路。 一些现有技术的HPT喷嘴在后内带上所经受 的温度已超过设计意图。这已导致后内带因在很少量的发动机循环中氧化而损耗。材料损 耗可引发一连串不希望发生的事件，导致严重的发动机故障。例如，在多级HPT中，第一级 喷嘴内带后部的损耗可引起在第一级喷嘴与邻近的第一级叶片的前向旋转密封件或"天使 翼(angel wing)"之间摄入热气体。所摄入的主气流可继而加热第一级转子盘的前冷却板， 致使其开裂。 一旦冷却板开裂，热空气可加热第一级转子盘，引起盘柱损坏，这可导致第一 级涡轮叶片脱落。 现有技术HPT喷嘴的内带通常具有为减轻重量而自其去除材料的凹部(pocket)。 然而，由于存在高速气流，如从典型的内带下方可见，该凹部可引起停滞区。停滞区使冷却 恶化并且可导致上述故障。
发明内容
本发明解决了现有技术的这些及其它缺点，提供了一种内带，其具有抑制高速气 流停滞的减轻重量的凹部。 根据本发明的一方面，一种涡轮喷嘴包括中空的翼型涡轮叶片；以及布置在涡 轮叶片第一端的弓形第一带，该第一带具有邻近涡轮叶片的流路面(face)以及相反的背 面。该背面包括至少一个敞口凹部，该至少一个凹部由从背面凹进的底壁部分地限定，底壁 的相对端与背面结合。底壁基本上没有内部拐角(i皿er corner)。 根据本发明的另一方面，一种用于燃气涡轮发动机的涡轮组件包括涡轮转子， 其包括承载跨过主流路延伸的多个翼型涡轮叶片的盘；以及布置在转子上游的涡轮喷嘴。 涡轮喷嘴包括跨过主流路延伸的多个中空翼型涡轮叶片；布置在涡轮叶片内端的弓形内 带。内带具有径向朝外的流路面以及相反的背面。背面包括至少一个敞口凹部，该至少一 个凹部由从背面凹进的底壁部分地限定，底壁的相对端与背面结合。底壁基本上没有内部 拐角。
通过参考以下结合附图的描述，可最佳地理解本发明，在附图中 图1是根据本发明的一方面所构建的燃气涡轮发动机的高压涡轮部段的截面图； 图2是涡轮喷嘴段的透视图； 图3是涡轮喷嘴段的另一个透视图； 图4是图2的涡轮喷嘴段的底视图； 图5是图2的涡轮喷嘴段的横截面图； 图6是图2的涡轮喷嘴的截面图； 图7是图2的涡轮喷嘴段的一部分内带的横截面图； 图8是现有技术涡轮喷嘴段的一部分内带的横截面示意图；以及 图9是图2的涡轮喷嘴段的一部分内带的横截面示意图。
具体实施例方式
参照附图，其中全部附图中相同的参考标号表示相同的元件，图l示出高压涡轮 10的一部分，该高压涡轮10为已知类型的燃气涡轮发动机的部件。高压涡轮10的功能是 从来自上游燃烧器(未示出)的高温、加压燃烧气体获取能量并以公知方式将能量转化为 机械功。高压涡轮10通过轴驱动上游压縮机(未示出)，以便供应加压空气到燃烧器。
在所示实例中，发动机为涡扇式发动机并且低压涡轮(未示出)将位于气体发生 器涡轮10的下游并联接在驱动风扇的轴上。然而，本文所述的原理可同等地应用于涡轮螺 旋桨式发动机和涡轮喷气式发动机，以及用于其它车辆或用于静态应用的涡轮发动机。
高压涡轮10包括第一级喷嘴12，其包括支承在弓形、分段的第一级外带16与弓 形、分段的第一级内带18之间的多个周向隔开的翼型中空第一级叶片14。第一级叶片14、 第一级外带16和第一级内带18布置成多个周向邻接的喷嘴段，共同形成完整的36(T组 件。第一级外带16和内带18分别限定外部径向流路边界和内部径向流路边界，用于使热 气流流经第一级喷嘴12。第一级叶片14构造成以最佳方式将燃烧气体引导到第一级转子 20。 第一级转子20包括从绕着发动机中心轴线旋转的第一级盘24向外延伸的翼型第 一级涡轮桨叶22阵列。分段的弓形第一级护罩26布置成紧绕第一级涡轮桨叶22并从而 限定外部径向流路边界，用于使热气流流经第一级转子20。 第二级喷嘴28位于第一级转子20下游，并且包括支承在弓形、分段的第二级外带 32与弓形、分段的第二级内带34之间的多个周向隔开的翼型中空第二级叶片30。第二级 叶片30、第二级外带32和第二级内带34布置成多个周向邻接的喷嘴段，共同形成完整的 360°组件。第二级外带32和内带34分别限定外部径向流路边界和内部径向流路边界，用 于使热气流流经第二级涡轮喷嘴28。第二级叶片30构造成以最佳方式将燃烧气体引导到 第二级转子38。 第二级转子38包括从绕着发动机中心轴线旋转的第二级盘42径向向外延伸的径 向翼型第二级涡轮桨叶40阵列。分段的弓形第二级护罩44布置成紧绕第二级涡轮桨叶40 并从而限定外部径向流路边界，用于使热气流流经第二级转子38。 图2和图3示出了组成第一级喷嘴12的若干喷嘴段46中的一者。喷嘴段46包括两个"单体"铸件48，其并排地布置并且例如通过铜焊结合在一起，以形成整体式构件。每 个单体48都由具有合适的高温特性的公知材料如镍基或钴基"超耐热合金"铸造而成并且 包括外带16段、内带18段和中空第一级叶片14。本文所述的概念可同等地应用于由"双 体"铸件以及多叶片铸件和连续涡轮喷嘴环所制成的涡轮喷嘴。 内带18具有流路面54和相反的背面56。 一个或多个敞口凹部58形成在背面56 中。凹部58可通过将它们结合到铸件中、通过加工或通过多种技术的结合来形成。
图4至图6更详细地示出了凹部58。各凹部58均具有敞口周缘60。其形状由前 壁62、后壁64和底壁66界定和共同限定。前壁62和后壁64通常为平面的、互相平行并且 沿径向对齐。它们的形状对于本发明的操作并非关键。 底壁66在第一端68与第二端70之间大体上沿着周向延伸。底壁66包括从背面 56凹进的中间部72以及两个端部74。端部74在中间部72与背面56之间形成斜坡。中 间部72可限定圆弧的一部分，或者另一种合适的曲状轮廓。 底壁66沿径向偏离背面56的距离称为凹部58的"深度"并以"D"表示。"D"的 具体值在凹部58的各个位置均有不同，通常在靠近凹部58的周向中点最大而在端68和端 70逐渐减小到零。出于减轻重量的目的，希望使深度"D"尽可能大。可实现的最大深度受 在若干位置(参见图5)以"T"示出的内带18和叶片14的最小可接受材料厚度所限制。举 例而言，最小厚度可为约1. Omm(O. 040英寸)。 图7示出凹部58沿横截面的轮廓。各个端部74均布置成与内带18的背面56成 不垂直、不平行的角度9。角度9将会变化以适应具体应用，然而分析表明，约20。或更 小的斜坡角9将最大限度地减少或消除回流。在任何情况下，底壁66都基本上没有将构 成内部拐角的任何尖锐过渡部或半径很小的弯曲部。平滑的过渡部可设置在端部74与背 面56的相交处。例如，可采用引入段76相对于背面56布置成约2。到约3°的角度、并且 平滑地形成圆角到端部74中，或者为简单的凸起成圆角形状。 在操作中，充足的较冷空气吹扫气流出现在副空气流路中与内带18的背面56接 触。该气流的位置在图1中以"X"表示。其速度主要沿切向(即进入或离开图1的纸面)。 图8中的流线"S"示出该气流对具有常规形状的现有技术内带118和凹部158的影响。明 显存在这样的区域"Z"，即空气以较低速度在其内回流，阻碍了从内带118到吹扫气流的传 热。此外，该区域Z可积聚外部物质如灰尘，在内带118上形成隔热层，进一步使传热恶化。
相反，图9示出了经过上述内带18的凹部58的气流。吹扫气流高速经过凹部58 而回流很少或者没有回流。与现有技术的凹部构造相比，上述凹部有望通过消除回流区域 致使总体上更高的流速与金属接触、通过减少风阻损失增加在表面上的平均流速以及通过 充分减少可形成不利的隔热层的灰尘积聚而显著改善到内带18下方的高速、较冷气流的 传热。对示例性构件的初步传热分析预测，与现有技术凹部几何形状相比，局部金属温度下 降约33 °C (60° F)或更多。 上文已描述了用于涡轮喷嘴带的凹部几何形状。虽然已描述了本发明的特定实施 例，但是对本领域技术人员而言显而易见的是，可在不背离本发明的精神和范围的前提下 对本发明作出各种修改。相应而言，提供上文对本发明优选实施例以及用于实施本发明的 最佳方式的描述仅仅是为了说明而非进行限制。
权利要求
一种涡轮喷嘴，包括(a)中空翼型涡轮叶片(14)；(b)布置在所述涡轮叶片(14)第一端的弓形第一带(16，18)，所述第一带具有邻近所述涡轮叶片(14)的流路面(54)以及相反的背面(56)；(c)其中，所述背面(56)包括至少一个敞口凹部(58)，所述至少一个凹部(58)由从所述背面(56)凹进的底壁(66)部分地限定，所述底壁(66)的相对端与所述背面(56)结合；以及(d)其中，所述底壁(66)基本上没有内部拐角。
2. 根据权利要求l所述的涡轮喷嘴，其特征在于，所述底壁(66)包括布置在端部(74)之间的中间部(72)，各所述端部(74)均在所述背面(56)与所述底壁(66)的中间部(72)之间形成斜坡。
3. 根据权利要求2所述的涡轮喷嘴，其特征在于，各所述端部(74)均与所述背面(56)形成约20度或更小的角度。
4. 根据权利要求l所述的涡轮喷嘴，其特征在于，倾斜过渡区(76)布置在所述底壁(66)的各个所述相对端处，所述倾斜过渡区在所述相对端处与所述背面(56)相交。
5. 根据权利要求l所述的涡轮喷嘴，其特征在于，成圆角的过渡区(76)布置在所述底壁(66)的各个所述相对端处，所述成圆角的过渡区在所述相对端处与所述背面(56)相交。
6. 根据权利要求l所述的涡轮喷嘴，其特征在于，所述底壁(66)由在所述底壁与所述背面(56)之间延伸的相对的前壁(62)和后壁(64)所界定。
7. 根据权利要求6所述的涡轮喷嘴，其特征在于，所述前壁(62)和所述后壁(64)为大体上平面的并且互相平行。
8. 根据权利要求1所述的涡轮喷嘴，其特征在于，所述涡轮喷嘴还包括布置在所述涡轮叶片(14)的与所述第一带(16， 18)相反一端处的弓形第二带(16， 18)。
9. 根据权利要求l所述的涡轮喷嘴，其特征在于，多个中空翼型涡轮叶片(14)布置在所述第一带(16)与所述第二带(18)之间。
全文摘要
本发明涉及用于燃气涡轮发动机的涡轮喷嘴。具体而言，一种涡轮喷嘴，包括中空翼型涡轮叶片(14)；以及布置在涡轮叶片(14)第一端的弓形第一带(16，18)，第一带(16，18)具有邻近涡轮叶片(14)的流路面以及相反的背面(56)。背面(56)包括至少一个敞口凹部(58)，该至少一个凹部(58)由从背面(56)凹进的底壁(66)部分地限定，底壁(66)的相对端与背面(56)结合。底壁(66)基本上没有内部拐角。
文档编号F02C7/00GK101713336SQ20091020477
公开日2010年5月26日 申请日期2009年9月30日 优先权日2008年9月30日
发明者D·C·伊格莱西亚斯, J·W·小史密斯, R·D·布里格斯, S·M·皮尔森 申请人:通用电气公司