专利名称：关于涡轮翼型冷却孔的装置的制作方法
技术领域：
本申请大致涉及用于改进涡轮发动机的效率和/或运转的装置、方法和/或系统，
这里所用的涡轮发动机意味着包括燃气涡轮发动机、飞机涡轮发动机、蒸汽涡轮发动机以 及其它类型的旋转的发动机。更具体地说，但不作为限制，本申请涉及与涡轮翼型冷却孔有 关的装置、方法和/或系统。
背景技术：
燃气涡轮发动机通常包括压縮机、燃烧器和涡轮。压縮机和涡轮通常包括几排轴 向地分级堆叠的翼型。各级包括一排周向地隔开的固定的定子叶片和一排围绕中心轴线或 轴而旋转的转子叶片。在运转中，压縮机转子叶片通常围绕轴而旋转，并与定子叶片协作而 压縮空气流。然后，在燃烧器中使用压縮空气，以燃烧燃料。这样，由燃烧产生的热膨胀气 体流，即工作流体，通过发动机的涡轮部分进行膨胀。穿过涡轮的工作流体的流引起转子叶 片旋转。转子叶片连接到中心轴上，于是转子叶片的旋转使轴旋转。 通过这种方式，将包含在燃料中的能量转换成旋转的轴的机械能，该机械能例如 可用于使压縮机的转子叶片旋转，从而产生用于燃烧所需的压縮空气的供给，并旋转发电 机的线圈，从而产生电力。在运转期间，由于热气体路径的极端温度、工作流体的速度和发 动机的旋转速度，涡轮翼型被很高的机械负荷和热负荷重压，该涡轮翼型如所述地通常包 括旋转的转子叶片和固定的周向地隔开的定子叶片。 不断增加的能量需求使设计更高效的涡轮发动机的目的成为正在进行且有意义 的目的。虽然已知道用于提高涡轮发动机效率的几种策略，但其仍是挑战性的目的，因为这 些备选方案，例如包括增加发动机的尺寸、提高穿过热气体路径的温度和提高转子叶片的 旋转速度，通常在部件上施加额外的应变，包括涡轮翼型上的额外的应变，该涡轮翼型如所 述地已被重压。结果，非常需要减少施加在涡轮翼型上的运转应力和/或温度，或者容许涡 轮翼型更好地承受这些应力的改进的装置、方法和/或系统。 本领域中的普通技术人员将领会到，用于减轻翼型的损坏的一项策略是通过对其 进行冷却，使得翼型所经历的温度低于热气体路径的温度。有效的冷却例如可容许翼型承 受更高的点火温度，在高的运转温度下承受更大的机械应力，并且/或者延长了翼型的部 件寿命，所有这些可容许涡轮发动机更具成本效率，且在其运转中更高效。 一种在运转期间 冷却翼型的方法是通过使用内部冷却通道或冷却回路。通常，这涉及运送相对较冷的压縮 空气供给，该压縮空气可由涡轮发动机的压縮机通过翼型中的内部冷却回路进行供给。当 压縮空气穿过翼型时，其对流地冷却翼型，这可容许该部件承受其否则不能承受的点火温 度。 在某些示例中，通过翼型表面上的小洞或小孔而释放压縮空气的供给。以这种方 式释放后，空气在翼型表面上形成相对较冷的空气的薄层或薄膜，其冷却了该部件，并将该 部件与包围它的较高温度隔离。这种类型的冷却通常被称为"薄膜冷却"。通常，为了充 分地冷却翼型，需要大量薄膜冷却孔，该孔通常是从内部空腔延伸至部件表面的空心通道。然而，本领域中的普通技术人员将领会到，根据常规的方法，制造这种性质的冷却孔有些耗 时。更重要的是，一旦钻孔，则冷却孔基本上变得不能修改。另外，对于给定的翼型的几何 形状和性质，很难制造可容许更好的冷却特性的复杂的冷却孔。因此，需要与涡轮冷却孔的 更高效且更具成本效率的产生相关的改进的装置、方法和/或系统。
发明内容
本申请因而描述了一种用于涡轮发动机的翼型组件，其可包括翼型和孔板，该翼 型包括形成于其中的至少一个板开口 ，该孔板包括至少一个冷却孔；其中，板开口和孔板配 置成使得在将孔板安装到板开口中时，形成翼型的大致平滑的外表面，并且，孔板的冷却孔 中的至少一个形成离开翼型内的至少一个空心的内部腔的出口通道。 在一些实施例中，翼型的外壁可包括翼型的最外壁，该最外壁封闭翼型的空心的 内部腔；板开口可包括翼型的外壁的被除去的部分；孔板可包括与板开口类似的形状和尺 寸，使得孔板贴切地配合到板开口中；冷却孔可包括延伸穿过孔板的厚度的空心通道；并 且，孔板可包括至少多个冷却孔。 冷却孔的横截面形状可包括圆形状、椭圆形状、矩形状以及梯形状中的一种；并 且，孔板和板开口均可包括大致矩形状。孔板可包括20至50个冷却孔。冷却孔可以以一 个角度延伸穿过孔板的厚度，使得在安装于板开口中时，冷却孔指向大致下游方向。
板开口和孔板可以成渐縮形，使得该渐縮形大致抑制孔板移出翼型。板开口的渐 縮形可包括板的宽度和长度中的至少一个，该板的宽度和长度中的至少一个在外壁的内表 面处大于在外壁的外表面处。板开口和孔板可以成渐縮形，使得该渐縮形有利于从翼型的 外部将孔板定位在所需的安装位置。板开口的渐縮形包括板的宽度和长度中的至少一个， 该板的宽度和长度中的至少一个在外壁的内表面处小于在外壁的外表面处。穿过孔板的冷 却孔的路径包括70-110度之间肘形弯转。 通过回顾以下结合附图和所附权利要求所作的优选实施例的详细描述，将清楚本 申请的这些以及其它特征。
通过仔细地研究以下结合附图的本发明的示范性实施例的更详细的描述，将更完 整地理解和领会本发明的这些和其他的目的和优点，其中 图1是其中可使用本发明的某些实施例的示范性涡轮发动机的示意图；
图2是图1的燃气涡轮发动机的压縮机部分的截面图；
图3是图1的燃气涡轮发动机的涡轮部分的截面图； 图4是翼型的横截面图，显示了根据常规翼型的内部冷却回路和薄膜冷却洞。
图5是可在燃气涡轮发动机的涡轮部分中使用的带有冷却孔的示范性定子叶片 的透视图； 图6是根据本发明的一个示范性实施例的孔板的顶视图；
图7是图6中所示的孔板的侧视图；
图8是图6中所示的孔板的正视图； 图9是根据本发明的一个示范性实施例的带有板开口的涡轮发动机翼型和几个
4未安装的孔板的表面区域的图； 图10是与图9相同的图，其中，几个孔板恰当地定位在板开口上；
图11是根据本发明的一个示范性实施例的翼型的外壁和孔板的截面图；以及
图12是根据本发明的一个备选的示范性实施例的翼型的外壁和孔板的截面图。
部件列表 100燃气涡轮发动机；106压縮机；110涡轮；112燃烧器；118压縮机；120压縮机 转子叶片；122压縮机定子叶片；124涡轮；126涡轮转子叶片；128涡轮定子叶片；210翼 型；212前缘；214压力侧；216吸力侧；218后缘；220前缘内室；222后缘内室；224中间分
隔物；226前缘的空心的插入物；228后缘的空心的插入物；230插入孔；231外壁；232冷却 孔；244后缘冷却孔；300涡轮定子叶片；302翼型形状；304端壁；306冷却孔；310孔板；320 翼型;324板开口 ;326箭头;402外壁;404热侧面;406冷侧面;408箭头。
具体实施例方式
现在参看附图，图1显示了燃气涡轮发动机100的示意图。 一般而言，燃气涡轮发
动机通过从加压的热气体流中提取能量而运转，热气体流通过燃料在压縮空气流中的燃烧
而产生。如图1中所示，燃气涡轮发动机100可配置有轴向压縮机106和燃烧器112，轴向 压縮机通过公共的轴或转子而机械地联接到下游涡轮部分或涡轮110上，燃烧器定位在压 縮机106和涡轮110之间。注意，以下发明可在所有类型的涡轮发动机中使用，包括燃气涡
轮发动机、蒸汽涡轮发动机、飞机发动机等等。以下将针对燃气涡轮发动机来描述本发明。 本描述仅仅是示范性的，而决非意图以任何方式进行限制。 图2显示了可在燃气涡轮发动机中使用的示范性的多级轴向压縮机118的图。如 图所示，压縮机118可包括多个级。各级可包括被一排压縮机定子叶片122跟随的一排压 縮机转子叶片120。因而，第一级可包括一排围绕中心轴而旋转的压縮机转子叶片120，该 压縮机转子叶片被一排在运转期间保持固定的压縮机定子叶片122跟随。压縮机定子叶片 122通常彼此周向隔开，并围绕旋转轴线而固定。压縮机转子叶片120周向地隔开，并附接 到轴上，当轴在运转期间旋转时，压縮机转子叶片120围绕其而旋转。本领域中的普通技术 人员将领会，压縮机转子叶片120配置成使得当围绕轴旋转时，其将动能赋予流过压縮机 118的空气或工作流体。压縮机118可具有许多超过图2中所示的级的许多其它级。附加 级可包括被多个周向隔开的压縮机定子叶片122跟随的多个周向隔开的压縮机转子叶片 120。 图3显示了可在燃气涡轮发动机中使用的示范性涡轮部分或涡轮124的局部图。 涡轮124还可包括多个级。图中显示了三个示范性的级，但在涡轮124中可存在更多或更 少的级。第一级包括在运转期间围绕轴而旋转的多个涡轮动叶或涡轮转子叶片126以及 在运转期间保持固定的多个喷嘴或涡轮定子叶片128。涡轮定子叶片128通常彼此周向隔 开，并围绕旋转轴线而固定。涡轮转子叶片126可安装在涡轮叶轮(未显示)上，以围绕轴 (未显示)而旋转。图中还显示了第二级涡轮124。第二级类似地包括被多个周向隔开的 涡轮转子叶片126跟随的多个周向隔开的涡轮定子叶片128，该涡轮转子叶片也安装在涡 轮叶轮上以进行旋转。图中显示了第三级，其类似地包括多个涡轮定子叶片128和转子叶 片126。应该领会，涡轮定子叶片128和涡轮转子叶片126均位于涡轮124的热气体路径中。穿过热气体路径的热气体的流方向如箭头所示。本领域中的普通技术人员将领会，涡 轮124可具有超过图3中所示的级的许多其它级。各个附加级可包括被一排涡轮转子叶片 126跟随的一排涡轮定子叶片128。 注意，这里所使用的对"转子叶片"的引用在没有进一步特指的情况下是指压縮机 118或涡轮124的旋转叶片，其包括压縮机转子叶片120和涡轮转子叶片126。在没有进一 步特指的情况下，对"定子叶片"的引用是指压縮机118或涡轮124的固定叶片，其包括压縮 机定子叶片122和涡轮定子叶片128。术语"翼型"在这里用于指任一类型的叶片。因而， 在没有进一步特指的情况下，术语"翼型"包含所有类型的涡轮发动机叶片，包括压縮机转 子叶片120、压縮机定子叶片122、涡轮转子叶片126以及涡轮定子叶片128。
在使用中，轴向压縮机118中的压縮机转子叶片120的旋转可压縮空气流。在燃 烧器112中，当压縮空气与燃料混合并被点燃时，可释放出能量。然后可将从燃烧器112产 生的热气体流引导至涡轮转子叶片126上，这可能引起涡轮转子叶片126围绕轴旋转，因而 将热的气体流的能量转换成旋转叶片的机械能，并且，由于轴中的转子叶片之间的连接而 使轴旋转。轴的机械能可用于驱动压縮机转子叶片120的旋转，从而产生必要的压縮空气 的供给，并还例如使发电机发电。 如以下更详细地所述，图4显示了具有薄膜冷却洞或冷却孔的翼型210的横截面。 如图所示，各个翼型210包括翼形状的配置，其具有鼻部或前缘212、压力侧或表面214、吸 力侧216以及后缘218。翼型210通常是空心的，并被中间分隔物224分成两个内室220、 222。各个室220、222封闭了空心的插入物226、228，该插入物具有与相应的室的内部轮廓 大致一致的配置，但与其隔开。插入物226、228包含位于预选位置的插入孔230。来自涡轮 压縮机106的高压冷却空气经由常规的系统和方法而被引导至插入物226、228中，并通过 这种插入孔230而排出，以形成撞击外壁231的内侧以进行冲击冷却(如箭头所示)的空 气射流。 更具体地说，前缘室220中的插入物226的插入孔230定位成可冲击与插入物226 相对的外壁231。被迫从插入物226进入前缘室220中的冷却空气通过径向隔开的几排冷 却孔232而排出。该排出的冷却空气提供了与翼型外表面相邻的边界空气层，从而限制了 这种表面上的热流体的直接接触，以抑制工作流体对翼型的热传递。后缘室222中的冷却 空气通过冷却孔232或者通过从后缘室222延伸至翼型的后缘218中的缝隙或后缘冷却孔 244而排出。 图5是常规的涡轮定子叶片300的透视图。涡轮定子叶片300通常包括被端壁 304包抄至各侧的翼形状302。端壁304将涡轮定子叶片300附接到涡轮外壳上。如图所 示，涡轮定子叶片300包括多个冷却孔306。通常将冷却孔，例如图中所示的冷却孔分组或 布置成图案。如图所示，可将冷却孔306布置成几排，其中，冷却孔306沿着轴向位置而径 向隔开。 图6、7和8显示了根据本申请的一个示范性实施例的孔板310的正视图和侧视 图。如图所示，孔板310实际上是矩形，但针对其它应用的其它形状也是可能的。孔板310 可具有多个形成于其中的冷却孔306。形成于孔板310上的冷却孔306通常是延伸穿过孔 板310的厚度的空心通道。在一些实施例中，冷却孔306的通道的横截面可以是圆形或椭 圆形。在一些实施例中，在板310中可形成20至50个冷却孔306。冷却孔306可根据应用
6而布置成若干种图案或排列。如图所示，冷却孔306可布置成沿着矩形的长度而延伸的单 排。如图8中最佳地所示，冷却孔306可以以一个角度，即不垂直于板的顶面和底面而延伸 穿过板310。孔板310可由若干种材料制成，这些材料包括镍基超合金、陶瓷材料或其它类 似材料。 图9显示了带有三个板开口 324的示范性翼型320的表面，该板开口配置成与孔 板310接合，使得当接合时，在翼型320中产生多个冷却孔306，且无须对翼型单独地钻孔 以形成各个孔。运转期间的流方向参照箭头336。板开口 324通常是穿过翼型320的外壁 的开口 ，其成形为容纳孔板310，并且在安装时，在板开口 324和孔板310之间可实现滑动 配合。也就是说，板开口 324通常可被认为是外壁231的被除去的部分。(此处所用的"除 去"意味着外壁的相关部分并不存在，这包括外壁的部分被除去的情况以及在合适位置没 有外壁的部分而形成翼型的情况。)就此而言，孔板310可被认为是成形为与板开口 324匹 配的部件，除了预形成的冷却孔306之外，孔板与实际上已经从翼型除去的外壁231的失去 部分类似。此外，在一些实施例中，板开口 324可配置成使得当孔板310接合在板开口 324 内时，孔板310的冷却孔306形成从翼型320内的空心的冷却腔(例如，先前描述的前缘内 室220或后缘内室222)至翼型320的表面的出口通道。 图10显示了已经将孔板310安装到板开口 324中之后的翼型320。通常，随着将 孔板310恰当地装配到板开口 324中，孔板310的外表面将与翼型300的外表面大致齐平。 图10还显示了如何相对于穿过涡轮的流而将板310定向，流方向如箭头326所示。如图所 示，可将孔板310定向成使得冷却孔306 "指向"下游。也就是说，可将孔板310定向成使 得冷却孔306的角度使冷却剂在大致下游方向排出。 图11显示了根据本申请的一个示范性实施例的翼型的外壁402和孔板310的横 截面图。本领域中的普通技术人员将领会，外壁402可具有热侧面404和冷侧面406，热侧 面是暴露于涡轮发动机的热气体路径的侧面，冷侧面通常是暴露于翼型的内部空腔中的一 个即翼型的内部冷却通道的侧面。如图所示，在一些实施例中，板开口 324的长度和/或宽 度可成渐縮形，使得长度和/或宽度在冷侧面406处大于在热侧面404处。如图所示，孔 板310的形状可以类似，使得板310如图所示地与开口 324接合。这种配置防止板310沿 从翼型向外的方向脱离开口 324而导致脱离的孔板310进入工作流体的流中(其方向如箭 头408所示)。当然，如果孔板脱离而进入工作流体的流中，那么孔板310将损坏下游构件。 此外，本领域中的普通技术人员将领会，翼型内部的工作压力大于工作流体的压力。对于图 11中所显示的给定的渐縮形状，该压力差用于在运转期间将板310保持合适位置。安装的 孔板310还可通过其和板开口 324之间的硬焊连接或焊接连接或机械连接而固定在合适位 置。在一个备选实施例中，渐縮形可以反向，使得长度和/或宽度在冷侧面406处小于在热 侧面404处。这种配置将容许例如从翼型的外部方便地安装孔板310。
图12是根据本发明的一个备选的实施例的翼型的外壁402和孔板310的横截面 图。如图所示，在这个实施例中，冷却孔412的路径改变了其延伸穿过孔板310时的方向， 形成大致肘形的弯转。在这种情况下，时常可形成计量槽(未显示)，其中，多个孔通向单个 计量槽。肘形弯转可构成方向上的大约90度的变化。在一些实施例中，肘形弯转可构成方 向上的70至110度的变化。更具体地说，从冷侧面406开始，冷却孔412可在上游方向成 某一角度(即，使得其从冷侧面406朝着热侧面404上的一个点延伸，该点比冷侧面406上的开始位置的点更位于上游)。在穿过孔板310大约一半时，冷却孔412的方向可弯曲大约
90度(或者，在某些情况下，孔可通向沿另一方向定向的计量槽)。随着这种方向的变化，
冷却孔412的方向通常在下游方向成某一角度(S卩，使其从方向变化的位置朝着热侧面404
上的一个点而延伸，该点比方向变化的轴向位置更位于下游)。本领域中的普通技术人员将
领会，这种配置的冷却孔是有利的，因为借助于流动方向上的弯曲，相同的冷却剂流导致了
冷却水平的提升。然而，这种配置的生产通常极端困难和/或成本高昂，因为方向上的变化
需要从翼型的外壁的两侧，即从翼型的外部和从翼型的内部腔进行钻孔。使用孔板310可
消除这种困难，因为在安装到板开口 324中之前可钻出孔和/或计量槽。 注意，在本应用的部分中，本发明是相对于其在位于燃气涡轮发动机的涡轮部分
中的定子叶片中的用途进行描述的。本发明并不限于这类应用，并且本领域中的普通技术
人员将领会，本发明可与包括转子叶片的其它类型的涡轮翼型一起使用。 从本发明的优选实施例的上述描述中，本领域中的技术人员将想到改进、变化和
修改。这种本技术领域中的改进、变化和修改将被所附的权利要求覆盖。此外，还应该清楚
以上仅涉及本申请的所描述的实施例，并且在不脱离所附权利要求和其等同物所限定的本
申请的要旨和范围的情况下，在此可进行大量变化和修改。
权利要求
一种用于涡轮发动机(100)的翼型(320)组件，包括翼型(320)，包括形成于其中的至少一个板开口(324)；以及孔板(310)，包括至少一个冷却孔(306)，其中，所述板开口(324)和所述孔板(310)配置成使得在将所述孔板(310)安装到所述板开口(324)中时，形成所述翼型(320)的大致平滑的外表面，并且，所述孔板(310)的所述冷却孔(306)中的至少一个形成离开所述翼型(320)内的至少一个空心的内部腔的出口通道。
2. 根据权利要求1所述的涡轮发动机翼型(320)组件，其特征在于，所述翼型(320)的外壁(402)包括所述翼型(320)的最外壁，该最外壁封闭所述翼型(320)的空心的内部腔；所述板开口 (324)包括所述翼型(320)的外壁(402)的被除去的部分；所述孔板(310)包括与所述板开口 (324)类似的形状和尺寸，使得所述孔板(310)贴切地配合到所述板开口 (324)中；所述冷却孔(306)包括延伸穿过所述孔板(310)的厚度的空心通道；并且，所述孔板(310)包括至少多个冷却孔(306)。
3. 根据权利要求l所述的涡轮发动机翼型(320)组件，其特征在于，所述冷却孔(306)的横截面形状包括圆形状、椭圆形状、矩形状以及梯形状中的一种；所述孔板(310)和所述板开口 (324)均包括大致矩形状。
4. 根据权利要求3所述的涡轮发动机翼型(320)组件，其特征在于，所述孔板(310)包括20至50个冷却孔(306)。
5. 根据权利要求l所述的涡轮发动机翼型(320)组件，其特征在于，所述冷却孔(306)以一个角度延伸穿过所述孔板(310)的厚度，使得在安装于所述板开口 (324)中时，所述冷却孔(306)指向大致下游方向。
6. 根据权利要求l所述的涡轮发动机翼型(320)组件，其特征在于，所述板开口 (324)和所述孔板(310)成渐縮形，使得所述渐縮形大致抑制所述孔板(310)移出所述翼型(320)。
7. 根据权利要求6所述的涡轮发动机翼型(320)组件，其特征在于，所述板开口 (324)的渐縮形包括所述板开口 (324)的宽度和长度中的至少一个，所述板开口 (324)的宽度和长度中的至少一个在外壁(402)的内表面处大于在所述外壁(402)的外表面处。
8. 根据权利要求l所述的涡轮发动机翼型(320)组件，其特征在于，所述板开口 (324)和所述孔板(310)成渐縮形，使得所述渐縮形有利于从所述翼型(320)的外部将所述孔板(310)定位在所需的安装位置。
9. 根据权利要求8所述的涡轮发动机翼型(320)组件，其特征在于，所述板开口 (324)的渐縮形包括所述板开口 (324)的宽度和长度中的至少一个，所述板开口 (324)的宽度和长度中的至少一个在外壁(402)的内表面处小于在所述外壁(402)的外表面处。
10. 根据权利要求l所述的涡轮发动机翼型(320)组件，其特征在于，穿过所述孔板(310)的所述冷却孔(306)的路径包括70-110度之间的肘形弯转。
全文摘要
本发明涉及一种用于涡轮发动机(100)的翼型(320)组件，其包括翼型(320)和孔板(310)，该翼型包括形成于其中的至少一个板开口(324)，该孔板包括至少一个冷却孔(306)；其中，板开口(324)和孔板(310)配置成使得当将孔板(310)安装在板开口中时，形成翼型(320)的大致平滑的外表面，并且，孔板(310)的冷却孔(306)中的至少一个形成离开翼型(320)内的至少一个空心的内部腔的出口通道。
文档编号F01D5/18GK101737092SQ20091024640
公开日2010年6月16日 申请日期2009年11月19日 优先权日2008年11月20日
发明者P·S·迪马斯焦, R·A·布里廷厄姆 申请人:通用电气公司