涡轮转子叶片中的内部冷却构造的制作方法

本申请涉及燃气涡轮发动机中叶片的内部冷却通道和构造。更具体地而非作为限制，本申请涉及形成在涡轮转子叶片的外部径向末端(tip)附近的内部冷却通道和结构构造。

背景技术：

将应理解，燃烧或燃气涡轮发动机（“燃气涡轮”）包括在其中成列的叶片轴向地叠置成级的压缩机和涡轮区段。每个级均包括固定的一列环向隔开的定子叶片，以及围绕中心涡轮轴线或轴旋转的一列转子叶片。在操作中，一般而言，压缩机转子叶片围绕轴旋转，并且与定子叶片一致地作用来压缩空气流。供给的压缩空气然后在燃烧器中用来燃烧供给的燃料。由燃烧产生的热膨胀气体（也即，工作流体）流经由发动机的涡轮区段膨胀。穿过涡轮的工作流体流通过定子叶片再次引导到转子叶片上由此引起旋转。转子叶片连接至中心轴，使得转子叶片的旋转致使轴旋转。这样，包含在燃料中的能量转换成旋转轴的机械能，该机械能例如可用来旋转压缩机的转子叶片以致于产生燃烧所需的压缩空气的供给，以及用来旋转发电机的线圈以致于生成电力。在操作期间，由于热气体路径的极端温度、工作流体的速度以及发动机的旋转速度，涡轮内的叶片在极端的机械和热负载下变得经受高度应力。

设计高效且成本合算的燃气涡轮是一项持续且重要的目标。尽管已知有若干策略用于提高燃气涡轮的效率，但其保持为有挑战性的目标，因为此类替代方案（例如，包括增大发动机的尺寸、提高经过热气体路径的温度，以及提高转子叶片的旋转速度）通常使附加的应变置于叶片和已经受高度应力的其它热气体路径构成部件上。因此，减小置于涡轮叶片上的操作应力或容许涡轮叶片更好地耐受这些应力以便发动机可更为高效地操作的改进设备、方法或系统仍然是对于技术改进的重要方面。

用于减轻叶片上应力的一个策略是通过在操作期间对它们主动地冷却。此种冷却可容许叶片更好地耐受更高的点火温度和机械应力，这可延长叶片的寿命和通常使得发动机更为成本合算和高效地操作。在操作期间冷却叶片的一种方式是通过使用内部冷却通道或回路。一般来讲，这包括传送来源于压缩机的相对冷却的供给压缩空气经过内部冷却通道。如将认识到那样，由于众多原因，在设计和制造这些内部冷却通道时要求非常谨慎。

第一，冷却空气的使用降低了发动机的效率。具体地，来自压缩机的经转向用于冷却目的的空气为否则可在燃烧过程中使用的空气。因此，此种空气的使用必然地减少了燃烧可用的空气，且因此降低了总体效率。这要求冷却通道高度有效以便最小化用于冷却的空气用量。第二，较新的涡轮叶片设计要求侵略性地成型的空气动力学构造，其较薄并且更加弯曲或扭曲。这些新型的叶片构造给予另一优质到紧凑且高效的通道上。这些新型的设计也产生空间约束，其阻碍或限制使用常规方式来制造传统的冷却通道构造。第三，内部冷却通道必须构造成促进重量轻的转子叶片，同时仍提供足够结实的结构用于耐受极端加载。也就是说，尽管冷却通道设计为减轻叶片总体重量的有效方式（其提升效率并且降低机械负载），但叶片仍必须保持非常有回弹力的。因此，冷却通道必须设计成移除材料和重量，同时仍促进结构的回弹性。内部布置也必须避免应力集中或冷却不足的区域（或“热点”），其可不利地影响部件寿命。第四，冷却构造也必须设计成以便排出的冷却剂促进表面冷却和高效的空气动力学操作。具体地，由于冷却通道典型地在冷却剂循环经过内部冷却通道后将其排出到工作流体流路中，另一设计考虑因素涉及使用排出的冷却剂用于表面冷却以及最小化与其相关联的空气动力学损失。排出的冷却剂常常预期在其释放之后用以对叶片的外表面或区域提供冷却，并且这必须与内部冷却策略相结合而且考虑空气动力学性能。

如将认识到那样，根据这些及其它标准，在涡轮叶片内的内部冷却构造的设计包括许多复杂的、常常竞争性的考虑因素。使这些以优化或增强一个或更多个期望的性能标准（同时仍足够地促进结构稳健性、部件寿命持久性、成本合算的发动机操作，以及冷却剂的有效使用）的方式平衡的新颖设计代表了显著的技术进步。

技术实现要素：

因此，本申请描述了一种涡轮转子叶片，其可包括：限定在凹入压力面和侧向相对的凸起吸力面之间的翼型件（airfoil）；连接至翼型件的外侧末端上的末端护罩，其包括从外侧表面突出的密封围栏（rail）以及形成在密封围栏上的切削齿；以及冷却构造，其包括用于接收和引导冷却剂穿过转子叶片的内部的冷却通道。冷却通道可包括流体地连接的部段，在其中：供给部段径向地延伸穿过翼型件；切削齿部段形成在密封围栏的切削齿内；以及分支部段形成在末端护罩和翼型件的外侧区域中的至少之一内。分支部段中的每一个均可在连接至切削齿部段的上游端口和形成在目标表面区域上的出口端口之间延伸，以便分支部段对分（或平分）目标内部区域。

具体地，本发明至少公开了以下技术方案。

技术方案1. 一种用于燃气涡轮的涡轮的转子叶片，所述转子叶片包括：

限定在凹入压力面和侧向相对的凸起吸力面之间的翼型件，其中，所述压力面和所述吸力面轴向地在相对的前缘和后缘之间以及径向地在外侧末端和内侧端部之间延伸，所述内侧端部附接至构造成将所述转子叶片联接至转子盘的根部；

连接至所述翼型件的外侧末端的末端护罩，所述末端护罩包括从外侧表面突出的密封围栏，以及形成在所述密封围栏上的切削齿；

冷却构造，所述冷却构造包括用于接收和引导冷却剂穿过所述转子叶片的内部的冷却通道，所述冷却通道包括流体地连接的部段，其中：

供给部段径向地延伸穿过所述翼型件；

仓室部段形成在所述密封围栏内；以及

分支部段形成在所述末端护罩和所述翼型件的外侧区域中的至少之一内；

其中，所述分支部段中的每一个均在连接至所述切削齿部段的上游端口和形成在目标表面区域上的出口端口之间延伸，并且在二者之间对分目标内部区域。

技术方案2. 根据技术方案1所述的转子叶片，其特征在于：

所述仓室部段包括形成在所述密封围栏的切削齿内的切削齿部段；

所述末端护罩包括由所述翼型件的外侧末端支承的轴向和环向地延伸构件；

所述末端护罩包括横跨所述末端护罩的径向厚度与所述外侧表面相对的内侧表面，以及将所述内侧表面连接至所述外侧表面的边缘，所述边缘限定所述末端护罩的外侧轮廓；

所述密封围栏从所述末端护罩的外侧表面沿径向向外突出并且在所述转子叶片的旋转方向上环向地延伸；以及

所述切削齿包括所述密封围栏的轴向地加宽的环向区段，其中，所述轴向加宽沿径向在所述末端护罩的外侧表面和所述密封围栏的外侧边缘之间延伸。

技术方案3. 根据技术方案2所述的转子叶片，其特征在于：

所述转子叶片包括构造成在所述翼型件的表面和所述末端护罩的内侧表面之间平滑地过渡的内侧圆角区域；以及

所述转子叶片包括外侧圆角区域，所述外侧圆角区域构造成在下列部分之间平滑地过渡：所述末端护罩的外侧表面和所述密封围栏的前面；以及所述末端护罩的外侧表面和所述密封围栏的后面；以及

其中，所述末端护罩包括：

前部部分和后部部分，所述前部部分从所述密封围栏向前延伸以便悬于所述翼型件的前缘之上，所述后部部分从所述密封围栏向后延伸以便悬于所述翼型件的后缘之上；

压力部分和吸力部分，所述压力部分从所述翼型件的压力面悬臂式外伸并且悬于所述压力面之上，所述吸力部分从所述翼型件的吸力面悬臂式外伸并且悬于所述吸力面之上；以及

翼型部分，所述翼型部分限定在经由所述末端护罩沿径向突出的所述翼型件的轮廓的外形内。

技术方案4. 根据技术方案3所述的转子叶片，其特征在于，所述密封围栏包括相对的围栏面，其中：

所述密封围栏的前面对应于所述涡轮的向前方向；以及

所述密封围栏的后面对应于所述涡轮的向后方向；以及

其中，所述密封围栏的所述前面和所述后面中的每一个均相对于所述末端护罩的外侧表面以陡斜角度布置。

技术方案5. 根据技术方案4所述的转子叶片，其特征在于，所述密封围栏包括近似矩形轮廓，使得所述密封围栏的前面和后面沿着窄边缘连接，所述窄边缘包括：

相对的外侧边缘和内侧边缘，其中，所述内侧边缘限定在所述密封围栏与所述末端护罩的外侧表面的连接处，以及所述外侧边缘远离所述末端护罩的外侧表面偏离所述密封围栏的径向高度；以及

旋转前缘和旋转后缘，其中，所述旋转前缘相对于所述转子叶片的旋转方向处在所述旋转后缘之前。

技术方案6. 根据技术方案5所述的转子叶片，其特征在于，所述目标表面区域包括下列部分中的至少两者：

所述翼型件的压力面；

所述翼型件的吸力面；

对应于所述内侧圆角区域的表面区域；

对应于所述外侧圆角区域的表面区域；

所述末端护罩的内侧表面；

所述末端护罩的边缘；

所述密封围栏的旋转前缘；

所述密封围栏的旋转后缘；

所述密封围栏的前面；以及

所述密封围栏的后面。

技术方案7. 根据技术方案5所述的转子叶片，其特征在于，所述目标内部区域包括下列部分中的至少两者：

所述翼型件的外侧区域；

所述内侧圆角区域；

所述外侧圆角区域；

所述末端护罩的前部部分；

所述末端护罩的后部部分；

所述末端护罩的压力部分；

所述末端护罩的吸力部分；

所述末端护罩的翼型部分；以及

所述密封围栏。

技术方案8. 根据技术方案5所述的转子叶片，其特征在于：

所述目标表面区域包括下列部分中的至少两者：

所述翼型件的压力面；

所述翼型件的吸力面；

对应于所述内侧圆角区域的表面区域；

对应于所述外侧圆角区域的表面区域；

所述末端护罩的内侧表面；

所述末端护罩的边缘；

所述密封围栏的旋转前缘；

所述密封围栏的旋转后缘；

所述密封围栏的前面；以及

所述密封围栏的后面；以及

所述目标内部区域包括下列部分中的至少两者：

所述翼型件的外侧区域；

所述内侧圆角区域；

所述外侧圆角区域；

所述末端护罩的前部部分；

所述末端护罩的后部部分；

所述末端护罩的压力部分；

所述末端护罩的吸力部分；

所述末端护罩的翼型部分；以及

所述密封围栏。

技术方案9. 根据技术方案8所述的转子叶片，其特征在于：

所述切削齿部段包括：

整个地容纳在所述切削齿内的仓室；

在所述密封围栏的环向中间区域中的位置；

相比于自其分支的分支部段中的每个的截面流动面积更大的截面流动面积；以及

相比于连接至其的供给部段的截面流动面积更大的截面流动面积；以及

所述供给部段包括：

穿过所述转子叶片的根部形成的上游端以及流体地连接至所述切削齿部段的下游端，在所述上游端处所述供给部段流体地连接至空气源；

穿过所述翼型件的径向定向的线性通路；以及

所述分支部段包括与所述工作流体流路流体地连通的出口端口。

技术方案10.根据技术方案8所述的转子叶片，其特征在于，所述分支部段的截面流动面积根据穿过所述目标内部区域的冷却剂流的期望计量来定制大小；以及

其中：

压力内侧圆角区域包括在所述翼型件的压力面和所述末端护罩的内侧表面之间的内侧圆角区域；

吸力内侧圆角区域包括在所述翼型件的吸力面和所述末端护罩的内侧表面之间的内侧圆角区域；

前外侧圆角区域包括在所述密封围栏的前面和所述末端护罩的外侧表面之间的外侧圆角区域；以及

后外侧圆角区域包括在所述密封围栏的后面和所述末端护罩的外侧表面之间的外侧圆角区域。

技术方案11.根据技术方案8所述的转子叶片，其特征在于：

所述末端护罩的外侧轮廓包括用于当安装在相同构造的转子叶片列时接合相邻转子叶片的末端护罩的带凹口区段；以及

所述密封围栏基本上横跨所述末端护罩的外侧表面的整个环向长度延伸，其中，所述末端护罩的环向长度包括所述末端护罩在所述旋转方向上的长度。

技术方案12.根据技术方案8所述的转子叶片，其特征在于，所述切削齿设置在所述末端护罩的外侧表面的翼型部分内；

其中，所述切削齿包括矩形轮廓；以及

其中，所述切削齿包括与所述冷却通道的切削齿部段的截面流动面积对应的扩大体积。

技术方案13.根据技术方案8所述的转子叶片，其特征在于，所述分支部段包括环向地延伸的多个分支部段，使得至少一个分支部段朝向所述旋转方向延伸以及一个分支部段远离所述旋转方向延伸。

技术方案14.根据技术方案13所述的转子叶片，其特征在于，所述多个环向延伸分支部段均包括内侧倾斜；以及

其中，所述多个环向延伸分支部段的目标表面区域包括所述平台的内侧表面。

技术方案15.根据技术方案13所述的转子叶片，其特征在于，所述多个环向延伸分支部段的目标表面区域包括与所述内侧圆角区域相关的表面区域。

技术方案16.根据技术方案13所述的转子叶片，其特征在于，所述多个环向延伸分支部段的目标表面区域包括与所述压力内侧圆角区域和所述吸力内侧圆角区域二者都相关的表面区域。

技术方案17.根据技术方案13所述的转子叶片，其特征在于，所述多个环向延伸分支部段的目标内部区域包括所述压力内侧圆角区域和所述吸力内侧圆角区域二者。

技术方案18.根据技术方案13所述的转子叶片，其特征在于，所述多个环向延伸分支部段的目标表面区域包括所述密封围栏的旋转前缘和旋转后缘二者。

技术方案19.根据技术方案13所述的转子叶片，其特征在于，所述多个环向延伸分支部段中的至少之一包括构造成包括近表面岔路的出口端口；以及

其中，所述近表面岔路包括连接至出口端口中的对应出口端口上的尖叉，所述出口端口形成在下列部分中的之一上：所述密封围栏的旋转前缘；以及所述密封围栏的旋转后缘。

技术方案20.根据技术方案13所述的转子叶片，其特征在于，所述多个环向延伸分支部段中的至少之一包括构造成包括近表面岔路的出口端口；以及

其中，所述近表面岔路包括连接至形成在所述目标表面区域中的至少两者上的出口端口中的对应出口端口上的尖叉。

技术方案21.根据技术方案20所述的转子叶片，其特征在于：

所述近表面岔路的第一尖叉连接至在所述末端护罩的边缘上形成的出口中的之一上；以及

所述近表面岔路的第二尖叉连接至在所述末端护罩的内侧表面上形成的出口中的之一上。

技术方案22.根据技术方案13所述的转子叶片，其特征在于：

所述近表面岔路的第一尖叉连接至在所述密封围栏的旋转前缘和旋转后缘中之一上形成的出口中的之一上；以及

所述近表面岔路的第二尖叉连接至在所述密封涡轮的前面和后面中之一上形成的出口中的之一上。

技术方案23.一种在涡轮中具有转子叶片列的燃气涡轮，所述转子叶片列包括多个转子叶片，所述转子叶片均包括：

限定在凹入压力面和侧向相对的凸起吸力面之间的翼型件，其中，所述压力面和所述吸力面轴向地在相对的前缘和后缘之间以及径向地在外侧末端和内侧端部之间延伸，所述内侧端部附接至构造成将所述转子叶片联接至转子盘的根部；

连接至所述翼型件的外侧末端的末端护罩，所述末端护罩包括从外侧表面突出的密封围栏，以及形成在所述密封围栏上的切削齿；

冷却构造，所述冷却构造包括用于接收和引导冷却剂穿过所述转子叶片的内部的冷却通道，所述冷却通道包括流体地连接的部段，其中：

供给部段径向地延伸穿过所述翼型件；

仓室部段形成在所述密封围栏内；以及

分支部段形成在所述末端护罩和所述翼型件的外侧区域中的至少之一内；

其中，所述分支部段中的每一个均在连接至所述切削齿部段的上游端口和形成在目标表面区域上的出口端口之间延伸，并且在二者之间对分目标内部区域。

当结合附图和所附权利要求研读下文对优选实施例的详细描述时，本申请的这些及其它特征将变得明显。

附图说明

通过结合附图仔细地研究下文对本发明的示例性实施例更为详细的描述，本发明的这些及其它特征将被更为全面地理解和体会，附图中：

图1为根据本申请的方面和实施例的可包括涡轮叶片的示例性燃气涡轮的示意图；

图2为图1的燃气涡轮的压缩机区段的截面图；

图3为图1的燃气涡轮的涡轮区段的截面图；

图4为根据本申请的方面和实施例的可包括内部冷却构造和结构布置的示例性涡轮转子叶片的侧视图；

图5为沿着图4的视准线5-5的截面图；

图6为沿着图4的视准线6-6的截面图；

图7为沿着图4的视准线7-7的截面图；

图8为根据本申请的方面和实施例的可包括末端护罩和构造的示例性涡轮转子叶片的透视图；

图9为图8的末端护罩的放大透视图；

图10为根据本申请的方面和实施例的可包括末端护罩和构造的涡轮转子叶片的已安装布置的外侧透视图；

图11为根据本申请的方面和实施例的可包括构造的末端护罩的外侧透视图；

图12为根据本申请的方面和实施例的包括内部冷却构造的末端护罩的透视图；

图13为图12的末端护罩的内侧视图；

图14为根据本申请的方面和实施例的包括备选内部冷却构造的末端护罩的透视图；

图15为图14的末端护罩的外侧视图；

图16为根据本申请的方面和实施例的包括备选内部冷却构造的末端护罩的透视图；以及

图17提供包括放大的构件详图的图16的末端护罩的另一视图。

具体实施方式

本申请的方面和优点在下文于以下描述中部分地阐述，或者可根据该描述是显而易见的，或者可通过实施本发明而懂得。现在将详细地参照本发明的当前实施例，其一个或更多实例在附图中例示。详细描述使用数字标记来指代图中的特征。附图和描述中的相同或类似标记可用来指代本发明的实施例的相同或类似部分。如将认识到那样，每个实例均通过解释本发明而非对本发明限制的方式提供。事实上，本领域技术人员将清楚的是，在本发明中可作出修正和变型而不脱离其范围或实质。例如，显示或描述为一个实施例的一部分的特征可在另一实施例上使用以产生又一个实施例。本发明旨在涵盖此类修正和变型落在所附权利要求及其等同方案的范围内。应当理解，文中所提及的范围和极限包括位于规定极限内的所有子范围，包括极限本身，但另有说明除外。另外，某些用语经选定用来描述本发明以及其构成子系统和部件。在可能的范围内，这些用语基于对本技术领域常见的术语来选择。还有，将应认识到的是，此类用语常常得到不同的解释。例如，文中可称作为单一构件的部分可在别处称作为由多个构件组成，或者可在文中称作为包括多个构件的部分可在别处称作为单一构件。在理解本发明的范围时，不仅应关注所用的具体术语而且还应关注附随的描述和上下文，以及结构、构造、功能，和/或对所参照和描述的构件的使用，包括在其中使用语与若干幅图相关的方式，当然还有术语在所附权利要求中的准确使用。另外，尽管以下描述相对于某些类型的燃气涡轮或涡轮发动机来提供，但本申请的技术也可不受限制地适用于如相关技术领域的普通技术人员将理解那样的其它范畴的涡轮发动机。因此，应当理解，除非另有说明，文中对用语“燃气涡轮”的使用广义地且带有限制地意指本发明适用于各种类型的涡轮发动机。

在给定燃气涡轮如何操作的性质的情况下，若干用语在描述其功能的某些方面证明为特别有效的。除非另外特别说明，这些用语及其定义如下。如将应理解那样，此类用语可用在描述或主张燃气涡轮或其主要子系统（也即，压缩机、燃烧器或涡轮）中的一个以及用以描述或主张用于在其中使用的构件或子构件。在后一情形中，术语应理解为描述将在燃气涡轮发动机或主要子系统内的适当装备和/或功能上的那些构件。

因此，用语“前”和“后”是指相对于燃气涡轮的定向并且更具体为发动机的压缩机和涡轮区段的相对定位的方向。因此，如文中所用，用语“前”是指压缩机端而“后”是指涡轮端。应当理解，这些用语中的每一个均可用来表示沿着发动机的中心轴线的移动方向或相对位置。如上文所述，这些用语可用来描述燃气涡轮或其主要子系统中之一的属性，以及用于定位在其内的构件或子构件。因此，例如，当构件例如转子叶片描述或主张为具有“前面”时，其可理解为是指沿由燃气涡轮的定向（也即，燃烧器和涡轮子系统的定位）所限定的向前方向定向的面。除非另有说明，此种假定也适用于以下描述性用语。

用语“下游”和“上游”在文中用来表示在指定导管或流路内相对于穿过其移动的流动的方向（下文称为“流动方向”）的位置。因此，用语“下游”是指流体流经指定导管的方向，而“上游”是指与其相反的方向。这些用语可解释为有关本领域技术人员所理解那样在给定正常或预期操作情况下经过导管的流动方向。如将认识到那样，在燃气涡轮的压缩机和涡轮区段内，工作流体向下游引导并且经过环形成型的工作流体流路，其典型地围绕燃气发动机的中心和公共轴线限定。因此，在发动机的压缩机和涡轮区段内，用语“流动方向”如文中所用是指一种基准方向，表示工作流体在预期或正常的操作条件期间流动经过发动机的工作流体流路的理想化或一般化方向。因此，在压缩机和涡轮区段内，“流动方向”术语是指平行于燃气涡轮的中心轴线并且定向成向下游或向后方向上的流动。

因此，例如，工作流体经过燃气涡轮的工作流体流路的流动可描述为开始作为空气沿流动方向经由压缩机加压，当与燃料一起燃烧时在燃烧器中成为燃烧气体，并且最后沿流动方向随着其通过涡轮而膨胀。同样，工作流体的流动可描述为在朝向燃气涡轮的前端或上游端的在前或上游位置开始，总体上沿向下游或向后方向移动，并且最后终止于朝向燃气涡轮的后端或下游端的在后或下游位置。

当燃气涡轮的许多构件例如压缩机和涡轮转子叶片在操作期间旋转时，用语“旋转前”和“旋转后”可用于描绘子构件或子区域根据预期的旋转在发动机内的相对定位。因此，如将认识到那样，这些用语可区分根据旋转的方向（在下文称为“旋转方向”）在压缩机或涡轮内的位置。如文中所用，此种旋转方向可理解为在给定正常或预期的燃气涡轮操作情况下对于构件的期望旋转方向。

此外，给定燃气涡轮的构造尤其是压缩机和涡轮区段关于公共轴或转子的布置以及圆柱形构造对于许多燃烧器类型是常见的情况下，描述相对于轴线的位置的用语可在文中规则地使用。在这方面，将应理解，用语“径向”是指垂直于轴线的运动或位置。与此相关的是，可能需要描述距中心轴线的相对距离。在此类情形中，例如，如果第一构件相对于第二构件保持更加靠近中心轴线，则第一构件将描述为在第二构件的“径向内部”或“内侧”。另一方面，如果第一构件保持距中心轴线更远，则第一构件将描述为在第二构件的“径向外部”或“外侧”。如文中所用，用语“轴向”是指平行于轴线的运动或位置，而用语“环向”是指围绕轴线的运动或位置。除非另有说明或根据上下文清楚明显，这些用语应解释为有关燃气涡轮的压缩机和/或涡轮区段的中心轴线由延伸穿过每一者的转子所限定，即使这些用语正在描述或主张在其中运行的非整体构件例如转子或定子叶片的属性。当另有说明时，这些用语可相对于燃气涡轮内的某些构件或子系统的纵向轴线使用，举例而言，例如，常规的圆柱形或“筒形（can）”燃烧器典型地围绕其布置的纵向轴线。

最后，用语“转子叶片”在没有进一步特指的情况下是指压缩机或涡轮的旋转叶片，且因此可包括压缩机转子叶片和涡轮转子叶片二者。用语“定子叶片”在没有进一步特指的情况下是指压缩机或涡轮的固定叶片，且因此可包括压缩机定子叶片和涡轮定子叶片二者。用语“叶片”可用于总体地指代二者中任一类型的叶片。因此，在没有进一步特指的情况下，用语“叶片”包含所有类型的涡轮发动机叶片，包括压缩机转子叶片、压缩机定子叶片、涡轮转子叶片、涡轮定子叶片等。

作为背景技术，现在特别地参照附图，图1至图3显示根据本发明或本发明可在其中使用的示例性燃气涡轮。本领域技术人员将应理解的是，本发明可不限于这种类型的使用。如所说明的那样，本发明可用于燃气涡轮中，例如在动力生成和飞机中使用的发动机、蒸汽涡轮发动机，以及本领域普通技术人员将认识到的其它类型的旋转发动机。因此，除非另有说明，所提供的实例并非意指限制性的。图1为燃气涡轮10的示意图。一般来讲，燃气涡轮通过从由燃料在压缩空气流中燃烧产生的加压热气流中提取能量来操作。如图1中所示，燃气涡轮10可构造成具有通过公共轴或转子机械地联接至下游涡轮区段或涡轮12的轴向压缩机11，以及定位在压缩机11和涡轮12之间的燃烧器13。如图1中所示，燃气涡轮可围绕公共的中心轴线19形成。

图2显示可在图1的燃气涡轮中使用的示例性多级轴向压缩机11的视图。如图所示，压缩机11可具有多个级，其中的每个级均包括一列压缩机转子叶片14和一列压缩机定子叶片15。因此，第一级可包括一列压缩机转子叶片14，其围绕中心轴旋转，接着是一列压缩机定子叶片15，其在操作期间保持固定。图3显示可在图1的燃气涡轮中使用的示例性涡轮区段或涡轮12的局部视图。涡轮12也可包括多个级。虽然显示的是三个示例性的级，但可存在更多或更少的级。每个级均可包括多个涡轮喷嘴或定子叶片17，其在操作期间保持固定，接着是多个涡轮轮叶或转子叶片16，其在操作期间围绕轴旋转。涡轮定子叶片17通常环向地彼此隔开并且围绕旋转轴线固定至外部壳体。涡轮转子叶片16可安装在涡轮叶轮（wheel）或转子盘（未示出）上以便围绕中心轴线旋转。将应理解，涡轮定子叶片17和涡轮转子叶片16位于穿过涡轮12的热气体路径或工作流体流路中。燃烧气体或工作流体在工作流体流路内流动的方向由箭头表示。

在用于燃气涡轮10的操作的一个实例中，压缩机转子叶片14在轴向压缩机11内的旋转可压缩空气流。在燃烧器13中，当压缩空气与燃料混合并被点燃时，可释放能量。由燃烧器13所产生的热气体或工作流体流然后经引导越过涡轮转子叶片16，其促使涡轮转子叶片16围绕轴旋转。这样，工作流体流的能量转化成旋转叶片的机械能，且在给定在转子叶片和轴之间连接的情况下转化成旋转轴的机械能。轴的机械能然后可用于驱动压缩机转子叶片14的旋转，使得产生压缩空气的必要供给，并且还用于驱动例如发动机来发电。

为背景技术目的，图4至图7提供根据本发明的方面或本发明的方面可在其中实施的涡轮转子叶片16的视图。如将认识到那样，这些图提供成显示转子叶片的共同构造和描绘在此类叶片内的构件和区域之间的空间关系以便随后参照，同时还描述几何形状约束以及影响其内部和外部设计的其它标准。尽管该实例的叶片是转子叶片，但将应理解，除非另有说明，本发明还可应用于燃气涡轮内其它类型的叶片。如上文所说明，对此类构件的描述可包括基于燃气涡轮发动机的定向和功能导出含义的术语，并且更具体地，工作流体流路且因此应当在该上下文中理解，也即此种描述设想转子叶片已适当地安装并且正在发动机内的预期或正常条件下操作。

转子叶片16，如图所示，可包括构造成用于附接至转子盘的根部21。根部21例如可包括榫接部22，其构造成用于安装在转子盘的周边中的对应榫接槽中。根部21还可包括在榫接部22和平台24之间延伸的柄部23。如图所示，平台24总体上形成在根部21和翼型件25之间的接合处，其为拦截穿过涡轮12的工作流体流并且引起期望旋转的、转子叶片16的主动（或有效）构件。平台24可限定翼型件25的内侧端部。平台还可限定穿过涡轮12的工作流体流路的内侧边界的区段。

转子叶片的翼型件25可典型地包括凹入压力面26和环向地或侧向地相对的凸起吸力面27。压力面26和吸力面27可分别轴向地延伸在相对的前缘28和后缘29之间，并且在径向方向上延伸在可限定在与平台24的接合处的内侧端部和外侧末端31之间。翼型件25可包括弯曲或成轮廓的形状，其设计成用于促进期望的空气动力学性能。如图4和图5中所示，翼型件25的形状可随着其在平台24和外侧末端31之间延伸而逐渐地渐缩。渐缩可包括收窄在翼型件25的前缘28和后缘29之间距离的轴向渐缩，如图4中所示，以及减小限定在吸力面26和压力面27之间的翼型件25的厚度的环向渐缩，如图5中所示。如图6和图7中所示，翼型件25的成轮廓形状还可包括关于翼型件25的纵向轴线随着其从平台24延伸的扭曲。如将认识到那样，扭曲可包含为以便在内侧端部和外侧末端31之间逐渐地改变对于翼型件25的交错角（或翼差角，stagger angle）。

为描述性目的，如图4中所示，转子叶片16的翼型件25还可描述为包括限定至轴向中线32的各侧的前缘区段或半部（half）和后缘区段或半部。根据其在文中的使用，轴向中线32可通过在平台24和外侧末端31之间连接翼型件25的弧线35的中点34来形成。另外，翼型件25可描述为包括限定翼型件25的径向中线33的内侧和外侧的两个径向叠置区段。因此，如文中所用，翼型件25的内侧区段或半部在平台24和径向中线33之间延伸，而外侧区段或半部在径向中线33和外侧末端31之间延伸。最后，翼型件25可描述为包括压力面区段或半部和吸力面区段或半部，如将认识到那样，它们限定至翼型件25的弧线35的各侧和翼型件25的对应面26、27。

转子叶片16还可包括具有一个或更多个冷却通道37的内部冷却构造36，在操作期间冷却剂循环经过该冷却通道。此类冷却通道37可从通向穿过转子叶片16的根部21所形成的供给源的连接部沿径向向外延伸。冷却通道37可为线性的、弯曲的或者它们的组合，并且可包括冷却剂经由其从转子叶片16排出并进入工作流体流路中的一个或更多个出口或表面端口。

图8至图11显示根据本发明或本发明可在其中使用的具有末端护罩41的涡轮转子叶片16。如将认识到那样，图8为包括末端护罩41的示例性涡轮转子叶片16的透视图，而图9为末端护罩41部分的放大视图。图10提供了带有末端护罩的转子叶片16的示例性已安装布置从外侧透视的侧面图（profile）。最后，图11提供了可用于描绘在接下来讨论的末端护罩内的不同区域的末端护罩41的放大外侧侧视图。

如图所示，末端护罩41可定位在翼型件25的外侧端部处或附近。末端护罩41可包括轴向和环向地延伸的平坦板或平面构件，该平坦板或平面构件由翼型件25朝向其中心支承。为描述性目的，末端护罩41可包括内侧表面45、外侧表面44，以及边缘46。如图所示，内侧表面45横跨末端护罩41的窄径向厚度与外侧表面44相对，而边缘46连接内侧表面45至外侧表面44并且如文中所用，限定末端护罩41的周边或外侧轮廓。

密封围栏（rail）42可沿着末端护罩41的外侧表面44定位。一般来讲，如图所示，密封围栏42为翅片状突出部，其从末端护罩41的外侧表面44沿径向向外延伸。密封围栏42可在转子叶片16的旋转的方向或“旋转方向”上在末端护罩41的相对两端之间环向地延伸。如将认识到那样，密封围栏42可用于阻止工作流体穿过典型地存在于末端护罩41和围绕的固定构件之间的径向间隙的泄漏，该围绕的固定构件限定穿过涡轮的工作流体流路的外侧边界。根据常规设计，密封围栏42可径向地延伸到横跨该间隙与其相对的耐磨损的固定蜂窝结构（honeycomb）护罩中。密封围栏42可延伸横跨末端护罩41的外侧表面44的基本上整个环向长度。如文中所用，末端护罩41的环向长度是指末端护罩41在旋转方向50上的长度。为描述性目的，密封围栏42可包括相对的围栏面，在其中前面56对应于燃气涡轮的向前方向，以及后面57与向后方向相对应。如将认识到那样，前面56因此面朝或面向工作流体的流动方向，而后面57则远离其面向。密封围栏42的前面56和后面57中的每个均可布置成以便相对于末端护罩41的外侧表面44形成陡斜角度。

尽管其它构造也是可能的，但密封围栏42可具有近似矩形轮廓。密封围栏42的前面56和后面57可沿着环向窄边缘连接，该环向窄边缘如文中所用，包括：相对且近似平行的外侧和内侧边缘，以及相对且近似平行的旋转前缘和旋转后缘。具体地，密封围栏42的内侧边缘可限定在密封围栏42和末端护罩41的外侧表面44之间的对接面处。如将认识到那样，在给定圆角区域为结构性目的形成在密封围栏42和末端护罩41之间的情况下，内侧边缘有些不明显且因此未采用数字标识符特别地标出。密封围栏42的外侧边缘59远离末端护罩41的外侧表面44径向地偏移。如将认识到那样，这种径向偏移通常代表密封围栏42的径向高度。如所指出的那样，密封围栏42的旋转前缘62刚好从悬于翼型件25的吸力面27之上的末端护罩41的边缘46径向地突出。因为这样，旋转前缘62是指在操作期间随着转子叶片16旋转而“引导”密封围栏42的构件。在密封围栏42的相对端部，旋转后缘63刚好从悬于翼型件25的压力面26之上的末端护罩41的边缘46径向地突出。在给定此种布置的情况下，旋转后缘63是指在操作期间随着转子叶片16旋转而“跟随”密封围栏42的构件。

切削齿43可设置在密封围栏42上。如将认识到那样，切削齿43可提供成在固定护罩的耐磨损涂层或蜂窝结构中切削稍宽于密封围栏42的宽度的沟槽。如将认识到那样，蜂窝结构可提供成增强密封稳定性，以及切削齿43的使用可通过清洁这种较宽路径来减小固定部件和旋转部件之间的溢出和摩擦。切削齿43通常为沿着密封围栏42的环向长度具有增大宽度的区域。更具体地，切削齿43可包括密封围栏42的轴向加宽的环向区段。这种轴向加宽区域可在末端护罩41的外侧表面44和密封围栏42的外侧边缘之间径向地延伸。切削齿43可定位在密封围栏42的中心或中间区域附近。如下文所提供，切削齿43可设置在末端护罩41的外侧表面44的翼型部分内。切削齿43可具有近似矩形轮廓，但其它轮廓也是可能的。

末端护罩41可包括圆角区域48，49，它们构造成提供在末端护罩41和翼型件25的发散表面之间的平滑表面过渡以及在末端护罩41和密封围栏42之间的平滑表面过渡。因此，末端护罩41的构造可包括外侧圆角区域48，其形成在末端护罩41的外侧表面44和密封围栏42的前面56和后面57之间。末端护罩41还可包括内侧圆角区域49，其形成在末端护罩41的内侧表面45与翼型件25的压力和吸力面26、27之间。如将认识到那样，内侧圆角区域49可更为具体地描述为包括：压力内侧圆角区域，其为形成在翼型件25的压力面26和末端护罩41的内侧表面45之间的部分；以及吸力内侧圆角区域，其为形成在翼型件25的吸力面27和末端护罩41的内侧表面45之间的部分。外侧圆角区域48可更为具体地描述为包括：前外侧圆角区域，其为形成在密封围栏42的前面56和末端护罩41的外侧表面44之间的部分；以及后外侧圆角区域，其为形成在密封围栏42的后面57和末端护罩41的外侧表面44之间的部分。如所图示那样，这些圆角区域49、48中的每个均可构造成在形成急剧或陡斜角度过渡之间的若干平面表面之间提供平滑弯曲过渡。如将认识到那样，此类圆角区域可改善空气动力学性能以及扩散否则将出现在这些区域中的应力集中。即便如此，由于末端护罩41的悬垂或悬臂式外伸负载以及发动机的旋转速度，这些区域保持经受高度应力。如将认识到那样，在没有足够冷却的情况下，在这些区域中的应力为构件使用寿命的显著限制。

现在具体地参看图10，末端护罩41可构造成包括接触对接面，在其中接触表面或边缘在操作期间接合形成在相邻转子叶片的末端护罩41上的同样表面或边缘。如将认识到那样，这可实行，例如，用以减小泄漏或有害振动。图10提供末端护罩41在涡轮转子叶片上当它们可能看起来处于组装状态时的外侧视图。如所指出那样，相对于旋转方向50，末端护罩41的边缘46为描述性目的可包括旋转前接触边缘52和旋转后接触边缘53。因此，如图所示，在旋转前位置的末端护罩41可构造成具有旋转后接触边缘53，其接触或紧密邻近在相对于旋转前位置的旋转后位置的末端护罩41的旋转前接触边缘52。尽管在相邻末端护罩41之间的这种接触区域一般来讲可称为接触对接面，但在给定为示例性构造的轮廓情况下，它也可称为“Z形凹口”对接面。其它构造也是可能的。在形成接触对接面时，末端护罩41的边缘46可构造成具有带凹口区段，其旨在以预定方式协同地接触或接合相邻且相同构造的末端护罩41。

现在具体地参看图11，末端护罩41的外侧轮廓可具有扇贝（或扇形，scallop）形状。尽管其它构造是可能的，但示例性的扇贝形状为在减少泄漏同时还最小化重量方面很好地实行的一种。无论轮廓如何，应当理解，构成末端护罩41的区域或部分在给定它们相对于密封围栏42和/或下方翼型件25轮廓的位置情况下是可描述的。因此，如文中所用，末端护罩41的翼型部分65为限定在经由末端护罩41沿径向突出的翼型件25的轮廓内的部分。末端护罩41的压力部分66为从翼型件25的压力面26悬臂式外伸并且悬于该压力面之上的部分，而末端护罩41的吸力部分67为从翼型件25的吸力面27悬臂式外伸并且悬于该吸力面之上的部分。最后，末端护罩41的前部部分68为从密封围栏42沿向前方向延伸以便悬于翼型件25的前缘28之上的部分，而末端护罩41的后部部分69为从密封围栏42沿向后方向延伸以便悬于翼型件25的后缘29之上的部分。

现在参看图12至图17，提供的是根据本发明的方面和示例性实施例的若干内部冷却构造。如将认识到那样，这些实例参照和根据文中已提供的系统和相关原理尤其是关于前图所讨论的那些来描述。

本发明可包括在燃气涡轮转子叶片的翼型件和末端护罩内的内部冷却构造。此类冷却构造可包括用于接收和引导冷却剂穿过转子叶片的内部的内部冷却通道。根据此类冷却构造，本发明的冷却通道可包括流体地连接的区段或部段，其可包括：径向地延伸穿过翼型件25的供给部段72；形成在密封围栏42或更具体地在密封围栏42的切削齿43内的仓室部段或切削齿部段73；以及从切削齿部段73延伸的分支部段74。如将讨论那样，分支部段74可形成在末端护罩41、密封围栏42且更具体地在翼型件25的外侧区域（也即，在末端护罩41附近或与其邻接的翼型件25的部分）内。如图所示，分支部段74可延伸在上游端口和下游端口之间，上游端口连接至切削齿部段73，以及下游端口由于其形成在转子叶片16的外表面上的目标表面区域上故将在文中称为出口端口75。另外，如将讨论那样，分支部段74可构造成延伸穿过或对分转子叶片16的目标内部区域。

根据当前构造，如图所示，供给部段72可包括形成为穿过转子叶片16的根部21的上游端，该根部可将供给部段72连接至冷却剂源。在下游端，供给部段72可流体地连接至切削齿部段73。根据示例性构造，供给部段72可构造为经过翼型件25的径向定向的线性通路。

仓室部段或切削齿部段73可构造为输送至其的供给空气经由其分配至若干分支部段74的岐管或仓室。因此，切削齿部段73的截面流动面积可大于自其分支的每个分支部段74的截面流动面积。根据示例性布置，切削齿部段73的截面流动面积也可大于连接至其的供给部段72的截面流动面积。切削齿部段73可整个地容纳在切向齿43内。备选地，切向齿部段73可基本上叠盖限定在切向齿43内的内部区域。在另外的实施例中，切向齿部段73形成在密封围栏42和/或末端护罩41内。

分支部段74可沿着多种路径从切向齿部段73延伸以便根据用于翼型件25和/或末端护罩41的期望冷却策略与目标表面区域和内部区域相交。如将理解那样，分支部段74的截面流动面积可根据对通向目标表面区域并且穿过目标内部区域的冷却剂流的期望计量来定制大小。分支部段74可连接至出口端口75，这由于出口端口75形成在转子叶片16的外表面上而导致本发明的冷却构造36与穿过涡轮12的工作流体流路流体地连通。

分支部段74的出口端口75可形成在预定的目标表面区域上。一般来讲，这些目标表面区域可包括已在文中讨论的翼型件25和/或末端护罩41的表面区域中的若干。根据示例性实施例，用于冷却构造36的目标表面区域可包括下列中的一个或更多个：翼型件25的压力面26；翼型件25的吸力面27；对应于内侧圆角区域49的表面区域；对应于外侧圆角区域48的表面区域；末端护罩41的内侧表面45；末端护罩41的边缘46；密封围栏42的旋转前缘62；密封围栏42的旋转后缘63；密封围栏42的前面56；以及密封围栏42的后面57。根据本发明，用于当前冷却构造36的目标内部区域可包括下列中的一个或更多个：在末端护罩41附接或与其邻接的翼型件25的外侧区域；内侧圆角区域49；外侧圆角区域48；末端护罩41的前部部分68；末端护罩41的后部部分69；末端护罩41的压力部分66；末端护罩41的吸力部分67；末端护罩41的翼型部分65；以及密封围栏42。

根据某些优选实施例，本发明的冷却构造36包括环向地延伸以便从形成在密封围栏42内的冷却剂仓室穿过密封围栏42延伸的分支部段74（也即，切削齿部段73）。在给定这种构造的情况下，以此方式使用的冷却剂冷却在特别难以冷却而又需要冷却的末端护罩41和/或翼型件25内的面积和区域。这些区域可包括形成在相邻的末端护罩41以及密封围栏42的边缘之间的接触对接面的接触边缘。因此，一般来讲，分支部段74可延伸穿过密封围栏42的内部朝向翼型件25的末端护罩41和/或外侧区域的旋转前部部分和/或旋转后部部分。根据示例性实施例，如图所示，分支通道74可从冷却剂仓室或切削齿部段73延伸至形成在密封围栏42的旋转前缘62和/或旋转后缘63上的出口端口75。根据其它实施例，这些分支通道74可在内侧成角度（或倾斜）以便连接至形成在末端护罩41的旋转前缘或旋转后缘46上的出口端口75，该旋转前缘或旋转后缘可包括构成接触对接面的旋转前和后接触边缘52、53。此类内侧倾斜分支部段74可构造成在内侧进一步地延伸以便具有穿过末端护罩41的内侧表面45、内侧圆角区域49和/或翼型件25的外表面形成的出口端口75。因此，根据某些优选实施例，在内侧成角度（或倾斜）的分支部段74可构造成延伸穿过内侧圆角区域49，该内侧圆角区域可包括压力内侧圆角区域、吸力内侧圆角区域，或者两者。在此类情形中，出口端口75可定位在翼型件25的压力面26和/或吸力面27上。

如图12和图13中所示，分支部段74可包括多个部段，其环向地延伸使得分支部段74的至少之一沿旋转方向延伸穿过密封围栏42并且至少一个分支部段远离旋转方向延伸穿过密封围栏42。如将认识到那样，以此种方式定向，分支部段74可平行于密封围栏42的纵向轴线。如图所示，环向延伸的分支部段74可在近侧方向上成角度或倾斜。环向延伸的分支部段74的目标表面区域可包括末端护罩41的内侧表面45。备选地，环向延伸的分支部段74的目标表面区域可包括与内侧圆角区域49相关的表面区域，该内侧圆角区域可包括压力内侧圆角区域、吸力内侧圆角区域，或者两者。如图13至图15中所示，环向延伸的分支部段74可延伸至形成在目标表面区域上的出口端口75，该目标表面区域包括密封围栏42的旋转前缘62和旋转后缘63中的一者或二者。形成在前面56和后面57上的出口端口75也是可能的。

根据备选实施例，如图16和图17中所示，分支部段74可具有构造为近表面岔路（fork）76的出口端口75。如文中所用，近表面岔路76包括对分支部段74冷却剂通路正好在到达转子叶片的外表面之前的分离或分岔。近表面岔路76可分离成冷却剂通路中的两个或更多个。这些通路中的每一个（其将在文中称为尖叉（tine）77）可从分离处（split）延伸至单独和离散的出口端口75，这些出口端口可用来利用冷却剂通路的冷却剂相比于否则如果通路仅具有单一出口端口75将可能出现的情形影响更大的表面面积和内部区域。这样，移动穿过分支部段74的冷却剂可在释放到工作流体流中之前在较大表面面积和较大近表面内部区域上并经由其扩散。由于此类近表面区域代表经由其使冷却剂循环的高度有效区域，故近表面岔路76可改善性能和冷却效率。

如所提及那样，近表面岔路76还容许冷却剂在较大外表面上释放。这种较大面积可单独地包含在文中已讨论的目标表面区域中的任何一个内，或者备选地，近表面岔路76可构造成包括覆盖或横跨目标区域中的若干的出口端口75。因此，例如，根据示例性构造，近表面岔路76可包括连接至两个或更多个出口的尖叉77，这些出口完全地形成在密封围栏42的旋转前缘62或密封围栏42的旋转后缘63上。也就是说，近表面岔路76可包括连接至出口端口75的第一尖叉77和第二尖叉77，该出口端口二者都形成在密封围栏42的旋转前缘62上和/或二者都形成在旋转后缘63上。根据备选类型的构造，例如，近表面岔路76可包括连接至形成在末端护罩41的边缘46上的出口端口75的第一尖叉77和连接至形成在末端护罩41的内侧表面45上的出口端口75的第二尖叉77。根据另一实例，例如，近表面岔路76可包括连接至形成在密封围栏42的旋转前缘62或旋转后缘63上的出口端口75的第一尖叉77，以及连接至形成在密封围栏42的前面56或后面57上的出口端口75的第二尖叉77。其它的构造（其中的一些已例示）也是可能的。

作为本领域技术人员将认识到，上文关于若干示例性实施例描述的许多不同的特征和构造还可选择性地应用以形成本发明的其它可能的实施例。为了简洁起见和考虑本领域技术人员的能力，所有可能的重复都未详细地提供或讨论，但由下文的若干权利要求或以其它方式所包含的所有组合以及可能的实施例旨在作为本申请的一部分。此外，根据本发明的若干示例性实施例的以上描述，本领域技术人员将领会到改进、变化和修正。在本领域内的此类改进、变化和修正旨在由所附权利要求涵盖。另外，应明白的是，前文仅涉及本申请所描述的实施例并且可在不脱离由所附权利要求及其等同方案所限定的本申请的实质和范围的情况下做出许多改变和修正。