改进的涡轮叶片冷却系统的制作方法

改进的涡轮叶片冷却系统
1.本技术是申请日为2018年11月12日、国际申请号为pct/us2018/060246、国家申请号为201880080260.0、名称为“改进的涡轮叶片冷却系统”的进入中国国家阶段的国际申请的分案申请。
2.介绍
3.本公开大体上关于燃气涡轮发动机。更具体地，本技术涉及一种具有改进的冷却能力的涡轮叶片。
4.内部冷却型涡轮叶片可在叶片内包括通道和叶(空气偏转器)。可以铸造这些中空叶片。在铸造具有内部冷却通路的中空燃气涡轮发动机叶片时，将烧制的陶瓷芯放置在陶瓷熔模型壳模具中，以在铸造翼型件中形成内部冷却通路。用于熔模铸造中空翼型件的烧制的陶瓷芯通常具有翼型形状的区域，其具有薄横截面前缘区和后缘区。在前缘区与后缘区之间，芯可包括细长和其它形状的开口，以便形成多个内部壁、基座、湍流器、肋以及分离铸造翼型件中的冷却通路和/或驻留在其中的类似特征。
5.本公开旨在克服发明人发现的一个或多个问题。
附图说明
6.本公开的实施例的细节(关于其结构和操作)可部分地通过研究附图来搜集，在附图中相同的附图标记指代相同的部分，并且其中：
7.图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图；
8.图2是示例性涡轮转子组件的轴向视图；
9.图3是图2的一个涡轮叶片的等距视图；
10.图4是图3的涡轮叶片的剖面侧视图；
11.图5是沿着图4的线5-5截取的冷却涡轮叶片的横截面；
12.图6是沿着图4的线6-6截取的冷却涡轮叶片的横截面；
13.图7是沿着图4的线7-7截取的冷却涡轮叶片的横截面；
14.图8是沿着图4的线8-8截取的冷却涡轮叶片的横截面；
15.图9是图3的涡轮叶片的一部分的剖面透视图；
16.图10是图3的涡轮叶片的一部分的剖面透视图；
17.图11是图3的涡轮叶片的一部分的剖面透视图；
18.图12是图3的涡轮叶片的一部分的剖面透视图；以及
19.图13是图3的涡轮叶片的一部分的剖面透视图。
具体实施方式
20.下文结合附图阐述的详细描述旨在作为对各种实施例的描述，而不旨在表示可以实践本公开的仅有的实施例。为了透彻理解实施例，详细描述包括具体细节。然而，没有这些具体细节，本公开对本领域技术人员也是显而易见的。在一些情况下，为了使描述简洁，以简化形式展示了熟知的结构和部件。
21.图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图。为了清楚和便于解释起见，(在该图和其它附图中)省略或放大了某些表面。此外，本公开可能提及前向方向和后向方向。通常，除非另有说明，否则对“前向”和“后向”的所有提及均与主空气(即，在燃烧过程中使用的空气)的流动方向相关联。例如，前向为相对于主气流的“上游”，而后向为相对于主气流的“下游”。
22.另外，本公开通常可提及燃气涡轮发动机的旋转中心轴线95，其一般可由燃气涡轮发动机的轴120(由多个轴承组件150支撑)的纵向轴线限定。中心轴线95可以与各种其它发动机同心部件共有或共用。除非另有说明，否则对径向、轴向和周向方向以及测量的所有提及均指中心轴线95，并且诸如“内”和“外”的术语一般表示远离更小的或更大的径向距离，其中径向96可以是垂直于中心轴线95并且从该中心轴线向外辐射的任何方向。
23.在结构上，燃气涡轮发动机100包括入口110、燃气产生器或“压缩机”200、燃烧器300、涡轮机400、排气装置500和动力输出联接装置600。压缩机200包括一个或多个压缩机转子组件220。燃烧器300包括一个或多个喷射器350，并且包括一个或多个燃烧室390。涡轮机400包括一个或多个涡轮转子组件420。排气装置500包括排气扩散器520和排气收集器550。
24.如所图示的，压缩机转子组件220和涡轮转子组件420都是轴向流动转子组件，其中每个转子组件包括沿周向填充有多个翼型件(“转子叶片”)的转子盘。当安装时，与一个转子盘相关联的转子叶片通过静止叶(“定子叶”或“定子”)250、450与和相邻盘相关联的转子叶片轴向地分开，所述静止叶周向分布在环形壳体中。
25.在功能上，气体(典型地是空气10)进入入口110作为“工作流体”，并且由压缩机200压缩。在压缩机200中，由一系列压缩机转子组件220在环形流动路径115中压缩工作流体。特别地，空气10以编号的“级”被压缩，级与每个压缩机转子组件220相关联。例如，“第四级空气”可与在下游或“后向”方向(从入口110朝排气装置500)上的第四压缩机转子组件220相关联。同样，每个涡轮转子组件420可与编号的级相关联。例如，第一级涡轮转子组件421在大部分涡轮转子组件420前面。然而，也可以使用其它编号/命名惯例。
26.一旦压缩空气10离开压缩机200，它就进入燃烧器300，在此处使它被扩散并加入燃料20。空气10和燃料20通过喷射器350被喷射到燃烧室390中并被点燃。在燃烧反应之后，接着由一系列涡轮转子组件420中的每一级通过涡轮机400从燃烧的燃料/空气混合物中提取能量。排出的废气90然后可以在排气扩散器520中扩散，并通过排气收集器550收集、改变方向和离开系统。还可以对排出的废气90进行进一步处理(例如，以减少有害排放和/或以从排出的废气90中回收热)。
27.以上部件(或它们的子部件)中的一个或多个可以由不锈钢和/或称为“超合金”的耐用高温材料制成。超合金或高性能合金是表现出优异机械强度、高温下的抗蠕变性、良好的表面稳定性，以及耐腐蚀性和抗氧化性的合金。超合金可以包括诸如hastelloy、inconel、waspaloy、rene合金、haynes合金、incoloy、mp98t、tms合金和cmsx单晶合金的材料。
28.图2是示例性涡轮转子组件的轴向视图。具体地，在此更详细地示出了图1中示意性图示的第一级涡轮转子组件421，但与燃气涡轮发动机100的其余部分分离。第一级涡轮转子组件421包括涡轮转子盘430，所述涡轮转子盘周向地填充有多个涡轮叶片和多个阻尼
器426，所述多个涡轮叶片被构造成接收冷却空气(“冷却涡轮叶片”440)。此处，出于说明目的，涡轮转子盘430示出为未全部填充，而只填充了三个冷却涡轮叶片440和三个阻尼器426。
29.每个冷却涡轮叶片440可以包括基部442，该基部包括平台443和叶片根部480。例如，列举几个例子，叶片根部480可以包含“枞树形”、“灯泡形”或“燕尾形”根部。相应地，涡轮转子盘430可以包括多个周向分布的狭槽或“叶片附接凹槽”432，其被构造成接收和保持每个冷却涡轮叶片440。具体地，叶片附接凹槽432可以被构造成与叶片根部480配合，两者都具有相互往复的形状。另外，叶片附接凹槽432可以例如在前向—后向方向上与叶片附接凹槽432可滑动地接合。
30.在邻近燃烧器300(图1)处，第一级涡轮转子组件421可包括主动冷却。特别地，压缩的冷却空气可以在内部供应到每个冷却涡轮叶片440以及涡轮转子盘430的预定部分。例如，此处，涡轮转子盘430接合冷却涡轮叶片440，使得在叶片附接凹槽432与叶片根部480之间形成冷却空气腔433。在其它实施例中，涡轮的其它级也可以包括主动冷却。
31.当一对冷却涡轮叶片440安装在涡轮转子盘430的相邻叶片附接凹槽432中时，可以分别在相邻叶片根部480的柄部之间，在其相邻平台443之下，在涡轮转子盘430的周向外边缘上方形成平台下腔体。因而，每个阻尼器426可被构造成配合此平台下腔体。替代地，当平台与涡轮转子盘430的周向外边缘齐平和/或平台下腔体足够小时，可完全省略阻尼器426。
32.这里，如所图示的，每个阻尼器426可以被构造成约束所接收的冷却空气，使得可以在平台下腔体内形成正压，以抑制来自涡轮的热气体的进入。另外，阻尼器426还可被构造成调节冷却空气向第一级涡轮转子组件421下游的部件的流动。例如，阻尼器426可以在其后面中包括一个或多个后板孔。为了清楚起见，图示的某些特征可以被简化和/或不同于生产部件。
33.每个阻尼器426可被构造成例如通过压配合在第一级涡轮转子组件421的组装期间与涡轮转子盘430一起组装。此外，阻尼器426可以与相邻冷却涡轮叶片440形成至少部分密封。此外，阻尼器426的一个或多个轴向面可以被设定大小以提供足够的间隙，从而允许每个冷却涡轮叶片440在阻尼器426安装之后经过阻尼器426不受干涉地滑动到叶片附接凹槽432中。
34.图3是图2的涡轮叶片的透视图。如上文所描述，冷却涡轮叶片440可以包括基部442，该基部具有平台443和叶片根部480。每个冷却涡轮叶片440还可以包括从平台443径向向外延伸的翼型件441。翼型件441可具有径向变化的复杂几何结构。例如，当翼型件441从尖端445向内在径向方向上接近平台443时，该翼型件的横截面可以加长、变厚、扭曲和/或改变形状。翼型件441的总体形状也可以因应用而变化。
35.这里通常参考冷却涡轮叶片440的安装和操作来对其进行描述。具体地，参考中心轴线95的径向96(图1)和翼型件441的空气动力学特征来描述冷却涡轮叶片440。翼型件441的空气动力学特征包括前缘446、后缘447、压力侧448、升力侧449及其平均中弧线474。平均中弧线474大体上定义为沿着翼型件的中心从前缘446到后缘447延伸的线。它可被认为是翼型形状的压力侧448和升力侧449的平均值。如上文所论述，翼型件441还在平台443与尖端445之间径向延伸。因此，本文中的平均中弧线474包括从平台443继续到尖端445的整个
中弧片材。
36.因此，当将冷却涡轮叶片440描述为一个单元时，向内方向是朝中心轴线95(图1)大体上径向向内，其中其相关联的端部被称为“根端”444。同样地，向外方向是从中心轴线95(图1)大体上径向向外，其中其相关联的端部被称为“尖端”445。当描述平台443时，平台443的前边缘484和后边缘485与中心轴线95(图1)的前向轴向方向和后向轴向方向相关联，如上所述。
37.此外，当描述翼型件441时，通常沿着平均中弧线474(将平均中弧线474人工处理为线性的)在其前缘446(前部)与其后缘447(后部)之间测量前向方向和后向方向。当描述翼型件441的流动特征时，向内方向和向外方向大体上在径向方向上相对于中心轴线95(图1)测量。然而，当描述翼型件441的热力学特征(特别是与内翼梁462(图4)相关联的那些特征)时，大体上在垂直于中心轴线95(图1)的径向96的平面中测量向内方向和向外方向，其中向内是朝向平均中弧线474，而向外是朝向翼型件441的“表皮”460。
38.最后，为了清楚起见，某些传统空气动力学术语可在本文中被不时地使用，但不是限制性的。例如，虽然将论述翼型件441(连同整个冷却涡轮叶片440)可以制造为单个金属铸造件，但翼型件441的外表面(连同其厚度)在本文中被描述性地称为翼型件441的“表皮”460。
39.图4是图3的涡轮叶片的剖面侧视图。具体地，此处示出了图3的冷却涡轮叶片440，其中从翼型件441的压力侧448移除了表皮460，从而露出其内部结构和冷却路径。翼型件441可以包括由多个分部和冷却结构组成的复合流动路径。类似地，基部442的区段已经被移除以露出基部442内部的冷却空气通路482的部分。冷却空气通路482可具有如下所述的从叶片根部480朝尖端445延伸的一个或多个通道483。
40.冷却涡轮叶片440可以包括翼型件441和基部442。基部442可包括平台443、叶片根部480和一个或多个冷却空气入口481。翼型件441与基部442相接，且可包括表皮460、尖端壁461和冷却空气出口471。
41.压缩的二次空气可以被引导到冷却涡轮叶片440的基部442中的一个或多个冷却空气入口481作为冷却空气15。一个或多个冷却空气入口481可在任何方便的位置处。例如，此处，冷却空气入口481位于叶片根部480中。替代地，冷却空气15可以从叶片根部480径向向外但从平台443径向向内地接收在柄部区域中。
42.在基部442内，冷却涡轮叶片440包括冷却空气通路482，该冷却空气通路被构造成引导来自一个或多个冷却空气入口481的冷却空气15，通过基部并经由通道483进入翼型件441中。冷却空气通路482可被构造成使冷却空气15在朝翼型件441并且沿着多弯曲热交换路径470径向向上(例如，大体上沿着中心轴线95的径向96(图1))行进时在三个维度上(例如，不仅仅在图的平面中)平移。例如，冷却空气15可径向地且在翼型件441内行进。此外，内翼梁462在压力侧448与升力侧449之间使冷却空气15有效地分开。多弯曲热交换路径470被描绘为作为穿过翼型件441的编织路径描绘的实线，通过尖端标记冷却系统650(图13)离开，以箭头结束。此外，冷却空气通路482可被构造成从大体上直线冷却空气入口481接收冷却空气15，并且使其平滑地“重塑”以适应翼型件441的曲率和形状。此外，冷却空气通路482可以被细分成多个子通路或通道483，所述多个子通路或通道引导冷却空气在一个或多个路径中通过翼型件441。
43.在翼型件441的表皮460内，若干内部结构是可见的。具体地，翼型件441可包括尖端壁461、内翼梁462、前缘室463、一个或多个导向叶465、一个或多个空气偏转器466以及多个内翼梁冷却翅片467。另外，翼型件441可包括穿孔后缘肋468，其允许冷却空气15流动以离开后缘447。与表皮460一起，这些结构可以在翼型件441内形成多弯曲热交换路径470。
44.构成多弯曲热交换路径470的内部结构可以形成多个离散的子通路或“区段”。例如，尽管多弯曲热交换路径470由冷却空气15的代表性路径示出，但是多个路径是可能的，如以下部分中更详细描述的。
45.关于翼型结构，尖端壁461跨翼型件441延伸，并且可以被构造成重新引导冷却空气15通过尖端445逸出。在实施例中，尖端445可形成为共享结构，例如，翼型件441的压力侧448与升力侧449的接合。尖端壁461可以向内凹陷，使得其不与翼型件441的尖端齐平。尖端壁461可以包括一个或多个穿孔(未示出)，使得少量冷却空气15可以被排出以用于膜冷却尖端445。
46.内翼梁462可在表皮460的压力侧448(图3)与升力侧449(图3)之间从基部442朝尖端壁461径向向外延伸。此外，内翼梁462可在前缘446与后缘447之间延伸，与翼型件441的平均中弧线474(图3)平行且大体上跟随其后，并且在内翼梁后缘476终止。因此，内翼梁462可被构造成大体上沿着其平均中弧线474(图3)并在压力侧448与升力侧449之间使翼型件441的一部分或全部分叉。另外，内翼梁462可为固体的(非穿孔的)或基本上固体的(包括一些穿孔)，使得冷却空气15不能通过。
47.根据实施例，内翼梁462可延伸小于平均中弧线474的整个长度。具体地，内翼梁462可延伸小于平均中弧线474的百分之九十，且可完全排除前缘室463。例如，内翼梁462可从靠近后缘447的前缘室463的边缘延伸到多个后缘冷却翅片469的下游。此外，内翼梁462的长度可在平均中弧线474的百分之七十到百分之八十的范围内，或该平均中弧线的长度的近似四分之三，以及沿着该平均中弧线。在一些实施例中，内翼梁462的长度可在平均中弧线474的百分之五十到百分之六十的范围内、或该平均中弧线的长度的近似四分之三，以及沿着该平均中弧线。
48.根据实施例，翼型件441可包括前缘肋472。前缘肋472可以从靠近基部442的区域朝尖端445径向延伸，在到达尖端壁461之前终止。此外，前缘肋472可以直接从表皮460的压力侧448(图3)延伸到表皮460的升力侧449(图3)。这样，前缘肋472可以在翼型件441的前缘446处与表皮460结合形成前缘室463。另外，离开前缘室463的冷却空气15的至少一部分可以由尖端壁461和翼型件441内的其它冷却空气15朝后缘447重新引导。因此，前缘室463可以形成多弯曲热交换路径470的一部分。
49.在翼型件441内，多个内翼梁冷却翅片467可从内翼梁462向外延伸到压力侧448(图3)或升力侧449(图3)中的任一个上的表皮460。相比之下，多个后缘冷却翅片469可从表皮460的压力侧448(图3)直接延伸到表皮460的升力侧449(图3)。因此，多个内翼梁冷却翅片467定位在多个后缘冷却翅片469的前方，如沿着翼型件441的平均中弧线474(图3)测量的。
50.内翼梁冷却翅片467和后缘冷却翅片469都可贯穿单弯曲热交换路径470大量地分布。具体地，内翼梁冷却翅片467和后缘冷却翅片469可贯穿翼型件441分布以便与冷却空气15热交互以增加冷却。此外，该分布可在径向方向上并且在沿着平均中弧线474(图3)的方
向上。该分布可为规则的、不规则的、交错的和/或局部性的。
51.根据实施例，内翼梁冷却翅片467可以长且薄。具体地，横穿小于翼型件441的厚度的一半的内翼梁冷却翅片467可使用圆形“针形”翅片。此外，可使用高度—直径比率为2-7的针形翅片。例如，内翼梁冷却翅片467可以是直径为0.017-0.040英寸的针形翅片，并且内翼梁462的长度为0.034-0.240英寸。
52.另外，根据一个实施例，内翼梁冷却翅片467也可以密集地排列。具体地，内翼梁冷却翅片467可以彼此在两个直径内。因此，可以使用更大数目的内翼梁冷却翅片467来增加冷却。例如，在内翼梁462上，在内翼梁462的每一侧的每平方英寸内，翅片密度可在80到300个翅片的范围内。在内翼梁462的每一侧的每平方英寸内，翅片密度也可以更高，在40到200个翅片之间。
53.在翼型件441内，后缘肋468可从基部442朝尖端445径向延伸。后缘肋468可沿着内翼梁后缘476且在内翼梁冷却翅片467与后缘冷却翅片469之间定位。
54.后缘肋468可穿孔以包括一个或多个开口。这将允许冷却空气15穿过后缘肋468朝向后缘447中的冷却空气出口471，从而完成单弯曲热交换路径470。
55.作为整体，可以协调冷却空气通路482和多弯曲热交换路径470。具体地且返回到冷却涡轮叶片440的基部442，冷却空气通路482可被细分成多个流动路径。当空气15在冷却空气入口482处进入叶片根部480时，这些流动路径可以串行布置方式布置，如图5所示。冷却空气入口481可将冷却空气15通过通道引导到多个子通路或通道483中，所述多个子通路或通道沿着叶片根部480弦向分别标记为483a、483b、483c、483d。考虑到叶片根部480上的有限量的可用表面积，串行布置可为有利的。其它(例如，并行)布置可限制冷却空气15进入冷却空气入口481的流动。
56.当空气15继续通过通道483和多弯曲热交换路径470时，冷却空气通路482的流动路径可从串行布置变成并行布置或串行—并行布置。结合图5到图9更详细地描述这些布置。基部442内的每个分部可以与对应于由表皮460界定的区域的横截面形状(参见图5)对准并且包括所述横截面形状。此外，冷却空气通路482可在冷却空气入口481与翼型件441之间在每个分部(例如，通道483)中保持相同的总横截面积(即，恒定流速和压力)。替代地，冷却空气通路482可改变个别通道483的横截面积，其中在特定应用中每个区段期望有不同的性能参数。
57.根据一个实施例，冷却空气通路482和多弯曲热交换路径470可以各自包括不对称分区以用于反映局部热力学流动性能要求。具体地，如所图示的，冷却涡轮叶片440可以具有由一个或多个串行或并行通道483划分的两个或更多个区段。
58.根据一个实施例，个别内翼梁冷却翅片467和后缘冷却翅片469还可包括局部热力学结构变化。具体地，内翼梁冷却翅片467和/或后缘冷却翅片469可在内翼梁462的不同位置处具有不同横截面/表面积和/或翅片间距。例如，冷却涡轮叶片440可以具有有利于更大导热率的局部“热点”，或者有利于降低气流阻力的低内部流动区域。在这种情况下，可以修改个别冷却翅片的形状、尺寸、定位、间距和分组。
59.根据一个实施例，内翼梁冷却翅片467和后缘冷却翅片469中的一个或多个可以是针形翅片或基座。针形翅片或基座可包括许多不同横截面区域，例如：圆形、椭圆形、跑道形、正方形、矩形、菱形横截面，仅仅列举几个。如上文所论述，针形翅片或基座可以布置为
交错阵列、线性阵列或不规则阵列。
60.在一些实施例中，冷却空气15可通过冷却空气入口481进入冷却空气通路482(例如，通道483)中，从而流入叶片根部480中。冷却空气通路482可以布置成沿着冷却涡轮叶片440弦向布置的具有不同几何形状的多个区段。不同的几何形状在图5、图6、图7和图8中示出。
61.多弯曲热交换路径470可以如下进行。冷却空气15可在冷却空气入口481处进入叶片根部480，从而通过通道483流动。通道483可以在叶片根部480处以串行布置(图5)开始。在一些实施例中，至少通道483b、483c可进入串行—并行过渡490(以虚线表示)，其将通道483b、483c从叶片根部480处的串行布置扭转并重新引导到并行布置。通道483b、483c可朝尖端445径向向外引导，且第一导向叶组500以虚线示出(图10)。第一导向叶组500可以朝基部442和以虚线示出的第二导向叶组550重新引导冷却空气15(图11)。第二导向叶组550可以朝尖端445重新引导冷却空气15，并且使通道483b、483c的并行流转变成前缘室463的单个串行通道。前缘室463可以将冷却空气15的至少一部分往回朝尖端445和以虚线示出的尖端扩散器600引导(图12)。尖端扩散器600可将冷却空气15从单个(例如，串行)前缘通道463扩散成以虚线示出的尖端标记冷却系统650(图13)内的两个并行尖端标记通道652(图8)。
62.图5是沿着图4的线5-5截取的冷却涡轮叶片的横截面。通道483可在靠近叶片根部480的冷却空气入口481处具有串行布置512。当冷却空气通路482接近平台443的水平时，通道483可以经由过渡布置514朝并行布置重新引导多弯曲热交换路径470内的冷却空气15。过渡布置514是结合图9描述的串行—并行过渡540的一部分。
63.图6是沿着图4的线6-6截取的冷却涡轮叶片的横截面。当冷却空气在过渡布置514中流过冷却空气通路482时，通道483b、483c将冷却空气15重新引导成并行布置516，其中冷却空气入口481a、481b在压力侧448与升力侧449之间并排。
64.图7是沿着图4的线7-7截取的冷却涡轮叶片的横截面。并行布置516提供由内翼梁462分隔的并排通道483b、483c，以例如朝尖端445在后缘区段522中径向向外通过通道传送冷却空气15。可以在靠近尖端445的第一导向叶组500(图10)中在冷却空气通路482内重新引导冷却空气15。接着，冷却空气15可在翼型件441内远离尖端445朝第二导向叶组550(图11)在前缘区段524内径向向内流动。第二导向叶组550可将冷却15朝尖端445径向向外重新引导到前缘室463中。如下文更详细地描述的，第二导向叶组550可包括并行—串行过渡，从而将通道483b、483c从两个并行通道重新引导到前缘室463内的单个通道。
65.图8是沿着图4的线8-8截取的冷却涡轮叶片的横截面。当冷却空气15在前缘室463内接近尖端445时，冷却空气15的至少一部分进入尖端扩散器600。尖端扩散器600包括串行—并行过渡，其将冷却空气15从前缘室463内的单个流动路径重新引导到尖端标记冷却系统650(图13)内的两个并行尖端标记通道652(标记为尖端标记通道652a和尖端标记通道652b)。
66.图9是图3的涡轮叶片的一部分的剖面透视图。如图4和图5中所示，冷却空气15可通过冷却空气入口481进入通道483中，从而进入叶片根部480。通道483可在冷却空气通路482的开始处具有串行布置512(图5)。“串行”布置可大体上沿着叶片根部480布置。例如，当冷却涡轮叶片安装在涡轮发动机中时，这也可以基本上与中心轴线95的前向方向和后向方向重合。串行布置512可以通过过渡布置514(图6)将冷却空气15逐渐重新引导到并行布置
516(图7)中，其中在从前缘446到后缘447观察时，通道483b、483c是并排的。在此图中重复了横截面线6-6和7-7，其示出了通道483的过渡布置514(图6)和并行布置516(图7)的近似位置。
67.串行—并行过渡490将冷却空气入口481处的冷却空气15的串行流扭转或重新引导成并行布置(例如，并行布置516)。在叶片根部480处给定空间约束条件，通道483串行设置在空气入口481附近。然而，串行—并行过渡490将通道扭转成翼型件441的主芯中的并行冷却流，并且提供比单个(串行)冷却路径更快速或更高效的热传递。因此，冷却空气在入口481处串行流动，扭转并重新引导冷却空气15以形成朝尖端445继续的并行流。在翼型件441内使用冷却空气的并行流的实施例的优点是减小压力损失并且提高叶片440的疲劳寿命。
68.图10是图3的涡轮叶片的一部分的剖面透视图。第一导向叶组500在图4中以虚线示出。所示的第一导向叶组500与通道483b相关。在该视图中仅示出了用于通道483b的第一导向叶组500，因为用于通道483c的第一导向叶组(例如，在升力侧449上)被遮盖。
69.第一导向叶组500可以具有第一导向叶502、第二导向叶504、第三导向叶506、第一转角叶508和第二转角叶510。第一导向叶502、第二导向叶504和第三导向叶506可以与上文结合图4描述的至少一个导向叶465相同或相似。另外，第一转角叶508和第二转角叶510可以与上文结合图4描述的一个或多个空气偏转器466相同或相似。
70.第一导向叶502和第二导向叶504可以具有跨越近似180度的半圆形形状。第三导向叶506可以跨越角度513。角度513可为近似120度。第一导向叶502、第二导向叶504和第三导向叶506中的每一个可以具有均匀或对称的曲率。在一些其它实施例中，第一导向叶502、第二导向叶504和第三导向叶506中的一个或多个可以具有不对称曲率。
71.第一导向叶502、第二导向叶504和第三导向叶506可以各自具有叶宽度515。在所示的实施例中，叶宽度515沿着第一导向叶502、第二导向叶504和第三导向叶506的整个曲率是均匀的宽度。在一些其它实施例中，第一导向叶502、第二导向叶504和第三导向叶506具有非均匀叶宽度515。第一导向叶502可以通过第一叶间距517与第二导向叶504分离或移位。第二导向叶504可以通过第二叶间距519与第三导向叶506分离。在一些实施例中，第一叶间距517和第二叶间距519可为叶宽度515的大约两倍(例如，2:1比率)。在一些实施例中，第一叶间距517可以不同于第二叶间距519。例如，第一叶间距517可以是叶宽度515的两倍，并且第二叶间距519可以是叶宽度515的两倍到三倍。在一些实施例中，间距—宽度比率也可以更高，例如，具有例如2:1、3:1或4:1间距—宽度比率。第一叶间距517和第二叶间距519不一定是相等的。第一叶间距517和第二叶间距519也可以是相同的或等同的。
72.第一转角叶508和第二转角叶510可以相对于导向叶间隔开近似90度。第一转角叶508和第二转角叶510还可以具有弦长与宽度比率为大约2:1到3:1比率的空气动力学形状。第一转角叶508和第二转角叶510具有被选择为最大化前拐角526和后拐角528中的冷却的尺寸和位置。
73.第一导向叶组500还可具有一个或多个湍流器430。湍流器430可形成为内翼梁462上的脊。湍流器430可定位在导向叶502、504、506之间的各个位置中。湍流器430可中断沿着内翼梁462的流动且防止形成可降低冷却空气15的冷却效果的边界层。第一导向叶组500可以在第一导向叶502下方具有一个或多个湍流器430湍流器。在图10中，在第一导向叶502下方示出了一个湍流器430。在第一导向叶502与第二导向叶504之间示出了三个湍流器。在一
些实施例中，更多湍流器430可以存在于第一导向叶502与第二导向叶504之间。在第二导向叶504与第三导向叶506之间示出了两个湍流器。然而，在一些实施例中，更多或更少的湍流器430可以存在于第二导向叶504与第三导向叶506之间。
74.选择导向叶502、504、506的大小、布置、形状以及其在叶之间的相应间隔或距离，以优化冷却空气15的冷却效果并增加冷却涡轮叶片440的疲劳寿命。冷却空气15可以最小的损失压力和平滑方式移动通过第一导向叶组500。
75.图11是图3的涡轮叶片的一部分的剖面透视图。冷却空气15在由内翼梁462分开的通道483b和通道483c两者中远离第一导向叶组500(例如，在图7的前缘区段524中)径向向内流动。然后，通道483b、483c两者中的冷却空气15朝第二导向叶组550径向向内引导。
76.前缘区段524中的两个通道483b、483c呈并行布置，从而朝叶片根部480径向向内流动。第二导向叶组550可具有至少一个导向叶552，其将冷却空气15重新引导到前缘室463中。因此，通道483b、483c的并行布置会聚到前缘室463中，作为朝尖端445径向向外流动的单个串行通道。
77.导向叶552可具有跨越近似180度的对称曲线。在一些实施例中，导向叶552可替代地具有不对称曲线。第二导向叶组550还可具有第二导向组壁554，其具有与导向叶552类似的曲率。然而，第二导向组壁554和导向叶552的曲率不必相同。导向叶552与第二导向组壁554之间的间距提供了冷却空气15的平滑路径。这可防止第二导向组壁554和其它相邻部件上的热点。
78.例如，导向叶552可与内翼梁462和前缘肋472分离或以其它方式脱离联接。内翼梁462还可具有提供与导向叶552的分离的切口558。例如，切口558和导向叶552与前缘肋472之间的分离可以防止热点并增加冷却涡轮叶片440的疲劳寿命。第二导向叶组550中的导向叶552的大小、数量、间距、形状和布置可变化，且不限于所展示的那个叶。可实现多个导向叶552。
79.图12是图3的涡轮叶片的一部分的剖面透视图。冷却空气15可以沿着多弯曲热交换路径470通过第二导向叶组550并且在前缘室463中径向向外流动。前缘室463可具有提供冷却空气15的流动路径的多个穿孔464。冷却空气15的一部分可以流过穿孔464并且沿冷却涡轮叶片440的前缘446流出冷却孔。
80.冷却空气15然后可以在串行流中从前缘室463流入尖端扩散器600。尖端扩散器600可以指图12中所描绘的靠近尖端445和前缘446的区域。尖端扩散器600可从前缘室463接收冷却空气15。尖端扩散器600可以引导冷却空气通过两个扩散器输出602，进入两个并行尖端标记通道652(分别标记为尖端标记通道652a、652b)。扩散器输出602可被称为第一扩散器输出602a和第二扩散器输出602b。类似地，尖端标记通道652可分别称作第一尖端标记通道652a和第二尖端标记通道652b，其各自联接到扩散器输出602中的相应一个。由于该图的方位，第二尖端标记通道652b不是完全可见的。
81.在一些实例中，冷却空气15的其它冷却机构和路径可能无法将前缘446处的冷却最大化。此外，冷却空气15向并行尖端标记通道的排放也能很低。这可导致压力损失，并且降低叶片440的疲劳寿命。
82.尖端扩散器600可用作位于前缘室463处的收集器。尖端扩散器600可具有扩散器箱660，其具有沿着平均中弧线474观察的u形横截面，其中“u形”的底部靠近尖端445设置。
该u形部分可最大程度地积聚来自前缘室463的冷却空气15。此冷却空气可重新引导到尖端标记冷却系统650的并行尖端标记通道652尖端。冷却空气15可具有来自两个源的径向流和轴向流，所述两个源在尖端扩散器600处结合。例如，轴向流可从前缘室463收集并且径向流可从通道483a收集，直接流过前缘。扩散器箱660的曲率提供冷却空气15的收集、向尖端标记通道652重新引导并行轴向流，以及在扩散器箱660的尖端边缘662处的尖端445的冲击冷却。同时，冷却空气15可以冷却尖端扩散器600周围的区域和通过扩散器输出602的流。
83.图13是图3的涡轮叶片的一部分的剖面透视图。冷却空气15可通过扩散器输出602离开尖端扩散器600进入尖端标记冷却系统650。尖端标记冷却系统650可具有两个并行尖端标记通道652。然而，由于方位，在这个视图中仅示出了尖端标记通道652a。尖端标记通道652b的特征与尖端标记通道652a相同。图8在尖端标记通道652的并行流动模式的尖端向下横截面中示出了第二尖端标记通道652b。
84.尖端标记通道652沿压力侧448和升力侧449从尖端扩散器600延伸并且在尖端扩散器后缘656处接合。尖端标记通道652a、652b在尖端扩散器后缘656处重新接合并且形成尖端标记输出通道658(也参见图8)。此布置随后形成如图8中所描绘的并行—串行流。通过尖端标记输出通道658的串行流可以经由冷却空气出口471将冷却空气15喷射到后缘447中。
85.尖端标记输出通道658可以在接近靠近后缘447的区域时减小拱弧宽度。在此意义上，拱弧宽度是从压力侧448到升力侧449的距离。尖端标记输出通道658也可以从尖端扩散器后缘656到后缘447增加高度。例如，尖端标记输出通道658可以在邻近尖端扩散器后缘656处具有高度664。尖端标记输出通道658可以在邻近后缘447处具有高度666。高度666可大于高度664。因此，随着尖端标记输出通道658从压力侧448到升力侧449变窄，且高度增加，通过尖端标记冷却系统650的冷却空气15的质量流可保持大体上恒定，除了穿透尖端标记冷却系统650的区域中的压力侧448的膜冷却孔(未示出)之外。膜冷却孔可允许一些冷却空气15通过压力侧448逸出，所述压力侧可扣除一些冷却空气15。
86.尖端冷却系统的设计包括并行—串行冷却路径。冷却空气的并行路径接合以形成扩张的串行流动路径。因此，存在扩张的后缘冷却路径。此模式的冷却路径提供了涡轮叶片的尖端的有效且高效的冷却。
87.工业适用性
88.本公开大体上适用于冷却涡轮叶片，以及具有冷却涡轮叶片的燃气涡轮发动机。所描述的实施例不限于与特定类型的燃气涡轮发动机结合使用，而是可应用于静止或动力燃气涡轮发动机，或其任何变型。燃气涡轮发动机及其部件可适用于多种工业应用，仅列举几个实例，诸如但不限于石油和天然气工业的各个方面(包括石油和天然气的传输、收集、储藏、抽出和起升)、发电工业、废热发电、航空航天和运输工业。
89.通常，当前公开的冷却涡轮叶片的实施例适用于燃气涡轮发动机的使用、组装、制造、操作、维护、维修和改进，并且可以用于提高性能和效率、减少维护和维修，和/或降低成本。此外，当前公开的冷却涡轮叶片的实施例可以适用于燃气涡轮发动机的寿命的任何阶段，从设计到样机和第一次制造，以及向前到寿命结束。因此，冷却涡轮叶片可以用于第一产品，作为对现有燃气涡轮发动机的改型或增强，作为预防性措施，或甚至响应于事件。尤其是当前公开的冷却涡轮叶片可以方便地包括与较早类型的冷却涡轮叶片可互换的相同
的接口。
90.如上文所论述，可铸造成形整个冷却涡轮叶片。根据一个实施例，冷却涡轮叶片440可以由熔模铸造工艺制成。例如，可以使用陶瓷芯或不固定图案来由不锈钢和/或超合金铸造整个冷却涡轮叶片440。因此，包括内翼梁适合于制造过程。值得注意的是，虽然为了简洁起见上文已将结构/特征描述为离散构件，但是作为单个铸件，结构/特征可以穿过内翼梁并且与内翼梁集成在一起。替代地，某些结构/特征(例如，表皮460)可添加到铸造芯，从而形成复合结构。
91.当前公开的冷却涡轮叶片的实施例提供了较低的压力冷却空气供应，这使得其更适合静止的燃气涡轮发动机应用。具体地，与蛇形构造相比，单个弯曲提供了较少的导向损失。此外，内翼梁和大量冷却翅片群在单次通过期间提供实质性热交换。另外，除在结构上支撑冷却翅片之外，内翼梁本身还可充当热交换器。最后，通过包括翼型件中的单弯曲热交换路径和基部中的冷却空气通路两者的细分区段，冷却涡轮叶片可以是可调的，以便对设计时，或经验发现的、生产后的局部热点或冷却需求作出响应。
92.所公开的多弯曲热交换路径470在基部442处开始，在所述基部处，加压冷却空气15被接收到翼型件441中。在大体径向方向上从冷却空气通路482和通道483接收冷却空气15。通道483串行地布置在叶片根部480处。当冷却空气进入基部442时，在邻近根部480的翼型件441的端部附近，通道483从串行布置重新引导成并行布置。当冷却空气15通过多弯曲热交换路径470并经过冷却翅片467时，并行布置提供该冷却空气的增强的冷却效果。
93.冷却空气15沿着并行通道483b、483c朝第一导向叶组500前进，其有效地将冷却空气往回朝基部442和第二导向叶组550重新引导。第二导向叶组550具有导向叶552，其在尖端445的方向上往回重新引导冷却空气15。导向叶552还包括并行—串行布置，其将通道483b、483c引导到前缘室463中。前缘室463承载冷却空气的朝尖端445的至少一部分，同时允许冷却空气的一部分通过穿孔464逸出，以对冷却涡轮叶片的前缘446进行冷却。
94.当冷却空气15在前缘室463内接近尖端445时，冷却空气的全部或部分可进入尖端扩散器600。尖端扩散器600接收来自前缘室463和通道483a或主体蛇形部(主体)的冷却空气15。当冷却空气15离开前缘室463并撞击在u形扩散器箱660上时，尖端扩散器600包括串行—并行流过渡。接着，冷却空气15可通过尖端标记通道由尖端壁461朝后缘447重新引导。
95.尖端标记通道562是利用增大的表面积来冷却翼型件441的内表面的并行流动通道。尖端标记冷却系统650还在尖端扩散器后缘656处实施并行—串行过渡。尖端标记冷却系统的输出沿着拱弧(例如，从压力侧448到升力侧449)变窄，同时沿后缘447增加高度(沿跨度测量的)。这可在冷却空气15在冷却空气出口471处离开尖端标记冷却系统时维持恒定质量流速和恒定压力。
96.多弯曲热交换路径470被构造成使得冷却空气15将在各种内部结构之间、沿着各种内部结构并在各种内部结构周围通过，但是从叶片根部480来回朝向和离开尖端445的侧视角观察时，大致以蛇形路径流动(例如，从概念上将拱形板视为平面)。因此，多弯曲热交换路径470可以包括与翼型件441的大致曲率相关联的一些可忽略的侧向行程(例如，进入和离开平面)。另外，如上文所论述，尽管为了简洁起见多弯曲热交换路径470由行进通过单个区段的单个代表性流动线示出，但是多弯曲热交换路径470包括携带冷却空气15通过翼型件441的整个流动路径。在实施第一导向叶组500、第二导向叶组550、尖端扩散器600和尖
端标记冷却系统650的情况下，多弯曲热交换路径470利用蛇形流动路径，其中最小流动损失另外与多个弯曲相关联。这提供了较低压力冷却空气供应。
97.在恶劣的环境中，可以选择某些超合金以抵抗特定腐蚀性攻击。然而，取决于超合金的热特性，较大冷却可能是有益的。在不增大冷却空气供应压力的情况下，所描述的制造冷却涡轮叶片的方法提供了越来越密集的冷却翅片阵列，因为翅片可具有减小的横截面。具体地，内翼梁将翅片距离减少了一半，从而允许有较薄末端，且因此有更密集的冷却翅片阵列。此外，较短的翅片挤出距离(即，从内翼梁到表皮，而不是从表皮到表皮)减小了在较长窄腔体中铸造的挑战。这也与形成内叶片芯互补，其中，使用内叶片图案作为较短挤出物。
98.尽管已关于本发明的详细实施例展示和描述了本发明，但所属领域的技术人员应理解，在不脱离所要求保护的发明的精神和范围的情况下，可进行形式和细节的各种改变。因此，前面的详细描述在本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明或本发明的应用和使用。具体地，所描述的实施例并不限于与特定类型的燃气涡轮发动机结合使用。例如，所描述的实施例可应用于静止或动力燃气涡轮发动机或其任何变型。此外，并没有意图受任何前面部分中呈现的任何理论的束缚。也要理解，图示可以包括放大的尺寸和图形表示，以更好地图示所示出的引用项，并且除非这样明确说明，否则不认为是限制性的。
99.尽管已关于本发明的详细实施例展示和描述了本发明，但所属领域的技术人员应理解，在不脱离所要求保护的发明的精神和范围的情况下，可进行形式和细节的各种改变。因此，前面的详细描述在本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明或本发明的应用和使用。具体地，所描述的实施例并不限于与特定类型的燃气涡轮发动机结合使用。例如，所描述的实施例可应用于静止或动力燃气涡轮发动机或其任何变型。此外，并没有意图受任何前面部分中呈现的任何理论的束缚。也要理解，图示可以包括放大的尺寸和图形表示，以更好地图示所示出的引用项，并且除非这样明确说明，否则不认为是限制性的。
100.要理解，上文描述的益处和优点可以与一个实施例有关，或者可以涉及若干实施例。实施例不限于解决所陈述的任何或全部问题的实施例，或具有所陈述的任何或全部益处和优点的实施例。
101.对“一”项目的任何提及是指这些项目中的一个或多个。术语“包括”在本文中用于表示包括所识别的方法框或元件，但是此类框或元件不包括排他性列表，且方法或设备可包含额外的框或元件。