用于燃气涡轮发动机的涡轮机叶片及燃气涡轮发动机的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型总体涉及燃气涡轮发动机，具体而言，涉及冷却式涡轮机叶片。
【背景技术】
[0002]高性能燃气涡轮发动机通常依赖于升高涡轮机入口温度来提高燃料经济性和总额定功率。这些较高的温度如果得不到补偿，会使发动机部件氧化并缩短部件寿命。有多种技术可以延长部件寿命，这些技术包括用从发动机压缩机部分排出的空气进行内部冷却。然而，排气会导致效率损失。此外，与移动式燃气涡轮发动机相比，固定式燃气涡轮发动机通常具有较少的可用压缩空气。
[0003]2009年10月13日颁发给Tibbott等人的第7，600，973号美国专利示出一种燃气涡轮机叶片。所述燃气涡轮机叶片具有翼面，该翼面具有根部、从根部径向向外定位的顶部以及在根部和顶部之间延伸的前缘和后缘。具体而言，护罩从翼面的顶部横向延伸，且翼面限定在根部和顶部之间延伸的内部冷却通道。翼面包括与后缘相邻的壁构件和从壁构件延伸到护罩以支撑护罩的支撑结构。支撑结构允许冷却空气从冷却通道流到在紧邻翼面顶部的区域处的后缘。可选地，翼面还包括流扰乱布置。
[0004]本实用新型涉及克服发明人发现的一个或多个问题。
【发明内容】
[0005]本实用新型在一个方面提出了一种用于燃气涡轮发动机的涡轮机叶片，所述涡轮机叶片包括基座、翼面、前缘肋、内翼梁和前缘空气偏导器；所述翼面包括从基座延伸并形成第一前缘、第一后缘、压力侧以及隆起侧的外壳，所述翼面具有远离所述基座的顶端；所述前缘肋从所述外壳的压力侧延伸到所述外壳的隆起侧，所述前缘肋从所述基座延伸并在到达顶端之前终止，所述前缘肋与所述外壳的第一前缘结合形成前缘腔室；所述内翼梁在所述基座和所述顶端之间延伸，所述内翼梁位于所述外壳的压力侧和所述外壳的隆起侧之间，且从所述前缘肋朝向所述第一后缘延伸；所述前缘空气偏导器从所述外壳的压力侧延伸到所述外壳的隆起侧，并具有第二前缘、第二后缘、转向侧以及扩散侧，所述前缘空气偏导器至少部分位于所述前缘肋和所述顶端之间，所述前缘空气偏导器定位成在所述前缘空气偏导器与所述前缘肋之间有内间隙且在所述前缘空气偏导器与所述翼面的外壳和顶端之间有外间隙。
[0006]其中，所述外间隙在所述第二后缘处的宽度大于在所述第二前缘处的宽度。
[0007]优选的，所述外间隙在所述第二后缘处的宽度比在所述第二前缘处的宽度大至少I到4.5倍。
[0008]进一步的，所述前缘空气偏导器的转向侧形成凹曲线，扩散侧形成凸曲线；所述前缘空气偏导器被配置成使冷却空气沿转向侧转向80到100度；其中，所述前缘空气偏导器的扩散侧被平滑地构形，使得与所述前缘空气偏导器的第二前缘和第二后缘之间的扩散侧的分离损失相关联的压降不超过2% ;且所述前缘空气偏导器还被配置成使得沿转向侧流过的冷却空气与沿扩散侧流过的冷却空气在第二后缘的下游再结合。
[0009]优选的，所述前缘空气偏导器的最大空气动力厚度是所述翼面的外壳厚度的1.0到2.0倍。
[0010]其中，所述第二前缘具有前缘半径；所述前缘空气偏导器具有最大空气动力厚度；且所述最大空气动力厚度是所述前缘半径的1.2到1.4倍。所述第二后缘具有后缘半径，所述最大空气动力厚度是所述后缘半径的1.6到1.9倍。
[0011]所述涡轮机叶片还进一步包括单弯热交换路径、多个第一内翼梁散热片和多个第二内翼梁散热片；所述单弯热交换路径形成于所述翼面内，所述单弯热交换路径与所述基座中的至少一个冷却空气通道连接并起始于所述至少一个冷却空气通道，且终止于冷却空气出口，所述单弯热交换路径被配置成将冷却空气从在所述基座中的所述至少一个冷却空气通道相对于中弧线主要为径向向外的方向重定向为在冷却空气出口处主要为朝后的方向；所述多个第一内翼梁散热片从所述内翼梁延伸到所述翼面的隆起侧上的外壳，其中所述多个第一内翼梁散热片从所述内翼梁以每平方英寸至少80个散热片的密度延伸；所述多个第二内翼梁散热片从所述内翼梁延伸到所述翼面的压力侧上的外壳，其中所述多个第二内翼梁散热片从所述内翼梁以每平方英寸至少80个散热片的密度延伸；其中，所述单弯热交换路径被配置为将冷却空气重定向成使得所述冷却空气在单个转弯中被重定向；所述单弯热交换路径的至少一部分被所述内翼梁细分。
[0012]或者，所述涡轮机叶片进一步包括至少一个冷却空气通道、单弯热交换路径、多个第一内翼梁散热片和多个第二内翼梁散热片；所述至少一个冷却空气通道形成于所述基座中；所述单弯热交换路径形成于所述翼面内，所述单弯热交换路径与所述基座中的至少一个冷却空气通道连接并起始于所述至少一个冷却空气通道，且终止于所述第一后缘，所述单弯热交换路径被配置成将冷却空气从在所述基座中的至少一个冷却空气通道重定向为朝向所述第一后缘；所述多个第一内翼梁散热片从所述内翼梁延伸到所述翼面的隆起侧上的外壳，其中所述多个第一内翼梁散热片从所述内翼梁以每平方英寸至少80个散热片的密度延伸；所述多个第二内翼梁散热片，其从所述内翼梁延伸到所述翼面的压力侧上的外壳，其中所述多个第二内翼梁散热片从所述内翼梁以每平方英寸至少80个散热片的密度延伸；其中，所述单弯热交换路径被配置为将冷却空气重定向成使得所述冷却空气在单个转弯中被重定向；且所述单弯热交换路径的至少一部分被所述内翼梁细分。
[0013]本实用新型在另一个方面提出了一种燃气涡轮发动机，包括具有涡轮机转子组件的涡轮机，所述涡轮机转子组件多个涡轮机叶片，所述涡轮机叶片包括基座、翼面、前缘肋、内翼梁和前缘空气偏导器；所述翼面包括从基座延伸并形成第一前缘、第一后缘、压力侧以及隆起侧的外壳，所述翼面具有远离所述基座的顶端；所述前缘肋从所述外壳的压力侧延伸到所述外壳的隆起侧，所述前缘肋从所述基座延伸并在到达顶端之前终止，所述前缘肋与所述外壳的第一前缘结合形成前缘腔室；所述内翼梁在所述基座和所述顶端之间延伸，所述内翼梁位于所述外壳的压力侧和所述外壳的隆起侧之间，且从所述前缘肋朝向所述第一后缘延伸；所述前缘空气偏导器从所述外壳的压力侧延伸到所述外壳的隆起侧，并具有第二前缘、第二后缘、转向侧以及扩散侧，所述前缘空气偏导器至少部分位于所述前缘肋和所述顶端之间，所述前缘空气偏导器定位成在所述前缘空气偏导器与所述前缘肋之间有内间隙且在所述前缘空气偏导器与所述翼面的外壳和顶端之间有外间隙。
【附图说明】
[0014]图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图；
[0015]图2是示例性涡轮机转子组件的轴向视图；
[0016]图3是图2中的一个涡轮机叶片的等距视图；
[0017]图4是图3的涡轮机叶片的剖切侧视图；
[0018]图5是沿图4的虚线5-5所示平面截取的涡轮机叶片的俯视剖视图；
[0019]图6是图3的涡轮机叶片的一部分的剖切等距视图；
[0020]图7是图3的涡轮机叶片的一部分的剖切等距视图。
【具体实施方式】
[0021]图1是示范性燃气涡轮发动机的示意图。为了清楚和便于说明，部分表面被省略或放大(在此图中和在其它附图中)。另外，本公开可能引用前向和后向。一般而言，除非另有说明，否则“向前”和“向后”的所有引用都与初级空气(即，在燃烧过程中使用的空气)的流动方向相关联。例如，向前是相对于初级空气的气流的“上游”，而向后是相对于初级空气的气流的“下游”。
[0022]此外，本公开所引用的燃气涡轮发动机的旋转的中心轴线95，其一般可通过其轴120 (由多个轴承组件150支撑)的纵向轴线来限定。中心轴线95可与各种其它发动机同心部件共用或共享。除非另有说明，否则径向、轴向、周向和量度的所有引用都是相对中心轴线95而言的，而诸如“内”和“外”之类的术语一般表示较小或较大的径向距离，其中，径向96可以是与中心轴线95垂直并从中心轴线95向外辐射的任何方向。
[0023]在结构上，燃气涡轮发动机100包括入口 110、气体发生器或“压缩机”200、燃烧器300、涡轮机400、排气装置500以及功率输出耦合装置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机转子组件420。排气装置500包括排气扩散器520和排气收集器550。
[0024]如图所示，压缩机转子组件220和涡轮机转子组件420是轴流转子组件，其中，每个转子组件包括周向装有多个翼面(“转子叶片”)的转子盘。在安装时，与一个转子盘相关联的转子叶片和与相邻的盘相关联的转子叶片被沿周向分布在环形壳体中的固定的叶片(“定子叶片”或“定子”)250,450轴向隔开。
[0025]在功能上，气体(通常是空气10)进入入口 110作为“工作流体”，且被压缩机200压缩。在压缩机200中，工作流体由一系列压缩机转子组件220在环形流路115中被压缩。具体而言，空气10在不同编号级的压缩机转子组件中被压缩，所述级与每个压缩机转子组件220相关联。例如，“第4级空气”可与在下游或“后”向的第四个压缩机转子组件220相关联(从入口 110朝向排气装置500)。同样地，每一个涡轮机转子组件420可以与编号级相关联。例如，第一级涡轮机转子组件421在涡轮机转子组件420的最前方。然而，也可使用其他惯用的编号或者命名方式。
[0026]压缩空气10 —旦离开压缩机200，就进入到燃烧器300，在其中扩散且燃料20被加入其中。空气10和燃料20经由喷射器350注入到燃烧室390中并点燃。燃烧反应后，能量由一系列涡轮机转子组件420的每一级经由涡轮机400从燃烧的燃料/空气混合物中提取出来。然后，排气90可在排气扩散器520中扩散并经由排气收集器550被收集、重定向并离开系统。排气90还可进一步被处理(例如，以减少有害排放，和/或回收排气90中的热)。
[0027]上述部件(或其子部件)中的一者或多者可由不锈钢和/或被称为“超合金”的耐用的高温材料制成。超合金或高性能合金是一种展现出优秀的高温机械强度和蠕变强度、良好表面稳定性以及耐腐蚀性和抗氧化性的合金。超合金可包括哈氏合金、铬镍铁合金、镍基高温合金、RENE合金、钴铬钨合金、耐热镍铬铁合金、MP98T、TMS合金以及CMSX单晶合金之类的材料。
[0028]图2是示例性涡轮机转子组件的轴向视图。具体而言，在图1中示意性示出的第一级涡轮机转子组件421在此图中更详细地示出，但与燃气涡轮发动机100的其余部分分离。第一级涡轮机转子组件421包括涡轮机转子盘430，涡轮机转子盘430周向装有配置成接收冷却空气的多个涡轮机叶片(“冷却式涡轮机叶片”440)和多个阻尼器426。在此图中，为了说明的目的，涡轮机转子盘430被示为除了三个冷却式涡轮机叶片440和三个阻尼器426，其余部分全部移走。
[0029]每个冷却式涡轮机叶片440可包括基座442，基座442包括平台443和叶片根部480。例如，叶片根部480可包含“枞树形”、“灯泡形”或“鸽尾形”根部，仅列出几个例子。相应地，涡轮机转子盘430可包括多个配置成接收并保持每个冷却式涡轮机叶片44