[發明專利]渦輪機翼型構件及其冷卻方法

有效

• 申請號: 201210012813.3
• 申請日: 2012-01-04
• 公開（公告）號: CN102536333A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: G·M·伊策爾;A·O·本森
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18;F01D9/02
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 朱鐵宏;楊楷

技術領域

本發明涉及在高溫下操作的構件，例如渦輪機的渦輪翼型構件。更具體而言，本發明涉及一種翼型構件，其配備有連接到能夠促進構件內的熱傳遞特性的一個或多個內部冷卻腔室上的一個或多個內部冷卻通道。

背景技術

渦輪機的構件如輪葉(葉片)、噴嘴(導葉)以及工業和飛行器燃氣渦輪發動機的其它熱氣體通路構件通常由鎳基、鈷基或鐵基超級合金形成，這些超級合金具有對于渦輪操作溫度和條件而言的期望機械性質和環境性質。由于渦輪機的效率取決于其操作溫度，故需要構件且特別是諸如渦輪輪葉和噴嘴的翼型構件能夠耐受日益更高的溫度。當超級合金構件的最大局部溫度接近超級合金的熔化溫度時，利用適合的流體特別是空氣的強制冷卻就變得需要。為此，燃氣渦輪輪葉和噴嘴的翼型件通常需要復雜的冷卻方案(scheme)，在其中冷卻流體，通常為壓縮機放出空氣，強制穿過翼型件內的內部冷卻通道，且然后經由翼型件表面處的冷卻孔排出以從構件傳遞熱。在冷卻流體流經冷卻通道時，在翼型件內通過將熱傳遞至冷卻流體而產生對流冷卻。在稱為沖擊冷卻的技術中，通過直接抵靠翼型件外壁的內表面引送冷卻流體的細小內部孔口可實現附加冷卻。冷卻孔還可構造成以便冷卻流體在構件表面上的特定位置處釋放到氣體通路中以提供在構件表面上流動的冷卻流體層，從而產生減少熱從熱氣體通路傳遞至構件的邊界層(膜)。

充分地降低翼型構件的表面溫度通常需要大量的冷卻流體。為了促進從翼型件至冷卻流體的熱傳遞效率，可能期望或需要在冷卻回路的內部表面中提供內部特征。這些特征包括肋條、湍流促進裝置、交叉孔、后緣槽口、蛇線通道等。還已提出的是包括金屬泡沫或類似的多孔可滲透材料以促進翼型構件內的熱傳遞。例如，美國公開專利申請No.2006/0021730,2007/0274854,2008/0250641，2009/0081048,2010/0239409和2010/0239412提出了使用金屬泡沫或類似的材料來填充翼型件的內部和/或冷卻孔，使得穿過泡沫的空氣流主要是單向的。

發明內容

本發明提供了一種適于在渦輪機的熱氣體通路中使用的流體冷卻式渦輪機翼型構件，以及促進構件內的熱傳遞特性的方法。

根據本發明的第一方面，翼型構件包括翼型部分，該翼型部分具有由根部和尖端(tip)界定的翼展方向、由前緣和后緣界定的翼弦方向，以及由在前緣與后緣之間延伸的壁所形成的凹入表面和凸出表面界定的厚度方向。翼型構件還具有位于翼型部分內的腔室、位于腔室內的多孔可滲透泡沫部件、適于將腔室流體地連接到冷卻流體源上的位于翼型部分內的第一通道，以及適于將腔室流體地連接到處于翼型部分表面處的第一冷卻孔上的位于翼型部分內的第二通道。根據本發明的優選方面，腔室相對于第一通道和第二通道定位以便自其沿翼弦方向偏離，使得經由第一通道進入翼型部分的冷卻流體進入腔室且在經由第一冷卻孔離開翼型部分之前通過泡沫部件沿翼弦方向轉移。

根據本發明的另一方面，通過在翼型部分內產生內部腔室來促進冷卻流體冷卻式渦輪機翼型構件的翼型部分，該內部腔室連接到冷卻流體源和定位在翼型部分表面處的冷卻孔上。腔室包含多孔可滲透泡沫部件，且渦輪機經操作使得冷卻流體進入腔室且在經由冷卻孔離開翼型部分之前通過泡沫部件沿翼型部分的翼弦方向轉移。

本發明的技術效果在于能夠通過使用泡沫材料來顯著地提高翼型構件的熱傳遞效率，其中，泡沫材料不但通過增大暴露于冷卻流體流的表面面積來促進在構件與穿過構件的冷卻流體流之間的熱傳遞，而且通過使用泡沫材料來重新引送構件內的冷卻流體流，例如朝向趨于在較高溫度下操作的翼型區來促進熱傳遞。

本發明的其它方面和優點將通過以下詳細說明而較好地認識到。

附圖說明

圖1為根據本發明實施例的具有包含泡沫部件的內部腔室的渦輪輪葉翼型部分的透視圖。

圖2代表位于圖1的翼型部分內的冷卻流體流型。

圖3至圖5示意性地表示根據本發明的附加實施例的具有填充泡沫的內部腔室的渦輪輪葉翼型部分的透視圖。

零件清單

10110?????部分

12112?????表面

14114?????表面

16116?????邊緣

18118?????邊緣

20120?????尖端

22122?????根部

24124?????通道

24A124????通道

24B124????通道