[发明专利]用于燃气涡轮发动机的转子叶片和导叶翼型件

说明书

技术领域

本发明涉及具有销和肋且具有改进的热传递系数的流道的热传递特性的领域。

一种用于燃气涡轮发动机的转子叶片或导叶翼型件，燃气涡轮发动机具有纵向轴线和冷却流体源，翼型件具有压力壁、吸力壁、前缘、后缘和至少一个冷却流体流道，而冷却流体流道与冷却流体源处于流体连通，并且提供了用于至少将冷却流体引导到后缘的器件，其中，冷却流体流道包括：多个沿轴向延伸的壁，各个壁在压力壁和吸力壁之间沿侧向延伸，其中，多个壁在冷却流体流道内沿径向间隔开，使得相邻的壁对限定通道，其中，在相邻的壁之间的轴向间隔沿翼型件的径向方向包括销和肋结构。

背景技术

燃气涡轮领域一直试图通过将涡轮入口温度提高到超过涡轮翼型件导叶和叶片的熔化温度来提高热效率和功率输出。需要有效的冷却方案来保护燃气涡轮构件，以防失效。可采用许多冷却技术例如膜冷却、销翅片冷却和肋紊流冷却来保护翼型件，防止翼型件失效，同时延长耐用性。

根据EP 1 508 746 A1，热交换壁包括基板、分布在基板的表面上多个第一突起，以及分布在基板表面上的多个第二突起。第二突起的在基板的法向上的高度合乎需要地小于第一突起在法向方向上的高度的1/2。第二突起在法向方向上的高度合乎需要地介于第一突起在法向方向上的高度的1/20和1/4之间。更加合乎需要地，第二突起在法向方向上的高度为第一突起在法向方向上的高度的1/10。

根据文献ASME 2001-GT-0178，销翅片通常用于冷却涡轮的后缘区域，在这里，它们的纵横比(高度H/直径D)特别低。但是，在小涡轮导叶和叶片中，销翅片还可位于翼型件的中间区域中。在这个情况下，纵横比可非常大，通常获得大于4的值。在大气条件下对涡轮导叶和叶片的冷却设计进行的热传递测试可过度估计这样的长销翅片的销翅片流通道的热传递系数。长销翅片的翅片效率在其在大气条件下遇到的低热传递情况下是几乎一致的，但是在高热传递条件下且对于由低传导性材料制成的销翅片可显著更低。

参照ASME GT 2011-46078，销翅片阵列通常为成排的短圆柱形元件，这些元件大体在狭窄通道中布置成交错构造，冷却流体在阵列上经过。这看起来是有效的热传递增强方法，但是伴随着有压力损失。销翅片通常垂直地附连到例如燃气涡轮翼型件的狭窄冷却通道内部的两个端壁上。根据这个文献，图2示意性地显示从通道的顶部和侧部看到的销肋几何结构。各种图显示了安装有销翅片的顶端壁的俯视图。另一个图示出在测试区段中的交错的翅片销构造的侧视图。顶和底端壁是相同的，并且底端壁通过在顶端壁的下游改变节距来布置。

大体上，参照压力损失系数，要注意，热传递增强通常伴随着额外的压力损失的惩罚。从端壁突起的任何元件，即销翅片和肋，将阻碍流，从而在系统中产生曳力损失和压头损失。

发明内容

因此，权利要求中限定的本发明的目标在于，结合在通道中实现销与肋以冷却涡轮导叶和叶片后部部件来对现有技术提供改进。

有利的实施例提供在涡轮导叶或转子叶片的后部部件中需要的会聚通道。此外，依赖于运行用途，冷却通道的分段式本体可沿着通道成形有沿流向持续增加或减小的锥角。可设想到，形成流通道的结构的本体各自具有圆柱形初始部件。

销与肋连接，以便有更好的可铸造性，并且销直径适于通道高度。肋增强了在需要区域中的热传递系数，在那里中，销高度较大且冷却剂速率较小。

在通道高度和销直径变得更小处，销的翼展方向的节距被减小，获得需要的热传递系数，但是保持了交错的布置。为了保持规则的型式，较大的销的翼展方向的节距应当与下游的较小的销的节距相等或为其倍数。

肋高度(h)适于销高度，其中肋高度(h)适于销高度的某个百分比。底部处的肋宽度(w)适于铸造性要求，其中宽度应当大于高度的60%。

当肋的高度低时，肋的顶部分产生的紊流到达基板表面，以促进热交换。这个实施例在销具有低的热传导性的情况下是有效的。这个结果的原因是因为通道的基板可通过直接冷却基板的表面而非冷却低热传导性的销的侧面而更高效地冷却。当圆形销的直径小时，在冷却空气流的方向上的凸出区域减小，使得可减小压力损失。

肋的高度相对于销的高度受到限制，其中销延伸在通道的整个开口上。顶和底部端壁单独地包括肋结构，以及各个相邻销。

肋具有正方形或三角形或梯形横截面，其适于铸造性要求；此外，沿着在两个相邻销之间的肋的整个长度对前部面提供在冷却介质的流向上倾斜或渐缩的表面。因此，在这个情况下，倾斜或渐缩表面的流对应于一侧对齐的旋流发生器。