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CN1690364A - 涡轮叶片末端转弯部分的下侧上的湍流器及相关方法 - Google Patents

涡轮叶片末端转弯部分的下侧上的湍流器及相关方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种涡轮叶片(10)，该涡轮叶片(10)包括一轮轴部分(12)和一翼型部分(14)，所述翼型部分有着前缘和后缘(16、18)以及一径向上的外侧末端。一内部闭环冷却回路(20)形成在所述翼型部分中，并且包括通过至少一相应的末端转弯部分(40)连接的至少一径向流出通道(24)和至少一径向流入通道(26)，所述末端转弯部分位于翼型部分的径向上的外侧端处。所述至少一末端转弯部分在所述径向上的外侧末端的下侧上设置有伸入到所述末端转弯部分中的单个湍流增强装置(60)。

Description

涡轮叶片末端转弯部分的下侧上的湍流器及相关方法
技术领域
本发明一般地涉及涡轮叶片的冷却，具体而言，涉及闭合回路的蒸汽冷却式涡轮叶片中冷却通道的末端转弯部分下侧上的湍流增强机构。
背景技术
在闭合回路的蒸汽冷却式涡轮叶片中，对径向上的外侧末端区域的有效冷却对于这部分的寿命是至关重要的。一般的空气冷却式涡轮叶片中，可以从叶片中的孔喷射冷却液以在表面上形成相对较冷的膜而保护这部分，与这种空气冷却式涡轮叶片不同，蒸汽冷却式涡轮叶片中的所有冷却能力都必须来自机器的内部。由于蜿蜒回路中流的回转，在末端转弯部分(tip turn)处出现相对于板或者管道构造的热传递增强效应，并且该增强效应一般在正常工作条件下足以冷却叶片的末端区域。但是，在叶片末端的阻热涂层失效的情况下，希望在末端的内侧表面上具有增强的热传递，以将金属温度保持在合理的限度之下。
专利文献中对涡轮叶片的末端区域或末端转弯部分的冷却进行了讨论。例如，美国专利6,474,947描述了一种空气冷却式涡轮叶片，其采用了一种膜孔(film hole)构造来提高典型末端转弯部分的局部区域中的热传递。美国专利5,536,143具体涉及一种闭环蒸汽冷却式涡轮叶片的设计，并描述了在末端包括湍流增强特征的可能性。具体而言，该专利描述了使用多个圆角形或方形的凸起肋片来增强末端区域中的热传递。这种使用多个结构特征的缺点在于，由于多个肋片而增大了压力损失。
发明内容
本发明在闭环蒸汽冷却式涡轮叶片的末端区域中实现了热传递增强，以减小由阻热涂层缺失带来的风险，同时，使由于附加的湍流增强结构特征造成的额外压力损失最小化。根据一示例性实施例，邻近叶片在径向上的外侧端处的冷却剂流的末端转弯部分，在末端罩的下侧上设置了单个湍流器或者热传递增强装置。该结构在阻热涂层失效情况下改善了热保护，并且使经过转弯部分的压力损失最小化。
在一个示例性实施例中，单个湍流增强装置或湍流器是长形肋片形式的，该肋片被结合作为涡轮叶片的末端罩中的插塞的整体的一部分。由于内部铸造型芯撑的缘故，铸造工艺使得在涡轮叶片的末端中留有孔。这些孔以一定的方式被封闭，或者利用覆盖该末端的绝大部分或者全部的单个板，或者利用用于各个相应开口或孔的单独的插塞。因此，湍流增强装置不仅可以被结合作为一个整体插塞的一部分，也可以作为单体板的一部分，其中湍流器被设置在该板上以便位于邻近各个末端转弯部分之处。湍流器可以具有大致方形或者圆弧形的横截面，对经过转弯部分时的压降和热传递增强效应产生不同的影响。湍流器还可以与末端转弯部分成一定角度交叉，沿流的方向(象冷却翅片)，或者沿垂直于流的方向。或者，也可以使用在末端转弯部分中取向以实现所需效果的人字形肋片
因此，在一个方面，本发明涉及一涡轮叶片，其具有一轮轴部分和一翼型部分，所述翼型部分有着前缘和后缘以及一径向上的外侧末端；所述翼型部分中的一内部闭环冷却回路，其包括通过至少一相应的末端转弯部分连接的至少一径向流出通道和至少一径向流入通道，所述末端转弯部分位于邻近所述径向上的外侧末端的所述翼型部分的径向上的外侧端处，其中所述至少一末端转弯部分具有形成在所述径向上的外侧末端的下侧上的、伸入到所述末端转弯部分中的单个湍流增强装置。
在另一个方面，本发明涉及一涡轮叶片，其具有一轮轴部分和一翼型部分，所述翼型部分有着前缘和后缘以及一径向上的外侧末端；所述翼型部分中的一内部闭环冷却回路包括通过多个相应的末端转弯部分连接的多个径向流出通道和多个径向流入通道，所述末端转弯部分位于所述翼型部分的径向上的外侧端处，所述冷却回路在所述径向上的外侧末端中还包括多个型芯撑孔，每个孔利用一插塞封闭，所述插塞在其下侧上具有伸入相应的一个末端转弯部分中的至多一个长形的肋片。
在另一个方面，本发明涉及一涡轮叶片，其具有一轮轴部分和一翼型部分，所述翼型部分有着前缘和后缘以及一径向上的外侧末端；所述翼型部分中的一内部闭环冷却回路包括通过多个相应的末端转弯部分连接的多个径向流出通道和多个径向流入通道，所述末端转弯部分位于所述径向上的外侧末端处，所述冷却回路在所述径向上的外侧末端中还包括多个型芯撑孔，每个孔用一个覆盖多个型芯撑孔的板封闭，所述板的下侧上具有多个肋片，但是该板的下侧上的至多一个长形肋片伸入到相应的一个末端转弯部分中。
在另一个方面，本发明涉及在形成于气体涡轮叶片的翼型部分中的相应的闭环冷却回路中增强热传递的方法，该回路包括通过相应的末端转弯部分连接的多个径向流出通道和多个径向流入通道，所述末端转弯部分邻近其中具有型芯撑孔的一翼型末端，该方法包括a)用相应的插塞封闭所述型芯撑孔；以及b)在每个插塞的下侧上形成一个长形肋片，使得所述肋片伸入所述末端转弯部分中。
以下将结合下述附图具体描述本发明。
附图说明
图1是示出内部闭环冷却回路的涡轮叶片的透视图；
图2是根据一个示例性实施例，用来封闭叶片末端部分中的型芯撑孔(core support hole)的结合了一湍流器的插塞的下侧的透视图；
图3是沿图2中线3-3所取的横截面图。
具体实施方式
附图中各标号所指如下：涡轮叶片10，轮轴(shank)部分12，翼型部分14，前缘和后缘16、18，蜿蜒冷却回路20，入口22，通道24、26、28、30、32、34、36、38，U形弯头40、42、44、46，插塞48、50、52、54，围壁56，凸缘58，肋片湍流器60，凹入区62。
参照图1，其以简化形式示出了具有轮轴部分12和翼型部分14的涡轮叶片10。翼型部分14形成有相应的前缘和后缘16、18。闭环的蜿蜒冷却回路20形成在翼型部分内。冷却蒸汽经由入口22进入叶片10，流经单个封闭的蜿蜒回路18，其中回路18总共具有，例如，通过180°回转U形弯头40、42、44和46依次连接的八个径向延伸的通道24、26、28、30、32、34、36和38。从而，入口20与第一径向流出通道22连通，而最后的径向流入通道38与出口40连通。径向通道的总数量可以根据具体设计标准而变化。冷却蒸汽也可以通过40进入叶片，并沿与所示箭头相反的方向流动，在通路22处出去。此外，本发明并不限于单个蜿蜒回路。
末端转弯区域对应于位于冷却通道最外侧的径向端处的反转U形弯头40、42、44和46，插塞48、50、52和54被示出，封闭在铸造叶片过程中由于型芯撑而产生的涡轮叶片末端中的孔。根据一个示例性实施例，每个插塞在其下侧(即，伸入到末端转弯区域中的冷却回路中)结合一单个的湍流增强结构或装置。由于插塞及其各自的湍流增强结构基本上相同，所以只需对一个进行详细描述。
现在来看图2，插塞48具有围壁56，该围壁56在其径向内侧端具有凸缘58。该凸缘是插塞固位机构中的一部分，并且可以起到一定的热传递增强作用。该示例性实施例中的湍流增强机构或者装置是长形的肋片湍流器60形式的，该湍流器60一般具有方形或者圆弧形(rounded)横截面，在下凸缘58的范围之内延伸跨越在形成于插塞下侧上的凹入区62上。肋片湍流器60可以取向为垂直于末端处的流的方向，象在冷却翅片中那样平行于流的方向，或者与末端转弯部分交叉成一角度(例如，沿对角方向)。或者，肋片可以设置成人字形形式，以对通过该转弯部分时的热传递增强效应和压降产生其它影响。在目前优选的结构中，单个圆弧形的肋片被布置成垂直于流的方向。本发明并不限于“肋片”湍流器，而是涵盖所有等同的湍流增强装置。
在其它结构中，单个板(未示出)可以被用来封闭翼型部分末端的孔。在这种情况下，该板可以延伸在末端的绝大部分之上或者其全部之上，并且可以被形成具有多个湍流增强肋片，每个这种肋片被定位成伸入到内部的闭环冷却回路的一个相应的末端转弯部分中。
尽管已经结合目前被认为是最可行的优选实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明并不限于所公开的实施例，相反，本发明意图覆盖落入所附权利要求的精神和范围之内的各种变形和等同结构。

Claims (10)

1.一种涡轮叶片(10)，其具有一轮轴部分(12)和一翼型部分(14)，所述翼型部分有着前缘和后缘(16、18)以及一径向上的外侧末端；所述翼型部分中的一内部闭环冷却回路(20)，其包括通过至少一相应的末端转弯部分(40)连接的至少一径向流出通道(24)和至少一径向流入通道(26)，所述末端转弯部分位于邻近所述径向上的外侧末端的所述翼型部分的径向上的外侧端处，其中所述至少一末端转弯部分具有形成在所述径向上的外侧末端的下侧上的、伸入到所述末端转弯部分中的单个湍流增强装置(60)。
2.如权利要求1所述的涡轮叶片，其中，所述单个湍流增强装置(60)包括一肋片。
3.如权利要求1所述的涡轮叶片，其中，所述肋片(60)具有大致方形的横截面。
4.如权利要求2所述的涡轮叶片，其中，所述肋片(60)具有大致圆弧形的横截面。
5.如权利要求2所述的涡轮叶片，其中，所述肋片(60)在冷却蒸汽流经所述末端转弯部分的方向上延伸。
6.如权利要求2所述的涡轮叶片，其中，所述肋片(60)在垂直于冷却蒸汽流经所述末端转弯部分的方向上延伸。
7.如权利要求2所述的涡轮叶片，其中，所述肋片(60)在冷却蒸汽流经所述末端转弯部分的方向的对角方向上延伸。
8.如权利要求2所述的涡轮叶片，其中，所述肋片(60)大致是人字形的。
9.如权利要求1所述的涡轮叶片，其中，在所述径向上的外侧末端中还包括多个型芯撑孔，每个所述孔被一插塞(48)所封闭。
10.一种增强相应的形成在一气体涡轮叶片中翼型部分(14)中的闭环冷却回路(20)中的热传递的方法，所述回路包括通过相应的末端转弯部分(40、42)连接的多个径向流出通道(24、28)和多个径向流入通道(26、30)，所述末端转弯部分邻近其中有着型芯撑孔的一翼型末端，所述方法包括：
a)用相应的插塞(48、50)封闭所述型芯撑孔；和
b)在每个所述插塞的下侧上形成一个长形的肋片(60)，使得所述肋片伸入所述末端转弯部分中。
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