[发明专利]涡轮叶片叶冠

说明书

技术领域

本发明涉及用于涡轮机的叶片，例如航空发动机、燃气涡轮机、 蒸汽涡轮机等。更具体地，本发明涉及空腔叶冠和通过使用穿过空腔 的循环冷却剂对涡轮叶片叶冠的冷却。作为非限制性示例，本发明及 其背景技术通过关于燃气涡轮机而进行描述。

背景技术

工业燃气涡轮机和航空发动机的涡轮叶片在极端温度环境下运 行。与此环境相关的热应力和金属温度可降低涡轮叶片的有效使用寿 命。在运行期间对涡轮叶片及其部件进行冷却，可延长它们的有效使 用寿命。

许多涡轮叶片包括翼型件(airfoil)和连接到翼型件末端的叶冠。连 接到翼型件外边缘的叶冠提供大体上垂直于翼型件表面延伸的表面 区域。叶冠的表面区域有助于将涡轮排气保持在翼型件上(即不允许排 气滑过翼型件叶片的末端)，使得来自涡轮排气更大百分比的能量可通 过涡轮叶片转换成机械能。因而，叶冠改善了燃气涡轮发动机的性能。 此外，需要由叶冠覆盖翼型件的整个外表面。然而，由于通过涡轮转 速所施加的机械力，叶冠和叶冠到翼型件的连接在运行期间变得高度 受压。当这些机械应力与涡轮机的极高温度环境相关的热应力以及金 属温度结合时，就成为设计能在翼型件整个使用寿命期间执行预定功 能的叶冠的一种挑战。

解决此问题的两种可能的方法为：1)通过降低叶冠的重量来减轻 施加在叶冠上的机械应力；或2)降低叶冠所经受的金属温度。关于第 一种方法，用来降低叶冠重量的一种通用方法是使外伸的叶冠“成扇 形”(scallop)(即移除凹槽或一部分)。叶冠材料的减少导致运行期间施 加在叶冠和翼型件之间形成的连接上的载荷减少。然而，通过成扇形 减少叶冠的表面积的代价是：其降低了涡轮发动机的性能，因为具有 较少表面积的叶冠具有较低的将涡轮机排气保持在涡轮机翼型件上 的能力(即更多的排气滑过翼型件的顶部，该翼型件具有减少的表面积 的叶冠)。关于第二种备选方法，通过降低燃气涡轮机的运行温度而降 低叶冠所经受的金属温度也是不理想的解决办法。作为本领域的技术 人员将会理解，涡轮机运行温度的降低导致涡轮机效率的降低。然而， 在运行期间通过冷却来降低叶冠所经受的金属温度可延长部件的使 用寿命。

因而，需要用于冷却涡轮叶片叶冠的改进的系统，使得与高温涡 轮环境相关的金属温度降低。然后，金属温度的降低将允许部件更好 地经受住与具有更大表面积的叶冠(即未成扇形的叶冠)相关的增加的 机械应力。这样的系统将允许没有扇形或具有最小扇形的叶冠在涡轮 机的高温环境里更好地运行成为可能。而且，如果这样的系统能冷却 叶冠并同时减少叶冠的重量，则可进一步实现效率的改进。

发明内容

因而，本发明申请描述了一种涡轮叶片，该涡轮叶片包括叶冠、 形成在该叶冠内的一个或多个冷却腔、以及形成在该至少一个冷却腔 内的至少一个肋，其中，肋的尺寸设置并定向成使得该肋部分地延伸 通过横跨该冷却腔的距离。在一些实施例中，肋的尺寸可设置并定向 成使得该肋延伸通过横跨该冷却腔的距离的至少大部分。该横跨该冷 却腔的距离的大部分包括横跨该冷却腔的距离的至少75％。

在一些实施例中，第一内壁通常可与该冷却腔对面的第二内壁相 对；该至少一个肋可包括多个肋；肋可配置成使得其中一些肋在冷却 腔的第一内壁处开始并向该冷却腔的第二内壁延伸，并且其中一些肋 在冷却腔的第二内壁处开始并向该冷却腔的第一内壁延伸。在冷却腔 的第一内壁处开始的肋可定向成且尺寸设置成使得至少一些肋延伸 通过横跨该冷却腔的距离的至少大部分；并且在冷却腔的第二内壁处 开始的肋可定向成且尺寸设置成使得至少一些肋延伸通过横跨该冷 却腔的距离的至少大部分。

在一些实施例中，在冷却腔的第一内壁处开始的肋和该第二内壁 可限定第一间隙；在冷却腔的第二内壁处开始的肋和该第一内壁可限 定第二间隙；并且该第一间隙和该第二间隙各包括横跨至少约为0.10 英寸至0.25英寸的距离。在一些实施例中，在冷却腔的第一内壁处开 始的肋和该第二内壁可限定第一间隙；在冷却腔的第二内壁处开始的 肋和该第一内壁可限定第二间隙；并且该第一间隙和该第二间隙可各 包括横跨至少约为0.10英寸的距离。