[发明专利]包括尖端导轨冷却插入件的涡轮叶片尖端冷却系统

说明书

本发明题为“包括尖端导轨冷却插入件的涡轮叶片尖端冷却系统”。提供一种涡轮叶片尖端冷却系统(200)，该涡轮叶片尖端冷却系统包括涡轮叶片(115)，该涡轮叶片具有尖端腔体(155)、围绕尖端腔体(155)的至少一部分的尖端导轨(150)和至少一个内部冷却腔体。尖端导轨(150)具有内导轨表面(157)、外导轨表面(159)、端面(160，288)和至少一个尖端导轨口袋(270)，该至少一个尖端导轨口袋在端面(160，288)处打开并且流体地连接到承载冷却剂的至少一个内部冷却腔体。尖端导轨冷却插入件(280)附接到至少一个尖端导轨口袋(270)，并且具有一个或多个插入件冷却通道(180)和冷却剂收集充气室(284,384)，该冷却剂收集充气室用于将冷却剂从至少一个内部冷却腔体导向到一个或多个插入件冷却通道(180)。

技术领域

本公开整体涉及涡轮部件，并且更具体地涉及涡轮叶片尖端冷却系统，该涡轮叶片尖端冷却系统包括尖端导轨冷却插入件。

背景技术

在气体涡轮系统中，众所周知空气在压缩机中被加压并用于燃烧燃烧器中燃料以产生热燃烧气体的流动，从而此类气体向下游流过一个或多个涡轮机，以便能够从其中提取能量。根据这种涡轮，一般来讲，成排的环向间隔开的涡轮叶片从支撑转子轮盘径向向外延伸。每个叶片通常包括允许叶片在转子轮盘中的相应燕尾槽中的装配和拆卸的燕尾榫，以及从燕尾榫径向向外延伸的翼型件。

翼型件具有径向地延伸在对应的前缘和后缘之间以及径向地延伸在根部和尖端之间的大体凹形压力侧壁和大体凸形吸力侧壁。应当理解，叶片尖端与径向外部涡轮护罩间隔紧密，以使在涡轮叶片之间下游流动的燃烧气体的两者之间的渗漏最小化。通过使尖端间隙或空隙最小化以便防止渗漏来获得系统的最大效率，但该策略在一定程度上受到涡轮叶片和涡轮护罩之间的不同的热和机械膨胀和收缩速率以及避免在操作期间对护罩具有过度的尖端摩擦的不期望情形的动机的限制。

此外，由于涡轮叶片沐浴在热燃烧气体中，因此需要有效的冷却以确保有益的部件寿命。通常，叶片翼型件为中空的并且设置成与压缩机流体连通，使得从其中排出的经加压空气的一部分作为冷却剂被接收用于冷却翼型件。翼型件冷却是相当复杂的，并且可使用各种形式的内部冷却通道和特征结构，以及穿过翼型件的外导轨表面的冷却孔以用于排放冷却剂。然而，翼型件尖端尤其难以冷却，因为它们位于直接邻近涡轮护罩的位置，并且被流经尖端间隙的热燃烧气体加热。因此，输送到叶片的翼型件内部的空气的一部分通常通过尖端排出以便其冷却。

应当理解，常规的叶片尖端包括旨在防止渗漏并提高冷却效果的若干不同的几何形状和构型。然而，常规的叶片尖端均具有某些缺点，包括一般未能充分地减少渗漏和/或允许高效的尖端冷却，这使抢夺效率的压缩机旁通空气的使用降至最低。一种方法被称为“凹槽状尖端”布置方式，其提供可对尖端护罩摩擦的径向延伸的导轨。导轨减少了泄漏并因此提高涡轮发动机的效率。

然而，凹槽状尖端的导轨经受高热负荷并且难以有效地冷却，它常常是叶片中最热的区域之一。尖端导轨冲击冷却通过导轨顶部输送冷却剂，并且已被证明是轨道冷却的有效方法。然而，存在许多与通过导轨顶部排出冷却剂相关联的挑战。例如，利用这种布置方式（尤其是在压力侧壁上，其中存在连接到分别为导轨的顶部和压力侧壁的低压力区域和高压区域的孔）难以满足回流压力差要求。因此，在尖端通道中创建损失以反压冷却剂流动，同时充分冷却导轨是一个挑战，因为损失减少了该区域中使用的冷却剂的量。此外，出口孔必须表现出摩擦耐受性，而同时为导轨提供足够的冷却。例如，出口孔必须耐受尖端摩擦，但也必须足够大以使得灰尘无法将其堵塞。还期望在尖端磨损之后保持冷却，例如通过使暴露于补充的冷却通道。