专利名称：燃气透平叶片内的紊流冷却通道的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及燃气透平，尤其涉及其内部具有冷却通道以便和其进行有效的热交换与冷却的透平叶片。
通常，在透平转子的叶片内设置内冷却通道，并且业已认识到，透平转子的各个级需要或多或少的冷却，取决于该级在透平中的具体位置。在各转子级中，第一级透平叶片通常需要最大程度的冷却，因为这些透平叶片直接暴露于来自燃烧室的热燃气流内。此外还认识到横跨每一透平叶片的温度分布，沿叶片的中部，即处于临界区或中径区，达到峰值温度，并且靠近叶根和叶尖部的温度略低于该中间部位的温度。
一般情况下，在透平叶片内设有若干冷却通道，自叶根部向叶尖部延伸。来自压气机的一个级的冷却空气按传统的方法供给这些通道，以冷却该叶片。某些透平叶片结构在其整个通道长度上采用紊流激发器来增强叶片金属与流经该通道的冷却空气流之间的传热机制。在叶片金属和冷却空气之间的传热系数的提高是由于沿内通道空气流动的边界层遭受破坏所致，因而减少了由边界层厚度引起的传热阻力。因此，紊流激发器使冷却空气流自叶片内壁上分离，使其产生紊流，因而将进来的冷却空气和近壁的空气混合，以改善传热关系。简言之，通常跟透平叶片内的光孔通道相联系的层流被转换成紊流，以增强传热。
然而，采用紊流激发器所引起的一个问题是，传热的增强伴随着流动阻力的增加，因而提高了冷却通道中的摩擦压力降。当然，压力降的提高意味着能量变换成摩擦损失，这又降低了机器的效率。由于紊流激发器沿冷却通道整个长度延伸，导致了摩擦损失，并导致叶片冷却那些无须冷却的区域，或者冷却无须包含紊流激发器的范围。由于沿自叶根至叶尖的透平叶片长度的局部冷却需要取决于该局部外界燃气温度和传热效率，沿叶片冷却通道整个长度采用紊流激发器，在透平的需要部位和不需要部位都引起了传热增强。这引起了不必要的和大的压降。
此外，在透平叶片内冷却通道内制出紊流激发器是一件昂贵而费时的工作。为制出透平叶片内的通道而采用的一种方法是公知的电化学加工(ECM)。在该方法中，首先铸造透平叶片，然后利用一根细长的电极自叶尖至叶根钻孔，该电极有一中央通道，以便化学电解液流动。当电极通电、电极尖端作用于叶尖时，电极去除金属，穿透叶尖，从而形成通道。借助于改变去通道中的停留时间，可以按需要去除更多的或较少的金属量。
按照本发明，透平叶片的冷却通道，在沿自叶根至叶根的叶型长度的优选区域，取决于沿叶片的局部冷却需要，设有紊流激发器。由于透平叶片的温度分布是这样的，在叶根和叶尖部之间的中间区域是叶片的最热部位(叶尖和叶根部温度稍低)，因此，紊流激发器最好配置于透平叶片的这一中间区域，同时，经叶片根部和顶部的这些通道基本上保持光滑孔。业已发现，按照本发明，在叶片的最热部位增强紊流，便提高了传热系数，足以使该区内的叶片材料保持在其熔化温度以下。此外，发现在叶根和叶尖部内的冷却流体流，如空气，足以将该区域内的叶片冷却至所需的温度，而不会招致因该区域内激起紊流而引起额外压降的损失。因此，叶片中间部位的长度和紊流区的几何形状是根据沿叶片长度为将金属壁温保持在设计范围内所需的局部冷却要求而选定的。
在本发明的优先实施例中，提供了一种透平叶片，它包括一叶片本体，其横截面形状如普通翼型，叶根部和叶尖部靠近相反两端，处于叶根部和叶尖部之间的是中间部分。在叶片本体内，有若干冷却通道，经叶根部、叶尖部和中间延伸，以便沿叶片本体引入与其有传热关系的冷却流体。至少冷却通道中的一条具有一连串沿中间部位形成的紊流激发器，以产生一般经中间部位的冷却流体紊流，从而增强叶片本体和流经该通道的冷却流体之间的传热。在一个通道内的这些部分穿过叶根部和叶尖部，在叶根和叶尖部具有光滑的孔，以便沿一个通道的这些叶根和和叶尖部分形成基本上无紊流的冷却流体流。
在本发明的另一个优先实施例中没有这样一种透平转子叶片，它具有一般翼型形状的横截面，其叶根和叶尖部靠近相反两侧，中间部处于叶根和叶尖之间。在叶片本体内，若干冷却通道经叶根和叶尖部以及中间部延伸，以便沿着和其成传热关系的叶片本体引入冷却流体，至少冷却通道中的一个具有一连串沿其中间部形成的紊流激发器，以便产生一股经该中间部的流体紊流，从而增强叶片本体跟流经该通道的冷却流体之间的传热。紊流激发器仅沿该中间区形成，自叶根端起叶片长度的大约20%处开始，结束于自叶尖端起叶片长度的大约20%处。
在本发明的另一个优先实施例中，提供一种借助于电化学加工工艺在透平叶片内形成冷却通道的方法，它采用一细长的电极来穿透叶片金属。该方法包括如下步骤(a)将该电极施加于叶片的一端使其穿透该叶片端以形成具有较光滑孔的第一冷却通道;(b)接着依次减慢和增加电极在叶片内的穿透速率，藉此依次改变电极端头去叶片内的停留时间，因而沿叶片长度在顺序位置上形成依次较大和较小直径的孔;(c)去步骤(b)后，按大致不变的穿透速率进给电极，以便在靠近透平叶片的两及两端形成一个较光滑的冷却通道孔部。
本发明的主要目的是提供这样一种透平叶片，它具有优选位置的紊流激发器，用于在使用中承受最高温度的叶片区增强其传热，从而减少由于冷却需要两引起的压力损失和提高效率。本发明的另一目的的是提供一种在透平叶片内形成冷却通道的改进方法。
在参照下列说明书，附加权利要求书和附图时，本发明的这些和其它的目的与优点便会变得明显。
图1是经燃气透平一部分的破碎横剖视图，表示一燃烧室和第一与第二喷嘴及透平各级;
图2是透平叶片放大的侧视图，表示本发明的穿过叶叶的冷却通道;
图3是图2中所示的透平叶片的侧视图，从顶部沿该叶片径向向内看;
图4是一放大的破碎横剖视图，表示带条流区段和光滑孔区段的一对冷却通道，紊流区段和光滑孔区段分别相应于叶片的中间区和叶根与叶尖部。
现在详细参照本发明的优先实施例，该实施例的一个例子表示在附图中。
现在参照图1，其中表示一台燃气透平，总的以10标注，具有一燃烧室12，用于提供灼热的流经透平级的燃烧气体。该透平级包括各自的第一和第二喷嘴级14和16以及各自的第一和第二透平级18和20。除以后说明外，该透平为普通的结构，其中压气机排出空气被输至转子叶轮的周围，并经适当的进口流过透平叶片内的冷却通道。
现在参照图2，其中表示一个安装于台柱24上的透平叶片，并具有若干冷却通道26，在叶片的整个长度上包括自根部分28经中间部30和叶尖部32，穿过叶片。冷却通道26，自跟压气机排出空气连通的进口，引进冷却流体，例如空气，流经其整个长度，为的是冷却叶片22的材料，例如金属材料。为了便于说明，叶片22的中间区30被限定义在于线S-S之间。这些标线接近叶片的临界或中径部。随着这些燃气流经透平各级，该部承受灼热燃烧气体时，该部达到最高的温度。当然，这些标线并不代表引人注目的或阶跃的温度变化。相反地，它们勾划了在较热的中间部跟较冷的叶根与叶尖部之间平缓的温度变化的区域。这就是说，沿叶片长度的温度变化近似于一平缓的半正统波，而不是急变的温度梯度。
参照图4，可以看到通道26具有分别穿过叶根和叶尖部的比较光滑的孔36和40，而其中间区30有一连串轴向间隔的凹槽，凹槽之间凸缘。这就是说，沿中间区30通道26的壁部被设计成能产生紊流，它是借助于中间区30内的紊流激发器结构来实现的。紊流激发器42包括环形凹槽，而激发器44包括在凹槽42之间的环形凸缘。因为这种结构的缘故，对流冷空气的基本上层流的结构首先流过靠近叶根部28的通道26的光滑孔部分。在一般运转工况下，由于叶根部的金属较叶片中间部的金属为冷，冷却液体的层流具有充分的传热率来足以将该叶片部分冷却到设计范围。同样地，经过靠近叶尖部32的通道26的光滑孔部分38的冷却空气形成一般层流，跟叶片金属保持充分的传热关系，使叶尖部的温度保持在设计范围内。相应叶片最热部位的中间区30有一般通常的紊流冷却流通道，这股紊流由交替的凹槽42和凸缘44造成的。这股紊流破坏了沿通道壁的冷却空气边界层，并减少了在冷却空气根叶片金属之间进行有效热交换的阻力。结果，叶片的对流冷却通道按照沿叶片各区中的金属预期温度得到了优先冷却。
此外，透平叶片的前缘，特别是沿其中间区，沿着顺燃气流轴向的叶片表面，包括最热的区域。为对该区域提供更有效的冷却，靠近叶片前缘的最前部或前缘的冷却通道50其直径比处于靠近叶片后缘的冷却通道的大。这样，大量的冷却空气配置在前沿空气通道50内，以增强冷却空气和靠近前缘的金属之间的热交换。当然，前缘通道的具有紊流的中间区沿直径方面的横截面同样扩大了，从而，在该区内的紊流和加大的横截面积的综合效果提高了叶片最热部位的冷却效果。
为在中间区形成通道，采用了电化学加工工艺。在该工艺中方法，具有输送化学电解液的中央芯部的一根电极作用于该铸造金属的尖端部。当电极通电后，该电极及流动的电解液穿透叶尖，形成一条呈光滑孔的内通道。当达到叶片中间区时，可减缓穿透速率，以形成较大直径通道。就是说，电极端沿洞孔的停留时间决定了所形成孔的直径。因此，通过交替减慢和增加电极端在要形成紊流通道的叶片区内的穿透速率，可分别形成台阶形凹槽和凸缘。在叶片的中间区内形成紊流激发器后，电极基本上以不变的速率继续穿透，以形成最后的光滑孔部。
虽然已叙述了本发明连同目前认为是最实用和优先的实施例，然而应当明白，本发明并不限于所公开的实施例，而正相反，是要复盖包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种修改及其等同物。
权利要求
1.一种透平叶片，包括一种具有一般翼型形状的横截面的叶片本体，其叶根部和叶尖部靠近相反两侧，中间部介于叶根和叶尖部分之间；若干冷却通道去叶片本体内延伸，穿过叶根和叶尖部及中间部，以便沿叶片本体引进冷却流体，跟其保持传热关系。至少一个冷却通道具有一连串沿中间部形成的紊流激发器，以便流经中间部的冷却流体产生紊流，并增强叶片体和流经该通道的冷却流体之间的热交换；通过叶根和叶尖部的通道部分具有光滑孔使流过该通道的叶根和叶尖部分的冷却流体，形成基本上非紊流流动。
2.按权利要求1所述的叶片，其特征在于所述紊流激发器是沿中间形成的，开始于自叶根端起的叶片长度的约20%处，终止于自叶尖端起叶片长度的约20%处。
3.按权利要求1所述的一种叶片，其特征在于所述叶片体沿中间部分使用中所承受的温度比叶根和叶尖部高，所述紊流激发器沿所述中间部配置，以冷却遭受较高温度的叶片部位。
4.按权利要求1所述的一种叶片，其特征在于紊流激发器包括沿所述通道轴向间隔的一般环形凹槽，以形成沿所述通道轴向间隔的径向向内凸出的一般环形凸缘。
5.按权利要求4所述的一种叶片，其特征在于，所述环形凸缘的直径基本上相应于所述通过叶根和叶尖部的通道光滑孔的直径，所述凹槽的直径大于所述孔的直径。
6.按权利要求1所述的一种叶片，其特征在于，所述若干冷却通道中的一条有一连串沿中间部形成的紊流激发器，以便增强在叶片本体和流经该中间通道部位的冷却流体之间的热交换，通过叶根和叶尖部位的通道部分具有光滑孔，以使流经通道叶根和叶尖部的冷却流体产生非紊流流动。
7.一种透平转子叶片，包括一个具有普通翼型形状横截面的叶片本体，其叶根和叶尖部靠近相反的两端，其中间部分处于叶根和叶尖部之间;若干冷却通道在叶片本体内延伸，穿过叶根和叶尖部及中间部，以便沿叶片本体引进冷却液体，跟其保持传热关系。至少一个冷却通道具有一连串沿中间部形成的紊流激发器，以使流经中间部的冷却流体产生紊流，并增强叶片体和流经该通道的冷却流体之间的热交换;所述紊流激发器仅沿中间区形成，开始于自叶根端起叶片长度的约20%，终止于自叶尖端起叶片长度的约20%处。
8.按权利要求7所述的一种转子叶片，所述紊流激发器包括沿该通道轴向间隔的一般环形凹槽，以形成沿该通道轴向间隔的径向向内凸出的一般环形凸缘。
9.按权利要求8所述的一种转子叶片，其特征在于，所述环形凸缘其直径基本上相应于流经叶根和叶尖部的该通道的光滑孔直径，所述凹槽的直径大于所述孔的直径。
全文摘要
透平叶片包括若干冷却通道，每一通道具有一个形成紊流的区域，沿承受最高温度的透平叶片部分，该区是优先选定的。这样，在叶片的中间区内形成了紊流空气流，从而增强了跟叶片金属的热交流。靠近叶尖和叶根部的冷却通道孔是光滑的，在这些区内以较低的热交换率提供足够的冷却。冷却通道孔由借助于电化学加工工艺来完成，该工艺采用一根带化学电解液的细长电极，用此在叶片内形成扩大的空腔。
文档编号F02C7/18GK1080023SQ9211506
公开日1993年12月29日 申请日期1992年12月28日 优先权日1991年12月30日
发明者曲荣熙, N·阿布阿夫 申请人:通用电气公司