用於燃氣渦輪發動機翼型件的加速器插入件的製作方法
2023-05-29 20:05:16
背景技術：
渦輪發動機，特別是燃氣或燃燒渦輪發動機，是從穿過發動機到眾多渦輪旋轉葉片上的燃燒氣體流提取能量的旋轉發動機。
用於飛行器的燃氣渦輪發動機設計成在高溫下操作以使發動機效率最大化，由此對比如高壓渦輪和低壓渦輪的一些發動機部件進行冷卻可以是有利的。一般地，通過將來自高壓和/或低壓壓縮機的較冷空氣輸送至需要冷卻的發動機部件而實現冷卻。高壓渦輪中的溫度為大約1000℃至2000℃，來自壓縮機的冷卻空氣大約為500℃至700℃。雖然壓縮機空氣是高溫的，但是其相對於渦輪空氣更冷，因此可被用於冷卻渦輪。
現代渦輪翼型件大致包括用於引導冷卻空氣通過翼型件以冷卻比如葉片的前緣、後緣和尖端的不同部分的一個或更多個內部冷卻通路。插入件可以設置在翼型件中以增強冷卻或執行比如除塵的另一功能。
技術實現要素：
在一個方面中，本發明的實施例涉及一種用於燃氣渦輪發動機的翼型件，包括外壁，外壁界定了內部並且限定了壓力側和吸力側，壓力側和吸力側在前緣與後緣之間軸向地延伸以限定弦向方向，並且在根部與尖端之間徑向地延伸以限定展向方向。翼型件還包括限定在內部中沿展向方向延伸的通道以及定位在通道內限定了氣流通路的加速器插入件。氣流通路包括減小的橫截面面積以加速通路內的氣流。
進一步地，所述翼型件還包括布置在所述外壁內並且與所述冷卻空氣通道流體連通的多個膜孔。
進一步地，所述減小的橫截面面積在所述加速器插入件的展向範圍內連續地延伸。
進一步地，所述減小的橫截面面積是步進、恆定、可變或非連續中的至少一種。
進一步地，所述翼型件是葉片或輪葉之一。
在另一個方面中，本發明的實施例涉及一種用於燃氣渦輪發動機的噴嘴組件，其包括：外帶；徑向地布置在外帶內的內帶；至少一個輪葉，其在外帶與內帶之間延伸並且限定了噴嘴，所述至少一個輪葉具有內部腔室；通道，其限定於內部腔室中，部分地在外帶與內帶之間延伸；以及加速器插入件，其定位在通道內並且限定了具有減小的橫截面面積的氣流通路。
進一步地，所述輪葉具有多個冷卻空氣通道。
進一步地，所述加速器插入件布置在所述多個冷卻空氣通道中的至少一個內。
進一步地，所述噴嘴組件還包括布置在所述氣流通路中的至少一個渦流器。
進一步地，所述至少一個渦流器為至少一個溜背式渦流器。
進一步地，所述溜背式渦流器布置在所述加速器插入件上。
進一步地，所述的噴嘴組件還包括外壁，所述溜背式渦流器布置在所述氣流通路內的外壁上。
進一步地，所述減小的橫截面面積是步進、恆定、可變或非連續中的至少一種。
在又一個方面中，本發明的實施例涉及一種用於燃氣渦輪發動機的翼型件，具有圍繞內部的外壁，在內部內限定有通道，該翼型件具有氣流加速器插入件，該氣流加速器插入件布置在通道內，以便形成減小的橫截面面積的氣流通路。
進一步地，所述翼型件還包括布置在所述氣流通路中的至少一個渦流器。
進一步地，所述至少一個渦流器為至少一個溜背式渦流器。
進一步地，所述溜背式渦流器布置在所述加速器插入件上。
進一步地，所述翼型件還包括外壁，並且其中所述溜背式渦流器布置在所述氣流通路內的外壁上。
進一步地，所述減小的橫截面面積是連續的。
進一步地，所述減小的橫截面面積在所述加速器插入件的展向範圍內連續地延伸。
進一步地，所述減小的橫截面面積是步進、恆定、可變或非連續中的至少一種。
附圖說明
在附圖中：
圖1是用於飛行器的燃氣渦輪發動機的示意性橫截面圖。
圖2是圖1的具有冷卻空氣進氣通路的為發動機的渦輪葉片形式的翼型件的透視圖。
圖3是圖2的翼型件的橫截面圖。
圖4是圖1的發動機的帶或渦輪輪葉的區段。
圖5是具有加速器插入件的圖2的翼型件的截面。
圖6是具有加速器插入件的圖5的翼型件的軸向截面。
圖7是示出鄰近圖6的加速器插入件的翼型件內的氣流的軸向截面。
具體實施方式
本發明的所述實施例涉及用於燃氣渦輪發動機的翼型件內的加速器插入件。為了例示目的，將關於用於飛行器燃氣渦輪發動機的渦輪說明本發明。然而，將可以理解的是，本發明並不因此受限，並且可以在包括壓縮機的發動機內以及在非飛行器應用中具有大致適用範圍，非飛行器應用比如為其他移動式應用和非活動的工業、商業和住宅應用。
如本文中所使用的，術語「前部」或「上遊」指的是沿朝向發動機進氣口的方向運動或與另一個部件相比相對更靠近發動機進氣口的部件。用於與「前部」或「上遊」結合使用的術語「尾部」或「下遊」指的是相對於發動機中心線朝向發動機的後部或出口的方向。
另外，本文中所使用的，術語「徑向」或「徑向地」指的是在發動機的中心縱向軸線與外部發動機圓周之間延伸的維度。
所有方向參照(例如，徑向、軸向、近端、遠端、上、下、向上、向下、左、右、橫向、前面、後面、頂部、底部、之上、之下、豎直、水平、順時針逆時針、上遊、下遊、尾部等等)僅用於標識目的以幫助讀者理解本發明，並且不形成限制，特別是關於本發明的位置、定向或使用。連接參照(例如附連、聯接、連接和聯結)被廣義地解釋並且可以包括許多元件之間的中間構件以及元件之間的相對運動，除非另有說明。這樣，連接參照並不一定推出兩個元件直接連接以及彼此關係固定。示例性附圖僅用於例示目的，本文中附圖中反映的尺寸、位置、順序和相對尺寸可以變化。
圖1是用於飛行器的燃氣渦輪發動機10的示意性橫截面圖。發動機10具有從前部14延伸至尾部16的大致縱向延伸軸線或中心線12。發動機10沿下遊順次流動關係包括：包括風機20的風機區段18、包括助推器或低壓(lp)壓縮機24和高壓(hp)壓縮機26的壓縮機區段22、包括燃燒器30的燃燒區段28、包括hp渦輪34和lp渦輪36的渦輪區段32、以及排氣區段38。
風機區段18包括圍繞風機20的風機外殼40。風機20包括圍繞中心線12徑向地布置的多個風機葉片42。hp壓縮機26、燃燒器30和hp渦輪34形成發動機10的產生燃燒氣體的芯部44。芯部44由芯部外殼46包圍，芯部外殼可以與風機外殼40聯接。
圍繞發動機10的中心線12同軸地布置的hp軸或線軸48將hp渦輪34驅動地連接至hp壓縮機26。在較大直徑的環形hp線軸48內圍繞發動機10的中心線12同軸地布置的lp軸或線軸50將lp渦輪36驅動地連接至lp壓縮機24和風機20。
lp壓縮機24和hp壓縮機26分別包括多個壓縮機級52、54，其中一組壓縮機葉片56、58相對於相應組的靜態壓縮機輪葉60、62(也稱作噴嘴)旋轉以壓縮或加壓穿過該級的流體流。在單個壓縮機級52、54中，多個壓縮機葉片56、58可以設置成環，並且可以相對於中心線12從葉片平臺徑向向外地延伸至葉片尖端，同時相應的靜態壓縮機輪葉60、62定位在旋轉葉片56、58的上遊並且靠近旋轉葉片56、58。注意到，圖1所示的葉片、輪葉和壓縮機級的數目被選擇僅用於例示目的，其他數目也是可能的。
用於壓縮機的級的葉片56、58可以安裝至圓盤59，圓盤59安裝至hp線軸48和lp線軸50中的相應的一個，每個級具有其自身的圓盤59、61。用於壓縮機的級的輪葉60、62可以以圓周布置安裝至芯部外殼46。
hp渦輪34和lp渦輪36分別包括多個渦輪級64、66，其中一組渦輪葉片68、70相對於相應組的靜態渦輪輪葉72、74(也稱作噴嘴)旋轉以從穿過該級的流體流提取能量。在單個渦輪級64、66中，多個渦輪輪葉72、74可以設置在環中，並且可以相對於中心線12徑向向外延伸，同時相應的旋轉葉片68、70定位在靜態渦輪輪葉72、74的下遊並靠近靜態渦輪輪葉72、74，並且還可以相對於中心線12從葉片平臺徑向向外延伸至葉片尖端。注意到，圖1所示的葉片、輪葉和壓縮級的數目被選擇僅用於例示目的，其他數目也是可能的。
用於渦輪的級的葉片68、70可以安裝至圓盤71，圓盤71安裝至hp線軸48和lp線軸50中的相應的一個，每個級具有其自身的圓盤71、73。用於壓縮機的級的輪葉72、74可以以圓周布置安裝至芯部外殼46。
發動機10的安裝至線軸48、50中的一者或兩者並且與線軸48、50中的一者或兩者一起旋轉的部分也單獨或共同地稱作轉子53。發動機10的包括安裝至芯部外殼46的部分的固定部分也可單獨或共同地稱作定子63。
在操作中，離開風機區段18的氣流分流，使得氣流的一部分被導入lp壓縮機24內，然後lp壓縮機24將加壓的外界空氣76供給至hp壓縮機26，hp壓縮機26進一步加壓外界空氣。來自hp壓縮機26的加壓空氣76與燃燒器30中的燃料混合併被點燃，由此生成燃燒氣體。通過hp渦輪34從這些氣體提取一些功，hp渦輪34驅動hp壓縮機26。燃燒氣體排出到lp渦輪36內，lp渦輪36提取另外的功以驅動lp壓縮機24，最後廢氣經由排氣區段38從發動機10排出。lp渦輪36的驅動推動lp線軸50以使風機20和lp壓縮機24旋轉。
氣流78的其餘部分繞過lp壓縮機24和發動機芯部44並且通過固定輪葉排而離開發動機總成10，更具體地通過風機排氣側84處的包括多個翼型件導葉82的出口導向輪葉組件80。更具體地，鄰近風機區段18利用圓周排的徑向延伸的翼型件導葉82以施加氣流78的一些方向控制。
通過風機20供給的外界空氣中的一些可以繞過發動機芯部44並且用於冷卻發動機10的部分特別是熱部分和/或用於冷卻飛行器的其他方面或向其他方面提供動力。在渦輪發動機的背景中，發動機的熱部分通常是燃燒器30和燃燒器30下遊的部件，特別是渦輪區段32，由於hp渦輪34在燃燒區段28的緊下遊，因此hp渦輪34是最熱部分。冷卻流體的其他來源可以是但不限於從lp壓縮機24或hp壓縮機26排出的流體。該流體可以是排洩空氣77，排洩空氣77可以包括從lp壓縮機24或hp壓縮機26吸取的繞過燃燒器30的作為用於渦輪區段32的冷卻源的空氣。這是通常的發動機構造，並非旨在限制。
圖2是可以是圖1的發動機10的葉片或輪葉的發動機翼型件90的透視圖。翼型件90安裝至聯接至燕尾件94的平臺92。翼型件90從尖端96延伸至根部98。平臺92可以在根部98處與翼型件78成一體，這有助於徑向地包含發動機氣流。燕尾件94可以被構造成在發動機10上安裝至轉子51並且具有至少一個入口通路，示例性地示出為第一入口通路100、第二入口通路102和第三入口通路104，每一個均延伸穿過燕尾件94以在通路出口106處提供與翼型件78的內部流體連通。應該理解的是，燕尾件94以橫截面示出，因此入口通路100、102、104容置在燕尾件94的本體內。
參考圖3，以橫截面示出的翼型件90具有凹形狀壓力側壁110和凸形狀抽吸側壁112，前緣114和後緣116之間限定了弦向方向。壓力側壁110和抽吸側壁112限定了外壁118，外壁118界定了內部120。作為葉片68的翼型件90沿使得壓力側壁110跟隨抽吸側壁112的方向旋轉。因此，如圖3所示，翼型件78將朝向頁面的頂部向上旋轉。由於固定輪葉72，翼型件90不會旋轉。
圖4示出布置在圓周輪葉環128中的多個翼型件90，多個翼型件90在根部98處由弧形內帶130支承並且在尖端96處由弧形外帶132支承。內帶通道134和外帶通道136可以分別限定在內帶130和外帶132內。帶通道134、136可以通過翼型件90的內部120彼此流體連通。一組兩個鄰近輪葉72可以限定噴嘴138。輪葉128的整個環形帶可以是多個噴嘴138的組合。圖3中示出的弧形區段具有大約36度的扇形角度並且是示例性的環形輪葉區段。應該理解的是，可以存在限定各個環128的任何數量的輪葉72。輪葉72、內帶130和外帶132可以由包括但不限於鈦合金、鎳、陶瓷基複合材料和鈷基合金的已知材料製成。
參看圖5，翼型件90的內部120還可以包括將內部分成第一通道152和第二通道154的肋狀物150，第一通道152和第二通道154分別鄰近前緣114和後緣116定位。應該理解的是，肋狀物150和通道152、154的配置是示例性的，翼型件90可以具有內部120，內部120具有至少部分地在尖端96與根部98之間延伸的一個或更多個通道。後緣槽156將第二通道154流體地聯接至後緣116，用於排出翼型件90的內部120內的空氣。
加速器插入件160可以布置在通道152、154之一中並且示出為安裝在第一通道152內。加速器插入件160限定通過加速器孔164與第一通道152流體連通的加速器內部162。加速器插入件160可以利用至少一個舌片安裝在通道152內，舌片示出為肋狀舌片166和壁舌片168。舌片166、168例如可以安裝在平臺92或燕尾件94內，因此舌片166、168不延伸到發動機10內的主流氣流內。另外，加速器插入件160可以部分地沿著肋狀物150的展向長度安裝。
參見圖6，加速器插入件160可以沿著肋狀物150安裝以填充冷卻空氣通道152的一部分，從而在未填充部分中的第一通道152內限定減小的橫截面面積170。雖然減小的橫截面面積170示出為沿著加速器插入件160是連續的，但是其可以是步進的、恆定的、可變的、不連續的或者在非限制性示例中為其它方式。類似地，加速器插入件160可以成形為具有加速器橫截面面積172。加速器橫截面面積172可以是恆定的、增大的、減小的、可變的或者在非限制性示例中為其它方式，使得加速器插入件160限定第一通道152的減小的橫截面面積170。應當理解的是，第一通道152的形狀或加速器插入件160的形狀可以限定為在第一通道152內提供減小的橫截面面積170。類似地，第一通道152和加速器插入件160的形狀的組合可以限定減小的橫截面面積170。
多個渦流器174可以沿著第一通道152的內表面176布置。在非限制性示例中，渦流器174可以是四邊形、弧形、傾斜、可變、溜背式渦流器或相似的已知渦流器。溜背式渦流器例如可以在最小化集塵的情況下沿著翼型件內表面提供增強的冷卻。
氣流通路180可以設置至翼型件90的由未被加速器插入件160佔據的冷卻空氣通道152限定的內部120。應該理解的是，如可能對於特定翼型件90優選的是，氣流通路180可以從翼型件90的徑向內端部或外端部設置。例如，在輪葉72的情況下，流動冷卻流體可以由內帶或外帶132提供。可替代地，在葉片68的情況下，冷卻流體流可以由通路出口106處的入口通路100、102、104提供。
參見圖7，氣流通路180可以圍繞壁舌片168設置至翼型件90的第一通道152，從而僅部分地延伸跨過第一通道152。氣流通路180內的冷卻流體流在其沿著減小的橫截面面積170運動時被加速。冷卻流體流可以通過一個或更多個膜孔182作為膜氣流184排出，以用於沿著翼型件90的表面提供冷卻膜。
氣流通路180內的冷卻流體的部分可以進入加速器插入件160的內部162內。雖然加速器插入件160是被動的，意味著不通過加速器插入件160向翼型件90或發動機10的另一部分提供主動氣流，但是加速器孔164允許氣流186運動進出加速器插入件160，以在加速器內部162與翼型件90的內部120之間保持適當的壓力平衡。
應該理解的是，加速器插入件160設計成在翼型件90的內部120的壁與加速器插入件160之間形成會聚或減小的橫截面面積170。由加速器插入件160形成的減小的橫截面面積170產生足以保持用於冷卻翼型件90的足夠的傳熱係數的流量。另外，通過利用比如為溜背式渦流器的渦流器174還可以增強熱傳遞，同時最小化通道152、154內的集塵。
應該理解的是，所公開的設計的應用不限於具有風機和助推器部分的渦輪發動機，而同樣適用於渦輪噴氣機和渦輪發動機。
該文字說明書利用示例以公開本發明，包括最佳方式，並且還使得本領域技術人員能夠實施本發明，包括製造和使用任何裝置或系統以及執行任何結合的方法。本發明的可獲得專利的範圍由權利要求限定，並且可以包括本領域技術人員想到的其他示例。如果這些其他示例具有並非不同於權利要求的字面語言的結構元件，或者這些其他示例包括與權利要求的字面語言無實質性區別的等同結構元件，則這些其他示例確定為在權利要求的範圍內。