用於冷卻燃氣輪機噴嘴的方法和裝置的製作方法
2023-06-02 20:24:31 1
專利名稱：用於冷卻燃氣輪機噴嘴的方法和裝置的製作方法
背景技術：
本發明一般涉及燃氣輪機噴嘴，更具體地涉及用於冷卻燃氣輪機噴嘴的方法和設備。
燃氣輪機包括燃燒燃料-空氣混合物的燃燒器，該混合物然後通過一個渦輪噴嘴裝置向著渦輪機形成通道。至少一些已知的渦輪噴嘴裝置包括多個在發動機內燃燒器的下遊沿周邊排列的噴嘴。每個噴嘴包括一個在整體形成的內外區平臺之間延伸的翼面葉片。這些噴嘴是通過內部對流冷卻和燃氣側薄膜式冷卻的聯用而冷卻的。
每個噴嘴包括一對側壁，它們在前緣和後緣處連接。一個典型的葉片翼面的金屬溫度分布是這樣的，就是後緣的溫度顯著地高於翼面整體的溫度。所產生的溫度梯度造成葉片後緣處的高的壓縮應力，而高溫高壓的聯合作用通常造成葉片後緣成為限制噴嘴壽命的部位。因此，在至少一些已知的噴嘴內，翼面葉片的後緣是通過從一個內部界定的葉片空腔中排出的一層冷卻空氣薄膜來冷卻的。更確切地說，該冷卻空氣薄膜是通過在翼面葉片壓力側上形成的並位於翼面葉片後緣上遊的後緣槽來排出的。
人們試圖對供給每個噴嘴葉片的空氣量進行最優化來減少可能與冷卻氣流分離有關的對發動機性能降低的影響。通常，將這些槽做成其長度便於使供給該後緣的冷卻氣流量最優化。由於槽的長度，這些槽通常利用放電機械加工(EDM)工藝製造。但是，這樣一種製造工藝可能增加製造費用和時間，而且由於任務的複雜性，可能導致重新加工翼面葉片。一種包含內部冷卻的幾何尺寸的可比得上失蠟鑄造工藝的噴嘴設計相對於需要EDM工藝來生產這些槽的噴嘴設計通常費用要少些。
發明概要按照本發明的一個方面，提供一種用於製造燃氣輪機的噴嘴的方法。該噴嘴包括一個翼面。該方法包括將翼面製成包括一個負壓側和一個與其在前緣和後緣處連接的壓力側，在翼面的壓力側中形成多個伸向後緣的槽，並在翼面負壓側和壓力側之間延伸多個排列成行的柱，使得第一排柱的每一個有一基本上橢圓形的橫截面，其中，該第一排柱位於剩餘排柱和翼面壓力側的槽之間。
按照本發明的另一方面，提供一種燃氣渦輪機的渦輪噴嘴。該噴嘴包括一個翼面葉片，該葉片包括一個第一壁、一個第二壁和多個在兩壁之間延伸的柱。該第一壁和第二壁在前緣和後緣處連接。該第二壁包括多個向後緣延伸的槽。這多個槽包括至少一個具有基本上橢圓形橫截面的第一排柱。該第一排柱安置在剩餘的多個柱和該第二壁的槽之間。
按照本發明的另一方面，提供一種燃氣輪機噴嘴的翼面。該翼面包括一個根部、一個頂部、多個槽、一個凸面側壁和一個與其在後緣處連接的凹面側壁。每個側壁延伸在根部和頂部之間。該凹面側壁形成翼面的壓力側，並包括多個伸向後緣的槽。該多個柱包括至少一個第一排柱和一個第二排柱。該第一排柱是沿徑向同心地準直的，第一排柱的每個具有基本上橢圓形的橫截面輪廓並漸漸變窄，使得每個第一排柱的上遊側的寬度大於其下遊側的寬度。這些槽鄰接第一排柱並在其下遊。
附圖簡述
圖1是一個燃氣輪機的示意圖；圖2是一種可以與圖1中所示的燃氣輪機一起使用的渦輪噴嘴裝置的透視圖；以及圖3是圖2中所示的渦輪噴嘴的放大的示意橫截面圖。
發明詳述圖1是燃氣輪機10的示意圖，該發動機10包括一個風扇裝置12、一個高壓壓氣機14和一個燃燒器16。發動機10還包括一個高壓渦輪18和一個低壓渦輪20。發動機10有一個進氣側或上遊側28和一個排氣側或下遊側30。在一個實施例中，發動機10是一種可從美國俄亥俄州辛辛那提市通用電氣航空發動機公司買到的CF6-80型發動機。
在運轉中，空氣流過風扇裝置12，而壓縮空氣供給高壓壓氣機14。高度壓縮的空氣輸送到燃燒器16。從燃燒器16來的空氣流通過一個包括多個噴嘴(圖1中未示出)的渦輪噴嘴裝置(圖1中未示出)排出，並用於驅動渦輪18和20。渦輪20又驅動風扇裝置12，而渦輪18驅動高壓壓氣機14。
圖2是可以與燃氣輪機如發動機10(圖1中示出)一起使用的渦輪噴嘴裝置50的透視圖。噴嘴裝置50包括多個在發動機10內沿周邊伸出的噴嘴51。圖3是與噴嘴裝置50一起使用的渦輪噴嘴51的一部分的放大的示意橫截面圖。每個噴嘴51包括一個延伸在徑向外區或平臺54和徑向內區或平臺56之間的翼面葉片52。更確切地說，在示例的實施例中，每個帶54和56與每個翼面葉片52整體形成。
每個翼面葉片52包括一個第一側壁60和一個第二側壁62。第一側壁60是凸面的並限定翼面葉片52的負壓側，而第二側壁62是凹面的，並限定翼面葉片52的壓力側。側壁60和62在翼面葉片52的前緣64處和沿軸向隔開的後緣66處互相結合。
第一和第二側壁60和62分別從徑向內區56沿縱向或沿徑向向外沿葉展延伸到徑向外區54。一個翼面根部70被界定為鄰接內區56，而一個翼面頂部72被界定為鄰接外區54。此外，第一和第二側壁60和62相應地在翼面葉片52內界定一個冷卻室(未示出)。更確切地說，該冷卻室是由每個相應的側壁60和62的內表面(未示出)界定的。
第二側壁62界定翼面葉片52的壓力側，並包括多個穿過該處且與冷卻室流體連通的冷卻孔80。在一個實施例中，噴嘴冷卻室接受從壓氣機如壓氣機14(圖1中示出)排出的冷卻空氣。孔80將冷卻空氣排到翼面葉片52的外表面81上。更確切地說，薄膜式冷卻孔80包括後緣擴散槽82和多個側壁薄膜式冷卻孔86。應當注意到，孔80的排列和數目是可變的。
擴散槽82延伸通過第二側壁62並伸向翼面後緣66，且包括一對鄰近每個相應的平臺區54和56的相同的第一槽90和第二槽92以及多個在槽90和92之間沿徑向隔開的相同的主體槽94。相鄰的擴壓槽82由接合區98分開，使得對相鄰接合區98之間的每個槽82界定一個槽的徑向高度。因此，因為槽94是相同的，所以每個槽94的徑向高度100是相等的，而且因為槽90和92是相同的，所以每個槽90和92的徑向高度102是相等的，而且大於槽徑向高度100。更確切地說，每個槽90和92的徑向高度102是每個槽94的徑向高度100的近兩倍。在該示例性實施例中，每個槽90和92的徑向高度102等於近0.090英寸，而每個槽94的徑向高度100等於近0.045英寸。徑向高度102和100的差別由於翼面葉片52與區54和56之間熱增長的不匹配而便於釋放翼面後緣66處的熱應變。其次，槽的幾何尺寸便於增強鄰近每個區54和56的翼面葉片52中的冷卻。
每個接合區98是漸擴的並包括一個上遊部分120和一個下遊部分122。上遊部分120是彎曲的，延伸在前緣124和下遊部分122之間。在該示例性實施例中，上遊部分120基本上為半圓形。下遊部分122從上遊部分120延伸到後緣128處的頂點126。下遊部分122基本上為三角形，對每個擴散槽82形成一個半擴散角129。在該示例性實施例中，每個槽82有一個等於近7度的半擴散角129。
每個接合區98也有在每個接合區前緣124和每個相應的接合區後緣126之間測量的長度130。在該示例性實施例中，每個接合區的長度130為近似等於0.155英寸。接合區98還是等間距的，因此，每個槽82有一個中心線136。槽中心線136基本上是平行的。
翼面葉片52還包括一個柱排144，後者包括多個在側壁60和62之間通過冷卻室延伸的柱150。柱排144便於在流過冷卻室的冷卻空氣中產生擾動。更確切地說，在該示例性實施例中，每個葉片52包括至少一排第一柱152，它們在擴散槽82的緊上遊，在其餘柱150和槽82之間。柱152沿徑向在平臺帶54和56之間延伸，並且是沿徑向對準的。
每個柱150有一個基本上橢圓形的橫截面，並向著翼面葉片的後緣66漸漸變窄。每個漸漸變窄的柱150便於提高向著擴散槽82流過冷卻室的冷卻空氣的局部速度，因此，便於提高翼面葉片52內柱150和翼面葉片後緣66之間的冷卻效率。更確切地說，每個柱150在柱前緣156處的徑向寬度154大於柱後緣160處的徑向寬度158。漸漸變窄的柱150便於減少流過冷卻室的冷卻空氣的壓力損失。其次，噴嘴葉片52內的幾何構型使得每個接合區98被製造成具有比包括後緣擴散槽的其它已知噴嘴要短的長度130。每個接合區98的長度130較短便於每個翼面葉片52用失蠟鑄造工藝來製造。
每個柱150還有一根分別延伸在前後緣156和160之間的中心線170。在主體擴散槽94緊上遊延伸的柱150被這樣安置，使得每根柱中心線170與每根槽中心線136基本上共直線，因此與經槽90和92延伸的中心線136平行。
翼面葉片52是通過鑄造一個型芯(未示出)來製造的。該型芯是通過將一種液體陶瓷和石墨漿液注入一個型芯模具(未示出)而製成的，然後加熱該漿液而形成一個固體陶瓷翼面型芯。該翼面型芯懸掛在一個翼面葉片模具(未示出)中，然後將熱石蠟注入該翼面葉片模具中以包圍陶瓷翼面型芯。熱石蠟凝固而形成一個石蠟翼面葉片，陶瓷型芯就懸掛在該翼面葉片中。
然後將具有陶瓷型芯的石蠟翼面葉片插入翼面葉片模具並向模具中注入熔融金屬。該熔融金屬熔化石蠟翼面葉片，並取代其位置而形成一個具有留在位置中的陶瓷型芯的金屬翼面葉片。然後冷卻該翼面葉片，除去陶瓷型芯。因為噴嘴51能以失蠟鑄造工藝製造，所以與其它已知噴嘴相比，降低了與噴嘴51有關的製造費用。
在動轉中，冷卻空氣從一個高壓壓氣機供給每個翼面葉片冷卻室中。冷卻空氣被引導經過可選擇紊流化的空腔(未示出)，並經過在後緣擴散槽82上遊的一組柱冷卻區144。冷卻空氣還經翼面冷卻孔80排出，形成一個對翼面外表面81的冷卻空氣緩衝層。該緩衝層或薄膜層比通過噴嘴51的燃燒器排出的空氣要顯著地冷。翼面後緣66和周圍的後緣區，受流過柱排144和擴散槽82的冷卻空氣的冷卻。柱150和槽90、92及94的結合便於形成平衡的翼面冷卻，而同時將通過翼面葉片52的冷卻空氣流動損失減到最小。更確切地說，柱150和槽82便於降低噴嘴金屬溫度，從而延長噴嘴50的使用壽命。
上述渦輪噴嘴的幾何構型便於延長渦輪噴嘴的使用壽命。每個噴嘴翼面葉片包括一排擴散槽，這些擴散槽包括一個鄰近每個平臺區的體積特大的槽。這些體積特大的槽便於冷卻翼面葉片的鄰近平臺的區域。其次，每個噴嘴的翼面葉片還包括一排漸漸變窄的柱，這些柱緊靠上遊並與每個相應的槽沿軸向對準。這些柱便於以提高的冷卻空氣流量增強冷卻效果和氣流調節。結果，噴嘴的幾何構型便於以成本低而可靠的方式延長了噴嘴的使用壽命。
雖然本發明是按照各種特定的實施例來描述的，但該技術的專業人員將會理解，在本發明的精神和範圍內，本發明的實施可以進行修改。
部件清單10 燃氣輪機12 風扇裝置14 高壓壓氣機16 燃燒器18 渦輪20 渦輪28 進氣側
30 排氣側50 裝置51 渦輪噴嘴52 翼面葉片54 外區/平臺56 內區/平臺60 第一側壁62 第二側壁64 前緣66 後緣70 翼面根部72 翼面頂部80 冷卻孔81 外表面82 後緣擴壓槽86 側壁薄膜式冷卻孔90 第一槽92 第二槽94 主體槽98 接合區100 徑向高度102 徑向高度120 上遊部分122 下遊部分124 前緣126 頂點128 後緣129 半擴壓角130 長度136 中心線144 柱排150 柱
152 第一柱154 徑向寬度156 柱前緣158 徑向寬度160 柱後緣170 中心線
權利要求
1.一種用於製造燃氣輪機(10)的噴嘴(51)的方法(50)，該噴嘴包括一個翼面(52)，所述方法包括將該翼面製造成包括一個負壓側(60)和一個壓力側(62)，這兩側在前緣(64)和後緣(66)處連接；在該翼面的壓力側中形成多個伸向後緣的槽(82)；以及在翼面的負壓側和和壓力側之間延伸多個排列成行的柱(150)，使得第一排柱(152)的每個有一基本上橢圓形的橫截面，其中，該第一排柱位於剩餘排柱和翼面壓力側的槽之間。
2.一種如權利要求1所述的方法(50)，其特徵在於，形成多個槽(82)的步驟還包括形成多個在翼面根部(70)和翼面頂部(72)之間沿徑向延伸的槽，使得一個第一槽(90)鄰近翼面頂部，一個第二槽(92)鄰近翼面根部，而多個相同的第三槽(94)延伸在第一槽和第二槽之間。
3.一種如權利要求2所述的方法(50)，其特徵在於，在壓力側(62)中形成多個槽(82)的步驟還包括用相鄰接合區(98)界定這些槽，使得每個第三槽(94)的徑向高度(100)小於第一槽和第二槽(90、92)的徑向高度(102)。
4.一種如權利要求3所述的方法(50)，其特徵在於，界定這些槽(82)的步驟還包括這樣界定這些槽，使得第一槽和第二槽(90、92)是相同的，其徑向高度(102)是多個第三槽(94)的每個高度的大約兩倍。
5.一種如權利要求3所述的方法(50)，其特徵在於，界定這些槽(82)的步驟還包括用相鄰的接合區(98)界定這些槽，使得每個接合區有一個基本上半圓形的上遊部分(120)和一個基本上三角形的下遊部分(122)。
6.一種如權利要求1所述的方法(50)，其特徵在於，製造翼面(52)的步驟還包括鑄造該翼面。
7.一種用於燃氣輪機(10)的渦輪噴嘴(51)，所述噴嘴包括一個翼面葉片(52)，葉片(52)包括一個第一壁(69)、一個第二壁(62)和多個延伸在兩壁之間的柱(150)，所述第一壁和第二壁在前緣(156)和後緣(160)處連接，所述第二壁包括多個向著所述後緣延伸的槽(94)，所述多個柱包括至少一個具有基本上橢圓形橫截面的第一排柱(152)，所述第一排柱位於所述其餘的多個柱和所述第二壁的槽之間。
8.一種如權利要求7所述的渦輪噴嘴(51)，其特徵在於，所述翼面(52)的第一排柱(152)是漸漸變窄的，使得每個所述柱的下遊側的寬度小於每個所述柱的上遊側的寬度。
9.一種如權利要求7所述的渦輪噴嘴(51)，其特徵在於，所述翼面(52)還包括一個根部(70)、一個頂部(72)和多個接合區(98)，所述第一壁和第二壁(60、62)在所述根部和所述頂部之間沿徑向延伸，所述多個接合區隔開所述槽(82)，每個所述槽有一個在相鄰的所述接合區之間延伸的徑向高度(100、102)。
10.一種如權利要求9所述的渦輪噴嘴(51)，其特徵在於，所述翼面(52)的多個槽(82)還包括一個鄰近所述翼面根部(70)的第一槽、一個鄰近所述翼面頂部(72)的第二槽和多個在所述第一槽和第二槽之間延伸的相同的第三槽，每個所述第三槽的徑向高度(100)小於所述第一槽和所述第二槽的徑向高度。
11.一種如權利要求10所述的渦輪噴嘴(51)，其特徵在於，所述翼面(52)的第一槽和第二槽(90、92)是相同的，其徑向高度(102)近似於每個所述第三槽(94)的徑向高度的兩倍。
12.一種如權利要求9所述的渦輪噴嘴(51)，其特徵在於，每個所述槽(82)包括一根中心線(136)，每個所述第一排柱(152)包括一根中心線(170)，每根所述第一排柱的中心線基本上平行於每根所述槽的中心線。
13.一種如權利要求9所述的渦輪噴嘴(51)，其特徵在於，至少一個在相鄰的所述槽(82)之間的所述翼面接合區(98)包括一個基本上半圓形的上遊側(120)和一個基本上三角形的下遊側(122)。
14.一種如權利要求9所述的渦輪噴嘴(51)，其特徵在於，所述第二壁限定所述噴嘴的一個壓力側(62)，所述第一排柱(152)和所述第二壁的槽(90、92)的形狀做成向所述翼面(52)提供冷卻空氣，以便於延長所述噴嘴的使用壽命。
15.一種用於燃氣輪機噴嘴的翼面(52)，所述翼面包括一個根部(70)、一個頂部(72)、多個柱(150)、一個凸面側壁(60)和一個與其在後緣(66)處連接的凹面側壁(62)，每個所述側壁在所述根部和頂部之間延伸，所述凹面側壁限定所述翼面的壓力側，並包括多個向著所述後緣延伸的槽(82)，所述多個柱包括至少一個第一排柱和一個第二排柱，所述第一排柱沿向同心地準直，每個所述第一排柱有一個基本上橢圓形的橫截面輪廓，並漸漸變窄，使得每個所述第一排柱的上遊側的寬度大於每個所述第一排柱的下遊側的寬度，所述槽鄰近所述第一排柱並在其下遊。
16.一種如權利要求15所述的翼面(52)，其特徵在於，所述多個槽(82)由多個接合區(98)界定，使得每個所述槽包括一個徑向高度(100、102)，所述多個槽包括一個鄰近所述翼面頂部(72)的第一槽(90)、一個鄰近所述翼面根部(70)的第二槽(92)和多個在所述第一槽和第二槽之間延伸的第三槽(94)。
17.一種如權利要求16所述的翼面(52)，其特徵在於，每個界定第三槽的所述接合區(98)包括一個基本上半圓形的上遊部分(120)和一個從所述上遊部分伸出的基本上三角形的下遊部分(122)。
18.一種如權利要求16所述的翼面(52)，其特徵在於，所述多個槽(82)的每個有一徑向高度(100、102)，所述多個第三槽(94)的每個有一徑向高度(100)，該高度(100)小於所述第一槽和第二槽(90、92)的每個的徑向高度。
19.一種如權利要求16所述的翼面(52)，其特徵在於，所述多個槽(82)的每個有一徑向高度(100、102)，所述第一槽和第二槽(90、92)是相同的，並有一徑向高度，該徑向高度為所述多個第三槽(94)的徑向高度的近兩倍。
20.一種如權利要求16所述的翼面(52)，其特徵在於，每個所述槽(82)包括一根中心線(136)，每個所述第一排柱(152)包括一根中心線(170)，每根所述第一排柱的中心線基本上平行於每根所述槽面積的中心線。
全文摘要
一種用於製造燃氣輪機(10)的噴嘴的方法(50)，便於延長噴嘴的使用壽命。噴嘴(51)包括一個翼面(52)。該方法包括將翼面做成包括一個抽吸側(60)和一個與其在前緣(64)和後緣(66)處連接的壓力側(62)，在翼面的壓力側中形成多個向後緣延伸的槽(82)，以及在翼面負壓側和壓力側之間延伸多個排列成行的柱(150)，使得第一排柱(152)的每個有一基本上橢圓形的橫截面，其中，該第一排柱位於其餘排柱和翼面壓力側的槽之間。
文檔編號F01D5/18GK1429968SQ0310015
公開日2003年7月16日 申請日期2003年1月3日 優先權日2002年1月4日
發明者R·F·曼寧, R·B·呂德貝克, C·羅奇 申請人:通用電氣公司