包括尖端导轨冷却插入件的涡轮叶片尖端冷却系统技术方案

本发明专利技术题为“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)。

Turbine blade tip cooling system including tip guide cooling inserts

【技术实现步骤摘要】
包括尖端导轨冷却插入件的涡轮叶片尖端冷却系统
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。
技术介绍
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。理想的是，导轨冷却通道也能够使用增材制造来形成，这就带来了进一步的挑战。增材制造(AM)包括通过材料的连续层叠而不是材料的移除来生产部件的多种多样的过程。因此，增材制造可形成复杂的几何形状，而无需使用任何种类的工具、模具或夹具，并且很少浪费或不浪费材料。并非由实心材料坯体（其中许多被切削掉并被抛弃）加工部件，增材制造中使用的仅有材料是使部件成形所需的材料。关于尖端导轨冷却通道，导轨内的常规圆形冷却孔很难利用增材制造来构建（垂直于标称构建方向），并且在制造期间可能严重变形或塌缩。尖端冷却的另一个挑战是适应在尖端导轨的不同区域中观测到的不同温度。例如，压力侧壁和吸力侧壁的尾部区域中的导轨通常比其他区域热。另一个挑战是在最初不包括尖端冷却通道的使用过的涡轮叶片中提供冷却。
技术实现思路
本公开的第一方面提供了一种涡轮叶片尖端冷却系统，该涡轮叶片尖端冷却系统包括涡轮叶片，该涡轮叶片具有尖端腔体、围绕尖端腔体的至少一部分的尖端导轨和至少一个内部冷却腔体；尖端导轨具有内导轨表面、外导轨表面、端面和至少一个尖端导轨口袋，该至少一个尖端导轨口袋在端面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；以及尖端导轨冷却插入件，该尖端导轨冷却插入件附接到至少一个尖端导轨口袋，该尖端导轨冷却插入件具有在其中的至少一个插入件冷却通道和冷却剂收集充气室，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至少一个插入件冷却通道。本公开的第二方面提供一种冷却涡轮叶片尖端的方法，该方法包括：提供涡轮叶片，该涡轮叶片具有尖端腔体、围绕该尖端腔体的至少一部分的尖端导轨和被配置为递送冷却剂的至少一个内部冷却腔体，该尖端导轨具有内导轨表面、外导轨表面和端面；在尖端导轨的端面中形成尖端导轨口袋，该尖端导轨口袋包括尖端口袋冷却剂开口，该尖端口袋冷却剂开口与至少一个内部冷却腔体流体连通；形成尖端导轨冷却插入件，该尖端导轨冷却插入件具有被配置用于与尖端口袋冷却剂开口流体连通的冷却剂收集充气室和与该冷却剂收集充气室流体连通的至少一个插入件冷却通道，该尖端导轨冷却插入件的尺寸和形状被设定成接合在所述尖端导轨口袋中；以及将尖端导轨冷却插入件附接到尖端导轨口袋以将冷却剂收集充气室流体地连接到内部冷却腔体。本公开的第三方面提供了一种具有旋转叶片的气体涡轮，该气体涡轮包括涡轮叶片，该涡轮叶片具有尖端腔体、围绕尖端腔体的至少一部分的尖端导轨和至少一个内部冷却腔体；尖端导轨，该尖端导轨具有内导轨表面、外导轨表面、端面和在该端面处打开的至少一个尖端导轨口袋，该至少一个尖端导轨口袋流体地连接到至少一个内部冷却腔体；以及尖端导轨冷却插入件，该尖端导轨冷却插入件附接到至少一个尖端导轨口袋，该尖端导轨冷却插入件具有在其中的至少一个插入件冷却通道和用于将冷却剂从至少一个内部冷却腔体导向到至少一个插入件冷却通道的冷却剂收集充气室。本公开的示例性方面被设计成解决本文描述的问题和/或未讨论的其他问题。附图说明从结合描绘本公开的各种实施方案的附图的对本公开的各个方面的以下详细描述，将更容易理解本公开的这些和其他特征，其中：图1为涡轮机系统的一个实施方案的示意图。图2为涡轮叶片组件形式的示例性涡轮部件的透视图，该涡轮叶片组件包括转子轮盘、涡轮叶片和固定式护罩。图3为涡轮叶片形式的涡轮部件的尖端的特写立体透视图，可以在其中采用本公开的实施方案。图4为根据本公开的实施方案的包括尖端导轨冷却插入件的涡轮叶片形式的涡轮部件的尖端的特写透视图。图5为根据本公开的实施方案的尖端导轨中的尖端口袋的放大透视图。图6为根据本公开的实施方案的尖端导轨中的尖端口袋的平面图。图7为根据本公开的实施方案的尖端导轨冷却插入件的透视图。图8为根据本公开的实施方案的尖端导轨冷却插入件的透视图。图9为根据本公开的实施方案的尖端导轨中的尖端导轨冷却插入件的透视图。图10为根据本公开的实施方案的沿尖端导轨冷却插入件的图9中的线10-10的剖视图。图11为根据本公开的实施方案的尖端导轨冷却插入件的透视图。...

【技术保护点】
1.一种涡轮叶片尖端冷却系统(200)，包括：/n涡轮叶片(115)，所述涡轮叶片具有尖端腔体(155)、围绕所述尖端腔体(155)的至少一部分的尖端导轨(150)和至少一个内部冷却腔体(174)；/n所述尖端导轨(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)，所述至少一个尖端导轨口袋在所述端面(160，288)处打开并且流体地连接到承载冷却剂的所述至少一个内部冷却腔体(174)；和/n尖端导轨冷却插入件(280)，所述尖端导轨冷却插入件附接到所述至少一个尖端导轨口袋(270)，所述尖端导轨冷却插入件(280)具有在其中的至少一个插入件冷却通道(180)和冷却剂收集充气室(284，384)，所述冷却剂收集充气室用于将冷却剂从所述至少一个内部冷却腔体(174)导向到所述至少一个插入件冷却通道(180)。/n

【技术特征摘要】
20181203 US 16/208,0011.一种涡轮叶片尖端冷却系统(200)，包括：
涡轮叶片(115)，所述涡轮叶片具有尖端腔体(155)、围绕所述尖端腔体(155)的至少一部分的尖端导轨(150)和至少一个内部冷却腔体(174)；
所述尖端导轨(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)，所述至少一个尖端导轨口袋在所述端面(160，288)处打开并且流体地连接到承载冷却剂的所述至少一个内部冷却腔体(174)；和
尖端导轨冷却插入件(280)，所述尖端导轨冷却插入件附接到所述至少一个尖端导轨口袋(270)，所述尖端导轨冷却插入件(280)具有在其中的至少一个插入件冷却通道(180)和冷却剂收集充气室(284，384)，所述冷却剂收集充气室用于将冷却剂从所述至少一个内部冷却腔体(174)导向到所述至少一个插入件冷却通道(180)。


2.根据权利要求1所述的涡轮叶片尖端冷却系统(200)，其中所述冷却剂收集充气室(284，384)通过至少一个叶片冷却通道(282)流体连接到所述至少一个内部冷却腔体(174)，所述至少一个叶片冷却通道从所述至少一个内部冷却腔体(174)延伸到所述尖端导轨口袋(270)中的至少一个尖端口袋冷却剂开口(290)。


3.根据权利要求1所述的涡轮叶片尖端冷却系统(200)，其中所述至少一个尖端导轨口袋(270)包括用于接合所述尖端导轨冷却插入件(280)的至少四个表面(312A-E，312B)(312A-D)。


4.根据权利要求1所述的涡轮叶片尖端冷却系统(200)，还包括多个尖端导轨口袋(270)和附接到所述多个尖端导轨口袋(270)中的每一者的尖端导轨冷却插入件(280)。


5.根据权利要求4所述的涡轮叶片尖端冷却系统(200)，其中所述多个尖端导轨口袋(270)中的至少两...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·史蒂文·洪孔普，梅赫梅特·苏莱曼·西雷，马克·劳伦斯·亨特，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US