涡轮机叶片的制作方法

涡轮机叶片


背景技术：

1.涡轮机（包括蒸汽涡轮机和燃气涡轮机）在高温环境中操作。高温流体在相邻叶片之间流动并膨胀以产生用于驱动诸如发电机等设备的机械功。在涡轮机的操作期间，一些流体跨越叶片的末端泄漏，这导致效率损失。虽然存在许多末端密封装置，但是特别是在燃气涡轮机中，高温操作环境导致构成所述密封装置的各种部件之间的差异热增长，从而使高效密封困难。


技术实现要素：

2.一种涡轮机叶片包括被布置成将所述涡轮机叶片附接到转子的根部以及沿径向方向从所述根部延伸到末端表面的导叶。所述导叶包括协作以限定导叶周界的前缘、后缘、压力侧表面和吸力侧表面。周界壁从所述末端表面径向延伸并环绕所述导叶周界的一部分。第一沟槽壁延伸跨越所述末端表面并与所述周界壁协作以基本上包围压力侧凹穴，并且第二沟槽壁延伸跨越所述末端表面并与所述周界壁协作以基本上包围吸力侧凹穴。
3.在另一装置中，一种涡轮机叶片包括被布置成将所述涡轮机叶片附接到转子的根部、耦接到所述根部的平台以及沿径向方向从所述平台延伸到末端表面的导叶。所述导叶包括协作以限定导叶周界的前缘、后缘、压力侧表面和吸力侧表面。周界壁从所述末端表面径向延伸并环绕所述导叶周界的一部分。沟槽从接近所述前缘的所述吸力侧表面的第一部分延伸到接近所述后缘的所述吸力侧表面的第二部分，所述沟槽包括第一沟槽壁、第二沟槽壁和沟槽底部。压力侧凹穴由所述第一沟槽壁以及所述周界壁的一部分限定，并且吸力侧凹穴由所述第二沟槽壁以及所述周界壁的一部分限定。
4.在又一装置中，一种涡轮机叶片包括被布置成将所述涡轮机叶片附接到转子的根部、耦接到所述根部的平台以及沿径向方向从所述平台延伸到末端表面的导叶，所述导叶包括协作以限定导叶周界的前缘、后缘、压力侧表面和吸力侧表面。弯曲沟槽从接近所述前缘的所述吸力侧表面的第一部分延伸到接近所述后缘的所述吸力侧表面的第二部分，所述沟槽包括比所述末端表面在径向上更接近所述平台的沟槽底部。压力侧凹穴由各自远离所述末端表面径向延伸的压力侧壁、前缘壁、第一吸力侧壁、第一沟槽壁和第二吸力侧壁限定，并且吸力侧凹穴由各自远离所述末端表面径向延伸的第三吸力侧壁和第二沟槽壁限定。
附图说明
5.为容易识别对任何特定元件或动作的论述，附图标记中的一个或多个最高有效数字是指其中首先引入所述元件的图号。
6.图1是燃气涡轮发动机100沿着包含纵向轴线或中心轴线的平面截取的纵向横截面视图。
7.图2图示适于与图1的燃气涡轮发动机一起使用的涡轮机叶片。
8.图3图示图2的涡轮机叶片的末端部分。
9.图4是图3的末端部分的沟槽的出口视图。
10.图5图示适于与图2的涡轮机叶片一起使用的另一末端部分。
11.图6图示适于与图3或图5的叶片末端一起使用的分叉式冷却孔。
12.图7是沿着图6的线vii
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vii截取的截面视图，其图示分叉式冷却孔的内部布置。
具体实施方式
13.在详细解释本发明的任何实施例之前，应理解，本发明在其应用上并不限于在本说明书中阐述或在以下附图中图示的构造的细节和部件的布置。本发明能够具有其他实施例并且能够以各种方式实践或执行。而且，应理解，本文中使用的措词和术语是出于描述目的，并且不应该被视为具有限制性。
14.现在将参考附图描述与系统和方法有关的各种技术，其中在说明书通篇中，相似附图标记表示相似元件。下文论述的附图以及在此专利文件中用于描述本公开内容的原理的各种实施例仅以实例说明并且不应以任何方式解释为限制本公开内容的范围。所属领域的技术人员将理解，本公开内容的原理可以在任一经适当布置的装置中实现。应理解，被描述为由某些系统元件执行的功能可以由多个元件实施。类似地，例如，一元件可以被配置成实施被描述为由多个元件执行的功能。将参考示例性非限制性实施例描述本技术的众多创新性教导。
15.而且，应理解，除非在一些实例中明确限制，否则本文中使用的词语或短语应该被广义地解释。例如，术语“包括有”、“具有”和“包括”以及其派生词意指包括但不限于。如本文中所使用，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”也旨在包含复数形式，除非上下文另外明确指示。此外，如本文中所使用，术语“和/或”是指并且包括相关联所列举项目中的一者或多者的任何和所有可能组合。术语“或”是包括性的，意指和/或，除非上下文另外明确指示。短语“与
…
相关联”和“与之相关联”以及其派生词可以意指包括、包括在
…
内、与
…
互连、包含、包含在
…
内、连接到
…
或与
…
连接、耦接到
…
或与
…
耦接、可与
…
通信、与
…
协作、交错、并置、接近于、束缚到
…
或与
…
束缚在一起、具有、具有
…
的性质等等。此外，虽然本文中可以描述多个实施例或构造，但是关于一个实施例描述的任何特征、方法、步骤、部件等等同样适用于没有相反具体陈述的其他实施例。
16.而且，虽然在本文中可以使用术语“第一”、“第二”、“第三”等等来指代各种要素、信息、功能或动作，但是这些要素、信息、功能或动作不应受到这些术语的限制。相反，使用这些数字形容词来将不同要素、信息、功能或动作彼此区分开。例如，第一要素、信息、功能或动作可以称为第二要素、信息、功能或动作，并且，类似地，第二要素、信息、功能或动作可以称为第一要素、信息、功能或动作，而不背离本公开内容的范围。
17.另外，术语“相邻于”可以意指：一元件相对接近于、但是并不接触另一个元件；或者所述元件与另一部分接触，除非上下文另外明确指示。此外，短语“基于”旨在意指“至少部分基于”，除非另外明确说明。术语“约”或“基本上”或类似术语旨在涵盖值在所述尺寸的正常工业制造公差内的变化。如果无可用工业标准，则除非另外说明，否则20％的变化将落入这些术语的含义内。
18.图1图示燃气涡轮发动机100的实例，其包括沿着中心轴线114布置的压缩机区段102、燃烧区段106和涡轮机区段110。压缩机区段102包括多个压缩机级116，其中每一压缩
机级116包括一组旋转叶片118和一组静止导叶120或可调节引导导叶。转子122支撑旋转叶片118以便在操作期间围绕中心轴线114旋转。在一些构造中，单个单件转子122延伸燃气涡轮发动机100的长度并且在任一端处由轴承支撑以供旋转。在其他构造中，转子122由数个单独卷轴组装而成，所述卷轴相互附接或者可以包括经由一个或多个螺栓附接的多个盘区段。
19.压缩机区段102与入口区段124流体连通以允许燃气涡轮发动机100将大气空气吸入压缩机区段102。在燃气涡轮发动机100的操作期间，压缩机区段102吸入大气空气并压缩所述空气以供输送到燃烧区段106。所图示的压缩机区段102是一个压缩机区段102的实例，其中其他布置和设计是可能的。
20.在所图示的构造中，燃烧区段106包括多个单独燃烧器126，每一燃烧器操作以使燃料流与来自压缩机区段102的压缩空气混合并燃烧所述空气燃料混合物以产生高温高压燃烧气体或废气128的流。当然，燃烧区段106的许多其他布置是可能的。
21.涡轮机区段110包括多个涡轮机级130，其中每一涡轮机级130包括多个旋转涡轮机叶片104和多个静止涡轮机导叶108。涡轮机级130被布置成在涡轮机入口132处接收来自燃烧区段106的废气128并使所述气体膨胀以将热能和压力能转换成旋转功或机械功。涡轮机区段110连接到压缩机区段102以驱动压缩机区段102。对于用于发电或充当原动机的燃气涡轮发动机100，涡轮机区段110还连接到发电机、泵或其他待驱动设备。与压缩机区段102一样，涡轮机区段110的其他设计和布置也是可能的。
22.排气部分112定位在涡轮机区段110的下游，并且被布置成接收来自涡轮机区段110中的最终涡轮机级130的废气128的膨胀流。排气部分112被布置成高效地引导废气128远离涡轮机区段110以确保涡轮机区段110的高效操作。在排气部分112中，许多变化和设计差异是可能的。照此，所图示的排气部分112只是那些变化的一个实例。
23.控制系统134耦接到燃气涡轮发动机100，并且操作以监视各种操作参数并控制燃气涡轮发动机100的各种操作。在优选构造中，控制系统134通常是基于微处理器的并且包括用于收集、分析和存储数据的存储器设备和数据存储设备。另外，控制系统134向各种设备（包括监视器、打印机、指示器等等）提供输出数据，所述设备允许用户与控制系统134接口连接以提供输入或调节。在发电系统的实例中，用户可以输入功率输出设定点，并且控制系统134可以调节各种控制输入以便以高效方式实现所述功率输出。
24.控制系统134可以控制各种操作参数，包括但不限于可变入口引导导叶位置、燃料流率和压力、发动机速度、阀位置、发电机负载和发电机励磁。当然，其他应用可以具有更少或更多的可控设备。控制系统134还监视各种参数以确保燃气涡轮发动机100适当地操作。被监测的一些参数可以包括入口空气温度、压缩机出口温度和压力、燃烧器出口温度、燃料流率、发电机功率输出、轴承温度等等。许多这些测量结果都显示给用户并且被记录以供稍后需要审查时进行审查。
25.图2图示充当涡轮机级130中的一者的旋转叶片118类型的涡轮机叶片200。涡轮机叶片200包括根部202、平台204和翼型件206（有时称为导叶或导叶部分）。在大多数构造中，根部202、平台204和翼型件206形成为单个整体部件，其被铸造、锻造、机加工、增材制造或使用其任何组合或其他合适制造技术制成。
26.根部202被布置成将涡轮机叶片200附接到转子122、盘或支撑涡轮机叶片200以使
其围绕中心轴线114旋转的另一部件。根部202可以包括接合对应凸出件或钩部以将涡轮机叶片200附接到转子122的凸出件或钩部。当然，根部202的除图2中所图示的布置以外的其他布置是可能的。其他布置可以包括弯曲根部202，或者可以包括除根部202的几何形状以外的紧固机构。可以根据需要采用根部202的任何布置和几何形状。如先前所论述的，数个涡轮机叶片200彼此相邻定位以限定一行旋转叶片118。
27.平台204形成在根部202与翼型件206之间。平台204包括与其他涡轮机叶片200中的相同表面协作以限定内部环形流动路径表面的表面。
28.翼型件206沿径向方向（即，相对于中心轴线114径向地）从平台204延伸到末端部分300。翼型件206包括前缘208、后缘210、压力侧表面212和吸力侧表面214，它们协作以限定导叶周界216。
29.图3更好地图示图2的涡轮机叶片200的末端部分300。末端部分300包括由导叶周界216环绕的末端表面302。周界壁304沿着导叶周界216的一部分延伸，并且在末端表面302上方延伸。在所图示的构造中，周界壁304被分成两个单独的壁部分，其中其他构造包括围绕周界壁304的一部分延伸的单个周界壁304或者协作以限定周界壁304的三个或更多个壁部分。在燃气涡轮机技术中，周界壁304有时称为凹槽状末端（squealer tip），并且用于至少部分限定翼型件206与邻近末端部分300的静止表面之间的末端密封件。所述末端密封件抑制跨越翼型件206从压力侧表面212到吸力侧表面214的泄漏。
30.第一沟槽壁306从吸力侧表面214的上游或前缘208侧延伸到吸力侧表面214的下游或后缘210侧。第一沟槽壁306从末端表面302径向延伸到优选地等于周界壁304的高度的高度（例如，在2 mm至15 mm之间）。第二沟槽壁308从吸力侧表面214的上游或前缘208侧延伸到吸力侧表面214的下游或后缘210侧。第二沟槽壁308从末端表面302径向延伸到优选地等于周界壁304的高度的高度（例如，在2 mm至15 mm之间）。在所图示的构造中，第一沟槽壁306包括限定周界壁304的一部分的周界部分322。
31.在所图示的构造中，第一沟槽壁306和第二沟槽壁308相互平行，彼此间隔开，并且弯曲以在其间限定沟槽310。沟槽310包括接近翼型件206的前缘208的第一开口端和接近翼型件206的后缘210的第二开口端。在此上下文中，术语“接近”是指所描述的开口与前缘208或后缘210的相对接近度。因此，“接近前缘208”将仅意指比起相距后缘210更接近于前缘208。在大多数构造中，第一沟槽壁306和第二沟槽壁308彼此之间的距离在5 mm至20 mm之间，其中其他宽度是可能的。如将关于图5所论述的，第一沟槽壁306和第二沟槽壁308可以具有不同形状和不同布置。例如，可以采用不平行的沟槽壁。沟槽310限定沟槽底部312，沟槽底部312大致平行于末端表面302，但是如图4中所图示的那样比起末端表面302更靠近于根部202凹陷或定位。
32.周界壁304和第一沟槽壁306协作以限定压力侧凹穴316和第一壁间隙318。类似地，周界壁304和第二沟槽壁308协作以限定吸力侧凹穴314和第二壁间隙320。另外，周界壁304、第一沟槽壁306和第二沟槽壁308限定径向延伸的侧表面。应注意，所述径向延伸的表面可能稍微偏离真实径向方向，然而，所述表面主要沿径向方向延伸。
33.多个冷却孔324形成在各个径向延伸的表面中并提供用于冷却空气的出口。一些冷却空气通过多个冷却孔324的一部分排放到吸力侧凹穴314和压力侧凹穴316中。第一壁间隙318和第二壁间隙320提供所述冷却空气的出口。因此，周界壁304和第一沟槽壁306基
本上环绕压力侧凹穴316，并且周界壁304和第二沟槽壁308基本上环绕吸力侧凹穴314。在此上下文中，“基本上”意指所述壁环绕相应吸力侧凹穴314和压力侧凹穴316的至少百分之五十。虽然一些构造可以完全环绕吸力侧凹穴314和压力侧凹穴316，但是大多数构造提供第一壁间隙318和第二壁间隙320。虽然“基本上环绕”可能意指低至百分之五十，但是大多数构造包括环绕第一壁间隙318和第二壁间隙320的至少70%和高达90%的壁。
34.图4更好地图示沟槽底部312相对于末端表面302的增加的深度402。如所图示，增加的深度402在2 mm至15 mm之间，其中其他范围和差异是可能的。
35.另外，并且继续参考图4，末端部分300操作以产生各自形成在末端部分300与邻近末端部分300的静止部件之间的第一空间涡流404、沟槽涡流406、第二空间涡流408和吸力侧末端泄漏涡流410。第一空间涡流404和第二空间涡流408分别形成在压力侧凹穴316和吸力侧凹穴314中，并且各自产生减少跨越末端部分300的总流量的压力降和流动效率。沟槽涡流406形成在沟槽310中并且还用于产生减少朝向叶片的吸力侧的流的压力降。确实经过末端部分300的任何流都形成吸力侧末端泄漏涡流410，其与常规叶片末端配置相比具有减小的大小和强度。沟槽310、吸力侧凹穴314和压力侧凹穴316的宽度和深度都可以变化以控制或调节各种涡流的大小、深度和强度以实现跨越末端部分300的所期望的泄漏。
36.图5图示适于与涡轮机叶片200一起使用的末端部分500的另一构造。像末端部分300的第一构造一样，图5的末端部分500包括围绕导叶周界216的一部分延伸的周界壁502。图5的周界壁502包括三个单独部分、而非图3的两个部分。周界壁502远离末端表面302径向延伸，并且限定基本上径向延伸的壁。
37.第一沟槽壁504从吸力侧表面214的前缘208侧延伸到吸力侧表面214的后缘210侧。第二沟槽壁506从吸力侧表面214的前缘208侧延伸到吸力侧表面214的后缘210侧并与第一沟槽壁504协作以限定具有沟槽底部510的沟槽508。
38.周界壁502与第一沟槽壁504协作以至少部分环绕和限定压力侧凹穴512和第一壁间隙516。类似地，周界壁502和第二沟槽壁506协作以限定吸力侧凹穴514和第二壁间隙518。
39.图5的末端部分500与图3的末端部分300基本上相同，除了第一沟槽壁504和第二沟槽壁506以外。不是弯曲、平行沟槽壁，第一沟槽壁504和第二沟槽壁506是笔直的且相互平行。像图3的沟槽310一样，沟槽508优选地具有在5 mm至20 mm之间的宽度，其中其他宽度也是可能的。与沟槽310一样，第二沟槽508可以根据需要采用不平行沟槽壁或不同高度的壁。
40.图6将冷却孔324中的一者图示为包括分叉式冷却孔600并且在图3中所示的观察方向326上看。如图3中所图示的，分叉式冷却孔600形成在周界壁304、第一沟槽壁306和第二沟槽壁308的内部或径向延伸的壁的至少一部分中。因此，在图3中所图示的构造中，冷却孔324的一部分包括一些分叉式冷却孔600。
41.如图6中所图示的，每一分叉式冷却孔600包括一冷却孔入口支线602和两个冷却孔分支606。冷却孔入口支线602从设置在末端表面302的内表面上的冷却孔入口610延伸到位于第一沟槽壁306、周界壁304或第二沟槽壁308中的冷却孔分支点608。在冷却孔分支点608处，冷却孔入口支线602分支成两个冷却孔分支606，其中冷却孔分支606中的每一者包括单独且不同的冷却孔出口604。虽然所图示的构造图示具有两个冷却孔分支606的分叉式
冷却孔600，但是其他构造可以包括三个或更多个冷却孔分支606。
42.分叉式冷却孔600可以在涡轮机叶片200或涡轮机叶片200的末端部分300、500的形成期间使用钻孔或扩孔操作形成或者使用增材制造工艺形成。
43.图7是沿着图6的线vii
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vii截取的截面视图，其更好地图示分叉式冷却孔600的其他特征。如可见的，冷却孔入口支线602相对于末端表面302和第一沟槽壁306倾斜地成角度。在优选构造中，冷却孔入口支线602、冷却孔分支点608和冷却孔分支606包括平滑空气动力学过渡部（弯曲状、而非尖角）以确保平滑且高效冷却从其通过的空气流。
44.虽然分叉式冷却孔600的所图示构造包括大致对称（关于截面线vii-vii）冷却孔分支606，但是其他构造可以包括不对称冷却孔分支606，使得每一冷却孔分支606的冷却孔出口604可以指向不同角度并且用于冷却其所离开的第一沟槽壁306、第二沟槽壁308或周界壁304中的不同区域，同时仍消耗与一个笔直通孔相同的冷却质量流。
45.另外，冷却孔出口604在周界壁304、第一沟槽壁306和第二沟槽壁308中的定位使得可以直接冷却这些特征（通常称为凹槽状末端）。特别地，所图示的布置允许内表面（翼型件206的周界内侧的表面）的直接冷却，这增加周界壁304、第一沟槽壁306和第二沟槽壁308处的冷却效果，所述周界壁304、第一沟槽壁306和第二沟槽壁308借助通过分叉式冷却孔600的热传导被直接冷却。
46.在燃气涡轮发动机100的操作期间，高压高温废气128在相邻涡轮机叶片200之间流动，在那里，其膨胀以提取呈旋转功形式的能量。由于废气128的高温，难以在涡轮机叶片200的末端表面302与邻近涡轮机叶片200的静止部件之间形成密封。末端部分300或末端部分500的添加增强操作期间的密封。具体来说，废气128往往跨越末端表面302从压力侧表面212泄漏到吸力侧表面214。周界壁304或周界壁502的添加增强密封。然而，沟槽310或沟槽508的进一步添加形成压力侧凹穴316或压力侧凹穴512和吸力侧凹穴314或吸力侧凹穴514，其在涡轮机叶片200的末端部分300或末端部分500处创造流动条件，这使从压力侧表面212到吸力侧表面214的流更困难，从而增强密封效率。
47.末端部分300的周界壁304、第一沟槽壁306和第二沟槽壁308以及末端部分500的周界壁502、第一沟槽壁504和第二沟槽壁506的布置被提供有直接冷却空气以降低其操作温度并减少损坏（诸如操作期间的氧化）的可能性。从压缩机区段102提取的冷却空气通过涡轮机叶片200、分叉式冷却孔600和多个冷却孔324以根据需要直接冷却各种壁。
48.另外，在某些操作条件下，可能的是，冷却空气可能变得截留在吸力侧凹穴314、514或压力侧凹穴316、512中。第一壁间隙318和第二壁间隙320以及第一壁间隙516和第二壁间隙518为该所截留的冷却空气提供出口以允许其高效逸出。
49.虽然已经详细描述本公开内容的示例性实施例，但是所属领域的技术人员将理解，可以在不背离本公开内容按其最广泛形式的精神和范围的情况下作出本文中公开的各种改变、替换、变化和改进。
50.本技术中的任何描述均不应理解为暗示任何特定要素、步骤、动作或功能是必须包括在权利要求范围内的必不可少的要素：可专利性的主题的范围仅由所允许（所授权）的权利要求定义。此外，这些权利要求中的任何一个都不旨在调用装置加功能权利要求构造（功能性限定权利要求构造，means plus function claim construction），除非确切的词语“用于
…
的装置”（means for）中的用于后面跟随有分词。