CN110770415B - 包括改进的冷却回路的叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮机叶片，其包括叶片根部和从叶片根部(12)径向向外延伸的叶片(13)，所述叶片(13)包括第一内部冷却回路，该第一内部冷却回路包括沿着下表面壁(16)并沿着设置在下表面壁(16)和上表面壁(18)之间的第一内壁(47、45)径向延伸的下表面腔(33、36)，沿上表面壁(18)并沿着设置在下表面壁(16)和上表面壁(18)之间的第二内壁(47、43)径向延伸的上表面腔(34、37)。第一冷却回路包括限定在两个通壁(59、57、55、53)之间的内部通腔(35、38)，每个通腔在下表面壁(16)和上表面壁(18)之间延伸。下表面腔(33、36)、上表面腔(34、37)和内部通腔(35、38)流动地串联连接。

Description

包括改进的冷却回路的叶片

技术领域

本发明涉及一种叶片，例如可以在飞行器涡轮发动机内使用的用于涡轮机的叶片，并且更具体地涉及这种叶片的内部冷却。

背景技术

飞行器涡轮发动机通常包括燃烧室，其燃烧气体可旋转地驱动一个或多个涡轮机。为了保护涡轮机叶片，特别是可移动叶片免受高温的影响，已知的是，使叶片是中空的，以便使冷却剂，例如在燃烧室上游吸入相对较冷的空气，在叶片内循环。

申请人的国际申请WO 2015/162389 A1描述了一种用于涡轮发动机的涡轮机的叶片，其包括具有改进的均匀性的冷却回路。特别地，该叶片在翼型件的厚度内包括几个腔。

然而，提高的性能要求导致涡轮发动机效率的提高，并且因此导致流过涡轮机的燃烧气体的温度升高而不增加叶片内部的冷却剂的流速。因此，尽管上述叶片具有令人满意的结果，但是仍需要一种甚至更耐高温的叶片。

发明内容

为此目的，本发明涉及一种用于涡轮机的叶片，其包括限定叶片的径向内端的叶片根部和从叶片根部径向向外延伸的翼型件，并且所述翼型件具有内弧形壁和在翼型件的前缘和后缘处连接至内弧形壁的外弧形壁，该翼型件包括至少第一内部冷却回路，该第一内部冷却回路包括至少一个内弧形腔和至少一个外弧形腔，所述内弧形腔沿内弧形壁并沿着设置在内弧形壁和外弧形壁之间的第一内壁径向地延伸，所述外弧形腔沿着外弧形壁并沿着设置在内弧形壁和外弧形壁之间的第二内壁径向地延伸，叶片的特征在于，第一冷却回路还包括限定在两个通壁之间的至少一个内部通腔，每个通壁在内弧形壁和外弧形壁之间延伸，远离前缘和后缘，内部通腔沿着内弧形壁和外弧形壁径向地延伸，其中内弧形腔、外弧形腔和内部通腔流动地串联连接。

在本发明中，除非另有说明，否则上游和下游是相对于通过涡轮发动机的气体流动(从上游到下游)的法向方向定义的。上游和下游是相对于在叶片外部循环的气体表示的，通常是从前缘朝向后缘，而不是相对于在叶片内部循环的冷却剂(冷却液)。为了简洁并且不失一般性，此后将不加区别地使用术语冷却剂或更简单地空气。

此外，涡轮机的轴线代表涡轮机的转子的旋转轴线。轴向方向对应于涡轮机轴线的方向，并且翼型件沿其延伸的径向方向是垂直于该轴线并与该轴线相交的方向。因此，径向方向对应于翼型件的纵向方向。类似地，轴向平面是包含涡轮机轴线的平面，而径向平面是垂直于该轴线的平面。横向平面是与径向或纵向正交的平面。圆周表示为属于径向平面的圆，其中心属于涡轮机的轴线。切线方向或圆周方向是与圆周相切的方向；它垂直于压气机的轴线，但不穿过该轴线。

在本发明的意义上，如果腔体在径向方向上长度的至少一半与壁相邻，优选基本上是其整个长度上与壁相邻，则该腔体沿壁径向地延伸。而且，如果这两个腔体在径向方向上在翼型件的长度的至少一半上被壁隔开，优选地在翼型件的整个长度上被壁隔开，则认为这个腔体与另一个腔体不同。

由于存在如上所限定的内部通腔，所以通壁具有变形的自由度以适应叶片的外部部分(诸如相对较热的内弧形和外弧形壁)与叶片的内部部分(诸如相对较冷的第一和第二内壁)之间的差异膨胀。因此，叶片的内部结构变得更加柔性，这限制了叶片中应力的出现，并因此增加了其对温度差异的抵抗力和其年限。内弧形腔、外弧形腔和内部通腔被流动地串联连接的事实也使得最大化冷却剂的功并使叶片内部的温度均匀化成为可能，这也有助于减小叶片中的应力。

第二内壁可以与第一内壁不同或合并(一致)。在第二内壁与第一内壁合并的情况下，内弧形腔和外弧形腔相邻。在这些实施方式中，冷却空气的循环方向可以在翼型件的厚度内在内弧形腔和外弧形腔之间反向。翼型件的厚度表示在横向平面中垂直于内弧形壁和外弧形壁之间的平均线的方向。

另外，第一内壁和第二内壁可各自连接至所述通壁中的一个；然后，第一内壁和第二内壁可以连接到相同的通壁或不同的通壁。

在一些实施方式中，内弧形腔、外弧形腔和内部通腔以此顺序流动地连接。以上述顺序连接所述腔体使得可以进一步优化用于可动叶片的空气的功。实际上，由于叶片组件的旋转，取决于气流是在翼型件内部上升还是下降，科里奥利(Coriolis)力沿着叶片的内弧形壁或外弧形壁挤压冷却空气。前述顺序使得可以将空气压向内弧形腔中的内弧形壁和外弧形腔中的外弧形壁，然后再次压向内部通腔内的内弧形壁。因此，空气与内弧形和外弧形壁的相互作用被最大化，而空气与内壁的相互作用被限制，这使得可以分别并同时改善内弧形和外弧形壁的冷却并限制一方面内弧形和外弧形壁与另一方面内壁之间的叶片内的热量梯度。另外，正如下面将要详细描述的那样，内弧形壁、外弧形壁和内壁的机械性能可取决于温度；特别地，机械性能可以直到阈值温度基本恒定，然后在阈值温度以上逐渐劣化。因此，将内壁冷却到阈值温度以下是没有用的。

在一些实施方式中，内弧形腔和/或外弧形腔的横截面在径向方向上减小。优选地，内弧形腔可具有从翼型件的径向内端朝向翼型件的径向外端减小的横截面。替代地或另外地，外弧形腔可具有从翼型件的径向外端朝向翼型件的径向内端减小的横截面。内弧形和/或外弧形腔在径向上会聚的事实改善了腔内的流动，并且即使没有避免，也可以限制再循环涡流。另外，当内弧形腔和外弧形腔在同一内壁的任意一侧相邻时，通过将使它们分开的内壁相对于径向方向倾斜，能够以结构简单的方式得到上述配置，不管这些腔体是否处于流体连通状态。此外，通过空气与内壁的有限的相互作用来促进这种配置，特别是当空气被压在内弧形腔中的内弧形壁和压在外弧形腔中的外弧形壁时。

在一些实施方式中，第一内壁被连接至第一所述通壁的一个，并且第二内壁被连接至第二所述通壁的一个。第一通壁不同于第二通壁。这意味着第一内壁和第二内壁是不同的。因此，内弧形腔和外弧形腔设置在内部通腔的任一侧。

在一些实施方式中，叶片包括连接到第一内壁或第二内壁的第三通壁，内部冷却回路包括第二通腔，该第二通腔沿着内弧形壁、外弧形壁和第三通壁径向地延伸。第二通腔可以是内部的，也就是说远离前缘或后缘延伸，或者被限定在第三通壁与在前缘或后缘处接合的内弧形壁和外弧形壁之间。第二通腔的存在允许使叶片的内部结构更柔性。

在一些实施方式中，第三通壁被连接到第一内壁(分别为连接到第二内壁)、内弧形腔(分别为外弧形腔)邻近第一通腔和第二通腔。因此，第一和第二通腔可以设置在内弧形腔(分别为外弧形腔)的任一侧。在这些实施方式中，第一和第二通腔由单个内弧形腔(分别为外弧形腔)分开，该内弧形腔沿第一通腔、第二通腔、第一内壁(分别为第二内壁)和内弧形壁(分别为外弧形壁)径向地延伸。

在一些实施方式中，将内弧形腔和外弧形腔设置在内部通腔的任一侧上，并且通道将内弧形腔流动地连接至外弧形腔而不穿过内部通腔。外弧形腔又可以依序流动地连接至内部通腔。在这些实施方式中，内弧形腔、外弧形腔和内部通腔以长号缠绕的形式设置在其自身上。所述通道优选地位于翼型件的径向外端。

在一些实施方式中，相对于内部通腔，内弧形腔被设置在后缘侧，并且外弧形腔被设置在前缘侧。因此，冷却空气在内弧形腔和外弧形腔之间从后缘朝向前缘循环，也就是说，与驱动涡轮机的空气成逆流。相对较新的冷却空气可能会从前缘侧的翼型件中排出，在那里沿翼型件向下游流动，并形成冷却保护层，该冷却保护层由将在后面进行描述的流体膜构成。

在一些实施方式中，第一内壁和第二内壁分别由两个通壁界定，每个通壁在内弧形和外弧形壁之间延伸。由两个通壁界定的每个内壁可以限定大致H形的内部结构。因此，在这些实施方式中，叶片包括大致为双H形的内部结构，侧条为通壁。类似地，可以设想具有大致为三重H形或四重H形或更多H形的内部结构，并具有必要的多个内壁和通壁。如果两个连续的通壁没有通过第一或第二内壁连接，则可以通过上述的内部通腔将它们隔开。

在一些实施方式中，内弧形壁具有至少一个孔，优选地多个孔，其将内部通腔连接到翼型件的外部。该孔可以与其他相似或不同的孔组合，用作内部通腔的空气出口。该孔使得能够沿着内弧形壁排出在内部通腔中循环的空气。因此，它通过流体膜形成了冷却保护层，即众所周知的“膜冷却”，它不仅有助于降低内弧形壁的温度，而且还有助于降低腔体中冷却空气的加热，这被证明是当内弧形腔相对于内部通腔位于后缘侧时，这是特别有利的。可选地，孔可以被定向朝向后缘，这改善了气流的均匀性并增强了保护层。

在一些实施方式中，叶片包括与内部冷却回路相同的第二内部冷却回路，特别是其中第一内部冷却回路的第一内壁与第二内部冷却回路的第二内壁合并。

通过“相同”，应理解，第二内部冷却回路可包括至少一个内弧形腔和至少一个外弧形腔，所述内弧形腔沿着内弧形壁和设置在内弧形壁与外弧形壁之间的第一内壁径向地延伸，所述外弧形腔沿着外弧形壁和设置在内弧形壁与外弧形壁之间的第二内壁径向地延伸，所述第二冷却回路还可以包括限定在两个通壁之间的至少一个内部通腔，每个通壁在内弧形壁和外弧形壁之间延伸，远离前缘和后缘，内部通腔沿着内弧形壁和外弧形壁径向地延伸，其中内弧形腔、外弧形腔和内部通腔流动地串联连接。可选地，第二内部冷却回路可具有关于第一内部冷却回路的全部或一些其他详细特征。

此外，可以基于循环提供这种配置：因此，一些实施方式包括与第二内部冷却回路相同的第三内部冷却回路，特别是其中第二内部冷却回路的第一内壁与第三内部冷却回路的第二内壁合并。以这种方式，可以根据相同方案提供几个其他内部冷却回路。

在一些实施方式中，叶片包括在其径向外端处的桶，并且第一内部冷却回路包括沿着外弧形壁径向延伸的辅助外弧形腔，并被配置成供应桶的冷却腔，其通常设置在桶的下方。桶是位于叶片的顶端中的腔体，也就是说，在其径向外端处，该腔体朝向所述端敞开并且由底壁和凸缘限定，所述凸缘在前缘和后缘之间延伸。桶的冷却腔旨在改善翼型件顶端处的冷却，这是叶片在运行中的传统热点，难以冷却且使用年限有限。

在一些实施方式中，翼型件包括前缘冷却回路，该前缘冷却回路包括上游腔，该上游腔沿着内弧形壁和外弧形壁径向地延伸并且邻近前缘；以及第一供应腔，该第一供应腔流动地连接到上游腔以用于其冷却空气的供应。由于经由第一供应腔，上游腔的供应是间接的事实，还可以向上游腔的径向外端提供已经很少起作用的相对新鲜的空气，从而改善了翼型件顶端前缘处的冷却。上游腔和第一供应腔之间的流体连接可以通过冲击设备来实现。这种冲击设备可以包括多个通道。这些通道相对于腔的尺寸可以具有小的截面和/或基本上径向地设置。这些通道可被配置成使穿过其中的空气加速，从而形成射流，该射流冲击面对的壁，这里是上游腔的壁，从而局部地改善了热交换。

在一些实施方式中，翼型件包括后缘冷却回路，该后缘冷却回路包括沿着内弧形壁和外弧形壁径向地延伸并邻近后缘的下游腔，以及第二供应腔，该第二供应腔流动地连接到下游腔以用于其冷却空气的供应。由于经由第二供应腔，下游腔的供应是间接的事实，还可以向下游腔的径向外端提供已经很少起作用的相对新鲜的空气，这改善了翼型件顶端后缘的冷却。下游腔和第二供应腔之间的流体连接可以通过多个孔来实现，多个孔在径向方向上设置在分隔第二供应腔的下游腔的壁的基本上整个长度上。这样的多个孔有时被称为“校准”。

本发明还涉及一种用于涡轮机的叶片，其包括限定叶片的径向内端的叶片根部和从叶片根部径向向外延伸的翼型件，该翼型件具有内弧形壁和在翼型件的前缘和后缘处连接至内弧形壁的和外弧形壁，该翼型件包括至少第一内部冷却回路，该第一内部冷却回路包括至少第一通壁、第二通壁、第三通壁和第四通壁，每个所述通壁延伸在内弧形壁和外弧形壁之间，远离前缘和后缘，至少一个内壁设置在内弧形壁和外弧形壁之间，并连接到第二通壁和第三通壁，因此用以限定在第一通壁和第二通壁之间沿着内弧形壁和外弧形壁径向地延伸的第一内部通腔，沿内弧形壁、内壁以及第二和第三通壁径向地延伸的内弧形腔，沿外弧形壁、内壁以及第二和第三通壁径向地延伸的外弧形腔，以及在第三通壁和第四通壁之间沿内弧形壁和外弧形壁径向地延伸的第二内部通腔。这样的叶片可以具有全部或一些先前描述的特征。

本发明还涉及一种包括前述叶片的涡轮发动机。术语“涡轮发动机”是指产生驱动力的所有燃气涡轮机设备，其中尤其是涡轮喷气发动机和涡轮机发动机，其中涡轮喷气发动机通过对热气体的高速喷射作出反应来提供推进所需的推力，其中涡轮机发动机驱动力是通过驱动轴的旋转来提供。例如，涡轮机发动机用作直升机、轮船、火车的发动机或用作工业发动机。涡轮螺旋桨发动机(驱动螺旋桨的涡轮机发动机)也是用作飞行器发动机的涡轮机发动机。

附图说明

通过阅读以下作为非限制性示例给出的本发明实施方式的详细说明，将更好地理解本发明及其优点。该说明参考附图，其中：

-图1示出根据第一实施方式的用于涡轮机的叶片的透视图；

-图2示出了根据第一实施方式的叶片根据图1的平面II-II的横截面；

-图3示出了根据第一实施方式的叶片沿着图1的平面III-III的横截面；

-图4示出了根据第一实施方式的叶片沿着图1的平面IV-IV的横截面；

-图5示出了根据第一实施方式的叶片沿着图1的平面V-V的横截面；

-图6示出了根据第一实施方式的叶片沿着图1的平面VI-VI的横截面；

-图7是根据第一实施方式的叶片内部的冷却剂的流动的合成图；

-图8示意性地示出了根据使用的第一实施方式的叶片的变形在根据图1的平面III-III的横截面；

-图9示出了根据第一实施方式的叶片根据图1的平面IX-IX的横截面；

-图10是根据第二实施方式的叶片内部的冷却剂的流动的合成图；

-图11是根据第三实施方式的叶片内部的冷却剂的流动的合成图；

-图12是根据第四实施方式的叶片内部的冷却剂的流动的合成图；

-图13是结合有根据实施方式之一的叶片的涡轮发动机的局部示意性截面图。

具体实施方式

图1透视地示出了根据第一实施方式的用于燃气涡轮机的中空转子叶片10的示例。冷却空气(未示出)沿着翼型件13的纵向方向R-R'(图中的垂直方向和相对于转子的旋转轴线X-X'的径向方向)从叶片根部12的底部在叶片内部朝向叶片的顶端14(在图1的顶部)流入翼型件13，然后该冷却空气通过出口逸出以汇入主气流。根部12形成叶片10的径向内端，而顶端14形成叶片10的径向外端。

特别地，该冷却空气在位于翼型件13内部的内部冷却回路中循环，该内部冷却回路的一些分支在桶中设置的通孔15处通向叶片的顶端14。

翼型件的主体被成形为使得其限定了内弧形壁16和外弧形壁18。内弧形壁16具有大致凹入的形状，并且是第一个面对热气流而出现的壁，也就是说，通过其外表面朝向上游在气体的压力面上。外弧形壁18是凸形的，并且随后面对热气流出现，也就是说沿其外表面朝向下游在气体的吸入面上。

内弧形壁16和外弧形壁18在前缘20的位置和后缘22的位置接合，所述前缘20和后缘22在叶片的顶端14和叶片的根部12的顶部之间径向地延伸。

如前所述，翼型件13包括第一内部冷却回路，将参考图2至图9对其进行详细说明。特别地，图2至图6示出了从翼型件13的径向内端到其径向外端的连续截面。

图3在沿横向平面的横截面中示出了翼型件13。平面III-III优选地位于在纵向方向上翼型件13的尺寸的10％至90％之间，优选地在20％至80％之间，更优选地在25％至75％之间。

如图3所示，叶片包括通过径向延伸的壁彼此分开的腔体31-41。更特别地，叶片10包括通壁，每个通壁在内弧形壁16和外弧形壁18之间延伸，与前缘20和后缘22相距一定距离。在该实施方式中，叶片包括七个通壁51、53、55、57、59、61、63。如图所示，通壁的横截面可以基本上是直线的。

此外，叶片10包括内壁，每个内壁布置在内弧形壁16和外弧形壁18之间，并且距内弧形壁16和外弧形壁18一定距离，在这种情况下为三个内壁43、45、47。如图所示，内壁的横截面可以基本上是直线的。

内壁连接成对的通壁，从而形成大致H形的结构。更具体地，在该实施方式中，内壁43连接通壁51和53，内壁45连接通壁55和57，并且内壁47连接通壁59和61，从而形成三个大致H形结构，所述三个结构仅通过内弧形壁和外弧形壁16、18彼此连接。

如图3所示，前述的大致H形结构被内部通腔成对地隔开。因此，在该实施方式中，叶片10包括两个内部通腔35、38。内部通腔35(分别为内部通腔38)被限定在属于的两个通壁57、59(分别为两个通壁53、55)之间，两个通壁属于不同的H形结构并沿内弧形壁16和外弧形壁18径向地延伸。

因此，内弧形壁16、外弧形壁18、内壁43、45、47和通壁51、53、55、57、59、61、63限定了多个腔，这些腔的特征和作用现在将进行详细说明。

上游腔31沿着内弧形壁16和外弧形壁18径向地延伸，并且由通壁51界定。上游腔31与前缘20相邻。

第一供应腔32被限定在内弧形壁16、通壁51、内壁43和通壁53之间。就其而言，其沿着内弧形壁16和内壁径向地延伸，第一供应腔32也可以称为内弧形腔。第一供应腔32流动地连接到上游腔31以用于其冷却空气的供应，例如通过如先前限定的冲击设备。就其本身而言，第一供应腔32可以经由设置在叶片根部12中的进气段(例如通道)被供应冷却空气。

上游腔31和第一供应腔32形成前缘冷却回路，以确保翼型件13在其前缘20处的冷却。

类似地，下游腔40沿着内弧形壁16和外弧形壁18径向地延伸，并由通壁63界定。下游腔40与后缘22相邻。

第二供应腔39被限定在内弧形壁16、通壁61、外弧形壁18和通壁63之间。第二供应腔39流动地连接到下游腔40以用于其冷却空气的供应，例如通过先前限定的校准。就其本身而言，第二供应腔39可以经由设置在叶片根部12中的进气段(例如通道)被供应冷却空气。

下游腔40和第二供应腔39形成后缘冷却回路，以确保翼型件13在其后缘22处的冷却。

翼型件13还包括第一内部冷却回路，该第一内部冷却回路包括至少一个内弧形腔，在这种情况下，该内弧形腔可从两个内弧形腔33、36中选择。内弧形腔33(分别为内弧形腔36)沿内弧形壁16和设置在内弧形壁16和外弧形壁18之间的内壁47(分别为内壁45)径向地延伸。限定内弧形腔33(分别为内弧形腔36)的所述内壁47(分别为内壁45)可以称为第一内壁。此外，内弧形腔33(分别为内弧形腔36)由通壁59、61(分别为通壁55、57)界定，第一内壁47(分别为第一内壁45)被连接至所述通壁59、61(分别地所述通壁55、57)。

第一内部冷却回路还包括至少一个外弧形腔，在这种情况下，该外弧形腔可以从三个外弧形腔37、41、34中选择。外弧形腔37(分别为外弧形腔41，分别为外弧形腔34)沿外弧形壁18和布置在内弧形壁16和外弧形壁18之间的内壁43(分别为内壁45，分别为内壁47)径向地延伸。限定外弧形腔37(分别为外弧形腔41，分别为外弧形腔34)的所述内壁43(分别为内壁45，分别为内壁47)可以称为第二内壁。第二内壁可以与上述第一内壁不同或合并。在第一内壁和第二内壁合并的情况下，相应的内弧形腔和外弧形腔可位于所述第一内壁和第二内壁的任一侧。例如，它可以是内弧形腔33、外弧形腔34和内壁47。相反，在第一和第二内壁不同的情况下，相应的内弧形腔和外弧形腔不位于相同内壁的任一侧。该示例可以通过由第一内壁45限定的内弧形腔36和由第二内壁43限定的外弧形腔37来示出。

此外，外弧形腔37(分别为外弧形腔41，分别为外弧形腔34)由通壁51、53(分别为通壁55、57，分别为通壁59、61)界定，第二内壁43(分别为第二内壁45，分别为第二内壁47)被连接至所述通壁51、53(分别地所述通壁55、57，分别地所述通壁59、61)。

另外，第一冷却回路还包括至少一个内部通腔，在这种情况下，其可以从三个内部通腔38、35、39中选择。内部通腔38(分别为35，分别为39)在两个通壁51、53(分别为55、57，分别为59、61)之间被限定，并沿内弧形壁16和外弧形壁18径向地延伸。

因此，在该第一实施方式中，可以识别出第一内部冷却回路包括沿着内弧形壁16以及设置在内弧形壁16和外弧形壁18之间的第一内壁47径向地延伸的至少一个内弧形腔33，沿着外弧形壁18以及设置在内弧形壁16和外弧形壁18之间的第二内壁47径向地延伸的至少一个内弧形腔34，并且在这种情况下第二内壁与第一内壁合并，第一冷却回路还包括限定在两个通壁57、59之间的至少一个内部通腔35，每个通壁在内弧形壁16和外弧形壁18之间延伸，与前缘20和后缘22相距一定距离，内部通腔35沿着内弧形壁16和外弧形壁18径向地延伸。第一内壁47(因此第二内壁)被连接到所述通壁的一个，即通壁59。

在该实施方式中，翼型件13包括另一个第一内部冷却回路，该第一内部冷却回路包括沿着内弧形壁16以及设置在内弧形壁16和外弧形壁18之间的第一内壁45径向地延伸的至少一个内弧形腔36，沿外弧形壁18以及设置在内弧形壁16和外弧形壁18之间的第二内壁43径向地延伸的至少一个外弧形腔37，第一冷却回路还包括限定在两个通壁53、55之间的至少一个内部通腔38，每个通壁在内弧形壁16和外弧形壁18之间延伸，与前缘20和后缘22相距一定距离，内部通腔38沿内弧形壁16和外弧形壁18径向地延伸。第一内壁45和第二内壁43每个都被连接到所述通壁之一，即分别连接到通壁53、55。

图2示出了比图3的截面在径向上更向内的翼型件13的截面(见图1)。如图2所示，在翼型件的径向内部，通道53a设置在通壁53中，以将外弧形腔37流动地连接到内部通腔38。此外，通道59a布置在通壁59中以将外弧形腔34流动地连接至内部通腔35。因此，外弧形腔34(分别为外弧形腔37)和内部通腔35(分别为内部通腔38)流动地串联连接，如箭头所示，从腔体34至35(分别从腔体37至38)流体的通道。

更一般地，通道59a(分别为通道53a)设置在叶片13的径向内部中，以流动地连接外弧形腔34(分别为外弧形腔37)和内部通腔35(分别为内部通腔38)。

图4示出了比图3的截面在径向上更向外的翼型件13的截面(参见图1)。如图4所示，在翼型件的径向外部，通道47b设置在内壁47中，以流动地连接内弧形腔33到外弧形腔34。因此，内弧形腔33和外弧形腔34流动地串联连接，如箭头所示，代表所述腔之间的流体的通道。更一般地，通道47b设置在翼型件13的径向外部中，以流动地连接内弧形腔33和外弧形腔34。

鉴于上述情况，内弧形腔33、外弧形腔34和内部通腔35以该顺序流动地串联连接。

图5示出了比图4的截面在径向上更向外的翼型件13的截面(见图1)。如图5所示，底壁64封闭内弧形腔33、外弧形腔34、内部通腔35、第二供应腔39和下游腔40的径向外端。而且，底壁66封闭内部通腔38的径向外端。另一方面，上游腔31、第一供应腔32、内弧形腔36、外弧形腔37和外弧形腔41径向延伸超过底壁64、66。

图6示出了比图5的截面在径向上更向外的翼型件13的截面(见图1)。如图6中可见，由于底壁66，通道68流动地连接内弧形腔36至外弧形腔37，而没有穿过内部通腔38。因此，内弧形腔36和外弧形腔37为流动地串联连接，如箭头所示，代表所述腔体之间的流体通道。在这种情况下，通道68悬在内部通腔38的上方。更普遍地，通道68设置在翼型件13的径向外部中，以流动地连接内弧形腔36和外弧形腔37。

鉴于前述，内弧形腔36、外弧形腔37和内部通腔38以该顺序流动地串联连接。

另一方面，外弧形腔41可以用作辅助外弧形腔，用于供应沿径向方向位于桶下方的桶的冷却腔42。辅助外弧形腔41定位在外弧形侧上，远离前缘和后缘，优选地在前缘20和后缘22之间的中间位置中，使得可以限制在辅助外弧形腔41中冷却空气流动期间冷却空气的加热，并向桶的冷却腔42输送尽可能冷的流体，以有效冷却顶端14。由于底壁64，仅通过辅助外弧形腔41向冷却腔42提供冷却，并且与内弧形腔33、外弧形腔34、内部通腔35、第二供应腔39和下游腔40流动地隔离。

图7从图3的截面示意性地示出了前述实施方式中的冷却空气的循环。流动地串联连接在一起的腔体已经用相同密度的点表示。箭头指示流体的可能循环方向，该方向根据以下内容确定。

在本实施方式中，可以在叶片根部12中设置进气口部分，以供应冷却空气腔。例如，可以为以下腔室中的至少一个或每个设置进气口部分：第一供应腔室32、内弧形腔33、内弧形腔36、第二供应腔39、辅助外弧形腔41。

在这些条件下获得的冷却剂的循环方向如图8所示。从图8可以看出，冷却剂在供应腔32、39中、内弧形腔33、36中、内部通腔35、38中和下游腔40中从根部12循环到顶端14，以及在外弧形腔34和37中从顶端14循环到根部12。

当安装有叶片10的转子沿图8所示的方向S旋转时，冷却空气进一步承受科里奥利力。在给定上述循环方向的情况下，在供应腔32、39中、内弧形腔33、36中、内部通腔35、38中和下游腔40中，空气被压向所述腔体的内弧形侧，这在图8中以实线示出。相反，在外弧形腔34、37中，空气被压向所述腔体的外弧形侧。

由于这种冷却以及由于通壁和内壁的布置，在运行中累积在翼型件13中的热机械应力被大大减小。实际上，图8还示意性地示出了翼型件13的结构所经受的变形。从图8可以看出，由于它们较高的运行温度，内弧形壁和外弧形壁16、18的变形较内壁43、45、47更大。内部通腔诸如腔体35、38的存在，以及在一定程度上也满足本发明意义上的内部通腔的定义的第二供应腔39的存在，使得有可能适应这种差异膨胀并且可以最小化翼型件13内的应力，这可以从通壁采用的曲率推导出来。

此外，内壁43、45、47的存在和相对小的变形使得可以适当地支撑横向延伸的底壁64、66。实际上，在内壁43、45、47处比内弧形壁和外弧形壁16、18低的温度下，在所有条件相同的情况下，具有更好的机械性能，更坚硬并且更好地承受了由离心力引起的与涡轮机旋转有关的应力。内壁43、45、47的力的这种恢复也减轻了内弧形壁和外弧形壁16、18，因此使用年限增加。

图9与图3基本相同，除了被考虑的翼型件13的截面(图1中的IX-IX平面)被选择为显示出孔的存在，该孔允许空气在翼型件13内并向翼型件13的外部循环。

在通壁51中，在第一供应腔32和上游腔31之间设置有孔62，优选为多个孔。如先前所公开的，孔62允许向上游腔31间接地供应冷却空气。

在通壁63中，在第二供应腔39和下游腔40之间设置有孔69，优选为多个孔。如先前所公开的，孔69允许向下游腔40间接地供应冷却空气。

此外，在内弧形壁16中设置有诸如孔31c、35c、38c、40c之类的排放孔，分别通向上游腔31、内部通腔35、38和下游腔40。排放孔31c、35c、38c、40c可配置成在所述孔的下游在翼型件13的外表面上形成保护流体膜。为此，孔31c、35c、38c、40c可朝向后缘22定向。在这种情况下，所述孔分别形成保护膜32'、33'、36'和40'，分别保护腔体32、33、36、40。

类似地，排放孔31d可以设置在外弧形壁18中，特别是在前缘处。在这种情况下，排放孔31d将上游腔31连接到翼型件13的外部，并允许形成旨在保护外弧形腔37的保护流体膜37'。

如从图9所见，提供了腔体和排放孔，以使回路保护自己。例如，通过内弧形腔36进入的空气朝着外弧形腔37循环，然后朝内部通腔38循环，然后通过排放孔38c排出，在此处它有助于形成保护流体膜36'，保护流体膜36'保护内弧形腔36。为此目的，有利的是，空气通常在腔体中以逆流的方式循环，也就是说，从后缘朝向前缘循环。在该示例中就是这种情况，因为排气腔，即内部通腔38位于进气腔，即内弧形腔36的上游。这同样适用于前缘冷却回路和用于由腔体33-35形成的内部冷却回路。

叶片10可以根据本身已知的方法由失蜡铸造制成。为此，预先制造芯部，该芯部占据在模具生产期间要布置用于腔体的空间。

可以根据任何合适的方法来制造一方面与腔体33-35相对应，另一方面与腔体36-38相对应的芯部，例如，通过在模具中可能使用嵌件进行模制，或者通过增材制造。

可以以本领域技术人员已知的方式来执行在模具的制造期间对芯部的保持。一方面与腔体33-35相对应的芯部，另一方面与腔体36-38相对应的芯部可以由位于根部12中的两个支承件支承。为了避免过多数量的支承件并简化根部12的布置，每个芯部仅提供一个根部是可能的，该保持由不受位置限制的附属物完成。优选提供该附属物以在最终叶片中形成开口，然后该开口很可能被钎焊球重新密封。

在金属倒出和芯部被破坏之后，腔体可以进行除尘操作。为此，可以在翼型件中，例如在叶片顶端处设置除尘孔。如果需要，为了除尘分别由底壁64、66封闭的通腔35、38的目的，桶的冷却腔42和/或通道68的形状可以适合于允许固定到芯部的杆的通过和直接通过铸造产生除尘孔，和/或允许在翼型件铸造之后通过机械加工来制造所述孔。除尘孔还可能在运行中允许排出碎屑。

图10至图12示出了其他实施方式中的用于涡轮机的叶片。在这些图中，与第一实施方式的元件相对应或相同的元件将在百位数内接收相同的附图标记，并且将不再描述。

图10至图12是类似于图7的示意图，并根据上述相同的约定表示。

在根据图10所示的第二实施方式的翼型件113中，腔体137被用作辅助外弧形腔。腔体141用作在内弧形腔136和内部通腔138之间流动地串联连接的外弧形腔。关于图5描述的底壁66可以延伸以封闭内弧形腔136和外弧形腔141，假设在该实施方式中没有必要提供类似于关于图6描述的通道68的通道。

因此，在该实施方式中，翼型件包括第一内部冷却回路，该第一内部冷却回路包括内弧形腔133、外弧形腔134和内部通腔135，以及第二内部冷却回路，其包括内弧形腔136、外弧形腔141和内部通腔138。在本公开的含义内，该实施方式的第一和第二内部冷却回路是相同的。此外，前缘和后缘冷却回路的腔体131、132、139、140是不变的。

该实施方式允许提供桶的冷却腔，该冷却腔大于上述的冷却腔42，并且允许内部冷却回路的芯部的类似制造。

在根据图11所示的第三实施方式的翼型件213中，由腔体236-238形成的第一内部冷却回路与根据第一实施方式的第一内部冷却回路(腔体36-38)相同。然而，腔体234用作辅助外弧形腔。腔体241用作在内弧形腔233和内部通腔235之间流动地串联连接的外弧形腔。因此，为了在内弧形腔233和外弧形腔241之间布置不穿过内部通腔235的通道(类似于关于图6描述的通道68的通道)，关于第一实施方式，有必要修改关于图5描述的底壁64，以允许内弧形腔233和辅助外弧形腔234延伸穿过所述底壁。

因此，在该实施方式中，翼型件包括第一内部冷却回路，该第一内部冷却回路包括内弧形腔233、外弧形腔241和内部通腔235，以及第二内部冷却回路，其包括内弧形腔236、外弧形腔237和内部通腔238。在本公开的含义内，该实施方式的第一和第二内部冷却回路是相同的。另外，第一内部冷却回路的第一内壁245与第二内部冷却回路的第二内壁合并。

该实施方式允许将辅助外弧形腔234的进气部分与第二供应腔239的进气部分合并，这有利于翼型件根部的布置及其制造。

图12所示的根据第四实施方式的翼型件313与根据第三实施方式的翼型件213相似，不同之处在于它仅包括第一内部冷却回路，在这种情况下是由腔体336、337和338形成的第一内部冷却回路。该实施方式可有利地用于比上述尺寸小的翼型件。为了进一步减小翼型件313的尺寸，一方面可以将上游腔331与第一供应腔332统一，和/或另一方面将下游腔340与第二供应腔339统一。尽管前述实施方式具有配置成形成三重H形结构的内壁和通壁，根据第四实施方式的叶片313的内壁和通壁形成双H形结构。通过这种结构获得的效果并且关于其他实施方式描述的效果在细节上作必要的变通。

根据任一个所描述的实施方式中的叶片10可以是用于涡轮发动机100的涡轮机的可移动叶片，如图13中示意性地表示。

尽管已经参考实施方式的特定示例描述了本发明，但是在不脱离由权利要求限定的本发明的总体范围的情况下，可以对这些示例进行修改。例如，尽管已经沿着与优选实施方式相对应的特定方向描述了腔体中的流体流动，但是对于本领域技术人员显而易见的是，可以改变腔体之间的通道的径向位置和/或重新布置叶片根部的进气部分，以施加与本公开中所述不同的冷却剂的循环方向。

另外，尽管已将腔体表示为光滑且空的，但是可以在其中提供扰流器以增加热交换。

通常，可以在另外的实施方式中组合各种图示/提到的实施方式的各个特征。因此，应当以说明性而非限制性的意义来考虑说明书和附图。

Claims (11)

1.一种用于涡轮机的叶片，其包括限定叶片的径向内端的叶片根部和从叶片根部径向向外延伸的翼型件，并且所述翼型件具有内弧形壁和在翼型件的前缘和后缘上连接至内弧形壁的外弧形壁，该翼型件包括至少第一内部冷却回路，所述第一内部冷却回路包括至少一个内弧形腔和至少一个外弧形腔，所述内弧形腔沿着内弧形壁并沿着设置在内弧形壁和外弧形壁之间的第一内壁径向地延伸，所述外弧形腔沿着外弧形壁并沿着设置在内弧形壁和外弧形壁之间的第二内壁径向地延伸，其特征在于，第一冷却回路还包括限定在两个通壁之间的至少一个内部通腔，每个通壁在内弧形壁和外弧形壁之间延伸，内部通腔沿着内弧形壁和外弧形壁径向延伸，其中内弧形腔、外弧形腔和内部通腔流动地串联连接，其中内弧形腔和外弧形腔被设置在内部通腔的任一侧上，通道将内弧形腔流动地连接到外弧形腔，而不穿过内部通腔。

2.根据权利要求1所述的叶片，其中内弧形腔、外弧形腔和内部通腔以该顺序流动地串联连接。

3.根据权利要求1所述的叶片，其中第一内壁被连接至第一所述通壁的一个，并且第二内壁被连接至第二所述通壁的一个。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的叶片，其包括与第一内壁或第二内壁连接的第三通壁，内部冷却回路包括第二通腔，该第二通腔沿内弧形壁、外弧形壁和第三通壁径向地延伸。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的叶片，其中相对于内部通腔，内弧形腔被设置在后缘侧，并且外弧形腔被设置在前缘侧。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的叶片，其中第一内壁和第二内壁分别由两个通壁界定，每个通壁在内弧形壁和外弧形壁之间延伸。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的叶片，其中内弧形壁具有将内部通腔连接至翼型件的外部的至少一个孔。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的叶片，翼型件包括与内部冷却回路相同的第二内部冷却回路。

9.根据权利要求8所述的叶片，其中第一内部冷却回路的第一内壁与第二内部冷却回路的第二内壁合并。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的叶片，其包括在其径向外端处的桶，并且其中第一内部冷却回路包括沿外弧形壁径向延伸的辅助外弧形腔，并且被配置成供应桶的冷却腔。

11.一种涡轮发动机，其包括根据权利要求1至10中任一项所述的叶片。

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