具体实施方式

首先，为了清楚地描述当前公开的主题，当提及和描述涡轮机内的相关机器部件时，将有必要选择某些术语。在可能范围内，通用行业术语将以与术语的接受含义一致的方式来使用和采用。除非另有说明，否则应当对此类术语给出与本申请的上下文和所附权利要求书的范围一致的广义解释。本领域的普通技术人员将了解，通常可以使用若干不同或重叠术语来引用特定部件。在本文中可描述为单个零件的物体可以包括多个部件并且在另一个上下文中被引用为由多个部件组成。另选地，本文中可描述为包括多个部件的物体可在别处称为单个零件。

此外，本文中可能会定期使用若干描述性术语，并且在本节开始时定义这些术语应当证明是有帮助的。除非另有说明，否则这些术语以及其定义如下。如本文所用，“下游”和“上游”是指示相对于流体流动(诸如翼型件中冲击后空间中的冷却剂，或者例如通过燃烧器的空气流)的方向的术语。术语“下游”对应于流体流动方向，并且术语“上游”是指与流动相反的方向。在没有任何进一步细节的情况下，术语“前”和“后”是指方向，其中“前”是指发动机的前端或压缩机端，并且“后”是指涡轮机的后侧区段。

通常需要描述相对于中心轴线设置在不同径向位置的零件。术语“径向”是指垂直于轴线的移动或位置。例如，如果第一部件比第二部件更靠近轴线，则本文将说明第一部件沿第二部件“径向向内”或在第二部件的“内侧”。另一方面，如果第一部件比第二部件更远离轴线驻留，则本文可以说明第一部件是第二部件的“径向向外”或“外侧”。术语“轴向”是指平行于轴线的移动或位置。最后，术语“圆周”是指围绕轴线的移动或位置。应当理解，此类术语可以相对于涡轮的中心轴线应用。

此外，在本文中可以有规律地使用若干描述性术语，如下所述。术语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地使用，以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示单独部件的位置或重要性。

本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的并且不旨在限制本公开。如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确地说明。将进一步理解，当在说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在陈述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。“可选的”或“可选地”意指随后描述的事件或情况可以或可以不发生，或者随后描述的元件或特征可以或可以不存在，并且该描述包括事件发生(或特征存在)的实例和其不发生(或不存在)的实例。

在元件或层被称为“处于另一个元件或层上”、“接合到另一个元件或层”、“连接到另一个元件或层”或“联接到另一个元件或层”的情况下，它可直接处于另一元件或层上、接合到另一元件或层、连接到另一元件或层或联接到另一元件或层，或者可存在居间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接处于另一个元件或层上”、“直接接合到另一个元件或层”、“直接连接到另一个元件或层”或“直接联接到另一个元件或层”时，可不存在居间元件或层。用于描述元件之间关系的其他词语应以类似的方式解释(例如，“在......之间”与“直接在......之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。

本公开的实施方案提供了一种铸造涡轮喷嘴、涡轮喷嘴区段和涡轮。涡轮喷嘴在其翼型件中冷却腔的内表面上包括多个热传递突起部。热传递突起部提供改善的冷却效应以维持零件寿命、涡轮效率和功率输出。更具体地，相对于平坦、非增强的表面，热传递突起部(或“凸起部”)增加了翼型件内部的表面积，并且通过扰动气流和“跳闸”边界层流来提供附加的热传递效应，从而增加能量交换(热传递)。热传递突起部仅被施加到翼型件主体的一部分，即包括和围绕前缘的区域，以防止更窄的翼型件的前缘下游过热。

参考附图，图1是燃烧涡轮或燃气涡轮(GT)系统100(下文为“GT系统100”)形式的例示性涡轮机90的示意性视图。GT系统100包括压缩机102和燃烧器104。燃烧器104包括燃烧区105和头端组件106，该头端组件包括一个或多个燃料喷嘴。GT系统100还包括涡轮108和普通压缩机/涡轮轴110(在下文中称为“转子110”)。在一个实施方案中，GT系统100是6F.03FL18发动机，其可从南卡罗来纳州格林维尔通用电气公司(General ElectricCompany，Greenville，S.C)购得。本公开不限于任一种特定的GT系统，并且可以与其他发动机一起植入，包括例如通用电气公司的HA、F、B、LM、GT、TM和E级发动机型，以及其他公司的发动机型。此外，本公开的教导内容不一定仅适用于GT系统，并且可应用于其他类型的涡轮机(例如蒸汽涡轮、喷气发动机、压缩机等)的叶片和/或喷嘴。

在操作中，空气流过压缩机102，并且压缩空气被供应给燃烧器104。具体地，压缩空气被供应给头端组件106中与燃烧器104成一体的的燃料喷嘴。头端组件106与燃烧区105流体连通。头端组件106中的燃料喷嘴还与燃料源(图1中未示出)流体连通，并且燃料喷嘴将燃料和空气通到燃烧区105。燃烧器104点燃并且燃烧燃料以生成燃烧产物。在例示性实施方案中，存在多个具有头端组件106的燃烧器104，其中每个头端组件106具有一个或多个燃料喷嘴。燃烧器104与涡轮108流体连通，来自燃烧产物的燃气蒸汽热能在该涡轮内转换成机械旋转能。

涡轮108可旋转地联接到转子110并且驱动该转子。压缩机102也可旋转地联接到转子110。转子110的至少一个端部可轴向地延伸远离涡轮108，并且可附接到负载或机械(未示出)，诸如但不限于发电机、负载压缩机和/或另一个涡轮。

图2示出了可与图1中的GT系统100一起使用的具有四个级L0-L3的涡轮108的例示性部分的横截面视图。该四个级称为L0、L1、L2和L3。级L0是第一级并且是四个级中的最小级(在径向方向上)。级L1是第一级在轴向方向之后的第二级。级L2是第三级并且是第二级在轴向方向之后的下一级。级L3是第四级，即轴向方向上的最后一级，并且其叶片最大(在径向方向上)。应当理解，四个级仅作为一个示例示出，并且每个涡轮可以具有多于或少于四个级。

一组静止叶片或喷嘴112与一组旋转叶片114配合，以形成涡轮108的每个级L0-L3并且限定通过涡轮108的流动路径的一部分。每组中的旋转叶片114联接到相应的转子轮116，该转子轮将它们周向地联接到转子110(图1)。即，多个旋转叶片114以周向间隔的方式机械地联接到每个转子轮116。静止喷嘴区段115包括围绕转子110周向间隔的多个静止喷嘴112。每个喷嘴112可包括与翼型件130连接的至少一个端壁(或平台)120、122。在所示的示例中，喷嘴112包括径向外端壁120和径向内端壁122。径向外端壁120将喷嘴112联接到涡轮108的壳体124。在某些实施方案中，静止喷嘴区段115为第二级喷嘴区段，即图2中的级L1。

转到图3，示出了根据各种实施方案的铸造涡轮喷嘴(或简称喷嘴)112的示意性透视图，以更好地示出喷嘴的零件。在图3中，两个喷嘴112被示出为静止喷嘴区段115的零件。这样，每个喷嘴112是静止喷嘴，其形成静止喷嘴区段115(图2)的零件并且形成呈涡轮(例如，涡轮108)的级的静止喷嘴的环带的零件，如前所述。在涡轮(例如，涡轮108)的操作期间，喷嘴112可保持静止以便引导工作流体(例如，燃气，也可是蒸汽)流动到一个或多个可移动叶片(例如，叶片114)，从而引起那些可移动叶片发起转子110的旋转。应当理解，喷嘴112被构造成与多个类似或不同的喷嘴(例如，喷嘴112或其他喷嘴)联接(经由紧固件、焊接、狭槽/凹槽等机械地联接)以形成呈涡轮108的级L0-L3的喷嘴的环带。

每个涡轮喷嘴112可包括具有翼型件130的主体128，该翼型件具有凸形吸力侧132和与吸力侧132相对的凹形压力侧134(图3中被阻挡)。喷嘴112可还包括跨接在压力侧134与吸力侧132之间的前缘136，以及与前缘136相对并且跨接在压力侧134与吸力侧132之间的后缘138。如图所示，并且如前所述，喷嘴112还可包括沿吸入侧132、压力侧134、后缘138和前缘136与翼型件130连接的至少一个端壁120、122(示出了两个)。在所示的示例中，喷嘴112包括径向外端壁120和径向内端壁122。径向外端壁120被构造成在静止喷嘴区段115(图2)的径向外侧上对准，并且被构造成将相应的喷嘴112联接到涡轮108(图2)的壳体124(图2)。径向内端壁122被构造成在静止喷嘴区段115的径向内侧上对齐(图2)。

在各种实施方案中，每个喷嘴112包括连接翼型件130和每个相应的端壁120、122的圆角140、142。圆角140可包括焊接或钎焊圆角，该焊接或钎焊圆角可经由常规的金属-惰性气体(MIG)焊接、钨-惰性气体(TIG)焊接、钎焊等形成。圆角140、142可与翼型件130的一部分重叠。重叠的程度可因喷嘴而异、因级而异和/或因涡轮而异。

根据本公开的实施方案的每个喷嘴112是铸造的，例如由倾注到铸件中并且硬化的熔融材料形成。喷嘴112可包括能够承受涡轮108内的环境的任何现在已知或以后开发的金属或金属合金，诸如超合金。

每个喷嘴112还可包括冷却腔150，该冷却腔具有限定在主体128内的内表面152。图4示出了插入每个冷却腔150中的例示性冲击插入件或套筒154的透视图。即，在操作中，冲击套筒154定位在冷却腔150内。如图所示，在冲击套筒154中包括多个孔156，该多个孔被构造成引导冷却剂抵靠内表面152并且围绕多个热传递突起部160(如图5至图7)。如本领域所理解，冷却腔150流体地联接到冷却剂源，诸如来自压缩机102的加压空气。冷却剂穿过冲击插入件150中的孔156以冲击内表面152，从而冷却喷嘴112。定位器158可将冲击套筒154与内表面152间隔开，以在其间形成冲击冷却区域。

在涡轮108的某些商用实施方案中，已经发现有利的是，缩放喷嘴112以用于不同(例如，较小)燃气涡轮100的涡轮108上。因此，使喷嘴112(并且具体地，翼型件130)的尺寸更小和/或更窄，这导致前缘136的半径变得越来越小。更窄的翼型件130使得更难以用常规的冲击冷却来冷却前缘136。例如，涡轮喷嘴112可包括用于6系列燃气涡轮的第二级喷嘴。

本公开的实施方案提供了以径向交错的柱状图案从主体128内的内表面152向内延伸的多个热传递突起部160。突起部160与翼型件130成一体。图5示出了包括热传递突起部160的铸造涡轮喷嘴112的透视图，并且图6示出了该铸造涡轮喷嘴的略微放大的透视图，并且图7示出了多个热传递突起部160的放大透视图。热传递突起部160以径向交错的柱状图案从前缘136处的内表面152沿吸力侧132并且沿压力侧134延伸。热传递突起部160不如常规地沿每个侧132、134的整个弦长度延伸，因为已经发现，用更窄的翼型件130这样做会引起下游区域中更靠近后缘138的过热。相反，多个热传递突起部沿吸力侧132在拱形长度的28％至32％的范围内延伸，并且沿压力侧134在拱形长度的9％至13％的范围内延伸。“拱形长度”表示从前缘136到后缘138通过翼型件130的中心的距离，在吸力侧132与压力侧134之间等距。拱形长度CL的粗略近似在图5中示出。热传递突起部160基于所述百分比的拱形长度的程度将限定在垂直于拱形长度的位置处的每个侧132、134上。在任何情况下，仅沿每个侧132、134的内表面的一部分被热传递突起部160覆盖，并且热传递突起部160下游的内表面152没有突起部或引起冷却剂流在向后方向上的湍流朝向后缘138的其它结构。热传递突起部160可在每个侧132、134上延伸任何径向程度以实现期望的热传递。例如，它们可跨越端壁120、122之间的整个径向长度。相比之下，在某些实施方案中，热传递突起部160可径向延伸，但是停止在距一个或多个端壁120、122为8至13毫米的范围内。

图8示出了观察热传递突起部160的顶部的内表面152的平面图，并且图9示出了沿图8中线9-9截取的热传递突起部160的横截面侧视图。如图8和图9所示，内表面152包括在相邻的热传递突起部160之间延伸的平坦表面164。即，平坦表面164将相邻的热传递突起部160分开，其中内表面152不存在除了向内或向外弯曲以形成翼型件130之外的向内或向外弯曲。此外，如图9所示，每个热传递突起部160在每个热传递突起部的整个高度上可具有截头圆锥形横截面。每个热传递突起部160具有最内表面170，该最内表面与相邻的热传递突起部160之间冷却腔150(图5至图6)的内表面152平行。如本文所用，“最内”指示最靠近翼型件130的中心的结构的一部分，并且“最外”指示最远离翼型件130的中心的结构的一部分。每个热传递突起部160从冷却腔150的内表面152到热传递突起部160的最内表面170的高度H可在0.5毫米至1.0毫米的范围内。

热传递突出部160的最内宽度W1可在0.2毫米至0.8毫米的范围内。热传递突出部160的最外宽度W2可在0.6毫米至1.2毫米的范围内。最外宽度W2比最内宽度W1更宽。每个热传递突起部160的最内宽度W1与每个热传递突起部160相对于内表面152的最外宽度W2的比率在0.2至0.9的范围内。如图9所示，每个热传递突起部160在每个热传递突起部的整个宽度上可具有圆形横截面。然而，其他非细长形状也是可能的。热传递突出部160以基本上垂直的角度α(即，基本上为90°)从内表面152延伸。

如图6和图8所示，热传递突起部160以径向交错的柱状图案布置。如图8最佳所示，多个热传递突起部160的径向交错的柱状图案包括多个相对于彼此径向交错(页面上垂直)的径向延伸的行176(图8中示出了三个)。可使用在每个侧132、134上覆盖期望百分比的弦长度必需的任何数目的行。热传递突起部160在同一径向延伸的行176中的中心之间的第一径向距离R1可在0.9毫米至1.4毫米的范围内。轴向相邻的热传递突起部160在相邻的径向延伸的行中的中心之间的第二径向距离R2可在0.3毫米至0.9毫米的范围内。热传递突起部160的相邻的径向延伸的行176之间的轴向距离AD可在0.8毫米至1.3毫米的范围内。热传递突起部160之间的角度偏移距离OF可在例如0.9毫米至1.4毫米的范围内。虽然本文已描述了特定的径向交错的柱状图案，但是热传递突起部160可以替代的交错柱状图案布置以实现期望的热传递。在其他实施方案中，相邻的热传递突起部160的最内宽度W2的部分可相交或重叠。

在操作中，冷却剂从冲击套筒154(图4)离开并且冲击翼型件150的内表面152。在前缘136附近存在的情况下，热传递突起部160引起冷却剂流中的湍流，从而增加其热传递能力。热传递突起部160可延伸任何径向程度和任何弦百分比，以沿前缘136以及在压力侧134和吸力侧132接近前缘136的区域中提供期望的热传递和冷却。

本公开的实施方案提供了一种铸造涡轮喷嘴、涡轮喷嘴区段和涡轮。该教导内容特别适用于具有较小半径前缘的某些第二级喷嘴。热传递突起部提供改善的冷却效应以维持产品规格的零件寿命、涡轮效率和功率输出。更具体地，相对于平坦、非增强的表面，热传递突起部或“凸起部”增加了翼型件内部的表面积，并且通过扰动气流提供附加的热传递效应，从而增加能量交换(热传递)。由于热传递突起部仅应用于翼型件主体的一部分，因此该布置防止了更窄的翼型件的前缘下游过热。

如在整个说明书和权利要求书中使用的，近似语言可以用于修改可以允许变化的任何定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语(诸如“约”、“大约”和“基本上”)修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。这里以及整个说明书和权利要求书中，范围限制可以可以组合和/或互换。除非上下文或语言另有说明，否则这些范围被识别并包括其中包含的所有子范围。应用于范围的特定值的“大约”适用于两个终止值，除非另外依赖于测量值的仪器的精度，否则可以指示所述值的+/-10％。

以下权利要求书中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合具体要求保护的其他要求保护的元件执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了对本公开的描述，但其并不旨在穷举或将本公开限制于所公开的形式。在不脱离本公开的范围和实质的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择和描述了实施方案以便最好地解释本公开的原理和实际应用，并且使得本领域的其他技术人员能够理解具有适合于预期的特定用途的各种修改的本公开的各种实施方案。