涡轮机的涡轮桨叶、涡轮、涡轮机以及用于制造涡轮机的涡轮桨叶的相关的陶瓷芯部

技术领域

本发明涉及用于涡轮机类型的飞行器发动机的桨叶，例如涡轮喷气发动机或者涡轮螺旋桨发动机的桨叶，并且本发明特别适用于高压类型的涡轮桨叶。

背景技术

在图1中用1标记的这种涡轮喷气类型的发动机中，空气被带到入口套筒2中，以在分成中心主流和围绕主流的次级流之前延伸穿过风扇，该风扇包括一系列的旋转叶片3。

主流在到达燃烧腔室6之前被低压压缩机4和高压压缩机5压缩，在此之后，在主流被排出并同时产生辅助推力之前，主流通过高压涡轮7和低压涡轮8膨胀。次级流由风扇直接推动以产生主推力。

每个涡轮7、8包括一系列的桨叶，该桨叶沿径向定向并且围绕旋转轴线AX规则地隔开，外壳体9围绕整个发动机。

涡轮桨叶的冷却是通过在燃烧腔室的上游引出并且在桨叶根部处获取的空气在每个桨叶中的循环来确保的，该空气通过延伸穿过这些桨叶的壁的钻孔和/或狭槽排出。

通常，冷却的效率、特别地，用于对高压涡轮的桨叶进行冷却所需的流速的降低，使得能够减少涡轮喷气发动机的燃料消耗，并且增加桨叶的使用寿命。在这方面，已经提出了各种的桨叶布置，特别地，如在专利文献FR3021697中所提出的。

然而，特别地，由于运行条件、制造方法以及性能要求的不断演变，高压涡轮桨叶的冷却需要不断的改进。

在该背景下，本发明的目的是提供一种具有改进的冷却回路的新的桨叶设计。

发明内容

为此，本发明的目的是提供涡轮机的涡轮桨叶，所述涡轮机例如为涡轮喷气发动机，该涡轮机的涡轮桨叶用于围绕旋转轴线安装在转子盘上，该转子盘围绕旋转轴线旋转，涡轮机的涡轮桨叶包括根部和中空的叶片，该根部用于将涡轮桨叶安装在盘的槽口中，该中空的叶片从根部沿径向展向方向延伸并且在形成盆状部的末端处结束，叶片包括下表面壁和上表面壁，还包括前缘、后缘以及末端壁，该末端壁界定了盆状部的底部，下表面壁通过前缘、后缘以及末端壁连接到上表面壁，该叶片还包括：

-长号状类型的中间回路，该长号状类型的中间回路包括第一导管，该第一导管在根部处收集空气并且通过第一弯管连接到第二导管，该第二导管通过第二弯管连接到第三导管，这些第一导管、第二导管以及第三导管大体上是径向的，第二导管和第三导管位于第一导管和后缘之间；

-盆状部下方的空腔，该盆状部下方的空腔位于上表面壁和末端壁一侧，并且沿着末端延伸到后缘；

-大体上径向的中心导管，该大体上径向的中心导管位于上表面壁和中间回路的第二导管之间，该中心导管在根部处收集空气并且在中间回路的三个导管中的至少两者之间延伸，以直接地供给盆状部下方的空腔。

由于通过位于盘管类型的回路的导管之间的中心导管来供给盆状部下方的空腔，输送到盆状部下方的空腔的空气未被加热，这使得能够有效地对靠近末端和后缘的下表面壁进行冷却。

本发明还涉及这样限定的桨叶：其中，第三导管的一个端部和第一弯管的至少一部分位于盆状部下方的空腔和下表面壁之间。

本发明的目的还在于提供这样限定的桨叶：其中，第一弯管的至少一部分位于盆状部下方的空腔和下表面壁之间，并且其中，第三导管具有结束于末端壁处的端部。

本发明还涉及这样限定的桨叶：其中，中心导管和盆状部下方的空腔形成L形的导管，该L形的导管位于上表面壁一侧。

本发明的目的还在于提供这样限定的桨叶：其中，中心导管在中间回路的至少两个导管之间延伸，至少两个导管在它们各自的大部分长度上从上表面壁延伸到下表面壁。

本发明的目的还在于提供这样限定的桨叶：其中，第一导管和第三导管在它们的大部分长度上从下表面壁延伸到上表面壁，并且其中，中心导管在第一导管和第三导管之间延伸，并且在第二导管和上表面壁之间延伸。

本发明的目的还在于提供这样限定的桨叶：其中，下表面壁包括冷却孔，该冷却孔延伸穿过下表面壁并且通至第三导管中，以形成用于对后缘的上游的下表面壁进行冷却的膜。

本发明的目的还在于提供这样限定的桨叶：其中，下表面壁不具有通至第一导管和/或第二导管中的孔。

本发明的目的还在于提供这样限定的桨叶：该桨叶包括冷却狭槽，该冷却狭槽沿着后缘延伸穿过下表面壁以对后缘进行冷却，并且其中，这些狭槽中的至少一个狭槽位于末端一侧，并且由盆状部下方的空腔来供给冷却空气。

本发明的目的还在于提供这样限定的桨叶：该桨叶包括附加的下游回路，该附加的下游回路包括大体上径向的下游导管，该下游导管在根部处收集空气，以对用于对所述后缘进行冷却多个狭槽进行供给。

本发明的目的还在于提供这样限定的桨叶：其中，下游导管通过下游坡道来供给狭槽，下游导管通过大体上轴向的通道与坡道连通。

本发明的目的还在于提供这样限定的桨叶：该桨叶包括至少一个大体上径向的上游导管，该上游导管用于对前缘进行冷却，该上游导管在根部处收集冷却空气，以通过在前缘处延伸穿过叶片的壁的孔来排出该空气来对前缘进行冷却。

本发明的目的还在于提供涡轮机涡轮，该涡轮机涡轮包括如上限定的桨叶。

本发明的目的还在于提供如上限定的涡轮机。

本发明的目的还在于提供陶瓷芯部，该陶瓷芯部用于制造涡轮机的涡轮桨叶，所述涡轮机例如为涡轮喷气发动机，该涡轮机的涡轮桨叶用于围绕旋转轴线安装在转子盘上，该转子盘围绕旋转轴线旋转，该涡轮机的涡轮桨叶包括根部和中空的叶片，该根部用于将涡轮桨叶安装在盘的槽口中，该中空的叶片从根部沿径向展向方向延伸并且在形成盆状部的末端处结束，叶片包括下表面壁和上表面壁，还包括前缘、后缘以及末端壁，末端壁界定了盆状部的底部，下表面壁通过前缘、后缘以及末端壁连接到上表面壁，该芯部包括：

-芯部元件，该芯部元件用于形成长号状类型的中间回路，长号状类型的中间回路包括第一导管，该第一导管在根部处收集空气并且通过第一弯管连接到第二导管，该第二导管通过第二弯管连接到第三导管，这些第一导管、第二导管以及第三导管大体上是径向的，第二导管和第三导管位于第一导管和后缘之间；

-另一个芯部元件，该另一个芯部元件用于形成盆状部下方的空腔，该盆状部下方的空腔位于上表面壁和末端壁一侧，并且从末端的中心区域延伸到后缘，该另一个芯部元件还用于形成大体上径向的中心导管，该中心导管位于上表面壁和中间导管之间，该中心导管在根部处收集空气并且在中间回路的三个导管中的至少两者之间延伸，以直接地供给盆状部下方的空腔。

附图说明

图1是已知的涡轮喷气发动机的截面视图；

图2是根据本发明的桨叶的外部透视图；

图3是根据本发明的桨叶的末端的透视图；

图4是单独示出的并且从下表面一侧来看的、根据本发明的桨叶的上游冷却回路的视图；

图5是单独示出的并且从下表面一侧来看的、根据本发明的桨叶的中间冷却回路的视图；

图6是单独示出的并且从下表面一侧来看的、根据本发明的桨叶的中心冷却系统的视图；

图7是单独示出的并且从下表面一侧来看的、根据本发明的桨叶的下游冷却回路的视图；

图8是从下表面一侧来看的、布置在根据本发明的桨叶中的四个冷却回路的整体视图；

图9是从下表面一侧来看的、示出布置在根据本发明的桨叶中的中间回路和中心冷却回路的总视图；

图10示出了在距纵向轴线一定距离处沿展向方向来看、在盆状部下方的空腔、中间回路、中心回路以及下游回路。

具体实施方式

根据本发明的思想是设计一种桨叶，其中，用于冷却桨叶的中间部分所需的空气流被减少，以促进桨叶的关键部分被更好地冷却，特别地，例如使得在靠近后缘的末端区域中的下表面壁被更好地冷却。

桨叶的总体布置

根据本发明的桨叶在图2中用11标记，该桨叶包括根部P以及叶片12，桨叶通过根部P固定到转子盘的槽口，该转子盘被称为涡轮盘，叶片由该根部P承载，并且根部P具有将根部连接到叶片12的平台13。该中空的桨叶11包括四个内部回路，通过位于根部P的径向内部面14上的四个开口获取的冷却空气在内部回路中循环。

叶片12具有围绕被称为展向轴线(spanwise axis)的轴线EV扭曲的形状，该轴线基本上垂直于承载桨叶的转子的旋转轴线AX，该旋转轴线是发动机的纵向轴线。叶片包括前缘16，前缘与展向方向EV基本上平行并且相对于涡轮机中气体流动的总体方向位于上游AM或位于桨叶前方。叶片包括后缘17，后缘基本上平行于前缘16并且沿着轴线AX与前缘隔开，从而位于下游AV或者位于桨叶后方。叶片还包括末端S，末端基本上平行于基部18并且沿展向方向EV与基部隔开。

该桨叶的两个主壁是桨叶的下表面壁19(在图2中可见)和桨叶的上表面壁21，桨叶的下表面壁和上表面壁彼此隔开，同时在前缘16处、后缘17处以及末端S的区域中汇合。下表面壁包括冷却孔22，冷却孔22延伸穿过下表面壁并且由内部冷却回路供给以在下表面19的外部面上形成膜，从而在位于后缘17的上游处的区域中对下表面的外部面进行热保护。

前缘16是穹顶形的，并且包括延伸穿过前缘的壁的冷却孔23，并且锥形的后缘17包括一系列的冷却狭槽。这些狭槽24的长度短，并且平行于展向方向EV延伸，这些狭槽在彼此的延伸方向上沿展向方向EV(即径向方向)间隔开，严格地说，这些狭槽位于距后缘短的距离处。每个狭槽24延伸穿过下表面壁，以将该下表面壁的外部面上的空气吹向后缘，该外部面布置有外部肋部，该外部肋部以与轴线AX平行的方式对该空气进行引导。

如图3所示，末端S包括垂直于展向方向EV定向的末端壁25，末端壁连接了下表面壁和上表面壁。该末端壁25被布置成相对于下表面壁和上表面壁的自由边缘更靠后地朝向轴线AX，以与下表面壁和上表面壁的自由边缘形成中空部分，该中空部分被称为盆状部并且由B表示，该中空部分在与轴线AX相反的方向上开口。

该桨叶是由金属材料铸造的单体式的部件，该桨叶是通过使用一组芯部来对界定出其内部冷却导管而得到的，这些芯部在铸造和冷却之后被移除，例如用化学蚀刻方法移除。图4至图10示出了桨叶的内部区域，在此，桨叶的内部区域用使得能够制造该桨叶的芯部的形状来表示。因此，这些图4到图10的形状是凸起的，但是这些形状也表示了桨叶的中空形状。

根据本发明的桨叶11包括四个内部冷却回路：上游回路26；中心回路27；中间回路28，该中间回路在中心回路的两侧延伸；以及下游回路29。

通过铸造来制造该桨叶是通过使用陶瓷芯部来确保的，陶瓷芯部包括四个能够牢固地固定在一起的芯部元件，每个芯部元件界定回路26、27、28以及29中的一个回路。

上游回路

如图4所示，上游回路26包括径向上游导管31，即该导管平行于展向方向EV延伸。该导管从位于叶片的根部P的叶片的口部件32延伸到末端S的位于盆状部下方的区域：该导管以末端壁结束，末端壁界定了桨叶的盆状部的底部。

收集在口部件32中的空气延伸穿过导管31以供给冷却孔23，使得能够有效地对构成桨叶的前缘16的壁部分进行冷却。

中心回路

图6中所示的中心回路27包括大体上径向的中心导管34，该中心导管34被盆状部下方的轴向空腔36加以延伸，即沿着轴线AX延伸，该中心导管34用于向该盆状部下方的空腔36供给空气，并且用于对末端S的靠近后缘的区域进行冷却。中心导管34从桨叶的根部P延伸，中心导管在桨叶的根部处包括口部件37，中心导管通过该口部件收集冷却空气，并且中心导管以末端壁25结束。

盆状部下方的空腔36从末端S的中心区域纵向地延伸到后缘17，并且该空腔36的上游端部连接到中心导管34的径向端部，以通过中心导管的径向端部来供给空气。在盆状部下方的空腔36的长度介于桨叶的空气动力学轮廓(aerodynamic profile)的轴向弦长的10％至50％之间，即介于叶片在轴向方向上的长度的10％至50％之间。短的长度使得能够向后缘的一个或多个狭槽24供给新鲜空气，该新鲜空气与下表面壁和上表面壁接触并尚未被变热。长的长度确保了桨叶末端处的下表面壁的改善的冷却。

该盆状部下方的空腔36在该空腔的大部分长度上由上表面壁21横向地界定，在后缘17附近由下表面壁19横向地界定，并且在前部部分由桨叶的内弯曲壁横向地界定，桨叶的内弯曲壁将中间回路与中心回路隔开。换言之，在该空腔的大部分长度上，盆状部下方的该空腔36与上表面接触，并且在桨叶的下游区域中，即在该叶片的后缘附近，该空腔与上表面和下表面接触。该盆状部下方的空腔36由末端壁25和平行于该末端壁并且与末端壁隔开的底部沿着展向轴线EV界定。

中心导管34继而由下表面壁19和将中心回路27与中间回路28隔开的壁横向地界定。因此，在该中心导管34中循环的空气与下表面壁19接触，但是不与上表面壁21接触。

因此，盆状部下方的空腔36大体上在中心部分的桨叶末端处延伸到靠近后缘17的区域(该区域经受高的气体温度并且对氧化和结垢至关重要)，以确保在该区域中通过热交换使冷却最大化。特别地，该空腔36使得能够向最靠近末端S的用于对下表面侧上的后缘进行冷却的一个或多个狭槽24供给新鲜空气，同时有效地使靠近末端S和后缘17的下表面壁19通过其内部面进行通风。

盘管类型的中间回路

在图5中可见的中间回路28包括呈盘管式布置(也被称为长号状)的彼此连通的三个径向导管41、42以及43，以最大限度地增加空气的路径，以充分地使用来自该导管的空气。第一导管41和第三导管43分别位于回路27的中心导管34的上游和下游，同时第二导管42沿着轴线AX与中心导管34处于相同水平位置，并同时插入在该中心导管34和下表面壁之间。

因此，构成中间回路28的导管41、42、43位于中心导管34周围，以对由该中心导管34输送到在盆状部下方的空腔36的空气的受热进行限制，以有效地对桨叶的末端的靠近后缘的区域进行冷却。

因此，第一导管41纵向地位于上游回路26的上游导管31和中心回路27的中心导管34之间，并且与上游回路的上游导管和中心回路的中心导管两者并行地延伸。该第一导管41通过其口部件44收集根部P处的空气，并且通过第一弯管46连接到第二导管42而在末端壁处结束。该第一导管41从上表面壁21横向地延伸到下表面壁19，使得在第一导管中流动的空气与下表面壁和上表面壁直接接触。

该第一导管41不具有穿过下表面壁19的开孔，也不具有穿过上表面壁21的开孔：第一导管不在桨叶的外部面上产生冷却膜。这使得能够在该第一导管中提升高的流量。当空气在该第一导管中从根部P循环到末端S时，空气由于科里奥利效应而被压靠在下表面壁上，但是与下表面壁的接触表面的范围减小了：这种组合效应使得能够增加与下表面壁的热交换，以尽可能地冷却下表面壁。

中间回路28的第二导管42与第一导管41和中心回路27的中心导管34并行地行进，在下表面壁19和将第二导管与中心导管34隔开的内部壁之间横向地延伸，该中心导管从该内部壁横向地延伸到上表面壁21。因此，该第二导管42在横向方向上的厚度为第一导管41的厚度的大约一半左右，并且在第二导管中循环的空气与下表面壁19接触，但是不与上表面壁21接触。

可选地，该第二导管42本身也不具有穿过下表面壁19的孔：在这种情况下，为了在该第二导管42中也提升高的流率，第二导管不通过外部膜来帮助冷却。当空气在该第二导管42中从末端S循环到根部P时，空气由于科里奥利效应而被压靠在经受低于下表面壁的气体温度的内部壁上，使得在该第二导管42中的空气相对较低地受热。

桨叶的内部壁在附图中未示出，桨叶的内部壁在中间回路28的第二导管42和中心回路27的中心导管34之间延伸，桨叶的内部壁是弯曲的中心壁，从基部18延伸到末端S的区域，并从下表面19延伸到上表面21。在运行中，该内部壁具有相对较低的温度，因为内部壁不与浸没桨叶的流体接触。此外，该内部壁承担了运行中的桨叶所承受的离心力的很大一部分，这限制了蠕变对该桨叶的损害。

第二导管42在桨叶的基部18的区域中通过第二弯管47连接到第三导管43，第二弯管横向地位于下表面壁和内部壁之间。

第三导管43沿着轴线AX与第二导管42隔开，并且第三导管与所述第二导管并行地延伸，从基座18延伸到盆状部下方的区域，并且平行于中心导管34，中心导管与第三导管并行地行进。该第三导管43在其大部分长度上从下表面壁19横向地延伸到上表面壁21。但是在第三导管的末端端部处，该第三导管43的截面减小，使得第三导管从盆状部下方的空腔36横向地延伸到下表面壁19，并且第三导管以末端壁25结束。

因此，在第三导管43中循环的空气在第三导管的大部分长度上与下表面壁和上表面壁直接接触，但是由于该导管的端部从盆状部下方的空腔36延伸到下表面壁19，在端部部分，在第三导管中循环的空气仅与下表面接触。

口部件44构成了用于整个中间回路的唯一的空气供给通道，该空气相继地延伸穿过导管41、42以及43。当空气延伸穿过第一导管41和第二导管42时，由于在第一导管中以及可选地在第二导管中没有开孔，该空气保持高的流量并且在第一导管中以及可选地在第二导管中仅被略微地加热。因此，当空气达到第三导管43时，空气具有高的流量以及相对低的温度，使得能够有效地对该部分进行冷却。特别地，该部分是通过冷却孔22来冷却的，该冷却孔延伸穿过下表面壁19以便形成空气膜，该空气膜对后缘17上游的下表面壁19的外部面进行热保护。

通常，由于根据本发明的中心回路27和中间回路28的组合，对叶片的中间区域进行冷却的空气流量小于常规冷却回路所需的流量。

在图9和图10中清晰地看到，盆状部下方的空腔36从上表面一侧相对于第三导管43的末端和第一弯管46延伸，第三导管的末端和第一弯管都与下表面并行地延伸。该在盆状部下方的空腔36对桨叶末端处的靠近后缘的下表面壁19进行冷却。

由于第一导管41和第一弯管46都位于盆状部下方的空腔36和下表面19(下表面是最热的壁)之间，盆状部下方的空腔在其大部分长度上与热的下表面壁间隔开。因此，到达盆状部下方的空腔的下游端部的空气足够冷，以有效地对靠近后缘的下表面进行冷却。

在这种情况下，如图10中更清楚地可见，第三导管43的截面在其末端处变窄，以给盆状部下方的空腔36腾出空间。

在变型中，第三导管43的末端端部位于盆状部下方的空腔36下方，使得在盆状部下方的一段与下表面壁接触的空腔的上游延伸，以进一步改善桨叶的末端的冷却：到达第三导管43的末端处的低流量的相对热的空气不用于对桨叶的靠近后缘的下表面侧上的末端进行冷却。该变型可能受到芯部元件的制造限制和铸造限制的制约，与图5和图8至图10所示的第三导管的端部不对应。

下游回路

在图7中可以看到，下游回路29包括下游导管51，该下游导管51供给下游坡道52，该坡道与该下游导管51并行地延伸，并且进而供给冷却狭槽24。

更具体地，下游坡道52沿着轴线AX与导管51间隔一段距离，并且下游坡道通过一系列大体上轴向(即沿着轴线AX延伸)的通道54连接到导管51。这些通道54沿着展向方向EV相对于彼此规则地径向间隔开，并确保在通道的整个高度上均匀地向下游坡道52供给空气，每个通道具有校准的通道截面，即预定的管道截面。

导管51和坡道52沿展向方向EV从口部件53延伸到盆状部下方的空腔36，该口部件位于根部P处并且通过该口部件来收集冷却空气。

通常，各种回路可以包括布置在回路的导管中的流扰动器以产生湍流，从而增加空气和在所述回路处的桨叶之间的热交换。

优势

通常，根据本发明的叶片使得能够通过显著降低冷却桨叶的中间部分(桨叶的中间部分基本上于叶片的前缘和后缘之间在中间延伸)所需的流量并且保留冷空气以对靠近末端和后缘的下表面进行冷却，从而降低叶片的冷却所需的空气流量。

由于通过位于盘管类型的回路的导管之间的中心导管来供给盆状部下方的空腔，输送到盆状部下方的空腔的空气未被加热，这使得能够有效地对靠近末端和后缘的下表面壁进行冷却。

盘管类型的回路的第一导管和第二导管没有朝向上表面的孔和朝向下表面的孔，这使得能够在该盘管类型的回路中保持高的流量，从而凭借该盘管类型的回路的第三导管来有效地对桨叶的下游部分的外部面进行冷却。

通过这种布置，上游回路包括专用于对前缘进行冷却的单个导管，因此前缘也被最大化地冷却。