CN101025091B - 叶片平台冷却回路和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涡轮机叶片(10)，所述叶片(10)具有翼部分(12)和根部分(14)，并在翼部分和根部分的交界处具有平台(16)，平台冷却布置包括：冷却通道(224、226、324、326、424、426、524、526)，限定在平台(216、316、416、516)中以沿着翼部分(212、312、412、512)的凹入压力面(228、328、428、528)的至少一部分延伸，从翼部分的轴向中心附近的翼冷却介质空腔(230、244；330、344；430、444；530、544)延伸到冷却通道的至少一个冷却介质入口，和用于从冷却通道排出冷却介质的至少一个出口开口(242、248、252；342、348、352、353；442、448、452、453；542、548、552、553)。
Description
技术领域
本发明涉及用于增加涡轮机叶片的使用寿命的新颖冷却系统。
背景技术
燃气轮机具有(i)产生压缩空气的压缩机部，(ii)用于加热上述压缩空气的第一部分的燃烧部，由此产生热压缩气体，和(iii)具有设置在其中用于使热压缩气体膨胀的涡轮机部。转子由多个周向设置的涡轮机叶片组成。
参考图1，每个涡轮机叶片10由具有吸力面和压力面的翼部分12、具有结构18以将叶片附于转子轴上的根部分14、上述翼从其延伸的平台16、和柄部(shank)部分20组成。
平台用在涡轮机叶片上以形成通过燃气轮机的热气体路径部分的内部流动路径边界。设计条件(即，气体路径温度和机械负荷)通常形成很难使叶片平台在发动机中持续所期望的时间量。在这一点，由燃气轮机叶片产生的负荷形成叶片平台的高应力区域，当与升高的温度结合时，该高应力区域会在所期望的设计寿命之前失效。
之前已经使用或者公开了各种平台冷却设计。参照图2，之前的一种平台冷却设计是以利用由相邻的叶片柄部120和平台116形成的空腔122作为冷却回路的一体部分为基础的。这种类型的设计从其中一个叶片内部冷却通道中抽取空气，并且使用该空气对由上述相邻叶片柄部120和平台116形成的空腔122进行加压。一旦加压，该空腔接着能够将冷却剂供应到平台上的几乎任何位置。冲击冷却通常结合到该类型的设计以提高热传导。冷却空气可以通过平台中的薄膜冷却孔或者通过引导空气离开柄部空腔的轴向冷却孔离开空腔。然而，这种设计具有几个缺点。首先，冷却回路自身没有包含在一个部分中，并且只有至少两个叶片110靠得很近组装才形成冷却回路。这极大地增加了预安装流动试验的难度。第二缺点是形成的相邻叶片110之间的空腔122的完整性取决于空腔的周围密封性如何。密封不足会导致平台冷却不足并且浪费了冷却空气。
另一个现有技术设计在美国专利No.6,190,130的图1(a)和图5(a)中公开。该设计使用完全包含在单个叶片中的冷却回路。利用这种设计，冷却空气从翼前缘冷却通道抽取并且通过平台引导到后部。冷却空气离开通过叶片平台的后部中的出口开口或者进入相邻叶片平台之间的冲击面(slash-face)空腔中。这种设计相对于图2所示的上述设计具有优点：它不会受到组装条件变化的影响。然而，如此处所示，仅仅一个回路设置在翼的每一侧上，因而其缺点为对用在平台中不同位置处的冷却空气的量具有有限的控制。这种设计还具有限制冷却空气供给前缘空腔的缺点。
另一个现有技术冷却回路构造在美国专利No.6,190,130的图3(a)和美国专利No.5,639,216中公开。该设计也使用完全包含在一个叶片内的冷却回路，但是该回路由平台下(即，柄部的小空腔或者前轮空间(盘空腔))的空气供应。
发明内容
本发明提出一种设计来降低叶片平台中的应力和温度的平台几何形状。
因而，本发明可以实现在其中的涡轮机叶片具有翼部分、具有平台的根部分，平台在翼部分和根部分之间的交界处。平台冷却布置包括：限定在平台中沿着翼部分的凹入压力面的至少一部分的延伸的冷却通道、从翼部分的轴向中心附近的翼冷却介质空腔延伸到所述冷却通道部分的至少一个冷却介质入口、和用于从所述冷却通道排出冷却介质的至少一个出口开口。
本发明还可以实施在冷却具有翼部分和根部分的涡轮机叶片的平台的方法中，所述翼部分连接到平台，平台在所述根部分上方延伸，所述方法包括：在翼部分的凹入压力面至少一部分处设置冷却通道；使冷却介质从翼部分的轴向中心附近的冷却空腔流动通过孔进入所述冷却通道中；和从所述冷却通道通过至少一个出口开口排出冷却介质。
附图说明
通过仔细研究以下本发明的当前优选示例性实施例的更详细的描述，结合附图，本发明这些和其它目的和优点将更好地理解和认识，图中：
图1是涡轮机叶片和平台的示意透视图；
图2是使用相邻叶片柄部之间空腔的现有技术冷却回路的示意图示；
图3是作为本发明示例性实施例的叶片的俯视平面视图；
图4是传统平台结构的示意横截面视图；
图5是根据本发明一个示例的平台设计的示意横截面视图；
图6是根据图3实施例的修改的叶片俯视平面视图；
图7是根据本发明另一个示例性实施例的叶片俯视平面视图；
图8是根据图7的实施例的修改的叶片的俯视平面视图；
图9是根据本发明另一个示例性实施例的叶片俯视平面视图；
图10是根据图9的实施例的修改的叶片俯视平面视图；和
图11是根据本发明另一个实施例的叶片的俯视平面视图。
具体实施方式
根据本发明的示例性实施例，如在图3、6、7、8、9、10和11示意所示，在翼的凹入或者压力面限定通过叶片平台的一个或者多个优选的冷却通道。这些冷却通道用来自翼冷却回路(更具体地从各自翼的轴向中心或者中间部分)的冷却介质(诸如，空气)供应。在所示的示例中，在设置多个冷却通道的情况下，每个被供应有来自各自翼冷却回路空腔或者通道的空气。
冷却通道的尺寸和形状为设置成完成至少两个目标。第一，通道限定成允许优选冷却平台。优选冷却允许在平台的不同位置处实现正确的冷却量。
通过图3的示例进行参照，可见在本示例性实施例中，两个通道224、226限定在翼212的凹入或者压力面228上。第一冷却通道224与翼212的冷却回路空腔或者通道230在翼的轴向中心或者中点附近流体相通，并且设置成限定用于冷却空气的流动通道，该流动通道沿着第一蛇形路径232向平台216的前缘234延伸，然后沿着部分周向路径236向翼的压力面上的冲击面238延伸，然后最终沿着大致直的侧冷却路径240延伸，该侧冷却路径240基本平行于冲击面238向平台216的后缘延伸。在所示的示例性实施例中，第一冷却通道224轴向结束在多个薄膜冷却孔242处以将冷却介质(诸如，空气)排出到平台的流动路径表面，这提供更进一步的冷却益处。
在图3的实施例中，第二冷却通道226也设置在翼212的凹入或者压力面228上，并且设置成也在翼212的轴向中心或者中点附近与冷却空气空腔244流连通。第二冷却通道226沿着蛇形路径246向着平台216的后缘延伸。在所示的示例性实施例中，第二冷却流动路径还轴向结束在多个薄膜冷却孔248处。在本示例中的蛇形路径232、246每个包括多个与局部轴向部分互连的局部周向部分，用于将冷却介质通过平台进行分配以实现优选冷却的目的。在这一点上，如将理解到，通过选择冷却空气供应通道直径和各自流动通道的尺寸，能够实现不同的质量流量和速度用于平台的相应部分的优选冷却。
参照图4和5，在本发明的示例性实施例中，除了提供用于平台优选冷却的第一和第二通道之外，平台配置成具有高的硬度重量比。在这一点上，参照图4，具有例如L型横截面的传统的平台116需要大的厚度使得绕弯曲轴线是刚性的。在本发明的示例性实施例中，如在图5中所示，冷却通道224、226的路径232、246、240是通过铸造平台来限定，从而在平台216的径向内表面上限定槽，并且设置底板250来限定各自冷却通道224、226的底部，然后完成平台结构216。所得到的“箱形”截面固有地比传统的“L”部分要硬，但重量由于省去限定内部通道的材料而减少。因而，除了增大上述的冷却效果之外，在减少平台重量的同时增大平台的硬度并因而增大强度。而且，平台结构被简化，并且便于生产具有所期望构造的通道。
本发明的另一个示例在图6中示出。如在其中所示，第一和第二冷却通道大致对应于在图3中所示的，除了在本实施例中的第一冷却通道224具有到冲击面238的出口孔252。在冲击面中设置出口孔提供额外的冷却，并且增大部件的抵抗摄取热气的能力。在所示的示例中，冲击面出口孔252设置来代替薄膜冷却孔242，尽管可以理解到能够提供冲击面出口孔和薄膜冷却孔的组合。
本发明的进一步示例性实施例在图7中示出。在本示例性实施例中能够看见，两个通道324、326限定在翼312的凹入或者压力面328上。第一冷却通道324在翼的轴向中心或者中点的附近与翼312的冷却回路腔或者通道330流连通，并且设置成限定用于冷却空气的流动通道，该流动通道沿着第一局部周向路径336在翼的压力面上向冲击面338延伸，然后沿着大致直的侧冷却路径340延伸，侧冷却路径340大致平行于冲击面338向着平台316的前缘334延伸。在所示的示例性实施例中，多个薄膜冷却孔342限定为从第一冷却通道324将诸如空气的冷却介质排出到平台的流动路径表面，从而提供更进一步的冷却益处。
在图7的实施例中，第二冷却通道326也设置在翼312的凹入或者压力面328上，并且设置成也在翼312的轴向中心或者中点附近与冷却空气空腔或者通道344流连通。第二冷却通道326基本为第一冷却通道324的镜像，并且具有向着冲击面338的第一局部周向路径337，并且具有大致直的侧冷却路径341，该侧冷却路径341大致平行于冲击面338向着平台316的后端延伸。在所示出的示例性实施例中，第二冷却流动通道还结束在多个薄膜冷却孔348处。同样，如将理解到，通过选择冷却空气供应通道直径和各自流动通道的尺寸，能够获得不同的质量流量和速度用于优选冷却平台的相应的部分。
在图8中示出本发明的另一个示例性实施例。在这实施例中，第一和第二冷却通道一般对应于在图7所示的的冷却通道，除了在本实施例中的冷却通道具有到冲击面338的出口孔352、353。在冲击面设置出口孔提供额外的冷却，并且增大部件抵抗摄取热气的能力。在所示的示例中，冲击面出口孔352、353设置来代替薄膜冷却孔342、348，尽管可以理解到能够设置冲击面出口孔和薄膜冷却孔的组合。
在图9中示出另一个示例性实施例。能够看见在本示例性实施例中，两个通道424、426限定在翼412的凹入或者压力面428上。第一冷却通道424在翼的轴向中心或者中点的附近处与翼412的冷却回路空腔或者通道430流连通，并且设置成限定用于冷却空气的流动通道，该通道沿着第一局部周向路径436在翼的压力面上向冲击面438延伸，然后沿着大致直的侧冷却路径440延伸，侧冷却路径440大致平行于冲击面438向着平台416的前缘434延伸。接着用于冷却空气的流动通道向着并沿着翼412的一部分钩形迂回。在所示的示例性实施例中，多个薄膜冷却孔442限定成从第一冷却通道324将诸如空气的冷却介质排出到平台的流动路径表面，从而提供更进一步的冷却益处。
在图9所示的实施例中，第二冷却通道426也设置在翼412的凹入或者压力面428上，并且设置成也在翼412的轴向中心或者中点附近处与冷却空气空腔或者通道444流连通。第二冷却通道426实质上为第一冷却通道424的镜像，第二冷却通道426具有向着冲击面438延伸的第一局部周向路径437，和大致平行于冲击面438向着平台416的后端延伸的大致直的侧冷却路径441。第二冷却通道接着向着并沿着翼412的一部分钩形迂回。在所示的示例性实施例中，第二冷却流动通道还结束在多个薄膜冷却孔448处。此外，如将理解到，通过选择冷却空气供应通道直径和各自流动通道的尺寸，能够获得不同质量流量和速度用于优选冷却平台的各自部分。
在图10中示出本发明的另一个实施例。在本实施例中，第一和第二冷却通道一般对应于在图9中所示的通道，除了在本实施例中的冷却通道具有到冲击面438的出口孔452、453。在冲击面中提供出口孔提供额外的冷却，并且增大部件抵抗摄取热气的能力。在所示的示例中，冲击面出口孔452、453设置来代替薄膜冷却孔442、448，尽管可以理解到能够提供冲击面出口孔和薄膜冷却孔的组合。
在图11中示出另一个示例性实施例。在本示例性实施例中能够看见，两个通道524、526限定在翼512的凹入或者压力面528上。第一冷却通道524在翼的轴向中心或者中点的附近处与翼412的冷却回路空腔或者通道530流连通，并且设置成限定用于冷却空气的流动通道，该通道沿着第一局部周向主要供应路径536在翼的压力面上延伸到冲击面538。在所示的示例性实施例中，主要供应通道536结束在冲击面538的限流孔542处以控制质量流量水平。通过倾斜地从第一冷却通道524的主要供应通道536延伸通过平台516到冲击面538的冷却孔或者通道552提供进一步的冷却益处。尽管在图11中示出两个冷却孔552，但是可以理解到能够设置更多或者更少的分支通道用于优选冷却平台。
在图11的实施例中，第二冷却通道526也设置在翼512的凹入或者压力面528上，并且设置成也在翼512的轴向中心或者中点附近处与冷却空气源544流连通。第二冷却通道526实质上为第一冷却通道524的镜像，第二冷却通道526具有向着冲击面538延伸的第一局部周向主要供应路径537。在所示的示例性实施例中，第二冷却流动通道在冲击面538处也结束在限流孔548处。进一步地，通过从主要供应通道537对角线延伸到冲击面538的冷却孔或者通道553提供额外的冷却效果。此外，如将理解到，通过选择冷却空气供应通道直径和各自流动通道的尺寸，能够获得不同质量流量和速度用于优选冷却平台的各个部分。
尽管结合现在认为是最实用和最优选的实施例描述本发明，但是可以理解到本发明不限于公开的实施例，相反，意在覆盖包含在权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。
Claims (6)
1.一种涡轮机叶片，所述涡轮机叶片具有翼部分、根部分和冲击面部分，并在所述翼部分和所述根部分之间的交界处具有平台，平台冷却布置包括：
限定在所述平台中的冷却通道，以沿着所述翼部分的凹入压力面的至少一部分延伸；从所述翼部分的轴向中心附近的翼冷却介质空腔延伸到所述冷却通道的至少一个冷却介质入口，所述冷却通道包括从所述翼向所述平台的冲击面延伸的第一局部周向部分和与所述第一部分成一定角度从所述第一部分延伸的第二局部轴向部分；和用于从所述冷却通道排出冷却介质的至少一个出口开口，每个所述至少一个出口开口都单独地通过所述冲击面离开，以及
限定在所述平台中的第二冷却通道，以沿着所述翼部分的凹入压力面的至少一部分延伸；从所述翼部分的轴向中心附近的翼冷却介质空腔延伸到所述第二冷却通道的至少一个冷却介质入口；和用于从所述冷却通道排出冷却介质的至少一个出口开口，每个所述出口开口都单独地通过所述冲击面离开。
2.根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其中，每个所述冷却通道包括从所述翼向所述平台的所述冲击面延伸的第一局部周向部分，和与所述第一部分成一定角度从所述第一部分延伸的第二局部轴向部分，其中，所述冷却通道中的一个的第二部分大体延伸向所述平台的前缘，并且所述冷却通道中的另一个的第二部分大体延伸向所述平台的后缘。
3.根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其中，所述第二冷却通道大体是蛇形通道。
4.一种冷却涡轮机叶片的平台的方法，所述涡轮机叶片具有翼部分、根部分和冲击面部分，所述翼部分连接到所述平台，并且所述平台在所述根部分上方延伸向所述冲击面部分，包括：
提供冷却通道以沿着所述翼部分的凹入压力面的至少一部分延伸，所述冷却通道包括从所述翼向所述平台的冲击面延伸的第一局部周向部分，和与所述第一部分成一定角度从所述第一部分延伸的第二局部轴向部分；
使冷却介质从在所述翼部分的轴向中心附近的冷却介质空腔通过孔流动到所述冷却通道；和
从所述冷却通道通过至少一个出口开口排出冷却介质，每个所述出口开口都单独地通过所述冲击面离开，
其中，所述提供冷却通道包括提供从所述翼向所述平台的冲击面延伸的第一局部周向冷却通道部分和大致平行于所述冲击面延伸的第二大体直线冷却通道部分，
其中，所述提供冷却通道进一步包括提供第二冷却通道以沿着所述翼部分的凹入压力面的至少一部分延伸，并且其中所述方法进一步包括：
使冷却介质从在所述翼部分的轴向中心附近中另一个冷却介质空腔通过孔流动到所述第二冷却通道；和
从所述第二冷却通道通过至少一个出口开口排出冷却介质，每个所述至少一个出口开口都单独地通过所述冲击面离开。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述每个所述冷却通道都包括从所述翼向所述平台的冲击面延伸的第一局部周向部分和大致平行于所述平台的所述冲击面延伸的第二大体直线部分，其中，所述冷却通道中的一个的直线部分延伸向所述平台的前缘，并且所述冷却通道中的另一个的直线部分延伸向所述平台的后缘。
6.一种涡轮机叶片，所述涡轮机叶片具有翼部分和根部分，并在所述翼部分和所述根部分之间的交界处具有平台，平台冷却布置包括：
限定在所述平台中的冷却通道，以沿着所述翼部分的凹入压力面的至少一部分延伸；从所述翼部分的轴向中心附近的翼冷却介质空腔延伸到所述冷却通道的至少一个冷却介质入口；和用于从所述冷却通道排出冷却介质的至少一个出口开口，
限定在所述平台中的第二冷却通道，以沿着所述翼部分的凹入压力面的至少一部分延伸；从所述翼部分的所述轴向中心附近的翼冷却介质空腔延伸到所述第二冷却通道的至少一个冷却介质入口；和用于从所述第二冷却通道排出冷却介质的至少一个出口开口，其中，每个所述冷却通道都包括从所述翼向所述平台的冲击面延伸的第一局部周向部分，和与所述第一部分成一定角度从所述第一部分延伸的第二大体直线部分，其中，所述冷却通道中的一个的直线部分大体延伸向所述平台的前缘，并且所述冷却通道中的另一个的直线部分大体延伸向所述平台的后缘。
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