CN101029581B - 用于冷却燃气涡轮机转子叶片的方法和设备 - Google Patents

Abstract

提供了用于冷却燃气涡轮机(20)的转子叶片(40)的方法和设备。涡轮机叶片(30)具有连接到平台(66)的翼片(42)和从平台延伸的燕尾榫(43)。主冷却回路延伸通过燕尾榫且进入翼片。主冷却回路(62)包括用于使主冷却流从翼片通过燕尾榫离开的离开口(72)。在一个方面中，方法包括抽取流过所述的主冷却回路的冷却剂的部分到平台冷却回路(64)内的步骤。在冷却了平台的部分后，平台冷却流分开使得冷却流的一个部分与主冷却回路再汇合且用于冷却翼片。平台冷却流的剩余部分继续冷却平台且然后返回到主冷却回路以流过离开口。

Description

用于冷却燃气涡轮机转子叶片的方法和设备

技术领域

本发明一般地涉及燃气涡轮发动机，且更特定地涉及用于冷却燃气涡轮发动机转子组件的方法和设备。

背景技术

典型的燃气涡轮发动机包括转子组件，转子组件具有周向间隔开的转子叶片。每个转子叶片，有时称为轮叶，包括从平台径向向外延伸的翼片。每个转子叶片也包括燕尾榫，燕尾榫从在平台和燕尾榫之间延伸的柄径向向内延伸。燕尾榫用于将转子组件内的转子叶片安装到转子盘或转子轴。已知的叶片是空心的，使得内部冷却腔至少部分地被翼片、平台、柄和燕尾榫限定。

关于燃气涡轮机的运行，增加入口点火温度提供了改进的输出和发动机效率。增加入口点火温度导致增加的气路温度。这样的增加的气路温度能导致到轮叶平台的增加的应力，包括可能地氧化、蠕变和破裂。此外，在上游翼片部件中使用闭环冷却回路的燃气涡轮机中，不存在膜冷却且因此下游轮叶平台不受益于从上游翼片传递来的膜。这恶化了在轮叶平台上潜在的损坏。

一些最近已知的涡轮机叶片构造确实利用膜冷却来冷却叶片平台。特别地，压缩机排气经过平台内的一个或多个开口，且冷却膜层形成在平台上以保护平台不受到高的流路温度。然而，以这样的膜冷却，可能压力仅足够对平台尾部膜冷却，在平台尾部流路空气被加速以降低局部静压。

发明内容

在一个方面中，提供了用于冷却涡轮机叶片的平台的方法。涡轮机叶片具有连接到平台的翼片和从平台延伸的燕尾榫。主冷却回路延伸通过燕尾榫且进入翼片。主冷却回路包括用于使主冷却流从翼片通过燕尾榫离开的离开口。方法包括放出流动通过主冷却回路的冷却剂的部分到平台冷却回路内的步骤，和将冷却剂从平台冷却回路倾注到主冷却回路以流过离开口的步骤。

在另一个方面中，提供了涡轮机叶片。涡轮机叶片包括平台、燕尾榫和翼片，翼片具有前缘、后缘、压力侧壁和吸力侧壁。翼片连接到平台。涡轮机叶片进一步包括延伸通过燕尾榫且进入翼片的主冷却回路。主冷却回路包括用于使主冷却流从翼片通过燕尾榫离开的离开口。涡轮机叶片也包括与主冷却回路流体连通的平台冷却回路。平台回路包括用于将流过主冷却回路的冷却剂的部分放出到平台回路内的入口，和通过它冷却剂离开平台冷却回路的出口。

在再另一个方面中，提供了用于燃气涡轮机的转子组件。转子组件包括转子轴和多个周向间隔开的联接到转子轴的转子叶片。每个转子叶片包括平台、燕尾榫和翼片，翼片具有前缘、后缘、压力侧壁和吸力侧壁。翼片连接到平台。涡轮机叶片进一步包括延伸通过燕尾榫且进入翼片的主冷却回路。主冷却回路包括用于使主冷却流从翼片通过燕尾榫离开的离开口。涡轮机叶片也包括与主冷却回路流体连通的平台冷却回路。平台回路包括用于将流过主冷却回路的冷却剂的部分放出到平台回路内的入口，和通过它冷却剂离开平台冷却回路的出口。

附图说明

图1是包括燃气涡轮机的燃气涡轮机系统的侧剖视图；

图2是转子叶片的例子的透视示意图示；

图3是部分截面形式的另一个转子叶片的例子的透视示意图示；

图4是平台蜿蜒冷却回路的例子的顶视图；

图5是图4中示出的平台蜿蜒冷却回路的透视图。

具体实施方式

一般地，且如以下更详细地阐述，转子叶片包括主冷却回路。主冷却回路延伸通过燕尾榫且进入翼片。这样的主冷却回路然后从翼片往回延伸通过燕尾榫。在一个实施例中，通过将从主冷却回路供给到翼片的冷却剂的部分放出，且使冷却剂行进通过平台内的蜿蜒通道或平台回路以对流地冷却平台来提供转子叶片平台的冷却。平台蜿蜒冷却流的部分从平台回路放出以流入翼片内的翼片冷却回路，其冷却了翼片的部分，且这样的冷却剂流然后与主翼片冷却流再汇合。平台蜿蜒冷却剂流的剩余部分继续对流地冷却轮叶平台，且然后倾注到主冷却回路内且流到离开口。

在一个实施例中，平台蜿蜒冷却回路是与平台成整体的镶铸特征部。替代地，这样的回路部分地铸造有接附的覆盖板以固定到平台。为增加从平台到冷却剂的传热，可以在回路中使用湍流器。这样的平台冷却回路可以与闭环蒸汽冷却轮叶以及空气冷却轮叶连同使用。

参考附图，图1是包括燃气涡轮机20的燃气涡轮机系统10的侧剖视图。燃气涡轮机20包括压缩机部分22、包括多个燃烧器管26的燃烧器部分24和使用轴29联接到压缩机部分22的涡轮机部分28。多个涡轮机叶片30连接到涡轮机轴29。在涡轮机叶片30之间定位了多个不旋转的涡轮机喷嘴级31，涡轮机喷嘴级31包括多个涡轮机喷嘴32。涡轮机喷嘴32连接到围绕涡轮机叶片30和喷嘴32的壳体或壳34。热燃气被引导通过喷嘴32以冲击叶片30而导致叶片30与涡轮机轴29一起旋转。

在运行中，环境空气导入压缩机部分22，其中环境空气被压缩到压力大于环境空气的压力。压缩的空气然后被导入燃烧器部分24，在此处压缩的空气和燃料组合以产生相对地高压、高速的燃气。涡轮机部分28构造为从由燃烧器部分24流来的高压、高速燃气获取能量。燃气涡轮机系统10典型地通过多种控制参数由接附到燃气涡轮机系统10的自动和/或电子控制系统(未示出)控制。

图2是可以与燃气涡轮发动机20一起使用的转子叶片40的透视示意图示。在典型的实施例中，多个转子叶片40形成了燃气涡轮发动机20的高压涡轮机转子叶片级(未示出)。每个转子叶片40包括空心的翼片42和整体的燕尾榫43，燕尾榫43用于以已知的方式将翼片42安装到转子盘(未示出)。

翼片42包括第一侧壁44和第二侧壁46。第一侧壁44是凸起的且限定了翼片42的吸力侧，且第二侧壁46是凹入的且限定了翼片42的压力侧。侧壁44和46在翼片42的前缘48处和轴向间隔开的后缘50处连接，后缘50在前缘48的下游。

第一和第二侧壁44和46分别纵向地或径向地向外延伸以从定位为邻近燕尾榫43的叶片根部52跨越到顶板54，顶板54限定了内冷却回路或冷却室56的径向外边界。冷却回路56在侧壁44和46之间限定在翼片42内。翼片42的内部冷却在本领域中是已知的。在典型的实施例中，冷却回路56包括以压缩机放出空气冷却的蜿蜒通道。

图3是部分截面形式的另一个转子叶片60的例子的透视示意图示。与在图2中示出的叶片40的部件相同的叶片60的部件在图3中使用与图2中所使用的相同的参考数字标识。特别地，如在图3中示出，主冷却回路62延伸通过转子叶片。特别地，主冷却回路62延伸通过燕尾榫43，且进入到翼片42内。这样的主冷却回路62然后从翼片42往回延伸通过燕尾榫43。

在一个实施例中，通过将从主冷却回路62供给到翼片的冷却剂流的部分放出，且使冷却剂行进通过平台66内的蜿蜒通道或平台回路64以对流地冷却平台66来提供转子叶片平台的冷却。平台蜿蜒冷却流的部分从平台回路64放出以流入在翼片42内的翼片冷却回路68，其冷却了翼片42的部分，且这样的冷却剂流然后与主翼片冷却流再汇合。平台蜿蜒冷却剂流的剩余部分继续对流地冷却轮叶平台66，且然后倾注到主冷却回路66内且流过主冷却回路离开口70。

图4是平台蜿蜒冷却回路64的顶视图，且图5是平台回路64的透视图。参考图4和图5，回路64包括入口72使得典型地供给到翼片的冷却剂流的部分从主冷却回路62放出到平台冷却回路64。平台回路64也包括蜿蜒部分，或区段74，用于便于从平台66到流过回路64的冷却剂的传热。回路64也包括翼片出口76，使得平台蜿蜒冷却流的部分从平台回路64放出以流入翼片42内的翼片冷却回路68，其冷却翼片42的部分，且这样的冷却剂流然后与主翼片冷却流再汇合。平台蜿蜒冷却剂流的剩余部分继续对流地冷却轮叶平台66。平台回路64进一步包括出口78，使得已完全地流过回路64的冷却剂离开，例如倾注到主冷却回路62内且流过主冷却回路离开口70。

在一个实施例中，平台蜿蜒冷却回路是与平台成整体的镶铸特征部。特别地，回路可以使用陶瓷芯形成，或使用蜡以失蜡铸造过程形成。在失蜡铸造过程中，板典型地焊接或铜焊到平台以完全地封闭在平台内的回路。为增加从平台到冷却剂的传热，可以在回路中使用湍流器。这样的平台冷却回路可以与闭环蒸汽冷却轮叶以及空气冷却轮叶连同使用。

以上描述的平台冷却便于以增加的入口点火温度运行燃气涡轮机，使得能以这样的增加的入口点火温度获得改进的输出和发动机效率，而不对轮叶平台增加应力。另外，这样的平台冷却便于冷却整个平台，而不是例如在某些运行状况下以膜冷却来仅冷却平台的尾部。

虽然本发明已经根据多种特定的实施例描述，本领域技术人员将认识到本发明可以以权利要求书的精神和范围内的修改来实践。

零件列表

10	燃气涡轮机系统
		20	燃气涡轮发动机
22	压缩机部分
		24	燃烧器部分
26	燃烧器管
		28	涡轮机部分
29	涡轮机轴
		30	涡轮机叶片
31	涡轮机喷嘴级
		32	涡轮机喷嘴
34	壳体或壳
		40	转子叶片
42	翼片
		43	燕尾榫
44	第一侧壁
		46	第二侧壁
48	前缘
		50	后缘
52	叶片根部
		54	顶板

56	冷却回路
		60	转子叶片
62	主冷却回路
		64	平台冷却回路
66	冷却轮叶平台
		68	翼片冷却回路
70	主冷却回路离开口
		72	入口
74	部分
		76	翼片出口
78	出口

Claims (10)

1.一种涡轮机叶片(60)，其包括：

平台(66)；

燕尾榫(43)；

翼片(42)，该翼片包括前缘(48)、后缘(50)、压力侧壁(44)和吸力侧壁(46)，所述翼片连接到所述平台；

延伸通过燕尾榫且进入翼片的主冷却回路(62)，所述主冷却回路包括用于使主冷却流从所述翼片通过所述燕尾榫离开的离开口(70)；和

限定在所述平台内的与所述主冷却回路流体连通的平台冷却回路(64)，所述平台回路包括：入口(72)，用于抽取流过所述主冷却回路的冷却剂的部分到所述平台回路内；第一出口(78)，冷却剂的部分通过所述第一出口从平台冷却回路直接排出到所述主冷却回路中；和，第二出口(76)，冷却剂通过所述第二出口离开所述平台冷却回路，并且被引导到至少部分地限定在翼片内的独立翼片冷却回路(68)中。

2.根据权利要求1所述的涡轮机叶片(30)，其中所述第一平台回路出口(78)连接到所述主冷却回路(62)，使得来自所述平台回路的冷却剂与在所述主冷却回路内冷却剂混合且通过所述燕尾榫(43)离开。

3.根据权利要求1所述涡轮机叶片(30)，其中所述平台冷却回路(64)的至少部分具有蜿蜒形状。

4.根据权利要求1所述涡轮机叶片(60)，其中所述平台冷却回路(64)进一步包括第二翼片出口(76)，流过所述平台冷却回路的冷却剂的部分通过第二翼片出口(76)离开以冷却所述翼片(42)的至少部分，所述冷却剂的部分在离开所述涡轮机叶片之前与所述主冷却回路再汇合。

5.根据权利要求1所述的涡轮机叶片(30)，其中所述平台回路(64)使用陶瓷芯形成。

6.根据权利要求1所述的涡轮机叶片(30)，其中所述平台回路(64)包括湍流器(80)。

7.根据权利要求1所述的涡轮机叶片(30)，其中平台回路冷却剂是蒸汽和空气之一。

8.一种用于燃气涡轮机(20)的转子组件，所述转子组件包括：转子轴(29)；和

多个周向间隔开的联接到所述转子轴的转子叶片(40)，每个所述转子叶片包括：

平台(66)；

燕尾榫(43)；

翼片(42)，该翼片包括前缘(48)、后缘(50)、压力侧壁(46)和吸力侧壁(44)，所述翼片连接到所述平台；

延伸通过燕尾榫且进入翼片的主冷却回路(62)，所述主冷却回路包括用于使主冷却流从所述翼片通过所述燕尾榫离开的离开口(70)；和

限定在所述平台内的与所述主冷却回路流体连通的平台冷却回路(64)，所述平台回路包括：入口(72)，用于抽取流过所述主冷却回路的冷却剂的部分到所述平台回路内；第一出口(78)，冷却剂通过所述第一出口从平台冷却回路直接排出到所述主冷却回路中；和，第二出口(76)，冷却剂通过所述第二出口离开所述平台冷却回路，并且被引导到至少限定在所述翼片内的独立翼片冷却回路(68)。

9.根据权利要求8所述的转子组件，其中所述平台回路出口(78)连接到所述主冷却回路(62)，使得来自所述平台回路的冷却剂与在所述主冷却回路内的冷却剂混合且通过所述燕尾榫(43)离开。

10.根据权利要求8所述的转子组件，其中所述平台冷却回路(64)的至少部分具有蜿蜒形状。

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