CN102191951A - 用于冷却涡轮构件的平台的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于冷却涡轮构件的平台的装置。本主题公开了一种涡轮构件(10)，其包括平台(14)和从平台(14)沿径向向上延伸的翼型件(12)。多个弯曲冷却通道(56)可限定在平台(14)中。各个弯曲冷却通道(56)可具有设置在平台(14)的外表面处的至少一端。另外，各个冷却通道(56)可构造成以便引导冷却介质通过平台(14)。

Description

用于冷却涡轮构件的平台的装置
技术领域
本主题大体涉及用于冷却涡轮构件的平台的装置，并且尤其涉及这样的涡轮构件：该涡轮构件具有用以冷却该构件的平台的弯曲冷却通道。
背景技术
在燃气轮机中，热的燃烧气体从环形的一组燃烧器流动通过过渡件，以沿着环形热气路径流动。涡轮级典型地沿着热气路径设置，使得热的燃烧气体从过渡件流过第一级喷嘴和轮叶，并且流过后面的涡轮级的喷嘴和轮叶。涡轮轮叶可固定到包括涡轮转子的多个涡轮叶轮上，各个涡轮叶轮安装到转子轴上以与其一起旋转。
涡轮轮叶一般包括具有压力侧和吸力侧且从水平的基本平面的平台沿径向向上延伸的翼型件。空心柄部从平台沿径向向下延伸，并且可包括鸠尾榫或用以将轮叶固定到涡轮叶轮上的其它机构。轮叶平台大体限定了流过热气路径的燃烧产物的内部流径边界。因此，由于燃烧产物的高的温度和轮叶上的机械载荷的原因，平台可为高应力集中的区域。为了缓解由于热而引起的应力的一部分，涡轮轮叶可包括一些类型的平台冷却方案或布置，以降低平台的顶部和底部之间的温差。
在本领域中已知多种平台冷却布置。例如，一种已知的冷却布置包括在柄部和平台之间限定在涡轮轮叶中的多个薄膜冷却孔。冷却空气被引入柄部的空腔中，并且被引导通过薄膜冷却孔，以在孔的局部区域中冷却平台。但是，已经发现，这种薄膜冷却对轮叶平台提供了达不到最佳的冷却，而且还需要使用过量的空气。另一种已知的冷却布置包括带芯的(cored)平台，其中，该平台限定了可通过其中供应冷却介质的腔体。但是，就改进冷却布置的性能而言，带芯的平台提供了有限的设计柔性。此外，形成带芯的平台的过程可能既昂贵又难以实现。
因此，有效地冷却构件的平台且相对易于制造的、用于诸如涡轮轮叶的涡轮构件的冷却布置在技术上将被接受。
发明内容
本发明的各方面和优点将部分地在以下描述中阐述，或者根据该描述，它们可为显而易见的，或者可通过实践本发明来学习它们。
一方面，本主题提供了一种涡轮构件，其包括平台和从平台沿径向向上延伸的翼型件。多个弯曲冷却通道可限定在平台中。各个弯曲冷却通道可具有设置在平台的外表面处的至少一端。另外，各个冷却通道可构造成以便引导冷却介质通过平台。
参照附图和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合在此说明书中且构成此说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用来阐明本发明的原理。
附图说明
在参照附图的说明书中阐述了针对本领域的普通技术人员的、本发明的完整且能够实施的公开，包括其最佳模式，其中：
图1示出了根据本主题的一方面的涡轮轮叶的一个实施例的透视图；
图2示出了根据本主题的一方面的涡轮轮叶的一个实施例的俯视平面图；
图3示出了根据本主题的一方面的涡轮轮叶的另一个实施例的俯视平面图；
图4示出了根据本主题的一方面的涡轮轮叶的又一个实施例的俯视平面图；以及
图5示出了根据本主题的一方面的两个紊流化的弯曲冷却通道的俯视截面图。
部件列表：
10 涡轮轮叶
12 翼型件
14 平台
16 前缘
18 后缘
20 压力侧
22 吸力侧
23 顶面
24 压力面
26 吸力面
28 前部面
30 后部面
32 柄部
34 柄部的侧部
38 空腔
40 天使翼
42 根部结构
44 翼型件冷却回路
46 供应通道
48 返回通道
50 冷却槽道
52 前缘槽道
54 后缘槽道
56 冷却通道
58 塞
60 起始端
62 终止端
64 冷却介质入口
66 冷却介质出口
70 跨接通路
72 薄膜冷却孔
74 紊流脊
具体实施方式
现在将对本发明的实施例进行详细参照，实施例的一个或多个实例在图中示出。各个实例是以阐述本发明而非限制本发明的方式提供的。事实上，对本领域技术人员将显而易见的是，可在不偏离本发明的范围或精神的情况下在本发明中作出各种修改和改型。例如，被示为或描述为一个实施例的一部分的特征可与另一个实施例一起用来产生又一个实施例。因此，意图的是本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效物的范围内的这种修改和改型。
大体上，本主题涉及用于涡轮构件的冷却布置。具体而言，本主题涉及这样的涡轮构件：其具有限定在该构件的平台中的多个弯曲冷却通道。大体上，可改变冷却通道在平台内的布置或型式，以提供增强的设计柔性。通过优化供应给平台的特定区域的冷却介质的量，这种柔性可用来提高冷却通道的整体冷却性能。另外，弯曲冷却通道制造起来可相对容易和廉价，并且因此可对其它已知的冷却布置提供成本有效的备选方案。
起初，应当理解，虽然本主题的冷却通道在本文中将被描述为限定在燃气轮机的涡轮轮叶中，但是冷却通道可大体限定在需要冷却的、具有平台(例如在翼型件的基部处)的任何涡轮构件中。因此，例如，冷却通道也可限定在压缩机中或设置在燃气轮机的压缩机区段的压缩机内的转子叶片中。另外，本主题的应用不需限于燃气轮机，而是还可用于蒸汽轮机中。此外，应当理解，本主题可应用于用来产生功率的涡轮，以及在航空业中用来进行推进的那些涡轮。
参照附图，图1示出了用于燃气轮机的涡轮轮叶10。轮叶10大体包括翼型件12、柄部32和设置在翼型件12与柄部32之间的平台14。翼型件12大体从平台14沿径向向上延伸，并且包括前缘16和后缘18。另外，翼型件12可包括限定翼型件12的压力侧20的凹壁和限定翼型件12的吸力侧22的凸壁。涡轮轮叶10的平台14可大体布置成以便为水平的且基本平的。另外，平台14可包括各种外表面。例如，平台可包括顶面23和大体限定平台14的各个侧部的外部面。特别而言，如图2所示，平台14可包括压力面24、吸力面26、前部面28和后部面30。涡轮轮叶10的柄部32可从平台14沿径向向下延伸，使得平台14大体限定翼型件12和柄部32之间的交接处。柄部32可包括侧部34、部分地由侧部34限定的空腔38和从各个侧部34水平地延伸的一个或多个天使翼(angel wing)40。另外，柄部可包括构造成以便将轮叶10固定到燃气轮机的涡轮转子的涡轮叶轮(未示出)上的根部结构42，例如鸠尾榫。
涡轮轮叶10还可包括至少部分地设置在翼型件12中的翼型件冷却回路44，以用于使冷却介质(例如空气或蒸汽)流过翼型件12。大体上，应当理解，轮叶10的翼型件冷却回路44可具有各种构造。例如，在图1中描绘了翼型件冷却回路44的一个实施例。如图所示，冷却回路44包括闭环双通道冷却回路，其中，冷却介质通过供应通道46进入且通过返回通道48离开。但是，本领域普通技术人员应当理解，冷却回路44可具有任何数量的用于冷却翼型件12的通道或冷却槽道。例如，在图2中示出了翼型件冷却回路44的一个备选实施例。如平面图所示，翼型件冷却回路44包括沿着翼型件12沿径向向内和向外延伸的多个冷却槽道50。因此，在一个实施例中，冷却槽道50可为闭环冷却回路的一部分，并且限定蜿蜒状的路径，使得冷却介质可被引导经过翼型件12。具体而言，冷却介质可进入前缘槽道52，并且以交替的方式沿径向向外以及沿径向向内流过各槽道50，以通过后缘槽道54返回。还应当理解，翼型件冷却回路44无需限于单个供应通道46，而是可大体具有隔离的或者流连通的多个供应通道46，冷却介质通过这些供应通道46进入轮叶10。此外，在又一个实施例中，翼型件冷却回路44可包括开放式冷却回路。因此，例如，翼型件冷却回路44可包括单通道或多通道冷却回路，其中，冷却介质通过限定在翼型件12中的多个薄膜孔或后缘冷却孔(未示出)离开。
根据本主题的一方面，涡轮轮叶10还可包括在翼型件12的凹侧或压力侧20限定在平台14中的多个弯曲冷却通道56，其各种实施例在图1-4中示出。可对各个弯曲冷却通道供应冷却介质，例如空气、蒸汽或任何其它适当的冷却流体。因而，冷却通道56可构造成以便引导冷却介质通过平台14，以为平台14提供优选的冷却布置。在一个示例性实施例中，冷却通道56可与翼型件冷却回路44处于流连通，使得冷却介质可供应给冷却通道56。但是，应当理解，冷却通道56可与任何适当的轮叶冷却回路处于流连通，冷却介质流从较高压力的回路进入，且通过较低压力的回路离开。
大体上，应当理解，可通过任何适当的方式在平台14内形成本主题的弯曲冷却通道56。例如，弯曲冷却通道56可通过放电加工(“EDM”)过程或者通过铸造过程而形成。但是，在一个示例性实施例中，弯曲冷却通道56可通过弯曲形管电化学加工(“STEM”)过程而形成。弯曲STEM过程大体在2009年9月18日提交的且转让给通用电气公司的、编号No.12/562,528-Curved Electrode and Electrochemical Machining Method and Assembly Employing the Same(弯曲电极和电化学加工方法和采用它们的组件)的申请中公开。一般而言，不像传统STEM钻削过程，弯曲STEM过程利用操作性地连接到旋转驱动器上的弯曲STEM电极。旋转驱动器构造成以便使电极沿着待加工的物体(例如轮叶平台14)内的弯曲路径运动。当旋转驱动器使弯曲电极沿着弯曲路径旋转时，从电源供应给电极的脉冲电压允许有待被加工的物体的部分被电腐蚀掉，以在该物体内限定弯曲通道。
参照图1和2，示出了根据本主题的一方面的涡轮轮叶10的一个实施例。如图所示，半径不同的多个弯曲冷却通道56可在翼型件12的压力侧20限定在平台14中。具体而言，当通道56延伸远离平台14的压力面24且沿翼型件12的凹壁的方向延伸时，冷却通道56的半径可逐渐变得更小。因而，冷却通道56的曲率可与翼型件12的压力侧20的凹形大体相符。因此，冷却通道56可允许冷却介质(例如空气、蒸汽等等)被供应而遍及平台14的很大一部分，而且具体而言，允许紧邻翼型件12的平台14的区域得到有效的冷却。
仍然参照图2，弯曲冷却通道56可以以不同心的方式形成在平台14内。如本文所用，用语“不同心”应理解为意思是弯曲冷却通道56不共用公共的中心点。另外，弯曲冷却通道56可形成于平台14中，使得各个冷却通道56起始于以及终止于平台14的外表面上的基本相同的位置。因此，如图2所示，冷却通道56可大体限定设置在平台14的前部面28处的第一起始端60和设置在平台14的压力面24处的第二终止端62。此布置可容许从公共冷却介质入口64直接对各个冷却通道56供应冷却介质，并且通过公共冷却介质出口66排出冷却介质。例如，如图1所示，冷却介质入口64可在涡轮轮叶10中限定在冷却通道56和翼型件冷却回路44之间，使得各个冷却通道56与翼型件冷却回路44处于直接的流连通。如在图2中具体显示的那样，冷却介质入口64可使流过翼型件冷却回路44的前缘槽道52的冷却介质(大体由箭头示出的冷却介质流)转向到各个冷却通道56。备选地，冷却介质入口64可与来自任何其它适当的轮叶冷却回路的高压供应槽道处于流连通，以将冷却介质供应给冷却通道56。应当理解，冷却介质入口64可通过任何适当的方式形成于轮叶10中，例如通过钻削、铸造等等。在一个具体实施例中，可利用弯曲STEM过程来形成将冷却通道56连接到翼型件冷却回路44上的弯曲冷却介质入口64。
此外，如以上所表明的那样，弯曲冷却通道56可通过公共冷却介质出口66排出流过各个冷却通道56的冷却介质。因此，如图1所示，公共冷却介质出口66可在轮叶10中限定在冷却通道56和翼型件回路44之间，使得各个冷却通道56与翼型件冷却回路44处于直接的流连通。如在图2中具体显示的那样，冷却介质出口66可将流过各个冷却通道56的冷却介质排到翼型件冷却回路44的后缘槽道54。但是，在另一个实施例中，冷却介质出口66可通过任何其它适当的轮叶冷却回路的低压槽道排出冷却介质。另外，应当理解，在备选实施例中，流过各个冷却通道56的冷却介质可通过多个薄膜冷却孔72排出，如图3的实施例中所描绘的那样，或者通过冷却通道56的终止端62(一个或多个)排出，如图4的实施例中所描绘的那样。另外，本领域普通技术人员应当理解，冷却通道56可在沿着平台的任何地方的相同或不同的位置处终止。
另外，本领域普通技术人员应当理解，当弯曲冷却通道56通过钻削或类似的过程而形成于平台14中时，冷却通道56的至少一端可限定成通过平台14的外表面。因此，在一个实施例中，塞58可设置在冷却通道56的起始端60(一个或多个)和/或终止端62(一个或多个)处，以防止冷却介质通过这些外表面泄漏。例如，如图2所示，塞58可设置在冷却通道的起始端60和终止端62处，以防止任何冷却介质分别通过平台14的前部面28和压力面24排出。应当理解，可通过填焊冷却通道56的端部来形成塞58，或者，备选地，可将实际的塞焊接或铜焊就位。
图3示出了根据本主题的一方面的涡轮轮叶10的一个备选实施例。涡轮轮叶10可包括在翼型件12的压力侧20限定在平台14中的多个弯曲冷却通道56。如图所示，冷却通道56可以以同心的方式限定在平台14内，各个冷却通道56具有设置在沿着平台14的压力面24的不同的点处的起始端60和终止端62。另外，如以上所表明的那样，塞58可设置在冷却通道56的(起始和终止)端60、62处。
为了对冷却通道56供应冷却介质，冷却介质入口64可限定在冷却通道56中的至少一个和翼型件冷却回路44之间。例如，如图3所示，冷却介质入口64可限定在轮叶10中，使得通道56中的一个与翼型件冷却回路44的前缘槽道52处于流连通。另外，跨接通路70可在平台14中限定在冷却通道56之间，以将从翼型件冷却回路44流出的冷却介质引导到任何另外的冷却通道56。但是，应当理解，在一个备选实施例中，多个冷却介质入口64可限定在轮叶10中，使得直接从冷却介质源(例如翼型件冷却回路44)对各个冷却通道56供应冷却介质。另外，应当理解，不需要从翼型件冷却回路的前缘槽道52对冷却通道56供应冷却介质，而是冷却通道56可大体接收来自翼型件冷却回路44的任何槽道50或者来自任何其它冷却介质源的冷却介质。
另外，如图3所示，流过各个冷却通道56的冷却介质可通过多个薄膜冷却孔72排出。薄膜冷却孔72可形成为通过平台14的顶面23，以便与冷却通道56处于流连通。因而，流过冷却通道56的冷却介质还可为平台14的暴露于热气路径的表面提供薄膜冷却。大体上，应当理解，可改变薄膜冷却孔72的数量、大小和构造，以优化冷却性能。
图4示出了根据本主题的一方面的涡轮轮叶10的又一个实施例。如图所示，多个弯曲冷却通道56可在翼型件12的压力侧20限定在平台14中。但是，与图2和3所示的各实施例相对比，各个冷却通道56可具有大体沿着通道56的长度而变化的曲率。因此，如图4所示，各个冷却通道56可为流过平台14的冷却介质限定蜿蜒状路径。应当理解，可通过本领域已知的任何适当的方式来形成冷却通道的变化的曲率。例如，蜿蜒形冷却通道56可通过铸造过程形成。备选地，冷却通道56可通过弯曲STEM过程形成，其中，弯曲STEM电极的定向在其运动通过平台14时改变。
如图4所示，各个冷却通道56可起始于以及终止于平台14的外表面上的基本相同的位置。例如，冷却通道56可大体限定设置在平台14的前部面28上的第一起始端60和设置在平台14的压力面24上的第二终止端62。因此，类似于图2所示的实施例，此布置可容许从公共冷却介质入口64直接对各个冷却通道56供应冷却介质，并且通过公共冷却介质出口66排出冷却介质。例如，冷却介质入口64可在轮叶10中限定在冷却通道56和翼型件冷却回路44之间，使得各个冷却通道56与翼型件冷却回路44的槽道50(例如前缘槽道52)处于直接的流连通。另外，公共冷却介质出口66(大体由箭头描绘)可限定成通过平台14的压力面24，以容许从平台14中排出流过冷却通道的冷却介质。例如，在一个实施例中，冷却通道56的终止端62可不被塞住或者可仅部分地被塞住，以允许冷却介质通过平台的压力面24排出。
本领域普通技术人员应当理解，各种各样的其它涡轮轮叶冷却型式或布置可建立有本主题的弯曲冷却通道56。因而，应当理解，冷却通道56的布置可有较大的改变，以修改通道56的冷却性能，以及提供平台14的优选冷却。例如，冷却通道56可起始于平台14的任何外表面。类似地，冷却通道56可在平台14的任何外表面处终止，或者，在一个备选实施例中，冷却通道56可在平台14本身内终止。另外，应当理解，冷却通道56不需要在翼型件12的压力侧24限定在平台14中。例如，一个或多个弯曲冷却通道56可在翼型件12的吸力侧22限定在平台14中。备选地，冷却通道56可从压力侧24横跨到翼型件12的吸力侧22，反之亦然。
另外，应当理解，本主题的冷却通道56大体可具有任何适当的截面。例如，在图1所示的实施例中，冷却通道56具有圆形截面。但是，在备选实施例中，冷却通道56可具有椭圆形、平的或任何其它适当的非圆形截面，这取决于冷却通道56的预期冷却性能。另外，截面积可在冷却通道56的长度上有所改变。例如，用来形成冷却通道56的工具的大小可在制造过程期间改变，以改变冷却通道的截面积。因此，在一个实施例中，特定大小的弯曲STEM电极可用来形成弯曲冷却通道56的第一区段，然后大小更小的弯曲STEM电极可用来形成冷却通道56的剩余部分。
另外，冷却通道56可沿着其长度而被紊流化(turbulated)。如本文所用，用语“紊流化”意思是冷却通道56的表面可具有凹槽、脊，或者以别的方式具有间歇的表面轮廓，以便将紊流引入冷却介质流中。因此，例如，在图5中示出了两个紊流化冷却通道56的一个实施例的俯视截面图。如图所示，紊流化冷却通道56包括沿着其长度形成的脊74，以在冷却介质流中产生紊流。这个紊流可通过提高冷却介质和平台14之间的热传递来增强冷却通道56的冷却性能。应当理解，脊24无需具有与图5中描绘的一模一样的形状和构造，而是可大体具有设计成以便在流中产生紊流的任何形状和/或构造。因此，在备选实施例中，脊74可具有基本方形的轮廓，以及/或者可形成为以便凸入平台14中，而非凸入冷却通道56中。还应当理解，脊、凹槽或其它间歇的表面轮廓可通过在本领域中一般已知的任何方式而形成于冷却通道56的表面中。例如，可通过改变用来形成冷却通道56的工具的工具进给速率来形成脊和/或凹槽。备选地，在另一个实施例中，在弯曲STEM过程中使用的弯曲STEM电极可仅部分地覆盖有绝缘涂层，从而使电极的导电部分的区段暴露于冷却通道56的表面，以产生表面轮廓。
另外，如本文所描绘的那样，弯曲冷却通道56大体限定在平台14内，使得冷却通道56至少沿纵长方向基本平行于以水平的方式定向的平台14。但是，应当理解，在备选实施例中，冷却通道56可以贯穿一定范围(即在该范围中从头至尾)的平面定向和角度而限定在平台14中。例如，弯曲冷却通道56可以以一定角度限定在平台14内，使得冷却通道56具有在平台14的外部面(例如压力面24)处的起始端60(一个或多个)，并且具有在平台14的顶面23处的终止端62。备选地，冷却通道56可限定在平台14中，使得冷却通道56的起始端和终止端60，62(一个或多个)两者均设置在平台14的顶面23处。
此外，应当理解，可从除翼型件冷却回路44之外的冷却介质源对弯曲冷却通道56供应冷却介质。例如，可用冷却介质(例如空气)对柄部32的空腔38加压，以防止在热气路径中流动的燃烧产物被吸入涡轮轮叶10之间。在这种情况下，冷却通道56可限定在轮叶10中，使得冷却通道56中的一个或多个与空腔38处于流连通，并且对该冷却通道56供应在空腔38内流动的冷却介质。
另外，应当理解，本文描述的冷却通道56可与低传导性涂层(例如隔热涂层)结合起来使用，该低传导性涂层施用于平台14的气体路径表面或顶面23上，以进一步增强平台14的冷却。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种涡轮构件(10)，包括：
平台(14)；
从所述平台(14)沿径向向上延伸的翼型件(12)，所述翼型件(12)包括压力侧(20)和吸力侧(22)；
限定在所述平台(14)中的多个弯曲冷却通道(56)，所述多个冷却通道(56)中的各个具有设置在所述平台(14)的外表面处的至少一端；以及
其中，所述多个冷却通道(56)中的各个构造成以便引导冷却介质通过所述平台(14)。
2.根据前述权利要求所述的涡轮构件(10)，其特征在于，所述涡轮构件(10)包括涡轮轮叶(10)。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮构件(10)，其特征在于，所述多个冷却通道(56)中的各个在所述翼型件(12)的所述压力侧(20)限定在所述平台(14)中。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮构件(10)，其特征在于，所述多个冷却通道(56)包括多个非同心的弯曲冷却通道(56)。
5.根据权利要求4所述的涡轮构件(10)，其特征在于，所述涡轮构件(10)包括与所述多个冷却通道(56)中的各个处于流连通的公共冷却介质入口(64)，所述公共冷却介质入口(64)将冷却介质供应给所述多个冷却通道(56)中的各个。
6.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的涡轮构件(10)，其特征在于，所述多个冷却通道(56)包括多个同心的弯曲冷却通道(56)。
7.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的涡轮构件(10)，其特征在于，所述多个冷却通道(56)中的各个具有沿着其长度而改变的曲率。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮构件(10)，其特征在于，冷却介质从至少部分地设置在所述翼型件(12)中的翼型件冷却回路(44)供应给所述多个冷却通道(56)。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮构件(10)，其特征在于，流过所述多个冷却通道(56)的冷却介质排到至少部分地设置在所述翼型件(12)中的翼型件冷却回路(44)中。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮构件(10)，其特征在于，流过所述多个冷却通道(56)中的各个的冷却介质通过多个薄膜冷却孔(72)排出，所述多个薄膜冷却孔(72)限定成通过所述平台(14)的顶面(23)。
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