CN102400717B - 涡轮叶片平台冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮叶片平台冷却系统。本申请提供了一种涡轮叶片冷却系统(100)。涡轮叶片冷却系统(100)可包括：具有第一涡轮叶片平台(150)的第一涡轮叶片(120)，第一涡轮叶片平台(150)具有与压力侧通道(200)连通的冷却腔(180)；以及具有第二涡轮叶片平台(150)的第二涡轮叶片(130)，第二涡轮叶片平台(150)具有与吸力侧通道(220)连通的平台冷却腔(210)。第一涡轮叶片平台(150)的压力侧通道(200)与第二涡轮叶片平台(150)的吸力侧通道(220)连通。

Description

涡轮叶片平台冷却系统
技术领域
本申请大体涉及燃气轮机发动机，并且更具体而言，涉及用以冷却邻近的叶片平台的吸力侧的涡轮叶片平台冷却系统。
背景技术
已知的涡轮组件一般包括数排沿周向隔开的涡轮叶片。从大体上描述，各个涡轮叶片包括从平台向外延伸的翼型件和具有鸠尾榫的从平台向内延伸的柄部。鸠尾榫用来将涡轮叶片安装到转子盘上以便与其一起旋转。已知的涡轮叶片一般是空心的，使得内部冷却腔可限定成通过翼型件、平台、柄部和鸠尾榫的至少一部分。
在翼型件与平台之间和/或在柄部与平台之间的交接部处可形成温度失配，因为叶片的翼型件部分比柄部和鸠尾榫部分暴露于更高的温度。随着时间的过去，这样的温差和相关联的热应变可对叶片平台引起大的压缩性热应力。此外，涡轮的提高的运行温度总体上可导致涡轮叶片的氧化、疲劳、破裂和/或蠕变偏转，并且因此导致涡轮叶片有缩短的使用寿命。整个涡轮叶片且特别是轮叶平台的潜在应力在较高的涡轮燃烧温度的情况下一般会增大。
因此存在对特别是在平台的吸力侧的周围具有改进的冷却的涡轮叶片的需要。这种改进的涡轮叶片设计将允许使用较高的燃烧温度，并且因此允许有较高的整体系统效率与增加的构件寿命。
发明内容
本申请因此提供了一种涡轮叶片冷却系统。该涡轮叶片冷却系统可包括：具有第一涡轮叶片平台的第一涡轮叶片，第一涡轮叶片平台具有与压力侧通道连通的冷却腔；以及具有第二涡轮叶片平台的第二涡轮叶片，第二涡轮叶片平台具有与吸力侧通道连通的平台冷却腔。第一涡轮叶片平台的压力侧通道与第二涡轮叶片平台的吸力侧通道连通。
本申请进一步提供了一种冷却涡轮叶片平台的方法。该方法可包括以下步骤：使冷却介质流过第一涡轮叶片平台的压力侧通道；使冷却介质流过第二涡轮叶片平台的吸力侧通道；使冷却介质流过第二涡轮叶片平台中的平台冷却腔；以及冷却第二涡轮叶片平台。
本申请进一步提供了一种涡轮叶片平台。该涡轮叶片平台可包括压力侧通道、与压力侧通道连通的冷却回路、吸力侧通道，以及与吸力侧通道连通的平台冷却腔。
在结合若干附图和所附权利要求审阅以下详细描述之后，本申请的这些和其它特征和改进对于本领域普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
图1是已知的燃气轮机发动机的构件的示意图。
图2是已知的涡轮叶片的透视图。
图3是如可在本文中描述的涡轮叶片平台冷却系统的涡轮叶片对的俯视平面图。
图4是图3的涡轮叶片平台冷却系统的涡轮叶片对的侧面截面图。
图5是图3的涡轮叶片平台冷却系统的分开的涡轮叶片对的局部侧面透视图。
部件列表：
10燃气轮机发动机
15压缩机
20空气流
25燃烧器
30燃料流
35燃烧气体流
40涡轮
45负载
50涡轮叶片
55翼型件
60平台
65吸力侧
70压力侧
75前缘
80后缘
85柄部
86天使翼
90鸠尾榫
95柄部腔
100涡轮叶片冷却系统
110涡轮叶片
120第一涡轮叶片
130第二涡轮叶片
140间隙
150平台
152前侧
154后侧
156吸力侧
158压力侧
160翼型件
170柄部
180冷却腔
190冷却介质
200压力侧通道
210平台冷却腔
220吸力侧通道
230后侧通道
240紊流器
具体实施方式
现在参看附图，其中，相同标号在所有若干视图中指相同元件，图1显示了已知的燃气轮机发动机10的构件的示意图。燃气轮机发动机10可包括压缩机15。压缩机15压缩进入的空气流20。压缩机15将压缩空气流20输送到燃烧器25。燃烧器25使压缩空气流20与压缩燃料流30混合，并且点燃该混合物而产生燃烧气体流35。虽然显示了仅单个燃烧器25，但是燃气轮机发动机10可包括任何数量的燃烧器25。燃烧气体流35又被输送到涡轮40。燃烧气体流35驱动涡轮40以便产生机械功。在涡轮40中产生的机械功驱动压缩机15和外部负载45，例如发电机等等。
燃气轮机发动机10可使用天然气、各种类型的合成气和其它类型的燃料。燃气轮机发动机20可为由纽约的斯卡奈塔第的通用电气公司提供或以别的方式提供的任何数量的不同的燃气轮机中的一个。燃气轮机发动机10可具有其它构造，并且可使用其它类型的构件。也可在本文中使用其它类型的燃气轮机发动机。多个燃气轮机发动机10、其它类型的涡轮以及其它类型的功率发生装备可在本文中一起使用。
图2显示了已知的涡轮叶片50的透视图。涡轮叶片50可用于如上面所描述的涡轮40等中。任何数量的叶片50可布置成邻近彼此、成沿周向隔开的排列。各个涡轮叶片50大体包括从平台60延伸的翼型件55。翼型件55可在形状上凸起而具有吸力侧65和压力侧70。各个翼型件55还可具有前缘75和后缘80。也可在本文中使用其它翼型件构造。
涡轮叶片50还可包括从平台60向内延伸的柄部85和鸠尾榫90。许多天使翼86可附连到柄部85上。鸠尾榫90可将涡轮叶片50附连到盘(未显示)上以便与其一起旋转。柄部85可为基本空心的，其中具有柄部腔95。柄部腔95可与冷却介质(例如压缩机排气)连通。也可在本文中使用其它类型的冷却回路和冷却介质。冷却介质可循环通过鸠尾榫90、柄部85、平台60的至少一部分，且进入翼型件55中。可在本文中使用其它构造。
图3-5显示了如可在本文中描述的涡轮叶片平台冷却系统100。涡轮叶片平台冷却系统100可包括任何数量的涡轮叶片110，但是仅显示了第一涡轮叶片120和第二涡轮叶片130。如上所述，任何数量的涡轮叶片110可沿周向定位成在转子盘(未显示)的周围邻近彼此。各对涡轮叶片110可在它们之间限定间隙140。第一涡轮叶片120和第二涡轮叶片130可为基本相同的。
各个涡轮叶片110可包括平台150，平台150具有从平台150向外延伸的翼型件160和从平台150向内延伸的柄部170。平台150可具有前侧152、后侧154、吸力侧156和压力侧158。
涡轮叶片110可包括延伸通过其中的冷却腔180。冷却腔180可与冷却介质190(例如压缩机排气等等)连通。冷却腔180可至少部分地延伸通过柄部170且进入翼型件160中。冷却腔180的一部分还可延伸到平台150中，使得冷却介质190的至少一部分可或者代替传送通过翼型件160而传送通过平台，或者在传送通过翼型件160之后传送通过平台。具体而言，冷却腔180可在平台150的压力侧158的附近延伸到平台150的后部部分154中。冷却腔180的该部分可终止于平台150的压力侧通道200的附近。可在本文中使用其它构造。
平台150还可包括平台冷却腔210。平台冷却腔210可从平台150的吸力侧156延伸向后侧154。平台冷却腔210可始于吸力侧通道220的附近。吸力侧通道220可与邻接的涡轮叶片110的压力侧通道200对准，以便将冷却介质190传送通过其中。平台冷却腔210还可包括后侧通道230，以便在冷却介质190一旦传送通过其中时排出冷却介质190。平台冷却腔210还可在其中包括销组或其它类型的紊流器240，以便提供紊流来进行增强的热传递。可在本文中使用其它类型的内部构造。
在使用中，冷却介质190传送通过第一涡轮叶片120的冷却通路180。冷却介质190的至少一部分传送通过平台150，并且通过压力侧通道200离开。冷却介质190然后传送通过间隙140且进入第二涡轮叶片130的平台冷却腔210中。具体而言，冷却介质190传送到平台冷却腔210的吸力侧通道220中，吸力侧通道220沿着平台150的后端154定位在平台150的吸力侧156上。冷却介质190然后可沿着后侧通道230离开平台150。
涡轮叶片平台冷却系统100从而通过来自第一涡轮叶片120的冷却介质190来在第二涡轮叶片130的平台150的吸力侧156上提供冷却。在平台冷却腔210内的销组或其它类型的紊流器240还在其中提供了增强的热传递。这个冷却还在平台150的冷却器柄部侧和热气侧之间提供了一些横向柔性，以便减少其中的热应力。在本文中还可使用与平台冷却腔210连通的表面膜孔等等。还可在间隙140的周围使用各种类型的密封件，以减少通过其中的泄漏和吸入。
涡轮叶片平台冷却系统100从而提供了平台冷却来使得能够有较高的涡轮运行温度，以便在对构件耐用性有较小的影响的情况下提供较高的效率和较低的客户运行成本。使用来自第一叶片120的冷却介质190以便冷却第二叶片130进一步提高了这种整体效率。还可以类似的方式使冷却介质190从吸力侧156传递到压力侧158。可在本文中使用沿任何方向的任何类型的平台与平台之间的冷却方案。
应当显而易见的是，前述内容仅涉及本申请的某些实施例，而且本领域普通技术人员可在本文中作出许多改变和修改，而不偏离由所附权利要求及其等效方案所限定的本发明的总的精神和范围。

Claims (15)

1.一种涡轮叶片冷却系统(100)，包括：
第一涡轮叶片(120)；
所述第一涡轮叶片(120)包括翼型件、第一涡轮叶片平台和延伸入所述翼型件和所述第一涡轮叶片平台的叶片冷却腔(180)；
其中，所述叶片冷却腔(180)与所述第一涡轮叶片平台中的压力侧通道(200)连通，所述压力侧通道位于所述第一涡轮叶片平台内并且延伸至所述第一涡轮叶片平台的压力侧边缘；以及
第二涡轮叶片(130)；
所述第二涡轮叶片(130)包括第二涡轮叶片平台和平台冷却腔(210)；
其中，所述平台冷却腔(210)与位于所述第二涡轮叶片平台内并且延伸至所述第二涡轮叶片平台的吸力侧边缘的吸力侧通道(220)连通；
其中，所述第一涡轮叶片平台的压力侧通道与所述第二涡轮叶片平台的吸力侧通道连通。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片冷却系统(100)，其特征在于，所述第一涡轮叶片平台包括压力侧(158)，并且其中，所述压力侧通道(200)定位在所述压力侧(158)中。
3.根据权利要求1所述的涡轮叶片冷却系统(100)，其特征在于，所述第一涡轮叶片平台包括后侧(154)，并且其中，所述压力侧通道(200)定位在所述后侧(154)中。
4.根据权利要求1所述的涡轮叶片冷却系统(100)，其特征在于，所述第二涡轮叶片平台包括吸力侧(156)，并且其中，所述吸力侧通道(220)定位在所述吸力侧(156)中。
5.根据权利要求1所述的涡轮叶片冷却系统(100)，其特征在于，所述第二涡轮叶片平台包括吸力侧(156)，并且其中，所述平台冷却腔(210)定位在所述吸力侧(156)中。
6.根据权利要求1所述的涡轮叶片冷却系统(100)，其特征在于，所述第二涡轮叶片平台包括后侧(154)，并且其中，所述平台冷却腔(210)定位在所述后侧(154)中。
7.根据权利要求1所述的涡轮叶片冷却系统(100)，其特征在于，所述第二涡轮叶片平台包括后侧(154)，并且其中，所述平台冷却腔(210)包括在所述后侧(154)上的后侧通道(230)。
8.根据权利要求1所述的涡轮叶片冷却系统(100)，其特征在于，所述涡轮叶片冷却系统(100)进一步包括在所述第一涡轮叶片平台和所述第二涡轮叶片平台之间的间隙(140)。
9.根据权利要求1所述的涡轮叶片冷却系统(100)，其特征在于，所述涡轮叶片冷却系统(100)进一步包括冷却介质(190)，并且其中，所述冷却介质(190)流过所述第一涡轮叶片平台的所述压力侧通道(200)，并且流到所述第二涡轮叶片平台的所述吸力侧通道(220)和所述平台冷却腔(210)中。
10.根据权利要求1所述的涡轮叶片冷却系统(100)，其特征在于，所述平台冷却腔(210)在其中包括多个紊流器(240)。
11.一种冷却涡轮叶片平台的方法，包括：
使冷却介质(190)流过位于第一涡轮叶片内的叶片冷却腔，所述叶片冷却腔延伸入翼型和所述第一涡轮叶片的第一涡轮叶片平台；
使冷却介质流过位于所述第一涡轮叶片平台内并且延伸至所述第一涡轮叶片平台的压力侧边缘的压力侧通道，所述压力侧通道与所述叶片冷却腔连通；
使所述冷却介质(190)流过位于第二涡轮叶片平台内并且延伸至所述第二涡轮叶片平台的吸力侧边缘的吸力侧通道(220)，所述第二涡轮叶片平台的吸力侧通道与所述第一涡轮叶片平台的压力侧通道连通；
使所述冷却介质(190)流过位于所述第二涡轮叶片平台中的平台冷却腔(210)，所述平台冷却腔与所述吸力侧通道连通；以及
冷却所述第二涡轮叶片平台。
12.根据权利要求11所述的冷却涡轮叶片平台的方法，其特征在于，使所述冷却介质(190)流过所述平台冷却腔(210)的步骤包括在所述平台冷却腔(210)中产生紊流。
13.根据权利要求11所述的冷却涡轮叶片平台的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使所述冷却介质(190)通过后侧通道(230)流出所述平台冷却腔(210)的步骤。
14.根据权利要求11所述的冷却涡轮叶片平台的方法，其特征在于，所述方法进一步包括密封所述压力侧通道(200)和所述吸力侧通道(220)之间的间隙(140)的步骤。
15.根据权利要求11所述的冷却涡轮叶片平台的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使所述冷却介质(190)流过连接到所述第一涡轮叶片平台上的翼型件(160)的步骤。
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