CN102444430B - 用于涡轮转子叶片的平台冷却装置以及制备该平台冷却装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于冷却涡轮转子叶片平台区的装置与方法。具体而言，公开了一种用于涡轮转子叶片的平台冷却布置，该涡轮转子叶片具有平台和内部冷却通路，并且在操作中具有高压冷却剂区域和低压冷却剂区域，其中，该平台包括顶侧和下侧，顶侧从翼型件延伸至压力侧弦面。该平台冷却布置可包括：翼型件歧管，其位于翼型件的压力面与平台的接合部附近；弦面歧管，其位于压力侧弦面附近；高压连接件，其将该翼型件歧管连接至内部冷却通路的高压冷却剂区域；低压连接件，其将弦面歧管连接至内部冷却通路的低压冷却剂区域；冷却开孔，其从起始点沿着压力侧弦面延伸到与翼型件歧管的连接部，截断其之间的弦面歧管；以及，多个非整体式插塞。

Description

用于涡轮转子叶片的平台冷却装置以及制备该平台冷却装置的方法
技术领域
本申请大体上涉及燃气涡轮发动机，其如本文所使用的那样，并且除非另外明确规定，包括所有类型的燃气涡轮发动机，例如用于发电和飞行器发动机的那些。更具体而言，但不具有限制性，本申请涉及用于冷却涡轮转子叶片平台区的装置、系统和/或方法。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括压缩机、燃烧器和涡轮。压缩机和涡轮通常包括成级地轴向堆叠的成排翼型件或叶片。每个级通常包括成排的沿周向间隔的定子叶片(其为固定的)，以及成组的沿周向间隔的转子叶片(其围绕中心轴线或轴旋转)。在操作中，压缩机中的转子叶片围绕轴旋转以压缩空气流。然后，在燃烧器内使用压缩空气来使供给的燃料燃烧。自燃烧过程产生的热气流膨胀穿过涡轮，这导致转子叶片使轴(转子叶片附接至该轴)旋转。这样，燃料中所包含的能量转变成旋转轴的机械能，该机械能然后例如可用于使发动机的线圈旋转来发电。
参看图1和图2，涡轮转子叶片100通常包括翼型件部分或翼型件102，以及根部部分或根部104。翼型件102可被描述为具有凸形的吸力面105以及凹形的压力面106。翼型件102还可被描述为具有前缘107(其为前缘)以及后缘108(其为后边缘)。根部104可被描述为具有用于将叶片100附连到转子轴上的结构(如图所示，其通常包括燕尾榫109)、平台110(翼型件102从其延伸)，以及柄部112(其包括燕尾榫109与平台110之间的结构)。
如图所示，平台110可基本上为平坦的。更具体而言，平台110可具有平坦顶侧113，如图1中所示，该平坦顶侧113可包括沿轴向和沿周向延伸的平坦表面。如图2中所示，平台110可具有平坦下侧114，平坦下侧114也可包括沿轴向和沿周向延伸的平坦表面。平台110的顶侧113和下侧114可形成为使得每一个基本平行于另一个。如图所示，应当理解，平台110通常具有较薄的径向轮廓，即，平台110的顶侧113与下侧114之间具有相对较短的径向距离。
大体上，在涡轮转子叶片100上使用平台110以形成燃气涡轮的热气体通路区段的内部流动通路边界。该平台110还给翼型件102提供结构支撑。在操作中，涡轮的旋转速度引起机械加载，该机械加载造成沿平台110的较高应力区域，当较高应力区域结合高温时，最终会导致形成操作缺陷，例如氧化、蠕变、低周疲劳开裂等。当然，这些缺陷会不利地影响转子叶片100的使用寿命。应当理解，这些恶劣的操作情况(即，遭受热气体通路的极端温度以及与旋转叶片相关的机械加载)在设计耐用持久的转子叶片平台110(其运转良好并且具有成本效益地制造)方面提出很大的挑战。
使平台区110更耐用的一种常用解决方案是在操作期间利用压缩空气或其它冷却剂的流使其冷却，并且多种这类平台设计是公知的。然而，如本领域普通技术人员所认识到的那样，平台区110提出了某些设计挑战，这使其很难以这种方式冷却。很大程度而言，这是由于该区域难用(awkward)的几何形状造成的，因为，如所述的那样，平台110为处于远离转子叶片的中心核心(centralcore)的外围构件，并且通常设计为具有结构可靠但较薄的径向厚度。
为了使冷却剂循环，转子叶片100通常包括一个或多个中空冷却通路116(参见图3、图4、图5和图9)，冷却通路116至少沿径向延伸穿过叶片100的核心，包括穿过根部104和翼型件102。如下文更详细描述的那样，为了增强热交换，这样的冷却通路116可形成为具有蜿蜒通路，该蜿蜒通路盘绕穿过叶片100的中心区域，但其它构造也是可能的。在操作中，冷却剂可经由形成于根部104的内侧部分中的一个或多个入口117进入中心冷却通路。冷却剂可循环穿过叶片100，并且经由形成于翼型件上的出口(未示出)和/或经由形成于根部104中的一个或多个出口(未示出)离开。冷却剂可加压，并且例如可包括加压空气、与水混合的加压空气、蒸汽等。在许多情况下，冷却剂为加压空气，该加压空气转移自发动机的压缩机，但其它来源也是可能的。如下文更详细论述的那样，这些冷却通路通常包括高压冷却剂区域和低压冷却剂区域。高压冷却剂区域通常对应于冷却通道的具有较高冷却剂压力的上游部分，而低压冷却剂区域对应于具有相对较低冷却剂压力的下游部分。
在一些情况下，可将冷却剂从冷却通路116引导到形成于柄部112与相邻转子叶片100的平台110之间的腔体119中。从那里，冷却剂可用于冷却叶片的平台区110，图3中展示了该叶片的常规设计。这种设计通常从其中一个冷却通路116获取空气，并且使用该空气来加压形成于柄部112/平台110之间的腔体119。一旦加压，该腔体119然后将冷却剂供给至冷却通道，冷却通道延伸穿过平台110。在横穿平台110之后，冷却空气可通过形成于平台110的顶侧113中的膜式冷却孔离开腔体。
然而，应当理解，这种常规设计具有若干缺点。首先，冷却回路不是整装在一个部分中，因为冷却回路仅在两个相邻转子叶片100组装好之后才形成。这给安装和预安装流测试增加了较大程度的难度和复杂度。第二缺点在于，形成于相邻转子叶片100之间的腔体119的完整性取决于腔体119的周边密封得怎样。不充分的密封可导致不充分的平台冷却和/或浪费冷却空气。第三缺点是热气体通路的气体可被吸入腔体119或平台自身110的固有风险。如果腔体119在操作期间并未保持在足够高的压力下，则这可能发生。如果腔体119的压力下降到低于热气体通路内的压力，则会将热气体吸入柄部腔体119或平台110自身中，这通常会破坏这些构件，因为它们并不是设计为用以耐受经受热气体通路的情况。
图4和图5示出了用于平台冷却的另一种常规设计。在这种情况下，冷却回路被包含在转子叶片100内，并且不涉及柄部腔体119，如所示的那样。从其中一个冷却通路116获取冷却空气(该冷却通路116延伸穿过叶片110的核心)，并且使冷却空气向后引导穿过形成于平台110内的冷却通道120(即，“平台冷却通道120”)。如由若干箭头所示的那样，冷却空气流过平台冷却通道120，并且通过平台110的后缘121中的出口或从沿吸力侧边缘122设置的出口离开。(注意，在描述或提及矩形平台110的边缘或面时，一旦叶片100安装好后，每一项可基于其相对于翼型件102的吸力面105和压力面106的位置和/或发动机的向前和向后的方向绘出。因此，如本领域普通技术人员将认识到的那样，平台可包括后边缘121、吸力侧边缘122、前缘124和压力侧边缘126，如图3和图4中所示的那样。此外，吸力侧边缘122和压力侧边缘126通常也被称为“弦面”(slashface)，并且一旦相邻转子叶片100安装好则在其间形成较窄的腔体，该腔体可被称为“弦面腔体”。)
应当理解，图4和图5的常规设计具有优于图3的设计的优点，因为它们不会受到组装或安装条件变化的影响。然而，这种性质的常规设计具有若干限制或缺陷。首先，如图所示，仅单个回路设置在翼型件102的各侧上，并且因此存在对平台110中的不同位置处所使用的冷却空气量具有受限控制的缺点。第二，这种常规设计具有大体上受限的覆盖区域。尽管图5的蜿蜒通路在覆盖度方面是优于图4的改进方案，但平台110内仍存在残留未冷却的死区。第三，为了利用复杂地形成的平台冷却通道120获得良好的覆盖度，制造成本会急剧增加，尤其是具有一定形状的冷却通道需要铸造过程来形成的情况下。第四，这些常规设计通常在使用之后和在冷却剂完全排放之前将冷却剂转储到热气体通路中，这会不利地影响发动机的效率。第五，这种性质的常规设计通常具有较小的柔性。即，通道120形成为平台110的整体部分，并且提供很少的机会或不提供机会来随操作条件变化改变其功能或构造。此外，这些类型的常规设计很难修理或整修。
结果，常规平台冷却设计在一个或多个重要区域有所欠缺。仍然需要有效地和高效地冷却涡轮转子叶片的平台区同时还有成本效益地构建、应用灵活并且耐用的改进的装置、系统及方法。
发明内容
因此，本申请描述了一种用于涡轮转子叶片的平台冷却布置，该涡轮转子叶片在翼型件与根部之间的对接处具有平台，其中，转子叶片包括内部冷却通路，内部冷却通路从根部延伸到平台的至少大致径向高度，并且在操作中包括高压冷却剂区域和低压冷却剂区域，并且，其中，沿着与翼型件的压力面相对应的平台的侧，平台包括顶侧和下侧，顶侧从翼型件延伸到压力侧弦面。该平台冷却布置可包括：翼型件歧管，其位于平台中，靠近翼型件的压力面与平台的接合部；弦面歧管，其位于平台中，靠近压力侧弦面；高压连接件，其将翼型件歧管连接至内部冷却通路的高压冷却剂区域；低压连接件，其将弦面歧管连接至内部冷却通路的低压冷却剂区域；多个冷却开孔，该冷却开孔包括从起始点沿着压力侧弦面延伸至与翼型件歧管的连接部的开孔，截断其之间弦面歧管；以及，多个非整体式插塞，其位于下列项中的至少一项中：冷却开孔、高压连接件和低压连接件；其中，插塞的构造和位置被构造为使得实现经过平台的冷却剂的预期流型。
本申请还描述了一种制备涡轮转子叶片中的平台冷却布置的方法，该涡轮转子叶片在翼型件与根部之间的对接处具有平台，其中，该转子叶片包括：内部冷却通路，其从根部延伸至平台的至少大致径向高度，并且在操作中包括高压冷却剂区域和低压冷却剂区域，并且，其中，沿着与翼型件的压力面相对应的平台的侧，平台包括顶侧和下侧，顶侧从翼型件延伸至压力侧弦面。该方法包括下列步骤：形成翼型件歧管，其位于平台中，靠近翼型件的压力面与平台的接合部；形成弦面歧管，其位于平台中，靠近压力侧弦面；机械加工高压连接件，该高压连接件从压力侧表面线性地并沿大致周向方向延伸到与内部冷却通路的高压冷却剂区域的接合部，沿着预定路径机械加工高压连接件的线性路径，使得高压连接件在与内部冷却通路的高压冷却剂区域连接之前截断弦面歧管和翼型件歧管；机械加工低压连接件，该低压连接件从压力侧弦面线性地并沿大致周向方向延伸到与内部冷却通路的低压冷却剂区域的接合部，沿着预定路径机械加工低压连接件的线性路径，使得该低压连接件在与内部冷却通路的低压冷却剂区域连接之前截断弦面歧管；机械加工多个冷却开孔，该冷却开孔从压力侧弦面沿大致周向方向延伸到与翼型件歧管的接合部，沿着预定路径机械加工冷却开孔的路径，使得每个冷却开孔在与翼型件歧管连接之前截断弦面歧管；以及，将多个插塞安装在冷却开孔、高压连接件和低压连接件的其中至少一个内；其中，插塞的构造和位置被构造为使得实现经过平台的冷却剂的预期流型。
本申请还描述了一种制备涡轮转子叶片中的平台冷却布置的方法，该涡轮转子叶片在翼型件与根部之间的对接处具有平台，其中，该转子叶片包括：内部冷却通路，其从根部延伸至平台的至少大致径向高度，并且在操作中包括高压冷却剂区域和低压冷却剂区域，并且，其中，沿着与翼型件的压力面相对应的平台的侧，该平台包括顶侧和下侧，顶侧从翼型件延伸到压力侧弦面。该方法包括下列步骤：通过在平台的下侧中机械加工第一通道以及利用第一歧管板封闭第一通道形成翼型件歧管；通过在平台的下侧中机械加工第二通道以及利用第二歧管板封闭第二通道形成弦面歧管；机械加工高压连接件，该高压连接件从吸力侧弦面线性地并沿大致周向方向延伸到与翼型件歧管的接合部，沿着预定路径机械加工高压连接件的线性路径，使得高压连接件在与翼型件歧管连接之前截断内部冷却通路的高压冷却剂区域；机械加工低压连接件，该低压连接件从压力侧表面线性地沿大致周向方向延伸到与内部冷却通路的低压冷却剂区域的接合部，沿着预定路径机械加工低压连接件的线性路径，使得低压连接件在与内部冷却通路的低压冷却剂区域连接之前截断弦面歧管；机械加工多个冷却开孔，该冷却开孔从压力侧弦面沿大致周向方向延伸到与翼型件歧管的接合部，沿着预定路径机械加工冷却开孔的路径，使得每个冷却开孔在与翼型件歧管连接之前截断弦面歧管；以及，将多个插塞安装在冷却开孔、高压连接件和低压连接件的其中至少一个内；其中，插塞的构造和位置被构造为使得实现经过平台的冷却剂的预期流型。
在结合附图和所附权利要求理解下面对优选实施例的详细描述后，本申请的这些与其它特征将变得显而易见。
附图说明
通过结合附图仔细研究本发明的示例性实施例的下述更详细的描述，可更完全地理解和认识本发明的这些与其它特征，在附图中：
图1示出了其中可使用本发明的实施例的示例性涡轮转子叶片的透视图；
图2示出了其中可使用本发明的实施例的涡轮转子叶片的下侧视图；
图3示出了具有根据常规设计的冷却系统的相邻涡轮转子叶片的截面图；
图4示出了根据常规设计的具有带内部冷却通道的平台的涡轮转子叶片的顶视图；
图5示出了根据备选常规设计的具有带内部冷却通道的平台的涡轮转子叶片的顶视图；
图6示出了具有根据本发明的示例性实施例的平台冷却布置的涡轮转子叶片的透视图；
图7示出了具有根据本发明的示例性实施例的平台冷却布置的涡轮转子叶片的局部剖开的顶视图；
图8示出了具有根据本发明的备选实施例的平台冷却布置的涡轮转子叶片的局部剖开的顶视图；
图9示出了具有根据本发明的备选实施例的平台冷却布置的涡轮转子叶片的局部剖开的顶视图；
图10示出了具有根据本发明的示例性实施例的平台冷却布置的涡轮转子叶片的截面侧视图；
图11示出了形成根据本发明的示例性实施例的平台冷却布置的示例性方法。
项目清单
100涡轮转子叶片
102翼型件
104根部
105吸力面
106压力面
107前缘
108后缘
109燕尾榫
110平台
112柄部
113平台顶侧
114平台下侧
116内部冷却通路
117入口
118出口
119腔体
120平台冷却通道
121后边缘
122吸力侧边缘或弦面
124前边缘
126压力侧边缘或弦面
128平台的压力侧
130平台冷却构造
132翼型件歧管
133弦面歧管
134下侧通道
135歧管板
138高压连接件
139低压连接件
140冷却开孔
146弦面插塞
148中间通道插塞
具体实施方式
应当理解，经由冷却剂的内部循环而冷却的涡轮叶片通常包括内部冷却通路116，如上文关于若干常规冷却设计所述的那样，内部冷却通路116从根部沿径向向外延伸，穿过平台区，并且进入翼型件。应当理解，本发明的某些实施例可结合常规冷却剂通路使用以便增强主动平台冷却或允许高效的主动平台冷却，并且本发明结合常用设计而论述：内部冷却通路116具有盘绕或蜿蜒的构造。如图6、图8和图9中所示，该蜿蜒通路通常构造成允许冷却剂的单向流动，并且包括促进冷却剂与周围的转子叶片100之间的热交换的特征。在操作中，加压的冷却剂通常为从压缩机放出的压缩空气(但诸如蒸汽这样的其它类型的冷却剂也可结合本发明的实施例使用)，其通过连接部(其形成为穿过根部104)而供给至内部冷却通路116。压力驱动冷却剂穿过内部冷却通路116，并且该冷却剂与周围的壁部对流传热。
当冷却剂移动穿过冷却通路116时，应当理解，其损失压力，其中内部冷却通路116的上游部分中的冷却剂具有高于下游部分中的冷却剂的压力。如下文更详细论述的那样，该压差可用于驱动冷却剂跨过或穿过形成于平台中的冷却通路。应当理解，本发明可用于具有不同构造的内部冷却通路的转子叶片100中，并且不限于具有蜿蜒形式的内部冷却通路。因此，如本文所使用那样，用语“内部冷却通路”或“冷却通路”意指包括任何通路或中空通道(冷却剂可通过其在转子叶片中循环)。如本文所提供的那样，本发明的内部冷却通路116至少延伸至平台110的大致径向高度，并且可包括冷却剂压力相对较高的至少一个区域(其在下文中被称为“高压区”，并且在一些情况下可为蜿蜒通路内的上游区段)，以及冷却剂压力相对较低的至少一个区域(其在下文中被称为“低压区”，并且相对于高压区可为蜿蜒通路内的下游区段)。
通常，常规内部冷却通路116的各种设计对于提供转子叶片100内的某些区域的主动冷却而言是有效的。然而，如本领域中普通技术人员认识到的那样，平台区提出更多挑战。这至少部分地由于平台难用的几何形状造成，即，其较窄的径向高度以及突出远离转子叶片100的核心或主体的方式。然而，假定其遭受热气体通路的极端温度和较高机械加载，平台的冷却要求相当高。如上文所述，常规平台冷却设计是低效的，因为它们不能解决该区域的特定挑战，其对冷却剂的使用是低效的，和/或制备起来昂贵。
再次参看附图，提供了本发明的示例性实施例的若干视图。图6至图10特别地示出了具有根据优选实施例的平台冷却构造130的涡轮转子叶片100。如图所示，叶片100包括位于翼型件102与根部104之间的对接处的平台110。如图7中所示的那样，转子叶片100包括内部冷却通路116，内部冷却通路116从根部104处的与冷却剂源的连接部沿径向延伸。在与翼型件102的压力面106相对应的平台110的侧，应当理解，平台110可具有平坦顶侧113和平坦下侧114，平坦顶侧113从翼型件102延伸至压力侧弦面126。(注意，如本文所用的“平坦”表示大致或基本上为平面的形状)。举例而言，本领域普通技术人员应当理解，平台可被构造为具有略微弯曲和凸形的外侧表面，其中曲率对应于转子叶片的径向位置处的涡轮外周。如本文所用的那样，这种类型的平台形状被认为是平坦的，因为曲率半径大到足以给予平台平坦的外形)。平台冷却构造130设置在平台110的内部，该平台冷却构造130可包括：翼型件歧管132；弦面歧管133；一对连接件138、139，它们与歧管132、133一起在内部冷却通路116的高压区与低压区之间形成回路；以及，多个冷却开孔140，其连接两个歧管132、133并提供对平台110的覆盖，使得冷却剂可通过其循环。
更特定而言，本发明包括形成于平台的压力侧内的一系列对流通路，以及可制备这些对流通路的方法。本发明提出形成两个下侧平台通道或下侧通道134，其大体上沿轴向方向跨过平台110的下侧114延伸。其中每个下侧通道134可经由歧管板135封闭，并且下侧通道134和歧管板135可一起形成两个单独歧管。在本文中基于歧管132、133到翼型件102或压力侧弦面126的接近度来提及歧管132、133。因此，翼型件歧管132可位于翼型件102附近(即，翼型件102连接到平台110之处)。在某些实施例中，空气流歧管132可具有弧形形状并且可位于翼型件102的压力面106附近且与翼型件102的压力面106成间隔的关系。其它构造也是可能的。翼型件歧管132的弧形形状可对应于翼型件102的压力面106的轮廓外形(即，从图7、图8和图9的视角观察，增加翼型件的形状)。而弦面歧管133可位于压力侧弦面126附近。弦面歧管133可为线性形状并略微偏置于压力侧弦面126，如所示的那样。在某些实施例中，弦面歧管133从翼型件102的后缘108附近的轴向位置延伸至翼型件102的前缘107附近的轴向位置。
应当理解，根据本发明的一个实施例，歧管132、133可经由铸造后机械加工工艺形成，如在图10中最清楚地示出的那样。举例而言，在完成对平台110/转子叶片100的铸造之后，可使下侧通道134冲插加工或钻孔到平台110的下侧114内。(或者，在其它实施例中，用于形成歧管132、133的下侧通道134可经由简单/常规的铸造工艺形成。)通道134然后可经由常规接合操作(钎焊、焊接)封闭，该操作将歧管板135牢靠地附连至平台下侧114，使得板135在通道134上伸展，并且由此封闭每个通道134。一旦封闭，如在下文中更详细地论述的那样，歧管132、133仅向内部通路以及连接至它们的开孔打开。应当理解，一旦附连歧管板135，其用作用于与所形成的下侧通道134相对应的区域的平台110的下侧。
如图所示，可提供两个增压室或连接件(高压连接件138和低压连接件139)来将冷却通路116以预期方式连接至翼型件歧管132和弦面歧管133。(应当理解，如下文所述，示例性平台冷却构造的描述假定冷却通路116的上游部分朝向涡轮叶片100的前缘107，并且冷却通路116的下游部分朝向涡轮叶片100的后缘108。这种构造只是示例性的，因为这并非实践本发明所必需的。翼型件歧管132经由高压连接件138连接至内部冷却通路116的上游部分，而弦面歧管133经由低压连接件139连接至冷却通路116的下游部分。
在一个实施例中，高压连接件138从压力侧弦面126线性地延伸至与内部冷却通路116的高压冷却剂区域的接合部。该线性路径可被构造为使得高压连接件138在连接至内部冷却通路116的高压冷却剂区域之前截断弦面歧管133和翼型件歧管132。应当理解，以这样的方式构造，可使用常规视线钻孔或机械加工工艺来有成本效益地形成高压连接件138。同样，低压连接件139可从压力侧弦面线性地延伸至与内部冷却通路116的低压冷却剂区域的接合部。低压连接件139的线性路径可被构造为使得低压连接件在连接至内部冷却通路116的低压冷却剂区域之前截断弦面歧管133。应当理解，类似于高压连接件138，可使用常规视线钻孔或机械加工工艺来有成本效益地形成低压连接件139。
还可从沿着压力侧弦面126的点形成多个冷却开孔140。这可经由如上文所述的类似的视线钻孔或机械加工工艺完成。从压力侧弦面126上的起始位置，冷却开孔140可沿大致周向方向延伸，使得每个冷却开孔140截断弦面歧管133并且然后与翼型件歧管132形成接合。冷却开孔140的数量和位置可取决于平台的构造、热负荷、所需的覆盖等而变化。在一优选实施例中，如图所示，高压连接件138可被构造为使得其具有与压力侧弦面126的大致轴向中点相符的轴向位置。在这种情况下，至少多个冷却开孔140可在高压连接件138前方形成并且至少多个冷却开孔140可在高压连接件138后方形成。冷却开孔140可跨过压力侧弦面126均匀地间隔。在一优选实施例中，其中至少四个冷却开孔140在高压连接件138前方形成并且其中至少四个冷却开孔140在高压连接件138后方形成。冷却开孔140可具有类似的截面流通面积。在某些实施例中，冷却开孔140可具有构造为用以计量冷却剂流的不同的截面流通面积。这样，可实现穿过平台通路的预期流型。
还可使用插塞来控制穿过平台冷却构造130的流，从而实现预期流型。插塞可包括沿着平台110的弦面122、126的插塞(“弦面插塞146”)以及位于平台110内部的插塞(“中间通道插塞148”)。插塞146、148可形成为使得它们基本上阻止经过其所位于的通路中的所有流，从而引导流经过可选的更合乎需要的路线。应当理解，在这种方式下，插塞146、148可用于计量或引导流，使得实现经过各平台冷却通路的预期流型。举例而言，参看图7的示例性实施例，为了使翼型件歧管132在若干冷却开孔140上合适地分配冷却剂，可需要阻止流经它们的基本上所有冷却剂。图7反映了这种构造，因为高压连接件138包括完全阻塞冷却通路的中间通道插塞148(其在本文中将被称作“完全插塞”)。如图所示，中间通道插塞148可位于翼型件歧管132与弦面歧管133之间。应当理解，给定高压连接件138与冷却开孔140的相对大小，如果不阻塞高压连接件138，过度量的冷却剂将从翼型件歧管132流经其到弦面歧管133，并且可略微限制允许到冷却开孔140(其也连接翼型件歧管132与弦面歧管133)的冷却剂供给。因此，可完全堵塞高压连接件138，使得重新引导流对应于预期计量特征。如本文所用的“预期计量特征”指经过平台冷却通路以及可形成于平台弦面122、126上的若干平台出口的预期冷却剂分配(或期望的冷却剂分配)。
或者，插塞146、148可形成为使得，在安装好时，它们减小经过其所位于的冷却通路的截面流通面积。在这种情况下，插塞146、148被构造为允许经过该通路的预期流量水平并且根据需要引导其余冷却剂经过备选路线。在本文中，这些插塞将被称作“部分插塞”。应当理解，由于至少两个原因，可实现经过平台冷却通路的截面流通面积的部分减小。首先，可减小截面积以便冲击流经特定冷却通路的冷却剂。如本领域普通技术人员将了解的那样，这可导致冷却剂具有预期冷却剂冲击特征，例如增加冷却剂的流撞击目标表面所处的速度。通常，应当理解，如果对准目标表面引导冲击流，会改进所形成的高速冷却剂流的冷却效果。
第二，在与上文中关于完全阻塞冷却通路的插塞146、148所述基本上相同的方式下，可减小该通路的截面流通面积，使得通过平台110实现对冷却剂的计量或预期分配。举例而言，参看图8的示例性实施例，为了使翼型件歧管132在若干冷却开孔140上分配冷却剂，可需要减小高压连接件138的截面积(其如所述的那样，在优选实施例中通常大于冷却开孔140的截面积)。图8反映了这种构造，因为中间通道插塞148包括穿过其中心形成的通道。应当理解，如果高压连接件138在流通面积上不减小，可能使过度量的冷却剂从翼型件歧管132流经高压连接件138到弦面歧管133，并且可限制允许到冷却开孔140(其也连接翼型件歧管132与弦面歧管133)的冷却剂的供给。因此，可阻塞高压连接件138，使得所得到的流通面积(即，穿过中间通道插塞148形成的通道的流通面积)对应于预期计量特征。如所述的那样，“预期计量特征”指经过平台冷却通路和若干平台出口的预期冷却剂分配。但其它设计也是可能的，插塞146、148可具有“油炸圈(doughnut)”的形状，其中在插塞146、148的中心附近形成的通道对应于预期截面流通面积。插塞146、148可由常规材料形成并使用常规方法(即，焊接、钎焊等)安装。在弦面插塞146的情况下，一旦安装好，插塞146的外面可相对于弦面122、126的表面齐平。
再次参看图7，提供了若干流箭头，其反映了如果采用插塞146、148(其阻塞它们所位于的冷却通路的整个截面流通面积)可得到的示例性流型。因此，冷却剂可从内部冷却通路116经由高压连接件138流至翼型件歧管132。从那里，冷却剂可被进给到多个冷却开孔140中，穿过冷却开孔140并进入弦面歧管133中。冷却剂可从弦面歧管133经由低压连接件139行进并再进入内部冷却通路116。如图所示，经由中间通道插塞148阻止冷却剂行进经过高压连接件138，替代地将冷却剂引导至冷却开孔140。而且，没有冷却剂从该多个弦面插塞146放出。
或者，现在参看图8，提供了若干流箭头，其反映了如果采用插塞146、148(其部分地阻塞它们所位于的冷却通路的截面流通面积)将会得到的示例性流型。因此，冷却剂可从内部冷却通路116经由高压连接件138流至翼型件歧管132。从那里，大部分冷却剂可被进给到多个冷却开孔140中，穿过冷却开孔140并进入弦面歧管133中。其余的量可流经形成于中间通道插塞148(其位于高压连接件138中)内的通道，并且然后进入弦面歧管133。某些冷却剂可从弦面歧管133经由低压连接件139行进并再进入内部冷却通路116，而其余冷却剂经过形成为穿过弦面插塞146(其沿着压力侧弦面126定位)的开口或通道排出。弦面插塞146可被构造为用以冲击该离开的冷却剂流，使得在操作中其冷却相邻叶片的弦面。应当理解，可根据需要在相同实施例中使用完全插塞146、148和部分插塞146、148。
如图9中所示，在备选实施例中，高压连接件138可从吸力侧弦面122形成，使得其从吸力侧弦面122线性地延伸到与翼型件歧管132的接合部。在这种情况下，可预定高压连接件138的线性路径，使得高压连接件138在与翼型件歧管132连接之前截断内部冷却通路116的高压冷却剂区域。取决于应用，形成于吸力侧弦面122上的出口可被完全地(如图所示)或部分地堵塞。应当理解，在这种情况下，高压连接件138可构造为使得其并不延伸至弦面歧管133，而是终止于翼型件歧管132处。在其位置中，如图9所示，应当理解，通过使高压连接件138不在翼型件歧管132与弦面歧管133之间延伸，可提供更多冷却开孔140。
应当理解，可实施/调整根据本发明的设计，使得可实现增强的或优化的流型。更特定而言，可改进插塞146、148，使得改变流型以解决平台110的变化或不可预计的热负荷。由于可经由铸造后工艺来实施本发明，可常规地定制其它方面(例如增大冷却开孔140的截面流通面积)以满足其它所需标准。
在一示例性操作模式下，冷却剂可在翼型件102的前缘107附近的位置处进入内部冷却通路116，并且随着冷却剂沿向后方向蜿蜒流动而交替地径向向外/向内流动经过冷却通路116。高压连接件138可被构造为使得冷却通路116的上游(并且更高压)部分连接至邻近的翼型件歧管132。冷却剂然后可从翼型件歧管132通过多个冷却开孔140进给至弦面歧管133。低压连接件139然后给聚集于弦面歧管133内的冷却剂提供出口以及到冷却通路116的下游(并且更低压)部分的回程。在某些示例性实施例中，低压连接件139基本上使由高压连接件138取自内部冷却通路116的所有冷却剂返回。这允许所有冷却剂被用于进一步冷却涡轮叶片100的其它区域或用于其它下游应用。在其它示例性实施例中，冷却剂的一部分通过沿着压力侧弦面126形成的开口由冷却开孔140、高压连接件138和/或低压连接件139消耗，而其余冷却剂经由低压连接件139返回到内部冷却通路116以用于进一步使用。
应当理解，冷却开孔140可经由机械加工工艺从压力侧弦面126形成。如之前所述的那样，可沿着预定路径机械加工冷却开孔140，使得每个冷却开孔140与两个歧管132、133相交。因此，冷却开孔140可从压力侧弦面126延伸至与弦面歧管133的接合部，并且然后从弦面歧管133的相对侧继续到其与翼型件歧管132的连接部。冷却开孔140被显示为线性的。或者，冷却开孔可为弯曲的。具有弯曲的路径可改进冷却开孔140的覆盖性。但是，线性路径可更有成本效益地形成，因为可使用常规视线机械加工/钻孔工艺。还可使用机械加工方法来机械加工弯曲的冷却开孔140。
本发明还包括以具有成本效益并且高效的方式根据上文的描述在转子叶片的平台区内形成内部冷却通道的新颖方法。参看图11的流程图200，作为初始步骤202，可在平台110的压力侧的下侧中形成下侧通道134。通道134可经由常规机械加工工艺高效地形成。在备选实施例中，应当理解，由于通道134相对不复杂的形状，它们可使用常规的铸造工艺而更具有成本效益地形成。无论是那种情况，可避免必须用于形成更复杂设计的昂贵的铸造工艺。
一旦形成通道134，在步骤204中，可使用歧管板135来封闭每个通道134。这可经由常规接合操作(钎焊，焊接)通过附连歧管板135来完成，该接合操作将每个歧管板135固定至平台下侧114。或者，可使用覆盖两个通道的单个板。
在步骤206中，可机械加工高压连接件138和低压连接件139。可经由常规视线钻孔工艺来机械加工高压连接件138和低压连接件139。高压连接件138可从任一弦面122、126延伸并被构造为用以将内部冷却通路116的高压冷却剂区域连接至翼型件歧管132。低压连接件139可从压力侧弦面126延伸并被构造为用以将弦面歧管133连接至内部冷却通路116内的低压冷却剂区域。
在步骤208中，可机械加工冷却开孔140。可经由常规视线钻孔工艺来机械加工冷却开孔140。如所述的那样，冷却开孔140可从压力侧弦面126延伸并被构造为用以将翼型件歧管132连接至弦面歧管133。
单独地，根据需要，可在步骤210中制备插塞146、148。如上文所论述的那样，插塞146、148可具有若干不同构造并被构造为使得，在安装好后，它们减小或完全阻塞出口或平台冷却通路的截面流通面积(无论怎样的情况)。可使用常规的方法和材料来制备插塞146、148。插塞可用于其中任一通路中，包括冷却开孔140。
最后，在步骤212中，可安装插塞146、148。这可使用常规方法，(例如焊接、钎焊或机械附连)完成。
在操作中，本发明通过使用具有成本效益的常规技术高效地形成复杂并且有效的冷却布置来提供主动地冷却燃气涡轮转子叶片的平台区的机构。如所述的那样，该区域通常难以冷却，并且给定其必须承受的机械负荷，该区域表示高应力的区域(尤其是随着燃烧温度升高)。因此，当追求更高的燃烧温度、增加的输出和更高效率时，这种主动平台冷却是重要的实现技术。另外，应当理解，在平台冷却通道的形成中使用铸造后工艺提供更大的柔性以便重新设计、重新构造或改造平台冷却布置。本发明教导了简化/有成本效益地形成具有复杂几何形状和有效平台覆盖的平台冷却通道。而之前，复杂的几何形状必定意味着昂贵投资的铸造工艺或类似工艺，本申请教导了可通过机械加工和/或简化的铸造工艺形成具有复杂设计的冷却通道的方法。最后，本申请教导了使用并不自平台本身直接通入热气体路径的内部通道来冷却平台的方法。如所述的那样，冷却剂的这种“再循环”通常提高其使用效率，这提高发动机的效率。
如本领域普通技术人员将认识到的那样，上文关于多个示例性实施例描述的许多变化的特征和构造可进一步有选择地应用来形成本发明的其它可能实施例。为了简洁起见并且考虑到本领域普通技术人员的能力，未详细提供或论述所有可能的迭代情况，但被所附权利要求或其它方面包含的所有组合和可能实施例预期是本申请的部分。此外，本领域技术人员可从本发明的多个示例性实施例的上述描述中构思改进、变化和修改。处于本领域的技术内的这些改进、变化和修改也预期被所附权利要求覆盖。此外，显而易见的是，上文仅涉及本发明的所述实施例，并且在不脱离由所附权利要求及其等同物所限定的本申请的精神和范围的情况下，可作出许多变化和修改。

Claims (15)

1.一种用于涡轮转子叶片(100)的平台冷却装置(130)，所述涡轮转子叶片(100)在翼型件(102)与根部(104)之间的对接处具有平台(110)，其中，所述转子叶片(100)包括内部冷却通路(116)，所述内部冷却通路(116)从所述根部(104)延伸至所述平台(110)的至少大致径向高度，并且在操作中包括高压冷却剂区域和低压冷却剂区域，并且，其中，沿着与所述翼型件(102)的压力面(106)相对应的所述平台(110)的侧，所述平台(110)包括顶侧(113)和下侧(114)，所述顶侧(113)从所述翼型件(102)延伸至压力侧弦面(126)；所述平台冷却装置(130)包括：
翼型件歧管(132)，所述翼型件歧管(132)位于所述平台(110)中，靠近所述翼型件(102)的压力面(106)与所述平台(110)的接合部；
弦面歧管(133)，所述弦面歧管(133)位于所述平台(110)中，靠近所述压力侧弦面(126)；
高压连接件(138)，所述高压连接件(138)将所述翼型件歧管(132)连接至所述内部冷却通路(116)的高压冷却剂区域；
低压连接件(139)，所述低压连接件(139)将所述弦面歧管(133)连接至所述内部冷却通路(116)的低压冷却剂区域；和
冷却开孔(140)，所述冷却开孔(140)包括从起始点沿着所述压力侧弦面(126)延伸至与所述翼型件歧管(132)的连接部的开孔，截断其之间的所述弦面歧管(133)；以及
非整体式插塞，所述非整体式插塞位于下列项中的至少一项中：所述冷却开孔(140)、所述高压连接件(138)和所述低压连接件(139)；
其中，所述非整体式插塞包括预定构造和放置，从而使得在操作期间，实现经过所述平台(110)的冷却剂的预期流型。
2.根据权利要求1所述的平台冷却装置(130)，其特征在于，所述翼型件歧管(132)包括第一通道，所述第一通道形成于由第一歧管板封闭的所述平台(110)的下侧(114)中，并且所述弦面歧管(133)包括第二通道，所述第二通道形成于由第二歧管板封闭的所述平台(110)的下侧(114)中；
其中，所述第一和第二歧管板沿着所述第一和第二通道限定所述平台(110)的下侧(114)；并且
其中，所述内部冷却通路(116)的高压冷却剂区域包括所述内部冷却通路(116)的上游部分，并且所述内部冷却通路(116)的低压冷却剂区域包括所述内部冷却通路(116)的下游部分。
3.一种制备涡轮转子叶片(100)中的平台冷却装置(130)的方法，所述涡轮转子叶片(100)在翼型件(102)与根部(104)之间的对接处具有平台(110)，其中，所述转子叶片(100)包括内部冷却通路(116)，所述内部冷却通路(116)从所述根部(104)延伸至所述平台(110)的至少大致径向高度，并且在操作中包括高压冷却剂区域和低压冷却剂区域，并且，其中，沿着与所述翼型件(102)的压力面(106)相对应的所述平台(110)的侧，所述平台(110)包括顶侧(113)和下侧(114)，所述顶侧(113)从所述翼型件(102)延伸至压力侧弦面(126)；所述方法包括下列步骤：
形成翼型件歧管(132)，所述翼型件歧管(132)位于所述平台(110)中，靠近所述翼型件(102)的压力面(106)与所述平台(110)的接合部；
形成弦面歧管(133)，所述弦面歧管(133)位于所述平台(110)中，靠近所述压力侧弦面(126)；
机械加工高压连接件(138)，所述高压连接件(138)从所述压力侧弦面(126)线性地并沿大致周向方向延伸到与所述内部冷却通路(116)的高压冷却剂区域的接合部，沿着预定路径机械加工所述高压连接件(138)的线性路径，使得所述高压连接件(138)在与所述内部冷却通路(116)的高压冷却剂区域连接之前截断所述弦面歧管(133)和所述翼型件歧管(132)；
机械加工低压连接件(139)，所述低压连接件(139)从所述压力侧弦面(126)线性地并沿大致周向方向延伸到与所述内部冷却通路(116)的低压冷却剂区域的接合部，沿着预定路径机械加工所述低压连接件(139)的线性路径，使得所述低压连接件在与所述内部冷却通路(116)的低压冷却剂区域连接之前截断所述弦面歧管(133)；
机械加工冷却开孔(140)，所述冷却开孔(140)从所述压力侧弦面(126)沿大致周向方向延伸到与所述翼型件歧管(132)的接合部，沿着预定路径机械加工所述冷却开孔(140)的路径，使得每个所述冷却开孔(140)在与所述翼型件歧管(132)连接之前截断所述弦面歧管(133)；以及
将非整体式插塞安装在所述冷却开孔(140)、所述高压连接件(138)以及所述低压连接件(139)的其中至少一个内；
其中，所述非整体式插塞的构造和位置被构造为使得实现经过所述平台(110)的冷却剂的预期流型。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
形成所述翼型件歧管(132)的步骤包括在所述平台(110)的下侧(114)中机械加工第一通道以及利用第一歧管板封闭所述第一通道；
形成所述弦面歧管(133)的步骤包括在所述平台(110)的下侧(114)中机械加工第二通道以及利用第二歧管板封闭所述第二通道；
所述第一和第二歧管板沿着所述第一和第二通道限定所述平台(110)的下侧(114)；以及
所述内部冷却通路(116)的高压冷却剂区域包括所述内部冷却通路(116)的上游部分，并且所述内部冷却通路(116)的低压冷却剂区域包括所述内部冷却通路(116)的下游部分。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
所述翼型件歧管(132)形成为包括弧形形状的轮廓，所述轮廓大致对应于所述翼型件(102)的压力面(106)的轮廓外形并且从其偏置，所述翼型件歧管(132)朝所述压力侧弦面(126)偏置；
所述弦面歧管(133)形成为包括偏置于所述压力侧弦面(126)的大致线性形状，所述弦面歧管(133)朝所述翼型件(102)偏置；以及
所述弦面歧管(133)从所述翼型件(102)的后缘附近的轴向位置沿轴向延伸至所述翼型件(102)的前缘(107)附近的轴向位置。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述翼型件歧管(132)正好位于所述平台(110)的下侧(114)的外部，并且具有大致平行于所述平台(110)的平坦顶侧(113)的纵向轴线；并且
其中，所述弦面歧管(133)正好位于所述平台(110)的下侧(114)的外部，并且具有大致平行于所述平台(110)的平坦顶侧(113)的纵向轴线。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
形成所述翼型件歧管(132)的步骤包括在所述平台(110)的下侧(114)中铸造第一通道以及利用第一歧管板封闭所述第一通道；
形成所述弦面歧管(133)的步骤包括在所述平台(110)的下侧(114)中铸造第二通道以及利用第二歧管板封闭所述第二通道；
在安装之后，所述第一歧管板和第二歧管板沿着所述第一通道和第二通道限定所述平台(110)的下侧(114)；以及
所述内部冷却通路(116)的高压冷却剂区域包括所述内部冷却通路(116)的上游部分，并且所述内部冷却通路(116)的低压冷却剂区域包括所述内部冷却通路(116)的下游部分。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述高压连接件(138)包括沿着所述压力侧弦面(126)的轴向位置，所述轴向位置与所述压力侧弦面(126)的轴向中点大致相符；并且
其中，至少多个所述冷却开孔(140)在所述高压连接件(138)前方形成，并且至少多个冷却开孔(140)在所述高压连接件(138)后方形成。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述翼型件歧管(132)和所述弦面歧管(133)各自包括大于所述高压连接件(138)和所述低压连接件(139)中的每一项的截面流通面积，并且所述高压连接件(138)和所述低压连接件(139)中的每一项包括大于所述冷却开孔(140)中的每个冷却开孔的截面流通面积；并且
其中，所述冷却开孔(140)包括不同的截面流通面积，所述不同的截面流通面积被构造为用以计量冷却剂流，使得实现经过所述冷却开孔(140)的冷却剂的预期流型。
10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述非整体式插塞中的每个非整体式插塞包括完全插塞和部分插塞的其中一项，其中，所述完全插塞包括被构造为用以阻塞所述完全插塞所位于的冷却剂通路的所有截面流通面积，并且，其中，所述部分插塞包括阻塞所述部分插塞所位于的冷却剂通路的截面流通面积的部分量；并且，
其中，所述非整体式插塞中的每个插塞包括弦面插塞和中间通道插塞的其中一项，所述弦面插塞沿着所述平台(110)的压力侧弦面(126)或吸力侧弦面(122)定位；所述中间通道插塞位于所述平台(110)的内部。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述冷却开孔(140)、所述高压连接件(138)和所述低压连接件(139)中的每一项包括所述弦面插塞的其中一个；并且
其中，所述弦面插塞包括完全插塞。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述冷却开孔(140)、所述高压连接件(138)和所述低压连接件(139)包括弦面插塞；
其中，所述弦面插塞包括部分插塞，使得所述冷却开孔(140)、所述高压连接件(138)和所述低压连接件(139)包括弦面出口；
其中，所述部分插塞被构造为用以提供穿过所述弦面出口的预定截面流通面积；
所述预定截面流通面积对应于预期冷却剂冲击特征，使得在操作期间，所述弦面出口对相邻转子叶片(100)的平台(110)弦面排出冲击冷却剂流。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述冷却开孔(140)、所述高压连接件(138)和所述低压连接件(139)包括弦面插塞；
其中，所述弦面插塞包括部分插塞，使得所述冷却开孔(140)、所述高压连接件(138)和所述低压连接件(139)包括弦面出口；
其中，所述部分插塞被构造为用以提供穿过所述弦面出口的预定截面流通面积；
所述预定截面流通面积对应于预期冷却剂计量特征。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述高压连接件(138)包括为完全插塞的中间通道插塞；并且
其中，所述中间通道插塞位于所述翼型件歧管(132)与所述弦面歧管(133)之间。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述高压连接件(138)包括为部分插塞的中间通道插塞；并且
其中，所述中间通道插塞在安装好后被构造为用以减小穿过所述高压连接件(138)的截面流通面积到预定截面流通面积；并且
其中，所述预定截面流通面积对应于预期冷却剂计量特征。
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