CN103089328A - 用于涡轮系统的叶片组件 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于涡轮系统的叶片组件。叶片组件包括具有外表面并且限定主冷却回路的主体。叶片组件还包括包围主体并且至少部分地限定平台冷却回路的平台。该平台包括各自在压力侧斜面和吸力侧斜面之间延伸的前部部分和后部部分，并且还包括前部面、后部面以及顶面。叶片组件还包括至少部分地限定在平台中的腔室。腔室与主冷却回路流体连通并且从主冷却回路向吸力侧斜面延伸。

Description

用于涡轮系统的叶片组件
技术领域
本文公开的主题大体涉及涡轮系统，并且更具体地讲，涉及用于涡轮系统的叶片组件。
背景技术
涡轮系统被广泛地利用在诸如动力生产的领域中。例如，常规的燃气涡轮系统包括压缩机、燃烧器以及涡轮。在燃气涡轮系统的运转期间，系统中的各种构件会经受可引起构件失效的高温流。因为较高温度的流通常导致燃气涡轮系统的提高的性能、效率以及动力输出，必须使经受高温流的构件冷却以便容许燃气涡轮系统以升高的温度运转。
在本领域中已知用于冷却各种燃气涡轮系统构件的各种策略。例如，可从压缩机发送冷却介质并且将冷却介质提供至各种构件。在系统的压缩机和涡轮区段中，冷却介质可用来冷却各种压缩机和涡轮构件。
叶片为必须被冷却的热气通路构件的一个示例。例如，叶片的各种部件－诸如翼型件、平台、柄以及燕尾榫－设置在热气通路中并且暴露于相对高的温度，并且因此要求冷却。可在叶片的各种部件中限定各种冷却通道以及冷却回路，并且可使冷却介质流过各种冷却通道和冷却回路以便冷却叶片。
然而，在许多已知的叶片中，尽管使用这样的冷却通道和冷却回路，在运转期间叶片的不同部分可能会到达比所希望的温度更高(的温度)。例如，尽管在已知的叶片的平台中使用这样的冷却通道和冷却回路，但叶片的不同部分可能会到达比所希望的温度更高(的温度)。在已知叶片中的所关注的具体的部分为平台的后部部分以及邻近吸力侧斜面(slash face)的平台部分。尽管在平台中使用已知的冷却回路(诸如平台冷却回路)，并且使用从柄腔流出的冷却空气，冷却平台的这样的部分目前可能并不足够。
因此，在本领域中希望有一种用于涡轮系统的改进的叶片组件。具体地讲，具有改进的冷却特征的叶片组件将会是有利的。
发明内容
本发明的方面和优点将在下面的描述中部分地阐明，或者可从描述中显而易见，或者可通过实践本发明而学习。
在一个实施例中，公开了一种用于涡轮系统的叶片组件。该叶片组件包括具有外表面并且限定主冷却回路的主体。该叶片组件还包括包围主体并且至少部分地限定平台冷却回路的平台。该平台包括各自在压力侧斜面和吸力侧斜面之间延伸的前部部分和后部部分，并且还包括前部面、后部面以及顶面。该叶片组件还包括至少部分地限定在平台中的腔室。该腔室与主冷却回路流体连通，并且从主冷却回路向吸力侧斜面延伸。
参考随后的描述和所附的权利要求，本发明的这些和其它的特征、方面以及优点将变得更好理解。结合在该说明书中并且组成该说明书的一部分的附图说明了本发明的实施例，并且和描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐明了针对本领域普通技术人员而言本发明的完整的和能够实现的公开，包括其最佳模式，在其中：
图1为根据本公开的一个实施例的燃气涡轮系统的示意图；
图2为根据本公开的一个实施例的叶片组件的透视图；
图3为示出了根据本公开的一个实施例的叶片组件的内部构件的正视图；
图4为示出了根据本公开的一个实施例的叶片组件的各种内部构件的部分透视图；
图5为根据本公开的一个实施例的叶片组件的沿着图4的线5-5的截面图；以及
图6为示出了根据本公开的另一个实施例的叶片组件的各种内部构件的部分透视图。
部件列表：
10    燃气涡轮系统
12    压缩机
14    燃烧器
16    涡轮
18    轴
30    叶片组件
32    主体
34    平台
36    翼型件
38    柄
40    根部
42    压力侧
44    吸力侧
46    前缘
48    后缘
52    压力侧面
54    吸力侧面
56    前缘面
58    后缘面
62    前部部分
64    后部部分
66    顶面
72    压力侧斜面
74    吸力侧斜面
76    前部面
78    后部面
82    前部主冷却回路
84    后部主冷却回路
90    平台冷却回路
92    入口部分
94    中间部分
96    出口部分
100   腔室
102   入口
104   出口
106   扰流器
110   排出通道
112   出口。
具体实施方式
现将对本发明的实施例进行详细参考，在附图中示出了实施例的一个或多个示例。通过解释本发明、而不是限制本发明的方式提供了各个示例。事实上，对本领域技术人员显而易见的是，在不背离本发明的范围或精神的情况下，在本发明中可做出各种修改和变化。举例来说，作为一个实施例的一部分而说明或描述的特征可与另一个实施例一起使用以得到又一个实施例。因此，意图是，本发明覆盖在所附的权利要求和它们的等效物的范围之内的这样的修改和变化。
图1为燃气涡轮系统10的示意图。该系统10可包括压缩机12、燃烧器14以及涡轮16。可由轴18联接压缩机12和涡轮16。轴18可为单轴或联接在一起以形成轴18的多个轴段。
涡轮16可包括多个涡轮级。例如，在一个实施例中，涡轮16可具有三个级。涡轮16的第一级可包括多个沿周向隔开的喷嘴和叶片。喷嘴可围绕轴18沿周向设置以及固定。叶片可围绕轴沿周向设置并且联接到轴18。涡轮16的第二级可包括多个沿周向隔开的喷嘴和叶片。喷嘴可围绕轴18沿周向设置以及固定。叶片可围绕轴18沿周向设置并且联接到轴18。涡轮16的第三级可包括多个沿周向隔开的喷嘴和叶片。喷嘴可围绕轴18沿周向设置以及固定。叶片可围绕轴18沿周向设置并且联接到轴18。涡轮16的不同的级可至少部分地设置在涡轮16中、热气通路(未示出)中，并且可至少部分地限定热气通路。应理解，涡轮16不限于三级，而是级的任何数量在本公开的范围和精神内。
同样地，压缩机12可包括多个压缩机级(未示出)。压缩机12级中的各个可包括多个沿周向隔开的喷嘴和叶片。
涡轮16和/或压缩机12中的叶片中的一个或多个可包括如在图2至图5中所示的叶片组件30。该叶片组件30可包括主体32和平台34。主体32典型地包括翼型件36和柄38。翼型件36可定位成自柄38沿径向向外。柄38可包括可附接到涡轮系统10中的转子叶轮(未示出)的根部40，以有利于叶片组件30的转动。
一般而言，主体32具有外表面。在其中主体32包括翼型件36和柄38的实施例中，例如，限定翼型件36的外表面的部分可具有大体上空气动力学的轮廓。例如，翼型件32可具有限定各自在前缘46和后缘48之间延伸的压力侧42和吸力侧44的外表面。此外，柄38的外表面的部分可包括压力侧面52、吸力侧面54、前缘面56以及后缘面58。
平台34可大体上包围主体32，如图所示。典型的平台可定位在主体32的翼型件36和柄38之间的相交处或过渡处，并且在大体上轴向以及切向的方向上向外延伸。尽管如此，应理解，根据本公开的平台可具有相对于叶片组件30的主体32的任何合适的位置。
根据本公开的平台34可包括前部部分62和后部部分64。前部部分62为平台34的定位成接近翼型件36的前缘46以及柄38的前缘面56的那部分，而后部部分64为平台34的定位成接近翼型件36的后缘48以及柄38的后缘58的那部分。前部部分62和后部部分64可进一步限定平台34的顶面66，其可如所示的那样大体上包围翼型件36。此外，周缘可包围前部部分62、后部部分64以及顶面66。周缘可包括压力侧斜面72和吸力侧斜面74，前部部分62和后部部分64中的各个可在压力侧斜面72和吸力侧斜面74之间延伸。周缘可进一步包括可限定前部部分62的周缘的前部面76，以及可限定后部部分64的周缘的后部面78。
如在图3至图5中所示，主体32可限定其中的一个或多个主冷却回路。该主冷却回路可延伸穿过主体32的部分以便冷却主体32。例如，在所示的一些实施例中，主体32可限定前部主冷却回路82和后部主冷却回路84。主冷却回路可具有任何合适的形状，并且可沿着任何合适的通路延伸。例如，如所示的，各个主冷却回路可具有不同的分支和蜿蜒部分，并且可延伸穿过主体32的不同部分，诸如穿过翼型件36和柄38。冷却介质可流进并且流过不同的主冷却回路82、84以便冷却主体32。例如，如所示的，冷却介质可流进至少部分地限定在柄38中的主冷却回路82、84的部分。该冷却介质32然后可流过至少部分地限定在柄38中的部分，从而冷却柄38，并且然后流进至少部分地限定在翼型件36中的部分。冷却介质可流过至少部分地限定在翼型件36中的部分，从而冷却翼型件36。冷却介质然后可流进另一个主冷却回路82、84和/或从主冷却回路82、84中排出。
如在图3至图5中进一步所示，一个或多个平台冷却回路90可限定在叶片组件30中。一般而言，平台冷却回路90可至少部分地限定在平台34中。例如，在示范性的实施例中，平台冷却回路90的一部分限定在平台34中，并且延伸穿过平台34以便冷却平台。平台冷却回路90的其它部分可延伸到主体32中，以便使冷却介质进入到平台冷却回路90中或者使冷却介质从中排出。在一个实施例中，如在图3中所示，平台冷却回路90可包括入口部分92、中间部分94以及出口部分96。入口部分92和出口部分96可从平台34延伸到主体32中，并且中间部分94可延伸通过平台34。冷却介质可通过入口部分92流进平台冷却回路90，流过中间部分94，并且通过出口部分96而排出。
在许多叶片组件30中，平台冷却回路90与主冷却回路流体连通，使得冷却介质从主冷却回路流进平台冷却回路90和/或从平台冷却回路90流到主冷却回路。例如，在图3至图5中所示的实施例中，平台冷却回路90的入口部分92可与前部主冷却回路82流体连通，而出口部分96与后部主冷却回路84流体连通。
根据本公开的叶片组件可进一步有利地包括限定在叶片组件30中的一个或多个腔室100，如在图3至图6中所示。根据本公开的腔室100可至少部分地限定在平台34中。此外，在一些实施例中，腔室100的部分可限定在主体32中，诸如在柄38中。此外，根据本公开的腔室100可与主冷却回路流体连通。例如，在所示的示范性的实施例中，腔室100可与后部主冷却回路84流体连通。尽管如此，备选地，腔室100可与前部主冷却回路82或任何其它合适的主冷却回路流体连通。这样的腔室100因此可为主冷却回路的延伸部分，其可允许在其中进行冷却介质的流动、混合和/或旋转。例如，流过主冷却回路的冷却介质可在通过出口104离开而回到主冷却回路中之前通过入口102流进且流过腔室100。使冷却介质流进且流过这样的腔室100可有利地容许冷却介质到达对先前已知的叶片30来说先前不可用的平台34的部分，从而容许冷却这样的部分。
此外，在一些实施例中，如在图5中所示，腔室100可进一步与平台冷却回路90流体连通。例如，腔室100可如所示的与平台冷却回路90的出口部分96流体连通，或者与入口部分92、中间部分94、或者任何其它合适的部分流体连通。冷却介质因此可从平台冷却回路90流到腔室100或者反之亦然。在所示的示范性的实施例中，冷却介质可从平台冷却回路90通过入口102流进腔室100，并且可与从主冷却回路流进腔室100的冷却介质混合。这样的混合可有利地允许平衡在腔室100中的冷却介质的温度，以便提供平台34的不同部分的更好的冷却。
如所提到的，根据本公开的腔室100可为主冷却回路的延伸部分。此外，在所示的示范性的实施例中，腔室100可从主冷却回路向吸力侧斜面74延伸。因此，从主冷却回路流进腔室100的冷却介质可大体上向吸力侧斜面流动，从而冷却靠近或者邻近吸力侧斜面74的平台34的部分。
在一些实施例中，如在图3至图6中所示，根据本公开的腔室100可至少部分地限定在平台34的后部部分64中。在这些实施例中，靠近或邻近腔室100的后部部分64的部分可被有利地冷却。在其它的实施例中，腔室100可至少部分地限定在平台34的前部部分62中。此外，在一些实施例中，如在图3至图6中所示，根据本公开的腔室100可至少部分地限定为邻近平台34的后部面78。尽管如此，备选地，腔室100可至少部分地限定在前部面76和后部面78之间的任何合适的位置处。
如所示的，在一些实施例中，根据本公开的腔室100在合适的方向上可具有渐缩。这样的渐缩可在合乎需要的方向上在腔室100中引导冷却介质流，以便冷却平台34的不同部分。例如，在如图4至图6中所示的一些实施例中，腔室100可在从平台34朝向根部40的方向上渐缩。渐缩可从吸力侧斜面74向主冷却回路而向内。因此，当冷却介质如图所示在入口102处进入腔室100时，冷却介质可向上以及向外朝向吸力侧斜面74流动，以便在通过出口104离开腔室100之前冷却邻近腔室100的平台34的部分。在其它的实施例中，腔室100可在从后部面78朝向前部面76的方向上渐缩，如在图6中所示，或者可在从前部面76朝向后部面78的方向上渐缩。这样的渐缩因此可如所希望的那样有利地在腔室100内引导冷却介质流，以便冷却平台34的不同部分。
在一些实施例中，如在图5中所示，一个或多个扰流器106可设置在腔室100中，诸如在腔室100的内表面108上。扰流器106为表面中断，诸如凸起或凹坑。根据本公开的扰流器106可具有任何合适的形状和大小。例如，扰流器106可为球形的、立方体形的、立方形的、圆锥形的、圆柱形的、金字塔形的、棱柱形的，或者具有任何其它合适的形状。扰流器106可有利地扰乱冷却介质在腔室100内的流动，从而使流旋转或者以其它方式将不同的流动特性赋予流。这可进一步增强靠近腔室100的平台34的部分的冷却。
在一些实施例中，根据本公开的叶片组件30可进一步包括一个或多个排出通道110。各个排出通道110可限定在平台34中，诸如在如图所示的平台34的后部部分64中和/或在平台34的前部部分62中，并且可与腔室100流体连通。因此，流过腔室100的冷却介质可从腔室100流进排出通道110。
各个排出通道110可进一步包括出口112。出口112可限定在平台34上的任何合适的位置，诸如在平台34的后部部分64和/或前部部分62上。例如，出口112可被限定在如图所示的顶面66中，或者在如图所示的吸力侧斜面74中，或者在压力侧斜面72、前部面76、后部面78、或平台34上的任何其它合适的位置中－诸如在平台34的后部部分64和/或前部部分62上。流过排出通道110的冷却介质100因此可通过该排出通道110的出口112而排出。因此，在一些实施例中，这样的被排出的冷却介质可进一步有利地充当冷却膜以冷却平台34的外部。
根据本公开的腔室100因此可有利地冷却平台34的不同部分，诸如平台34的后部部分64、邻近吸力侧斜面74的平台34的部分和/或平台34的其它合适的部分。这样的腔室100提供了一种新颖的途径来冷却平台34，其防止平台34的这样的部分到达不合需要地热的温度。此外，使用这样的腔室100可从各种源(诸如从主冷却回路以及平台冷却回路90)有利地提供冷却介质的混合物，可有利地将旋转或其它的流动特性提供给冷却介质，并且可进一步有利地减少叶片组件30的重量。这样的重量减少可允许修整叶片组件30的平衡，以便有涡轮系统10中的各种叶片组件30的更均匀的负载。
本书面描述使用示例公开了本发明，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。本发明的可得到专利保护的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例包括与权利要求的文字语言无差别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的文字语言无实质差异的等效的结构要素，那么这样的其它示例意图在权利要求的范围内。 

Claims (20)

1.一种用于涡轮系统的叶片组件，包括：
具有外表面并且限定了主冷却回路的主体；
包围所述主体并且至少部分地限定了平台冷却回路的平台，所述平台包括各自在压力侧斜面和吸力侧斜面之间延伸的前部部分和后部部分，并且还包括前部面、后部面以及顶面；以及
至少部分地限定在所述平台中的腔室，所述腔室与所述主冷却回路流体连通，并且从所述主冷却回路向所述吸力侧斜面延伸。
2.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述腔室与所述平台冷却回路流体连通。
3.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述主冷却回路为后部主冷却回路。
4.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述腔室至少部分地限定在所述平台的所述后部部分中。
5.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述腔室在从所述平台朝向所述叶片组件的根部的方向上渐缩。
6.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述腔室在从所述后部面朝向所述前部面的方向上渐缩。
7.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，还包括在所述腔室中设置的扰流器。
8.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，还包括限定在所述平台中并且与所述通道流体连通的排出通道。
9.根据权利要求8所述的叶片组件，其特征在于，所述排出通道的出口限定在所述平台的所述顶面中。
10.根据权利要求8所述的叶片组件，其特征在于，所述排出通道的出口限定在所述平台的所述吸力侧斜面中。
11.一种涡轮系统，包括：
压缩机；
联接到所述压缩机的涡轮；以及
设置在所述压缩机或所述涡轮中的至少一个中的多个叶片组件，所述叶片组件中的至少一个包括：
具有外表面并且限定了主冷却回路的主体；
包围所述主体并且至少部分地限定了平台冷却回路的平台，所述平台包括各自在压力侧斜面和吸力侧斜面之间延伸的前部部分和后部部分，并且还包括前部面、后部面以及顶面；以及
至少部分地限定在所述平台中的腔室，所述腔室与所述主冷却回路流体连通并且从所述主冷却回路向所述吸力侧斜面延伸。
12.根据权利要求11所述的涡轮系统，其特征在于，所述腔室与所述平台冷却回路流体连通。
13.根据权利要求11所述的涡轮系统，其特征在于，所述主冷却回路为后部主冷却回路。
14.根据权利要求11所述的涡轮系统，其特征在于，所述腔室至少部分地限定在所述平台的所述后部部分中。
15.根据权利要求11所述的涡轮系统，其特征在于，所述腔室在从所述平台朝向所述叶片组件的根部的方向上渐缩。
16.根据权利要求11所述的涡轮系统，其特征在于，所述腔室在从所述后部面朝向所述前部面的方向上渐缩。
17.根据权利要求11所述的涡轮系统，其特征在于，还包括在所述腔室中设置的扰流器。
18.根据权利要求11所述的涡轮系统，其特征在于，还包括限定在所述平台中并且与所述通道流体连通的排出通道。
19.根据权利要求18所述的涡轮系统，其特征在于，所述排出通道的出口限定在所述平台的所述顶面中。
20.根据权利要求18所述的涡轮系统，其特征在于，所述排出通道的出口限定在所述平台的所述吸力侧斜面中。
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