CN103089333A - 用于涡轮机系统的叶片组件 - Google Patents

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M.S.洪坎普
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Abstract

本发明公开一种用于涡轮机系统的叶片组件。所述叶片组件包括：主体，其具有外表面且设有主冷却回路；以及平台，其环绕所述主体、且至少部分界定平台冷却回路。所述平台包括各自在压力侧斜面与吸入侧斜面之间延伸的前部和后部，且进一步包括前面、后面以及顶面。所述平台冷却回路包括上表面和下表面。所述叶片组件进一步包括通道，所述通道在所述主冷却回路与所述平台冷却回路之间延伸、并使所述主冷却回路与所述平台冷却回路之间实现流体连通。所述通道的末端开口界定在所述平台冷却回路的所述下表面中。

Description

用于涡轮机系统的叶片组件
技术领域
本发明大体涉及涡轮机系统，确切地说，涉及用于涡轮机系统的叶片组件。
背景技术
涡轮机系统广泛用于发电等领域中。例如，传统的燃气涡轮机系统包括压缩机、燃烧室，以及涡轮机。在燃气涡轮机系统运行期间，该系统中的各个部件会经受高温流，从而可导致部件发生故障。由于较高温流通常导致燃气涡轮机系统的性能、效率以及功率输出提高，因此，经受高温流的部件必须进行冷却，以便让燃气涡轮机系统在温度升高时运行。
所属领域已知用于对各燃气涡轮机系统部件进行冷却的多种策略。例如，冷却介质可从压缩机进行输送并提供到各个部件。在该系统的压缩机和涡轮部分中，冷却介质可用来对各压缩机和涡轮机部件进行冷却。
叶片为必须进行冷却的热气路径部件的一个实例。例如，叶片的各个部分，例如，翼片、平台、柄以及鸠尾榫，均设置在热气路径中并暴露于相对高温，因此需要进行冷却。各冷却通道和冷却回路可能界定在叶片的各个部分中，而且冷却介质可流过所述各冷却通道和冷却回路，以冷却叶片。
需要冷却的叶片的一个具体部件为平台。因此，许多已知的叶片中设有平台冷却回路。典型的平台冷却回路包括入口部分，所述入口部分以曲线形式(in a curvilinear fashion)从平台延伸到叶片的柄。具体而言，入口部分的曲线部分通常位于平台与柄之间的外部交叉处附近。因此，在叶片运行期间，当平台和柄经受不同温度时，此温差可在入口部分的曲线部分处产生大量的弯曲应力。这些应力可导致热疲劳寿命较短，且因此需要经常维修或替换叶片。
因此，所属领域需要一种用于涡轮机系统的改进的叶片组件。具体而言，一种具有改进的平台冷却回路的叶片组件将非常有利。
发明内容
以下说明将部分阐明本发明的各方面和优点，或者，这些方面和优点在说明中可能是显而易见的，或者通过实践本发明能够推导出。
在一项实施例中，本发明提供一种用于涡轮机系统的叶片组件。所述叶片组件包括：主体，其具有外表面、且设有主冷却回路；以及平台，其环绕所述主体、且至少部分设有平台冷却回路。所述平台包括各自在压力侧斜面与吸入侧斜面之间延伸的前部和后部，且进一步包括前面、后面以及顶面。所述平台冷却回路包括上表面和下表面。所述叶片组件进一步包括通道，所述通道在所述主冷却回路与所述平台冷却回路之间延伸、并提供流体连通。所述通道的末端开口界定在所述平台冷却回路的所述下表面中。
参考以下具体实施方式和所附权利要求书可以更好地理解本发明的这些以及其他特征、方面和优点。附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分，展示了本发明的各项实施例，并与具体说明一起解释本发明的原理。
附图说明
本说明书参考附图，针对所属领域的一般技术人员，完整且可实现地揭示了本发明，包括其最佳模式，其中：
图1为根据本发明的一项实施例的燃气涡轮机系统的示意图；
图2为根据本发明的一项实施例的叶片组件的透视图；
图3为描绘根据本发明的一项实施例的叶片组件的内部部件的正视图；
图4为描绘根据本发明的一项实施例的叶片组件的内部部件的局部透视图；以及
图5为根据本发明的一项实施例的平台冷却回路和通道的透视图。
元件符号列表：
  参考标号   部件   参考标号   部件
  10   燃气涡轮机系统   12   压缩机
  14   燃烧室   16   涡轮机
  18   轴   30   叶片组件
  32   主体   34   平台
  36   翼片   38   柄
  40   叶根   42   压力侧
  44   吸入侧   46   前缘
  48   后缘   52   压力侧表面
  54   吸入侧表面   56   前缘表面
  58   后缘表面   62   前部
  64   后部   66   顶面
  72   压力侧斜面   74   吸入侧斜面
  76   前面   78   后面
  82   前部主冷却回路   84   后部主冷却回路
  90   平台冷却回路   92   前部
  94   中间部分   96   出口部分
  102   上表面   104   下表面
  110   通道   112   末端开口
  120   排出通道   122   出口
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各实施例，附图中图示了本发明实施例的一个或多个实例。各个实例用以解释本发明而非限制本发明。事实上，在不脱离本发明的范围或精神的前提下，所属领域的技术人员可对本发明做出各种修改和变化。例如，作为一项实施例的一部分进行说明或描述的特征可用于其他实施例中，从而得到另一项施例。因此，本发明应涵盖所有属于所附权利要求书及其等效物的范围内的修改和变化。
图1为燃气涡轮机系统10的示意图。所述系统10可包括压缩机12、燃烧室14以及涡轮机16。压缩机12和涡轮机16可通过轴18连接。轴18可为单轴、或连接在一起形成轴18的多个轴段。
涡轮机16可包括多个涡轮机级。例如，在一项实施例中，涡轮机16可具有三个级。涡轮机16的第一级可包括多个周向间隔分布的喷嘴和叶片。喷嘴可围绕轴18周向设置、并固定。叶片可围绕所述轴周向设置、并连接到轴18。涡轮机16的第二级可包括多个周向间隔分布的喷嘴和叶片。喷嘴可围绕轴18周向设置、并固定。叶片可围绕轴18周向设置、并连接到轴18。涡轮机16的第三级可包括多个周向间隔分布的喷嘴和叶片。喷嘴可围绕轴18周向设置、并固定。叶片可围绕轴18周向设置、并连接到轴18。在涡轮机16中，涡轮机16的各级可至少部分设置在热气路径(未图示)中，且可至少部分构成所述热气路径。应理解，涡轮机16并不限于三个级，事实上，任意数目个级均在本发明的范围和精神内。
类似地，压缩机12可包括多个压缩机级(未图示)。每个压缩机12级可包括多个周向间隔分布的喷嘴和叶片。
涡轮机16和/或压缩机12中的一片或多片叶片可包括叶片组件30，如图2到图5所示。叶片组件30可包括主体32和平台34。主体32通常包括翼片36和柄38。翼片36可放置在柄38径向向外的位置。柄38可包括叶根40，所述叶根可连接到涡轮机系统10中的转子叶轮(未图示)，以促进叶片组件30旋转。
一般而言，主体32具有外表面。在主体32包括翼片32和柄38的实施例中，例如，设有翼片36的外表面部分可具有大体气动轮廓。例如，翼片32的外表面可设有或界定各自在前缘46与后缘48之间延伸的压力侧42和吸入侧44。此外，柄38的外表面部分可包括压力侧表面52、吸入侧表面54、前缘表面56以及后缘表面58。
平台34可大体环绕主体32，如图所示。典型的平台可放置在主体32的翼片36与柄38之间的交叉处或过渡处，而且所述平台沿大体轴向和切向向外延伸。但应理解，根据本发明的平台可具有相对于叶片组件30的主体32的任意合适的位置。
根据本发明的平台34可包括前部62和后部64。前部62为平台34的接近翼片36的前缘46和柄38的前缘表面56的那部分，而后部64为平台34的接近翼片36的后缘48和柄38的后缘58的那部分。前部62和后部64可进一步设有平台34的顶面66，所述顶面可大体环绕翼片36，如图所示。此外，围缘(peripheral edge)可环绕前部62、后部64以及顶面66。所述围缘可包括压力侧斜面72和吸入侧斜面74，其中前部62和后部64中的每个可在所述斜面之间延伸。所述围缘可进一步包括：前面76，其可界定前部62的围缘；以及后面78，其可界定后部64的围缘。
如图3到图4所示，主体32中可设有一个或多个主冷却回路。所述主冷却回路可延伸穿过主体32的多个部分，以对主体32进行冷却。例如，在如图所示的一些实施例中，主体32可设有前部主冷却回路82以及后部主冷却回路84。所述主冷却回路可具有任意合适的形状，且可沿任意合适的路径延伸。例如，如图所示，每个主冷却回路可具有不同分支和蛇形部分，且可延伸穿过主体32的各个部分，例如，穿过翼片36和柄38。冷却介质可流入、并流过各个主冷却回路82，以冷却主体32。
如图3到图5进一步所示，一个或多个平台冷却回路90可界定在叶片组件30中。一般而言，平台冷却回路90可至少部分界定在平台34中。例如，在示例性实施例中，平台冷却回路90的一部分界定在平台34中，且延伸穿过平台34，以冷却所述平台。平台冷却回路90的其他部分可延伸到主体32中，以将冷却介质引入到平台冷却回路90(未图示)中，或者从所述平台冷却回路排出冷却介质。在一项实施例中，如图3所示，平台冷却回路90可包括如下所述的前部92、中间部分94、和/或出口部分96。出口部分96可从平台34延伸到主体32中，且前部92和中间部分94可延伸穿过平台34。冷却介质可流过前部92和中间部分94，并通过出口部分96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，从而使冷却介质从主冷却回路流入平台冷却回路90，并且/或从平台冷却回路90流到主冷却回路。例如，在如图3到图5所示的实施例中，出口部分96与后部主冷却回路84流体连通。
平台冷却回路90，或其任意部分，可具有穿过平台34的任意合适的路径。例如，平台冷却回路90或其任意部分可大体成直线或大体成曲线。在一些示例性实施例中，平台冷却回路90，例如，其中间部分94，可具有大体成蛇形的路径，如图所示。此蛇形路径可包括交替的、大体直线部分和大体曲线部分，这样，冷却介质便可在流过平台冷却回路90时反复流过这些部分。但应理解，根据本发明的平台冷却回路90可具有穿过平台34的任意合适的路径。
根据本发明的平台冷却回路90可进一步包括上表面102和下表面104。在一些实施例中，例如，其中平台冷却回路90或其任意部分具有椭圆形或圆形截面，上表面102和下表面104可大体成曲线，且可会合，以完全构成平台冷却回路90。在其他实施例中，平台冷却回路90可进一步包括一个或多个侧壁(未图示)。每个侧壁可在上表面102与下表面104之间延伸。根据本发明的上表面102和下表面104可具有任意合适的形状和大小。例如，上表面102和/或下表面可为平面，可为所述的曲线，或者可包括合适的弯曲部分或其他断裂部分。上表面102和下表面104、以及任选的侧壁可针对平台冷却回路构成任意合适的截面轮廓，例如，矩形、椭圆形、三角形，或任意其他合适的多边形。
有利的是，根据本发明的叶片组件30可进一步包括一个或多个通道110，如图3到图5所示。每个通道100在主冷却回路与平台冷却回路90之间延伸。在示例性实施例中，例如，通道110可在前部主冷却回路62与平台冷却回路90之间延伸。但或者，通道110可在后部主冷却回路64与平台冷却回路90之间延伸。每个通道110可在此主冷却回路与此平台冷却回路90之间实现流体连通。因此，在示例性实施例中，冷却介质可从主冷却回路流入通道110，并从通道110流到平台冷却回路90。但或者，冷却介质可从平台冷却回路90流入通道110，并从通道110流入主冷却回路。
如图所示，根据本发明的通道110进一步包括末端开口112。末端开口112充当通道110的入口和出口，用于进出主冷却回路与平台冷却回路90的流。有利的是，通道110的末端开口112，例如，用于使冷却介质在通道110与平台冷却回路90之间流动的末端开口112，界定在平台冷却回路90的下表面104中。在如图所示的示例性实施例中，此末端开口112为出口，这样，冷却介质便通过该末端开口112从通道110流入平台冷却回路90。通道110和平台冷却回路90的这种设计可有利地减少平台冷却回路90与通道110之间的交叉处的应力。例如，通过将通道110和平台冷却回路90设计成使通道110的末端开口112界定在平台冷却回路90的下表面104中，通道110与平台冷却回路90之间的交叉处可与平台34与柄38之间的外部交叉处隔开。因此，在涡轮机系统10运行期间，当平台34和柄38经受不同温度时，通道110与平台冷却回路90之间的交叉处所得的弯曲应力可减少或消除。
在一些实施例中，如图所示，通道110的至少一部分可沿大体径向延伸。所述径向为叶片组件的叶根40与翼片36之间的方向，且可图示为图3中的垂直方向。因此，如图所示，通道110的至少一部分可沿大体径向延伸。如图所示，在示例性实施例中，此部分可为设有末端开口112的那部分，所述末端开口为，例如，界定在平台冷却回路90的下表面104中的末端开口112。在此部分沿径向延伸的实施例中，从通道110流入平台冷却回路90的冷却介质可进一步有利地对平台冷却回路90的上表面102进行冲击冷却，因而改进对平台34进行的冷却。
如上文所述且如图3到图5所示，在一些实施例中，平台冷却回路90可包括前部92和中间部分94。此外，界定在平台冷却回路90的下表面104中的通道110的末端开口112可界定在中间部分94中。因此，前部92可为位于此末端开口112大体上游的平台冷却回路90的那部分，这样，从通道110进入、并通过平台冷却回路90的冷却介质的通用流路便远离前部92。
图5所示的箭头描绘从通道110进入、并通过平台冷却回路90的冷却介质的通用流路的一项实施例。如图所示，冷却介质的一部分可在进入平台冷却回路90后，向上游流入前部92。此冷却介质随后可继续向下游，沿冷却介质的通用流路穿过平台冷却回路90的中间部分94。在如上文所述的一些实施例中，冷却介质90可进一步流过出口部分96，并从平台冷却回路90排出。
在如图所示的一些实施例中，根据本发明的叶片组件30可进一步包括一个或多个排出通道120。每个排出通道120均可界定在平台34中，例如，界定在平台34的后部64中，和/或界定在平台34的前部62中，而且所述排出通道可与平台冷却回路90流体连通。例如，排出通道120可与前部92、中间部分94、出口部分96，和/或平台冷却回路90的任意其他合适的部分流体连通。因此，流过平台冷却回路90的冷却介质可从平台冷却回路90流入排出通道120。
每个排出通道120可进一步包括出口122。出口122可界定在平台34上的任意合适的位置，例如，界定在平台34的后部64、和/或前部62上。例如，出口122可界定在如图所示的顶面66中，或者界定在吸入侧斜面74中，或者界定在如图所示的压力侧斜面72中，或者界定在前面76中、后面78中，或平台34上的任意其他合适的位置，例如，界定在平台34的后部64、和/或前部62上。因此，流过排出通道120的冷却介质可通过该排出通道120的出口122排出。此外，在一些实施例中，有利的是，此排出的冷却介质可进一步用作冷却膜，以对平台34的外部进行冷却。
本说明书使用了各个实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统、并实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。

Claims (20)

1.一种用于涡轮机系统的叶片组件，包括：
主体，其具有外表面且界定主冷却回路；
平台，其环绕所述主体且至少部分界定平台冷却回路，所述平台包括各自在压力侧斜面与吸入侧斜面之间延伸的前部和后部，且进一步包括前面、后面以及顶面，所述平台冷却回路包括上表面和下表面；以及
通道，其在所述主冷却回路与所述平台冷却回路之间延伸、并实现所述主冷却回路与所述平台冷却回路之间流体连通，
其中所述通道的末端开口界定在所述平台冷却回路的所述下表面中。
2.根据权利要求1所述的叶片组件，其中所述主冷却回路为前部主冷却回路。
3.根据权利要求1所述的叶片组件，其中所述末端开口为出口。
4.根据权利要求1所述的叶片组件，其中所述通道的至少一部分沿大体径向方向延伸。
5.根据权利要求4所述的叶片组件，其中沿所述径向方向延伸的所述通道的所述部分界定所述末端开口。
6.根据权利要求1所述的叶片组件，其中所述平台冷却回路包括前部和中间部分，且其中所述通道的所述末端开口界定在所述中间部分中。
7.根据权利要求1所述的叶片组件，其中所述平台冷却回路进一步包括出口部分。
8.根据权利要求1所述的叶片组件，其中所述平台冷却回路的至少一部分具有大体成蛇形的路径。
9.根据权利要求1所述的叶片组件，进一步包括界定在所述平台中并与所述通道流体连通的排出通道。
10.根据权利要求9所述的叶片组件，其中所述排出通道的出口界定在所述平台的所述顶面中。
11.根据权利要求9所述的叶片组件，其中所述排出通道的出口界定在所述平台的所述压力侧斜面中。
12.根据权利要求1所述的叶片组件，其中所述主体包括柄和翼片。
13.一种涡轮机系统，包括：
压缩机；
连接到所述压缩机的涡轮机；以及
设置在所述压缩机或所述涡轮机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：
主体，其具有外表面且界定主冷却回路；
平台，其环绕所述主体且至少部分界定平台冷却回路，所述平台包括各自在压力侧斜面与吸入侧斜面之间延伸的前部和后部，且进一步包括前面、后面以及顶面，所述平台冷却回路包括上表面和下表面；以及
通道，其在所述主冷却回路与所述平台冷却回路之间延伸、并实现所述主冷却回路与所述平台冷却回路之间流体连通，
其中所述通道的末端开口界定在所述平台冷却回路的所述下表面中。
14.根据权利要求14所述的涡轮机系统，其中所述主冷却回路为前部主冷却回路。
15.根据权利要求14所述的涡轮机系统，其中所述末端开口为出口。
16.根据权利要求14所述的涡轮机系统，其中所述通道的至少一部分沿大体径向方向延伸。
17.根据权利要求14所述的涡轮机系统，其中所述平台冷却回路包括前部和中间部分，且其中所述通道的所述末端开口界定在所述中间部分中。
18.根据权利要求14所述的涡轮机系统，其中所述平台冷却回路进一步包括出口部分。
19.根据权利要求14所述的涡轮机系统，其中所述平台冷却回路的至少一部分具有大体成蛇形的路径。
20.根据权利要求14所述的涡轮机系统，进一步包括界定在所述平台中并与所述通道流体连通的排出通道。
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