CN103291374B - 用于燃气涡轮发动机的涡轮机叶片和对平台进行冷却的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及并公开一种用于燃气涡轮发动机的涡轮机叶片。所述涡轮机叶片可包括平台、从所述平台延伸的翼片，以及延伸穿过所述平台和所述翼片的多个冷却回路。其中一个所述冷却回路可以是设置于所述平台内的蛇形冷却通道。

Description

用于燃气涡轮发动机的涡轮机叶片和对平台进行冷却的方法

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机，确切地说，涉及一种带有涡轮机叶片的燃气涡轮发动机，所述涡轮机叶片经由延伸穿过其中并带有薄膜冷却孔的蛇形冷却通道对压力侧平台进行冷却。

背景技术

已知的燃气涡轮发动机通常包括多排周向隔开的喷嘴和叶片。涡轮机叶片通常包括具有压力侧和吸入侧的翼片，并且所述翼片从平台上径向向上延伸。空心柄部分可以从所述平台径向向下延伸，并且可以包括鸠尾榫等部件以将涡轮机叶片紧固到涡轮机叶轮上。所述平台大体上界定了流经气体通路的热燃烧气体的内部边界。因此，平台上的热燃烧气体以及机械负载可能使所述平台成为应力高度集中的区域。为了缓解一部分热诱导应力，涡轮机叶片可以包括一些类型的平台冷却方案或其他布置，以降低平台顶部和底部之间的温差。

多种类型的平台冷却布置已为大家所熟知。例如，多个薄膜冷却孔可形成于柄部分与平台之间的涡轮机叶片上。冷却空气可被引入到柄部分的空腔中，并且随后经引导穿过薄膜冷却孔以在所述孔的局部区域对平台进行冷却。另一种已知的冷却布置包括带心平台(cored platform)的使用。这种平台可以界定一个腔，通过该腔可以施加冷却介质。然而，这些已知的冷却布置的制造可能比较困难且昂贵，并且可能需要使用大量的空气或其他类型的冷却介质。

因此，需要一种用于与燃气涡轮发动机一起使用的改进的涡轮机叶片。优选地，这种涡轮机叶片可向平台以及其中的其他部件提供冷却，而无需大量的制造以及运行成本，并且无需损失大量的冷却介质， 就能提供高效的运行以及延长的部件寿命。

发明内容

因此，本发明及相应专利提供了一种用于与燃气涡轮发动机一起使用的涡轮机叶片。所述涡轮机叶片可以包括平台、从所述平台延伸的翼片，以及延伸穿过所述平台和翼片的多个冷却回路。其中一个冷却回路可以是设置于所述平台内的蛇形冷却通道。

本发明及相应专利进一步提供了一种对涡轮机叶片的平台进行冷却的方法。所述方法可以包括以下步骤：将蛇形冷却通道设置在平台内，经由单路输入端将冷却介质供料到蛇形冷却通道，使冷却介质流经蛇形冷却通道，并且使冷却介质从蛇形冷却通道中经由位于该通道上的多个薄膜冷却孔流动到平台的顶面。

本发明及相应专利进一步提供了一种用于与燃气涡轮发动机一起使用的涡轮机叶片。所述涡轮机叶片可以包括平台、从所述平台延伸的翼片，以及设置于所述平台内的蛇形冷却通道。蛇形冷却通道可以从一个冷却供料输入端延伸到多个薄膜冷却孔。

通过结合若干附图和所附权利要求书来阅读以下详细说明，所属领域的技术人员可清楚地了解本发明及相应专利的这些和其他特征以及优点。

附图说明

图1为燃气涡轮发动机的示意图，所述燃气涡轮发动机具有压缩机、燃烧室和涡轮机。

图2为已知的涡轮机叶片的透视图。

图3为带有平台的涡轮机叶片的俯视平面图，该平台具有蛇形冷却通道。

图4为图3所示的涡轮机叶片的平台的一部分的仰视透视图。

图5为图3所示的涡轮机叶片的平台的一部分的侧视截面图。

具体实施方式

现参阅附图，在附图中，相同数字指示各个视图中的相同元件，图1所示为本发明中可以使用的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可以包括压缩机15。压缩机15对进入空气流20进行压缩。压缩机15将经压缩的空气流20输送到燃烧室25。燃烧室25将经压缩的空气流20与增压的燃料流30混合，然后点燃所述混合物以产生燃烧气体流35。尽管只图示了单个燃烧室25，但燃气涡轮发动机10可以包括任何数量的燃烧室25。燃烧气体流35随后输送到涡轮机40。燃烧气体流35驱动涡轮机40，从而产生机械功。在涡轮机40中产生的机械功经由轴45驱动压缩机15，以及诸如发电机等外部负载50。

燃气涡轮发动机10可以使用天然气、各种类型的合成气，和/或其他类型的燃料。燃气涡轮发动机10可以为位于美国纽约州斯卡奈塔第(Schenectady，New York)的通用电气公司(General Electric Company)所提供的多种不同燃气涡轮发动机中的任意一种，包括但不限于，7或9系列重型燃气涡轮发动机以及同类燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机10可以具有不同配置，并且可以使用其他类型的部件。本发明中还可以使用其他类型的燃气涡轮发动机。本发明中也可以同时使用多个燃气涡轮发动机、其他类型的涡轮机以及其他类型的发电设备。

图2所示为可以与涡轮机40一起使用的涡轮机叶片55的一个实例。根据通常所述，涡轮机叶片55包括翼片60、柄部分65，以及设置在翼片60和柄部分65之间的平台70。翼片60从平台70处大体向上径向延伸，并且所述翼片60包括前缘72和后缘74。翼片60也可以包括构成压力侧76的凹壁以及构成吸入侧78的凸壁。平台70可以是基本上水平的或平坦的。同样地，平台70可以包括顶面80、压力面82、吸入面84、正面86，以及后面88。平台70的顶面80可以暴露于热燃烧气体流35中。柄部分65可以从平台70径向向下延伸， 使得平台70大体上构成位于翼片60与柄部分65之间的界面。柄部分65可以包括位于其中的柄腔90。柄部分65也可以包括一个或多个角翼92以及根结构94，例如鸠尾榫等等。根结构94可以经配置以将涡轮机叶片55紧固到轴45。本发明可以使用其他部件和其他配置。

涡轮机叶片55可以包括一个或多个延伸穿过其中的冷却回路96，用于使冷却介质98(例如，来自压缩机15或来自其他来源的空气)流动。冷却回路96和冷却介质98可以至少经过翼片60、柄部分65以及平台70的部分以任何顺序、方向或路径进行循环。本发明可以使用许多种不同类型的冷却回路和冷却介质。本发明还可以使用其他部件和其他配置。

图3到图5示出了本发明所描述的涡轮机叶片100的实例。涡轮机叶片100可以包括翼片110、柄部分120，以及平台130。类似于上文的描述，翼片110从平台130处大体向上径向延伸，并且包括前缘140和后缘150。翼片110还包括压力侧160和吸入侧170。平台130可以包括顶面180、压力面190、吸入面200、正面210，以及后面220。平台130的顶面180可以暴露于热燃烧气体流35中。柄部分120也可以包括类似于上文所述的一个或多个角翼以及根结构。本发明可以使用其他部件和其他配置。

涡轮机叶片100也可以包括一个或多个延伸穿过其中的冷却回路230。冷却回路230用于利用其中的冷却介质240对涡轮叶片100及其部件进行冷却。本发明可以使用来自任何来源的任何类型的冷却介质240，例如，空气，蒸汽等。冷却回路230可以按任何顺序、方向或路径延伸穿过翼片110、柄部分120，以及平台130。在这个实例中，冷却回路230可以包括延伸穿过翼片110的多个翼片冷却通道250。冷却回路230也可以包括延伸穿过平台130以及其他地方的一个或多个边缘冷却通道。冷却回路230可以是任何尺寸、形状以及定向的。本发明可以使用任意数目的冷却回路230。本发明可以使用其他部件和其他配置。

冷却回路230还可以包括设置于平台130中的蛇形冷却通道280。蛇形冷却通道280可以围绕翼片110的压力侧160设置在翼片110与平台130的压力面190之间。蛇形冷却通道280可以包括多条支腿290，支腿290之间有多个弯管300以形成蛇形形状。在这个实例中，第一支腿310、第二支腿320，以及第三支腿330可以与位于其间的第一弯管340以及第二弯管350一起使用。本发明可以使用采用任何配置的任意数目的支腿290和弯管300。蛇形冷却通道280可以沿着平台130从翼片110到压力面190，并且从正面210到后面220以任何方向延伸。虽然可以使用多个蛇形冷却通道280，但是本文中示出了单个的通道280。本发明可以使用其他部件和其他配置。

蛇形冷却通道280可以从冷却供料输入端360延伸。冷却供料输入端360可以与翼片冷却通道250中的一个连通。虽然通常会使用单个的冷却供料输入端360，但是本发明中也可以使用多个冷却进料输入端360。一条或多条支腿290可以具有延伸到平台130的顶面180的多个薄膜冷却孔380。薄膜冷却孔380的数目，尺寸以及配置可以是不同的从而对冷却性能进行优化。因此，冷却介质240可以经由冷却供料输入端360进入蛇形冷却通道280，并且经由薄膜冷却通道250离开蛇形冷却通道280，从而根据需要对平台130的顶面180以及其他地方进行冷却。本发明可以使用其他部件和其他配置。

通过任何适当的方法，可以使蛇形冷却通道280形成于平台130内部。例如，可以通过电火花加工(“EDM”)工艺或者通过铸造工艺来形成蛇形冷却通道280。还可以通过弯形管电解加工(“STEM”)工艺来形成蛇形冷却通道280。根据通常所述，STEM工艺利用可操作地连接到旋转驱动器的弯曲的STEM电极。本发明中可以使用其他类型的制造工艺。为了有助于制造工艺，可以使用多个锚拉杆(core tie)390，以提供检查和修理的入口。锚拉杆390可以是铜焊的闭合。类似地，多个斜面突起(printout)400和/或底部核心突起410可以由塞子420等封闭。本发明可以使用其他部件和其他配置。

在使用中，冷却介质240可以延伸穿过涡轮叶片100的冷却回路230的翼片冷却通道250。冷却介质240可以经由冷却供料输入端360以及一个翼片冷却通道250与蛇形冷却通道280连通。冷却介质240可以流经蛇形冷却通道280的支腿290以及弯管300，并且经由薄膜冷却孔380流出。因此，冷却介质240可以对平台130的压力侧的顶面180进行冷却，平台130的压力侧的顶面180可以位于热燃烧气体35的流体通路中。

因此，经由蛇形冷却通道280来冷却平台130可以改进涡轮机叶片100的总体操作寿命。具体而言，对平台130进行冷却可以避免氧化以及疲劳等在平台上造成的损坏，这些损坏是由热燃烧气体35的高温所引起的。因此，本发明中所描述的涡轮机叶片100可以在较长的间隔内操作。因为蛇形冷却通道280通常只具有一个冷却输入端360，所以总体制造的复杂性也得到了降低。此外，由于这种与核心冷却回路230的直接接通，可以使得蛇形冷却通道280很有效率。本发明中也可以使用除了平台130之外的其他位置。替代地，冷却介质也可以围绕压力面190排出，以使叶片100的边缘保持冷却并且对邻近的叶片100进行冷却。

应了解，上述说明仅涉及本发明及相应专利的某些实施例。所属领域的技术人员可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明做多种变化和修改，本发明的精神和范围由所附权利要求书及其等效物定义。

Claims (15)

1.一种用于燃气涡轮发动机的涡轮机叶片，其包括：

平台；

从所述平台延伸的翼片；以及

延伸穿过所述平台和所述翼片的多个冷却回路；

其中所述多个冷却回路中包括位于所述平台内的蛇形冷却通道和位于所述翼片中的一个或多个翼片冷却通道；

其中所述蛇形冷却通道包括冷却供料输入端，该冷却供料输入端用于从翼片冷却通道中的一个接收冷却流，所述冷却供料输入端形成延伸于邻近所述平台的边缘的第一冷却通道部分，以使所述冷却供料输入端的末端对应于包括第一支腿、第二支腿和第三支腿的第二冷却通道部分的起点。

2.根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其中所述平台包括压力面，并且其中所述蛇形冷却通道在所述平台内围绕所述翼片延伸到所述压力面。

3.根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其中所述平台包括正面和后面，并且其中所述蛇形冷却通道在所述平台内围绕所述正面延伸到所述后面。

4.根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其中所述平台包括顶面，并且其中所述蛇形冷却通道在所述平台内在所述顶面下延伸。

5.根据权利要求4所述的涡轮机叶片，其中所述蛇形冷却通道包括延伸到所述顶面的多个薄膜冷却孔。

6.根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其中所述蛇形冷却通道包括一个或多个弯管。

7.根据权利要求6所述的涡轮机叶片，其中所述多个弯管包括第一弯管和第二弯管。

8.根据权利要求1所述的涡轮机叶片，其中所述平台包括一个或多个突起。

9.一种对涡轮机叶片的平台进行冷却的方法，其包括：

将蛇形冷却通道设置在所述平台内，其中所述蛇形冷却通道包括冷却供料输入端，该冷却供料输入端用于从一个翼片冷却通路中接收冷却流，所述冷却供料输入端形成延伸于邻近所述平台的边缘的第一冷却通道部分，以使所述冷却供料输入端的末端对应于包括第一支腿、第二支腿和第三支腿的第二冷却通道部分的起点；

经由所述冷却供料输入端将冷却介质输送到所述蛇形冷却通道；

在所述蛇形冷却通道内使所述冷却介质通过所述第一支腿、第二支腿和第三支腿以及位于所述蛇形冷却通道内的弯管；并且

使所述冷却介质从所述蛇形冷却通道中经由多个薄膜冷却孔流动到所述平台的顶面。

10.根据权利要求9所述的方法，其中将蛇形冷却通道设置在所述平台内的步骤包括在所述平台中对所述蛇形冷却通道进行铸造或机加工。

11.一种用于燃气涡轮发动机的涡轮机叶片，其包括：

平台；

从所述平台延伸的翼片，所述翼片包括一个或多个翼片冷却通道；以及

设置在所述平台内的蛇形冷却通道；

其中所述蛇形冷却通道从冷却供料输入端延伸到多个薄膜冷却孔，所述多个薄膜冷却孔用于使冷却流排放至所述平台的顶部表面，以使所述冷却流排放在所述翼片的压力侧；

所述冷却供料输入端形成延伸于邻近所述平台的边缘的第一冷却通道部分，以使所述冷却供料输入端的末端对应于包括第一支腿、第二支腿和第三支腿的第二冷却通道部分的起点；

所述蛇形冷却通道在所述冷却供料输入端处从一个翼片冷却通道中接收冷却流。

12.根据权利要求11所述的涡轮机叶片，其中所述平台包括压力面，并且其中所述蛇形冷却通道在所述平台内围绕所述翼片延伸到所述压力面。

13.根据权利要求11所述的涡轮机叶片，其中所述平台包括正面和后面，并且其中所述蛇形冷却通道在所述平台内围绕所述正面延伸到所述后面。

14.根据权利要求11所述的涡轮机叶片，其中所述平台包括顶面，并且其中所述多个薄膜冷却孔延伸到所述顶面。

15.根据权利要求11所述的涡轮机叶片，其中所述蛇形冷却通道包括一个或多个弯管。