CN104420892B - 用于冷却转子叶片天使翼的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于冷却转子叶片天使翼的方法和系统。联接到转子叶片的柄的天使翼包括至少一个冷却通道，该至少一个冷却通道从与燃气涡轮发动机内部轮空间流体连通地联接的至少一个进口开口延伸至与燃气涡轮发动机外部转子/定子腔流体连通地联接的至少一个出口开口。该至少一个出口开口定位在天使翼的上表面中。该至少一个冷却通道接收从内部轮空间被引导的加压冷却空气，使得加压冷却空气被引导至至少一个进口开口中并且从至少一个出口开口被排出。
Description
技术领域
本发明总体涉及涡轮机，并且更具体地，涉及用于燃气涡轮发动机内的天使翼(angelwing)结构的冷却。
背景技术
至少一些已知的燃气涡轮发动机包括热燃烧气体通过其中的外部转子/定子腔、以及内部轮空间(inner wheelspace)，该内部轮空间包括由这样的材料制成的部件：所述材料具有比存在于外部转子/定子腔中的温度低的耐温性。此外，至少一些已知的燃气涡轮发动机包括转子叶片。转子叶片包括柄以及联接到柄的连接结构(例如燕尾榫)，该连接结构用于将转子叶片联接到转子轮(rotor wheel)。翼型件也联接到柄。在至少一些已知的转子叶片构造中，柄包括相对于燃气涡轮发动机的旋转轴线横切地(transversely)延伸的前壁和/或后壁。此外，在至少一些已知的燃气涡轮发动机中，至少一个盖板联接到转子叶片和转子轮，以有利于阻止转子叶片与转子轮之间的气体泄漏。
在至少一些已知的转子叶片构造中，通常被称为“天使翼”的结构从柄向前和/或向后地轴向延伸。在至少一些已知的燃气涡轮发动机中，提供从转子叶片的面向上游的柄壁和/或面向下游的柄壁延伸的至少两个天使翼，使得第一天使翼(在下文被称为“下部”天使翼)定位在第二天使翼(在下文被称为“上部”天使翼)的径向向内处。当存在两个天使翼并且该两个天使翼面向相同方向(例如，从柄的前面延伸出)时，上部或最外部天使翼有利于防止热燃烧气体被吸入限定于上部天使翼与下部天使翼之间的缓冲腔中，并且上部天使翼和下部天使翼二者有利于防止热燃烧气体被吸入内部轮空间中。期望防止热燃烧气体被吸入，以有利于防止由于暴露于热燃烧气体而对内部轮空间部件造成损坏。
在至少一些已知的燃气涡轮发动机中，冷却空气在压力下被引导至内部轮空间中，以有利于防止热燃烧气体被吸入内部轮空间中。然而，将冷却空气引导至内部轮空间中可能具有降低发动机效率的作用。因此，燃气涡轮发动机设计发展成使得被引导至内部轮空间中的冷却空气的量减少。此外，在至少一些已知的燃气涡轮发动机中，燃烧点火温度升高。因此，在内部轮空间内的特定部件中为燃气涡轮发动机部件提供冷却以及防止吸入热燃烧气体对燃气涡轮发动机的设计者提出挑战。
在至少一些已知的燃气涡轮发动机中，如果提供上部天使翼和下部天使翼二者的话，则天使翼的上表面直接暴露于热燃烧气体，特别是上部天使翼。因此，期望为天使翼的上表面提供冷却，以有利于降低天使翼的上表面的温度并且有利于防止天使翼的潜在的与蠕变相关的失效。还期望提供对下部天使翼的上表面的冷却(如果存在的话)，以有利于从缓冲空间吹扫热气体，从而有利于防止将热燃烧气体被吸入缓冲空间中。
发明内容
在一个方面中，提供一种用于冷却燃气涡轮发动机中的天使翼的方法。该方法包括将天使翼联接到燃气涡轮发动机的转子叶片的柄，联接转子叶片以用于围绕旋转轴线沿第一方向旋转。该方法还包括限定至少一个冷却通道，该至少一个冷却通道穿过柄和天使翼从定位在柄上的至少一个进口开口延伸至定位在天使翼的上表面上的至少一个出口开口，使得至少一个进口开口与燃气涡轮发动机的内部轮空间流体连通地联接并且至少一个出口开口与燃气涡轮发动机的外部转子/定子腔流体连通地联接。该方法还包括将加压冷却空气供给至内部轮空间，使得加压冷却空气被引导至至少一个进口开口中并且从至少一个出口开口被排出。
其中，所述方法包括将所述至少一个出口开口定向成使得所述加压冷却空气沿相对于旋转轴线的径向方向、朝向所述第一方向、和朝向离开所述第一方向的第二方向中的一个方向被排出。
其中，燃烧气体流被引导穿过所述外部转子/定子腔，所述方法包括将所述至少一个出口开口定向成使得所述加压冷却空气沿相对于所述燃烧气体流的上游方向和相对于所述燃烧气体流的下游方向中的一个方向被排出。
其中，限定所述至少一个冷却通道包括：限定多个分离的冷却通道；以及联接每一个分离的冷却通道的进口开口和出口开口。
其中，限定所述至少一个冷却通道包括：限定至少一个冷却通道；联接多个分支通道到所述至少一个冷却通道；以及联接进口开口和出口开口中的至少一个到每一个分支通道。
其中，进一步将天使翼联接到转子叶片的柄包括联接所述天使翼到所述柄的柄壁部分，将所述柄壁部分定向成朝向被引导穿过所述燃气涡轮发动机的燃烧气体流和离开被引导穿过所述燃气涡轮发动机的燃烧气体流中的一种。
其中，所述转子叶片包括联接到所述柄的翼型件，所述方法包括将所述至少一个进口开口和冷却通道流体连通地联接，所述冷却通道穿过所述柄延伸至所述翼型件。
其中，所述方法包括将所述至少一个出口开口定向成接近所述天使翼的尖端、所述天使翼的根部和所述天使翼的所述尖端与所述根部之间的位置中的一个。
其中，所述转子叶片包括联接到所述柄的翼型件，所述方法包括将所述至少一个出口开口定向成与所述翼型件的前缘基本周向地对准。
其中，所述方法包括将多个出口开口定向在所述天使翼的上表面中使得所述出口开口沿所述天使翼的所述上表面周向地彼此间隔开。
在另一个方面中，提供一种用于冷却燃气涡轮发动机中的天使翼的系统。该系统包括联接到燃气涡轮发动机的转子叶片的柄的天使翼，转子叶片被联接以用于沿第一方向围绕轴线旋转。该系统还包括至少一个冷却通道，该至少一个冷却通道从定位在柄中的至少一个进口开口延伸至定位在天使翼的上表面中的至少一个出口开口，使得至少一个进口开口与燃气涡轮发动机的内部轮空间流体连通地联接并且至少一个出口开口与燃气涡轮发动机的外部转子/定子腔流体连通地联接。该系统还包括至少一个冷却通道，该至少一个冷却通道被构造成用于从内部轮空间接收加压冷却空气，使得加压冷却空气被引导至至少一个进口开口中并且从至少一个出口开口被排出。
其中，所述系统包括所述至少一个出口开口，所述至少一个出口开口定向成使得所述加压冷却空气沿相对于旋转轴线的径向方向、朝向所述第一方向、和离开所述第一方向的第二方向中的一个方向被排出。
其中，燃烧气体流被引导穿过所述外部转子/定子腔，所述系统包括所述至少一个出口开口，所述至少一个出口开口定向成使得所述加压冷却空气沿相对于所述燃烧气体流的上游方向和相对于所述燃烧气体流的下游方向中的一个方向被排出。
其中，所述至少一个冷却通道包括：联接到所述至少一个冷却通道的多个分支通道；以及联接到每一个分支通道的进口开口和出口开口中的至少一个。
其中，所述天使翼联接到所述柄的柄壁部分，所述柄壁部分定向成朝向被引导穿过所述燃气涡轮发动机的燃烧气体流和离开被引导穿过所述燃气涡轮发动机的燃烧气体流中的一种。
其中，所述转子叶片包括联接到所述柄的翼型件和穿过所述柄延伸至所述翼型件的翼型件冷却通道，所述至少一个冷却通道从所述翼型件冷却通道延伸至所述至少一个出口开口。
其中，所述至少一个出口开口定向成接近所述天使翼的尖端、所述天使翼的根部和所述天使翼的所述尖端与所述根部之间的位置中的一个。
其中，所述至少一个转子叶片包括联接到所述柄的翼型件，并且所述至少一个出口开口定向成与所述翼型件的前缘基本周向地对准。
其中，所述系统包括多个出口开口，所述多个出口开口在所述天使翼的上表面中定向成使得所述出口开口沿所述天使翼的所述上表面周向地间隔开。
附图说明
图1是燃气涡轮发动机的示意图，在该燃气涡轮发动机中可以使用示例性的冷却方法和系统。
图2是图1中所示的燃气涡轮发动机的一部分的放大示意性侧剖视图。
图3是用于图1和2中所示的燃气涡轮发动机中的示例性转子叶片的放大透视图。
图4是燃气涡轮发动机的一部分的示意性侧剖视图，其中示出了用于冷却天使翼的上表面的示例性备选系统。
图5是气体转子叶片天使翼的放大透视图，其中示出了天使翼的上表面中的冷却孔的示例性布置。
图6是燃气涡轮发动机的一部分的示意性侧剖视图，其中示出了用于冷却天使翼的上表面的另一个示例性备选系统。
图7是燃气涡轮发动机的一部分的示意性侧剖视图，其中示出了用于冷却天使翼的上表面的另一个示例性备选系统。
具体实施方式
如本文中所使用的，术语“轴向的”和“轴向地”指的是与燃气涡轮发动机的纵向轴线(longitudinal axis)基本平行地延伸的方向和取向。此外，术语“径向的”和“径向地”指的是与燃气涡轮发动机的纵向轴线基本垂直地延伸的方向和取向。
图1是示例性燃气涡轮发动机100的示意图。该发动机100包括压缩机组件102和燃烧器组件104。该发动机100还包括涡轮108和公共的压缩机/涡轮转子110。
在操作中，空气流过压缩机组件102，使得压缩空气被供给至燃烧器组件104。燃料被引导至限定于燃烧器组件104内的燃烧区域和/或区(未示出)，燃料在燃烧器组件104内与空气混合并且点燃。所产生的燃烧气体被引导至涡轮108，在涡轮108中，气体流热能被转化成机械旋转能。涡轮108包括可旋转地联接到转子110的一个或多个转子轮112(示于图2中)，以用于围绕旋转轴线106旋转。还应当领会，如本文中所使用的术语“流体”包括任何流动的介质或材料，包括但不限于气体和空气。
图2是燃气涡轮发动机100的一部分的放大示意图，该部分包括例如通过多个周向地间隔开且轴向地延伸的螺栓116彼此联接的且轴向地间隔开的转子轮112和间隔件114。尽管图2中示出了螺栓116，但是为了有利于将轮112联接到间隔件114，可以使用使得燃气涡轮发动机100能够如本文中所描述地起作用的任何其它合适的联接结构。例如，燃气涡轮发动机100包括第一喷嘴级118和第二喷嘴级120。喷嘴级118和120中的每一个都包括多个周向地间隔开的定子轮叶，例如定子轮叶122和124。多个第一级转子叶片126联接到转子110，以用于在喷嘴级118和120之间旋转。类似地，多个第二级转子叶片128类似地联接到转子110，以用于在第二级喷嘴120和第三极喷嘴(未示出)之间旋转。尽管本文中示出和描述了两级转子叶片126和128、以及两个喷嘴级118和120，但是至少一些已知的燃气涡轮发动机包括不同数量的喷嘴和转子叶片级。
每一个转子叶片126都使用使得燃气涡轮发动机100能够如本文中所描述地起作用的任何合适的联接方法联接到转子轮112。例如，每一个转子叶片126都包括翼型件130和燕尾榫134，该燕尾榫134可插入地(即，沿与图1中所示的旋转轴线106平行的方向)被接收在转子轮112中具有类似形状的槽136内且轴向地位于其中。每一个转子叶片126还包括从柄132轴向向前和向后地延伸的多个天使翼138、140、142和144。尽管图2中示出了四个天使翼138-144，但是转子叶片126可以包括足以使其能够如本文中所描述地起作用的任何数量的天使翼。天使翼138和140之间限定了缓冲腔145。天使翼138有利于防止热燃烧气体被吸入缓冲腔145中。此外，天使翼138和140分别与定子结构146和148相配合，以有利于防止热燃烧气体150从外部转子/定子腔152被吸入内部轮空间154中。类似地，天使翼142和144分别与定子地(stator land)156和158相配合，以有利于防止热燃烧气体150从外部转子/定子腔160被吸入内部轮空间162中。在示例性实施例中，为燃气涡轮发动机100的每一个转子轮级和相邻的喷嘴级提供类似的配合的天使翼和定子地的组或者其它结构。在备选实施例中，仅在燃气涡轮发动机100的转子轮级和相邻的喷嘴级处、或者仅在燃气涡轮发动机100的转子轮级和相邻的喷嘴级中的一些(而不是所有)处提供配合的天使翼和定子地的组或者其它结构。
图3是图2中所示的转子叶片126的透视图。如上所述，转子叶片126包括联接到柄132的翼型件130和燕尾榫134，天使翼138-142从该柄132轴向地延伸。柄132包括平台164、前柄壁166和后柄壁168。在至少一些已知的转子叶片中，天使翼138-144中的每一个(例如天使翼138)包括主体170和上翻尖端172。在示例性的天使翼138中，主体170包括与旋转轴线106(示于图1中)同心地延伸的上表面174。在至少一些已知的转子叶片构造中，天使翼138-144的上表面174被构造成相对于与旋转轴线106平行的方向向上成凹形。在至少一些其它已知的转子叶片构造中，天使翼138-144的上表面174相对于与旋转轴线106平行的方向是平坦或向上成凸形。
图4示出了燃气涡轮发动机200的一部分的放大剖视图，示例性天使翼冷却系统202可以在该部分中用于冷却天使翼224。在示例性实施例中，燃气涡轮发动机200包括至少一个喷嘴级204和至少一个转子叶片级206。喷嘴级204包括围绕转子旋转轴线210周向地布置的多个定子轮叶208。每一个定子轮叶208都联接到定子支承结构212，该定子支承结构212支承一个或多个轴向地延伸的地(land)214。在示例性实施例中，一个或多个地214围绕旋转轴线210至少部分周向地延伸并且与该旋转轴线210同心。转子叶片级206包括多个转子叶片216。每一个转子叶片216都包括联接到柄220的翼型件218，该柄220随后联接到轮222。轮222联接以用于围绕旋转轴线210沿第一方向R旋转。方向R有时也被称为涡旋方向。
转子叶片216包括多个轴向地延伸的天使翼，所述多个轴向地延伸的天使翼包括上部天使翼224、下部天使翼226和上部天使翼228。冷却系统202包括例如被限定成具有至少一个内部冷却通道230的至少一个上部天使翼224。在示例性实施例中，每一个冷却通道230都从柄220的柄壁240的面238中的进口开口236延伸至天使翼224的上表面234中的出口开口232。图5是转子叶片216的放大透视图，其中示出了翼型件218。五个出口开口232定位在天使翼224的上表面234中。在示例性实施例中，冷却通道230在图4和5中图示为被限定在柄壁240中，该柄壁240相对于热燃烧气体流260面向上游方向。在备选实施例中，可以代替或除了至少一个冷却通道230之外提供至少一个冷却通道262。该冷却通道262从定位在面向下游的柄壁270中的进口开口272延伸至定位在向下游延伸的天使翼228的上表面276中的出口开口274。
在示例性实施例中，提供多个通道230，使得每一个通道230都与其它的通道230彼此分开。此外，每一个通道230都包括相应的进口开口236和相应的出口开口232。尽管图5中示出了用于五个相应的通道230(未示出)的五个出口开口232，但是在备选实施例中，具有相应的出口开口232和进口开口236的任何数量的通道230可以用于使得冷却系统202能够如本文中所描述地起作用。在备选实施例中，开口232中的两个或多个开口232通过多个分支通道233以分支布置231联接到冷却通道235。在其它的备选实施例中，类似的分支布置用于将多个进口开口236联接成与单个冷却通道流体连通。在进一步其它的备选实施例中，进口开口236和出口开口232都联接到分支布置。
在图4和5的示例性实施例中，冷却空气242使用使得发动机200能够如所描述地起作用的任何合适的结构被引导至发动机200的内部轮空间244中。在发动机200操作期间，促使冷却空气242在定子支承结构212与转子叶片216之间径向向外地移动。在冷却空气242被径向地引导通过天使翼226和地214之后，冷却空气242通过至少一个进口开口236被引导至至少一个冷却通道230中。冷却空气242通过至少一个出口开口232离开至少一个冷却通道230。在示例性实施例中，在离开出口开口232之后，冷却空气242在天使翼224的上表面234之上限定保护性冷却空气膜层254(示于图5中)。在备选实施例中，代替或除了限定冷却膜层254之外，冷却空气242有利于从内部轮空间244吹扫热燃烧气体并且/或者有利于防止热燃烧气体被吸入内部轮空间244中。
在示例性实施例中，多个出口开口232在天使翼224上定向成使得出口开口232与翼型件218的前缘246(示于图4和5中)基本周向地对准。在操作期间，前缘246在燃烧气体压力和温度二者可以达到显著值的位置附近产生弓形波252(示于图5中)。因此，将至少一个出口开口232定向在前缘246的轴向上游处并且与该前缘246基本径向地对准有利于在遇到高温燃烧气体的位置处以及/或者可能发生高温燃耗气体的吸入的位置处形成冷却空气膜层254。在备选实施例中，多个出口开口232可以通过适于使得冷却系统202能够如本文中所描述地起作用的任何间距彼此周向地间隔开。
当沿使得系统202能够如本文中所描述地起作用的冷却空气流242的方向观察时，冷却通道230、进口开口236和/或出口开口232可以具有任何横截面形状。例如，冷却通道230、进口开口236和/或出口开口232可以具有呈圆形、椭圆形、多边形的横截面形状或者使得系统202能够如本文中所描述地起作用的任何其它的构造。此外，通道230的横截面积可以从出口开口232至进口开口236以使得系统202能够如本文中所描述地起作用的任何期望的方式沿通道230的长度发生变化。此外，通道230可以跟随使得系统202能够如所描述地起作用的且穿过柄壁240和天使翼224的任何路径。例如，通道230可以跟随蛇形路径，该蛇形路径通过增加通道230的长度且因此增加通道230的内部表面积并且因此增加冷却空气242通过通道230的时间，从而增加可以从柄壁240和天使翼224传递到冷却空气242中的热来增加对柄壁240和天使翼224的冷却。备选地，如果需要的话，能够通过使通道230跟随进口开口236和出口开口232之间更直接的路径、并且/或者减小通道230的直径，从而减小通道230的内部表面积来减少从出口开口232排出之前传递到冷却空气242中的热。
与仅仅依靠只在喷嘴级204与转子叶片级206之间被引导的冷却空气相比，通过在天使翼224的上表面234上提供冷却空气膜层254，能够使用体积减小的被引导穿过内部轮空间244的冷却空气来控制柄壁240的上表面234和上部256处的温度。出口开口232的选择性定位使得冷却空气242被引导至最需要冷却的位置处。尽管在示例性实施例中，冷却系统202包括被构造成将冷却空气242供给至上部天使翼224的上表面234的通道230，但是在备选实施例中，冷却系统202还可以代替或除了通道230之外在下部天使翼226中提供通道(未示出)。
在图4和5的示例性实施例中，出口开口232接近天使翼224的根部280(示于图4中)定位在上表面234的下游部分248(示于图5中)中。在备选实施例中，一个或多个出口开口232可以定位在上表面234的接近天使翼224的上游尖端250的部分中、或者定位在上游尖端250与下游部分248之间的上表面234的部分中。此外，在示例性实施例中，出口开口232中的一个或多个出口开口232可以定向成使得冷却空气242相对于旋转轴线210沿完全径向方向被排出，如图4和5中所示。在备选实施例中，出口开口232中的一个或多个出口开口232可以定向成使得冷却空气242沿至少部分上游的方向、或者沿至少部分下游的方向被排出。此外，一个或多个开口232可以在天使翼224内定向成使得冷却空气242朝向转子叶片216的旋转方向、与转子叶片216的旋转方向相反地或者相对于转子叶片216径向地被排出。
在备选实施例中，与通道230从柄壁240中的开口236延伸至开口232不同，通道282在柄220的凹部286中的开口284与开口232之间延伸。类似地，在备选实施例中，与通道262从柄壁270中的开口272延伸至开口274不同，通道288从凹部286中的开口290延伸至开口274。
在另一个备选实施例中，天使翼224是附连到柄220的盖板292的部件。盖板292是附接到转子叶片216的非整体板，以用于有利于防止转子叶片216与轮222之间的泄漏。因此，通道230延伸穿过柄壁240并且穿过盖板292。
图6示出了燃气涡轮发动机300的一部分的放大剖视图，备选的示例性天使翼冷却系统302可以在该部分中用于冷却天使翼324保护其不受来自燃烧气体流360的热的影响。在示例性实施例中，燃气涡轮发动机300包括至少一个喷嘴级304和至少一个转子叶片级306。喷嘴级304包括围绕转子旋转轴线310周向地布置的多个定子轮叶308。每一个定子轮叶308都联接到定子支承结构312，该定子支承结构312支承一个或多个轴向地延伸的地314。在示例性实施例中，地314中的每一个地314都围绕旋转轴线310至少部分周向地延伸并且与该旋转轴线310同心。转子叶片级306包括多个转子叶片316。每一个转子叶片316都包括联接到柄320的翼型件318，该柄320随后联接到轮322。轮322联接以用于围绕轴线310旋转。
转子叶片316包括多个轴向地延伸的天使翼324、326和328。冷却系统302包括例如被限定成具有至少一个内部冷却通道330的至少一个天使翼324。在示例性实施例中，冷却通道330从柄320的柄壁340的面338中的进口开口336延伸至天使翼324的上表面334中的出口开口332。在示例性实施例中，提供多个通道330，使得每一个通道330都与其它的通道330彼此分开。此外，每一个通道330都包括相应的进口开口336和相应的出口开口332。可以提供具有相应的进口开口336和出口开口332的任何数量的通道330以使得冷却系统302能够如本文中所描述地起作用。在备选实施例中，冷却通道(多个冷却通道)330可以设置有向上游和/或向下游定向的分支布置，使得单个冷却通道330可以与多个进口开口336以及/或者多个出口开口332流体连通地联接。
在图6的示例性实施例中，使用使得系统302能够如所描述地起作用的任何合适的方式，将冷却空气342引导至发动机300的内部轮空间344中。在发动机300操作期间，促使冷却空气342在定子支承结构312与转子叶片316之间径向向外地移动。在冷却空气342被径向地引导通过天使翼326和地314之后，冷却空气342通过进口开口336被引导至通道330中。冷却空气342通过出口开口332离开通道330。在离开出口开口332之后，冷却空气342在天使翼324的上表面334之上限定保护性冷却空气膜。在图6的示例性实施例中，出口开口332定向成使得冷却空气342朝向喷嘴级304沿部分向上游的方向从开口332被排出。即，沿与向前倾斜的轴线Y(示于图6中)基本平行的方向。
在备选实施例中，柄壁340包括回切区域345(cut-back region)，该回切区域345邻近由回切壁区域346(在图6中以虚线示出)限定的天使翼324。在该备选实施例中，通道330中的一个或多个通道330以及开口332定向成使得冷却空气沿与轴线Z基本平行的方向被排出(即，沿流360的方向至少部分地成角度)，以保证有利于将冷却空气排出到回切区域345中并且/或者有利于冷却空气撞击回切壁区域346。
在一些已知的燃气涡轮发动机中，转子叶片的翼型件设置有内部冷却通道，所述内部冷却通道通向定位在翼型件的前缘区域中的出口开口。图7示出了燃气涡轮发动机400的一部分的放大剖视图，备选的示例性天使翼冷却系统402可以在该部分中用于冷却天使翼424。在示例性实施例中，燃气涡轮发动机400包括至少一个喷嘴级404和至少一个转子叶片级406。喷嘴级404包括围绕转子旋转轴线410周向地布置的多个定子轮叶408。每一个定子轮叶408都联接到定子支承结构412，该定子支承结构412支承一个或多个轴向地延伸的地414。在示例性实施例中，地414中的每一个地414都围绕旋转轴线410至少部分周向地延伸并且与该旋转轴线410同心。转子叶片级406包括多个转子叶片416。每一个转子叶片416都包括联接到柄420的翼型件418，该柄420随后联接到轮422，联接该轮422以用于围绕轴线410旋转。
转子叶片416包括多个轴向地延伸的天使翼424、426和428。冷却系统402包括例如被限定成具有至少一个内部冷却通道430的至少一个天使翼424。冷却通道430从进口开口436延伸，该进口开口436与转子叶片冷却通道440流体联通地联接，该转子叶片冷却通道440穿过转子叶片416且从轮422径向向外地延伸至翼型件418。冷却通道430终止于天使翼424的上表面434中的出口开口432。在示例性实施例中，提供多个通道430，使得每一个通道430都与其它的通道430不同。此外，每一个通道430都包括相应的进口开口436和相应的出口开口432。可以提供具有相应的出口开口432和进口开口436的任何数量的通道430，以使得冷却系统402能够如本文中所描述地起作用。在备选实施例中，冷却通道(多个冷却通道)430可以分叉或分支，使得多于一个的进口开口可以联接到每一个冷却通道，并且/或者每一个冷却通道可以通向多于一个的出口开口开口。
在图7的示例性实施例中，使用使得系统402能够如所述地起作用的任何合适的方法，冷却空气442从冷却空气的源(未示出)被引导至转子叶片冷却通道440中。翼型件冷却通道450和452与转子叶片冷却通道440流体连通地联接并且分别终止于出口开口456和458。离开出口开口456和458的冷却空气有利于冷却翼型件418的前缘区域460，从而减轻由于燃烧气体流454而造成的加热作用。在发动机400操作期间，促使冷却空气442沿通道440径向地移动。此外，冷却空气442可以在压力下被引导至通道440。冷却空气442通过出口开口432离开通道430。在离开出口开口432之后，冷却空气442在天使翼424的上表面434之上限定保护性冷却空气膜。在图7的示例性实施例中，出口开口432定向成使得离开开口432的冷却空气442朝向喷嘴级404沿上游方向定向。来自内部轮空间446的单独的冷却空气流444冷却天使翼426和424的外部表面。
在备选实施例中，代替或者除了通道(多个通道)430之外，系统402包括联接到翼型件冷却通道472的至少一个冷却空气通道470。冷却空气通道470延伸至天使翼428的上表面中的开口474。翼型件冷却通道472联接到冷却空气的源(未示出)，并且将冷却空气引导至一个或多个后缘冷却通道476，该一个或多个后缘冷却通道476延伸至翼型件418的后缘区域480中的相应的开口478。
本文中所描述的转子叶片冷却系统相对于已知的冷却转子叶片天使翼的方法提供若干优点。具体而言，本文中所描述的转子叶片冷却系统有利于减少冷却空气流从燃气涡轮发动机的内部轮空间进入外部转子/定子腔中，使得燃气涡轮发动机输出和效率得以提高。此外，本文中所描述的转子叶片冷却系统有利于在最需要冷却的位置处形成冷却空气膜层。本文中所描述的转子叶片冷却系统还有利于冷却转子叶片天使翼和柄壁的内部区域。在一些实施例中，本文中所描述的转子叶片冷却系统有利于使用被引向翼型件冷却通道的一部分冷却空气来冷却天使翼上表面。
上文详细地描述了用于冷却涡轮转子叶片天使翼的系统和方法的示例性实施例。所述方法和系统不限于本文中所描述的具体实施例，相反可以与本文中所描述的其它的部件和/或步骤独立并且单独地利用系统的部件以及/或者方法的步骤。例如，该方法还可以结合其它的旋转机器系统和方法使用，并且不限于仅仅通过如本文中所描述的燃气涡轮发动机来实施。相反，能够结合多种其它的旋转机器应用来实施和利用所述示例性实施例。
尽管本发明的各实施例的具体特征可能会示于一些附图中而未示于其它附图中，但这仅仅是为了方便起见。根据本发明的原理，一幅附图中的任何特征可以结合任何其它附图的任何特征进行参考以及/或者要求保护。
本书面描述使用例子对本发明进行了公开(其中包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实施本发明(其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它的例子。如果这种其它的例子具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这种其它的例子包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则期望这种其它的例子落入权利要求的范围内。
尽管已根据各个特定实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，能够通过属于权利要求的精神和范围内的改型来实施本发明。
Claims (10)
1.一种用于冷却燃气涡轮发动机(200)中的天使翼(224)的系统(202)，所述系统包括：
转子叶片(216)，所述转子叶片包括柄(220)，所述柄包括具有外表面的柄壁，所述转子叶片被联接以用于围绕燃气涡轮发动机的轴线(210)沿第一方向旋转；
天使翼(224)，所述天使翼(224)联接到所述转子叶片的柄壁，所述天使翼包括从根部延伸到相对的尖端的主体，所述根部从所述转子叶片的平台径向向内连接到所述柄壁的所述外表面上，所述主体包括在所述根部和尖端之间延伸的上表面(234)，所述上表面大致平行于所述第一方向延伸；以及
至少一个冷却通道(230)，其限定在所述柄壁和所述天使翼内，所述至少一个冷却通道(230)从定位在所述柄的所述外表面中的至少一个进口开口(236)延伸至定位在所述主体的所述上表面中的至少一个出口开口(232)，所述至少一个进口开口从所述天使翼的所述根部径向向内定位，所述至少一个出口开口从所述尖端偏移，使得所述至少一个进口开口(236)与所述燃气涡轮发动机的内部轮空间(244)流体连通地联接并且所述至少一个出口开口(232)与所述燃气涡轮发动机的外部转子/定子腔流体连通地联接；所述至少一个冷却通道(230)被构造成用于从所述内部轮空间接收加压冷却空气(242)，使得所述加压冷却空气(242)被引导至所述至少一个进口开口(236)中并且从所述至少一个出口开口(232)被排出，所述至少一个出口开口构造成经其排出的所述加压冷却空气靠近所述上表面形成冷却空气膜层。
2.根据权利要求1所述的系统(202)，其特征在于，所述系统包括所述至少一个出口开口(232)，所述至少一个出口开口(232)定向成使得所述加压冷却空气(242)沿相对于旋转轴线的径向方向、朝向所述第一方向、和离开所述第一方向的第二方向中的一个方向被排出。
3.根据权利要求1所述的系统(202)，其特征在于，燃烧气体流(260)被引导穿过所述外部转子/定子腔，所述系统包括所述至少一个出口开口(232)，所述至少一个出口开口(232)定向成使得所述加压冷却空气(242)沿相对于所述燃烧气体流的上游方向和相对于所述燃烧气体流的下游方向中的一个方向被排出。
4.根据权利要求1所述的系统(202)，其特征在于，所述至少一个冷却通道(230)包括：
多个不同的分离的冷却通道；以及
联接到每一个分离的冷却通道的进口开口和出口开口。
5.根据权利要求1所述的系统(202)，其特征在于，所述至少一个冷却通道(230)包括：
联接到所述至少一个冷却通道(230)的多个分支通道(233)；以及
联接到每一个分支通道的进口开口和出口开口中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的系统(202)，其特征在于，所述天使翼(224)所联接的所述柄壁定向成朝向被引导穿过所述燃气涡轮发动机的燃烧气体流和离开被引导穿过所述燃气涡轮发动机的燃烧气体流中的一种。
7.根据权利要求1所述的系统(202)，其特征在于，所述至少一个冷却通道限定第一冷却通道，所述转子叶片(216)包括联接到所述柄(220)的翼型件(218)和穿过所述柄延伸至所述翼型件的翼型件冷却通道，所述系统还包括第二冷却通道，所述第二冷却通道从所述翼型件冷却通道延伸至所述至少一个出口开口。
8.根据权利要求1所述的系统(202)，其特征在于，所述至少一个出口开口(232)定向成接近所述天使翼的根部(280)并在所述上表面的下游部。
9.根据权利要求1所述的系统(202)，其特征在于，所述至少一个转子叶片(216)包括联接到所述柄(220)的翼型件(218)，并且所述至少一个出口开口(232)定向成与所述翼型件的前缘基本周向地对准。
10.根据权利要求1所述的系统(202)，其特征在于，所述系统包括多个出口开口，所述多个出口开口在所述天使翼的上表面中定向成使得所述多个出口开口沿所述天使翼的所述上表面周向地间隔开。
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| US6402471B1 (en) * | 2000-11-03 | 2002-06-11 | General Electric Company | Turbine blade for gas turbine engine and method of cooling same |
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