CN106996313A - 具有至轮空间的大体径向冷却导管的涡轮机叶片 - Google Patents

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CN106996313A CN201611089598.1A CN201611089598A CN106996313A CN 106996313 A CN106996313 A CN 106996313A CN 201611089598 A CN201611089598 A CN 201611089598A CN 106996313 A CN106996313 A CN 106996313A
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Abstract

公开了一种涡轮机叶片(120)，其包括翼型件(122)，该翼型件(122)包括在其中延伸的冷却流体仓室(138)以及从冷却流体仓室(138)延伸穿过翼型件(122)的后缘(148)的后缘冷却开口(146)。平台(126)可将翼型件(122)联接于柄部(124)，平台(126)包括关于柄部(124)向下游延伸的后缘根部(160)。至少一个冷却导管(170)将冷却流体(140)从冷却流体仓室(138)和后缘冷却开口(146)中的至少一个沿径向向内输送至轮空间(172)，该轮空间(172)邻近柄部(124)并且在后缘根部(160)径向内侧。还公开了一种相关的涡轮机。

Description

具有至轮空间的大体径向冷却导管的涡轮机叶片
技术领域
本公开大体上涉及涡轮机叶片冷却，并且更具体而言，涉及一种具有大体径向冷却导管的涡轮机叶片，该大体径向冷却导管将冷却流体沿径向向内输送至邻近其柄部且在后根部边缘径向内侧的轮空间。
背景技术
典型的涡轮机叶片包括由平台联接于柄部的翼型件，该柄部将涡轮机叶片安装于涡轮机的壳体或转子。翼型件的后缘联接于叶片的平台的后缘根部，其中两个部分由填角(fillet)，例如由焊接或其它金属组合方法形成的大体三角形形状的材料件联接。在历史上，翼型件的后缘与平台的后部分(被称为盖板)沿径向对准。然而，在某些新的涡轮机模型中，提供了具有后缘的翼型件，该后缘以径向非对准构造会合平台的后缘根部。该布置减小填角区域中的应力。
新的涡轮机模型还在高于先前模型的温度下操作，并且因此由于具有较低的材料能力而使其叶片暴露。增加的温度可导致各种寿命限制问题，如低循环疲劳(LCF)。因此，在采用较高的操作温度时，填角区域表示对低循环疲劳增加关注的区域。常规地，需要冷却的涡轮机叶片包括用于输送冷却流体的在其中的仓室，其将冷却流体供给至热区域。例如，与仓室连通的轴向延伸的冷却开口典型地应用在叶片的翼型件的后缘中。流动穿过冷却开口的冷却流体冷却柄部和/或平台的后缘根部，该后缘根部关于翼型件向下游延伸。然而，填角和在径向最内冷却孔下方的、仅在平台上方的区域不设有冷却开口并且不被直接地冷却。
发明内容
本公开的第一方面提供一种涡轮机叶片，其包括：翼型件，该翼型件包括在其中延伸的冷却流体仓室以及从冷却流体仓室延伸穿过翼型件的后缘的后缘冷却开口；用于将翼型件联接于柄部的平台，平台包括关于柄部向下游延伸的后缘根部；以及至少一个冷却导管，该至少一个冷却导管将冷却流体从冷却流体仓室和后缘冷却开口中的至少一个沿径向向内输送至轮空间，该轮空间邻近柄部并且在后缘根部径向内侧。
本公开的第二方面提供一种涡轮机，其包括：转子，该转子包括多个涡轮机叶片，各个涡轮机叶片包括：翼型件，该翼型件包括在其中延伸的冷却流体仓室以及从冷却流体仓室延伸穿过翼型件的后缘的后缘冷却开口；用于将翼型件联接于柄部的平台，平台包括关于柄部向下游延伸的后缘根部；以及至少一个冷却导管，该至少一个冷却导管将冷却流体从冷却流体仓室和后缘冷却开口中的至少一个沿径向向内输送至轮空间，该轮空间邻近柄部并且在后缘根部径向内侧。
技术方案1. 一种涡轮机叶片，其包括：
翼型件，其包括在其中延伸的冷却流体仓室以及从所述冷却流体仓室延伸穿过所述翼型件的后缘的后缘冷却开口；
用于将所述翼型件联接于柄部的平台，所述平台包括关于所述柄部向下游延伸的后缘根部；以及
至少一个冷却导管，其将冷却流体从所述冷却流体仓室和所述后缘冷却开口中的至少一个沿径向向内输送至轮空间，所述轮空间邻近所述柄部并且在所述后缘根部径向内侧。
技术方案2. 根据技术方案1所述的涡轮机叶片，其特征在于，所述至少一个冷却导管包括至少两个冷却导管，其中所述至少两个冷却导管中的至少一个从所述冷却流体仓室延伸，而所述至少两个冷却导管中的至少一个从所述后缘冷却开口延伸。
技术方案3. 根据技术方案2所述的涡轮机叶片，其特征在于，一个冷却导管从所述冷却流体仓室延伸，而两个冷却导管从所述后缘冷却开口延伸。
技术方案4. 根据技术方案1所述的涡轮机叶片，其特征在于，各个冷却导管以关于径向在近似0°到近似45°之间的角延伸。
技术方案5. 根据技术方案1所述的涡轮机叶片，其特征在于，所述翼型件由填角联接于所述后缘根部，并且其中所述至少一个冷却导管延伸穿过所述后缘根部。
技术方案6. 根据技术方案1所述的涡轮机叶片，其特征在于，所述后缘冷却开口为沿着所述翼型件的所述后缘径向地间隔的多个后缘冷却开口中的径向最内冷却开口。
技术方案7. 一种涡轮机，其包括：
转子，其包括多个涡轮机叶片，各个涡轮机叶片包括：
翼型件，其包括在其中延伸的冷却流体仓室以及从所述冷却流体仓室延伸穿过所述翼型件的后缘的后缘冷却开口；
用于将所述翼型件联接于柄部的平台，所述平台包括关于所述柄部向下游延伸的后缘根部；以及
至少一个冷却导管，其将冷却流体从所述冷却流体仓室和所述后缘冷却开口中的至少一个沿径向向内输送至轮空间，所述轮空间邻近所述柄部并且在所述后缘根部径向内侧。
技术方案8. 根据技术方案7所述的涡轮机，其特征在于，所述至少一个冷却导管包括至少两个冷却导管，其中所述至少两个冷却导管中的至少一个从所述冷却流体仓室延伸，而所述至少两个冷却导管中的至少一个从所述后缘冷却开口延伸。
技术方案9. 根据技术方案8所述的涡轮机，其特征在于，一个冷却导管从所述冷却流体仓室延伸，而两个冷却导管从所述后缘冷却开口延伸。
技术方案10. 根据技术方案8所述的涡轮机，其特征在于，各个冷却导管以关于径向在近似0°到近似45°之间的角延伸。
技术方案11. 根据技术方案7所述的涡轮机，其特征在于，所述翼型件由填角联接于所述后缘根部，并且其中所述至少一个冷却导管延伸穿过所述后缘根部。
技术方案12. 根据技术方案7所述的涡轮机，其特征在于，所述后缘冷却开口为沿着所述翼型件的所述后缘径向地间隔的多个后缘冷却开口中的径向最内冷却开口。
本公开的示范性方面布置成解决本文中描述的问题和/或未论述的其它问题。
附图说明
本公开的这些及其它的特征将从连同附图进行的本公开的各种方面的以下详细描述更容易理解，该附图绘出了本公开的各种实施例，在该附图中：
图1为示例性燃烧涡轮发动机的示意图。
图2为具有可与图1中的燃烧涡轮发动机一起使用的三级喷嘴的示例性燃气涡轮组件的截面图。
图3示出了根据本公开的实施例的包括径向定向的冷却导管的涡轮机叶片的透视图。
图4示出了根据本公开的实施例的涡轮机叶片的填角区域以及径向定向的冷却导管的放大的透明透视图。
图5示出了根据本公开的实施例的涡轮机叶片的填角区域的详细的透明透视图。
注意的是，本公开的附图不按比例。附图旨在仅描绘本公开的典型方面，并且因此不应当看作是限制本公开的范围。在附图中，相似的标记在附图之间表示相似的元件。
部件列表
100燃气涡轮系统
102压缩机
104燃烧器
105燃烧区域
106燃料喷嘴组件
108涡轮组件
110转子
112导叶子组件
114外平台
116内平台
119叶片
120涡轮机叶片
122翼型件
124柄部
126平台
130盖板
132板
134天使翼
136连接树
138冷却流体仓室
140冷却流体
146后缘冷却开口
148后缘
150最内后缘冷却开口
160后缘根部
162填角
170冷却导管
172轮空间
170A冷却导管
170B冷却导管
170C冷却导管
170D冷却导管。
具体实施方式
如以上所指示，本公开提供了在涡轮叶片的后缘根部区段之下的径向定向的冷却导管。
图1为呈燃气涡轮系统100形式的示范性涡轮机的示意图。系统100包括压缩机102和燃烧器104。燃烧器104包括燃烧区域105和燃料喷嘴组件106。系统100还包括涡轮108和共同的压缩机/涡轮轴110(有时被称为转子110)。在一个实施例中，系统100为具有S1B技术包的7F型发动机，其由General Electric公司(Sechenectady,NY)市售。本公开的实施例不限于任何一种特定的燃气涡轮发动机，并且可关于包括例如General Electric公司的7FA和9FA发动机模型的其它发动机来植入。此外，本公开的教导不限于燃气涡轮，并且可应用于任何种类的涡轮机，如蒸汽涡轮、喷气发动机、压缩机等。如本文中使用的，用语“轴向”、“径向”和“周向”与转子110一起用作参考结构。
在操作中，空气流动穿过压缩机102，并且压缩空气供应至燃烧器104。具体而言，压缩空气供应至燃料喷嘴组件106，其集成于燃烧器104。组件106与燃烧区域105流动连通。燃料喷嘴组件106还与燃料源(图1中未示出)流动连通，并且将燃料和空气引导至燃烧区域105。燃烧器104点燃并且燃烧燃料。燃烧器104与涡轮108流动连通，对于涡轮108而言，气流热能转换成机械旋转能。涡轮108可旋转地联接于转子110并且驱动转子110。压缩机102还可旋转地联接于轴110。在示范性实施例中，存在多个燃烧器104和燃料喷嘴组件106。
图2为具有可与图1中的燃气涡轮系统100一起使用的三级喷嘴的示范性涡轮组件108的截面图。涡轮组件108包括导叶子组件112。导叶子组件112由径向外平台114和径向内平台116保持在涡轮组件108中。涡轮组件108还包括旋转叶片119，其可包括由柄部124保持于转子110的翼型件122。由于本公开的教导可应用于导叶/喷嘴或旋转叶片，故导叶子组件112和旋转叶片119将被统称为“涡轮机叶片”。
图3为根据本公开的实施例的示范性涡轮机叶片120(此处示为旋转叶片)的截面图。涡轮机叶片120可包括翼型件122和柄部124。平台126将翼型件122联接于柄部124。柄部124可包括一对相对的盖板130,132。如由热气体路径(HGP)所指示，盖板130为面朝HGP的上游侧盖板，而盖板132为背向HGP的下游侧盖板。一个或更多个天使翼134可从各个盖板130,132延伸。至转子110(图1-2)或涡轮机的壳体的连接的各种形式可取决于如何采用涡轮机叶片120来应用。在其中叶片为旋转叶片的图3中，连接树136可提供成将涡轮机叶片120联接于转子轮(未示出)。如所示，翼型件122包括在其中延伸的冷却流体仓室138，其将冷却流体140(箭头)运送至叶片120的部分。冷却流体140可以以任何现在已知或以后开发的方式提供，例如，从压缩机102流、排出蒸汽流等拉出，取决于期望的冷却的量和采用的涡轮机的类型。在示出的实例中，冷却流体仓室138环绕翼型件122的内部的大部分。然而，理解的是，冷却流体仓室138可在翼型件内采取各种形式，如但不限于：蛇线路径、多个室等。还理解的是，翼型件122还可以可选地包括用以分配冷却流体140的多种不同的结构(为了清楚未示出)，如冲击套筒等。翼型件120还包括多个后缘冷却开口146，其从冷却流体仓室138延伸穿过翼型件122的后缘148。在一个实施例中，如所示，多个后缘冷却开口146沿着翼型件122的后缘148径向地间隔。相等的径向间隔在所有情况中不是必要的。冷却流体140沿径向向外流动，并且接着沿轴向流动穿过后缘冷却开口146以冷却翼型件122。径向最内后缘冷却开口150在图4-5中示出，并且如此提及，因为其关于转子110(图1和2)的轴线为最内的。
如图4的放大的透明透视图和图5的放大的详细透明透视图中最佳所示，平台126包括关于柄部124向下游延伸的、也称为叶片斜面的后缘根部160。在示出的实例中，翼型件122在后盖板132下游的点处会合后缘根部160，即后盖板132不与翼型件122的后缘148沿径向对准。此处，将后缘根部160联接于翼型件122的填角162暴露于关于叶片的高应力，其中翼型件和后盖板132沿径向对准。“填角”162可包括任何种类的附加材料(其添加在翼型件122和平台126之间以将两个部分联接在一起)，例如焊接填角。径向最内后缘冷却开口150示出具有与其它后缘冷却开口146相比的略微更大的径向范围，因为在历史上，更多的冷却流体140对冷却填角162而言为合乎需要的。然而，所有开口146,150可具有相同尺寸。
为了与常规布置相比除了后缘根部160之外还向填角162提供冷却，至少一个冷却导管170将冷却流体140从冷却流体仓室138和/或后缘冷却开口150沿径向向内(关于转子100的轴线)输送至轮空间172，其邻近柄部124并且在后缘根部160径向内侧。在图4中示出的实施例中，提供了三个冷却导管170A,170B,170C。在图4中，一个冷却导管170A从冷却流体仓室138延伸，而两个冷却导管170B,170C从后缘冷却开口150延伸。(径向最内)后缘冷却开口150可看作在其中冷却流体140可不再经过任何其它地方除了穿过开口150并且离开翼型件122的点处开始。在图5中示出的另一实施例中，两个冷却导管170A,170D从冷却流体仓室138延伸，而两个冷却导管170B,170C从后缘冷却开口150延伸。尽管示出了冷却导管170布置的两个实例，但强调的是，可采用来自冷却流体仓室138和/或后缘冷却开口150的任何数量或布置的冷却导管。在任何情况下，至少一个冷却导管(例如，170B,170C)延伸穿过后缘根部160以向各个提供改进的冷却。各个冷却导管170可以以任何现在已知或以后开发的方式形成穿过平台126等，例如，旋转钻头钻孔、快速孔电火花加工(EDM)钻孔等。冷却流体仓室138和/或后缘冷却开口150均具有对于相应的冷却导管170“登陆”在其上，即通到相应的区域中而不显著地切割到其径向范围中而言足够的周向尺寸(大体上进出页面)。由于仓室138和开口150的周向尺寸可横跨不同涡轮机变化，故冷却导管170的直径也可变化。尽管特定叶片内的冷却导管170可为相同大小，但不需要这样。
如本文中使用的，冷却导管170描述为“径向定向的”，因为它们大体上在平台126等内沿径向方向延伸。例如，各个冷却导管170可以以关于径向(关于转子110轴线(图1-2))在近似0°到近似45°之间的角延伸；“近似”指示+/-0.5°。在一个实施例中，角可为近似30°。虽然冷却导管170示为相当直的，但它们可在某种程度上弯曲。此外，冷却导管170中的一个或更多个可平行于彼此(例如，导管170B,170C)，或者它们中的一个或更多个或全部可为非平行的(例如，170A,170B)。
本公开的实施例提供了沿径向向内的方向(见图5中的箭头)至轮空间172的冷却流体140流，并且这样做时与常规冷却布置相比提供了填角162和/或后缘根部160的改进冷却。因此，冷却导管170允许非常接近后缘148的高应力区域的冷却，这减少问题应力和低循环疲劳，并且节省冷却流，这提高总体涡轮机性能。此外，冷却导管170允许附加的冷却而不改变现有的叶片铸件。
本文中使用的用语出于仅描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本公开。如本文中使用的，单数形式"一"、"一个"和"该"旨在也包括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。还将理解的是，用语"包括(comprises)"和/或"包含(comprising)"在用于本说明书中时表示叙述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但并未排除存在或添加一个或更多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组。
以下权利要求中的所有器件或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合如明确要求权利的其它要求权利的元件执行功能的任何结构、材料或动作。本公开的描述出于图示和描述的目的提出，但不旨在为详尽的或者将本公开限于公开的形式。许多改型和变型将对本领域技术人员而言为显而易见的而并未脱离本公开的范围和精神。对于如适于构想的特定使用的具有各种改型的各种实施例，实施例选择和描述成以便最佳地阐释本公开的原理和实际应用，并且使得本领域技术人员能够理解本公开。

Claims (10)

1.一种涡轮机叶片(120)，其包括：
翼型件(122)，其包括在其中延伸的冷却流体仓室(138)以及从所述冷却流体仓室(138)延伸穿过所述翼型件(122)的后缘(148)的后缘冷却开口(150)；
用于将所述翼型件(122)联接于柄部(124)的平台(126)，所述平台(126)包括关于所述柄部(124)向下游延伸的后缘根部(160)；以及
至少一个冷却导管(170,170A)，其将冷却流体(140)从所述冷却流体仓室(138)和所述后缘冷却开口(146)中的至少一个沿径向向内输送至轮空间(172)，所述轮空间(172)邻近所述柄部(124)并且在所述后缘根部(160)径向内侧。
2.根据权利要求1所述的涡轮机叶片(120)，其特征在于，所述至少一个冷却导管(170,170A)包括至少两个冷却导管(170A,170B,170C)，其中所述至少两个冷却导管(170A,170B,170C)中的至少一个从所述冷却流体仓室(138)延伸，而所述至少两个冷却导管(170A,170B,170C)中的至少一个从所述后缘冷却开口(146)延伸。
3.根据权利要求2所述的涡轮机叶片(120)，其特征在于，一个冷却导管(170,170A)从所述冷却流体仓室(138)延伸，而两个冷却导管(170A,170B,170C)从所述后缘冷却开口(146)延伸。
4.根据权利要求1所述的涡轮机叶片(120)，其特征在于，各个冷却导管(170,170A)以关于径向在近似0°到近似45°之间的角延伸。
5.根据权利要求1所述的涡轮机叶片(120)，其特征在于，所述翼型件(122)由填角(162)联接于所述后缘根部(160)，并且其中所述至少一个冷却导管(170,170A)延伸穿过所述后缘根部(160)。
6.根据权利要求1所述的涡轮机叶片(120)，其特征在于，所述后缘冷却开口(146)为沿着所述翼型件(122)的所述后缘(148)径向地间隔的多个后缘冷却开口(146)中的径向最内冷却开口(150)。
7.一种涡轮机，其包括：
转子(110)，其包括多个涡轮机叶片(120)，各个涡轮机叶片(120)包括：
翼型件(122)，其包括在其中延伸的冷却流体仓室(138)以及从所述冷却流体仓室(138)延伸穿过所述翼型件(122)的后缘(148)的后缘冷却开口(146)；
用于将所述翼型件(122)联接于柄部(124)的平台(126)，所述平台(126)包括关于所述柄部(124)向下游延伸的后缘根部(160)；以及
至少一个冷却导管(170,170A)，其将冷却流体(140)从所述冷却流体仓室(138)和所述后缘冷却开口(146)中的至少一个沿径向向内输送至轮空间(172)，所述轮空间(172)邻近所述柄部(124)并且在所述后缘根部(160)径向内侧。
8.根据权利要求7所述的涡轮机，其特征在于，所述至少一个冷却导管(170,170A)包括至少两个冷却导管(170A,170B,170C)，其中所述至少两个冷却导管(170A,170B,170C)中的至少一个从所述冷却流体仓室(138)延伸，而所述至少两个冷却导管(170A,170B,170C)中的至少一个从所述后缘冷却开口(146)延伸。
9.根据权利要求8所述的涡轮机，其特征在于，一个冷却导管(170,170A)从所述冷却流体仓室(138)延伸，而两个冷却导管(170A,170B,170C)从所述后缘冷却开口(146)延伸。
10.根据权利要求8所述的涡轮机，其特征在于，各个冷却导管(170,170A)以关于径向在近似0°到近似45°之间的角延伸。
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