CN107420133A - 用于燃气涡轮机系统转子叶片的冷却通道 - Google Patents

用于燃气涡轮机系统转子叶片的冷却通道 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于燃气涡轮机系统转子叶片的冷却通道。所述转子叶片包括平台，所述平台具有径向内表面和径向外表面。柄部从所述平台的所述径向内表面径向向内延伸。所述柄部和所述平台共同限定柄穴(shank pocket)。翼型从所述平台的所述径向外表面径向向外延伸。所述柄部、平台和翼型共同限定冷却通道，所述冷却通道从由所述柄部或所述平台限定的并且经由所述平台直接连接到所述柄穴的冷却通道入口延伸到由所述翼型限定的冷却通道出口。

Description

用于燃气涡轮机系统转子叶片的冷却通道
技术领域
本发明大体上涉及一种燃气涡轮机系统。更确切地说，本发明涉及一种用于燃气涡轮机系统的转子叶片。
背景技术
燃气涡轮机系统大体上包括压缩机部分、燃烧部分、涡轮机部分和排气部分。所述压缩机部分渐进地增大进入燃气涡轮机系统中的工作流体的压力，并且将此压缩工作流体供应到燃烧部分。所述压缩工作流体和燃料(例如，天然气)在燃烧部分内混合并且在燃烧室内燃烧，以产生高压高温的燃烧气体。燃烧气体从燃烧部分流入涡轮机部分中，在所述涡轮机部分中，燃烧气体膨胀做功。例如，燃烧气体在涡轮机部分中膨胀可以旋转连接到例如发电机的转子轴，从而发电。燃烧气体随后经由排气部分从燃气涡轮机排出。
涡轮机部分包括多个转子叶片，所述多个转子叶片从流过其中的燃烧气体中提取动能和/或热能。这些转子叶片大体上在极高温度下操作。为获得足够的使用寿命，转子叶片通常包括内部冷却回路。在燃气涡轮机的操作期间，诸如压缩空气的冷却介质输送到所述内部冷却通道，以冷却转子叶片。
在一些配置中，所述冷却介质流过多个后缘通道，所述多个后缘通道延伸穿过转子叶片的后缘。流过所述多个后缘通道的冷却介质吸收来自所述后缘的靠近翼型部分的热量，从而冷却所述后缘。尽管如此，传统后缘通道布置可能无法冷却翼型后缘的定位在多个后缘冷却孔的径向内部的部分。
发明内容
本发明的各方面和优点将在以下说明中部分地阐明，或者可以从本说明书中显而易见地了解，或者可以通过实践本发明习得。
在一个方面中，本发明涉及一种用于燃气涡轮机系统的转子叶片。所述转子叶片包括平台，所述平台具有径向内表面和径向外表面。柄部从所述平台的所述径向内表面径向向内延伸。所述柄部和所述平台共同限定柄穴(shank pocket)。翼型从所述平台的所述径向外表面径向向外延伸。所述柄部、平台和翼型共同限定冷却通道，所述冷却通道从由所述柄部或所述平台限定的并且经由所述平台直接连接到所述柄穴的冷却通道入口延伸到由所述翼型限定的冷却通道出口。
其中，所述冷却通道出口定位在所述平台的所述径向外表面的径向外部。其中，所述冷却通道入口定位在所述平台的所述径向内表面的径向内部。
其中，所述翼型限定一个或多个后缘孔，并且其中所述冷却通道出口完整地定位在所述一个或多个后缘孔中的所有后缘孔的径向内部。所述一个或多个后缘孔中的一个后缘孔轴向和周向地定位在所述冷却通道入口与所述冷却通道出口之间。
其中，所述翼型的吸入侧壁限定所述冷却通道出口。所述柄穴由所述柄部的压力侧限定。所述冷却通道出口至少部分由所述翼型的根部限定。所述冷却通道包括涂层收集器。所述柄部、所述平台和所述翼型共同限定多个冷却通道。
本发明的进一步方面涉及一种燃气涡轮机系统，所述燃气涡轮机系统具有压缩机部分、燃烧部分以及涡轮机部分。所述涡轮机部分包括一个或多个转子叶片。每个转子叶片包括平台，所述平台具有径向内表面和径向外表面。柄部从所述平台的所述径向内表面径向向内延伸。所述柄部和所述平台共同限定柄穴(shank pocket)。翼型从所述平台的所述径向外表面径向向外延伸。所述柄部、平台和翼型共同限定冷却通道，所述冷却通道从由所述柄部限定的并且经由所述平台直接连接到所述柄穴的冷却通道入口延伸到由所述翼型限定的冷却通道出口。
其中，所述冷却通道出口定位在所述平台的所述径向外表面的径向外部。所述冷却通道入口定位在所述平台的所述径向内表面的径向内部。
其中，所述翼型限定一个或多个后缘孔，并且其中所述冷却通道出口定位在所有所述后缘孔的径向内部。所述一个或多个后缘孔中的一个后缘孔轴向和周向地定位在所述冷却通道入口与所述冷却通道出口之间。
其中，所述柄穴由所述柄部的压力侧限定。所述翼型的吸入侧壁限定所述冷却通道出口。所述冷却通道出口至少部分由所述翼型的根部限定。所述冷却通道包括涂层收集器。所述柄部、所述平台和所述翼型共同限定多个冷却通道。
参考以下说明和附图可以更好地理解本发明的这些和其他特征、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，其中示出了本发明的各个实施例，并与具体实施方式一起解释本发明的原理。
附图说明
本说明书参考附图，针对所属领域的普通技术人员，完整且可实现地公开了本发明，包括其最佳模式，在附图中：
图1是根据本说明书中所公开的实施例的示例性燃气涡轮机的示意图；
图2是根据本说明书中所公开的实施例的可包括在图1中所示的燃气涡轮机中的示例性转子叶片的透视图；
图3是图2中所示的示例性转子叶片的俯视图，其中进一步示出了其多个特征；
图4是图2和图3中所示的转子叶片的一部分的放大侧视图，其中示出了多个冷却通道；
图5是图2和图3中所示的转子叶片的一部分的放大透视图，其中进一步示出了一个或多个冷却通道；以及
图6是图2和图3中所示的转子叶片的一部分的替代透视图，其中示出了与图4中所示的多个冷却通道对应的多个出口。
本说明书和附图中重复使用的参考符号用于指代本发明的相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的各项实施例，附图中示出了本发明实施例的一个或多个示例。具体实施方式中使用数字和字母符号来指代附图中的特征。附图和说明中类似或相同的符号用于指代本发明的类似或相同的部分。本说明书中所用的术语“第一”、“第二”以及“第三”可以互换地用于区分不同部件，并且这些术语并不旨在表示单个部件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”是指相对于流体通路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体流动的来源方向，并且“下游”是指流体流动的目标方向。
每个示例以解释本发明而非限定本发明的方式提供。事实上，所属领域的技术人员将显而易见地了解到，在不脱离本发明的范围或精神的前提下，可以对本发明做出各种修改和改变。例如，可以将说明或描述为一个实施例中的一部分的特征用到另一个实施例中，从而得到又一个实施例。因此，如果所述修改和改变在附属权利要求书及其等效物的范围内，那么本发明也应涵盖此类修改和改变。尽管本说明书中示出并描述工业燃气涡轮机或陆用燃气涡轮机，但本说明书中示出并描述的本发明不限于陆用燃气涡轮机和/或工业燃气涡轮机，除非在权利要求书中另有指明。例如，本说明书中描述的本发明可用在任何类型的涡轮机中，包括但不限于航空燃气涡轮机(例如，涡轮机风扇发动机)、蒸汽涡轮机或船用燃气涡轮机。
现在参见附图，在附图中，相同数字表示附图中的相同元件，图1中示意性地示出了燃气涡轮机系统10。应了解，本发明的涡轮机系统10无需是燃气涡轮机系统10，而可以是任何合适的涡轮机系统，例如蒸汽涡轮机系统或其他合适的系统。燃气涡轮机系统10可以包括入口部分12、压缩机部分14、燃烧部分16、涡轮机部分18和排气部分20。压缩机部分14和涡轮机部分18可以用轴22连接。轴22可以是单个轴或连接在一起形成轴22的多个轴段。
涡轮机部分18可以大体上包括转子轴24，所述转子轴具有多个转子盘26(示出其中一个)以及多个转子叶片28，所述多个转子叶片从转子盘26径向向外延伸并且互连到所述转子盘。每个转子盘26转而可以连接到延伸穿过涡轮机部分18的转子轴24的一部分。涡轮机部分18进一步包括外壳30，外壳30周向地围绕转子轴24和涡轮机叶片28，从而至少部分地限定穿过涡轮机部分18的热气通路32。
在操作期间，诸如空气的工作流体流过入口部分12并流进压缩机部分14中，在所述压缩机部分中，空气被渐进压缩，以向燃烧部分16中的燃烧器(未图示)提供增压空气。增压空气在每个燃烧器内与燃料混合并燃烧，以产生燃烧气体34。燃烧气体34通过热气通路32从燃烧部分16流到涡轮机部分18中，在所述涡轮机部分中，能量(动能和/或热能)从燃烧气体34传递到转子叶片28，从而驱使转子轴24旋转。随后，机械旋转能可用于向压缩机部分14提供动力和/或发电。离开涡轮机部分18的燃烧气体34随后可经由排气部分20从燃气涡轮机系统10排出。
图2和3示出示例性转子叶片100，所述示例性转子叶片可包括本说明书中所公开的一个或多个实施例并且可以包括在燃气涡轮机系统10的涡轮机部分18中，以替代图1中所示的转子叶片28。如图2和3中所示，转子叶片100限定轴向A、径向R和周向C。径向R沿大体上与轴向A正交的方向延伸，并且周向C围绕轴向A大体做同心延伸。
如图2和3中所示，转子叶片100包括平台102，所述平台大体上用作流过涡轮机部分18(图1)热气通路32的燃烧气体34的径向向内流动边界。更确切地说，平台102包括与径向外表面106径向间隔开的径向内表面104。平台102还包括与后缘表面110轴向间隔开的前缘表面108。前缘表面108定位在燃烧气体流34中，并且后缘表面110定位在前缘表面108的下游。此外，平台102包括与吸入侧斜面114周向间隔开的压力侧斜面112。
如图2中所示，转子叶片100包括柄部116，所述柄部从平台102的径向内表面104径向向内延伸。一个或多个天使翼(angel wing)118可以从柄部116轴向向外延伸。柄部116和平台102共同限定柄穴(shank pocket)120。在图2中所示的实施例中，柄穴120从其压力侧122周向向内延伸到柄部116中。但在替代实施例中，柄穴120可以从其吸入侧(未图示)周向向内延伸到柄部116中。
转子叶片100还包括根部124，所述根部从柄部116径向向内延伸。根部124可以将转子叶片100互连或者固定到转子盘26(图1)。在图2中所示的实施例中，根部124具有枞树形构造。尽管如此，根部124也可以具有任何适当的构造(例如，鸠尾榫构造等)。
转子叶片100进一步包括翼型126，所述翼型从平台102径向向外延伸到翼型尖端128。因此，翼型尖端128可以大体上限定转子叶片100的径向最外部。翼型126连接到平台102的翼型根部130处(即，翼型126与平台102的相交处)。在一些实施例中，翼型根部130可以包括在翼型126与平台102之间过渡的半径或整流带(fillet)132。在这方面，翼型126限定翼展(airfoil span)134，所述翼展延伸在翼型根部130与翼型尖端128之间。翼型126还包括压力侧壁136和相对的吸入侧壁138。压力侧壁136和吸入侧壁138在翼型126的前缘140处连接在一起或互连，所述前缘定向到燃烧气体流34中。压力侧壁136和吸入侧壁138在翼型126的后缘142处也连接在一起或互连，所述后缘间隔地设置在前缘140的下游。压力侧壁136和吸入侧壁138围绕前缘140和后缘142接续/连续设置。压力侧壁136大体呈凹形，并且吸入侧壁138大体呈凸形。
如图4-6中所示，翼型126可以限定与内部冷却回路146流体连通的一个或多个后缘孔144。更确切地说，内部冷却回路146通过例如蛇形通路输送冷却空气穿过翼型126来对翼型126进行冷却。在一些实施例中，内部冷却回路146可以通过转子叶片100的根部124所限定的进气口(未图示)接收冷却空气。内部冷却回路146可以通过由翼型126限定的并且沿翼型后缘142定位的一个或多个后缘孔144排出冷却空气。在图4-6中所示的实施例中，一个或多个后缘孔144的径向最内部定位在翼型根部130的径向外部。尽管如此，在其他实施例中，一个或多个后缘孔144的径向最内部孔144也可以部分或完整地由翼型根部130限定。
转子叶片100进一步限定一个或多个冷却通道148，所述一个或多个冷却通道冷却翼型根部130和平台102的定位在所述一个或多个冷却通道附近的部分。在图4中所示的实施例中，转子叶片100限定三个冷却通道148。尽管如此，转子叶片100可在必要或者期望的情况下限定更多个或更少个冷却通道148。实际上，转子叶片100可限定任意数量的冷却通道148，只要转子叶片100限定至少一个冷却通道148即可。
一个或多个冷却通道148中的每个冷却通道从对应的冷却通道入口150延伸到对应的冷却通道出口152。如图4中所示，冷却通道150中的每个冷却通道直接连接到柄穴120并且与其流体连通。冷却通道出口152中的每个冷却通道出口与热气通路32流体连通。在这方面，来自柄穴120的冷却空气可以流过一个或多个冷却通道148并且进入到热气通路32中，从而冷却翼型根部130和平台102的部分。
平台102、翼型126和/或柄部116共同限定一个或多个冷却通道148。在图4-6中所示的实施例中，柄部116限定冷却通道入口150，并且翼型126的吸入侧壁138限定冷却通道出口152。因此，冷却通道148从定位在柄部116的压力侧122上的柄穴120延伸穿过柄部116和平台102，并且从翼型126的吸入侧壁138伸出。在替代实施例中，平台102中限定柄穴120径向外边界的部分可以限定冷却通道入口150。在这些实施例中，柄部116可以不限定一个或多个冷却通道148的任何部分。在其他的实施例中，平台102可以限定冷却通道出口152。在这些实施例中，翼型126可以不限定一个或多个冷却通道148的任何部分。此外，如上所述，柄部120可以由柄部116的吸入侧(未图示)限定。在此类实施例中，翼型126的压力侧壁136可以限定冷却通道出口152。在这方面，一个或多个冷却通道148从由柄部116的吸入侧限定的柄穴120延伸穿过柄部116和平台102，并且从翼型126的压力侧壁136伸出。
在图4-6中所示的实施例中，一个或多个冷却通道148完整地定位在所有一个或多个后缘孔144的径向内部。也就是说，冷却通道入口150和冷却通道出口152定位在径向最内部后缘孔144的径向内部。更确切地说，冷却通道入口150定位在平台102的径向外表面106的径向内部，并且冷却通道出口152定位在平台102的径向外表面106的径向外部。实际上，在图4中所示的实施例中，冷却通道入口150也定位在平台102的径向内表面104的径向内部。尽管如此，在其他实施例中，一个或多个冷却通道148可以仅部分定位在径向最内部后缘孔144的径向内部。也就是说，在此类实施例中，冷却通道出口152可以与径向最内部后缘孔144径向对准，并且定位在所述径向最内部后缘孔的径向外部。
在一些实施例中，冷却通道出口152部分由翼型根部130限定。例如，在图5和图6中所示的实施例中，冷却通道出口152部分由翼型根部130限定，并且部分由翼型126的吸入侧壁138限定。也就是说，冷却通道出口152的一部分延伸穿过翼型根部130，并且冷却通道出口152的另一部分延伸穿过吸入侧壁138。在替代实施例中，冷却通道出口152可以部分由翼型根部130限定，并且部分由平台102限定。在进一步实施例中，冷却通道出口152可以完整地由吸入侧壁138、压力侧壁136、翼型根部130或平台102限定。
如图4和图5中所示，一个或多个后缘孔144轴向并且周向地定位在一个或多个冷却通道148中的每个冷却通道的冷却通道入口150与冷却通道出口152之间。由于每个冷却通道148从对应的冷却通道入口150延伸到对应的冷却通道出口152，一个或多个冷却通道148中的每个冷却通道的一部分与一个或多个后缘孔144中的所有后缘孔轴向和周向地对准、并且与这些后缘孔径向间隔开。在这方面，一个或多个冷却通道148引导冷却空气流过平台102和翼型126的位于一个或多个后缘孔144的径向内部的部分。在替代实施例中，一个或多个冷却通道148可以不在一个或多个后缘孔144下方交叉。
在图4中所示的实施例中，一个或多个冷却通道148中的每个冷却通道的冷却通道入口150径向对准。类似地，一个或多个冷却通道148中的每个冷却通道的冷却通道出口152还如图6中所示径向对准。尽管如此，在替代实施例中，一个或多个冷却通道入口150可以从其他冷却通道入口150径向隔开。此外，一个或多个冷却通道出口152也可以从其他冷却通道出口152径向间隔开。
在图4-6中所示的实施例中，一个或多个冷却通道148具有圆形截面形状。尽管如此，一个或多个冷却通道148可以具有任何适当的形状(例如，椭圆形、卵形、矩形等)。此外，在图4-6中所示的实施例中，所有冷却通道148具有相同的截面形状(即，圆形)。但在其他实施例中，一些冷却通道148可以具有与其他冷却通道148不同的截面形状。
在一些实施例中，一个或多个冷却通道148可以具有扩散剖面。更确切地说，在冷却通道148具有扩散剖面的实施例中，冷却通道148的截面积从冷却通道入口150处向冷却通道出口152处增大。但在一些实施例中，冷却通道148的截面积可以从冷却通道入口150向冷却通道出口152减小。此外，一个或多个冷却通道还可以具有恒定的截面积，如图4和图5中所示。
一个或多个冷却通道148中的每个冷却通道视情况可包括涂层收集器154，用于避免涂覆到转子叶片100的涂层(例如，热障涂层)阻塞冷却通道148。如图4和图5中所示，涂层收集器154中的每个涂层收集器是围绕冷却通道出口152周向定位的放大腔(即，类似于锥口孔)。在这方面，涂层收集器154收集进入对应冷却通道出口152中的任何过量涂层，从而避免涂层堵塞冷却通道148。
如上所述，一个或多个冷却通道148引导冷却空气从柄穴120流向热气通路32，从而冷却平台102和翼型126的部分。如上所述，平台102和翼型126可以暴露于燃烧气体34，所述燃烧气体将提高平台102和翼型126的温度。但是，柄部120可以包括冷却空气，例如，从压缩机部分14渗出的冷却空气。此冷却空气进入一个或多个冷却通道入口150中的每个冷却通道入口，并且流过对应的冷却通道148。流过冷却通道148的同时，冷却空气从平台102和翼型126吸收热量，从而冷却所述平台和翼型。用过的冷却空气随后经由对应的冷却通道出口152离开一个或多个冷却通道148，并且流入热气通路32中。
如上文详述，一个或多个冷却通道148中的每个冷却通道从对应的冷却通道入口150延伸到对应的冷却通道出口152。冷却通道入口150连接到柄穴120，并且冷却通道出口152由翼型126限定。在这方面，一个或多个冷却通道148引导冷却空气从柄穴120流过平台102和翼型126，并且进入到热气通路32中。以此，一个或多个冷却通道148冷却平台102和翼型126的靠近后缘142的部分，这些部分定位在径向最内部后缘孔144的径向内部。
本说明书使用了多个示例来公开本发明，包括最佳模式，同时还使得所属领域中的任何普通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并且执行所包含的任何方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求书界定，并且可包括所属领域中的技术人员得出的其他示例。如果任何其他示例的结构要素与权利要求书的字面意义无差别，或如果此类示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，则此类示例也在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮机系统的转子叶片，所述转子叶片包括：
平台，所述平台包括径向内表面和径向外表面；
柄部，所述柄部从所述平台的所述径向内表面径向向内延伸，所述柄部和所述平台共同限定柄穴；以及
翼型，所述翼型从所述平台的所述径向外表面径向向外延伸；
其中所述柄部、所述平台和所述翼型共同限定冷却通道，所述冷却通道从由所述柄部或所述平台限定的并且经由所述平台直接连接到所述柄穴的冷却通道入口延伸到由所述翼型限定的冷却通道出口。
2.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述冷却通道出口定位在所述平台的所述径向外表面的径向外部。
3.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述冷却通道入口定位在所述平台的所述径向内表面的径向内部。
4.根据权利要求1所述的转子叶片，其中所述翼型限定一个或多个后缘孔，并且其中所述冷却通道出口完整地定位在所述一个或多个后缘孔中的所有后缘孔的径向内部。
5.根据权利要求4所述的转子叶片，其中所述一个或多个后缘孔中的一个后缘孔轴向和周向地定位在所述冷却通道入口与所述冷却通道出口之间。
6.一种燃气涡轮机系统，包括：
压缩机部分；
燃烧部分；
涡轮机部分，所述涡轮机部分包括一个或多个转子叶片，每个转子叶片包括：
平台，所述平台包括径向内表面和径向外表面；
柄部，所述柄部从所述平台的所述径向内表面径向向内延伸，所述柄部和所述平台共同限定柄穴；以及
翼型，所述翼型从所述平台的所述径向外表面径向向外延伸；
其中所述柄部、所述平台和所述翼型共同限定冷却通道，所述冷却通道从由所述柄部限定的并且经由所述平台直接连接到所述柄穴的冷却通道入口延伸到由所述翼型限定的冷却通道出口。
7.根据权利要求6所述的燃气涡轮机系统，其中所述冷却通道出口定位在所述平台的所述径向外表面的径向外部。
8.根据权利要求6所述的燃气涡轮机系统，其中所述冷却通道入口定位在所述平台的所述径向内表面的径向内部。
9.根据权利要求6所述的燃气涡轮机系统，其中所述翼型限定一个或多个后缘孔，并且其中所述冷却通道出口定位在所有所述后缘孔的径向内部。
10.根据权利要求9所述的燃气涡轮机系统，其中所述一个或多个后缘孔中的一个后缘孔轴向和周向地定位在所述冷却通道入口与所述冷却通道出口之间。
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