CN108691569B - 一种用于冷却涡轮机转子的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于冷却涡轮机转子的装置。在对涡轮的盘部进行冷却的装置中，盘部沿轴线延伸，盘部的圆周上包括至少一个槽，槽由多个盘部齿围绕，盘部齿中的每一个具有上游面，槽包括底部，底部通过至少一个半月部与上游腔流体连通，半月部包括多个侧表面部分，其特征在于，侧表面部分相对于一径向平面倾斜一角度，该径向平面构成槽的对称平面，半月部通入槽中。

Description

一种用于冷却涡轮机转子的装置

技术领域

本发明总体涉及涡轮机，尤其涉及涡轮的各级的通风。本申请的领域为飞行器的涡轮喷气发动机和涡轮螺旋桨发动机以及工业气体的涡轮。

背景技术

涡轮机通常包括发动机舱。发动机舱的打开允许所确定的空气流量正确流向发动机。常规地，气体从涡轮机的上游穿过涡轮机流向涡轮机的下游。

通常来说，涡轮机包括一个或多个对允许进入发动机的空气进行压缩的区段(通常包括低压区段和高压区段)。由此压缩的空气被允许进入到燃烧室中并在燃料在燃烧室中被燃烧之前与燃料混合。

该燃烧所释放的热燃烧气体在涡轮的各级中膨胀。第一膨胀发生在燃烧室之后的高压级，并且该高压级接收处于最高温度的气体。气体在被引导穿过低压的涡轮级的同时再一次膨胀。

图1中示出了涡轮T的一个示例。具有轴线X的低压或高压涡轮T通常包括一级或多级。每一级包括一系列的固定叶片1(也被称为叶栅)以及之后的一系列活动叶片2。这些活动叶片形成转子3。叶栅1使在燃烧室中获取的气流以合适的角度和速度偏向涡轮的活动叶片2，从而驱动涡轮T的这些活动叶片2和转子3旋转。

转子通常包括多个盘部4的组合。图1中示出了该转子的一个示例。

如图2中的实施方式所示，这些盘部通常包括诸如组装模槽或槽5之类的外围槽以使得活动叶片2被放置并保持在正确位置处，尤其是在盘部的围绕用于插入叶片2的每个模槽5(或槽)的“齿”6的特定剖面的作用下。

盘部的齿6的剖面包括第一支撑面7和第二支撑面8。第一支撑面和第二支撑面与在活动叶片2上形成的互补表面配合以形成一组合。第一支撑面7和第二支撑面8确保在叶片的基部相对于盘部径向和切向止动。其它的几何形状同样可以确保该功能，例如叶片的基部具有楔形榫截面。

活动叶片2在盘部4上的轴向止动可由叶片2和盘部的齿6之间的摩擦来保证，或者由图3中所示的上游凸缘11和下游凸缘12来保证。

包括有专门用于涡轮的盘部4的通风道，从而对转子3所处的极端温度环境带来的影响。

通风道对涡轮T上游(通常在压缩机处)的预加压气流F进行引导，从而将该气流导入转子3中，以使得对盘部4、尤其是叶片2进行冷却。

由此，叶片包括一系列的内部沟道。该内部沟道使得冷却流体F能够在这些内部沟道中流动并且更加有效地冷却叶片2。

叶片2并未完全被槽5占满，从而形成大体上沿轴线X延伸的槽5的底部10。槽5的底部10位于内部沟道的上游(在气体流动方向上)，以使得冷却流体F流动直至内部沟道。

该冷却流体F穿过多个包围空间，这些包围空间由转子的盘部4以及为了形成包围空间而预设的上游凸缘11和下游凸缘12限制形成。各个连续的包围空间之间液体连通。

为了确保上游凸缘11和下游凸缘12的作用，上游凸缘和下游凸缘相对于转子的盘部4的所必要的轴向和径向位置通常通过位于盘部的齿6的延伸部分中的爪形连接件13来实现。在所示的示例中，这些爪形连接件13在盘部4的上游表面上形成过度厚度。该过度厚度形成轴向肩部131和短定心部132。轴向肩部和短定心部允许在转子的盘部4上对密封环进行轴向正位和径向正位。

爪形连接件13围绕半月部14。半月部是相对于涡轮机的轴线X大体上径向延伸的凹部，并且通常直接在转子的盘部4的上游面上加工得到。

这些半月部14确保通风道的形成，从而在沿流体流动方向位于上游的腔15和位于槽5中的槽底部10之间形成流体连通。

在图4a中所示的现有技术中(即专利FR 2981979)，半月部14相对于盘部的齿6的上游表面16具有高度差并且是倾斜的。该实施方式的缺陷在于，中间腔17仅形成于槽5的上游。冷却流体F从上游腔15经由半月部14流向中间腔17。

冷却流体F在该中间腔17中的切向速度相比于在槽5中的切向速度更低。这一现象在图4b中示出。切向速度之差导致冷却流体F无法以最佳方式流向槽5并降低了冷却系统的性能。

参见图5a，第二实施方式具有半月部14。该半月部相对于盘部的齿6的上游表面16凹进但不倾斜。

以此方式，流经半月部14的气流F更能够在槽5中流动。该实施方式的效果在图5b中示出。

盘部的齿6可以包括纠错部18。纠错部对组装步骤进行纠错，从而避免将叶片2沿轴向反向安装在盘部上。

参见图6，叶片2被插入盘部的槽中，并且叶片的几何形状与纠错部18配合，从而导致叶片无法以错误方向被插入。

纠错部18还可以用于平衡盘部。

如图7a和7b中所示，气体在槽10的底部的相关总压力使得能够突出这一改变对于冷却流体F在槽5中的分布造成的影响。

图7a示出了在一实施方式中在槽底部10中气体的压力的分布；在该实施方式中，半月部14相对于盘部的齿6的上游表面16具有角度差和朝向上游方向的水平差。图7b示出了在一实施方式中的相同参数；在该实施方式中，半月部14相对于盘部的齿6的上游表面16朝向下游方向凹进。

显示出更低的相关总压力水平的区域25以更低的效率供给叶片的冷却沟道。这降低了冷却系统的性能并因此缩短了叶片2的使用寿命。

很容易看到，半月部14相对于盘部的齿6的上游表面16的凹进使得能够对负荷分布的不均匀性进行限制且获得更加均匀的流动，因此得到更佳的冷却。

尽管这一修改使得冷却系统的性能得到提升，但是同时导致转子的盘部4的使用寿命被缩短。因此，半月部14和槽5之间的棱19具有应力集中区域，如图8中所示。

这些应力峰极大地限制了盘部4的使用寿命。冷却流体的流动还包括多处弯折，通道的总水头损失还代表大体上降低叶片2的冷却系统的性能的一个因素，并且因此限制了叶片2的使用寿命的延长。

发明内容

本发明的目的在于延长转子的盘部的使用寿命。

本发明的另一目的在于延长叶片的使用寿命。

本发明的另一目的在于改善冷却系统的性能。

本发明的另一目的在于减小冷却系统中的水头损失。

本发明的另一目的在于减小半月部周围的应力集中。

本发明的另一目的在于从涡轮上游取得的供给至冷却系统的流量。

根据一个方面，本发明提出了一种对涡轮的盘部进行冷却的装置，盘部沿轴线延伸，盘部的圆周上包括至少一个槽，槽由多个盘部齿围绕，盘部齿中的每一个具有上游面，槽包括底部，底部通过至少一个半月部与上游腔流体连通，半月部包括多个侧表面部分，槽具有与槽的对称平面对应的径向平面，半月部通入槽，其特征在于，侧表面部分相对于径向平面倾斜一角度，并且槽沿一轴线延伸，该轴线相对于涡轮的轴线倾斜一非零的拉削角度，拉削角度大于0°且小于等于20°。

该装置由于具有以下各个特征之一或任意组合而是更加完备的：

-半月部包括底部，该底部相对于盘部齿的上游面向下游方向凹进；

-半月部的底部与槽的底部之间的界限具有断棱；

-断棱包括棱倒圆角，该棱倒圆角包括：

·第一端部和第二端部，第一端部对应于棱倒圆角与盘部齿中的第一齿之间的交会部，第二端部对应于棱倒圆角与盘部齿中的第二齿之间的交会部；

·多个径向平面，每个径向平面包括涡轮的轴线并且将第一端部和第二端部之间的棱倒圆角截断；以及

·多个径向截面，每个径向截面由相关的径向平面和棱倒圆角之间的交会部限定，每个径向截面具有棱倒圆角的曲率半径，棱倒圆角的曲率半径在第一端部和第二端部之间变化、且优选地根据棱倒圆角的曲率半径的切向位置变化；

-棱倒圆角的曲率半径的最长半径与棱倒圆角的曲率半径的最短半径之间的比率介于2到20之间；

-棱倒圆角的曲率半径的最长半径的切向位置位于棱倒圆角的应力峰处；

-半月部包括下弯曲表面部分和上弯曲表面部分，下弯曲表面部分和上弯曲表面部分将半月部的侧表面部分与底部连接，下弯曲表面部分包括多个曲率半径且上弯曲表面部分包括多个曲率半径；

-下弯曲表面部分的曲率半径不同于上弯曲表面部分的曲率半径；

-对于下弯曲表面部分或上弯曲表面部分，曲率半径的最长半径和曲率半径的最短半径之间的比率介于2到13之间；

-下弯曲表面部分的曲率半径和上弯曲表面部分的曲率半径中的每一个的最大负荷的曲率半径与下弯曲表面部分的曲率半径和上弯曲表面部分的曲率半径中的该每一个的最小负荷的曲率半径之间的比率介于1到20之间；

-半月部的底部的法向轴线被限定为与通过半月部的底部的端部的直线垂直，法向轴线相对于涡轮的轴线在第一方向上倾斜一倾斜角度；

-半月部的底部的法向轴线相对于涡轮的轴线在第二方向上倾斜一角度；

-法向轴线相对于涡轮的轴线在第一方向上的倾斜角度与拉削角度之间的比率介于0.2到1.4之间；

-拉削角度介于3°到16°之间，优选地介于6°到12°之间；

-半月部的侧表面部分是弯曲的，并且侧表面部分中的至少一个的曲率半径介于20mm到200mm之间；

-侧表面部分在槽的底部处相对于一平面具有小于20°的倾斜角度，该平面在槽的底部处通过半月部的中点；

-侧表面部分具有径向内端部，并且侧表面部分在径向内端部处相对于一平面具有介于15°到60°之间的倾斜角度，该平面在侧表面部分的径向内端部处通过半月部的中点；

-侧表面部分的曲率半径在槽处具有最大值且在侧表面部分的径向内端部处具有最小值。

根据另一方面，本发明提出了一种转子，该转子包括如上的盘部的冷却装置。

根据另一方面，本发明提出了一种涡轮机，该涡轮机包括如上的盘部的冷却装置。

附图说明

通过参照附图阅读以下仅为解释性而非限制性的说明，本发明的其它特点和优点将更加显著。在附图中：

图1为涡轮机的涡轮部分的剖面剖面图的示意图；

图2为针对转子的盘部的圆周剖面的3D建模；

图3为针对转子的盘部和叶片之间的组装区域的轴向剖面图；

图4a为现有技术中半月部的第一实施方式的剖面图，该剖面图示出了冷却流体的流动轨迹；

图4b为现有技术中半月部的第一实施方式的3D建模，该3D建模示出了冷却流体的流动轨迹；

图5a为现有技术中半月部的第二实施方式的剖面剖面图，该剖面图示出了冷却流体的流动轨迹；

图5b为现有技术中半月部的第二实施方式的3D建模，该3D建模示出了冷却流体的流动轨迹；

图6a为在第一方向将叶片安装到槽中的剖面示意图；

图6b为在第二方向将叶片安装到槽中的剖面示意图；

图7a为现有技术的第一实施方式中槽中的冷却流体的相关总压力的仿真的示意图；

图7b为现有技术的第二实施方式中槽中的冷却流体的相关总压力的仿真的示意图；

图8为在半月部/槽的界面区域处的表面应力的有限元仿真；

图9a为半月部的高度方向的剖面图的部分示意图；

图9b为针对半月部的剖面图的部分示意图；

图9c为针对半月部的剖面图的部分示意图；

图9d为盘部的一部分的、针对槽和半月部的3D视图；

图10a为盘部的一部分的正面示意图，其中突显了右侧半月部的实施方式；

图10b为盘部的一部分的正面示意图，其中突显了倾斜的半月部的实施方式以及该倾斜对流体流动的影响；

图11为盘部的一部分的正面示意图，其中突显了弯曲的半月部的实施方式；

图12示出了具有棱倒圆角的棱，该棱倒圆角的曲率半径以本发明的方式变化；更确切地，图12a示出了位于半月部和槽之间的界限处的棱，该棱具有倒圆角并且被两个径向平面切割；图12b示出了棱的细节图；

图13示出了符合本发明的半月部，该半月部的侧表面部分是弯曲的。

具体实施方式

下文中描述的实施例关于涡轮T的情况。该涡轮T包括一系列叶栅(或定子)，该叶栅沿涡轮机的旋转轴线X与一系列活动叶片4(或定子)交替。然而，并不限制涡轮T能够包括多个不同级，可以是单级或多级。

盘部4具有半月部14。对半月部14的几何形状进行优化以便于流体在通风道中流动，并且因此改善冷却系统的性能，同时降低内部应力在半月部14处的集中。

参见附图9a，半月部14的底部20沿涡轮机的轴线X大体上径向延伸并且可以由法向轴线n限定。

半月部14的底部20能够具有各种几何形状。法向轴线n可以限定为与经过半月部14的底部20的端部的直线垂直。

法向轴线n绕转子的盘部4的第一径向轴线Y相对于涡轮机的轴线X倾斜一角度α。

在特定的实施例中，槽沿拉削轴线A延伸。拉削轴线A可以相对于涡轮机T的轴线X倾斜一拉削角度Φ。

相对于轴向X的该拉削角度Φ可以介于0到20°之间，优选地介于3°到16°之间，尤其在6°到12°之间。这一倾斜可以被定向在任何方向上，以使得拉削轴线的可能定向在轴线圆锥内，该轴线圆锥平行于涡轮机的轴线X且开口为20°。

拉削轴线A的倾斜造成半月部14处的应力不对称。

拉削角度Φ越大，则应力的分布越不对称。

为了减小半月部14中的应力、尤其是减小应力的最大值，半月部14可以具有不对称的几何形状，从而允许保证负荷量最小部分的空气动力学性能和技术可靠性，同时改善了负荷量最大区域的机械性能。

半月部14的法向轴线n相对于涡轮机的轴线X的倾斜角度α还使得能够减小应力分布的不对称造成的影响，尤其是减小了最大负荷区域的应力峰。

应力峰指的是应力的局部最大值。

倾斜角度α和拉削角度Φ之间的比率可以介于0.2到1.4之间。

倾斜角度α越接近于拉削角度Φ，应力的辨距不良(dysmétrie)越低。

半月部14的法向轴线n可以位于与从涡轮机的轴线X发出的半径正交的平面内。倾斜角度α显示在该平面中。

半月部14还由大体上径向延伸的侧表面部分21以及下弯曲表面部分22a和上弯曲表面部分22b界定。下弯曲表面部分22a和上弯曲表面部分22b将半月部14的底部20和半月部14的侧表面21连接。下弯曲表面部分22a和上弯曲表面部分22b各自对应于在对应的槽5中组装的叶片2的叶板的相关下侧和上侧设置的表面部分。

半月部14的下弯曲表面部分22a和上弯曲表面部分22b具有最大的曲率半径R1和R1’，从而使应力集中系数最小化。

下弯曲表面部分22a和上弯曲表面部分22b中的每一个根据关注点的位置可以包括多个不同的曲率半径R1和R1’。

由于应力在半月部14处的不对称集中，半月部14的对称几何形状可以对盘部4中的仿真最大应力峰在半月部14处的减小产生显著影响。

为此，下弯曲表面部分22a和上弯曲表面部分22b中的每一个的曲率半径R1和R1’可以是固定的或变化的。下弯曲表面部分22a的曲率半径R1’与上表面部分22b的曲率半径R1可以是相同或不同的。

根据拉削角度Φ，下弯曲表面部分22a和上弯曲表面部分22b中的一个相对于另一个可以具有更大的应力。

在图9a中所示的示例中，拉削轴线A相对于涡轮机的轴线X的倾斜致使在上弯曲表面部分22b具有更大负荷的半月部14中应力分布。

显然，对于拉削角度Φ的相反值，所得到的应力分布在下弯曲表面部分22a的应力比上弯曲表面部分22b更大。

拉削角度Φ越大，应力峰在切向方向上距离半月部14的中点越远，并且应力的分布越不对称。

半月部14的中点指的是半月部14的等距离地位于上弯曲表面部分22b和下弯曲表面部分22a之间的点。

切向指的是从径向发出并且与该径向以及涡轮机的轴线X正交的切向方向。

当拉削角度Φ为零时，应力分布将是对称的。

根据拉削角度Φ的配置并因此根据应力峰的位置，负荷最大的弯曲部分22a、22b相对于负荷最小的弯曲部分具有更大的曲率半径。

负荷最大的弯曲部分22a、22b的曲率半径R1、R1’与负荷最小的弯曲部分的曲率半径之间的比率可以介于1到20之间。

更特别地，拉削角度Φ越大，负荷最大的弯曲部分22a、22b的最大的曲率半径R1、R1’与负荷最小的弯曲部分的最小的曲率半径之间的比率越大。

在所示的示例中，上弯曲表面部分22b的最大的曲率半径与下弯曲表面部分22a的最小的曲率半径之间的比率介于4到6之间，例如等于5。

这样的配置使得应力分布系数最小化，减少半月部14的应力并减小应力峰的强度。

同一个弯曲部分22a、22b可以具有不同的曲率半径。不同曲率半径的分布取决于应力峰的位置。最接近应力峰的曲率半径是最大的，从而使应力集中系数最小化到最关键的点。

同一弯曲部分22a、22b的曲率半径R1、R1’可以从低负荷区域中的1.5mm变化到高负荷区域中的20mm。

由此，对于同一弯曲部分22a、22b，最短的曲率半径和最长的曲率半径之间的比率可以介于2到13之间。

这尤其允许优化同一个弯曲部分22a、22b的关键区域中的机械特性、制造以及低负荷区域中的空气动力学性能。

在所示示例中，对于外直径为370mm的盘部4，上弯曲表面部分22b的曲率半径R1可以在1.65mm和10mm之间变化。最长的曲率半径R1和最短的曲率半径之间的比率可以介于5到7之间。

盘部4的外直径可以表示在齿6的外部界限处。半月部14的不同尺寸根据盘部4的直径发生变化。

参见附图9b，法向轴线n绕转子的盘部4的第二径向轴线Z相对于涡轮机的轴线X倾斜一角度β。

在一个实施例中，第二径向轴线Z是与第一径向轴线Y垂直的切向轴线。

参见附图9c，针对半月部14处的应力集中的关键因素是半月部14和槽5之间尖锐的棱19的存在。

该棱19可以具有所研究的几何形状，从而减弱该区域中应力集中因素。

该几何形状可以包括斜面、倒圆角、圆角、凸纹、过度厚度、或者任何机械或热处理，从而允许减小半月部的区域中的最大应力峰，或者允许局部增强零件的机械特性。

在棱倒圆角的情况下，倒圆角可以具有根据倒圆角的不同点变化的曲率半径r。该实施例使得能够大幅减少半月部14的区域中的应力集中现象。

倒圆角包括：

-第一端部和第二端部，第一端部对应于倒圆角与第一齿之间的交会部，且第二端部对应于倒圆角与第二齿之间的交会部；

-多个径向平面，每个径向平面包括轴线X并且将第一端部和第二端部之间的倒圆角截断；以及

-多个径向截面，每个径向截面由相关的径向平面和倒圆角之间的交会部限定。

每个径向截面具有弯曲。该区段的弯曲在第一端部和第二端部之间变化。特别地，棱倒圆角的径向截面的曲率半径r随着棱倒圆角的曲率半径r的切向位置变化。例如，图12a示出了由有关的两个径向平面P1和P2和倒圆角之间的交会部限定的两个径向截面S1和S2。如图12b中所见，这些径向截面之间的曲率半径r1、r2是不同的。

最接近应力峰的倒圆角的区域具有该棱倒圆角的最长的曲率半径r。更确切地，根据拉削轴线Φ，应力峰的位置可以更加接近棱倒圆角的第一端部(或第二端部)。在此情况下，棱倒圆角在邻近该第一端部的区域处的曲率半径应当比棱倒圆角在邻近该第二端部的区域处的曲率半径更长(或更短)。

因此，棱倒圆角的最长的曲率半径r的切向位置取决于拉削角度Φ。

倒圆角的一个点具有越大的负荷，倒圆角在该点处的曲率半径r越大。棱倒圆角的曲率半径r的分布取决于应力在棱19上的分布。

棱倒圆角的最长的曲率半径r与棱倒圆角的最短的曲率半径之间的比率可以介于2到20之间，例如等于5。

棱倒圆角的最短的曲率半径r可以介于0.5mm到2.5mm之间。例如，对于外直径为370mm且槽的底部10的曲率半径为4mm的盘部4而言，棱倒圆角的最短的曲率半径r介于0.8mm到1.5mm之间。

倒圆角的最长的曲率半径r可以介于2mm到10mm之间。例如，对于外直径为370mm且槽的底部10的曲率半径为4mm的盘部4而言，棱倒圆角的最短的曲率半径r介于3.5mm到7mm之间。

棱19的几何形状以及倒圆角的几何形状根据盘部4的直径和槽的底部10的曲率半径而变化。

这样的配置使得能够减小负荷最大的区域中的应力集中系数，并因此降低了应力水平且减小了应力峰。

除了减小半月部14中的应力集中之外，该修改还允许降低发动机生产商财团(Rotor Integrity Sub-Committee，RISC)建立的表中的零件的关键程度(criticité)。

该分级(RoMan)零件的几何要素将关键程度与零件相关联并使得能够确定应用于制作该零件的制造过程。

关键程度越低，制造过程越少且因此成本越低。

取消具有倒圆角的棱19的剖面上的尖锐的棱19使得能够降低盘部4的关键程度。盘部4的关键程度的降低使得能够通过更加简单的过程来实现并降低盘部的制造成本。

在图9d所示的实施例中，半月部14的侧表面部分21相对于构成阻挡半月部14的槽5的对称平面的径向平面倾斜(倾斜角度为δ)。

实际上，不考虑半月部14在盘部的齿6的上游表面16上的凹进位置，冷却流体F和槽5之间存在切向速度差。冷却流体F首先沿轴向流动以到达上游腔15，之后径向流动以到达半月部14，并且最后轴向流动以进入槽5中，而不考虑盘部4的旋转造成的上游腔、半月部和槽的切向速度。

参见图10a，在半月部的上游开口处，冷却流体以切向速度V1流动，此时盘部4在该半径处的点的切向速度V2大于流体的速度。

因此，流体与盘部4的相对速度为V3，且与盘部4的该点的速度V1方向相反。

因此，流体相对于盘部4在与盘部4的旋转方向的相反方向上流动。

由此，为了减少冷却流体的流动过程中弯折的进入角i，半月部14的侧壁相对于与槽5的对称平面对应的径向平面Ps倾斜(倾斜角度为δ)。

半月部14的侧表面部分21的倾斜(角度δ)减少了半月部14处冷却流体F方向上的弯折。该倾斜使得冷却流体F更容易进入槽5并减少在该区域中局部水头损失(perte decharge singulière)，从而提高了冷却系统的效率。

倾斜的方向根据工作中的盘部4的旋转方向来选择，从而减少冷却流体F所要通过的弯折。

参见图11，为了限制流动过程中的弯折的影响，半月部14的侧表面部分21可以具有弯曲，以使得能够减少通风道中的局部水头损失并因此增强通风道的性能。

该弯曲可以是简单的弯曲或者更加复杂的弯曲(例如具有绞合)。

侧表面部分21的弯曲可以是恒定的或者具有变化的曲率半径，该曲率半径配置用于使沿半月部14的水头损失最小化。

侧表面部分21的弯曲使得还能够减少冷却流体流的弯折中的进入角i。

实际上，盘部4的几何特性、制造方式以及所要求的机械特性使得半月部14的侧表面部分21的倾斜不能超过一定的界限。

弯曲使得能够减小冷却流体流的弯折的进入角，同时减小侧表面部分21的进入角至相等的进入角。

侧表面部分21在槽的底部10处相对于经过半月部14的中点的径向平面P3可以具有小于20°的倾斜，优选地具有小于10°的倾斜。

径向平面P3指的是在槽的底部10处经过半月部14的中点且包括涡轮机的轴线X的平面。半月部14的中点在此对应于位于槽的底部10并且与侧表面部分21等距离的点。这样的中点在图12中示例性示出。

侧表面部分21在槽的底部10处的倾斜便于冷却流体进入槽5中。

侧表面部分21相对于涡轮机的轴线具有径向内端部。

侧表面端部21在其内端部处相对于径向平面P4的倾斜介于15°到60°之间。平面P4经过半月部14在侧表面部分21的径向内端部处的中点且包括轴线X，以便于冷却流体进入半月部14。

半月部14在侧表面部分21的径向内端部处的中点指的是位于侧表面部分21的内端部处且与侧表面部分21等距离的点。

在与涡轮机的轴线X垂直且经过侧表面部分21的平面内，侧表面部分21的曲率半径R可以介于20mm到200mm之间。侧表面部分21的曲率半径R可以是恒定的，并且例如可以取值为50mm。

在一变型中，侧表面部分21的曲率半径R可以变化，并且在槽5处的应力最大的区域中具有最大值以使应力集中最小化，且在侧表面部分21的径向内端部处具有最小值以使进入到半月部14中的冷却流体的弯折的进入角i最小化。

冷却系统中的水头损失的减小使得能够改善冷却系统的性能，因此延长盘部4和叶片2的使用寿命。

水头损失的减小使得还能够减小在涡轮的上游取得的用于供给冷却系统的流体量，因此使冷却系统对涡轮机的性能的影响最小化。

Claims (18)

1.一种对涡轮(T)的盘部(4)进行冷却的装置，所述盘部沿轴线(X)延伸，所述盘部(4)的圆周上包括至少一个槽(5)，所述槽由多个盘部齿(6)围绕，所述盘部齿中的每一个具有上游面(16)，所述槽(5)包括底部(10)，所述底部通过至少一个半月部(14)与上游腔(15)流体连通，所述半月部(14)包括多个侧表面部分(21)，所述槽具有与所述槽(5)的对称平面对应的径向平面(Ps)，所述半月部(14)通入所述槽(5)，

其特征在于，所述半月部(14)包括底部(20)，所述半月部的底部相对于所述盘部齿(6)的上游面(16)向下游方向凹进,

其中，所述侧表面部分(21)相对于所述径向平面倾斜一角度(δ)，并且所述槽(5)沿一轴线(A)延伸，该轴线相对于所述涡轮的所述轴线(X)倾斜一非零的拉削角度(Φ)，所述拉削角度(Φ)大于0°且小于等于20°，

其中，所述半月部(14)包括下弯曲表面部分(22a)和上弯曲表面部分(22b)，所述下弯曲表面部分和所述上弯曲表面部分将所述半月部(14)的所述侧表面部分(21)与所述半月部的底部(20)连接，所述下弯曲表面部分(22a)包括多个曲率半径(R1’)且所述上弯曲表面部分(22b)包括多个曲率半径(R1)，

其中，所述下弯曲表面部分(22a)的曲率半径(R1’)不同于所述上弯曲表面部分(22b)的曲率半径(R1)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述半月部的底部(20)与所述槽的底部(10)之间的界限具有断棱(19)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述断棱(19)包括棱倒圆角，所述棱倒圆角具有变化的曲率半径(r)。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述棱倒圆角包括：

第一端部和第二端部，所述第一端部对应于所述棱倒圆角与所述盘部齿(6)中的第一齿之间的交会部，所述第二端部对应于所述棱倒圆角与所述盘部齿(6)中的第二齿之间的交会部；

多个径向平面，每个径向平面包括所述涡轮的轴线(X)并且将所述第一端部和所述第二端部之间的所述棱倒圆角截断；以及

多个径向截面，每个径向截面由相关的径向平面和所述棱倒圆角之间的交会部限定，每个径向截面具有所述棱倒圆角的曲率半径(r)，所述棱倒圆角的所述曲率半径(r)在所述第一端部和所述第二端部之间变化，所述棱倒圆角的曲率半径(r)的最长半径与所述棱倒圆角的所述曲率半径(r)的最短半径之间的比率介于2到20之间。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述棱倒圆角的所述曲率半径(r)的最长半径的切向位置位于所述棱倒圆角的应力峰处。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，对于所述下弯曲表面部分(22a)或所述上弯曲表面部分(22b)，曲率半径的最长半径和曲率半径的最短半径之间的比率介于2到13之间。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述下弯曲表面部分(22a)的曲率半径(R1’)和所述上弯曲表面部分(22b)的曲率半径(R1)中的每一个的最大负荷的曲率半径与所述下弯曲表面部分(22a)的曲率半径(R1’)和所述上弯曲表面部分(22b)的曲率半径(R1)中的该每一个的最小负荷的曲率半径之间的比率介于1到20之间。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述半月部的底部(20)的法向轴线(n)被限定为与通过所述半月部(14)的底部的端部的直线垂直，所述法向轴线(n)相对于所述涡轮的轴线(X)在第一方向上倾斜一倾斜角度(α)。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述半月部的底部的所述法向轴线(n)相对于所述涡轮(T)的轴线(X)在第二方向上倾斜一角度(β)。

10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述法向轴线(n)相对于所述涡轮的轴线(X)在第一方向上的所述倾斜角度(α)与所述拉削角度(Φ)之间的比率介于0.2到1.4之间。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述拉削角度(Φ)介于3°到16°之间。

12.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述半月部(14)的所述侧表面部分(21)是弯曲的，并且所述侧表面部分(21)中的至少一个的曲率半径(R)介于20mm到200mm之间。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述侧表面部分(21)在所述槽的底部(10)处相对于一平面(P3)具有小于20°的倾斜角度，该平面在所述槽的底部(10)处通过所述半月部(14)的中点。

14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述侧表面部分(21)具有径向内端部，并且所述侧表面部分(21)在所述径向内端部处相对于一平面(P4)具有介于15°到60°之间的倾斜角度，该平面在所述侧表面部分(21)的所述径向内端部处通过所述半月部(14)的中点。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述侧表面部分的曲率半径(R)在所述槽(5)处具有最大值且在所述侧表面部分(21)的所述径向内端部处具有最小值。

16.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述棱倒圆角的所述曲率半径(r)根据所述棱倒圆角的所述曲率半径(r)的切向位置在所述第一端部和所述第二端部之间变化。

17.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述拉削角度(Φ)介于6°到12°之间。

18.一种涡轮机，包括根据权利要求1至17中任一项所述的装置。

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