CN113464209A - 具有带有偏移肋的冷却回路的涡轮机转子叶片 - Google Patents

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CN113464209A CN202110227015.1A CN202110227015A CN113464209A CN 113464209 A CN113464209 A CN 113464209A CN 202110227015 A CN202110227015 A CN 202110227015A CN 113464209 A CN113464209 A CN 113464209A
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威廉·斯科特·泽米蒂斯
墨尔本·詹姆斯·迈尔斯
雅各布·查尔斯·佩里二世
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Abstract

本发明题为“具有带有偏移肋的冷却回路的涡轮机转子叶片”。本发明提供了一种用于涡轮机(10)的转子叶片(328)。该转子叶片(328)包括平台(342)、从该平台(342)延伸的翼片(340)以及在该平台(342)和该翼片(340)内延伸的冷却回路(372)。该冷却回路(372)包括由多个肋(374)限定的多个冷却通路(356)。该多个肋(374)包括偏移肋(380)。

Description

具有带有偏移肋的冷却回路的涡轮机转子叶片
技术领域
本公开整体涉及涡轮机，并且具体涉及用于涡轮机的翼片，该翼片包括具有偏移肋的冷却回路。
背景技术
涡轮机用于各种工业和应用中以用于能量传递目的。例如，气体涡轮引擎通常包括压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。压缩机区段逐渐增加进入气体涡轮引擎的工作流体的压力，并且将该压缩的工作流体供应到燃烧区段。经压缩的工作流体和燃料(例如，天然气)在燃烧区段内混合并在燃烧室中燃烧以生成高压和高温燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段流入涡轮区段，在该涡轮区段中燃烧气体膨胀以做功。例如，涡轮区段中燃烧气体的膨胀可使连接到例如发电机的转子轴旋转以产生电力。然后燃烧气体经由排气区段离开气体涡轮。
涡轮区段通常包括成排的周向间隔开的定子叶片和转子叶片。转子叶片通常包括翼片，该翼片具有压力侧和吸力侧并且从平台径向向上延伸。柄部分可从平台径向向下延伸，并且可包括将转子叶片固定到涡轮轮部的结构。平台通常限定流动通过气体路径的热燃烧气体的内边界。平台和翼片的交汇处可以是由于热燃烧气体、其上的机械负载和其他原因而产生的高应力集中区域。
更具体地讲，在翼片和平台的交汇处通常存在大量的以热学方式或以其他方式引起的应变。这种所引起的应变可能是由于翼片与平台之间的温差、压力侧与吸力侧之间的温差以及旋转速度负载引起的。所引起的应变可与该区域中的几何不连续部相结合，从而形成可限制总体部件寿命的具有非常高应力的区域。迄今为止，这些问题已通过试图保持几何不连续部(诸如根部转弯、尖端转弯、内部肋等)远离交汇处而得到解决。此外，已尝试控制交汇处附近的温度。然而，在许多转子叶片中，翼片和平台的交汇处通常仍然对寿命起到限制作用。
因此，本领域需要用于冷却和/或减少转子叶片中应变的改进特征。
发明内容
根据本公开的组件的各方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过该技术的实践来学习。
根据一个实施方案，提供了一种用于涡轮机的转子叶片。该转子叶片包括平台、从该平台延伸的翼片以及在该平台和该翼片内延伸的冷却回路。该冷却回路包括由多个肋限定的多个冷却通路。该多个肋包括偏移肋。
根据另一个实施方案，提供了一种涡轮机。该涡轮机限定轴向方向、围绕该轴向方向延伸的周向方向和垂直于该轴向方向的径向方向。该涡轮机包括压缩机、设置在该压缩机下游的燃烧器以及设置在该燃烧器下游的涡轮。该涡轮包括安装到转子盘的转子叶片。该转子叶片包括平台、沿着径向方向从该平台向外延伸的翼片，以及在该平台和该翼片内延伸的冷却回路。该冷却回路包括由多个肋限定的多个冷却通路。该多个肋包括偏移肋。
参考以下描述和所附权利要求，本发明组件的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。结合到本说明书中并构成其一部分的附图示出了本技术的实施方案，并与描述一起用于解释本技术的原理。
附图说明
本说明书中参考附图阐述了涉及本领域的普通技术人员的本发明组件的完整且能够实现的公开内容，包括制造和使用本发明的系统和方法的最佳模式，其中：
图1是根据本公开的实施方案的涡轮机的示意图；
图2示出根据本公开的实施方案的示例性转子叶片的侧视图；
图3示出根据本公开的实施方案的示例性转子叶片的部分切开透视图；
图4示出根据本公开的实施方案的示例性转子叶片的径向向内观看的平面图；
图5示出沿图4中的线5-5截取的转子叶片的一部分的放大剖视图；
图6示出根据本公开的实施方案的沿图2中的线6-6穿过示例性转子叶片的翼片截取的径向向内取向的剖视图；
图7示出根据本公开的实施方案的沿图2中的线7-7穿过示例性转子叶片的平台截取的径向向内取向的剖视图；并且
图8示出沿图4和图5中的线8-8截取的转子叶片的一部分的放大剖视图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明组件的实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。每个示例是通过解释本发明技术的方式提供的，而不是对本发明技术的限制。事实上，对于本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离受权利要求书保护的本发明技术的范围或实质的情况下，可以在本发明技术中进行修改和变化。例如，作为一个实施方案的一部分示出或描述的特征可以用于另一个实施方案，以产生又一个实施方案。因此，本公开旨在涵盖落入所附权利要求书及其等同物的范围内的这些修改和变化。
具体实施方式使用数字和字母名称指代附图中的特征结构。附图和说明书中的相似或类似的名称已经用于指代本发明的相似或类似的部件。如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用，以将一个部件与另一个部件区分开来，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
如本文所用，术语“上游”(或“向上”)和“下游”(或“向下”)是指相对于流体通路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，并且“下游”是指流体向其流动的方向。术语“径向地”是指基本垂直于特定部件的轴向中心线的相对方向，术语“轴向地”是指与特定部件的轴向中心线基本平行和/或同轴对准的相对方向，并且术语“周向地”是指围绕特定部件的轴向中心线延伸的相对方向。近似术语，诸如“大体”或“约”包括在大于或小于指定值的百分之十内的值。当在角度或方向的上下文中使用时，此类术语包括在大于或小于所述角度或方向的十度内。例如，“大体竖直”包括沿任何方向(例如，顺时针或逆时针)在竖直的十度内的方向。
现在参见附图，图1示出了涡轮机的一个实施方案的示意图，该涡轮机在所示实施方案中是气体涡轮10。尽管本文示出并描述了工业或陆基气体涡轮，但除非在权利要求书中另外指明，否则本公开不限于陆基和/或工业气体涡轮。例如，如本文所述的转子叶片可用于任何类型的涡轮机，包括但不限于蒸汽涡轮、飞行器气体涡轮或船用气体涡轮。
如图所示，气体涡轮10一般包括入口区段12、设置在入口区段12的下游的压缩机区段14、在设置在压缩机区段14的下游的燃烧器区段16内的多个燃烧器(未示出)、设置在燃烧器区段16的下游的涡轮区段18、以及设置在涡轮区段18的下游的排气区段20。另外，气体涡轮10可包括联接在压缩机区段14和涡轮区段18之间的一个或多个轴22。
压缩机区段14一般可包括多个转子盘24(示出了其中一个)以及从每个转子盘24径向向外延伸并且连接到每个转子盘的多个转子叶片26。每个转子盘24继而可联接到或者形成延伸穿过压缩机区段14的轴22的一部分。
涡轮区段18一般可包括多个转子盘28(示出了其中一个)以及从每个转子盘28径向向外延伸并且互连到每个转子盘的多个转子叶片30。每个转子盘28继而可联接到或形成延伸穿过涡轮区段18的轴22的一部分。涡轮区段18还包括外部壳体31，该外部壳体周向围绕轴22的部分和转子叶片30，从而至少部分地限定穿过涡轮区段18的热气体路径32。
在操作期间，工作流体诸如空气流过入口区段12并进入压缩机区段14，在该处空气逐渐被压缩，从而将加压空气提供给压缩机区段16的燃烧器。加压空气与燃料混合并在每个燃烧器内燃烧以产生燃烧气体34。燃烧气体34从燃烧器区段16流过热气体路径32，流入涡轮区段18，在该涡轮区段中能量(动能和/或热能)从燃烧气体34传递到转子叶片30，从而导致轴22旋转。然后，机械旋转能可用于为压缩机区段14供电和/或发电。然后，离开涡轮区段18的燃烧气体34可经由排气区段20从气体涡轮10排出。
如图2和图3中可见，涡轮机10可限定轴向方向A和围绕轴向方向A延伸的周向方向C。气体涡轮10还可以限定垂直于轴向方向A的径向方向R。
图2提供根据本公开的一个或多个实施方案的示例性转子叶片328的侧视图。图3提供图2的示例性转子叶片328的透视图。如图2和图3所示，转子叶片328通常包括安装部分或柄部分336，该安装部分或柄部分具有安装主体338和从基本上平面状的平台342例如大体沿径向方向R向外延伸的翼片340。平台342通常用作流过涡轮区段18(图1)的热气体路径32的热燃烧气体34的径向向内边界。平台342沿轴向方向A从前表面320延伸到后表面322。如图3所示，安装部分或柄部分336的安装主体338可从平台342径向向内延伸并且可包括根部结构(诸如燕尾件)，该根部结构被构造成将转子叶片328互连或固定到转子盘28(图1)。
翼片340包括压力侧壁344和相反的吸力侧壁346。压力侧壁344和吸力侧壁346从平台342基本上径向向外延伸，从翼片340的根部348跨越到翼片340的尖端350，该根部可被限定在翼片340与平台342之间的交汇处。压力侧壁344在翼片340的前缘352处和前缘352下游的后缘354处连接到吸力侧壁346，并且翼片340因此在前缘352与后缘354之间延伸。压力侧壁344通常包括翼片340的空气动力学的、凹形的外表面。类似地，吸力侧壁346可大致限定翼片340的空气动力学的、凸形的外表面。尖端350与根部348径向相对地设置。因此，尖端350可大致限定转子叶片328的径向最外侧部分，并且因此可被构造成邻近涡轮机10的静止护罩或密封件(未示出)定位。尖端350可包括尖端腔366。
如图3所示，转子叶片328可为至少部分中空的，例如，转子叶片328可包括限定于其中的冷却回路372。冷却回路372可包括多个冷却通路356(在图3中部分地以虚线示出)，该多个冷却通路可被包裹在转子叶片328内，以用于在压力侧壁344与吸力侧壁346之间引导冷却剂358通过翼片340，从而向其提供对流冷却。冷却通路356可至少部分地由多个肋374限定并且位于该多个肋之间。肋374大致沿径向方向R部分地延伸穿过冷却回路372，例如，如图3所示。肋374可完全延伸穿过压力侧壁344与吸力侧壁346之间的冷却回路372，例如，如图6所示。该多个肋374从而可分隔冷却回路372并且至少部分地形成或限定冷却通路356。例如，每个肋374可径向终止于根部转弯376或尖端转弯378中的一者附近。
如图3所示，冷却回路372可以是蛇形冷却回路，该蛇形冷却回路包括多个根部转弯376，例如靠近翼片340的根部348的大约180°转弯，以及多个尖端转弯378，例如靠近翼片340的尖端350的大约180°转弯。蛇形冷却回路372可在第一方向上沿该多个冷却通路356中的第一冷却通路356延伸，通过尖端转弯378反转方向，在与第一方向大致相反的第二方向上沿该多个冷却通路356中的第二冷却通路356延伸，通过根部转弯376再次反转方向，沿着该多个冷却通路356中的第三冷却通路356返回到第一方向，以此类推，重复任意次。
冷却剂358可包括来自压缩机区段14(图1)的压缩空气的一部分和/或蒸汽或任何其他合适的气体或其他流体，以用于冷却翼片340。一个或多个冷却通路入口360沿着转子叶片328设置。在一些实施方案中，一个或多个冷却通路入口360形成在安装主体338内、沿着安装主体形成或由安装主体形成。冷却通路入口360与至少一个对应的冷却通路356流体连通。多个冷却剂出口364可与尖端腔366流体连通。每个冷却通路356与冷却剂出口364中的至少一个冷却剂出口流体连通。在一些实施方案中，尖端腔366可至少部分地被压力侧尖端导轨368和吸力侧尖端导轨370围绕。
如在图3中可见，冷却通路356在柄部分336和翼片部分340中的每一者内延伸。例如，冷却通路356可在柄部分336与翼片部分340之间延伸，例如，从柄部分336延伸到翼片部分340，诸如从柄部分336中的一个或多个冷却通路入口360延伸到翼片部分340的尖端350中的至少一个冷却剂出口364。
转子叶片328还可包括偏移肋380。偏移肋380可定位在翼片340的前缘352附近，例如，更靠近前缘352而非更靠近后缘354，诸如在冷却回路372的最向前部分或转弯中。如例如在图5中可见，偏移肋380可沿轴向方向A偏移。例如，偏移肋380可包括：外部部分384，该外部部分大致与径向方向R和/或该多个肋374对齐，以及偏移部分385，该偏移部分在外部部分384的径向内侧(例如，更靠近翼片340的根部348和/或转子叶片328的柄部分336)。偏移肋380的偏移部分385可沿轴向方向A偏移距离388，如图5所示。偏移肋380可例如在下游方向上向后偏移，诸如朝向翼片340的后缘354和/或朝向平台342的后表面322偏移。偏移肋380可沿径向方向R向内延伸到尖端386，该尖端限定肋380的向内末端。冷却回路372的在偏移肋380的尖端386向内的部分从一个冷却通路356到下一个邻接的冷却通路356可以是连续的，由此限定冷却回路372的转弯。更具体地讲，在偏移肋380的尖端386靠近翼片340的根部348(例如，更靠近根部348而非更靠近尖端350)的情况下，由偏移肋380限定的冷却回路372中的转弯可为根部转弯376。
图4提供径向向内观看的示例性转子叶片328的平面图。图5提供沿图4中的线5-5截取的转子叶片328的一部分的放大纵剖面视图。图8提供沿如图4和图5中的线8-8所示的剖平面截取的转子叶片328的该部分的放大剖视图。如例如在图5和图8中可见，偏移肋380大体分离并限定该多个冷却通路356中的两个相邻的冷却通路356。在一些实施方案中，例如，如图5和图8所示，偏移肋380还可包括一个或多个穿孔382，该穿孔从一侧延伸穿过偏移肋380到达另一侧，从而例如除了根部转弯376之外，还提供穿过该穿孔或每个穿孔382的至少一条附加通路，以用于使冷却剂358从一条冷却通路356到达下一条冷却通路356。在提供不止一个穿孔382的实施方案中，穿孔382的尺寸可变化。例如，穿孔382可随着肋380的宽度或厚度392变小而成比例地变小。
图6示出沿图2中的线6-6穿过翼片340截取的并且径向向内观看的转子叶片328的剖视图。图7示出沿图2中的线7-7穿过平台342截取的并且径向向内观看的转子叶片328的剖视图。如例如在图5至图7中可见，偏移肋380可限定厚度392，例如，大致沿轴向方向A和/或沿着从翼片340的前缘352到后缘354限定的流动方向。在一些实施方案中，例如，如图5至图7所示，偏移肋380的厚度392可沿径向方向R向内移动而增加，例如，偏移肋380的厚度392可朝向翼片340的根部348和/或朝向转子叶片328的柄部分336增加。
如例如在图6和图7中可见，翼片340可限定从前缘352延伸到后缘354的弧面曲线390。本领域的普通技术人员将认识到，术语“弧面曲线(camber line)”是指翼片轮廓的中线或平均线，例如压力侧表面与吸力侧表面之间的一半。在本公开中，翼片340的压力侧表面和吸力侧表面分别由压力侧壁344和吸力侧壁346限定。
偏移肋380可限定与弧面曲线390的角度θ(“塞塔”)。在一些实施方案中，角度θ可以大致垂直于靠近翼片340的尖端350的弧面曲线390并且可以沿径向方向R变化。例如，角度θ可沿着偏移肋380径向向内移动(例如，朝向翼片340的根部348和/或转子叶片328的柄部分336)而增加。例如，偏移肋380可与朝向下柄336径向向内移动的弧面曲线390会聚或发散，使得角度θ可沿径向方向R向内增大或减小。因此，跨在压力侧壁344和吸力侧壁346之间的偏移肋380的尺寸(例如，偏移肋380的宽度394，如下所述)可增加，并且偏移肋380可由此向转子叶片328(例如，其翼片340)提供增大的结构顺应性。
如图8所示，冷却回路372(例如，冷却通路356和/或其根部转弯376)可限定宽度394。可沿周向方向C、沿着大致垂直于弧面曲线390的方向和/或沿着压力侧壁344与吸力侧壁346之间的方向(诸如大致垂直于压力侧壁344和吸力侧壁346)限定冷却回路372的宽度394。如在图8中可见，在一些实施方案中，冷却回路372的宽度394(例如部分地由偏移肋380限定的其冷却通路356的宽度)，可沿着径向方向R向内(例如朝向翼片340的根部348和/或朝向转子叶片328的柄部分336)增加。
通过将图5与图8进行比较可以看出，偏移肋380在图8的背景中示出。另外，偏移肋380在图8中与剖平面偏开角度(进入纸面)。因此，应当理解，如图8所示的冷却通路356在前景中示出，例如，在部分地限定冷却通路356的偏移肋380的前方，使得图8中356的箭头应当被理解为指向偏移肋380前方的空间。
在一些实施方案中，根部转弯376的形状可以是长方形的，例如卵形。例如，如在图8中可见，限定根部转弯376的径向外边界的偏移肋380的尖端386可以是偏斜的或不对称的。因此，例如，偏移肋380的末端(例如，尖端386)可限定根部转弯376的非圆形弧形边界。此类几何形状可提供平滑化的应力流动轮廓。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质差异的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种用于涡轮机(10)的转子叶片(328)，所述转子叶片包括：
平台(342)；
翼片(340)，所述翼片从所述平台(342)延伸；和
冷却回路(372)，所述冷却回路在所述平台(342)和所述翼片(340)内延伸，所述冷却回路(372)包括由多个肋(374)限定的多个冷却通路(356)，所述多个肋(374)包括偏移肋(380)。
2.根据权利要求1所述的转子叶片(328)，还包括所述偏移肋(380)中的穿孔(382)。
3.根据权利要求1所述的转子叶片(328)，其中所述偏移肋(380)的一部分沿着轴向方向偏移。
4.根据权利要求1所述的转子叶片(328)，其中所述偏移肋(380)的一部分朝向所述翼片(340)的后缘(354)偏移。
5.根据权利要求1所述的转子叶片(328)，其中所述翼片(340)从所述平台(342)处的根部(348)延伸到尖端(350)，并且其中所述偏移肋(380)的厚度(392)朝向所述翼片(340)的所述根部(348)增加。
6.根据权利要求1所述的转子叶片(328)，其中所述偏移肋(380)的末端限定所述冷却回路(372)的根部转弯(376)的非圆形弧形边界。
7.根据权利要求1所述的转子叶片(328)，其中所述偏移肋(380)靠近所述翼片(340)的前缘(352)定位。
8.根据权利要求1所述的转子叶片(328)，其中所述翼片(340)从所述平台(342)处的根部(348)延伸到尖端(350)，并且其中所述冷却回路(372)在所述偏移肋(380)处的宽度(394)朝向所述翼片(340)的所述根部(348)增加。
9.根据权利要求1所述的转子叶片(328)，其中所述翼片(340)从前缘(352)延伸到后缘(354)并且限定穿过所述前缘(352)和所述后缘(354)的弧面曲线(390)，其中所述偏移肋(380)设置成与所述翼片(340)的所述弧面曲线(390)成角度，并且其中所述角度径向向内变化。
10.根据权利要求1所述的转子叶片(328)，其中所述冷却回路(372)包括蛇形冷却回路(372)。
11.一种涡轮机(10)，所述涡轮机限定轴向方向、围绕所述轴向方向延伸的周向方向和垂直于所述轴向方向的径向方向，所述涡轮机(10)包括：
压缩机；
燃烧器，所述燃烧器在所述压缩机的下游；和
涡轮机，所述涡轮机在所述燃烧器的下游，所述涡轮机包括安装到转子盘(24)的转子叶片(328)，所述转子叶片(328)包括：
平台(342)；
翼片(340)，所述翼片沿着所述径向方向从所述平台(342)向外延伸；和
冷却回路(372)，所述冷却回路在所述平台(342)和所述翼片(340)内延伸，所述冷却回路(372)包括由多个肋(374)限定的多个冷却通路(356)，所述多个肋(374)包括偏移肋(380)。
12.根据权利要求11所述的涡轮机(10)，还包括位于所述偏移肋(380)中的穿孔(382)。
13.根据权利要求11所述的涡轮机(10)，其中所述偏移肋(380)的一部分沿着轴向方向偏移。
14.根据权利要求11所述的涡轮机(10)，其中所述偏移肋(380)的一部分朝向所述翼片(340)的后缘(354)偏移。
15.根据权利要求11所述的涡轮机(10)，其中所述翼片(340)从所述平台(342)处的根部(348)延伸到尖端(350)，并且其中所述偏移肋(380)的厚度(392)朝向所述翼片(340)的所述根部(348)增加。
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