CN1162345A - 带受冷却平台的燃气涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

涡轮叶片设有专门用来冷却叶片根部平台的冷却空气的流动通道。冷却空气通道是在叶片根部平台内制出的，它们正好在平台上对着叶片叶型部的凸面的伸出部的沿径向面向外的表面之下。这些通道中每一条都是从一接受冷却空气流的入口沿径向向外延伸，然后延伸通过平台的。在平台上对着叶片叶型部的凹面的伸出部有一沿径向面向内的表面和在其上形成的凹腔。有一冲撞板导引冷却空气使之成为射流进入到凹腔内。有一与凹腔连接的通道导引冷却空气，使它通过平台上对着叶型部凹面设置的伸出部。

Description

带受冷却平台的燃气涡轮叶片

发明背景

本发明涉及燃气轮机的旋转叶片。更具体点说，本发明涉及燃气涡轮叶片平台部分的一种冷却方案。

燃气轮机通常具有一个产生压缩空气的压气机区段。燃料与一部分压缩空气混合并在一或多个燃烧器内燃烧，从而产生炽热的压缩燃气、炽热压缩燃气然后在一涡轮区段内膨胀，产生出转轴的动力。

涡轮区段通常应用许多排互相交错的固定导叶和旋转叶片。每一旋转叶片有一叶型部(翼部)和一用来固定到转子上的根部。根部包括一个平台，叶型部从该平台伸出。

由于导叶和叶片暴露在从燃烧器排出的炽热燃气中，冷却这些零件至关重要。传统做法，冷却是用从压气机抽出的一部分压缩空气来完成的，该压缩空气可以或设有随后被冷却，就被引向涡轮区段，从而在燃烧器旁绕过。在被引入到涡轮区段内后，冷却空气流动通过在导叶和叶片的叶型部内形成的径向通道。典型的做法是在导叶和叶片的叶型部内制出许多小的轴向通道与一个或多个径向通道连接，使冷却空气被导向叶型部的整个表面，如前边和后边或负压面和正压面。在冷却气体走出导叶或叶片后，就进入到流动通过涡轮区段的炽热燃气中并与它混合。

虽然上述冷却叶片的方法能使叶片的叶型部适当地冷却，但传统上，并没有专门指定用来冷却叶片根部平台的冷却空气，而平台的上表面却被暴露在来自燃烧器的炽热气流中。虽然有一部分从上游导叶排出的冷却空气可流到叶片根部平台的上表面上，致使得到部分的表面冷却，但经验显示这种表面冷却对适当地冷却该平台是不够的。结果，在该平台上会发生氧化和开裂。

一个可能的解决方案是用增加从上游导叶排出的冷却空气的数量来增加表面冷却。但虽然这种冷却空气进入到流动通过涡轮区段的炽热燃气中，从该冷却空气却得不到什么有用的功，因为它没有在燃烧区段内得到加热。这样，为了得到高效率，关键是要将冷却空气的使用保持在最小限度。

因此需要提供一种方案以便在燃气轮机内使用最少的冷却空气来冷却旋转叶片的平台部分。

发明概述

于是，本发明的总目的就是要提供一种方案，以便在燃气轮机内使用最少的冷却空气来冷却旋转叶片的平台部分。

简要地说，本发明的这个目的以及其他一些目的是在这样一台燃气轮机内完成的，该燃气轮机具有(i)一个产生压缩空气的压气机区段，(ii)一个加热第一部分压缩空气从而产生炽热压缩燃气的燃烧区段，(iii)一个使炽热压缩燃气膨胀的涡轮区段，涡轮区段有一转子设置在其内，转子有许多叶片连结在其上，每一叶片有一叶型部和一根部，根部有一平台，叶型部从该平台伸出，平台有一暴露在炽热压缩燃气下的第一表面和一设在第一表面背面的第二表面，及(iv)用来冷却叶片根部平台的装置，包括用来从压气机区段导引第二部分压缩空气使它冲撞到平台第二表面的装置。

在一较优的实施例中，叶片根部平台冷却装置具有一个与第二表面间隔开的零件并在其上形成许多冷却空气孔，第二部分压缩空气流动通过这些孔。另外，有一凹腔在该零件和第二表面之间形成，以便用来收集第二部分压缩空气。叶型部具有一个凹面和一个凸面，平台的第一部分对着凹进的叶型面设置，而平台的第二部分对着凸出的叶型面设置。凹腔设在平台的第一部分上。在这个实施例中，叶片根部平台冷却装置还具有延伸通过平台第一部分的第一通道和延伸通过平台第二部分的第二通道，这些通道具有与凹腔流动连通的入口。

附图的简要说明

图1为通过按照本发明的燃气轮机一部分的、部分概略的剖面图。

图2为图1所示涡轮剖面在第一排叶片附近的那部分的详图。

图3为图2所示第一排叶片在对着燃气流动的方向看去的等角视图。

图4为示出叶片平台剖面的、按照图3中IV-IV线切取的横剖面图。注意在该图中叶型部以虚线示出，以便观看者取向，虽然叶型部在实际上只是从切取剖面的位置向上伸出的。

图5为按照图4中V-V线切取的立面剖视图，该图示出对着叶型部凸出侧的那部分平台。

图6为按照图4中VI-VI线切取的立面剖视图，该图示出对着叶型部凹进侧的那部分平台。

图7为示出两个相邻叶片的、按照图4中VII-VII线切取的剖面图。

图8为示出平台底侧的、按照图6中VIII-VIII线切取的剖面图。

图9为冲撞板的等角视图。

图10为图7中用圆圈围住间用X标出的那部分的详图。

优选实施例的说明

参阅附图，在图1中示出通过燃气轮机一部分的剖面图。燃气轮机的主要组成部分为压气机区段1、燃烧区段2、和涡轮区段3。从图上可看到，有一转子4设置在中央并延伸通过三个区段。压气机区段1具有圆筒(气缸)7和8包围着多排互相交错的固定导叶(固定叶片)12和旋转叶片13。固定导叶12固定在气圆筒8上，而旋转叶片13则固定在连结到转子4的圆盘上。

燃烧区段2由形成一个空腔14的、近乎圆筒形的外壳9、与圆筒8的后端和一个包围着一部分转子4的护罩22组成。在空腔14内设有多个燃烧器15和导管16。导管16将燃烧器连接到涡轮区段3。可以是液体或气体的燃料35，如馏出油或天然气，进入每一个燃烧器，通过燃料喷嘴34并在器内燃烧，从而形成炽热的压缩燃气30。

涡轮区段3具有一个包围着内圆筒11的外圆筒10。内圆筒11包围着多排的固定导叶17和多排的旋转叶片18。固定导叶17固定在内圆筒11上，而旋转叶片18则固定在多个圆盘上，这些圆盘形成转子4在涡轮区段的一部分。

操作时，压气机区段1吸入周围的空气并将它压缩。从压气机区段1出来的压缩空气20进入空腔14内，然后散布到每一个燃烧器15。在燃烧器15内，燃料35与压缩空气混合并燃烧，从而形成炽热的压缩燃气30。炽热的压缩燃气流动通过导管16，然后通过在涡轮区段3内的多排固定导叶17和旋叶片18，燃气在其内膨胀并产生出驱动转子4的动力。膨胀的燃气31然后从涡轮3排出。

从压气机1出来的压缩空气20的一部分19通过一根连接到外壳9的管子39从空腔14内被抽出。这样，该压缩空气19便绕过燃烧器15并成为转子4用的冷却空气。如果需要，该冷却空气19还可再用外部冷却器36冷却。从冷却器36出来的冷却的冷却空气然后通过管子41被导向涡轮区段3。管子41将冷却空气70引导到在护罩22上制出的开口，这样便可使它进入到一个包围着转子4的冷却空气集流腔(歧管)24内。

如图2所示，在涡轮区段3内，来自燃烧、区段2的炽热的压缩燃气30首先来到第一级导叶17的叶型部。来自压气机1的压缩空气20′的一部分流动通过第一级导叶叶型部，以便使它冷却。在第一级导叶叶型部开有的许多孔(未示出)将冷却空气20′排出成为许多细流45，然后被混合到炽热的燃气中。冷却空气45和炽热燃气30的混合物然后来到第一排叶片18的叶型部。

虽然如前所述，来自第一级导叶17的冷却空气45的在径向上最内侧的细流45可望能对第一排的一个叶片平台46提供一定程度的表面冷却，但经验显示这种冷却手段是不够的。因此，本发明针对一种对平台46提供增强冷却的方案。

如图2所示，转子冷却空气70从空腔24出来通过护罩22上的圆周槽孔38，进入到一个在护罩22和转子4的一部分26之间形成环状通道65内，转子的这部分一般被称为“空气分离器”。从该环状通道65出来，冷却空气70的绝大部分40通过孔63进入空气分离器26并成为最终达到转子圆盘20然后到各排叶片的冷却空气。

冷却空气70的一个较小的部分32沿着通道65向下游流动，越过多个迷宫密封64。从通道65出来，冷却空气32便沿径向向外流动。在护罩22和该排一个叶片18向前伸出的唇部之间有一蜂窝状密封66。该密封可防止冷却空气32直接跑出到炽热燃气的流动途径上。而是按照本发明，该冷却空气32流动通过多个在下面要详述的、在每一排的一个叶片18的平台46内制出的通道，从而可使平台冷却并防止由于过高温度而引起的损坏如氧化和开裂。在从平台的冷却空气通道排放后，用过的冷却空气33使进入到膨胀通过涡轮区段3的炽热燃气30中。

如图3、5和6所示，每一排的一个涡轮叶片18由一个叶型部42和一个根部44构成。叶型部42有一前边56和一后边57。在叶型部42的两侧，在前边56和后边57之间分别展开着一个凹入的正压面54和一个外凸的负压面55。叶片根部44具有多个沿着其下部延伸的齿突59，该齿突与转子圆盘20上制出的槽47内的相配齿突咬合，这样便可将叶片固紧在圆盘上，如图7所示。

在叶片根部44的上部制有一个平台部46。叶型部42就连接到该平台46，并沿径向从该平台上向外伸出。有一沿径向延伸的柄部58将叶片根部44的下面带齿突的部分与平台46连接起来。平台46分别有一沿径向延伸的上游面60和下游面61。另外，平台46的一部分48从叶型部沿着横向伸展，这样就使柄部58背向叶型部42的凹面54而悬垂。伸出部48终止在一侧向延伸边50上。平台46的另一部分49从叶型部沿横向伸展，使柄部58背向叶型部42的凸面55而悬垂。该伸出部48终止在一侧向延伸边51上。

从图4、6和7可最好地看到，在平台46的伸出部48内制有三个凹腔96-98。这些凹腔96-98被支撑肋94和95隔开。在肋94和95上分别制有孔75和76，因此凹腔96-98是流动连通的。

如图4、5和7所示，在平台46的伸出部48和49内分别制有冷却空气通道70和71。冷却空气孔70和71具有沿纵长方向延伸的部分，其位置正好在暴露在炽热燃气30中的、沿径向面向外的平台表面67之下并基本上与该表面平行。如图4所示，冷却空气通道70在凹腔96内制有一个入口80。从该入80开始，通道70沿横向向平台46的侧边50延伸，然后转过90°，沿纵长方向延伸通过在图4中用L标出的平台46的长度的绝大部分，并正好在侧边50的内侧。本文所用的术语“纵长方向”系指与平台46的两个侧边50和51基本上平行的方向。最后，通道70在平台46的下游面61上形成一个出口88。在该较优的实施例中，通道70延伸越过至少90％的平台46的长度。

第二冷却空气通道71在平台46上位在面向外的表面67的反面的、沿径向面向内的表面68上设有一个入口81，如图5所示。从该入口81开始，通道71沿径向向外延伸朝向平台46上沿径向面向外的表面，然后转过约90°，沿纵向延伸朝向平台46的上游面60。如图4所示，通道71然后转过约80°朝向平台的侧边51，再转过90°正好在侧边51的内侧沿纵向延伸越过平台46长度L的绝大部分。最后，通过71在平台46的下游面61上形成一个出口89。在该较低的实施例中，通道71延伸越过至少90％的平台46的长度L。

在平台46内还制有三条相对于侧边50和51沿斜向延伸的通道72-74。如图5所示，这些通道72-74在平台46伸出部49的沿径向面向内的表面68上各设有一个入口82-84。从这些入口82-84开始，通道72-74沿径向向外延伸朝向平台46上沿径向面向外的表面67，然后转过约90°，沿斜向延伸通过平台46在外凸叶型部表面55下游的部分，如图4所示。这些通道72-74分别在平台46的下游面61上形成出口90-92，如图3和4所示。

最好冷却空气通道70-74沿纵向和斜向延伸的部分位在平台46的沿径向面向外的表面67之下的深度不要超过1.3cm(0.5英寸)。最好不要超过约0.7cm(0.25英寸)。

如图6-10所示，在平台46的伸出部48的底侧连结着一块一般为长方形的冲撞板99，该板覆盖着凹腔96-98。冲撞板99最好沿其所有四个边都支撑在沿径向面向内的表面68的环绕凹腔96-98的部分上并用焊接连结在其上。另外，肋94和95用来提供中间支撑，以便防止冲撞板99由于离心力而产生的挠曲。冲撞板99具有许多分布在其表面上的小孔100。凹腔96-98的径向深度对小孔100的直径的比率最好至少约为3∶1。这样便可保证冲撞板99在移向上离开表面68的形成面对冲撞板的凹腔底部的那个部分有足够的距离，从而使小孔100能够形成冲撞在表面68上的冷却空气32°的射流。在该较优的实施例中，凹腔96-98的径向深度约为0.12cm(0.45英寸)，小孔100的直径约为0.4cm(0.15英寸)。

操作时，来自转子4的冷却空气4进入到每一对相邻叶片的柄部58之间形成的空间101内，如图7所示。从该空间101出发，冷却空气32的一部分32′进入到平台46对着外凸叶型部表面55的伸出部49内制出的通道71-74的入口81-84内，如图5所示。冷却空气32′然后流动通过伸出部49内的通道71-74来到在平台46的下游面61内制的出口，如图3和4所示，从而使一部分平台得到对流冷却。用过的冷却空气然后与流动通过涡轮区段3的炽热燃气30混合，如前所述。

冷却空气32的另一部分32″从空间101出发，通过平台46对着内凹叶型部表面54的伸出部48上的冲撞板99的小孔，来到空腔96-98内。如图10所示，冲撞板99使冷却空气32′形成高速射流，冲撞在平台46的伸出部48的表面68上，从而提供冲撞冷却。在表面68上冲撞后，这些冷却空气32″的射流便在空腔96-98内被收集起来，然后经由支撑肋94和95内的孔75和76，流动通过空腔96-98，来到通道70的入口80，如图4和10所示。再从入口80，流动通过平台46的伸出部48内的通道70，来到在平台下游面61上制出的出口88，从而提供对流冷却。这样，按照本发明，冷却空气32″可同时提供平台46的冲撞(冲击)冷却和对流冷却。最后，用过的冷却空气33″可与流动通过涡轮区段3的炽热燃气30混合。

由此可见，按照本发明的冷却方案可对叶片根部平台46提供强有力的冷却而可不需使用大量的冷却空气，而若希望通过增加从第一排一个导叶17排放出的冷却空气45在最内侧的细流的流率来增强表面冷却从而增强平台的冷却时，不可避免地要使用大量的冷却空气。

如图10所示，对暴露在炽热燃气流30中的平台46的沿径向面向外的表面67可镀敷本行业熟知的那种隔热镀层102，以便延迟热传递进入到平台内。

虽然本发明是结合第一排叶片来说明的，但本发明也适用于其他排的叶片。

因此，本发明可用其他具体形式来实施而仍不离开其精神或基本属性，因此，就指出本发明的范围而言，应参照所附的权利要求，而不是参照上面的说明。

Claims (20)

1.一种燃气轮机，它包括：

a)一个产生压缩空气的压气机区段；

b)一个加热所说压缩空气的第一部分从而产生炽热压缩燃气的燃烧区段；

c)一个使所说炽热压缩燃气膨胀的涡轮区段，所说涡轮区段有一转子设置在其内，所说转子有许多叶片连结在其上，每一所说叶片有一叶型部和一根部，所说根部有一平台，所说叶型部从该平台伸出，所说平台有一暴露在所说炽热压缩燃气下的第一表面和一设在所说第一表面背面的第二表面；及

d)用来冷却所说叶片根部平台的装置，包括用来导引冷却流体使它冲到所说平台的所说第二表面的装置。

2.按照权利要求1的燃气轮机，其特征为，叶片根部平台冷却装置具有一个与所说第二表面隔开一段距离的零件，其上制有许多冷却流体孔，所说冷却流体流动通过所说这些孔。

3.按照权利要求2的燃气轮机，其特征为，所说零件为一板。

4.按照权利要求2的燃气轮机，其特征为，所说用来冷却所说叶片根部平台的装置还具有在冷却流体流动通过所说孔而进入所说零件内以后用来收集所说冷却流体的装置。

5.按照权利要求4的燃气轮机，其特征为，所说冷却流体收集装置为在所说零件和所说第二表面之间形成的凹腔。

6.按照权利要求5的燃气轮机，其特征为，所说叶片根部平台冷却装置还具有一个延伸通过所说平台的通道，该通道有一入口与所说凹腔可流动连通。

7.按照权利要求6的燃气轮机，其特征为，所说通道有一出口与所说炽压缩燃气可流动连通，从而所说通道可将所说冷却流体从所说凹腔导引到所说炽热压缩燃气中。

8.按照权利要求7的燃气轮机，其特征为，所说叶片根部平台有一上游面和一下游面，所说通道出口在所说下游面上形成。

9.按照权利要求5的燃气轮机，其特征为，平台有一长度，所说通道延伸通过所说平台长度的绝大部分。

10.按照权利要求5的燃气轮机，其特征为，所说叶型部具有一个凸面和一个凹面，所说平台的第一部分对着所说凹进的叶型部表面设置，所说凹腔设置在所说平台的所说第一部分内。

11.按照权利要求10的燃气轮机，其特征为，所说平台的第二部分对着所说凸面设置，并且叶片根部平台冷却装置还具有一条第一通道延伸通过所说平台的所说第二部分。

12.按照权利要求11的燃气轮机，其特征为，叶片根部平台冷却装置还具有一条第二通道延伸通过所说平台的所说第一部分，该通道有一入口与所说凹腔可流动连通。

13.按照权利要求12的燃气轮机，其特征为，所说叶片根部有一沿径向延伸的柄部连接到所说平台上，所说平台的所说第一部分和第二部分是在所说柄部之外沿横向伸展的。

14.按照权利要求1的燃气轮机，其特征为，所说叶片根部冷却装置还具有第一冷却流体通道沿斜向延伸通过所说平台。

15.按照权利要求14的燃气轮机，其特征为，所说叶片根部冷却装置还具有第二冷却流体通道沿纵向延伸通过所说平台。

16.一种用一燃气轮机中的涡轮叶片，该燃气轮机具有一个涡轮区段，该涡轮区段内设有一转子，以便用来使所说炽热压缩燃气膨胀，所述涡轮叶片包括：

a)一个叶形部；及

b)一个根部，该根部具有：(i)用来将所说叶片固定到所说转子上的装置，(ii)一个从其上伸出所说叶型部的平台，(iii)用来冷却所说平台的冷却流体，及(iv)用来将所说冷却流体形成许多射流并将这些射流导向到所说平台的一个表面上的装置。

17.按照权利要求16的涡轮叶片，其特征为，所说用来形成并导引所说射流的装置为一离开所说表面一个预定距离的板，所说板具有许多在其内制出的孔。

18.按照权利要求17的涡轮叶片，其特征为，所说预定距离对所说孔的直径的比率至少约为3∶1。

19.按照权利要求16的涡轮叶片，其特征为，所说表面为一沿径向面向内的表面。

20.一种燃气轮机，它包括：

a)一个产生压缩空气的压气机区段；

b)一个加热所说压缩空气的第一部分从而产生炽热压缩燃气的燃烧区段；

c)一个使所说炽热压缩燃气膨胀的涡轮区段，所说涡轮区段有一转子设置在其内，所说转子有许多叶片连结在其上，每一所说叶片有一叶型部和一根部，所说根部有一平台，所说叶型部从该平台伸出，所说平台有一表面暴露在所说炽热压缩燃气下；及

d)沿着基本上与所说平台表面平行的方向导引冷却流体通过所说平台以便冷却所说叶片根部平台的装置。

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