CN1707069A - 用于冷却燃气轮机转子叶片的方法和设备 - Google Patents

用于冷却燃气轮机转子叶片的方法和设备 Download PDF

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Abstract

一种燃气轮机(20)的翼面(42)包括：前缘(48)、后缘(50)、顶板(54)、在翼面根部(52)和所述顶板之间的径向范围内延伸的第一侧壁(44)、以及与所述第一侧壁在所述前缘和所述后缘处连接从而限定出在其中的冷却空腔(56)的第二侧壁(46)。所述侧壁在所述翼面根部和所述顶板间的径向范围内延伸。所述翼面还包括多个纵向分开的后缘冷却槽(70)，所述后缘冷却槽布置成一列，延伸穿过所述第一侧壁。所述槽与所述冷却空腔流动连通并沿所述后缘布置成不均匀的分布，从而使所述后缘的至少一部分上的槽数量多于所述后缘其它不同部分上的槽数量。

Description

用于冷却燃气轮机转子叶片的方法和设备
技术领域
本发明主要涉及燃气轮机，更具体而言，涉及用于冷却燃气轮机转子组件的方法和设备。
背景技术
至少一些已公知的转子组件包括至少一排沿圆向隔开的转子叶片。每一个转子叶片包括一个翼面，所述翼面包括在前缘和后缘处连接在一起的一个压力面和一个吸力面。每个翼面从转子叶片平台径向向外延伸。每个转子叶片还包括从在平台和燕尾榫间延伸的柄部径向向内延伸的燕尾榫。燕尾榫被用以在转子组件内将转子叶片安装到转子盘或轴上。已公知的叶片是中空的，使得至少部分地由翼面、平台、柄部和燕尾榫限定出内部冷却腔。
在运行过程中，叶片翼面的一些部分比叶片的其它部分暴露于更高的温度中。随着时间延长，这种温度差异和热应变可能在叶片中引起热应力。这种热应变可能引起翼面的热变形。例如局部蠕变挠曲，并且可能产生其它问题，例如可能缩短转子叶片使用寿命的翼面低周疲劳。
为了利于降低高温对至少一些已公知的转子叶片的影响，至少其中一些转子叶片翼面包括后缘槽和回切的压力侧壁，所述槽被分成均匀间隔的通道，所述通道在翼面暴露的背面上排出一薄层的冷却空气。但是，由于在沿后缘的不同点处存在温度差异，因此来自均匀间隔的槽中的空气不能使后缘足够冷却从而消除在沿翼面后缘的不同点间的温度差异。
发明内容
一方面，本发明提供一种燃气轮机的翼面。所述翼面包括前缘、后缘、顶板、在翼面根部和所述顶板之间的径向范围内延伸的第一侧壁、和与所述第一侧壁在前缘和后缘处连接从而限定出在其中的冷却空腔的第二侧壁。所述侧壁在所述翼面根部和所述顶板间的径向范围内延伸。所述翼面还包括多个纵向分开的后缘冷却槽，所述后缘冷却槽布置成一列，延伸穿过所述第一侧壁。所述槽与所述冷却空腔流动连通并沿后缘布置成不均匀的分布，从而使所述后缘的至少一部分上的槽数量多于所述后缘其它不同部分上的槽数量。
另一方面，本发明提供一种涡轮机叶片。所述涡轮机叶片包括平台、燕尾榫、连接所述平台和所述燕尾榫的柄部、以及包括前缘、后缘、压力侧壁和吸力侧壁的翼面。所述翼面与所述平台连接在一起。所述涡轮机叶片还包括至少一个在所述压力侧壁和吸力侧壁之间的冷却空腔，和多个纵向分开的沿后缘延伸的后缘冷却槽。所述后缘冷却槽与所述冷却空腔流动连通，并且沿后缘布置成不均匀的分布，从而使所述后缘的至少一部分上的后缘冷却槽数量多于所述后缘其它不同部分上的槽数量。
另一方面，本发明提供一种燃气轮机的转子组件，所述转子组件包括转子轴和多个连接到转子轴上的沿周向隔开的转子叶片。每个转子叶片包括平台、燕尾榫、连接所述平台和所述燕尾榫的柄部、以及包括前缘、后缘、压力侧壁和吸力侧壁的翼面。所述翼面与所述平台连接在一起。所述涡轮机叶片还包括至少一个在所述压力侧壁和吸力侧壁之间的冷却空腔，和多个纵向分开的沿后缘延伸的后缘冷却槽。所述后缘冷却槽与所述冷却空腔流动连通，并且沿后缘布置成不均匀的分布，从而使所述后缘的至少一部分上的后缘冷却槽数量多于所述后缘其它不同部分上的槽数量。
另一方面，本发明提供了一种冷却转子叶片翼面后缘的方法。所述翼面包括前缘、后缘、压力侧壁和吸力侧壁、至少一个在所述压力侧壁和吸力侧壁之间的冷却空腔、和多个纵向分开的沿后缘延伸的后缘冷却槽。所述后缘冷却槽与所述冷却空腔流动连通，并且沿后缘布置成不均匀的分布，从而使所述后缘的至少一部分上的后缘冷却槽数量多于所述后缘其它不同部分上的槽数量。所述方法包括向冷却空腔提供冷却空气，并引导一部分冷却空气通过多个冷却槽。
附图说明
图1是包括燃气轮机的燃气轮机系统的侧剖视图；
图2是在图1所示的转子叶片的透视示意图；和
图3是图2所示的转子叶片的内部示意图。
具体实施方式
在下文中将对燃气轮机转子叶片的翼面进行详细描述，所述燃气轮机转子叶片包括多个纵向分开的布置成一列的后缘冷却槽。所述冷却槽沿后缘布置成不均匀的分布，从而使所述后缘的至少一部分上的槽数量多于所述后缘其它不同部分上的槽数量。所述不均匀的冷却槽分布允许冷却空气被引导至后缘上那些暴露于最高外部温度的部分，用以改善这些区域的冷却。改进的后缘冷却减少了翼面可能发生的局部蠕变、可能发生的氧化和可能发生的低周疲劳。
参见附图，图1是包括燃气轮机20的燃气轮机系统10的侧剖视图。燃气轮机20包括压缩机部分22、包括多个燃烧器罐26的燃烧器部分24、和通过轴29与压缩机部分22连接的涡轮机部分28。多个涡轮机叶片30连接到涡轮轴29上。在涡轮机叶片30之间设置多个不旋转的涡轮机喷嘴台31，所述不旋转的涡轮机喷嘴台包括多个涡轮喷嘴32。涡轮喷嘴32与环绕着涡轮机叶片30和喷嘴32的壳体或外壳34相连接。热气体被引导通过喷嘴32以冲击叶片30，致使叶片30与涡轮轴29一起转动。
在运行中，环境空气被引入压缩机部分22内，在压缩机部分22中，环境空气被压缩至比环境空气大的压力值。所述压缩空气然后被引入燃烧器部分24，在燃烧器部分24中，所述压缩空气和燃料混合从而产生相对高压、高速的气体。涡轮机部分28被构造用以提取从燃烧器部分24中流出的所述高压高速气体中的能量。燃气轮机系统10一般通过来自自动和/或电子控制系统(未示出)的多种控制参数受到控制，所述自动和/或电子控制系统被附接到燃气轮机系统10上。
图2是可与燃气轮机20(在图1中示出)一起使用的转子叶片40的透视示意图。图3是转子叶片40的内部示意图。参见图2和图3，在典型实施方式中，多个转子叶片40形成燃气轮机20的高压涡轮机转子叶片台(未示出)。每个转子叶片40包括中空的翼面42和一体的燕尾榫43，所述燕尾榫43用于按照已公知的方式将翼面42安装到转子盘(未示出)上。
翼面42包括第一侧壁44和第二侧壁46。第一侧壁44是中凸的并且限定出翼面42的吸力侧面，第二侧壁46是中凹的并且限定出翼面42的压力侧面。侧壁44和46在翼面42的前缘48处和轴向隔开的后缘50处相连接，所述后缘50位于前缘48的下游。
第一侧壁44和第二侧壁46分别沿纵向或径向向外在邻近燕尾榫43的叶片根部52和限定出内部冷却室56的径向外边界的顶板54的范围内延伸。冷却室56被限定在翼面42内侧壁44和46之间。翼面42的内部冷却在该技术领域已公知。在该典型实施方式中，冷却室56包括一条用压缩机排出空气进行冷却的蛇形通道58。
冷却空腔56与沿后缘50纵向(轴向)延伸的多个后缘槽70流动连通。特别是，后缘槽70沿压力侧壁46延伸至后缘50。每个后缘槽70包括凹壁72，所述凹壁72通过第一侧壁74和第二侧壁76与压力侧壁46隔开。冷却空腔出口78从冷却空腔56延伸至邻近凹壁72的每个后缘槽70。每一个凹壁72从后缘50延伸至冷却空腔出口78。多个脊部80将每一个后缘槽70与相邻的后缘槽70隔开。侧壁74和76从脊部80开始延伸。
后缘槽70沿后缘50布置成不均匀的分布，从而使所述后缘50的第一部分82上的槽70的数量多于所述后缘50第二部分84上的槽数量。特别是，位于后缘50的第一部分82上的后缘冷却槽70之间的距离不同于位于后缘50的第二部分84上的后缘冷却槽70之间的距离。具体而言，每英寸后缘50的第一部分82上的后缘冷却槽70的数量比每英寸后缘50的第二部分84上的后缘冷却槽70的数量多。同时，后缘50的第一部分82上的后缘冷却槽70的数量比后缘50的第三部分86上的后缘冷却槽70的数量多。图2和图3所示的翼面42的典型实施方式包括三部分具有不同数量冷却槽70的后缘50。在其它可选实施方式中，翼面42可包括具有沿后缘50呈不均匀分布的冷却槽的两个或更多部分的后缘50。
冷却槽的所述不均匀分布允许冷却空气被引导至后缘50上暴露于最高外部温度的那些部分，用以改善这些区域的冷却。改进的后缘50的冷却减少了翼面可能发生的局部蠕变、可能发生的氧化和可能发生的低周疲劳。
虽然已通过不同的具体实施方式对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员应意识到：可使用在技术方案的精神和范围内的变型实践本发明。
部件列表
燃气轮机系统10
燃气轮机20
压缩机部分22
燃烧器部分24
燃烧器罐26
涡轮机部分28
轴29
涡轮机叶片30
喷嘴台31
涡轮喷嘴32
外壳34
转子叶片40
中空翼面42
燕尾榫43
第一侧壁44
第二侧壁46
前缘48
后缘50
叶片根部52
顶板54
内部冷却室56
蛇形通道58
后缘槽70
凹壁72
第一侧壁74
第二侧壁76
开口78
脊部80
后缘第一部分82
后缘第二部分84
后缘第三部分86

Claims (10)

1、一种燃气轮机(20)的翼面(42)，所述翼面包括：
前缘(48)；
后缘(50)；
顶板(54)；
在翼面根部(52)和所述顶板之间的径向范围内延伸的第一侧壁(44)；
与所述第一侧壁在所述前缘和所述后缘处连接从而限定出在其中的冷却空腔(56)的第二侧壁(46)，所述第二侧壁在所述翼面根部和所述顶板间的径向范围内延伸；
多个纵向分开的后缘冷却槽(70)，所述后缘冷却槽布置成一列，延伸穿过所述第一侧壁，所述槽与所述冷却空腔流动连通并沿所述后缘布置成不均匀的分布，从而使所述后缘的至少一部分(82)，(84)，(86)上的槽数量多于所述后缘其它不同部分上的槽数量。
2、根据权利要求1所述的翼面(42)，进一步包括：
位于所述后缘(50)的第一部分(82)上的所述后缘冷却槽(70)之间的第一距离；
位于所述后缘的第二部分(84)上的所述后缘冷却槽之间的第二距离，所述第一距离不同于所述第二距离。
3、根据权利要求1所述的翼面(42)，其中所述后缘(50)包括多个部分(82)，(84)，(86)，每个所述部分上每英寸中包括多个后缘冷却槽(70)，在选定部分上每英寸中的后缘冷却槽的数量与相邻部分上每英寸中的后缘冷却槽数量不同。
4、根据权利要求3所述的翼面(42)，其中所述后缘(50)包括：
第一部分(82)，其上每英寸中包括第一数量的后缘冷却槽(70)；
第二部分(84)，其上每英寸中包括第二数量的后缘冷却槽；和
第三部分(86)，其上每英寸中包括第三数量的后缘冷却槽；所述第一部分从所述翼面根部(52)延伸至所述第二部分，所述第二部分从所述第一部分延伸至所述第三部分，所述第三部分从所述第二部分延伸至所述顶板(54)；
每英寸中后缘冷却槽的所述第二数量比每英寸中后缘冷却槽的所述第一和所述第三数量多。
5.根据权利要求1所述的翼面(42)，其中所述后缘包括：
第一后缘冷却槽(70)；
第二后缘冷却槽；
第三后缘冷却槽；
在所述第一和第二后缘冷却槽之间的第一距离；
在所述第二和第三后缘冷却槽之间的第二距离，所述第一距离与所述第二距离不同。
6.一种涡轮机叶片(30)，包括：
平台；
燕尾榫(43)；
连接至所述平台和所述燕尾榫的柄部；
翼面(42)，所述翼面包括前缘(48)、后缘(50)、压力侧壁(46)和吸力侧壁(44)，所述翼面与所述平台相连接；
至少一个在所述压力侧壁和所述吸力侧壁之间的冷却空腔(56)；和
多个纵向分开的沿所述后缘延伸的后缘冷却槽(70)，所述后缘冷却槽与所述冷却空腔流动连通并沿所述后缘布置成不均匀的分布，从而使所述后缘的至少一部分上的后缘冷却槽数量多于所述后缘其它不同部分上的槽数量。
7.根据权利要求6所述的涡轮机叶片(30)，其中所述翼面(42)进一步包括：
位于所述后缘(50)的第一部分(82)上的所述后缘冷却槽(70)之间的第一距离；
位于所述后缘的第二部分(84)上的所述后缘冷却槽之间的第二距离，所述第一距离不同于所述第二距离。
8.根据权利要求6所述的涡轮机叶片(30)，其中所述翼面后缘(50)包括多个部分(82)，(84)，(86)，每个所述部分上每英寸中包括多个后缘冷却槽(70)，在选定部分上每英寸中的后缘冷却槽的数量与相邻部分上每英寸中的后缘冷却槽数量不同。
9.根据权利要求8所述的涡轮机叶片(30)，其中所述翼面后缘(50)包括：
第一部分(82)，其上每英寸中包括第一数量的后缘冷却槽(70)；
第二部分(84)，其上每英寸中包括第二数量的后缘冷却槽；和
第三部分(86)，其上每英寸中包括第三数量的后缘冷却槽；所述第一部分从所述翼面根部(52)延伸至所述第二部分，所述第二部分从所述第一部分延伸至所述第三部分，所述第三部分从所述第二部分延伸至所述顶板(54)；
每英寸中后缘冷却槽的所述第二数量比每英寸中后缘冷却槽的所述第一和所述第三数量多。
10.根据权利要求6所述的涡轮机叶片(30)，其中所述翼面后缘(50)包括：
第一后缘冷却槽(70)；
第二后缘冷却槽；
第三后缘冷却槽；
在所述第一和第二后缘冷却槽之间的第一距离；
在所述第二和第三后缘冷却槽之间的第二距离，所述第一距离与所述第二距离不同。
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