CN1749533A - 冷却涡轮叶片平台的装置和方法 - Google Patents

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CN1749533A CNA2005101040346A CN200510104034A CN1749533A CN 1749533 A CN1749533 A CN 1749533A CN A2005101040346 A CNA2005101040346 A CN A2005101040346A CN 200510104034 A CN200510104034 A CN 200510104034A CN 1749533 A CN1749533 A CN 1749533A
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Abstract

叶片(10)具有一翼面(12)，一根部(14)和在该根部和翼面之间的一平台(16)。该翼面包含一蛇形的冷却回路(18)，并且该平台包含多个空腔(40，62，54)。一个或多个空腔(40，62)中的每一个具有一个蛇形冷却回路。冷却介质从该翼面冷却回路的一条通道(20，30，22)中抽取，用于在该平台冷却回路中流动，并用于返回至该翼面回路的另一条通道(24，34)；或返回至后缘出口(36)。这样，该平台冷却回路可以对流方式冷却该平台的高压侧和低压侧。

Description

冷却涡轮叶片平台的装置和方法
发明背景
本发明涉及涡轮叶片，尤其涉及用以冷却连接在叶片翼面和叶片根部之间的平台的冷却系统。
背景技术
多年来，燃气涡轮的趋势是向着提高点火温度发展，以改善输出和发动机效率。当燃气通道温度增加时，叶片平台逐渐显示出包括氧化，蠕变和低循环疲劳裂纹在内的损坏。随着闭路蒸汽冷却的出现，例如在工业燃气轮机的最初二级叶片和喷咀中，入口的轮廓使得该平台暴露在接近该排叶片的入口峰值温度的温度中。因为叶片在更热的温度下运行，这使得对叶片平台可能的损坏更加剧。
许多较老的叶片设计，由于点火温度低，不需要积极的冷却该平台。另外，由上游喷咀侧壁带来的薄膜冷却，由于产生入口温度分布的“中心线偏移”，可使该平台附近的温度降低。通过钻削穿过该平台的孔和利用压缩机排出的空气，一些设计已经使用薄膜冷却来在该平台表面口形成一个较冷的隔热薄膜层，以保护该平台表面不受气体流动通道的高温的影响。这只限于有足够压力喷射薄膜的区域，并且许多当前的设计没有足够的压力来以薄膜方式冷却该平台的全部。因此，需要一种将该平台温度降低至满足包括燃气轮机的蒸汽或空气冷却叶片的氧化、蠕变和低循环疲劳裂纹的部件寿命或耐久性要求所需程度的冷却系统。
发明概述
在本发明的一个优选方面中，提供了具有一翼面，一根部和在该翼面和该根部之间的界面上的一平台的叶片。该翼面具有包含多条通道的一条冷却回路，用于接收冷却介质和使该冷却介质沿着该翼面流动，以冷却该翼面。该平台具有包含沿其下侧的一个空腔的一冷却回路。该空腔具有与该多条通道中的一条通道连通的一入口，用于从该一条通道中抽取至少一部分冷却介质，并使该抽取的该部分冷却介质在该空腔的平台冷却回路内流动，以对流方式冷却该平台。该空腔具有与该翼面的另一条冷却通道连通的一出口。
在本发明的另一个优选方面中，提供了具有一翼面，一根部和在该翼面和该根部之间的界面上的一平台的叶片。所述翼面具有包含多条基本上沿着径向延伸的通道的一条冷却回路，用于接收冷却介质和使该冷却介质沿着该翼面流动，以冷却该翼面。冷却该平台的方法包括下列步骤：在该平台的下侧内或沿着该下侧形成一个空腔，从所述多个翼面冷却通道的一条通道中抽抽取至少一部分冷却介质，使该抽取的一部分冷却介质在该平台内流动。该空腔的冷却回路可以对流方式冷却该平台。另外，该方法还包含使用过的冷却介质从所述空腔通过与该翼面的另一条冷却通道连通的出口流动的步骤。
附图简述
图1为根据本发明的一个优选方面的包括一个平台冷却系统的涡轮叶片的透视图；
图2为表示该平台冷却系统的一个例子的，在基本上是沿半径在该叶片向外方向看的通过该平台的横截面图；和
图3为表示本发明的另一个方面的与图2相同的图。
优选实施例说明
现参见附图，具体是图1。图中表示一个燃气涡轮的叶片10，它包括一个翼面12和一个叶片根部14。叶片平台16位于该翼面12和根部14之间的界面上。在图2中，该翼面12具有一条冷却回路18，该冷却回路包括多个基本上为径向的通道，用于接收冷却介质和使该冷却介质沿着该翼面12流动，以冷却该翼面。该冷却介质可以由蒸汽或空气构成，并且在该翼面12内可以设置任何数目的冷却通道。例如，如图2所示有8条通道，形成该翼面的冷却回路。该通道可以为蒸汽冷却的闭路形式，与共同受让人的美国专利5536143中所提出的相同；或者该通道可以包括具有终止在该翼面顶部的出口孔、例如图1所示的出口孔20中的一条或多条通道的开放回路。最好，在该翼面内的该冷却回路基本上为蛇形形状。
参见图2可看出，该翼面冷却回路18包括基本上为径向的通道20，22，24，26，28，30，32和34。在图2中，通道20，24，28和32中的右侧向上的三角形表示该冷却介质的基本上沿径向向外的流动，而通道22，26，30和34中的颠倒向下的三角形表示该冷却介质的基本上沿径向的向内流动。在该冷却介质的蛇形流动通道，例如闭路里汽冷却中，该冷却介质进入前缘通道20，并且交替地通过各个翼面通道，沿径向向外和沿径向向内流动，最后通过后缘通道34返回，将该冷却介质排出至冷却介质出口36中。
再参见图2可看出，每一个叶片的平台16包括至少一个沿着该平台下侧或在该平台内形成的空腔，并且包括一个冷却该平台的冷却回路。最好，在每一个平台中设置三个空腔，每一个空腔都有冷却该平台的一条冷却回路。第一冷却该平台的回路用40表示。在回路38中，该冷却介质从该翼面12的第一沿径向向外的通道20的入口抽取。这样，该第一冷却回路的冷却介质入口42将冷却空气送至图2中箭头44所示的基本上为蛇形形状的冷却通道中。该空腔40一般位于该平台16内，并且，壁部分46和48与该空腔的外壁一起，形成该冷却通道的基本上的口蛇形形状。当蒸汽为冷却介质时，该蛇形冷却通道44也具有将一部分蒸汽排出至后缘冷却通道34中的一个出口50。该后缘通道34和该出口36在该翼面的根部内综合，将用过的冷却蒸汽返回至没有示出的热回收蒸汽发生器中。从图2的说明中可看出，该平台16的空腔40中的冷却回路38以对流方式冷却该平台的低压侧，即在该翼面的压力侧下面的该平台的一侧。
第二平台冷却回路52包括在该平台16的下侧或沿着该下侧形成的第二空腔54。该第二空腔54包括与在径向向内流动的冷却介质连通的一个入口56或该翼面12的第二冷却通道22，和与在第三翼面冷却通道24中沿径向向外流动的冷却介质连通的一个出口58。当冷却剂通过第二平台冷却回路，然后将该冷却介质排出至第三通路24中时，从通道22抽取，进入空腔54中的冷却介质以对流方式冷却该平台16的高压侧的一部分。
第三平台回路60包括在或沿着该平台16的下侧形成的一个空腔62。该第三空腔62包括与在该翼面12的第六条通道30中，沿径向向内流动的冷却介质连通的一个入口64。空腔62还包括与沿着该翼面12的后缘通道34，沿径向向内流动的冷却介质连通的一个出口66。空腔62还包括壁68和70，它们与该空腔的外壁一起，形成在该第三冷却该平台的回路内的蛇形冷却流动72。这样，该第三冷却该平台的回路以对流方式冷却与该翼面的低压侧相邻的该平台的高压侧的一部分。结果，通过结合至少二个最好是所有三个平台冷却回路，该平台的低压侧和高压侧都可被该冷却介质以对流方式冷却。如希望，该叶片可以使用一条、二条或所有三条冷却回路。
图3表示根据本发明的一个方面的平台冷却回路的另一个例子。在这个方面中，在该第一空腔40中的第一条冷却回路维持相同，并且用相同的标号表示相同的零件。同样，除了第二平台冷却回路的出口直接输出，并且不通过任何翼面冷却回路通道，将该冷却介质送至该第三冷却回路60以外，图3的第二空腔54与图2的空腔52相同，并且用相同的括号表示相同的零件。具体地说，图3所示的该实施例的第二空腔54包括一个直接与该第三空腔62连通的出口80。该出口80可作为空腔62的入口82。如同在图2的实施例中那样，相同的标号表示在该第三空腔中的相同的零件，并且，该平台冷却回路的剩余部分与图2所示的部分相同。
该平台中的通道可利用陶瓷芯子形成，或通过用失蜡法，而蜡模铸造法用蜡制成该芯子而形成。在后一种方法中，通过焊接或铜焊在该叶片上连接的一个没有示出的板，完全包围该通道，以形成该冷却回路。该回路的结构不是仅限于图2和3所示的例子。例如，如果在该回路中有足够大的压力从入口排出，可使该通道中的传热速率足够高，则该冷却介质可从该翼面的主要的蛇形通道中的任何通道抽取，并排出至该翼面的主要蛇形冷却回路的任何通道中。
虽然结合目前认为是最实际和最优的实施例说明了本发明，但应理解，本发明不仅限于所述的实施例，而相反，在所附权利要求书的精神和范围内，它涵盖各种改进和等同的结构。
零件清单839-1609-GE 150 864
10--叶片
12--翼面
14--根部
16--平台
18--回路
20--通道
22--通道
24--通道
26--通道
28--通道
30--通道
32--通道
34--通道
38-冷却回路
52--冷却回路
60--冷却回路
40--空腔
54--空腔
62--空腔
42--入口
56--入口
64--入口
82--入口
20--通道
22--通道
50--出口
58--出口
66--出口
34--冷却通道
24--冷却通道
44--蛇形形状的流动通道
72--蛇形形状的流动通道
38--冷却回路
42--入口
36--后缘出口

Claims (10)

1.一种叶片(10)，具有一翼面(12)，一根部(14)和在该翼面和该根部之间的界面处的一平台(16)，所述翼面具有一条冷却回路(18)，该冷却回路包含多条基本上径向的通道(20，22，24，26，28，30，32，34)，用于接收冷却介质，并使该冷却介质沿着该翼面流动，以冷却该翼面，所述平台具有一冷却回路(38，52，60)，该冷却回路包含在其下侧内或沿其下侧的一个空腔(40，54，62)，所述空腔具有与所述通道中的一条通道(20，22)连通的一入口(42，56，64，82)，用于从所述一条通道抽取至少一部分冷却介质，并使该抽取的一部分冷却介质在该空腔的平台冷却回路内流动，以对流方式冷却该平台，所述空腔具有与该翼面的另一条冷却通道(34，24)连通的一出口(50，58，66)。
2.如权利要求1所述的叶片，其特征为，所述平台冷却回路包含在所述空腔内的一条基本上为蛇形的流动通道(44，72)。
3.如权利要求1所述的叶片，其特征为，所述另一条通道(34)构成后缘冷却通道的一部分。
4.如权利要求1所述的叶片，其特征为，所述平台冷却回路(38)包含在所述空腔(40)内的一条基本上为蛇形的流动通道(44)，所述翼面冷却回路的所述多条通道形成一条基本久为蛇形的翼面冷却回路，该冷却回路的所述一条通道(20)用于使该冷却介质沿着该翼面基本上沿径向向外方向流动，而另一条通道(34)用于使该冷却介质基本上沿径向向内方向流动，所述空腔的所述入口(42)与所述一条通道(20)连通。
5.如权利要求4所述的叶片，其特征为，所述空腔的所述出口(80)与所述另一条通道(34)连通。
6.如权利要求1所述的叶片，其特征为，所述空腔(40)沿着该平台的低压侧延伸，所述空腔(54，62)沿着所述平台的高压侧延伸。
7.如权利要求1所述的叶片，其特征为，所述平台包含在其下侧内或沿其下侧的第二空腔(62)，所述第二空腔具有与所述第二通道(30)连通的一入口(64)，用于从所述第二通道抽取至少一部分冷却介质，并使该抽取的一部分冷却介质在该平台冷却回路的第二空腔内流动，以对流方式冷却该平台，所述第二空腔具有与该翼面的冷却通道中的另一条通道(34)连通的一出口(66)。
8.如权利要求7所述的叶片，其特征为，所述平台冷却回路分别包含在该第一和第二空腔(40，62)内的基本上为蛇形的流动通道(44，72)。
9.如权利要求7所述的叶片，其特征为，所述平台包含在其下侧内或沿其下侧的第三空腔(54)，所述第三空腔具有与所述第三通道(22)连通的一入口(56)，用于从所述第三通道抽取至少是一部分冷却介质，并使该抽取的一部分冷却介质在该平台的第三空腔内流动，以对流方式冷却该平台；所述第三空腔具有与该翼面冷却通道的又一条通道(24)连通的一出口(58)。
10.如权利要求9所述的叶片，其特征为，所述平台冷却回路分别包含在至少是该第一空腔(40)和第三空腔(62)内，基本上为蛇形的流动通道(44，72)，所述第一空腔(40)，第二空腔(62)和第三空腔(54)位于所述平台的相反低压侧，高压侧和高压侧上。
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