[發(fā)明專(zhuān)利]用于冷卻渦輪轉(zhuǎn)子葉片的平臺(tái)區(qū)域的設(shè)備和方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110305898.X
• 申請(qǐng)日: 2011-09-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102444429A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-05-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: S·E·艾利斯;J·W·小哈里斯;A·L·斯科特
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 通用電氣公司
• 主分類(lèi)號(hào): F01D5/18
• 分類(lèi)號(hào): F01D5/18
• 代理公司: 中國(guó)專(zhuān)利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 李強(qiáng);譚祐祥

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)大體涉及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，如在本文中所用且除非特別作出其它規(guī)定，這些燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)包括所有類(lèi)型的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，例如在功率發(fā)生中使用的那些和航空發(fā)動(dòng)機(jī)。更具體而言但不以限制的方式，本申請(qǐng)涉及用于冷卻渦輪轉(zhuǎn)子葉片的平臺(tái)區(qū)域的設(shè)備、系統(tǒng)和/或方法。

背景技術(shù)

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)典型地包括壓縮機(jī)、燃燒器和渦輪。壓縮機(jī)和渦輪一般包括沿軸向堆迭成級(jí)的數(shù)排翼型件或葉片。各個(gè)級(jí)典型地包括被固定的一排沿周向隔開(kāi)的定子葉片，以及繞著中心軸線或軸旋轉(zhuǎn)的一組沿周向隔開(kāi)的轉(zhuǎn)子葉片。在運(yùn)行中，壓縮機(jī)中的轉(zhuǎn)子葉片繞著軸旋轉(zhuǎn)，以壓縮空氣流。壓縮空氣然后在燃燒器內(nèi)用來(lái)燃燒燃料供應(yīng)。由于燃燒過(guò)程而產(chǎn)生的熱氣流在渦輪中膨脹，這導(dǎo)致轉(zhuǎn)子葉片使它們所附連的軸旋轉(zhuǎn)。這樣，包含在燃料中的能量轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械能，然后例如可使用該機(jī)械能來(lái)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的線圈而產(chǎn)生電力。

參照?qǐng)D1和2，渦輪轉(zhuǎn)子葉片100一般包括翼型部分或翼型件102和根部部分或根部104。翼型件102可被描述為具有凸形吸力面105和凹形壓力面106。翼型件102可進(jìn)一步描述為具有為前部邊緣的前緣107，以及為后部邊緣的后緣108。根部104可描述為具有用于將葉片100固定到轉(zhuǎn)子軸上的結(jié)構(gòu)(如所顯示的那樣，其典型地包括鳩尾榫109)、平臺(tái)110(翼型件102從平臺(tái)110延伸)，以及包括鳩尾榫109和平臺(tái)110之間的結(jié)構(gòu)的柄部112。

如所示出的那樣，平臺(tái)110可基本為平面的。更具體而言，平臺(tái)110可具有平面的頂側(cè)113，如圖1中所示，頂側(cè)113可包括沿軸向且沿周向延伸的平的表面。如圖2中所示，平臺(tái)110可具有平面的下側(cè)114，下側(cè)114也可包括沿軸向且沿周向延伸的平的表面。平臺(tái)110的頂側(cè)113和底側(cè)114可形成為使得各自基本平行于另一個(gè)。如所描繪的那樣，將理解，平臺(tái)110典型地具有薄的徑向輪廓，即在平臺(tái)110的頂側(cè)113和底側(cè)114之間存在較短的徑向距離。

一般而言，在渦輪轉(zhuǎn)子葉片100上采用平臺(tái)110來(lái)形成燃?xì)廨啓C(jī)的熱氣路徑區(qū)段的內(nèi)部流徑邊界。平臺(tái)110進(jìn)一步為翼型件102提供了結(jié)構(gòu)性支承。在運(yùn)行中，渦輪的旋轉(zhuǎn)速度會(huì)引起機(jī)械負(fù)荷，該機(jī)械負(fù)荷會(huì)沿著平臺(tái)110產(chǎn)生高應(yīng)力區(qū)域，當(dāng)與高溫結(jié)合時(shí)，這會(huì)最終導(dǎo)致形成運(yùn)行缺陷，例如氧化、蠕變、低周(low-cycle)疲勞裂紋等。這些缺陷當(dāng)然會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子葉片100的使用壽命有負(fù)面影響。將理解，這些苛刻的運(yùn)行狀況(即暴露于熱氣路徑的極端溫度和與旋轉(zhuǎn)葉片相關(guān)聯(lián)的機(jī)械負(fù)荷)會(huì)在設(shè)計(jì)既性能良好且制造起來(lái)又成本有效的耐用持久的轉(zhuǎn)子葉片平臺(tái)110中產(chǎn)生非常大的挑戰(zhàn)。

使平臺(tái)區(qū)域110更耐用的一種常用解決方案是在運(yùn)行期間用壓縮氣體流或其它冷卻劑來(lái)冷卻它，并且各種各樣的這些類(lèi)型的平臺(tái)設(shè)計(jì)是已知的。但是，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的那樣，平臺(tái)區(qū)域110存在某些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，這使得它難以以這個(gè)方式冷卻。這很大部分是由于此區(qū)域的棘手的幾何結(jié)構(gòu)的原因，因?yàn)槿缢枋龅哪菢樱脚_(tái)110為遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子葉片的中心芯體而駐留且典型地設(shè)計(jì)成具有結(jié)構(gòu)牢固但薄的徑向厚度的周緣構(gòu)件。

為了使冷卻劑循環(huán)，轉(zhuǎn)子葉片100典型地包括一個(gè)或多個(gè)空心內(nèi)部冷卻通道116(見(jiàn)圖3、4、5和9)，該一個(gè)或多個(gè)空心內(nèi)部冷卻通道116至少沿徑向延伸通過(guò)葉片100的芯體，包括通過(guò)根部104和翼型件102。如下面更詳細(xì)地描述的那樣，為了增加熱交換，這樣的內(nèi)部冷卻通道116可形成為具有蜿蜒通過(guò)葉片100的中心區(qū)域的曲折的路徑，但是其它構(gòu)造是可行的。在運(yùn)行中，冷卻劑可通過(guò)形成于根部104的內(nèi)側(cè)部分中的一個(gè)或多個(gè)入口117進(jìn)入中心內(nèi)部冷卻通道。冷卻劑可循環(huán)通過(guò)葉片100且通過(guò)形成于翼型件上的出口(未顯示)和/或通過(guò)形成于根部104中的一個(gè)或多個(gè)出口(未顯示)而離開(kāi)。冷卻劑可被加壓，并且例如可包括加壓空氣、混合了水的加壓空氣、蒸汽等。在許多情況下，冷卻劑為從發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)中轉(zhuǎn)移的壓縮空氣，但是其它源是可行的。如下面更詳細(xì)地論述的那樣，這些內(nèi)部冷卻通道典型地包括高壓冷卻劑區(qū)域和低壓冷卻劑區(qū)域。高壓冷卻劑區(qū)域典型地對(duì)應(yīng)于內(nèi)部冷卻通道的具有較高冷卻劑壓力的上游部分，而低壓冷卻劑區(qū)域?qū)?yīng)于具有相對(duì)較低的冷卻劑壓力的下游部分。