[發(fā)明專利]用于冷卻渦輪機轉子葉片的平臺區(qū)域的裝置和方法

有效

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• 申請日: 2011-10-28
• 公開（公告）號: CN102454428A
• 公開（公告）日: 2012-05-16
• 發(fā)明（設計）人: J·W·小哈里斯;C·A·比勒;S·E·艾利斯;X·付
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 嚴志軍;譚祐祥

技術領域

本申請總體涉及燃燒渦輪發(fā)動機，其如本文所用且除非特別說明否則包括所有類型的燃燒渦輪發(fā)動機，例如用于發(fā)電的那些渦輪發(fā)動機和航空發(fā)動機。更具體地說，但不作為限制，本申請涉及用于冷卻渦輪機轉子葉片的平臺區(qū)域的裝置、系統(tǒng)和/或方法。

背景技術

燃氣渦輪發(fā)動機典型地包括壓縮機、燃燒器和渦輪。壓縮機和渦輪通常包括幾排成級軸向地堆疊起來的翼型件或葉片。各級典型地包括周向間隔開的固定的一排定子葉片和圍繞中心軸線或軸而旋轉的周向間隔開的一組轉子葉片。在操作過程中，壓縮機中的轉子葉片圍繞軸而旋轉，從而壓縮空氣流。壓縮空氣然后在燃燒器內用于燃燒燃料供給。由燃燒過程導致的熱氣體流通過渦輪進行膨脹，其造成轉子葉片使它們附接在其上的軸旋轉。通過這種方式，包含在燃料中的能量被轉換成旋轉軸的機械能，其然后可用于例如使發(fā)電機的線圈旋轉，從而產生電力。

參看圖1和圖2，渦輪機轉子葉片100通常包括翼型件部分或翼型件102和根部部分或根部104。翼型件102可被描述為具有凸起的吸力面105和凹入的壓力面106。翼型件102可被進一步描述為具有前緣107和后緣108，前緣107是前部邊緣，后緣108是后部邊緣。根部104可被描述為具有用于將葉片100固定在轉子軸上的結構(其如圖所示典型地包括燕尾榫109)、平臺110和柄部112，翼型件102從平臺110延伸，柄部112包括位于燕尾榫109和平臺110之間的結構。

如圖所示，平臺110可為大體平坦的。更具體地說，平臺110可具有平坦的頂側面113，其如圖1中所示可包括軸向且周向延伸的平坦表面。如圖2中所示，平臺110可具有平坦的下側面114，其可包括軸向且周向延伸的平坦表面。平臺110的頂側面113和底側面114可形成為使得各自大體上彼此平行。如圖所示，應該懂得平臺110典型地具有薄的徑向剖面，即在平臺110的頂側面113和底側面114之間具有相對較短的徑向距離。

通常，在渦輪機轉子葉片100上采用平臺110以形成燃氣渦輪機的熱氣道部段的內部流道邊界。平臺110進一步為翼型件102提供了結構支撐。在操作過程中，渦輪的旋轉速度引起了機械負載，其產生了沿著平臺110的高應力區(qū)域，其當與高溫結合時最終會造成操作缺陷的形成，例如氧化、蠕變、低循環(huán)疲勞開裂以及其它缺陷。這些缺陷當然對轉子葉片100的有效壽命產生負面影響。應該懂得這些苛刻的操作條件，即暴露于熱氣道的極端溫度和與旋轉葉片相關聯的機械負載下，在設計性能良好且制造成本合算的耐用持久的轉子葉片平臺110方面產生了相當大的挑戰(zhàn)。

使平臺區(qū)域110變得更加耐用的一種常見方法是在操作期間利用壓縮空氣流或其它冷卻劑冷卻它，并且這些類型的各種平臺設計是已知的。然而，本領域普通技術人員應該懂得，平臺區(qū)域110存在致使難以如此冷卻某些設計挑戰(zhàn)。這很大一部分是由于該區(qū)域難于使用的幾何形狀，因為如所述的，平臺110是一種外圍構件，其遠離轉子葉片的中芯，并且典型地設計為具有結構上優(yōu)良但薄的徑向厚度。

為了使冷卻劑循環(huán)，轉子葉片100典型地包括一個或更多空心的冷卻通路116(見圖3，4，5和9)，其至少徑向穿過葉片100的核芯，包括穿過根部104和翼型件102。如以下更詳細所述的，為了增加熱交換，此類冷卻通路116可形成為具有蛇形路徑，其蜿蜒地穿過葉片100的中心區(qū)域，但其它構造也是可行的。在操作過程中，冷卻劑可通過形成于根部104的內側部分中的一個或更多入口117而進入中心冷卻通路。冷卻劑可循環(huán)穿過葉片100，并通過形成于翼型件上的出口(未顯示)和/或通過成形于根部104中的一個或更多出口(未顯示)而離開。冷卻劑可被加壓，并且可包括例如壓縮空氣、與水混合的壓縮空氣、蒸汽等等。在許多情況下，冷卻劑是壓縮空氣，其從發(fā)動機的壓縮機分流，但其它來源也是可行的。如以下更詳細所述的，這些冷卻通路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)域典型地與冷卻通路的上游部分相對應，其具有較高的冷卻劑壓力，而低壓冷卻劑區(qū)域與具有相對較低的冷卻劑壓力的下游部分相對應。

在一些情況下，可將冷卻劑從冷卻通路116引導至空腔119中，空腔119形成于相鄰的轉子葉片100的柄部112和平臺110之間。從中冷卻劑可用于冷卻葉片的平臺區(qū)域110，在圖3中顯示了其一種傳統(tǒng)的設計。這類設計典型地從其中一個冷卻通路116提取空氣，并使用空氣對形成于柄部112/平臺110之間的空腔119進行加壓。一旦加壓，該空腔119即將冷卻劑供給穿過平臺110的冷卻通道。在穿過平臺110之后，空氣冷卻劑可通過形成于平臺110的頂側面113中的薄膜冷卻孔而離開空腔。