[發明專利]用于冷卻渦輪轉子葉片平臺區的設備及方法

有效

• 申請號: 201110462735.2
• 申請日: 2011-12-30
• 公開（公告）號: CN102619574A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: B·T·博伊爾
• 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: 朱鐵宏;譚祐祥

技術領域

本申請主要涉及燃燒渦輪發動機，如本文所用且除非另外明確聲明，燃燒渦輪發動機包括所有類型的燃燒渦輪發動機，例如用于發電和航空發動機中的那些。更具體而言，但非通過限制的方式，本申請涉及用于冷卻渦輪轉子葉片的平臺區的設備、系統和/或方法。

背景技術

燃氣渦輪發動機通常包括壓縮機、燃燒器和渦輪。壓縮機和渦輪主要包括軸向地疊置成多級的翼型件列或葉片列。各級通常均包括固定的一排周向間隔開的定子葉片，以及圍繞中心軸線或軸旋轉的一組周向間隔開的轉子葉片。在操作中，壓縮機中的轉子葉片圍繞軸旋轉以壓縮空氣流。然后，壓縮空氣在燃燒器內使用以燃燒供送的燃料。由燃燒過程產生的熱氣流膨脹穿過渦輪，這導致轉子葉片使它們所附接的軸旋轉。以此方式，燃料中所包含的能量轉變成旋轉軸的機械能，然后，該機械能例如可用于使發電機的線圈旋轉以發電。

參看圖1和圖2，渦輪轉子葉片100通常包括翼型部分或翼型件102，以及根部部分或根部104。翼型件102可描述為具有凸出的吸入面105和凹入的壓力面106。翼型件102還可描述為具有作為前方邊緣的前緣107，以及作為后方邊緣的后緣108。根部104可描述為具有用于將葉片100附連到轉子軸上的結構(如圖所示，其通常包括燕尾部(dovetail)109)、翼型件102自其延伸的平臺110，以及包括處在燕尾部109與平臺110之間的結構的柄部112。

總體而言，平臺110在渦輪轉子葉片100上用于形成燃氣輪機熱氣體路徑區段的內部流動路徑邊界。平臺110還向翼型件102提供結構支承。在操作中，渦輪的旋轉速度引起沿平臺110產生較高應力區的機械加載，當較高應力區結合高溫時，最終導致形成操作缺陷，例如氧化、蠕變、低周疲勞開裂等。當然，這些缺陷不利地影響轉子葉片100的使用壽命。將會認識到的是，這些惡劣的操作條件，也即經受熱氣體路徑的極端溫度和與旋轉葉片相關的機械加載，在良好運轉且成本效益合算地制造的耐用持久的轉子葉片110的設計中產生相當大的挑戰。

使平臺區110更為耐用的一種常用解決方案是在操作期間利用壓縮空氣流或其它冷卻劑流來對其冷卻，且公知有許多這些類型的平臺設計。然而，如本領域的技術人員將認識到的那樣，平臺區110提出了使其很難以這種方式冷卻的設計挑戰。很大程度上，這歸因于該區難以處理的幾何形狀，因為正如所述那樣，平臺110為遠離轉子葉片的中心內核(core)安置的外圍構件且通常設計為具有結構上合理但較薄的徑向厚度。

為了使冷卻劑循環，轉子葉片100通常包括一個或多個中空冷卻通路116(見圖3、圖4和圖5)，冷卻通路116至少沿徑向延伸穿過葉片100的內核，包括穿過根部104和翼型件102。如下文更為詳細描述的那樣，為了加強熱交換，此類冷卻通路116可形成為具有蛇形路徑，該蛇形路徑蜿蜒穿過葉片100的中心區，但其它構造也是可能的。在操作中，冷卻劑可經由形成在根部104的內部部分中的一個或多個入口117而進入中心冷卻通路。冷卻劑可循環穿過葉片100，且經由形成在翼型件上的出口(未示出)和/或經由形成在根部104中的一個或多個出口(未示出)流出。冷卻劑可加壓，且例如可包括加壓空氣、與水混合的加壓空氣、蒸汽等。在許多情況下，冷卻劑為從發動機的壓縮機轉移而來的加壓空氣，但其它來源也是可能的。如下文更為詳細描述那樣，這些冷卻劑通路通常包括高壓冷卻劑區和低壓冷卻劑區。高壓冷卻劑區通常對應于具有較高冷卻劑壓力的冷卻通路的上游部分，而低壓冷卻劑區則對應于具有相對較低冷卻劑壓力的下游部分。

在一些情況下，冷卻劑可從冷卻通路116引送至形成在柄部112與相鄰轉子葉片100的平臺110之間的空腔119中。由此，冷卻劑可用于冷卻葉片的平臺區110，圖3中提供了此種葉片的常規設計。這種類型的設計通常從其中的一個冷卻通路116獲取空氣并使用該空氣來加壓形成在柄部112/平臺110之間的空腔119。一旦加壓，則該空腔119然后將冷卻劑供送至延伸穿過平臺110的冷卻通道(channel)。在橫穿平臺110之后，冷卻空氣可經由形成在平臺110的頂側113中的膜冷卻孔離開空腔。