[發(fā)明專(zhuān)利]渦輪轉(zhuǎn)子葉片中的內(nèi)部冷卻構(gòu)造

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611176809.5
• 申請(qǐng)日: 2016-12-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106968721B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-07-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: S.S.賈伊斯瓦爾;R.舒罕
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 通用電氣公司
• 主分類(lèi)號(hào): F01D5/14
• 分類(lèi)號(hào): F01D5/14;F01D5/18
• 代理公司: 中國(guó)專(zhuān)利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 朱鐵宏;譚祐祥

本發(fā)明涉及渦輪轉(zhuǎn)子葉片中的內(nèi)部冷卻構(gòu)造。具體地，一種渦輪轉(zhuǎn)子葉片，包括限定在凹入壓力面和側(cè)向相對(duì)的凸起吸力面之間的翼型件，以及包括用于接收和引導(dǎo)冷卻劑穿過(guò)轉(zhuǎn)子葉片內(nèi)部的冷卻通道的冷卻構(gòu)造。冷卻通道可包括流體地連接的部段，在其中：供給部段徑向地延伸穿過(guò)翼型件；出口部段相對(duì)于工作流體穿過(guò)渦輪的流動(dòng)方向以淺角度從轉(zhuǎn)子葉片排出冷卻劑；以及肘管部段將供給部段連接至出口部段并且定位在翼型件的外側(cè)末端附近。肘管部段可構(gòu)造成用于適應(yīng)在供給部段和出口部段之間的方向變化。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中葉片的內(nèi)部冷卻通道和構(gòu)造。更具體地而非作為限制，本申請(qǐng)涉及形成在渦輪轉(zhuǎn)子葉片的外部徑向末端(tip)附近的內(nèi)部冷卻通道和結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

背景技術(shù)

將應(yīng)理解，燃燒或燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)（“燃?xì)鉁u輪”）包括在其中成列的葉片軸向地疊置成級(jí)的壓縮機(jī)和渦輪區(qū)段。每個(gè)級(jí)均包括固定的一列環(huán)向隔開(kāi)的定子葉片，以及圍繞中心渦輪軸線(xiàn)或軸旋轉(zhuǎn)的一列轉(zhuǎn)子葉片。在操作中，一般而言，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉片圍繞軸旋轉(zhuǎn)，并且與定子葉片一致地作用來(lái)壓縮空氣流。供給的壓縮空氣然后在燃燒器中用來(lái)燃燒供給的燃料。由燃燒產(chǎn)生的熱膨脹氣體（也即，工作流體）流經(jīng)由發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪區(qū)段膨脹。穿過(guò)渦輪的工作流體流通過(guò)定子葉片再次引導(dǎo)到轉(zhuǎn)子葉片上由此引起旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子葉片連接至中心軸，使得轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)致使軸旋轉(zhuǎn)。這樣，包含在燃料中的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械能，該機(jī)械能例如可用來(lái)旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子葉片以致于產(chǎn)生燃燒所需的壓縮空氣的供給，以及用來(lái)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的線(xiàn)圈以致于生成電力。在操作期間，由于熱氣體路徑的極端溫度、工作流體的速度以及發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，渦輪內(nèi)的葉片在極端的機(jī)械和熱負(fù)載下變得經(jīng)受高度應(yīng)力。

設(shè)計(jì)高效且成本合算的燃?xì)鉁u輪是一項(xiàng)持續(xù)且重要的目標(biāo)。盡管已知有若干策略用于提高燃?xì)鉁u輪的效率，但其保持為有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)，因?yàn)榇祟?lèi)替代方案（例如，包括增大發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸、提高經(jīng)過(guò)熱氣體路徑的溫度，以及提高轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)速度）通常使附加的應(yīng)變置于葉片和已經(jīng)受高度應(yīng)力的其它熱氣體路徑構(gòu)成部件上。因此，減小置于渦輪葉片上的操作應(yīng)力或容許渦輪葉片更好地耐受這些應(yīng)力以便發(fā)動(dòng)機(jī)可更為高效地操作的改進(jìn)設(shè)備、方法或系統(tǒng)仍然是對(duì)于技術(shù)改進(jìn)的重要方面。

用于減輕葉片上應(yīng)力的一個(gè)策略是通過(guò)在操作期間對(duì)它們主動(dòng)地冷卻。此種冷卻可容許葉片更好地耐受更高的點(diǎn)火溫度和機(jī)械應(yīng)力，這可延長(zhǎng)葉片的壽命和通常使得發(fā)動(dòng)機(jī)更為成本合算和高效地操作。在操作期間冷卻葉片的一種方式是通過(guò)使用內(nèi)部冷卻通道或回路。一般來(lái)講，這包括傳送來(lái)源于壓縮機(jī)的相對(duì)冷卻的供給壓縮空氣經(jīng)過(guò)內(nèi)部冷卻通道。如將認(rèn)識(shí)到那樣，由于眾多原因，在設(shè)計(jì)和制造這些內(nèi)部冷卻通道時(shí)要求非常謹(jǐn)慎。

第一，冷卻空氣的使用降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。具體地，來(lái)自壓縮機(jī)的經(jīng)轉(zhuǎn)向用于冷卻目的的空氣為否則可在燃燒過(guò)程中使用的空氣。因此，此種空氣的使用必然地減少了燃燒可用的空氣，且因此降低了總體效率。這要求冷卻通道高度有效以便最小化用于冷卻的空氣用量。第二，較新的渦輪葉片設(shè)計(jì)要求侵略性地成型的空氣動(dòng)力學(xué)構(gòu)造，其較薄并且更加彎曲或扭曲。這些新型的葉片構(gòu)造給予另一優(yōu)質(zhì)到緊湊且高效的通道上。這些新型設(shè)計(jì)也產(chǎn)生空間約束，其阻礙或限制使用常規(guī)方式來(lái)制造傳統(tǒng)的冷卻通道構(gòu)造。第三，內(nèi)部冷卻通道必須構(gòu)造成促進(jìn)重量輕的轉(zhuǎn)子葉片，同時(shí)仍提供足夠結(jié)實(shí)的結(jié)構(gòu)用于耐受極端加載。也就是說(shuō)，盡管冷卻通道設(shè)計(jì)為減輕葉片總體重量的有效方式（其提升效率并且降低機(jī)械負(fù)載），但葉片仍必須保持非常有回彈力的。因此，冷卻通道必須設(shè)計(jì)成移除材料和重量，同時(shí)仍促進(jìn)結(jié)構(gòu)的回彈性。內(nèi)部布置也必須避免應(yīng)力集中或冷卻不足的區(qū)域（或“熱點(diǎn)”），其可不利地影響部件壽命。第四，冷卻構(gòu)造也必須設(shè)計(jì)成以便排出的冷卻劑促進(jìn)表面冷卻和高效的空氣動(dòng)力學(xué)操作。具體地，由于冷卻通道典型地在冷卻劑循環(huán)經(jīng)過(guò)內(nèi)部冷卻通道后將其排出到工作流體流路中，另一設(shè)計(jì)考慮因素涉及使用排出的冷卻劑用于表面冷卻以及最小化與其相關(guān)聯(lián)的空氣動(dòng)力學(xué)損失。排出的冷卻劑常常預(yù)期在其釋放之后用以對(duì)葉片的外表面或區(qū)域提供冷卻，并且這必須與內(nèi)部冷卻策略相結(jié)合而且考慮空氣動(dòng)力學(xué)性能。