[發明專利]渦輪轉子葉片中的內部冷卻構造

有效

• 申請號: 201611177452.2
• 申請日: 2016-12-19
• 公開（公告）號: CN106907181B
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: R.舒罕;R.R.古德;H.R.米斯特里;S.S.賈伊斯瓦爾
• 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;傅永霄

本發明涉及渦輪轉子葉片中的內部冷卻構造。具體地，一種渦輪轉子葉片，包括：限定在壓力面和吸力面之間的翼型件；末端護罩，其包括從外側表面突出的密封圍欄以及形成在密封圍欄上的切削齒；以及冷卻構造，其包括用于接收和引導冷卻劑穿過轉子葉片的內部的冷卻通道。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翼型件；切削齒部段形成在密封圍欄的切削齒內；以及分支部段形成在末端護罩和翼型件的外側區域中的至少之一內。分支部段中的每一個均可在連接至切削齒部段的上游端口和形成在目標表面區域上的出口端口之間延伸，以便分支部段對分目標內部區域。

技術領域

本申請涉及燃氣渦輪發動機中葉片的內部冷卻通道和構造。更具體地而非作為限制，本申請涉及形成在渦輪轉子葉片的外部徑向末端(tip)附近的內部冷卻通道和結構構造。

背景技術

將應理解，燃燒或燃氣渦輪發動機（“燃氣渦輪”）包括在其中成列的葉片軸向地疊置成級的壓縮機和渦輪區段。每個級均包括固定的一列環向隔開的定子葉片，以及圍繞中心渦輪軸線或軸旋轉的一列轉子葉片。在操作中，一般而言，壓縮機轉子葉片圍繞軸旋轉，并且與定子葉片一致地作用來壓縮空氣流。供給的壓縮空氣然后在燃燒器中用來燃燒供給的燃料。由燃燒產生的熱膨脹氣體（也即，工作流體）流經由發動機的渦輪區段膨脹。穿過渦輪的工作流體流通過定子葉片再次引導到轉子葉片上由此引起旋轉。轉子葉片連接至中心軸，使得轉子葉片的旋轉致使軸旋轉。這樣，包含在燃料中的能量轉換成旋轉軸的機械能，該機械能例如可用來旋轉壓縮機的轉子葉片以致于產生燃燒所需的壓縮空氣的供給，以及用來旋轉發電機的線圈以致于生成電力。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動機的旋轉速度，渦輪內的葉片在極端的機械和熱負載下變得經受高度應力。

設計高效且成本合算的燃氣渦輪是一項持續且重要的目標。盡管已知有若干策略用于提高燃氣渦輪的效率，但其保持為有挑戰性的目標，因為此類替代方案（例如，包括增大發動機的尺寸、提高經過熱氣體路徑的溫度，以及提高轉子葉片的旋轉速度）通常使附加的應變置于葉片和已經受高度應力的其它熱氣體路徑構成部件上。因此，減小置于渦輪葉片上的操作應力或容許渦輪葉片更好地耐受這些應力以便發動機可更為高效地操作的改進設備、方法或系統仍然是對于技術改進的重要方面。

用于減輕葉片上應力的一個策略是通過在操作期間對它們主動地冷卻。此種冷卻可容許葉片更好地耐受更高的點火溫度和機械應力，這可延長葉片的壽命和通常使得發動機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使用內部冷卻通道或回路。一般來講，這包括傳送來源于壓縮機的相對冷卻的供給壓縮空氣經過內部冷卻通道。如將認識到那樣，由于眾多原因，在設計和制造這些內部冷卻通道時要求非常謹慎。

第一，冷卻空氣的使用降低了發動機的效率。具體地，來自壓縮機的經轉向用于冷卻目的的空氣為否則可在燃燒過程中使用的空氣。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，較新的渦輪葉片設計要求侵略性地成型的空氣動力學構造，其較薄并且更加彎曲或扭曲。這些新型的葉片構造給予另一優質到緊湊且高效的通道上。這些新型的設計也產生空間約束，其阻礙或限制使用常規方式來制造傳統的冷卻通道構造。第三，內部冷卻通道必須構造成促進重量輕的轉子葉片，同時仍提供足夠結實的結構用于耐受極端加載。也就是說，盡管冷卻通道設計為減輕葉片總體重量的有效方式（其提升效率并且降低機械負載），但葉片仍必須保持非常有回彈力的。因此，冷卻通道必須設計成移除材料和重量，同時仍促進結構的回彈性。內部布置也必須避免應力集中或冷卻不足的區域（或“熱點”），其可不利地影響部件壽命。第四，冷卻構造也必須設計成以便排出的冷卻劑促進表面冷卻和高效的空氣動力學操作。具體地，由于冷卻通道典型地在冷卻劑循環經過內部冷卻通道后將其排出到工作流體流路中，另一設計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聯的空氣動力學損失。排出的冷卻劑常常預期在其釋放之后用以對葉片的外表面或區域提供冷卻，并且這必須與內部冷卻策略相結合而且考慮空氣動力學性能。