用於冷卻渦輪轉子葉片的平臺區域的設備、系統和方法
2023-09-16 07:45:35
專利名稱：用於冷卻渦輪轉子葉片的平臺區域的設備、系統和方法
技術領域：
本申請大體涉及燃燒渦輪發動機，其如本文中所使用的那樣且除非特別另外陳述，包括所有類型的燃燒渦輪發動機，諸如在發電中所用的那些和航空發動機。更具體地， 但不是通過限制的方式，本申請涉及用於冷卻渦輪轉子葉片的平臺區域的設備、系統和/ 或方法。
背景技術：
燃氣渦輪發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軸向堆疊的分級的翼型或葉片的排。每級典型地包括周向間隔開的固定的定子葉片的排和周向間隔開的轉子葉片的組，轉子葉片圍繞中心軸線或軸旋轉。在操作中，壓縮機中的轉子葉片圍繞軸旋轉以壓縮空氣流。壓縮空氣然後在燃燒器內使用以燃燒燃料供應。從燃燒過程得至IJ的熱氣體流膨脹通過渦輪，其引起轉子葉片使它們所附連到的軸旋轉。以此方式，包含於燃料中的能量轉換成旋轉的軸的機械能，機械能然後例如可用於使發電機的線圈旋轉以發
H1^ O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102和根部部分或根部104。翼型102可描述為具有凸的吸力面105和凹的壓力面106。翼型102還可描述為具有前緣107 (其為前邊緣)和尾緣108 (其為後邊緣)。根部104可描述為具有用於將葉片100固定到轉子軸的結構(其如圖所示典型地包括燕尾109)；平臺110，翼型102從平臺110延伸；和柄部112，其包括在燕尾109與平臺110之間的結構。如圖所示，平臺110可為大致平面的。更具體地，平臺110可具有平面頂側113， 平面頂側113如圖1所示可包括軸向和周向延伸的平坦表面。如圖2所示，平臺110可具有平面底側114，平面底側114也可包括軸向和周向延伸的平坦表面。平臺110的頂側113 和底側114可被形成使得每個大致平行於另一個。如圖所描繪的那樣，應理解的是平臺110 典型地具有薄的徑向輪廓，即，在平臺110的頂側113與底側114之間存在相對較短的徑向距離。通常，在渦輪轉子葉片100上採用平臺110以形成燃氣渦輪的熱氣體路徑部段的內部流動路徑邊界。平臺110還提供對翼型102的結構支撐。在操作中，渦輪的旋轉速度引起機械荷載，機械荷載沿著平臺110造成高應力區域，當與高溫結合時，其最終引起操作缺陷的形成，諸如氧化、蠕變、低循環疲勞開裂等。當然，這些缺陷負面影響轉子葉片100的使用壽命。應理解的是這些嚴酷的操作條件，即暴露於熱氣體路徑的極端溫度和與旋轉的葉片相關聯的機械荷載，造成在設計運轉良好且製造起來成本有效的耐用持久的轉子葉片平臺110中的極大挑戰。使平臺區域110更耐用的一種常用方案是在操作期間利用壓縮空氣或其它冷卻劑的流來冷卻它，且已知多種這些類型的平臺設計。然而，如本領域技術人員應理解的那樣，平臺區域110表現出某些設計挑戰，其使得以該方式冷卻較為困難。在很大程度上，這是由於該區域的不便的幾何形狀，在這一點上，如所描述的那樣，平臺110為處於遠離轉子葉片的中央芯的且典型地被設計成具有結構上完好的但薄的徑向厚度的周圍構件。為了循環冷卻劑，轉子葉片100典型地包括一個或更多個中空的冷卻通路116(參看圖3、圖4、圖5和圖9)，其最少徑向上延伸通過葉片100的芯，包括通過根部104和翼型 102。如以下所更詳細地描述的，為了增加熱交換，可形成這種冷卻通路116，其具有蜿蜒通過葉片100的中間區域的彎曲路徑，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的內側部分中的一個或更多個入口 117進入中央冷卻通路。冷卻劑可循環通過葉片100且通過形成在翼型上的出口(未示出)和/或經由形成在根部104中的一個或更多個出口(未示出)離開。冷卻劑可被加壓且例如可包括加壓空氣，加壓空氣與水、蒸汽等相混合。在許多情況下，冷卻劑為壓縮空氣，其從發動機的壓縮機轉移，但其它源也是可能的。如下面所更詳細地討論的，這些冷卻通路典型地包括高壓冷卻劑區域和低壓冷卻劑區域。高壓冷卻劑區域典型地對應於具有更高的冷卻劑壓力的冷卻通路的上遊部分，而低壓冷卻劑區域對應於具有相對更低的冷卻劑壓力的下遊部分。在一些情況下，冷卻劑可從冷卻通路116被引導至形成於相鄰轉子葉片100的柄部112與平臺110之間的腔119內。從那裡，冷卻劑可用於冷卻葉片的平臺區域110，其傳統設計在圖3中示出。這種類型的設計典型地從冷卻通路116中的一個抽取空氣且使用空氣以加壓形成於柄部112/平臺110之間的腔119。一旦加壓，此腔119那麼供應冷卻劑給延伸通過平臺110的冷卻通道。在橫過平臺110之後，冷卻空氣可通過形成於平臺110的頂側113中的薄膜冷卻孔口離開腔。然而，應理解的是這種類型的傳統設計具有若干缺點。首先，冷卻迴路並非自含在一個部分中，因為在兩個相鄰的轉子葉片100被組裝之後才形成冷卻迴路。這對於安裝和預安裝流測試增加了很大程度的困難和複雜性。第二缺點在於形成於相鄰的轉子葉片100 之間的腔119的完整性取決於腔119的周圍密封得有多好。不充分的密封可導致不充分的平臺冷卻和/或浪費的冷卻空氣。第三缺點在於熱氣體路徑氣體可被吸入到腔119或平臺本身110內的固有風險。如果在操作期間腔119並不維持在充分高的壓力下，則這可能發生。如果腔119壓力降低到低於熱氣體路徑內的壓力，則熱氣體將被吸入到柄部腔19或者平臺110本身內，其典型地損壞這些構件，因為這些構件未被設計成承受暴露於熱氣體路徑條件。圖4和圖5示出用於平臺冷卻的另一類型的傳統設計。在該情況下，冷卻迴路包含在轉子葉片100內且並不涉及柄部腔119，如所描繪的那樣。冷卻空氣從冷卻通路116(其延伸通過葉片110的芯)中的一個被抽取且被向後引導通過形成在平臺110內的冷卻通道 120(即，「平臺冷卻通道120」)。如由若干箭頭所示，冷卻空氣流動通過平臺冷卻通道120 且通過在平臺110的後邊緣121中的出口離開或者從沿著吸力側邊緣122安置的出口離開。(注意在描述或提及矩形平臺110的邊緣或面中，每個可基於一旦葉片100被安裝其相對於翼型102的吸力面105和壓力面106的位置和/或發動機的前後方向來描繪。因此，如本領域技術人員將理解的那樣，平臺可包括後邊緣121、吸力側邊緣122、前邊緣IM和壓力側邊緣126，如在圖3和圖4中所示。此外，吸力側邊緣122和壓力側邊緣1 還通常稱作 「斜面」，且一旦相鄰的轉子葉片100被安裝，形成於它們之間的窄腔可被稱作「斜面腔」。)應理解的是圖4和圖5的傳統設計具有優於圖3設計的優點，因為它們不受組裝或安裝條件變化的影響。然而，這種性質的傳統設計具有若干限制或缺陷。首先，如圖所示，僅單個迴路設於翼型102的每側上且因此存在具有對在平臺11中的不同位置處所使用的冷卻空氣的量的有限的控制的缺點。第二，這種類型的傳統設計具有通常受限制的覆蓋面積。儘管圖5的彎曲路徑相對於圖4在覆蓋範圍方面有了改進，但在平臺110內仍存在保持未冷卻的死區。第三，為了獲得以複雜地形成的平臺冷卻通道120的更好的覆蓋範圍，大幅增加了製造成本，尤其如果冷卻通道具有需要鑄造工藝來形成的形狀。第四，這些傳統設計典型地在使用之後且在冷卻劑完全用盡之前將冷卻劑傾倒至熱氣體路徑中，這負面地影響發動機的效率。第五，這種性質的傳統設計通常具有較小靈活性。即，通道120形成為平臺110的集成的部分且當操作條件變化時提供較少或不提供改變它們的功能或構造的機會。此外，這些類型的傳統設計難以維修或整修。因此，傳統的平臺冷卻設計在一個或更多個重要方面有缺陷。保持對改進的設備、 系統和方法的需要，其有效且高效地冷卻渦輪轉子葉片的平臺區域，同時還構建起來成本有效、應用靈活且耐用。
發明內容
因此本申請描述了一種在渦輪轉子葉片中的平臺冷卻布置，渦輪轉子葉片具有在翼型與根部之間的交界處的平臺，其中轉子葉片包括從根部至少延伸到平臺的近似徑向高度的內部冷卻通路，且其中沿著與翼型的壓力面相對應的側部，平臺的壓力側包括從翼型周向延伸到壓力側斜面的大致平面的頂側，而沿著與翼型的吸力面相對應的側部，平臺的吸力側包括從翼型周向延伸到吸力側斜面的大致平面的頂側。平臺冷卻布置可包括線性壓力室，其就處於平面頂側的內側且通過平臺從壓力側斜面或吸力側斜面線性延伸到與內部冷卻通路的連接處，線性壓力室具有近似平行於平面頂側的縱向軸線；和多個冷卻孔，其從形成在平臺的頂側上的頂側出口線性延伸到與線性壓力室的連接處，其中冷卻孔構造成使得每個與平臺的頂側形成銳角。本申請還描述了一種形成渦輪轉子葉片中的平臺冷卻布置的方法，渦輪轉子葉片在翼型與根部之間的交界處具有平臺，其中轉子葉片包括內部冷卻通路，其從根部至少延伸到平臺的近似徑向高度，且其中沿著與翼型的壓力面相對應的側部，平臺的壓力側包括從翼型周向延伸到壓力側斜面的平面頂側，而沿著與翼型的吸力面相對應的側部，平臺的吸力側包括從翼型周向延伸到吸力側斜面的平面頂側。該方法可包括以下步驟機械加工至少一個線性壓力室，該線性壓力室構造成就處於平面頂側的內側且通過平臺從在壓力側斜面或吸力側斜面上的位置處的起點線性延伸到與內部冷卻通路的連接處，線性壓力室具有近似平行於平面頂側的縱向軸線；以及機械加工多個冷卻孔，多個冷卻孔從在平臺的頂側上的位置處的起點線性延伸到與線性壓力室的連接處，其中冷卻孔構造成使得每個與平臺的頂側形成銳角，銳角包括小於60°的角度。當結合附圖和所附權利要求閱讀優選實施例的下面的詳細描述時，本發明的這些和其它特點將變得顯而易見。
通過結合附圖仔細學習本發明的示例性實施例的下面更詳細的描述，將更全面地理解和了解本發明的這些和其它特徵，在附圖中
圖1示出在其中可採用本發明的實施例的示例性渦輪轉子葉片的透視圖；圖2示出在其中可使用本發明的實施例的渦輪轉子葉片的底側視圖；圖3示出具有根據傳統設計的冷卻系統的相鄰渦輪轉子葉片的剖視圖；圖4示出具有帶有根據傳統設計的內部冷卻通道的平臺的渦輪轉子葉片的頂視圖；圖5示出具有帶有根據替代的傳統設計的內部冷卻通道的平臺的渦輪轉子葉片的頂視圖；圖6示出具有根據本發明的示例性實施例的平臺冷卻構造的渦輪轉子葉片的透視圖；圖7示出具有根據本發明的示例性實施例的冷卻構造的平臺的局部的橫截面圖；圖8示出根據本申請的示例性實施例的線性壓力室和連接的冷卻孔的橫截面側視圖；圖9示出根據本申請的示例性實施例的線性壓力室和連接的冷卻孔的橫截面頂視圖；以及圖10示出形成根據本申請的示例性實施例的平臺冷卻布置的示例性方法。部件列表100 渦輪轉子葉片102 翼型104 根部105 吸力面106 力面107 前緣108 尾緣109 燕尾110 平臺112 柄部113 平臺頂側114 平臺底側116 內部冷卻通路117 入口119 腔120 平臺冷卻通道121 後邊緣122 吸力側邊緣或斜面124 前邊緣126 壓力側邊緣或斜面130 平臺冷卻構造132 線性壓力室140 冷卻孔
145頂側出口147斜面出口149塞子151在線性壓力室與斜面之間的銳角152在冷卻孔與平臺頂側之間的銳角153在冷卻孔與線性壓力室之間的角度
具體實施例方式應理解的是傳統的渦輪轉子葉片100的冷卻構造典型地具有內部冷卻通路116， 其從葉片100的根部104徑向延伸到翼型102內的位置。典型地，內部冷卻通路116構造成形成蜿蜒的彎曲路徑，其促進冷卻劑的單向流動和高效的熱交換。在操作中，加壓的冷卻齊U，其典型地為壓縮空氣且從壓縮機流出(但也可使用其它冷卻劑)，被供應到內部冷卻通路116。壓力驅動冷卻劑通過內部冷卻通路116，且冷卻劑使熱從周圍的壁對流。(應理解的是本發明可實踐於具有不同構造的內部的冷卻通路的轉子葉片100中且並不限於具有彎曲形狀的冷卻通路。因此，術語「內部冷卻通路」或「冷卻通路」意圖包括在轉子葉片中冷卻劑可循環通過的任何通路或中空通道)。通常，內部的冷卻通路116的各種傳統設計有效地向轉子葉片100內的某些區域提供主動冷卻。然而，如本領域技術人員所應理解的，平臺區域證明更有挑戰性。這至少部分地是由於平臺區域的不便的幾何形狀，即其較窄的徑向高度和它從轉子葉片100的芯或主體伸出的方式。然而，考慮到它暴露於熱氣體路徑的極端溫度和高機械荷載，平臺的冷卻需要是相當大的。如上文所描述的那樣，傳統的平臺冷卻設計是無效的，因為它們未能解決該區域的特別挑戰，低效地利用冷卻劑並且/或者製造起來很昂貴。現參看圖6至圖9，提供了本發明的示例性實施例的若干視圖。具體地，圖6和圖7 示出具有根據本發明的優選實施例的平臺冷卻構造130的渦輪轉子葉片100。如圖所示，葉片100包括位於翼型102與根部104之間的交界處的平臺110。轉子葉片100包括內部冷卻通路116，其從根部104至少延伸到平臺110的近似徑向高度且在大部分情況下延伸到翼型102中。在平臺110的與翼型102的壓力面106相對應的側部，應理解的是平臺110可具有從翼型102延伸到壓力側斜面126的平面頂側113。(注意如本文中所用的「平面的」表示近似或大致以平面的形狀。例如，本領域技術人員將理解的是平臺可構造成具有略微彎曲且凸狀的外側表面，其中曲率對應於渦輪在轉子葉片的徑向位置處的圓周。如本文中所使用的，當曲率半徑足夠大以給予平臺平的外觀時，這種類型的平臺形狀認為是平面的)。 在平臺110的與翼型102的吸力面105相對應的側部，應理解的是平臺110可具有從翼型 102延伸到吸力側斜面122的平面頂側113。也構造在平臺110的內部內，本發明的示例性實施例可包括一個或更多個線性壓力室132和從每個壓力室延伸的多個冷卻孔140。如圖所示，線性壓力室132可構造成使得它就處於平面頂側113的內側。線性壓力室132可以以線性方式通過平臺110從壓力側斜面1 或吸力側斜面122延伸到與內部冷卻通路116的連接處。線性壓力室132可構造成具有近似平行於平面頂側113的縱向軸線。平臺冷卻布置可具有多個線性壓力室132。在一些實施例中，如圖7所示，可包括三個線性壓力室132。如圖所示，線性壓力室132可近似平行。
在一個優選的實施例中，線性壓力室132中的每個可斜著延伸穿過平臺110(即， 相對於壓力側斜面126和吸力側斜面122)。更具體地，從在壓力側斜面1 上的位置，線性壓力室132可沿著橫跨平臺110的至少大部分的斜的路徑延伸。如圖所示，斜的路徑可包括軸向下遊方向的組成部分以及周向方向的組成部分。因此，如圖9所示，壓力室角度151 可指在斜面122、126與線性壓力室132之間形成的銳角。在優選的實施例中，壓力室角度 151包括在45°與90°之間的值。更優選地，壓力室角度151包括在60°與75°之間的值。多個冷卻孔140可以以線性方式從通過平臺110的頂側113形成的頂側出口 145 延伸到與線性壓力室132形成的連接處。如圖8所示，冷卻孔140可構造成使得每個與平臺110的頂側113形成斜角。在一些實施例中，在每個冷卻孔140的縱向軸線與平臺110 頂側113之間形成的銳角152包括小於60°的角度。更優選地，在每個冷卻孔140的縱向軸線與平臺110的頂側113之間形成的銳角152包括小於45°的角度。冷卻孔140可構造成使得，關於各與線性壓力室132形成的連接處的軸向位置，相對應的頂側出口 145包括下遊位置。如圖所示，在示例性實施例中，冷卻孔140可彼此近似平行。通常，線性壓力室 132和冷卻孔140構造成使得冷卻孔140的橫截面流通面積小於線性壓力室132的橫截面流通面積。冷卻孔140可構造成在近似下遊方向上排出冷卻劑。在一些實施例中，冷卻孔140 從與線性壓力室132的連接處斜著延伸穿過平臺110的一部分。斜的路徑可包括軸向下遊的組成部分和周向方向的組成部分。如圖7所示，在一些優選的實施例中，冷卻孔140的周向方向的組成部分與冷卻孔140從中延伸的線性壓力室132的周向方向的組成部分相對。 在一些實施例中，冷卻孔140彼此近似平行且與每個冷卻孔從中延伸的線性壓力室132形成近似90°的角度153。在一些實施例中，從特定線性壓力室132延伸的冷卻孔140可包括較短長度或較長長度。在此情況下，冷卻孔140可具有交替的較長/較短構造，這裡較短長度包括較長長度的大約40%至60%，如圖7所示。在一個示例性實施例中，提供至少兩個線性壓力室132 第一線性壓力室132和第二線性壓力室132。第一線性壓力室132(對於該示例，其可被認為類似於圖7的前線性壓力室132進行構造)可從在壓力側斜面1 上的位置延伸到在與內部冷卻通路116所形成的連接處的終點。在操作期間，該連接可向第一線性壓力室132提供冷卻劑源。第二線性壓力室132(對於該示例，其可被認為類似於圖7的中線性壓力室132進行構造)可從在壓力側斜面1 上的位置橫跨平臺110延伸到在吸力側斜面122上的位置。在其橫跨平臺110 的路徑上，第二線性壓力室132可構造成截開內部冷卻通路116，應理解的是內部冷卻通路 116在對第二線性壓力室132操作期間提供冷卻劑源。第一和第二線性壓力室132中的每個可包括從其延伸的多個冷卻孔140。第二線性壓力室132可具有在平臺110的壓力側上的多個冷卻孔140和在平臺110的吸力側上的多個冷卻孔140。以此方式，第二線性壓力室132可用於冷卻平臺110的任一側。如所描述的那樣，線性壓力室132可包括一個或兩個斜面出口 147。第一線性壓力室132例如可具有在壓力側斜面1 上的斜面出口 147。在一個優選的實施例中，斜面出口 147可包括減小的橫截面流通面積。例如，第二線性壓力室132可具有在壓力側斜面126上的斜面出口 147和在吸力側斜面122上的斜面出口 147。在優選的實施例中，在壓力側斜面1 上的斜面出口 147在軸向上處於在吸力側斜面122上的斜面出口 147前方。在一個優選的實施例中，第二線性壓力室132的兩個斜面出口 147可具有減小的橫截面流通面積。如本文中所使用的那樣，減小的橫截面流通面積包括小於通過斜面出口 147所服務的線性壓力室132的橫截面流通面積的橫截面流通面積。如以下所更詳細地討論的，出於至少幾個原因，減小斜面出口 147的橫截面流通面積。首先，可減小橫截面流通面積以衝擊通過這些出口位置離開的冷卻劑。如本領域技術人員將理解的，這可導致離開的冷卻劑具有所希望的冷卻劑衝擊特性，諸如高的冷卻劑離開速度，這將改進它在目標表面上的冷卻效果。對於斜面出口 147的位置，應理解的是斜面出口 147可構造成將冷卻劑的衝擊流排到形成於相鄰安裝的轉子葉片100之間的斜面腔中。即，斜面出口 147可將具有相對高的速度的衝擊冷卻劑引導向相鄰渦輪葉片100的斜面。應理解的是斜面腔和限定它們的斜面為平臺110的難以冷卻的區域，且以此方式構造的斜面出口 147可提供對該區域的有效冷卻。第二，因為線性壓力室132的尺寸和整個平臺110的內部均勻地分配或計量冷卻劑的需要，斜面出口 147的橫截面流通面積可被減小。即，線性壓力室132被設計成以小壓力損失分配冷卻劑給若干冷卻孔140。為了實現這點，線性壓力室132的橫截面流通面積典型地顯著大於冷卻孔140的橫截面流通面積。應理解的是如果與線性壓力室132的尺寸相比斜面出口 147尺寸上沒被減小，則過量冷卻劑將通過斜面出口 147離開平臺110且冷卻孔140可利用的冷卻劑的供應將可能不足。因此，斜面出口 147尺寸還可設定成具有對應於所希望的計量特性的橫截面流通面積。如本文中所使用的，「所希望的計量特徵」指的是通過冷卻劑通路的流動面積，其對應於或導致通過若干冷卻劑通路和/或形成在平臺110 內的出口的所希望的冷卻劑分配或預期的冷卻劑分配。在一些實施例中，塞子149可用於減小斜面出口 147的橫截面流通面積，如圖所示。可形成塞子149使得在安裝時，它減小通過它所在的冷卻通路的橫截面流通面積。在該情況下，塞子149構造成允許通過該通路的所希望的流的水平且引導剩餘部分通過替代路線。如本文中所使用的，這種類型的塞子將被稱作「部分塞」。因此，部分塞149可構造成被插入到斜面插口 147中且通過阻塞通過斜面出口 147的流通面積的一部分來減小其橫截面流通面積。部分塞149可設計成使得它減小流通面積到所希望的或預定的流通面積。在一個優選的實施例中，部分塞149形成為帶有中心孔使得它形成近似「甜甜圈」形狀。形成中心孔以提供通過斜面出口 147的所希望的流通面積。如上面所述，預定的橫截面流通面積可涉及所希望的冷卻劑衝擊特性和/或所希望的計量特性，如本領域技術人員將理解的那樣。部分塞149可由傳統材料製成且使用傳統方法(即焊接、硬焊等)進行安裝。一旦安裝好，部分塞149的外面可相對於壓力側斜面1 或吸力側斜面122的表面齊平。在一些實施例中，可能希望完全阻塞通過斜面出口 147的流。在此情況下，可使用完全阻塞該流的塞子149 (如本文中所使用的，其將被稱作「全塞」)。在平臺110的頂側113，冷卻孔140中的每個包括頂側出口 145。頂側出口 145可構造成具有預定的橫截面流通面積。在優選的實施例中，預定的橫截面流通面積對應於對於每個頂側出口 145所希望的計量特性或所希望的薄膜冷卻特性中的至少一個。本領域技術人員應理解的是從頂側出口 145釋放的冷卻劑可有用的是它可提供保護平臺110免於工作流體的更高溫度的層。這種類型的冷卻典型地被稱作「薄膜冷卻」且將冷卻劑釋放到熱氣體路徑中的方式可影響此策略的效率。應理解的是頂側出口 145可構造成改進薄膜冷卻性能。在一些實施例中，冷卻孔140的頂側出口 145中的每個可包括塞子149。塞子149可構造成形成通過頂側出口 145的預定的或所希望的橫截面流通面積。在一個優選的實施例中，如圖7所描繪的那樣，多個線性壓力室132包括三個線性壓力室132 前線性壓力室132、中線性壓力室132和後線性壓力室132。在此情況下，前線性壓力室132可從在壓力側斜面1 上的前位置向下遊傾斜延伸到在在翼型102的中部區域附近與內部冷卻通路116形成的連接處的終點。中線性壓力室132可從在壓力側斜面 126上的中間軸向位置向下遊傾斜延伸到在吸力側斜面122上的後位置且在它們之間中線性壓力室132可截開內部冷卻通路116。後線性壓力室132可從在壓力側斜面1 上的位置向下遊傾斜延伸到在平臺110的後邊緣121上的位置且在它們之間後線性壓力室132可截開內部冷卻通路116。線性壓力室132中的每個包括從其延伸的多個冷卻孔140，其中中線性壓力室132和後線性壓力室132至少包括在平臺110的壓力側上的多個冷卻孔140和在平臺110的吸力側上的多個冷卻孔140。本發明還包括以成本有效且高效的方式形成在轉子葉片的平臺區域內的內部冷卻通道的新穎方法。參看圖10的流程圖200，作為初始步驟202，線性壓力室132可形成於平臺110的壓力側或吸力側斜面中。具體地，可從高度可接近的位置(即，吸力側斜面122 或壓力側斜面126)使用傳統的視線機械加工或鑽孔工藝來形成線性壓力室132。因此，可避免必須被使用以形成傳統的複雜設計的昂貴的鑄造工藝。一旦形成了線性壓力室132，在步驟204，可使用傳統的視線機械加工或鑽孔工藝來類似地形成冷卻孔140。再次，可從可接近的位置(即，平臺110的頂側11 開始機械加
工工藝。單獨地，如所需要的，可在步驟206製造部分塞或全塞149。如上面所討論的那樣， 部分塞可具有若干不同的構造和功能以減小出口的流通面積。可形成全塞以完全阻塞出口的流通面積。塞子149可由傳統的材料製成。最後，在步驟208，塞子149可安裝在預定的位置中。這可使用傳統方法(諸如焊接、硬焊或機械附連)完成。在操作中，應理解的是線性壓力室132和冷卻孔140可構造成引導冷卻劑的供應從內部冷卻通路116到形成在壓力側斜面126、吸力側斜面和/或平臺頂側113上的多個出口 145、147。更具體地，本發明的平臺冷卻布置從冷卻通路116抽取冷卻劑的一部分，使用冷卻劑以從平臺110移除熱，且然後將冷卻劑排出到斜面腔中且越過平臺頂側使得冷卻劑高效地用於冷卻平臺的內部區域和與相鄰的葉片形成的斜面腔(以及減少熱氣體路徑流體的攝取)。此外，冷卻劑用於向平臺110的表面提供薄膜冷卻。本發明通過使用一系列成本有效的傳統技術高效形成複雜的、有效的冷卻布置來提供機構以主動冷卻燃燒渦輪轉子葉片的平臺區域。如所述的那樣，此區域典型地難以冷卻且考慮到該區域的機械負荷，為易於損壞(distress)的位置，特別是在發動機點火溫度進一步升高時。因此，當追求更高的點火溫度、增加的輸出和更高的效率時，這種類型的主動平臺冷卻是一種重要的能實現的技術。另外，應理解的是在平臺冷卻通道的形成中使用後鑄造工藝提供更大的靈活性以重新設計、重新構造或改型平臺冷卻布置。最後，本發明教導了簡化/成本有效地形成具有複雜的幾何形狀和有效的平臺覆蓋範圍的平臺冷卻通道。而之前，複雜的幾何形狀必定意味著昂貴投資的鑄造工藝等，本申請教導了可通過若干不複雜的機械加工和/或鑄造工藝的組合來形成具有複雜設計的冷卻通道的方法。 如本領域技術人員所應理解的，上面關於若干示例性實施例所描述的許多不同的特徵和構造還可被選擇性地應用以形成本發明的其它可能的實施例。為了簡要起見且考慮到本領域技術人員的能力，沒有詳細地提供或討論所有可能的迭代，但由下面若干權利要求或另外涵蓋的所有組合和可能的實施例意圖為本申請的一部分。此外，從本發明的若干示例性實施例的上面的描述，本領域技術人員將認識到改進、變化和修改。在本領域內的這些改進、變化和修改也意圖由所附權利要求涵蓋。另外，應顯而易見的是前文僅涉及本申請的所描述的實施例且在不偏離如由以下的權利要求和其等同物所限定的申請的精神和範圍的情況下本文中可做出許多變化和修改。
權利要求
1.一種在渦輪轉子葉片中的平臺冷卻布置，所述渦輪轉子葉片具有在翼型與根部之間的交界處的平臺，其中所述轉子葉片包括內部冷卻通路，所述內部冷卻通路從所述根部至少延伸到所述平臺的近似徑向高度，且其中沿著與所述翼型的壓力面相對應的側部，所述平臺的壓力側包括從所述翼型周向延伸到壓力側斜面的大致平面的頂側，而沿著與所述翼型的吸力面相對應的側部，所述平臺的吸力側包括從所述翼型周向延伸到吸力側斜面的大致平面的頂側；所述平臺冷卻布置包括線性壓力室，其就處於所述平面頂側的內側且通過所述平臺從所述壓力側斜面或吸力側斜面線性延伸到與所述內部冷卻通路的連接處，所述線性壓力室具有近似平行於所述平面頂側的縱向軸線；和多個冷卻孔，其從形成在所述平臺的頂側上的頂側出口線性延伸到與所述線性壓力室的連接處，其中所述冷卻孔構造成使得每個與所述平臺的頂側成銳角。
2.根據權利要求1所述的平臺冷卻布置，其特徵在於，在每個冷卻孔的所述縱向軸線與所述壓力室的頂側之間形成的銳角包括小於60°的角度；並且其中，關於每個冷卻孔與所述線性壓力室所形成的連接處的軸向位置，對應的所述頂側出口包括下遊位置。
3.根據權利要求1所述的平臺冷卻布置，其特徵在於，在每個冷卻孔的所述縱向軸線與所述壓力室的頂側之間形成的銳角包括小於45°的角度；其中，關於每個冷卻孔與所述線性壓力室所形成的連接處的軸向位置，對應的所述頂側出口包括下遊位置；並且其中所述冷卻孔近似平行。
4.根據權利要求2所述的平臺冷卻布置，其特徵在於，所述平臺冷卻布置包括多個線性壓力室且構造成使得所述冷卻孔的橫截面流通面積小於所述線性壓力室的橫截面流通面積；其中所述線性壓力室中的每個從在所述壓力側斜面上的位置斜著延伸穿過所述平臺， 所述斜的路徑包括軸向下遊的組成部分和周向方向的組成部分；並且其中，從在所述壓力側斜面上的所述位置，所述線性壓力室中的每個與所述壓力側斜面形成銳角壓力室角度，所述銳角壓力室角度包括在45°與90°之間的值。
5.根據權利要求2所述的平臺冷卻布置，其特徵在於，所述平臺冷卻布置包括多個線性壓力室且構造成使得所述冷卻孔的橫截面流通面積小於所述線性壓力室的橫截面流通面積；其中所述線性壓力室中的每個從在所述壓力側斜面上的位置斜著延伸穿過所述平臺， 所述斜的路徑包括軸向下遊的組成部分和周向方向的組成部分；並且其中，從在所述壓力側斜面上的所述位置，所述線性壓力室中的每個與所述壓力側斜面形成銳角壓力室角度，所述銳角壓力室角度包括在60°與75°之間的值。
6.根據權利要求4所述的平臺冷卻布置，其特徵在於多個所述線性壓力室包括至少兩個線性壓力室，第一線性壓力室和第二線性壓力室；所述第一線性壓力室從在所述壓力側斜面上的位置延伸到在與所述內部冷卻通路形成的連接處的終點；所述第二線性壓力室從在所述壓力側斜面上的位置穿過所述平臺延伸到在所述吸力側斜面上的位置且在它們之間截開所述內部冷卻通路；並且其中所述第一線性壓力室和第二線性壓力室中的每個包括從其延伸的多個冷卻孔，其中所述第二線性壓力室包括在所述平臺的壓力側上的多個冷卻孔和在所述平臺的吸力側上的多個冷卻孔，其中所述冷卻孔構造成在近似下遊方向上排出冷卻劑。
7.根據權利要求6所述的平臺冷卻布置，其特徵在於，關於所述壓力側斜面和所述吸力側斜面，所述冷卻孔從與所述線性壓力室的連接處斜著延伸，所述斜的路徑包括軸向下遊的組成部分和周向方向的組成部分，其中所述冷卻孔的周向方向的組成部分與所述線性壓力室的周向方向的組成部分相對，所述冷卻孔從所述線性壓力室延伸。
8.根據權利要求7所述的平臺冷卻布置，其特徵在於，所述冷卻孔彼此近似平行且近似垂直於各自從中延伸的所述線性壓力室；並且其中所述第一壓力室的冷卻孔中的每個包括較短長度或較長長度，且所述第一壓力室的冷卻孔包括交替的較短/較長構造，所述較短長度包括所述較長長度的大約40 % -60 %。
9.根據權利要求6所述的平臺冷卻布置，所述第一線性壓力室包括在所述壓力側斜面上的斜面出口，所述斜面出口包括減小的橫截面流通面積；所述第二線性壓力室包括在所述壓力側斜面上的斜面出口和在所述吸力側斜面上的斜面出口，在所述壓力側斜面上的所述斜面出口處於在所述吸力側斜面上的所述斜面出口前方，且兩個斜面出口包括減小的橫截面流通面積；所述減小的橫截面流通面積包括小於通過所述斜面出口所服務的所述線性壓力室的橫截面流通面積的橫截面流通面積；減小的橫截面流通面積的所述斜面出口中的每個包括預定的橫截面流通面積，所述預定的橫截面流通面積對應於對於每個斜面出口所希望的冷卻劑衝擊特性和所希望的計量特性中的至少一個。
10.根據權利要求9所述的平臺冷卻布置，其特徵在於，所述第一線性壓力室和第二線性壓力室的斜面出口各包括塞子，所述塞子包括非集成式塞，所述非集成式塞構造成形成所述預定的橫截面流通面積；並且其中所述塞子中的至少一個包括全塞且所述塞子中的一個包括部分塞。
11.根據權利要求6所述的平臺冷卻布置，其特徵在於，在所述平臺的頂側，所述冷卻孔中的每個包括預定的橫截面流通面積的頂側出口 ；並且其中所述預定的橫截面流通面積對應於對於每個頂側出口所希望的薄膜冷卻特性和所希望的計量特性中的至少一個。
12.根據權利要求8所述的平臺冷卻布置，其特徵在於，在所述平臺的頂側，所述冷卻孔中的每個包括塞子，所述塞子構造成形成所述預定的橫截面流通面積。
13.根據權利要求4所述的平臺冷卻布置，其特徵在於所述多個線性壓力室包括三個線性壓力室前線性壓力室、中線性壓力室和後線性壓力室；所述前線性壓力室從在所述壓力側斜面上的前位置向下遊傾斜地延伸到在在所述翼型的中間區域附近與所述內部冷卻通路形成的連接處的終點；所述中線性壓力室從在所述壓力側斜面上的中間軸向位置向下遊傾斜地延伸到在所述吸力側斜面上的後位置且在它們之間截開所述內部冷卻通路；所述後線性壓力室從在所述壓力側斜面上的位置向下遊傾斜地延伸到在所述平臺的後邊緣上的位置且在它們之間截開所述內部冷卻通路；並且所述線性壓力室中的每個包括從其延伸的多個冷卻孔，其中所述中線性壓力室和後線性壓力室包括至少在所述平臺的壓力側上的多個冷卻孔和在所述平臺的吸力側上的多個冷卻孔，其中所述冷卻孔構造成在近似下遊方向上排出冷卻劑。
14.一種形成渦輪轉子葉片中的平臺冷卻布置的方法，所述渦輪轉子葉片在翼型與根部之間的交界處具有平臺，其中所述轉子葉片包括內部冷卻通路，其從所述根部至少延伸到所述平臺的近似徑向高度，且其中沿著與所述翼型的壓力面相對應的側部，所述平臺的壓力側包括從所述翼型周向延伸到壓力側斜面的平面頂側，而沿著與所述翼型的吸力面相對應的側部，所述平臺的吸力側包括從所述翼型周向延伸到吸力側斜面的平面頂側；所述方法包括以下步驟機械加工至少一個線性壓力室，所述線性壓力室構造成就處於所述平面頂側的內側且通過所述平臺從在所述壓力側斜面或所述吸力側斜面上的位置處的起點線性延伸到與所述內部冷卻通路的連接處，所述線性平臺具有近似平行於所述平面頂側的縱向軸線；以及機械加工多個冷卻孔，所述多個冷卻孔從在所述平臺的頂側上的位置處的起點線性延伸到與所述線性壓力室的連接處，其中所述冷卻孔構造成使得每個與所述平臺的頂側形成銳角，所述銳角包括小於60°的角度。
15.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，機械加工至少一個線性壓力室的所述步驟包括機械加工至少多個線性壓力室；其中所述線性壓力室中的每個從在所述壓力側斜面上的位置斜著延伸穿過所述平臺的周向寬度的至少大約50%，所述斜的路徑包括軸向下遊的組成部分和周向方向的組成部分；並且其中，從在所述壓力側斜面上的位置，所述線性壓力室中的每個與所述壓力側斜面形成銳角壓力室角度，所述銳角壓力室角度包括在45°與90°之間的值。
16.根據權利要求15所述的方法，其特徵在於關於每個冷卻孔與所述線性壓力室所形成的連接處的軸向位置，對應的所述頂側出口包括下遊位置；所述冷卻孔近似平行；並且所述冷卻孔的橫截面流通面積小於所述冷卻孔從中延伸的所述線性壓力室的橫截面流通面積。
17.根據權利要求16所述的方法，其特徵在於多個所述線性壓力室包括至少兩個線性壓力室，第一線性壓力室和第二線性壓力室；所述第一線性壓力室從在所述壓力側斜面上的位置延伸到在與所述內部冷卻通路形成的連接處的終點；所述第二線性壓力室從在所述壓力側斜面上的位置穿過所述平臺延伸到在所述吸力側斜面上的位置且在它們之間截開所述內部冷卻通路；並且其中所述第一線性壓力室和第二線性壓力室中的每個包括從其延伸的多個冷卻孔，其中所述第二線性壓力室包括在所述平臺的壓力側上的多個冷卻孔和在所述平臺的吸力側上的多個冷卻孔，其中所述冷卻孔構造成在近似下遊方向上排出冷卻劑。
18.根據權利要求17所述的方法，其特徵在於，還包括以下步驟製造預定的構造的塞子且利用製造的所述塞子來塞住由機械加工所述第一線性壓力室和第二線性壓力室所形成的所述斜面出口中的每個；其中所述塞子的預定的構造減小從所述斜面出口中的每個的所述橫截面流通面積，使得對於每個斜面出口，實現所希望的冷卻劑衝擊特性和所希望的計量特性中的至少一個。
19.根據權利要求17所述的方法，其特徵在於，機械加工所述冷卻孔的所述步驟包括機械加工具有預定的橫截面流通面積的頂側出口的步驟；並且其中所述預定的橫截面流通面積對應於對於每個頂側出口所希望的薄膜冷卻特性和所希望的計量特性中的至少一個。
20.根據權利要求17所述的方法，其特徵在於，機械加工所述冷卻孔的所述步驟包括機械加工頂側出口的步驟；還包括製造預定的構造的塞子和利用製造的所述塞子中的一個塞住所述頂側出口中的每個的步驟；其中所述塞子的預定的構造減小從所述斜面出口中的每個的所述橫截面流通面積，使得對於每個斜面出口，實現所希望的薄膜冷卻特性和所希望的計量特性中的至少一個。
21.根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，多個所述線性壓力室包括三個線性壓力室前線性壓力室、中線性壓力室和後線性壓力室；所述前線性壓力室從在所述壓力側斜面上的前位置向下遊傾斜地延伸到在在所述翼型的中間區域附近與所述內部冷卻通路形成的連接處的終點；所述中線性壓力室從在所述壓力側斜面上的中間軸向位置向下遊傾斜地延伸到在所述吸力側斜面上的後位置且在它們之間截開所述內部冷卻通路；所述後線性壓力室從在所述壓力側斜面上的位置向下遊傾斜地延伸到在所述平臺的後邊緣上的位置且在它們之間截開所述內部冷卻通路；並且所述線性壓力室中的每個包括從其延伸的多個冷卻孔，其中所述中線性壓力室和後線性壓力室包括在所述平臺的壓力側和所述平臺的吸力側中的每個上的多個冷卻孔。
全文摘要
本發明涉及用於冷卻渦輪轉子葉片的平臺區域的設備、系統和方法。一種在渦輪轉子葉片中的平臺冷卻布置，渦輪轉子葉片具有在翼型與根部之間的交界處的平臺，轉子葉片包括延伸至平臺的近似徑向高度的內部冷卻通路，且平臺的壓力側包括從翼型向壓力側斜面周向延伸的平面頂側，而平臺的吸力側包括從翼型向吸力側斜面在周向延伸的大致平面的頂側。平臺冷卻布置可包括線性壓力室，其就處於平面頂側的內側且通過平臺從壓力側斜面或吸力側斜面線性延伸到與內部冷卻通路的連接處，線性壓力室具有近似平行於平面頂側的縱向軸線；多個冷卻孔，其從形成在平臺的頂側上的頂側出口線性延伸到與線性壓力室的連接處，冷卻孔構造成使得每個與平臺的頂側形成銳角。
文檔編號F01D5/18GK102454427SQ20111034456
公開日2012年5月16日 申請日期2011年10月28日 優先權日2010年10月29日
發明者A·L·吉格利奧, D·H·特拉格澤, J·W·小哈裡斯 申請人:通用電氣公司