用於多壁葉片的冷卻迴路的製作方法
2023-05-14 14:19:06 2
相關申請的交叉引用
本申請涉及共同未決的美國申請號：14/9770788,14/977102,14/977124,14/977175,14/977200,14/977228,14/977247和14/977270，ge卷號282168-1,282169-1,282171-1,283464-1,283467-1,283463-1,283462-1和284160-1，所有都於2015年12月21日提交。
本公開大體上涉及渦輪系統，並且更具體地涉及減小多壁渦輪葉片冷卻迴路中的壓力損失。
背景技術：
燃氣渦輪系統為在如發電的領域中廣泛利用的渦輪機的一個實例。常規燃氣渦輪系統包括壓縮機區段、燃燒器區段以及渦輪區段。在燃氣渦輪系統的操作期間，系統中的各種構件(如渦輪葉片)經受可引起構件故障的高溫流。由於較高溫度流大體上導致燃氣渦輪系統的提高的性能、效率以及功率輸出，故有利的是冷卻經受高溫流的構件，以允許燃氣渦輪系統在增加的溫度下操作。
燃氣渦輪系統的渦輪葉片典型地包含內部冷卻通道的錯綜迷宮。冷卻通道從燃氣渦輪系統的壓縮機接收空氣，並且使空氣穿過內部冷卻通道來冷卻渦輪葉片。由於空氣從壓縮機放出，故穿過冷卻通道的空氣的供給壓力大體上較高。在該程度上，有用的是提供減小不可恢復的壓力損失的冷卻通道；在壓力損失增加時，需要較高的供給壓力來保持足夠的氣體路徑壓力裕度(回流裕度)。較高的供給壓力導致副流動迴路中(例如，轉子中)的較高洩漏，以及較高的供給溫度。
技術實現要素：
本公開的第一方面提供了一種渦輪葉片冷卻系統，其包括：用於將流動穿過渦輪葉片的第一通道的第一氣流重新引導到渦輪葉片的中心倉室中的第一弧形轉向部；以及用於將流動穿過渦輪葉片的第二通道的第二氣流重新引導到渦輪葉片的中心倉室中的第二弧形轉向部，其中第一弧形轉向部和第二弧形轉向部減小渦輪葉片的中心倉室中的第一氣流和第二氣流的衝擊。
本公開的第二方面提供了一種渦輪葉片，其包括：冷卻系統，冷卻系統包括：設置在渦輪葉片內的冷卻系統，冷卻系統包括：用於將流動穿過渦輪葉片的第一通道的第一氣流重新引導到渦輪葉片的中心倉室中的第一弧形轉向部；以及用於將流動穿過渦輪葉片的第二通道的第二氣流重新引導到渦輪葉片的中心倉室中的第二弧形轉向部，其中第一弧形轉向部和第二弧形轉向部減小渦輪葉片的中心倉室中的第一氣流和第二氣流的衝擊。
本公開的第三方面提供了一種渦輪輪葉，其包括：
柄；聯接於柄的多壁葉片；以及設置在多壁葉片內的冷卻系統，冷卻系統包括：用於將流動穿過第一通道的第一氣流重新引導到葉片的中心倉室中的第一弧形轉向部；用於將流動穿過第二通道的第二氣流重新引導到葉片的中心倉室中的第二弧形轉向部，第一氣流和第二氣流在中心倉室中組合；其中第一弧形轉向部和第二弧形轉向部減小中心倉室中的第一氣流和第二氣流的衝擊。
技術方案1.一種渦輪葉片冷卻系統，其包括：
第一弧形轉向部，其用於將流動穿過渦輪葉片的第一通道的第一氣流重新引導到所述渦輪葉片的中心倉室中；以及
第二弧形轉向部，其用於將流動穿過所述渦輪葉片的第二通道的第二氣流重新引導到所述渦輪葉片的所述中心倉室中；
其中所述第一弧形轉向部和所述第二弧形轉向部減小所述渦輪葉片的所述中心倉室中的所述第一氣流和所述第二氣流的衝擊。
技術方案2.根據技術方案1所述的渦輪葉片冷卻系統，其特徵在於，所述渦輪葉片包括多壁渦輪葉片。
技術方案3.根據技術方案1所述的渦輪葉片冷卻系統，其特徵在於，所述減小衝擊減小了所述中心倉室中的壓力損失。
技術方案4.根據技術方案1所述的渦輪葉片冷卻系統，其特徵在於，所述渦輪葉片冷卻系統還包括由所述第一弧形轉向部的端壁和所述第二弧形轉向部的端壁的相鄰遠端形成的尖接合部。
技術方案5.根據技術方案1所述的渦輪葉片冷卻系統，其特徵在於，所述第一弧形轉向部將所述第一氣流重新引導大約180°，並且其中所述第二弧形轉向部將所述第二氣流重新引導大約180°。
技術方案6.根據技術方案1所述的渦輪葉片冷卻系統，其特徵在於，所述第一弧形轉向部和所述第二弧形轉向部是半圓形的。
技術方案7.根據技術方案1所述的渦輪葉片冷卻系統，其特徵在於，所述第一弧形轉向部和所述第二弧形轉向部均包括一組轉向導葉。
技術方案8.根據技術方案7所述的渦輪葉片冷卻系統，其特徵在於，所述各個轉向導葉具有弧形形狀。
技術方案9.根據技術方案8所述的渦輪葉片冷卻系統，其特徵在於，在各組轉向導葉中，第一轉向導葉的凹面面對第二轉向導葉的凹面。
技術方案10.根據技術方案9所述的渦輪葉片冷卻系統，其特徵在於，所述轉向導葉與所述第一弧形轉向部和所述第二弧形轉向部的端壁間隔開。
技術方案11.根據技術方案10所述的渦輪葉片冷卻系統，其特徵在於，所述第一弧形轉向部和所述第二弧形轉向部的所述端壁大致共面。
技術方案12.根據技術方案1所述的渦輪葉片冷卻系統，其特徵在於，所述第一通道沿所述葉片的吸入側延伸，並且其中所述第二通道沿所述葉片的壓力側延伸。
技術方案13.一種渦輪葉片，其包括：
設置在所述渦輪葉片內的冷卻系統，所述冷卻系統包括：
第一弧形轉向部，其用於將流動穿過所述渦輪葉片的第一通道的第一氣流重新引導到所述渦輪葉片的中心倉室中；以及
第二弧形轉向部，其用於將流動穿過所述渦輪葉片的第二通道的第二氣流重新引導到所述渦輪葉片的所述中心倉室中；
其中所述第一弧形轉向部和所述第二弧形轉向部減小所述渦輪葉片的所述中心倉室中的所述第一氣流和所述第二氣流的衝擊。
技術方案14.根據技術方案13所述的渦輪葉片，其特徵在於，所述渦輪葉片包括多壁渦輪葉片。
技術方案15.根據技術方案13所述的渦輪葉片，其特徵在於，所述第一通道沿所述葉片的吸入側延伸，並且其中所述第二通道沿所述葉片的壓力側延伸。
技術方案16.根據技術方案13所述的渦輪葉片，其特徵在於，所述渦輪葉片還包括由所述第一弧形轉向部的端壁和所述第二弧形轉向部的端壁的相鄰遠端形成的尖接合部。
技術方案17.根據技術方案13所述的渦輪葉片，其特徵在於，所述第一弧形轉向部和所述第二弧形轉向部均包括一組弧形轉向導葉。
技術方案18.根據技術方案17所述的渦輪葉片，其特徵在於，所述第一轉向部包括端壁，並且所述第二轉向部包括端壁，其中所述第一轉向部的所述端壁與所述第二轉向部的所述端壁大致共面，並且其中所述轉向導葉與所述第一弧形轉向部和所述第二弧形轉向部的所述端壁間隔開。
技術方案19.一種渦輪輪葉，其包括：
柄；
聯接於所述柄的多壁葉片；以及
設置在所述多壁葉片內的冷卻系統，所述冷卻系統包括：
第一弧形轉向部，其用於將流動穿過第一通道的第一氣流重新引導到所述葉片的中心倉室中；
第二弧形轉向部，其用於將流動穿過第二通道的第二氣流重新引導到所述葉片的所述中心倉室中，所述第一氣流和所述第二氣流在所述中心倉室中組合；
其中所述第一弧形轉向部和所述第二弧形轉向部減小所述中心倉室中的所述第一氣流和所述第二氣流的衝擊。
技術方案20.根據技術方案19所述的渦輪輪葉，其特徵在於，所述中心倉室中的組合氣流由所述冷卻系統提供至所述葉片的其它區域或柄用於冷卻。
本公開的說明性方面解決本文中描述的問題和/或未論述的其它問題。
附圖說明
本公開的這些及其它的特徵將從連同附圖進行的本公開的各種方面的以下詳細描述更容易理解，該附圖繪出了本公開的各種實施例。
圖1示出了根據實施例的包括葉片的渦輪輪葉的透視圖。
圖2為沿圖1中的線2-2截取的根據實施例的圖1的葉片的局部截面視圖。
圖3繪出了根據實施例的具有成形的回流通道的壓力損失減小結構。
圖4為繪出根據實施例的具有成形的回流通道的壓力損失減小結構的圖1的葉片的局部截面視圖。
圖5繪出了根據實施例的具有轉向導葉的壓力損失減小結構。
圖6繪出了根據實施例的具有轉向導葉的壓力損失減小結構。
圖7為繪出根據實施例的具有回流通道中的轉向導葉的壓力損失減小結構的圖1的葉片的局部截面視圖。
注意的是，本公開的附圖不按比例。附圖旨在僅繪出本公開的典型方面，並且因此不應當認作是限制本公開的範圍。在附圖中，相似的標記在附圖之間表示相似的元件。
部件列表
2渦輪輪葉
4柄
6葉片
8壓力側
10吸入側
12前緣
14後緣
16冷卻布置
18ss冷卻迴路
20ps冷卻迴路
22進料通道
24冷卻氣體
26冷卻氣體
28回流通道
32進料通道
34冷卻氣體
36冷卻氣體
38回流通道
40壓力損失減小結構
42冷卻氣體
44中心倉室
46邊緣腔
48末端區域
50壓力損失減小結構
60第一弧形轉向部
62弧形端壁
66肋
68端部區段
70第二弧形轉向部
72弧形端壁
76肋
78端部區段
80尖接合部
90a轉向導葉
90b轉向導葉
92轉向導葉
94轉向導葉
96端壁
98凹面
100凹面
102單個轉向導葉
160第一弧形轉向部
162端壁
166肋
168端部區段
170第二弧形轉向部
172端壁
176肋
178端部區段。
具體實施方式
如上文指示的，本公開大體上涉及渦輪系統，並且更具體地涉及減小多壁渦輪葉片冷卻迴路中的壓力損失。
轉向圖1，示出了渦輪輪葉2的透視圖。渦輪輪葉2包括柄4和聯接於柄4並且從其沿徑向向外延伸的葉片6(例如，多壁葉片)。葉片6包括壓力側8和相對的吸入側10。葉片6還包括壓力側8與吸入側10之間的前緣12，以及在與前緣12相對的側部上在壓力側8與吸入側10之間的後緣14。
柄4和葉片6可均由一種或更多種金屬(例如，鋼、鋼合金等)形成，並且可根據常規途徑形成(例如，鑄造、鍛造或另外機加工)。柄4和葉片6可集成地形成(例如，鑄造、鍛造、三維列印等)，或者可形成為單獨的構件，其隨後連結(例如，經由焊接、硬釺焊、粘結或其它聯接機構)。
圖2為沿圖1的線2-2截取的葉片6的局部截面視圖，繪出了根據實施例的包括多個冷卻迴路的冷卻布置16。在該實例中，冷卻布置16包括葉片6的吸入側10上的內部2程蛇線吸入側(ss)冷卻迴路18以及葉片6的壓力側8上的內部2程蛇線壓力側(ps)冷卻迴路20。儘管按照2程蛇線冷卻迴路描述，但對本領域技術人員而言將顯而易見的是，本公開(下文所述)的壓力損失減小結構可連同其它類型的蛇線(例如，3程、4程等)和/或非蛇線冷卻迴路使用，其中來自多個流動通道的"用過的"冷卻空氣收集用於重新分配至葉片6的其它區域、柄4和/或輪葉2的其它部分用於冷卻目的。此外，壓力損失減小結構可用於葉片6的其它區段、柄4和/或輪葉2的其它部分中，其中需要將多股氣流聚集成單股氣流用於重新分配。
ss冷卻迴路18包括進料通道22，用於將冷卻氣流24(例如空氣)沿葉片6的吸入側10朝葉片6的末端區域48(圖1)沿徑向向外引導。在圖2中，冷卻氣流24繪出為流出頁面。在穿過轉向部(未示出)之後，"用過的"冷卻氣流26通過回流通道28朝葉片6的柄4引導回。在圖2中，冷卻氣流26繪出為流入頁面。
ps冷卻迴路20包括進料通道32，用於將冷卻氣流34(例如空氣)沿葉片6的壓力側8朝葉片6的末端區域48(圖1)沿徑向向外引導。在穿過轉向部(未示出)之後，"用過的"冷卻氣流36通過回流通道38朝葉片6的柄4引導回。在圖2中，冷卻氣流34繪出為流出頁面，而冷卻氣流36繪出為流入頁面。
根據實施例，參照圖3和5連同圖2，壓力損失減小結構40(圖3),50(圖5)提供用於使流動穿過ss冷卻迴路18的回流通道28的冷卻氣流26與流動穿過ps冷卻迴路20的回流通道38的冷卻氣流36組合，以形成中心倉室44內的單股組合的冷卻氣流42。這可通過防止冷卻氣流26,36在流進入中心倉室44時的衝擊來以減小的壓力損失實現。壓力損失減小結構40構造成在冷卻氣流26,36進入中心倉室44之前使冷卻氣流26,36轉向。例如，這可通過使回流通道28,38定形(圖3)和/或通過使用回流通道28,38中的轉向導葉(圖4)來實現，使得冷卻氣流26,36在於中心倉室44中組合時大致平行於彼此。有利地，重新引導的冷卻氣流26,36以減小的衝擊和相關聯的壓力損失流入中心倉室44中。
在葉片6中，冷卻氣流42沿徑向向外穿過中心倉室44(在圖2中離開頁面)。例如，冷卻氣流42可從中心倉室44重新分配至位於葉片6的前緣12中的前緣腔46，以提供衝擊冷卻。作為備選或此外，冷卻氣流42可重新分配至葉片6的末端區域48(圖1)。冷卻氣流42還可提供至葉片6內的其它位置、柄4和/或輪葉2的其它部分，用於常規冷卻的目的。更進一步，冷卻氣流42可用於提供葉片6的外表面的膜冷卻。取決於葉片6中的壓力損失減小結構40,50的位置，例如，冷卻氣流42還可重新分配至葉片6的後緣14處的冷卻通道/迴路。任何數量的壓力損失減小結構40,50可用於葉片6內。
圖3中繪出了壓力損失減小結構40的第一實施例。如圖3中所示，流動穿過ss冷卻迴路18的回流通道28的冷卻氣流26沿第一方向(箭頭a)流動穿過回流通道28至壓力損失減小結構40的第一弧形轉向部60，其具有弧形的端壁62。冷卻氣流26從回流通道28通過入口i1流入第一弧形轉向部60中。冷卻氣流26由弧形端壁62和由弧形端壁62和第二弧形轉向部70(下文所述)的弧形端壁72的遠端形成的尖接合部80通過出口o1朝中心倉室44重新引導(箭頭b)並且重新引導(箭頭b)到其中(箭頭c)，形成冷卻氣流42的一部分。回流通道28和中心倉室44由肋66分開。如圖3中所示，冷卻氣流26圍繞肋66的端部區段68流動。
圖3中還繪出了壓力損失減小結構40的第二弧形轉向部70。流動穿過ps冷卻迴路20的回流通道38的冷卻氣流36沿第一方向(箭頭d)流動穿過回流通道38至壓力損失減小結構40的第二弧形轉向部70，其具有弧形的端壁72。冷卻氣流36從回流通道38通過入口12流入第二環形轉向部70中。冷卻氣流36由弧形端壁72和尖接合部80通過出口o2朝中心倉室44重新引導(箭頭e)並且重新引導(箭頭e)到其中(箭頭f)，形成冷卻氣流42的另一部分。回流通道38和中心倉室44由肋76分開。冷卻氣流36圍繞肋76的端部區段78流動。
在實施例中，弧形端壁62,72和由第一弧形轉向部60和第二弧形轉向部70的遠端形成的尖接合部80防止冷卻氣流26,36的衝擊，並且向上朝中心倉室44引導冷卻氣流26,36並且將其引導到中心倉室44中。在中心倉室44中，冷卻氣流26,36組合來產生冷卻氣流42。
第一弧形轉向部60和第二弧形轉向部70的弧形端壁62,72可為大致半圓形的。因此，冷卻氣流26,36可在冷卻氣流26,36圍繞肋66,76的端部區段67,78經過時旋轉高達大約180°。弧形轉向部60,70的第一端壁62和第二端壁72的其它適合的構造也可在壓力損失減小結構40的各種實施中使用。
圖4為繪出壓力損失減小結構40的圖1的葉片的局部截面視圖。如所示，冷卻氣流26沿第一方向(在圖4中進入頁面)流動穿過回流通道28至壓力損失減小結構40的第一弧形轉向部60。在第一弧形轉向部60處，冷卻氣流26由弧形端壁62和尖接合部80沿第二方向(在圖4中離開頁面)重新定向，並且流入中心倉室44中，形成冷卻氣流42的一部分。回流通道28和中心倉室44由肋66分開。
冷卻氣流36沿第一方向(在圖4中進入頁面)流動穿過回流通道38至壓力損失減小結構40的第二弧形轉向部70。在第二轉向部70處，冷卻氣流36由弧形端壁72和尖接合部80沿第二方向(在圖4中離開頁面)重新定向，並且流入中心倉室44中，形成冷卻氣流42的另一部分。回流通道38和中心倉室44由肋76分開。
圖5中繪出了壓力損失減小結構50的另一個實施例。不同於前述壓力損失減小結構40，壓力損失減小結構50包括多組90a,90b轉向導葉92,94，其構造成以減小的衝擊和相關聯的壓力損失將冷卻氣流26,36重新引導到中心倉室44中。
如所示，冷卻氣流26沿第一方向(箭頭g)流動穿過回流通道28至壓力損失減小結構50的第一弧形轉向部160。在該實施例中，第一弧形轉向部160的弧形構造由成組90a轉向導葉92,94提供，而非如上述實施例中的轉向部自身(圖3)的形狀。在第一弧形轉向部160處，冷卻氣流26由成組90a轉向導葉92,94和端壁162重新引導(箭頭h,i)。重新引導的冷卻氣流26朝中心倉室44流動並且流入中心倉室44中(箭頭j)，形成冷卻氣流42的一部分。回流通道28和中心倉室44由肋166分開。如圖5中所示，冷卻氣流26圍繞肋166的端部區段168流動。
圖5中還繪出了壓力損失減小結構50的第二弧形轉向部170。冷卻氣流36沿第一方向(箭頭k)流動穿過回流通道38至壓力損失減小結構50的第二弧形轉向部170。在第二弧形轉向部170處，冷卻氣流36由成組90b轉向導葉92,94和端壁172重新引導(箭頭l,m)。端壁172可與端壁162大致共面。類似於第一弧形轉向部160，第二弧形轉向部170的弧形構造由成組90b轉向導葉92,94提供，而非如上述實施例中的轉向部自身(圖3)的形狀。重新引導的冷卻氣流36隨後朝中心倉室44流動並且流入中心倉室44中(箭頭n)，形成冷卻氣流42的另一部分。回流通道38和中心倉室44由肋176分開。冷卻氣流36圍繞肋176的端部區段178流動。
在實施例中，轉向導葉92,94具有弧形構造。儘管描述為包括兩個轉向導葉92,94，但各組轉向導葉90a,90b可包括任何數量的適合地布置的轉向導葉。例如，如圖6中所示，單個轉向導葉102可設在第一弧形轉向部160和第二弧形轉向部170中。還可使用兩個以上的轉向導葉。
如圖5中所示，在各組90a,90b轉向導葉92,94中，轉向導葉92的凹面98面對轉向導葉94的凹面100，由此形成第一弧形轉向部160和第二弧形轉向部170中的弧形路徑(h,i)(l,m)。各組90a,90b中的轉向導葉92,94構造成使得在冷卻氣流26,36圍繞肋166,176的端部區段168,178經過時，冷卻氣流26,36的流動方向可旋轉高達大約180°。轉向導葉可定位成遠離第一弧形轉向部160和第二弧形轉向部170的端壁168,178。在該程度上，冷卻氣流26可圍繞組90a的轉向導葉92,94的兩側流動(如由箭頭h,i表示的)，而冷卻氣流36可圍繞組90b的轉向導葉92,94的兩側流動(如由箭頭l,m表示的)。
圖7為繪出壓力損失減小結構50的圖1的葉片的局部截面視圖。如所示，冷卻氣流26沿第一方向(在圖7中進入頁面)流動穿過回流通道28至壓力損失減小結構40的第一弧形轉向部160。在第一弧形轉向部160處，冷卻氣流26由組90a的轉向導葉92,94和端壁162沿第二方向重新引導到中心倉室44中(在圖7中離開頁面)，形成冷卻氣流42的一部分。回流通道28和中心倉室44由肋166分開。
冷卻氣流36沿第一方向(在圖7中進入頁面)流動穿過回流通道38至壓力損失減小結構40的第二弧形轉向部170。在第二弧形轉向部170處，冷卻氣流36由組90b的轉向導葉92,94和端壁172沿第二方向重新引導到中心倉室44中(在圖7中離開頁面)，形成冷卻氣流42的一部分。回流通道38和中心倉室44由肋176分開。
在各種實施例中，描述為「聯接」於彼此的構件可沿著一個或更多個界面連結。在一些實施例中，這些界面可包括不同構件之間的接合部，並且在其它情況中，這些界面可包括堅固地和/或集成地形成的互連。即，在一些情況中，「聯接」於彼此的構件可同時形成，以限定單個連續部件。然而，在其它實施例中，這些聯接的構件可形成為單獨部件，並且隨後通過已知過程(例如，緊固、超聲波焊接、粘結)連結。
當元件或層被稱為在另一元件「上」、「接合於」、「連接於」或「聯接於」另一元件時，其可直接地在另一元件上、接合、連接或聯接於另一元件，或者可存在插置元件。相反，當元件被稱為「直接地在另一元件上」、「直接地接合於」、「直接地連接於」或「直接地聯接於」另一元件時，可不存在插置元件或層。用於描述元件之間的關係的其它詞應當以類似的方式(例如，「在…之間」對「直接地在…之間」，「鄰近」對「直接地鄰近」等)解釋。如本文中使用的，用語「和/或」包括相關聯的列舉物件中的一個或更多個的任何和所有組合。
本文中使用的用語出於僅描述特定實施例的目的，並且不旨在限制本公開。如本文中使用的，單數形式"一"、"一個"和"該"旨在也包括複數形式，除非上下文另外清楚地指出。還將理解的是，用語"包括(comprises)"和/或"包含(comprising)"在用於本說明書中時表示敘述的特徵、整數、步驟、操作、元件和/或構件的存在，但並未排除存在或添加一個或更多個其它特徵、整數、步驟、操作、元件、構件和/或它們的組。
該書面的描述使用實例以公開本發明(包括最佳模式)，並且還使本領域技術人員能夠實踐本發明(包括製造和使用任何裝置或系統並且執行任何併入的方法)。本發明的可專利範圍由權利要求限定，並且可包括本領域技術人員想到的其它實例。如果這些其它實例具有不與權利要求的字面語言不同的結構元件，或者如果這些其它實例包括與權利要求的字面語言無顯著差別的等同結構元件，則這些其它實例意圖在權利要求的範圍內。