[发明专利]涡轮机转子叶片平台冷却装置

说明书

技术领域

本发明总体涉及燃烧涡轮发动机，如本说明书中所使用并且除非通过其它方式具体说明的，所述燃烧涡轮发动机包括所有类型的燃烧涡轮发动机，例如用于发电的那些燃烧涡轮发动机以及飞机发动机。更具体地，但并不以限制的方式，本发明涉及用于对涡轮机转子叶片的平台区域进行冷却的装置、系统和/或方法。

背景技术

燃气涡轮发动机典型地包括压缩机、燃烧器、和涡轮。压缩机和涡轮通常包括按级沿轴向层叠的、成行的翼型件或叶片。每一级都典型地包括一行固定的、沿周向间隔开的定子叶片，以及一组围绕中心轴线或轴旋转的、沿周向间隔开的转子叶片。在操作中，压缩机中的转子叶片围绕轴旋转，以对空气流进行压缩。压缩空气接着在燃烧器内用于燃烧燃料供给。从燃烧过程获得的热气流膨胀通过涡轮，从而造成转子叶片使轴旋转，转子叶片连接至该轴。通过该方式，包含在燃料中的能量转化成旋转轴的机械能，该机械能例如接着可以用于使发电机的线圈旋转，以产生电力。

参照图1和图2，涡轮机转子叶片100通常包括翼型部分或翼型件102、以及根部分或根部104。可以将翼型件102描述成具有凸形吸力面105和凹形压力面106。可以进一步将翼型件102描述成具有前缘107(向前边缘)和后缘108(后部边缘)。可以将根部104描述成具有用于将叶片100固定至转子轴的结构(如图所示，典型地包括燕尾榫109)、翼型件102从其延伸的平台110、和柄部112，柄部112包括位于燕尾榫109与平台110之间的结构。

如图所示，平台110可以是基本平面的。更具体地，平台110可以具有平面顶侧113，如图1中所示，平面顶侧113可以包括沿轴向和周向延伸的平坦表面。如图2中所示，平台110可以具有平面底侧114，平面底侧114也可以包括沿轴向和周向延伸的平坦表面。平台110的顶侧113和底侧114可以形成为使得它们都彼此基本平行。如图所示，应当领会，平台110典型地具有薄的径向外形，即，平台110的顶侧113与底侧114之间的径向距离相对较短。

总体而言，涡轮机转子叶片100上采用平台110来形成燃气涡轮机的热气路径部段的内部流动路径边界。平台110进一步为翼型件102提供结构支承。在操作中，涡轮机的旋转速度引起机械载荷，该机械载荷能够沿平台110产生高应力区域，当与高温相关时，所述高应力区域最终造成操作缺陷的形成，例如氧化、蠕变、低周疲劳裂纹等、以及其它的操作缺陷。当然，这些缺陷不利地影响转子叶片100的使用寿命。应当领会，这些恶劣的操作条件(即，暴露于热气路径的极限温度和与旋转叶片相关的机械载荷)能够在设计表现良好且制造成本效益高的耐用、持久的转子叶片平台110方面产生巨大挑战。

一个能够使平台区域110更加耐用的常用解决方案是在操作期间通过压缩空气流或其它冷却剂流对平台区域110进行冷却，并且多种这些类型的平台设计是已知的。然而，像本领域普通技术人员应当领会的那样，平台区域110所展示出的某些设计挑战使得难以通过该方式进行冷却。在很大程度上，这是由于该区域的不合适的或复杂的(awkward)几何形状，如上所述，其原因在于平台110是定位成远离转子叶片的中央核心的外围部件，并且典型地设计成具有结构牢固、但是沿径向薄的厚度。

为了使冷却剂循环，转子叶片100典型地包括一个或多个空心冷却通路116(见图3、图4、图5和图9)，所述一个或多个空心冷却通路116至少沿径向延伸通过叶片100的核心/中心，包括通过根部104和翼型件102。如下文更加详细地描述的，为了增加换热，这种冷却通路116可以形成为能够具有盘旋通过叶片100的中央区域的蛇形路径(serpentine path)，但是其它的构造也是可能的。在操作中，冷却剂可以通过形成在根部104的内侧(inboard)部分中的一个或多个进口117进入中央冷却通路。冷却剂可以循环通过叶片100，并且通过形成在翼型件上的出口(未示出)、并且/或者通过形成在根部104中的一个或多个出口(未示出)离开。冷却剂可以受到加压，并且可以例如包括加压空气、与水、蒸汽等混合的加压空气。在许多情况下，冷却剂是从发动机的压缩机转移过来的压缩空气，但是其它的源也是可能的。如下文更加详细地讨论的，这些冷却通路典型地包括高压冷却剂区域和低压冷却剂区域。高压冷却剂区域典型地与具有较高冷却剂压力的冷却通路的上游部分相对应，而低压冷却剂区域与具有相对较低的冷却剂压力的下游部分相对应。