[发明专利]涡轮转子叶片中的内部冷却构造

说明书

本发明涉及涡轮转子叶片中的内部冷却构造。具体地，一种涡轮转子叶片，包括限定在凹入压力面和侧向相对的凸起吸力面之间的翼型件，以及包括用于接收和引导冷却剂穿过转子叶片内部的冷却通道的冷却构造。冷却通道可包括流体地连接的部段，在其中：供给部段径向地延伸穿过翼型件；出口部段相对于工作流体穿过涡轮的流动方向以浅角度从转子叶片排出冷却剂；以及肘管部段将供给部段连接至出口部段并且定位在翼型件的外侧末端附近。肘管部段可构造成用于适应在供给部段和出口部段之间的方向变化。

技术领域

本申请涉及燃气涡轮发动机中叶片的内部冷却通道和构造。更具体地而非作为限制，本申请涉及形成在涡轮转子叶片的外部径向末端(tip)附近的内部冷却通道和结构构造。

背景技术

将应理解，燃烧或燃气涡轮发动机（“燃气涡轮”）包括在其中成列的叶片轴向地叠置成级的压缩机和涡轮区段。每个级均包括固定的一列环向隔开的定子叶片，以及围绕中心涡轮轴线或轴旋转的一列转子叶片。在操作中，一般而言，压缩机转子叶片围绕轴旋转，并且与定子叶片一致地作用来压缩空气流。供给的压缩空气然后在燃烧器中用来燃烧供给的燃料。由燃烧产生的热膨胀气体（也即，工作流体）流经由发动机的涡轮区段膨胀。穿过涡轮的工作流体流通过定子叶片再次引导到转子叶片上由此引起旋转。转子叶片连接至中心轴，使得转子叶片的旋转致使轴旋转。这样，包含在燃料中的能量转换成旋转轴的机械能，该机械能例如可用来旋转压缩机的转子叶片以致于产生燃烧所需的压缩空气的供给，以及用来旋转发电机的线圈以致于生成电力。在操作期间，由于热气体路径的极端温度、工作流体的速度以及发动机的旋转速度，涡轮内的叶片在极端的机械和热负载下变得经受高度应力。

设计高效且成本合算的燃气涡轮是一项持续且重要的目标。尽管已知有若干策略用于提高燃气涡轮的效率，但其保持为有挑战性的目标，因为此类替代方案（例如，包括增大发动机的尺寸、提高经过热气体路径的温度，以及提高转子叶片的旋转速度）通常使附加的应变置于叶片和已经受高度应力的其它热气体路径构成部件上。因此，减小置于涡轮叶片上的操作应力或容许涡轮叶片更好地耐受这些应力以便发动机可更为高效地操作的改进设备、方法或系统仍然是对于技术改进的重要方面。

用于减轻叶片上应力的一个策略是通过在操作期间对它们主动地冷却。此种冷却可容许叶片更好地耐受更高的点火温度和机械应力，这可延长叶片的寿命和通常使得发动机更为成本合算和高效地操作。在操作期间冷却叶片的一种方式是通过使用内部冷却通道或回路。一般来讲，这包括传送来源于压缩机的相对冷却的供给压缩空气经过内部冷却通道。如将认识到那样，由于众多原因，在设计和制造这些内部冷却通道时要求非常谨慎。

第一，冷却空气的使用降低了发动机的效率。具体地，来自压缩机的经转向用于冷却目的的空气为否则可在燃烧过程中使用的空气。因此，此种空气的使用必然地减少了燃烧可用的空气，且因此降低了总体效率。这要求冷却通道高度有效以便最小化用于冷却的空气用量。第二，较新的涡轮叶片设计要求侵略性地成型的空气动力学构造，其较薄并且更加弯曲或扭曲。这些新型的叶片构造给予另一优质到紧凑且高效的通道上。这些新型设计也产生空间约束，其阻碍或限制使用常规方式来制造传统的冷却通道构造。第三，内部冷却通道必须构造成促进重量轻的转子叶片，同时仍提供足够结实的结构用于耐受极端加载。也就是说，尽管冷却通道设计为减轻叶片总体重量的有效方式（其提升效率并且降低机械负载），但叶片仍必须保持非常有回弹力的。因此，冷却通道必须设计成移除材料和重量，同时仍促进结构的回弹性。内部布置也必须避免应力集中或冷却不足的区域（或“热点”），其可不利地影响部件寿命。第四，冷却构造也必须设计成以便排出的冷却剂促进表面冷却和高效的空气动力学操作。具体地，由于冷却通道典型地在冷却剂循环经过内部冷却通道后将其排出到工作流体流路中，另一设计考虑因素涉及使用排出的冷却剂用于表面冷却以及最小化与其相关联的空气动力学损失。排出的冷却剂常常预期在其释放之后用以对叶片的外表面或区域提供冷却，并且这必须与内部冷却策略相结合而且考虑空气动力学性能。