[发明专利]用于冷却涡轮转子叶片平台区的装置与方法

说明书

技术领域

本申请大体上涉及燃气涡轮发动机，其如本文所使用的那样，并且除非另外明确规定，包括所有类型的燃气涡轮发动机，例如用于发电和飞行器发动机的那些。更具体而言，但不具有限制性，本申请涉及用于冷却涡轮转子叶片平台区的装置、系统和/或方法。

背景技术

燃气涡轮发动机通常包括压缩机、燃烧器和涡轮。压缩机和涡轮通常包括成级地轴向堆叠的成排翼型件或叶片。每个级通常包括成排的沿周向间隔的定子叶片(其为固定的)，以及成组的沿周向间隔的转子叶片(其围绕中心轴线或轴旋转)。在操作中，压缩机中的转子叶片围绕轴旋转以压缩空气流。然后，在燃烧器内使用压缩空气来使供给的燃料燃烧。自燃烧过程产生的热气流膨胀穿过涡轮，这导致转子叶片使轴(转子叶片附接至该轴)旋转。这样，燃料中所包含的能量转变成旋转轴的机械能，该机械能然后例如可用于使发动机的线圈旋转来发电。

参看图1和图2，涡轮转子叶片100通常包括翼型件部分或翼型件102，以及根部部分或根部104。翼型件102可被描述为具有凸形的吸力面105以及凹形的压力面106。翼型件102还可被描述为具有前缘107(其为前缘)以及后缘108(其为后边缘)。根部104可被描述为具有用于将叶片100附连到转子轴上的结构(如图所示，其通常包括燕尾榫109)、平台110(翼型件102从其延伸)，以及柄部112(其包括燕尾榫109与平台110之间的结构)。

如图所示，平台110可基本上为平坦的。更具体而言，平台110可具有平坦顶侧113，如图1中所示，该平坦顶侧113可包括沿轴向和沿周向延伸的平坦表面。如图2中所示，平台110可具有平坦下侧114，平坦下侧114也可包括沿轴向和沿周向延伸的平坦表面。平台110的顶侧113和下侧114可形成为使得每一个基本平行于另一个。如图所示，应当理解，平台110通常具有较薄的径向轮廓，即，平台110的顶侧113与下侧114之间具有相对较短的径向距离。

大体上，在涡轮转子叶片100上使用平台110以形成燃气涡轮的热气体通路区段的内部流动通路边界。该平台110还给翼型件102提供结构支撑。在操作中，涡轮的旋转速度引起机械加载，该机械加载造成沿平台110的较高应力区域，当较高应力区域结合高温时，最终会导致形成操作缺陷，例如氧化、蠕变、低周疲劳开裂等。当然，这些缺陷会不利地影响转子叶片100的使用寿命。应当理解，这些恶劣的操作情况(即，遭受热气体通路的极端温度以及与旋转叶片相关的机械加载)在设计耐用持久的转子叶片平台110(其运转良好并且具有成本效益地制造)方面提出很大的挑战。

使平台区110更耐用的一种常用解决方案是在操作期间利用压缩空气或其它冷却剂的流使其冷却，并且多种这类平台设计是公知的。然而，如本领域普通技术人员所认识到的那样，平台区110提出了某些设计挑战，这使其很难以这种方式冷却。很大程度而言，这是由于该区域难用(awkward)的几何形状造成的，因为，如所述的那样，平台110为处于远离转子叶片的中心核心(central core)的外围构件，并且通常设计为具有结构可靠但较薄的径向厚度。

为了使冷却剂循环，转子叶片100通常包括一个或多个中空冷却通路116(参见图3、图4、图5和图9)，冷却通路116至少沿径向延伸穿过叶片100的核心，包括穿过根部104和翼型件102。如下文更详细描述的那样，为了增强热交换，这样的冷却通路116可形成为具有蜿蜒通路，该蜿蜒通路盘绕穿过叶片100的中心区域，但其它构造也是可能的。在操作中，冷却剂可经由形成于根部104的内侧部分中的一个或多个入口117进入中心冷却通路。冷却剂可循环穿过叶片100，并且经由形成于翼型件上的出口(未示出)和/或经由形成于根部104中的一个或多个出口(未示出)离开。冷却剂可加压，并且例如可包括加压空气、与水混合的加压空气、蒸汽等。在许多情况下，冷却剂为加压空气，该加压空气转移自发动机的压缩机，但其它来源也是可能的。如下文更详细论述的那样，这些冷却通路通常包括高压冷却剂区域和低压冷却剂区域。高压冷却剂区域通常对应于冷却通道的具有较高冷却剂压力的上游部分，而低压冷却剂区域对应于具有相对较低冷却剂压力的下游部分。