[发明专利]用于冷却涡轮转子叶片的平台区的设备及方法

说明书

技术领域

本申请主要涉及燃烧涡轮发动机，如本文所用且除非另外明确规定，这包括所有类型的燃烧涡轮发动机，如用于动力生成和飞行器发动机的那些。更具体而言，但并非通过限制的方式，本申请涉及用于冷却涡轮转子叶片平台区的设备、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沿轴向叠置成级的成列的翼型件或叶片。各级通常均包括固定的一列沿周向间隔开的定子叶片，以及围绕中央轴线或轴旋转的一组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压缩空气流。然后，压缩空气在燃烧器内用来燃烧供送的燃料。由燃烧过程所最终产生的热气流膨胀穿过涡轮，这导致转子叶片使附接于其上的轴旋转。以此方式，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电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可描述为具有凸起的吸入面105和凹入的压力面106。翼型件102还可描述为具有为前方边缘的前缘107，以及为后方边缘的后缘108。根部104可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，这通常包括燕尾部(dovetail)109)、翼型件102自其延伸的平台110，以及包括位于燕尾部109与平台110之间的结构的柄部112。

如图所示，平台110可为大致平坦的。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可包括沿轴向和周向延伸的平直表面。如图2中所示，平台110可具有平坦下侧114，平坦下侧114也可包括沿轴向和周向延伸的平直表面。平台110的顶侧113和底侧114可形成为使得每个均大致平行于另一个。如图所示，将会认识到的是，平台110通常具有薄的径向轮廓，也即平台110的顶侧113与底侧114之间存在相对较短的径向距离。

总体上，平台110在涡轮转子叶片100上用来形成燃气轮机热气体路径区段的内部流动路径边界。平台110还向翼型件102提供结构支承。在操作中，涡轮的旋转速度引起机械负载，该机械负载造成沿平台110的高应力区域，该高应力区域当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。将会认识到的是，这些恶劣的操作条件，也即受到热气体路径的极端温度和与旋转叶片相关的机械负载，在设计良好运转且成本效益合算地制造的耐用持久的转子叶片平台110中提出较大挑战。

使平台区110更为耐用的一种常用解决方案为在操作期间利用压缩空气或其它冷却剂流来使其冷却，且公知有多种这些类型的平台设计。然而，如本领域的普通技术人员将认识到的那样，平台区110提出了使其很难以这种方式冷却的一些设计挑战。在大部分中，这归因于该区域不好使用的几何结构，因为如所述那样，平台110为处于远离转子叶片中央内核的外围构件且通常设计成具有结构上合理但较薄的径向厚度。

为了循环冷却剂，转子叶片100通常包括一个或多个中空冷却通道116(见图3、图4、图5和图9)，冷却通道116至少沿径向延伸穿过叶片100的内核，包括穿过根部104和翼型件102。如下文更为详细描述的那样，为了加强热交换，该冷却通道116可形成为具有曲折路径，该曲折路径盘绕穿过叶片100的中央区域，但其它构造也是可能的。在操作中，冷却剂可经由形成在根部104内侧部分中的一个或多个入口117而进入中央冷却通道。冷却剂可循环穿过叶片100，且经由形成在翼型件上的出口(未示出)和/或经由形成在根部104中的一个或多个出口(未示出)流出。冷却剂可加压，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，冷却剂为转移自发动机的压缩机的加压空气，但其它来源也是可能的。如下文更为详细描述那样，这些冷却通道通常包括高压冷却剂区和低压冷却剂区。高压冷却剂区通常对应于具有较高冷却剂压力的冷却通道的上游部分，而低压冷却剂区对应于具有相对较低冷却剂压力的下游部分。

在一些情况下，冷却剂可从冷却通道116引导至形成在柄部112与相邻转子叶片100的平台110之间的腔119中。自此，冷却剂可用于冷却叶片的平台区110，图3中提供了对其的常规设计。这种类型的设计通常从冷却通道116的其中一个获取空气，且使用该空气来加压形成在柄部112/平台110之间的腔119。一旦加压，则该腔119于是将冷却剂供送至延伸穿过平台110的冷却通路。在横穿平台110之后，冷却空气可经由形成在平台110顶侧113中的膜冷却孔离开腔。