[发明专利]用于冷却涡轮机转子叶片的平台区域的装置和方法

说明书

技术领域

本申请总体涉及燃烧涡轮发动机，其如本文所用且除非特别说明否则包括所有类型的燃烧涡轮发动机，例如用于发电的那些涡轮发动机和航空发动机。更具体地说，但不作为限制，本申请涉及用于冷却涡轮机转子叶片的平台区域的装置、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几排成级轴向地堆叠起来的翼型件或叶片。各级典型地包括周向间隔开的固定的一排定子叶片和围绕中心轴线或轴而旋转的周向间隔开的一组转子叶片。在操作过程中，压缩机中的转子叶片围绕轴而旋转，从而压缩空气流。压缩空气然后在燃烧器内用于燃烧燃料供给。由燃烧过程导致的热气体流通过涡轮进行膨胀，其造成转子叶片使它们附接在其上的轴旋转。通过这种方式，包含在燃料中的能量被转换成旋转轴的机械能，其然后可用于例如使发电机的线圈旋转，从而产生电力。

参看图1和图2，涡轮机转子叶片100通常包括翼型件部分或翼型件102和根部部分或根部104。翼型件102可被描述为具有凸起的吸力面105和凹入的压力面106。翼型件102可被进一步描述为具有前缘107和后缘108，前缘107是前部边缘，后缘108是后部边缘。根部104可被描述为具有用于将叶片100固定在转子轴上的结构(其如图所示典型地包括燕尾榫109)、平台110和柄部112，翼型件102从平台110延伸，柄部112包括位于燕尾榫109和平台110之间的结构。

如图所示，平台110可为大体平坦的。更具体地说，平台110可具有平坦的顶侧面113，其如图1中所示可包括轴向且周向延伸的平坦表面。如图2中所示，平台110可具有平坦的下侧面114，其可包括轴向且周向延伸的平坦表面。平台110的顶侧面113和底侧面114可形成为使得各自大体上彼此平行。如图所示，应该懂得平台110典型地具有薄的径向剖面，即在平台110的顶侧面113和底侧面114之间具有相对较短的径向距离。

通常，在涡轮机转子叶片100上采用平台110以形成燃气涡轮机的热气道部段的内部流道边界。平台110进一步为翼型件102提供了结构支撑。在操作过程中，涡轮的旋转速度引起了机械负载，其产生了沿着平台110的高应力区域，其当与高温结合时最终会造成操作缺陷的形成，例如氧化、蠕变、低循环疲劳开裂以及其它缺陷。这些缺陷当然对转子叶片100的有效寿命产生负面影响。应该懂得这些苛刻的操作条件，即暴露于热气道的极端温度和与旋转叶片相关联的机械负载下，在设计性能良好且制造成本合算的耐用持久的转子叶片平台110方面产生了相当大的挑战。

使平台区域110变得更加耐用的一种常见方法是在操作期间利用压缩空气流或其它冷却剂冷却它，并且这些类型的各种平台设计是已知的。然而，本领域普通技术人员应该懂得，平台区域110存在致使难以如此冷却某些设计挑战。这很大一部分是由于该区域难于使用的几何形状，因为如所述的，平台110是一种外围构件，其远离转子叶片的中芯，并且典型地设计为具有结构上优良但薄的径向厚度。

为了使冷却剂循环，转子叶片100典型地包括一个或更多空心的冷却通路116(见图3，4，5和9)，其至少径向穿过叶片100的核芯，包括穿过根部104和翼型件102。如以下更详细所述的，为了增加热交换，此类冷却通路116可形成为具有蛇形路径，其蜿蜒地穿过叶片100的中心区域，但其它构造也是可行的。在操作过程中，冷却剂可通过形成于根部104的内侧部分中的一个或更多入口117而进入中心冷却通路。冷却剂可循环穿过叶片100，并通过形成于翼型件上的出口(未显示)和/或通过成形于根部104中的一个或更多出口(未显示)而离开。冷却剂可被加压，并且可包括例如压缩空气、与水混合的压缩空气、蒸汽等等。在许多情况下，冷却剂是压缩空气，其从发动机的压缩机分流，但其它来源也是可行的。如以下更详细所述的，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冷却通路的上游部分相对应，其具有较高的冷却剂压力，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。

在一些情况下，可将冷却剂从冷却通路116引导至空腔119中，空腔119形成于相邻的转子叶片100的柄部112和平台110之间。从中冷却剂可用于冷却叶片的平台区域110，在图3中显示了其一种传统的设计。这类设计典型地从其中一个冷却通路116提取空气，并使用空气对形成于柄部112/平台110之间的空腔119进行加压。一旦加压，该空腔119即将冷却剂供给穿过平台110的冷却通道。在穿过平台110之后，空气冷却剂可通过形成于平台110的顶侧面113中的薄膜冷却孔而离开空腔。