[发明专利]用于冷却涡轮转子叶片的平台区域的设备和方法

说明书

技术领域

本申请大体涉及燃烧涡轮发动机，其如本文中所用并且除非另外明确地陈述，包括所有类型的燃烧涡轮发动机，诸如用在发电中的那些和航空发动机。更具体地，但不通过限制的方式，本申请涉及用于冷却涡轮转子叶片的平台区域的设备、系统和/或方法。

背景技术

燃气涡轮发动机典型地包括压缩器、燃烧器和涡轮。压缩器和涡轮大体包括成级地轴向堆叠的翼型(airfoil)或叶片的排。各级典型地包括成排的周向间隔开的固定的定子叶片和成组的周向间隔开的转子叶片，其围绕中心轴线或轴旋转。在操作中，压缩器中的转子叶片围绕轴旋转以压缩空气流。压缩空气然后在燃烧器内利用以燃烧燃料的供应。由燃烧工序产生的热气体流通过涡轮膨胀，这导致转子叶片使它们附连到其上的轴旋转。以这种方式，燃料中包含的能量转换成旋转轴的机械能，其然后例如可用于旋转发电机的线圈以发电。

参考图1和图2，涡轮转子叶片100大体包括翼型部分或翼型102和根部部分或根部104。翼型102可描述为具有凸吸力面105和凹压力面106。翼型102还可描述为具有是前部边缘的前缘107和是后部边缘的后缘108。根部104可描述为具有：用于将叶片100固定到转子轴的结构(其如图所示，典型地包括燕尾榫109)；平台110，翼型102从其延伸；和柄部112，其包括燕尾榫109与平台110之间的结构。

如所示，平台110可基本平坦。(注意“平坦”，如本文中所用，意味着大致或基本呈平面的形状。例如，本领域技术人员将理解平台可构造成具有轻微弯曲和凸出的外表面，其中，曲率对应于在转子叶片的径向位置处的涡轮的周向。如本文中所用，这种类型的平台形状被视为平坦，因为曲率的半径足够大以给平台平直的外观。)更具体地，平台110可具有平坦顶侧113，其如图1所示，可包括轴向并且周向延伸的平直表面。如图2所示，平台110可具有平坦下侧114，其还可包括轴向并且周向延伸的平直表面。平台110的顶侧113和底侧114可形成为使得各基本彼此平行。如所示，将理解平台110典型地具有薄径向轮廓，即在平台110的顶侧113与底侧114之间存在相对短的径向间距。

总体上，在涡轮转子叶片100上采用平台110以形成燃气涡轮的热气体路径区段的内侧流动路径边界。平台110还提供用于翼型102的结构支撑。在操作中，涡轮的旋转速度引起机械负荷，其沿平台110创造高应力区域，其当与高温耦合，最终导致操作缺陷，诸如氧化、蠕变、低循环疲劳破裂及其它的形成。这些缺陷，当然，负面地影响转子叶片100的有用寿命。将理解这些严苛的操作条件，即暴露于热气体路径的极端温度和与旋转叶片关联的机械负荷，对设计既良好执行又成本节约地制备的耐用的、长寿命的转子叶片平台110创造相当大的挑战。

使平台区域110更耐用的一个常用解决方案是在操作期间利用压缩空气流或其它冷却剂冷却它，并且已知多种这些类型的平台设计。然而，如本领域技术人员将理解，平台区域110呈现使得它难以以这种方式冷却的某些设计挑战。在重要部分，这是由于这个区域的棘手的几何形状产生，因为如所述，平台110是外围构件，其远离转子叶片的中心芯部并且典型地设计成具有结构上合理但薄的径向厚度。

为循环冷却剂，转子叶片100典型地包括一个或多个中空内部冷却通道116(参见图3、图4和图5)，其通过叶片100的内部径向延伸，包括通过根部104和翼型102。如下文更详细地描述地，为增加热量的交换，这种内部冷却通道116可形成为具有盘旋路径，其通过叶片100的中心区域缠绕，但是其它构型是可能的。在操作中，冷却剂可经由在燕尾榫109的内表面中形成的一个或多个进口117进入内部冷却通道。冷却剂可循环通过叶片100并且通过在翼型上形成的出口(未示出)和/或经由在根部104中形成的一个或多个出口(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。在许多情形中，冷却剂是从发动机的压缩器转移的压缩空气，但是其它源是可能的。如下文更详细地描述地，这些内部冷却通道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对应于具有更高冷却剂压力的冷却通道的上游部分，然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。