[发明专利]涡轮叶片中的冷却布置

说明书

一种用于燃气涡轮(10)的涡轮(12)的转子叶片包括翼型件(25)。翼型件(25)可具有前缘(28)、后缘(29)、外侧(31)和内侧端，内侧端附接到构造成将转子叶片联接到转子盘的根部(21)上。翼型件(25)可具有冷却构造，其包括用于穿过翼型件(25)接收和引导冷却剂的长形冷却通道(33)。转子叶片还可包括：连接到翼型件(25)上的末梢护罩(55)；穿过与冷却通道流体连通的末梢护罩(55)的外侧面(60)形成的出口端口(37)；以及形成在末梢护罩(55)的外侧表面(60)上的流引导结构。流引导结构可关于出口端口(37)定位，且构造成引导从出口端口(37)排放的冷却剂流。转子叶片可用于降低局部末梢护罩温度，以及通过减少将构件保持在期望温度水平所需的冷却剂供应来改进级空气动力效率。

技术领域

本申请涉及燃气涡轮发动机中的叶片的内部冷却通道和构造。更具体而言，但不通过限制方式，本申请涉及在涡轮转子叶片的外径向末梢附近形成的内部冷却通道和构造。

背景技术

将认识到的是，燃烧或燃气涡轮发动机(燃气涡轮)包括压缩机、燃烧器和涡轮。压缩机和涡轮区段大体上包括沿轴向按级堆叠的成排的叶片。各级均包括固定的成排的沿周向间隔开的定子叶片，以及围绕中心涡轮轴线或轴旋转的成排的转子叶片。在操作中，大体上，压缩机转子叶片围绕轴旋转，且与定子叶片一齐作用来压缩空气流。压缩空气供应然后用于燃烧器中来燃烧供应燃料。来自燃烧的所得的热膨胀气流(即，工作流体)膨胀穿过发动机的涡轮区段。工作流体流过涡轮引起转子叶片旋转。转子叶片连接到中心轴上，使得转子叶片的旋转使轴旋转。以此方式，包含在燃料中的能量转变成旋转轴的机械能，其例如可用于使压缩机的转子叶片旋转，使得产生用于燃烧所需的压缩空气供应，且旋转发电机的线圈，使得生成电功率。在操作期间，由于热气体路径的极端温度、工作流体的速度、以及发动机的转速，涡轮内的叶片变得由于极端机械和热负载而受到较高应力。

对于能源的日益增长的需求使得更高效的燃气涡轮的设计是一直且显著的目标。尽管用于提高燃气涡轮的效率的若干策略是已知的，但其仍是挑战性的目标，因为例如包括增大发动机大小、提高穿过热气体路径的温度和提高转子叶片的转速的此类备选方案大体上对已经受到较高应力的部分施加额外的应变。结果，减小置于涡轮叶片上的操作应力且允许涡轮叶片更好经得起这些应力或更高效操作的改进的设备、方法和/或系统有很大需求。

缓解叶片上的热应力的一个策略是通过在操作期间主动地冷却它们。例如，此类冷却可允许叶片经得起较高燃烧温度，经得起高操作温度下的较大机械应力，和/或延长叶片的零件寿命，它们所有都可允许燃气涡轮在其操作中成本效益更划算且高效。在操作期间冷却叶片的一种方式是通过使用内部冷却通路、通道或回路。大体上，这涉及传递相对较冷的压缩空气供应，这可由燃气涡轮的压缩机经由叶片内的内部冷却通道供应。出于许多原因，如将认识到的那样，这些内部冷却通道构造的设计和制造需要较大关注。首先，冷却空气的使用是有成本的。即，从压缩机转移至发动机的涡轮区段来用于冷却的空气绕过燃烧器，且因此降低发动机的效率。其次，较新的更积极的成形空气动力叶片构造较薄且更弯曲或扭曲，这需要冷却通道更好表现，同时具有紧凑设计。第三，为了减小机械负载，冷却通道可形成为从叶片除去不需要的重量；然而，叶片将必须保持较强以经得起极端的机械负载。因此，冷却通道必须设计成使得涡轮叶片是轻量的，但仍很稳健，同时还限制应力集中和/或有效冷却此类集中不可避免的那些区域。第四，冷却构造可构造成使得流出叶片的冷却剂加强高效冷却。具体而言，由于从冷却通道流出的冷却剂干扰穿过气体通路的流，它引起空气动力损耗。此外，其一旦释放(即，在叶片的外表面上)，则冷却剂释放的方式可影响冷却效果。因此，释放冷却剂以便空气动力损耗最小化同时冷却高效性提高的冷却构造是期望的。因此，以促进结构稳健性、构件寿命和冷却剂高效使用的方式满足这些若干竞争性标准的冷却构造是商业上需要的。

发明内容