[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

本申请大体涉及燃气轮机发动机，如在本文中所用且除非特别作出其它规定，这些燃气轮机发动机包括所有类型的燃气轮机发动机，例如在功率发生中使用的那些和航空发动机。更具体而言但不以限制的方式，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

燃气轮机发动机典型地包括压缩机、燃烧器和涡轮。压缩机和涡轮一般包括沿轴向堆迭成级的数排翼型件或叶片。各个级典型地包括被固定的一排沿周向隔开的定子叶片，以及绕着中心轴线或轴旋转的一组沿周向隔开的转子叶片。在运行中，压缩机中的转子叶片绕着轴旋转，以压缩空气流。压缩空气然后在燃烧器内用来燃烧燃料供应。由于燃烧过程而产生的热气流在涡轮中膨胀，这导致转子叶片使它们所附连的轴旋转。这样，包含在燃料中的能量转化成旋转轴的机械能，然后例如可使用该机械能来旋转发电机的线圈而产生电力。

参照图1和2，涡轮转子叶片100一般包括翼型部分或翼型件102和根部部分或根部104。翼型件102可被描述为具有凸形吸力面105和凹形压力面106。翼型件102可进一步描述为具有为前部边缘的前缘107，以及为后部边缘的后缘108。根部104可描述为具有用于将叶片100固定到转子轴上的结构(如所显示的那样，其典型地包括鸠尾榫109)、平台110(翼型件102从平台110延伸)，以及包括鸠尾榫109和平台110之间的结构的柄部112。

如所示出的那样，平台110可基本为平面的。更具体而言，平台110可具有平面的顶侧113，如图1中所示，顶侧113可包括沿轴向且沿周向延伸的平的表面。如图2中所示，平台110可具有平面的下侧114，下侧114也可包括沿轴向且沿周向延伸的平的表面。平台110的顶侧113和底侧114可形成为使得各自基本平行于另一个。如所描绘的那样，将理解，平台110典型地具有薄的径向轮廓，即在平台110的顶侧113和底侧114之间存在较短的径向距离。

一般而言，在涡轮转子叶片100上采用平台110来形成燃气轮机的热气路径区段的内部流径边界。平台110进一步为翼型件102提供了结构性支承。在运行中，涡轮的旋转速度会引起机械负荷，该机械负荷会沿着平台110产生高应力区域，当与高温结合时，这会最终导致形成运行缺陷，例如氧化、蠕变、低周(low-cycle)疲劳裂纹等。这些缺陷当然会对转子叶片100的使用寿命有负面影响。将理解，这些苛刻的运行状况(即暴露于热气路径的极端温度和与旋转叶片相关联的机械负荷)会在设计既性能良好且制造起来又成本有效的耐用持久的转子叶片平台110中产生非常大的挑战。

使平台区域110更耐用的一种常用解决方案是在运行期间用压缩气体流或其它冷却剂来冷却它，并且各种各样的这些类型的平台设计是已知的。但是，如本领域普通技术人员将理解的那样，平台区域110存在某些设计挑战，这使得它难以以这个方式冷却。这很大部分是由于此区域的棘手的几何结构的原因，因为如所描述的那样，平台110为远离转子叶片的中心芯体而驻留且典型地设计成具有结构牢固但薄的径向厚度的周缘构件。

为了使冷却剂循环，转子叶片100典型地包括一个或多个空心内部冷却通道116(见图3、4、5和9)，该一个或多个空心内部冷却通道116至少沿径向延伸通过叶片100的芯体，包括通过根部104和翼型件102。如下面更详细地描述的那样，为了增加热交换，这样的内部冷却通道116可形成为具有蜿蜒通过叶片100的中心区域的曲折的路径，但是其它构造是可行的。在运行中，冷却剂可通过形成于根部104的内侧部分中的一个或多个入口117进入中心内部冷却通道。冷却剂可循环通过叶片100且通过形成于翼型件上的出口(未显示)和/或通过形成于根部104中的一个或多个出口(未显示)而离开。冷却剂可被加压，并且例如可包括加压空气、混合了水的加压空气、蒸汽等。在许多情况下，冷却剂为从发动机的压缩机中转移的压缩空气，但是其它源是可行的。如下面更详细地论述的那样，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内部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的冷却剂压力的下游部分。