[发明专利]用于冷却涡轮转子叶片的平台区域的设备、系统和方法

说明书

技术领域

本申请大体涉及燃烧涡轮发动机，其如本文中所使用的那样且除非特别另外陈述，包括所有类型的燃烧涡轮发动机，诸如在发电中所用的那些和航空发动机。更具体地，但不是通过限制的方式，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机、燃烧器和涡轮。压缩机和涡轮通常包括轴向堆叠的分级的翼型或叶片的排。每级典型地包括周向间隔开的固定的定子叶片的排和周向间隔开的转子叶片的组，转子叶片围绕中心轴线或轴旋转。在操作中，压缩机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使用以燃烧燃料供应。从燃烧过程得到的热气体流膨胀通过涡轮，其引起转子叶片使它们所附连到的轴旋转。以此方式，包含于燃料中的能量转换成旋转的轴的机械能，机械能然后例如可用于使发电机的线圈旋转以发电。

参看图1和图2，涡轮转子叶片100通常包括翼型部分或翼型102和根部部分或根部104。翼型102可描述为具有凸的吸力面105和凹的压力面106。翼型102还可描述为具有前缘107(其为前边缘)和尾缘108(其为后边缘)。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109)；平台110，翼型102从平台110延伸；和柄部112，其包括在燕尾109与平台110之间的结构。

如图所示，平台110可为大致平面的。更具体地，平台110可具有平面顶侧113，平面顶侧113如图1所示可包括轴向和周向延伸的平坦表面。如图2所示，平台110可具有平面底侧114，平面底侧114也可包括轴向和周向延伸的平坦表面。平台110的顶侧113和底侧114可被形成使得每个大致平行于另一个。如图所描绘的那样，应理解的是平台110典型地具有薄的径向轮廓，即，在平台110的顶侧113与底侧114之间存在相对较短的径向距离。

通常，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部段的内部流动路径边界。平台110还提供对翼型102的结构支撑。在操作中，涡轮的旋转速度引起机械荷载，机械荷载沿着平台110造成高应力区域，当与高温结合时，其最终引起操作缺陷的形成，诸如氧化、蠕变、低循环疲劳开裂等。当然，这些缺陷负面影响转子叶片100的使用寿命。应理解的是这些严酷的操作条件，即暴露于热气体路径的极端温度和与旋转的叶片相关联的机械荷载，造成在设计运转良好且制造起来成本有效的耐用持久的转子叶片平台110中的极大挑战。

使平台区域110更耐用的一种常用方案是在操作期间利用压缩空气或其它冷却剂的流来冷却它，且已知多种这些类型的平台设计。然而，如本领域技术人员应理解的那样，平台区域110表现出某些设计挑战，其使得以该方式冷却较为困难。在很大程度上，这是由于该区域的不便的几何形状，在这一点上，如所描述的那样，平台110为处于远离转子叶片的中央芯的且典型地被设计成具有结构上完好的但薄的径向厚度的周围构件。

为了循环冷却剂，转子叶片100典型地包括一个或更多个中空的冷却通路116(参看图3、图4、图5和图9)，其最少径向上延伸通过叶片100的芯，包括通过根部104和翼型102。如以下所更详细地描述的，为了增加热交换，可形成这种冷却通路116，其具有蜿蜒通过叶片100的中间区域的弯曲路径，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的内侧部分中的一个或更多个入口117进入中央冷却通路。冷却剂可循环通过叶片100且通过形成在翼型上的出口(未示出)和/或经由形成在根部104中的一个或更多个出口(未示出)离开。冷却剂可被加压且例如可包括加压空气，加压空气与水、蒸汽等相混合。在许多情况下，冷却剂为压缩空气，其从发动机的压缩机转移，但其它源也是可能的。如下面所更详细地讨论的，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对应于具有更高的冷却剂压力的冷却通路的上游部分，而低压冷却剂区域对应于具有相对更低的冷却剂压力的下游部分。

在一些情况下，冷却剂可从冷却通路116被引导至形成于相邻转子叶片100的柄部112与平台110之间的腔119内。从那里，冷却剂可用于冷却叶片的平台区域110，其传统设计在图3中示出。这种类型的设计典型地从冷却通路116中的一个抽取空气且使用空气以加压形成于柄部112/平台110之间的腔119。一旦加压，此腔119那么供应冷却剂给延伸通过平台110的冷却通道。在横过平台110之后，冷却空气可通过形成于平台110的顶侧113中的薄膜冷却孔口离开腔。