具有冲击冷却和支座冷却的热气路径构件 |
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| 申请号 | CN201410573615.3 | 申请日 | 2014-10-24 | 公开(公告)号 | CN104564184A | 公开(公告)日 | 2015-04-29 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | W.S.克瓦斯纳克; S.E.埃利斯; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及具有 冲击冷却 和支座冷却的热气路径构件。本 申请 提供一种用于在燃气 涡轮 发动机 的热气路径中使用的热气路径构件。热气路径构件可包括内壁、面向热气路径的外壁、冲击壁、 定位 在内壁和冲击壁之间的多个内壁支座，以及定位在外壁和冲击壁之间的多个外壁支座。 | ||||||
| 权利要求 | 1. 一种用于在燃气涡轮发动机的热气路径中使用的热气路径构件，包括： |
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| 说明书全文 | 具有冲击冷却和支座冷却的热气路径构件技术领域背景技术[0002] 已知的燃气涡轮发动机大体包括多排沿周向隔开的喷嘴和轮叶。涡轮轮叶包括翼型件，翼型件具有压力侧和吸力侧，并且从平台沿径向向上延伸。空心柄部分可从平台沿径向向下延伸，并且可包括鸠尾榫等，以便将涡轮轮叶固定到涡轮轮上。平台大体限定流过热气路径的热的燃烧气体的内部边界。因而，由于热的燃烧气体和平台上的机械负载的原因，平台可为高应力集中的区域。为了减小一部分热引起的应力，涡轮轮叶可包括某种类型的平台冷却方案或其它组件，以便降低平台的顶部和底部之间的温差。 [0003] 各种类型的平台冷却方案是已知的。例如，冲击冷却在例如第一级喷嘴冷却方案中是众所周知的。但是，由于冲击冷却回路上的大部分压降出现在冲击板上，冲击孔大体必须较小，或者冷却回路可能需要比整体冷却要求可能需要的更多的流来管理压力。其它类型的平台冷却示例包括使用支座(pedestal)冷却。支座冷却在例如第一级轮叶后缘等中是众所周知的。其它类型的热气路径构件也可能需要相似类型的冷却。 [0004] 因此需要一种用于燃气涡轮发动机的改进的热气路径构件，诸如涡轮轮叶等。优选地，这种涡轮轮叶可在没有过多的冷却介质损失的情况下对平台及其其它构件提供冷却，以实现高效运行和延长的构件使用寿命。发明内容 [0005] 因而本申请和得到的专利提供一种用于在燃气涡轮发动机的热气路径中使用的热气路径构件。热气路径构件可包括内壁、面向热气路径的外壁、冲击壁、定位在内壁和冲击壁之间的多个内壁支座，以及定位在外壁和冲击壁之间的多个外壁支座，以实现联合的支座冷却和冲击冷却。 [0006] 本申请和得到的专利进一步提供一种冷却燃气涡轮发动机的热气路径中的热气路径构件的方法。该方法可包括以下步骤：使冷却介质流过具有多个内壁支座的内壁支座冷却区，使冷却介质流过具有多个冲击孔的冲击冷却区，以及使冷却介质流过具有多个外壁支座的外壁支座冷却区，以实现联合的支座冷却和冲击冷却。 [0007] 本申请和得到的专利进一步提供一种用于在燃气涡轮发动机的热气路径中使用的轮叶平台。轮叶平台可包括内壁、面向热气路径的外壁、其中具有多个冲击孔的冲击壁、定位在内壁和冲击壁之间的多个内壁支座，以及定位在外壁和冲击壁之间的多个外壁支座，以实现联合的支座冷却和冲击冷却。 [0008] 一种用于在燃气涡轮发动机的热气路径中使用的热气路径构件，包括：内壁； 面向所述热气路径的外壁； 冲击壁； 定位在所述内壁和所述冲击壁之间的多个内壁支座；以及 定位在所述外壁和所述冲击壁之间的多个外壁支座。 [0009] 在一个实施例中，所述热气路径构件包括轮叶。 [0010] 在一个实施例中，所述热气路径构件包括平台。 [0011] 在一个实施例中，所述冲击壁包括通过其中的多个冲击孔。 [0012] 在一个实施例中，所述内壁和所述冲击壁在它们之间限定内壁支座冷却区。 [0013] 在一个实施例中，所述冲击壁限定冲击冷却区。 [0014] 在一个实施例中，所述外壁和所述冲击壁在它们之间限定外壁支座冷却区。 [0015] 在一个实施例中，所述热气路径构件进一步包括围绕所述多个内壁支座、所述冲击壁和所述多个外壁支座流动的冷却介质。 [0016] 在一个实施例中，所述冷却介质包括流过所述冲击壁的多个冲击射流。 [0017] 在一个实施例中，所述热气路径构件包括喷嘴、护罩、衬套和/或过渡件。 [0018] 一种用于冷却燃气涡轮发动机的热气路径中的热气路径构件的方法，包括：使冷却介质流过具有多个内壁支座的内壁支座冷却区； 使所述冷却介质流过具有多个冲击孔的冲击冷却区；以及 使所述冷却介质流过具有多个外壁支座的外壁支座冷却区。 [0019] 在一个实施例中，所述方法进一步包括以下步骤：通过所述多个内壁支座，使热从冲击壁传导到内壁。 [0020] 在一个实施例中，所述方法进一步包括以下步骤：通过所述多个内壁支座，将应力从冲击壁分布到内壁上。 [0021] 在一个实施例中，使所述冷却介质流过所述冲击冷却区的步骤包括增加所述外壁支座冷却区的外壁上的热传递。 [0022] 在一个实施例中，所述方法进一步包括以下步骤：通过所述多个外壁支座，将热从外壁传导到冲击壁，以及将应力从外壁分布到冲击壁上。 [0023] 一种用于在燃气涡轮发动机的热气路径中使用的轮叶平台，包括：内壁； 面向所述热气路径的外壁； 其中具有多个冲击孔的冲击壁； 定位在所述内壁和所述冲击壁之间的多个内壁支座；以及 定位在所述外壁和所述冲击壁之间的多个外壁支座。 [0024] 在一个实施例中，所述内壁和所述冲击壁在它们之间限定内壁支座冷却区。 [0025] 在一个实施例中，所述冲击壁限定冲击冷却区。 [0026] 在一个实施例中，所述外壁和所述冲击壁在它们之间限定外壁支座冷却区。 [0027] 在一个实施例中，所述轮叶平台进一步包括围绕所述多个内壁支座、所述冲击壁和所述多个外壁支座流动的冷却介质。 [0030] 图2是具有从平台延伸的翼型件的涡轮轮叶的透视图。 [0031] 图3是可在本文描述的涡轮轮叶的平台的一部分的侧视横截面图。 [0032] 图4是图3的平台的那部分的俯视横截面图，它显示了冲击孔和支座。 具体实施方式[0033] 现在参照附图，其中，相同标号在若干视图中表示相同元件，图1显示可在本文使用的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可包括压缩机15。压缩机15压缩进入的空气流20。压缩机15将压缩空气流20输送到燃烧器25。燃烧器25混合压缩空气流20与加压燃料流30，并且点燃混合物，以产生燃烧气体流35。虽然仅显示了单个燃烧器25，但燃气涡轮发动机10可包括任何数量的燃烧器25。燃烧气体流35进而输送到涡轮40。 燃烧气体流35驱动涡轮40，以便产生机械功。在涡轮40中产生的机械功通过轴45驱动压缩机15且驱动外部负载50，诸如发电机等。 [0034] 燃气涡轮发动机10可使用天然气、液体燃料、各种类型的合成气体，以及/或者其它类型的燃料及其掺合物。燃气涡轮发动机10可为纽约斯克内克塔迪的通用电气公司提供的多个不同的燃气涡轮发动机中的任何一个，包括(但不限于)诸如7系列或9系列重型燃气涡轮发动机等的那些。燃气涡轮发动机10可具有不同的构造，并且可使用其它类型的构件。也可在本文使用其它类型的燃气涡轮发动机。也可在本文一起使用多个燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮和其它类型的功率产生装备。也可在本文使用航空应用。 [0035] 图2显示可用于涡轮40的涡轮轮叶55的示例。如大体描述的那样，涡轮轮叶55包括翼型件60、柄部分65，以及设置在翼型件60和柄部分65之间的平台70。翼型件60大体从平台70沿径向向上延伸，并且包括前缘72和后缘74。翼型件60还可包括限定压力侧76的凹形壁，以及限定吸力侧78的凸形壁。平台70可为基本水平和平坦的。同样，平台70可包括顶表面80、压力面82、吸力面84、前部面86和后部面88。平台70的顶表面80可暴露于热的燃烧气体流35。柄部分65可从平台70沿径向向下延伸，使得平台70大体限定翼型件60和柄部分65之间的接口。柄部分65可包括在其中的柄腔体90。柄部分65还可包括一个或多个天使翼92和根部结构94，诸如鸠尾榫等。根部结构94可构造成将涡轮轮叶55固定到轴45上。 [0036] 涡轮轮叶55可包括延伸通过其中的一个或多个冷却回路96，以使冷却介质98(诸如空气)从压缩机15或另一个源中流出。冷却回路96和冷却介质98可至少以任何顺序、方向或路线，循环通过翼型件60、柄部分65和平台70的一部分。可在本文使用许多不同类型的冷却回路和冷却介质。本文描述的涡轮轮叶55仅是为了说明，也可在本文使用许多其它构件和其它构造。 [0037] 图3和图4显示可在本文描述的热气路径构件100的一部分。在这个示例中，热气路径构件100可为涡轮轮叶110。更特别地，热气路径构件100可为轮叶平台120。涡轮轮叶110和平台120可类似于上面描述的那个。可用冷却介质130冷却平台120。可在本文使用来自任何源的任何类型的冷却介质130。可在本文使用其它类型的热气路径构件。例如，热气路径构件100可包括喷嘴、护罩、衬套和/或过渡件。热气路径构件100可具有任何大小、形状或构造。热气路径构件100可由任何适当类型的耐热材料制成。 [0038] 平台120可包括内壁140。内壁140可在平台120的冷却侧上。平台120还可包括外壁150。外壁150在由燃烧气体流35形成的热气路径中可在平台120的顶表面或热侧上。平台120可进一步包括中间冲击壁160。壁140、150、160可具有任何大小、形状或构造。 [0039] 冲击壁160可包括通过其中的成阵列的冲击孔170。冲击孔170可具有任何大小、形状或构造。可使用任何数量的冲击孔170。内壁140可通过多个内壁支座180连接到冲击壁160上。同样，外壁150可通过多个外壁支座190连接到冲击壁160上。支座180、190可具有任何大小、形状或构造。可使用任何数量的支座180、190。可在本文使用其它构件和其它构造。 [0040] 在使用中，冷却介质130可在内壁支座冷却区200中流过内壁140和冲击壁160之间的内壁支座180。内壁支座180可促进冷却介质130在其中均匀地分布，以便提高热传递速率，促进热从冲击壁160传导到内壁149，并且将应力从冲击壁160分布到内壁140上。然后冷却介质130可在冲击冷却区210的形式中流过冲击壁160的冲击孔170。冷却介质130可以多个冲击射流的形式流过冲击壁160，以便相对于外壁150提供加强的后侧热传递。然后冷却介质130可在外壁支座冷却区220的形式中流过冲击壁160和外壁150之间的外壁支座190。流过外壁支座190的冷却介质130可促进冷却介质130在其中均匀地分布，以便提高热传递速率，促进热从外壁150传导到冲击壁160，并且将应力从外壁150分布到冲击壁160上。 [0041] 因而本文描述的平台120可减少冷却介质需求，以改进燃气涡轮输出和效率以及整体服务好处。平台120或其它类型的热气路径构件100通过结合支座冷却区200、220和冲击区210来提供具有结构完整性的高对流冷却。特别地，平台120结合了支座冷却区200、220的热应力分布与冲击冷却区210的较高的热传递特性的好处。可管理其中的总压降，因为平台120在内壁支座冷却区200上出现三分之一的压降，在冲击冷却区210上出现三分之一的压降，以及在外壁支座冷却区220上出现三分之一的压降。同样，支座冷却区200、 220可在其中重新分布热应力，以改进构件寿命周期。虽然已经在轮叶110和平台120的语境中描述了热气路径构件100，但可在本文使用任何类型的热气构件，包括喷嘴、护罩、衬套、过渡件等。 |
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