專利名稱：渦輪機(jī)葉片以及渦輪機(jī)葉片冷卻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪機(jī)領(lǐng)域，并且更具體地，本發(fā)明涉及包括沖擊冷卻腔的渦輪機(jī)葉片。
背景技術(shù)：
總體而言，燃?xì)鉁u輪機(jī)燃燒能夠釋放熱能的燃料/空氣混合物從而形成高溫氣流。高溫氣流通過熱氣路徑被引導(dǎo)至渦輪。在渦輪中，高溫氣流通過多個(gè)葉片并且作用在多個(gè)渦輪輪葉上。渦輪輪葉將來自高溫氣流的熱能轉(zhuǎn)化為使渦輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能。渦輪可以用于多種應(yīng)用中，例如向泵或發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力。在操作中，由于與高溫氣流的相互作用以及其它因素，多個(gè)渦輪葉片的溫度增加。 為了延長使用壽命，要對(duì)多個(gè)渦輪葉片進(jìn)行冷卻。將冷卻空氣自渦輪機(jī)的燃燒室部分轉(zhuǎn)移并導(dǎo)向渦輪。接著，冷卻空氣通過多個(gè)渦輪葉片的翼型部分以及平臺(tái)部分，從而降低局部溫度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種渦輪機(jī)，包括殼體；至少一個(gè)渦輪葉片，所述至少一個(gè)渦輪葉片布置在所述殼體內(nèi)并且包括翼型部分和操作性地連接至所述翼型部分的平臺(tái)部分，所述平臺(tái)部分包括第一表面、相對(duì)的第二表面以及連接所述第一表面與所述第二表面的側(cè)表面； 冷卻腔，所述冷卻腔形成在所述平臺(tái)部分中并且包括第一壁、相對(duì)于所述第一壁布置的第二壁、連接所述第一壁與所述第二壁的第三壁以及連接所述第一壁與所述第二壁且相對(duì)于所述第三壁定位的第四壁；以及沖擊冷卻板，所述沖擊冷卻板延伸至所述冷卻腔中并且限定了內(nèi)腔部分和外腔部分，所述沖擊冷卻板包括至少一個(gè)沖擊冷卻通路，所述至少一個(gè)沖擊冷卻通路被構(gòu)造和設(shè)置成將沖擊冷卻流引導(dǎo)至所述冷卻腔的所述第一壁、所述第二壁、 所述第三壁和所述第四壁中的至少一個(gè)上。所述沖擊冷卻板包括第一沖擊冷卻表面和第二沖擊冷卻表面。所述第一沖擊冷卻表面大致平行于所述第一壁延伸，并且所述第二沖擊冷卻表面大致平行于所述第四壁延伸。在所述第一沖擊冷卻表面中形成有至少一個(gè)沖擊冷卻通路。所述至少一個(gè)沖擊冷卻通路包括形成在所述第一沖擊冷卻表面中的第一沖擊冷卻冷卻通路和形成在所述第二沖擊冷卻表面中的第二沖擊冷卻冷卻通路。所述至少一個(gè)渦輪葉片包括開口，所述開口形成在所述平臺(tái)部分的所述第一表面和所述第二表面中的一個(gè)中，并且所述開口通向所述冷卻腔。所述開口被所述翼型部分的軸向范圍所覆蓋。所述渦輪機(jī)進(jìn)一步包括跨過所述開口延伸的冷卻腔罩，所述冷卻腔罩可拆卸地安裝至所述平臺(tái)部分并且保持在所述翼型部分的軸向范圍內(nèi)。所述渦輪機(jī)進(jìn)一步包括冷卻劑供給通道，所述冷卻劑供給通道穿過所述平臺(tái)部分延伸至所述冷卻腔中。所述渦輪機(jī)進(jìn)一步包括薄膜冷卻通路，所述薄膜冷卻通路自所述冷卻腔延伸穿過所述平臺(tái)部分并且包括暴露于所述第一表面處的開口。所述渦輪機(jī)進(jìn)一步包括另一個(gè)薄膜冷卻通路，所述另一個(gè)薄膜冷卻通路自所述冷卻腔延伸穿過所述平臺(tái)部分并且包括暴露于所述側(cè)表面處的開口。本發(fā)明還提供一種渦輪葉片，包括翼型部分；平臺(tái)部分，所述平臺(tái)部分操作性地聯(lián)結(jié)至所述翼型部分并且包括第一表面、相對(duì)的第二表面以及連接所述第一表面與所述第二表面的側(cè)表面；冷卻腔，所述冷卻腔形成在所述平臺(tái)部分中并且包括第一壁、相對(duì)于所述第一壁布置的第二壁、連接所述第一壁與所述第二壁的第三壁、以及連接所述第一壁與所述第二壁且相對(duì)于所述第三壁定位的第四壁；以及沖擊冷卻板，所述沖擊冷卻板延伸至所述冷卻腔中并且限定了內(nèi)腔部分和外腔部分，所述沖擊冷卻板包括至少一個(gè)沖擊冷卻通路，所述至少一個(gè)沖擊冷卻通路被構(gòu)造和設(shè)置成將沖擊冷卻流引導(dǎo)至所述冷卻腔的所述第一壁、所述第二壁、所述第三壁和所述第四壁中的至少一個(gè)上。所述沖擊冷卻板包括第一沖擊冷卻表面和第二沖擊冷卻表面。所述第一沖擊冷卻表面大致平行于所述第一壁延伸，并且所述第二沖擊冷卻表面大致平行于所述第四壁延伸。在所述第一沖擊冷卻表面中形成有至少一個(gè)沖擊冷卻通路。所述至少一個(gè)沖擊開口包括形成在所述第一沖擊冷卻表面中的第一沖擊冷卻通路和形成在所述第二沖擊冷卻表面中的第二沖擊冷卻通路。所述至少一個(gè)渦輪葉片包括一個(gè)開口，所述開口形成在所述平臺(tái)部分的所述第一表面和所述第二表面中的一個(gè)中，并且所述開口通向所述冷卻腔。所述開口包括外邊緣，所述外邊緣并未延伸超過所述翼型部分的軸向范圍。所述渦輪葉片進(jìn)一步包括跨過所述開口延伸的冷卻腔罩，所述冷卻腔罩可拆卸地安裝至所述平臺(tái)部分并且保持在所述翼型部分的軸向范圍內(nèi)。所述渦輪葉片進(jìn)一步包括薄膜冷卻通路，所述薄膜冷卻通路自所述冷卻腔延伸穿過所述平臺(tái)部分并且包括暴露于所述第一表面處的開口。因此，根據(jù)較佳實(shí)施例的一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種渦輪機(jī)包括殼體和布置在該殼體內(nèi)的至少一個(gè)渦輪葉片。該至少一個(gè)渦輪葉片包括翼型部分和操作性地連接至該翼型部分的平臺(tái)部分。平臺(tái)部分包括第一表面、相對(duì)的第二表面以及連接第一表面與第二表面的側(cè)表面。冷卻腔形成在平臺(tái)部分中。冷卻腔包括第一壁、相對(duì)于第一壁布置的第二壁、連接第一壁與第二壁的第三壁、以及連接第一壁與第二壁并且相對(duì)于第三壁定位的第四壁。 沖擊冷卻板延伸至冷卻腔中并且限定了內(nèi)腔部分和外腔部分。沖擊冷卻板包括至少一個(gè)沖擊冷卻通路，該至少一個(gè)沖擊冷卻通路被構(gòu)造和設(shè)置成將沖擊冷卻流引導(dǎo)至冷卻腔的第一壁、第二壁、第三壁和第四壁中的至少一個(gè)上。根據(jù)較佳實(shí)施例的另一個(gè)方面，本發(fā)明還提供一種渦輪葉片包括翼型部分和操作性地聯(lián)結(jié)至該翼型部分的平臺(tái)部分。平臺(tái)部分包括第一表面、相對(duì)的第二表面、以及連接第一表面與第二表面的側(cè)表面。冷卻腔形成在平臺(tái)部分中。冷卻腔包括第一壁、相對(duì)于第一壁布置的第二壁、連接第一壁與第二壁的第三壁、以及連接第一壁與第二壁并且相對(duì)于第三壁定位的第四壁。沖擊冷卻板延伸至冷卻腔中并且限定了內(nèi)腔部分和外腔部分。沖擊冷卻板包括至少一個(gè)沖擊冷卻通路，該至少一個(gè)沖擊冷卻通路被構(gòu)造和設(shè)置成將沖擊冷卻流引導(dǎo)至冷卻腔的第一壁、第二壁、第三壁和第四壁中的至少一個(gè)上。通過結(jié)合附圖的下列描述，這些以及其它的優(yōu)點(diǎn)和特征將變得更加顯而易見。


在作為說明書的結(jié)論給出的權(quán)利要求中，具體地指出、并且清楚地主張了被認(rèn)為是本發(fā)明的主題。通過下文中結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述以及其它特征和優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，其中圖1是根據(jù)較佳實(shí)施例的渦輪機(jī)的橫截面示意圖，該渦輪機(jī)包括渦輪葉片；圖2是圖1的渦輪葉片的透視圖；圖3是根據(jù)較佳實(shí)施例的圖2的渦輪葉片的局部橫截面示意圖，其中示出了沖擊冷卻腔；圖4是圖2的渦輪葉片平臺(tái)部分的局部橫截面示意圖，其中示出了形成沖擊冷卻腔的方法。詳細(xì)的說明書參照附圖以示例的方式對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例及其優(yōu)點(diǎn)和特征進(jìn)行了解釋。
具體實(shí)施例參照?qǐng)D1至圖3，根據(jù)較佳實(shí)施例的渦輪機(jī)通常以2表示。渦輪機(jī)2包括殼體4， 殼體4至少部分地限定了渦輪部分11的熱氣路徑10。渦輪部分11包括具有多個(gè)葉片14 和輪葉16的第一級(jí)12、具有多個(gè)葉片18和輪葉20的第二級(jí)17以及具有多個(gè)葉片22和輪葉對(duì)的第三級(jí)21。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解，渦輪部分11還可包括另外的級(jí)(未示出)。熱燃燒氣體沿?zé)釟饴窂?0流過葉片14、葉片18以及葉片18，碰撞并使輪葉16、輪葉20以及輪葉 M轉(zhuǎn)動(dòng)。冷卻空氣流被導(dǎo)入渦輪部分11中以便減輕在葉片14、葉片18以及葉片22的部分之間產(chǎn)生的熱通量。根據(jù)較佳實(shí)施例，一部分冷卻氣體被轉(zhuǎn)移到布置在葉片14的下游端 (未單獨(dú)標(biāo)出)的冷卻系統(tǒng)30中。如圖所示，葉片14包括自基部或平臺(tái)部分42延伸的翼型部分40。平臺(tái)部分42包括第一表面44、相對(duì)的第二表面46以及連接第一表面44與第二表面46的側(cè)表面48。平臺(tái)部分42還顯示為包括一個(gè)凸緣50，其基本垂直于第二表面46且自第二表面向外延伸、并且鄰近葉片14的下游端(未單獨(dú)標(biāo)出)。凸緣50被構(gòu)造和設(shè)置成將葉片14固定在渦輪部分11中。根據(jù)較佳實(shí)施例，冷卻系統(tǒng)30包括形成在平臺(tái)部分42中的冷卻腔60。如將在下文中進(jìn)行更加全面的討論地，冷卻腔60包括內(nèi)部區(qū)域61，內(nèi)部區(qū)域61由第一壁70、相對(duì)于第一壁70布置的第二壁71、連接第一壁70與第二壁71的第三壁72、以及同樣連接第一壁 71與第二壁71并且相對(duì)于第三壁72布置的第四壁73。冷卻腔60包括延伸穿過第二壁71 的開口 75。在所示的較佳實(shí)施例中，開口 75被翼型部分40的軸向范圍覆蓋。S卩，開口 75 并不延伸至平臺(tái)部分44中至超過翼型部分42的外邊緣部分(未單獨(dú)標(biāo)出)。通過這種方式，使得凸緣50與側(cè)表面48之間的軸向距離最小化。當(dāng)然應(yīng)當(dāng)理解，開口 75的具體位置可以有變化。冷卻劑供給通道78穿過平臺(tái)部分42延伸至冷卻腔60中。更具體地，冷卻劑供給通道78自敞開暴露于壓縮機(jī)排放空氣的第一端79延伸至通向冷卻腔60中的第二端80。 此外，第一薄膜冷卻通路84穿過平臺(tái)部分42延伸至熱氣路徑10中。第一薄膜冷卻通路84 自通向冷卻腔60的第一端86穿過第一表面44而延伸至通向熱氣路徑10的第二端87。自冷卻腔60流過第一薄膜冷卻通路84的冷卻氣體產(chǎn)生了對(duì)第一表面44進(jìn)行冷卻的薄膜。第二薄膜冷卻通路91基本平行于第一薄膜冷卻通路84延伸。第二薄膜冷卻通路91自通向冷卻腔60的第一端93同樣穿過第一表面44而延伸至通向熱氣路徑10的第二端94。通過與上文所述的類似的方式，自冷卻腔60流過第二薄膜冷卻通路91的冷卻氣體產(chǎn)生了對(duì)第一表面44進(jìn)行冷卻的薄膜。冷卻系統(tǒng)30還包括第三冷卻通路或廢氣冷卻通路97。第三冷卻通路97自通向沖擊冷卻腔60的第一端98穿過側(cè)表面48而延伸至通向熱氣路徑10的第二端99。通過這種布置，冷卻系統(tǒng)30通過平臺(tái)部分42的多表面對(duì)冷卻流進(jìn)行引導(dǎo)。進(jìn)一步根據(jù)較佳實(shí)施例，葉片14包括沖擊冷卻系統(tǒng)100所述，沖擊冷卻系統(tǒng)100 將沖擊冷卻流引導(dǎo)至冷卻腔60的第一壁70和第四壁73上。沖擊冷卻系統(tǒng)100包括沖擊冷卻板104，沖擊冷卻板104在冷卻腔60內(nèi)延伸、并且限定了內(nèi)腔部分105(或沖擊腔部分 105)以及外腔部分106。沖擊冷卻板104包括連接至平臺(tái)部分42的第一部分107。第一部分107延伸至第二部分109。第二部分109通向第三部分111或第一沖擊冷卻表面111。 第一沖擊冷卻表面111與第一壁70隔開并且基本平行于第一壁70延伸。第一沖擊冷卻表面111延伸至第四部分113或第二沖擊冷卻表面113，第四部分或第二沖擊冷卻表面113與第四壁73隔開、并且基本平行于第四壁73延伸。第四部分113延伸至第五部分115，第五部分115基本平行于第三部分111延伸。第五部分115通向第六部分116，第六部分116回連至平臺(tái)部分42。在所示的較佳實(shí)施例中，沖擊冷卻板104包括多個(gè)沖擊冷卻通路，多個(gè)沖擊冷卻通路中的兩個(gè)表示成120和123，并且將來自沖擊腔部分105的高壓空氣流引導(dǎo)至第一壁70和第四壁73上。高壓流或沖擊流在第一壁70和第四壁73上產(chǎn)生沖擊，并且對(duì)第一壁70和第四壁73進(jìn)行冷卻。在第一壁70和第四壁73上產(chǎn)生沖擊之后，沖擊冷卻流收集在外腔部分106內(nèi)并且穿過第一薄膜冷卻通路84和第二薄膜冷卻通路91以及廢氣冷卻通路97自平臺(tái)部分42流出。最后，沖擊冷卻系統(tǒng)100，如圖所示，包括將開口 75封閉的冷卻腔罩140。如上文對(duì)于開口 75所討論的，冷卻腔罩140仍然處于平臺(tái)部分44上的翼型部分42的軸向范圍內(nèi)，從而保持了凸緣50與側(cè)表面48之間短的軸向長度。根據(jù)較佳實(shí)施例的一個(gè)方面，冷卻腔60通過圍繞芯部150對(duì)葉片14鑄型而形成， 如圖4所示。芯部150由例如陶瓷或陶瓷復(fù)合材料制成。一旦葉片14形成，芯部150即要經(jīng)受酸浴以將陶瓷溶解并且去除。通過這種方式，沖擊冷卻腔形成為使得開口 75的整體尺寸得以減小。通過保持開口 75的尺寸以及沖擊冷卻腔罩140的尺寸，能夠減小渦輪機(jī)2內(nèi)的葉片與輪葉之間相對(duì)小的間距，而無需使各個(gè)部件彼此接觸。更具體地，通過將開口 75 保持在平臺(tái)部分44上的翼型部分42的軸向范圍內(nèi)，可消除例如輪葉16上的天使翼160與沖擊冷卻腔罩140之間的接觸。通過縮短葉片與鄰近輪葉之間的間距而不產(chǎn)生局部碰撞區(qū)域，可以減小渦輪機(jī)2的整體尺寸。在這一點(diǎn)上，應(yīng)當(dāng)理解，盡管圖示和描述涉及葉片14，但是葉片18和22也可以包括類似的沖擊冷卻系統(tǒng)。同樣，在不脫離權(quán)利要求的范圍的前提下，沖擊冷卻通路的具體數(shù)目、尺寸以及方向都能夠變化。最后，盡管示為布置在葉片14的內(nèi)表面中，但是應(yīng)當(dāng)理解， 沖擊冷卻系統(tǒng)也能夠布置在葉片14的外表面上。盡管已經(jīng)只參照有限數(shù)目的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述，但是，應(yīng)當(dāng)很容易地理解，本發(fā)明并不限于這些已公開的實(shí)施例。相反，本發(fā)明能夠被修改成結(jié)合與本發(fā)明的精神和范圍相符的任何數(shù)目的變型、備選、替換或者等同布置。此外，盡管已經(jīng)對(duì)本發(fā)明的多種實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的方面可以僅包括所述實(shí)施例中的一些。因此，本發(fā)明不能被看作限于前述說明書，而是只由所附權(quán)利要求的范圍進(jìn)行限制。
權(quán)利要求
1.一種渦輪機(jī)0)，包括一個(gè)殼體⑷；至少一個(gè)渦輪葉片(11)，所述至少一個(gè)渦輪葉片(11)布置在所述殼體(4)內(nèi)并且包括一個(gè)翼型部分GO)和一個(gè)操作性地連接至所述翼型部分GO)的平臺(tái)部分(42)，所述平臺(tái)部分0 包括第一表面(44)、相對(duì)的第二表面06)以及連接所述第一表面G4)與所述第二表面(46)的側(cè)表面(48)；一個(gè)冷卻腔(60)，所述冷卻腔(60)形成在所述平臺(tái)部分0 中并且包括第一壁、相對(duì)于所述第一壁布置的第二壁、連接所述第一壁與所述第二壁的第三壁、以及連接所述第一壁與所述第二壁并且相對(duì)于所述第三壁定位的第四壁；以及一個(gè)沖擊冷卻板(104)，所述沖擊冷卻板(104)延伸至所述冷卻腔(60)中并且限定了一個(gè)內(nèi)腔部分和一個(gè)外腔部分，所述沖擊冷卻板(104)包括至少一個(gè)沖擊冷卻通路(65)， 所述至少一個(gè)沖擊冷卻通路(6 被構(gòu)造和設(shè)置成將沖擊冷卻流(120)引導(dǎo)至所述冷卻腔 (60)的所述第一壁、所述第二壁、所述第三壁和所述第四壁中的至少一個(gè)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)O)，其特征在于，所述沖擊冷卻板(104)包括第一沖擊冷卻表面(111)和第二沖擊冷卻表面(113)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪機(jī)O)，其特征在于，所述第一沖擊冷卻表面(111)大致平行于所述第一壁延伸，而所述第二沖擊冷卻表面(113)大致平行于所述第四壁延伸。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪機(jī)O)，其特征在于，在所述第一沖擊冷卻表面(111)中形成有至少一個(gè)沖擊冷卻通路(120，123)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪機(jī)O)，其特征在于，所述至少一個(gè)沖擊冷卻通路(120， 123)包括形成在所述第一沖擊冷卻表面(111)中的第一沖擊冷卻通路(120)和形成在所述第二沖擊冷卻表面(113)中的第二沖擊冷卻通路(123)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)O)，其特征在于，所述至少一個(gè)渦輪葉片(11)包括開口(75)，所述開口(7 形成在所述平臺(tái)部分0 的所述第一表面和所述第二表面G6) 中的一個(gè)中，并且所述開口(75)通向所述冷卻腔(60)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪機(jī)O)，其特征在于，所述開口(75)被所述翼型部分 (40)的軸向范圍所覆蓋。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪機(jī)O)，其特征在于，所述渦輪機(jī)( 進(jìn)一步包括跨過所述開口(75)延伸的冷卻腔罩(140)，所述冷卻腔罩(140)可拆卸地安裝至所述平臺(tái)部分 (42)并且保持在所述翼型部分GO)的軸向范圍內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)O)，其特征在于，所述渦輪機(jī)( 進(jìn)一步包括冷卻劑供給通道，所述冷卻劑供給通道穿過所述平臺(tái)部分0 延伸至所述冷卻腔(60)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)O)，其特征在于，薄膜冷卻通路(84，94)自所述冷卻腔(60)延伸穿過所述平臺(tái)部分(42)，并且所述薄膜冷卻通路(84)包括暴露于所述第一表面(44)處的開口(62)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種渦輪機(jī)，其包括殼體和布置在該殼體內(nèi)的至少一個(gè)渦輪葉片。該至少一個(gè)渦輪葉片包括操作性地連接至翼型部分的平臺(tái)部分。冷卻腔形成在該平臺(tái)部分中。該冷卻腔包括第一壁、相對(duì)于該第一壁布置的第二壁、連接該第一壁與該第二壁的第三壁以及連接該第一壁與該第二壁并且相對(duì)于該第三壁定位的第四壁。沖擊冷卻板延伸至該冷卻腔中并且限定了內(nèi)腔部分和外腔部分。該沖擊冷卻板包括至少一個(gè)沖擊冷卻通路，該至少一個(gè)沖擊冷卻通路被構(gòu)造和設(shè)置成將沖擊冷卻流引導(dǎo)至該冷卻腔的第一壁、第二壁、第三壁和第四壁中的至少一個(gè)上。
文檔編號(hào)F01D5/18GK102465717SQ20111037877
公開日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月17日
發(fā)明者R·A·布里廷厄姆, R·W·科因 申請(qǐng)人:通用電氣公司