CN103089327B

CN103089327B - 用于涡轮机系统的叶片组件

Info

Publication number: CN103089327B
Application number: CN201210432115.9A
Authority: CN
Inventors: J.A.瓦伦; M.S.洪坎普
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2032-11-02
Also published as: CN103089327A; EP2597261A1; US8858160B2; US20130115100A1; EP2597261B1

Abstract

本发明公开了一种用于涡轮机系统的叶片组件。所述叶片组件包括具有外表面并且限定主冷却回路的主体，以及围绕所述主体并且至少部分地限定平台冷却回路的平台。所述叶片组件还包括限定于所述主体中从所述外表面延伸的通道，所述通道连接所述主冷却回路和所述平台冷却回路，以及至少部分地布置在所述通道中的塞子。所述塞子包括头部和柱塞。所述头部被构造成防止通过所述通道的至少一部分的流动。所述柱塞具有连续外表面并且被构造成用于允许所述主冷却回路和所述平台冷却回路之间的流动。

Description

用于涡轮机系统的叶片组件

技术领域

本发明大体而言涉及涡轮机系统，并且更具体地涉及用于涡轮机系统的叶片组件。

背景技术

涡轮机系统广泛地用于诸如发电的领域中。例如，常规燃气涡轮机系统包括压缩机、燃烧器和涡轮机。在燃气涡轮机系统的操作期间，系统中的各部件经受可以导致部件出故障的高温流动。由于更高温度的流动大体上导致燃气涡轮机系统的性能、效率和功率输出的提高，因此必须冷却经受高温流动的部件以允许燃气涡轮机系统在增加的温度下操作。

在本领域中已知用于冷却各燃气涡轮机系统部件的各种策略。例如，冷却介质可以从压缩机路由（route）并且提供给各部件。冷却介质可以用于冷却各部件，例如涡轮机部件。

叶片是必须进行冷却的热气体路径部件的一个例子。例如，叶片的各部分（例如翼型、平台、柄和鸠尾榫）布置在热气体路径中并且暴露于较高温度，并且因此需要冷却。各冷却通道和冷却回路可以限定于叶片的各部分中，并且冷却介质可以流动通过各冷却通道和冷却回路以冷却叶片。

在许多已知的叶片中，一个或多个主冷却回路可以限定于典型地包括翼型和柄的主体中。附加冷却回路可以限定于平台中。在叶片的铸造期间，形成这些回路的芯部件典型地保持分离。然而，这样的回路必须大体上与成品、可操作叶片流体连通。因此，在铸造之后，通道典型地被钻出或以另外方式从叶片的外表面形成到主体中。通道延伸通过并且连接主冷却回路和平台冷却回路。

在叶片的操作期间为了防止冷却介质通过该通道逸出，塞子典型地插入该通道中。然而，已知的塞子具有各种缺点。例如，许多已知的塞子阻塞冷却回路之间的任何流体连通，并且包括提供该流体连通的塞子内的通道。这样的通道的使用可以通过不适当地限制冷却介质并且迫使冷却介质沿着这样的通道的路径而导致冷却不足。其它已知的塞子包括取向特征，并且只有当塞子以适当的取向插入通道中时才正确地操作。

因此，在本领域中期望一种用于涡轮机系统的改进的塞子和叶片组件。具体地，具有用于提供各冷却回路之间的流体连通的改进特征的塞子和叶片系统将是有利的。

发明内容

本发明的多个方面和优点将部分地在以下描述中进行阐述，或者可以从该描述显而易见，或者可以通过本发明的实施而知悉。

在一个实施例中，公开了一种用于涡轮机系统的叶片组件。所述叶片组件包括具有外表面并且限定主冷却回路的主体，以及围绕所述主体并且至少部分地限定平台冷却回路的平台。所述叶片组件还包括限定于所述主体中从所述外表面延伸的通道，所述通道连接所述主冷却回路和所述平台冷却回路，以及至少部分地布置在所述通道中的塞子（plug）。所述塞子包括头部和柱塞（plunger）。所述头部被构造成防止通过所述通道的至少一部分的流动。所述柱塞具有连续外表面并且被构造成用于允许所述主冷却回路和所述平台冷却回路之间的流动。

参考以下描述和附带的权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。包含在该说明书中并且构成该说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。

附图说明

在参考附图的说明书中阐述了包括对于本领域技术人员而言是本发明的最佳模式的本发明的完整和可实施的公开，其中：

图1是根据本公开的一个实施例的燃气涡轮机系统的示意图；

图2是根据本公开的一个实施例的叶片组件的透视图；

图3是主视图，其示出了根据本公开的一个实施例的叶片组件的内部部件；

图4是根据本公开的一个实施例的叶片组件的横截面图；

图5是根据本公开的一个实施例的塞子的透视图；

图6是根据本公开的另一个实施例的塞子的透视图；

图7是根据本公开的另一个实施例的塞子的透视图；以及

图8是根据本公开的另一个实施例的塞子的透视图。

具体实施方式

现在将详细地参考本发明的实施例，所述实施例的一个或多个例子在附图中示出。每个例子作为本发明的解释而不是作为本发明的限制而被提供。实际上，本领域技术人员将显而易见可以在本发明中进行各种修改和变化而不脱离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以用于另一个实施例以产生又一个实施例。因此，本发明旨在涵盖属于附带的权利要求及其等同物的范围内的这样的修改和变化。

图1是燃气涡轮机系统10的示意图。系统10可以包括压缩机12、燃烧器14和涡轮机16。压缩机12和涡轮机16可以由轴18联接。轴18可以是单轴或联接在一起形成轴18的多个轴段。

涡轮机16可以包括多个涡轮机级。例如，在一个实施例中，涡轮机16可以具有三个级。涡轮机16的第一级可以包括多个周向间隔的喷嘴和叶片。喷嘴可以围绕轴18周向地布置和固定。叶片可以围绕轴周向地布置并且联接到轴18。涡轮机16的第二级可以包括多个周向间隔的喷嘴和叶片。喷嘴可以围绕轴18周向地布置和固定。叶片可以围绕轴18周向地布置并且联接到轴18。涡轮机16的第三级可以包括多个周向间隔的喷嘴和叶片。喷嘴可以围绕轴18周向地布置和固定。叶片可以围绕轴18周向地布置并且联接到轴18。涡轮机16的各级可以至少部分地布置在涡轮机16中，并且可以至少部分地限定热气体路径（未显示）。应当理解涡轮机16不限于三个级，而是在本公开的范围和精神内的任何数量的级。

类似地，压缩机12可以包括多个压缩机级（未显示）。压缩机12级的每一个可以包括多个周向间隔的喷嘴和叶片。

涡轮机16和/或压缩机12中的叶片的一个或多个可以包括叶片组件30，如图2至4中所示。叶片组件30可以包括主体32和平台34。主体32典型地包括翼型36和柄38。翼型36可以从柄38径向向外定位。柄38可以包括根部40，所述根部可以附连到涡轮机系统10中的转子轮（未显示），以便于叶片组件30的旋转。

一般而言，主体32具有外表面。在主体32包括翼型36和柄38的实施例中，例如，限定翼型36的外表面的部分可以具有大体空气动力学轮廓。例如，翼型32可以具有限定压力侧42和吸力侧44的外表面，压力侧和吸力侧中的每一个在前缘46和后缘48之间延伸。此外，柄38的外表面的部分可以包括压力侧面52、吸力侧面54（参见图4）、前缘面56和后缘面58。

平台34可以大体上围绕主体32，如图所示。典型的平台可以定位在主体32的翼型36和柄38之间的交叉部或过渡区处，并且在大体轴向和切向上向外延伸。然而，应当理解根据本公开的平台可以具有相对于叶片组件30的主体32的任何合适的位置。

如图3和4中所示，主体32可以在其中限定一个或多个主冷却回路。主冷却回路可以延伸通过主体32的部分以冷却主体32。例如，在如图所示的一些实施例中，主体32可以限定前主冷却回路62和后主冷却回路64。主冷却回路可以具有任何合适的形状并且可以沿着任何合适的路径延伸。例如，如图所示每个主冷却回路可以具有各分支和曲折部分并且可以延伸通过主体32的各部分，例如通过翼型36和柄38。冷却介质可以流动进入并且通过各主冷却回路62、64以冷却主体32。

如图3和4中进一步所示，一个或多个平台冷却回路70可以限定于叶片组件30中。一般而言，平台冷却回路70可以至少部分地限定于平台34中。例如，在示例性实施例中，平台冷却回路70的一部分限定于平台34中，并且延伸通过平台34以冷却它。平台冷却回路70的其它部分可以延伸到主体32中以将冷却介质引入平台冷却回路70中或从其排出冷却介质。在一个实施例中，如图3和4中所示，平台冷却回路70可以包括入口部分72、中间部分74和出口部分76。入口部分72和出口部分76可以是从平台34延伸到主体32中的腿部，并且中间部分74可以延伸通过平台34。冷却介质可以通过入口部分72流动到平台冷却回路70中，流动通过中间部分74，并且通过出口部分76排出。

在许多叶片组件30中，平台冷却回路70与主冷却回路流体连通，使得冷却介质从主冷却回路流动到平台冷却回路70中和/或从平台冷却回路70流动到主冷却回路。例如，在图3和4所示的实施例中，平台冷却回路70的入口部分72可以与前主冷却回路62流体连通，而出口部分76与后主冷却回路64流体连通。

根据本公开的叶片组件30还可以包括一个或多个通道80。每个通道80可以限定于叶片组件30中，例如限定于主体32、平台34中，或至少部分地限定于主体32和平台34的一个或多个中。每个通道80连接主冷却回路和平台冷却回路70，并且因此提供其间的流体连通。例如，如图3和4中所示，通道可以将平台冷却回路70的入口部分72连接到前主冷却回路62和/或可以将平台冷却回路70的出口部分76连接到后主冷却回路64。

此外，根据本公开的通道80可以从主体32的外表面延伸，并且因此开放于叶片组件30的外部环境。例如，在一些实施例中，通道80可以从柄38的外表面延伸。如图所示，通道80可以从压力侧面52延伸，但是在其它实施例中通道80可以从吸力侧面54或柄38的任何其它合适的面或主体32的其它合适外表面而延伸。

在涡轮机系统10的操作期间，根据本公开的叶片组件30可能有冷却介质通过通道80流出叶片组件30并且热气体通过通道流入叶片组件30中的风险。因此，本公开还涉及一种用于叶片组件30的塞子100，如图4至8中所示。根据本公开的塞子100可以有利地减小或防止通过通道80而来自和进入叶片组件30的泄漏。此外，根据本公开的塞子100可以允许冷却介质通过叶片组件30中的各冷却回路的有效流动路径，并且还可以不需要通道80内用于正确操作的取向。

如图所示，根据本公开的塞子100可以至少部分地布置在通道80中，并且可以包括头部102和柱塞104。塞子100的头部102可以被构造成用于防止通过通道80的至少一部分的流动，例如冷却介质的流动或热气体的流动。例如，头部102可以减小或防止流动从叶片组件30的外部进入通道80和/或减小或防止来自通道80的流动到达叶片组件30的外部。因此，头部102或其至少一部分具有的横截面面积和/或直径106可以大致类似或相同或大于塞子100至少部分地布置在其中的通道80的横截面面积。当在本说明书中使用时术语“直径”指的是具有圆形或椭圆形横截面轮廓的部件的最大直径，或具有任何合适的横截面轮廓的部件的最大宽度。头部102可以铜焊、焊接、用合适的粘合剂安装、螺钉连接或以另外方式合适地附连到外表面和/或通道80。

在如图5至8所示的一些示例性实施例中，头部102或其至少一部分具有圆形横截面轮廓。在其它实施例中，头部102或其任何部分可以具有椭圆形、矩形、三角形或其它合适的多边形横截面轮廓。

根据本公开的塞子100的柱塞104允许主冷却回路和平台冷却回路70之间的流动，例如冷却介质的流动。如图所示，柱塞104具有外表面108。外表面108在柱塞104上到处是连续的，使得没有断裂、孔或其它断裂或破裂限定于外表面108中。柱塞延伸通过通道80的至少一部分，并且允许围绕它和在由通道80连接的主冷却回路和平台冷却回路70之间的流动。

如图5至8中所示，在示例性实施例中，柱塞104或其至少一部分具有的直径110和/或横截面面积小于头部102或其至少一部分的直径106和/或横截面面积。柱塞104或其部分因此具有的直径和/或横截面面积可以小于通道80的直径和/或横截面面积，使得冷却介质可以在通道80内围绕柱塞104流动。

在一些实施例中，柱塞104或其一部分可以为锥形，如图5和8中所示。例如，柱塞104的直径110和/或横截面面积可以通过柱塞104的长度112的至少一部分远离或朝着头部102递减。在其它实施例中，柱塞104或其一部分可以具有大体恒定的直径110和/或横截面面积。

如图5至8中进一步所示，在一些实施例中的柱塞104具有圆形横截面轮廓。在其它实施例中，柱塞104或其任何部分可以具有椭圆形、矩形、三角形或其它合适的多边形横截面轮廓。

在一些实施例中，如图7中所示，柱塞104可以包括一个或多个鳍部（fin）120。鳍部120可以从柱塞104的主体122向外突出，并且可以破坏（disrupt）经过柱塞104的流动。例如，鳍部120可以成角以使流动形成旋涡，或者可以以另外方式定向或定位成与流动相互作用并且操纵流动。在一些实施例中，如图所示，鳍部120可以成环形阵列布置。在其它实施例中，鳍部120以大体线性方式布置，或者以另外方式合适地定位。

多个鳍部120还可以彼此间隔开以在其间限定多个沟槽（flute）124，如图所示。流动经过柱塞104的冷却介质因此可以流动经过鳍部120并且通过沟槽124，如图所示，并且被鳍部120和沟槽124破坏。

在一些实施例中，如图8中所示，柱塞104可以相对于头部102可移动。这样的运动可以允许计量围绕柱塞104的流动。例如，如图所示，柱塞104可以具有螺纹以接合头部102中的匹配螺纹。相对于头部102拧接柱塞104可以使柱塞104相对于头部102移动。在其它实施例中，柱塞100可以包括弹簧或允许柱塞104相对于头部102移动的其它合适的可调节部件。

如上所述，根据本公开的塞子100可以有利地减小或防止通过通道80而来自叶片组件30和进入叶片组件30的泄漏。此外，根据本公开的塞子100可以允许冷却介质通过叶片组件30中的各冷却回路的有效流动路径，并且还可以不需要通道80内用于正确操作的取向。这样的塞子100可以附加地破坏经过塞子100的流动，为流动提供更好的冷却特性，和/或可以具有允许流动的定制计量的可移动特征。

该书面描述使用例子来公开包括最佳模式的本发明，并且也使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其它例子。这样的其它例子旨在属于权利要求的范围内，只要它们具有与该权利要求的文字语言没有区别的结构元件，或者只要它们包括与该权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元件。

Claims

1.一种用于涡轮机系统的叶片组件，其包括：

主体，所述主体具有外表面并且限定主冷却回路；

平台，所述平台围绕所述主体并且至少部分地限定平台冷却回路；

限定于所述主体中从所述外表面延伸的通道，所述通道连接所述主冷却回路和所述平台冷却回路；以及

至少部分地布置在所述通道中的塞子，所述塞子包括头部和柱塞，所述头部被构造成防止通过所述通道的至少一部分的流动，所述柱塞具有连续外表面并且被构造成用于允许所述主冷却回路和所述平台冷却回路之间的流动；

其中，所述柱塞具有长度和直径，并且所述柱塞的所述直径通过所述长度的至少一部分远离所述头部递减。

2.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述平台冷却回路包括入口部分、中间部分和出口部分，并且所述通道连接所述主冷却回路和所述出口部分。

3.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述柱塞具有的直径小于所述头部的直径。

4.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述柱塞包括成环形阵列布置的多个鳍部，所述多个鳍部彼此间隔开以限定其间的多个沟槽。

5.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述头部具有圆形横截面轮廓。

6.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述柱塞具有圆形横截面轮廓。

7.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述柱塞相对于所述头部可移动。

8.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述主体限定多个主冷却回路。

9.根据权利要求1所述的叶片组件，其特征在于，所述主体包括翼型和柄，所述翼型从所述柄径向向外定位。

10.一种涡轮机系统，其包括：

压缩机；

联接到所述压缩机的涡轮机；以及

布置在所述压缩机或涡轮机中的至少一个中的多个叶片组件，所述叶片组件中的至少一个包括：

主体，所述主体具有外表面并且限定主冷却回路；

11.根据权利要求10所述的涡轮机系统，其特征在于，所述平台冷却回路包括入口部分、中间部分和出口部分，并且所述通道连接所述主冷却回路和所述出口部分。

12.根据权利要求10所述的涡轮机系统，其特征在于，所述柱塞具有的直径小于所述头部的直径。

13.根据权利要求10所述的涡轮机系统，其特征在于，所述柱塞包括成环形阵列布置的多个鳍部，所述多个鳍部彼此间隔开以限定其间的多个沟槽。

14.根据权利要求10所述的涡轮机系统，其特征在于，所述头部具有圆形横截面轮廓。

15.根据权利要求10所述的涡轮机系统，其特征在于，所述柱塞具有圆形横截面轮廓。

16.根据权利要求10所述的涡轮机系统，其特征在于，所述柱塞相对于所述头部可移动。

17.根据权利要求10所述的涡轮机系统，其特征在于，所述主体限定多个主冷却回路。

18.根据权利要求10所述的涡轮机系统，其特征在于，所述主体包括翼型和柄，所述翼型从所述柄径向向外定位。