专利名称：涡轮机转子盘以及相关方法
技术领域：
本发明总体上涉及涡轮机技术，具体而言，涉及涡轮机桨叶平台的冷却。
背景技术：
为所有高技术燃气涡轮机所共有的一个问题是桨叶平台端壁因高温和大温度梯度而损坏。此损坏可表现为氧化、破碎、开裂、弯曲或释放的形式。处理此问题的推荐的解决方案采用以下方案中任一者:针对桨叶平台的内表面进行冷却强化，所述桨叶平台沿径向位于桨叶翼型与桨叶柄之间；在端壁之内建立对流冷却通道；及/或添加局部薄膜冷却(local film cooling)。先前尝试解决此问题的代表性实例可在美国公开申请案第2005/0095128号以及美国专利第6，309，175号、第5,630, 703号、第5，388, 962号、第4，111，603号与第3，897，171号中找到。仍需要提供更有效的冷却布置以便采用桨叶柄空腔内的已有的跨柄漏流来冷却桨叶平台。
发明内容
根据一个第一示例性但非限制性方面，本发明提供一种涡轮机转子盘，其包括:环绕所述转子盘的径向外部圆周的一排桨叶，每片桨叶具有翼型、平台、柄以及安装部分，所述安装部分容纳于在所述转子盘中形成的径向狭槽中，以使位于相邻安装部分之间的转子盘柱以及位于相邻柄之间的柄空腔分离相邻径向狭槽中的相邻桨叶，沿径向向所述转子盘柱外以及沿径向向相邻平台内，所述柄空腔大体上用至少一个分立热力插塞来填充。根据另一个示例性但非限制性方面，提供了一种用于燃气涡轮发动机的转子桨叶组件，其包括:紧固到所述燃气涡轮发动机转子盘的至少一对相邻桨叶，每片桨叶包括平台，所述平台包括径向外表面以及径向内表面；从所述平台沿径向向外延伸的翼型；从所述平台沿径向向内延伸的柄，其中形成的所述柄具有形成内部柄空腔的凹陷表面；从所述柄沿径向向内延伸的楔形榫；并且其中插塞容纳在位于所述一对相邻桨叶之间的所述内部柄空腔中，大体上填充所述柄空腔，同时在所述插塞的径向外部部分与所述平台的所述径向内表面之间建立第一冷却空气流动路径。根据又一个示例性实施例，提供了一种对安装在转子叶轮上的涡轮机桨叶的平台部分的下侧进行冷却的方法，其中每片桨叶包括翼型、平台、柄以及适合容纳在转子叶轮中的配合狭槽中的安装部分，并且其中相邻桨叶的相邻柄形成由相邻桨叶的平台的所述下侧进行部分界定的柄空腔，所述方法包括:用至少一个热力插塞大体上填充所述柄空腔；以及对热力插塞进行定形以弓I导跨柄漏流空气的主要部分沿所述平台的所述下侧流动。现在将结合下文所确认的附图来详细描述本发明。
图1为已知涡轮机桨叶的局部端视图，图示了柄空腔以及用于冷却桨叶平台的跨柄漏流的流动；图2为图示各自相邻桨叶的相邻柄空腔的简化侧视图，也图示了跨柄漏流，该视图大致在由图1中的线2-2指示的平面上获得；图3为类似于图2的局部端视图，但图示了根据本发明的一个示例性但非限制性实施例的位于柄空腔内的适当位置处的热力插塞；图4为类似于图2的简化侧视图，但图示了根据本发明的一个示例性但非限制性实施例的位于适当位置的热力插塞，该热力插塞大体上填充了相邻柄空腔；图5为具有根据本发明的一个示例性但非限制性实施例的热力插塞的一对桨叶的示意性轴向端视图，所述热力插塞安装在相邻柄空腔之间；图6为沿径向穿过图5中的热力插塞作截面图的示意性侧视图，并且图示了用于沿轴向保持热力插塞的盖板；图7为沿图5中的线7-7所截得的截面；图8为具有根据本发明的另一个示例性但非限制性实施例的分裂热力插塞的一对桨叶的示意性轴向端视图，所述分裂热力插塞安装在相邻柄空腔之间；图9为穿过图8中的热力插塞作截面图的示意性侧视图，并且图示了用于沿轴向保持分裂热力插塞的一体式盖板；以及图10为沿图8中的线10-10所截得的截面。
具体实施例方式图1所示为适合于连接到转子盘的典型转子叶片或桨叶10，该转子盘由位于可旋转地连接或固定到涡轮机转子或轴的叶轮上的柱12来表示。多个叶片或桨叶10是相同的，并且每一个都包括翼型14、平台16、柄18以及楔形榫20。柄18从平台16沿径向向内延伸至楔形榫20，并且楔形榫20从柄18沿径向向内延伸并容纳于在转子盘中形成的配合狭槽之内。柱12在相邻狭槽之间沿径向凸出，从而形成相邻狭槽中的每一个的一侧。桨叶通常沿轴向装入狭槽中以形成完整的环绕盘或叶轮的圆周而环状排列的桨叶。环状排列的桨叶通常沿轴向位于相邻的固定多排叶片或喷嘴22之间(或沿轴向之间)。从图7可最佳地了解到，每个翼型14包括第一或压力侧24以及第二或吸入侧26。两侧24、26在前缘28以及沿轴向隔开的后缘30处连结在一起。具体而言，翼型后缘30在翼弦方向上隔开并且在翼型前缘28的下游。第一和第二侧24和26分别从平台16沿纵向或沿径向向外延伸至径向外部顶端(未图示)。继续参阅图7，平台16还具有压力侧边缘32以及相对的吸入侧边缘34。当转子叶片10在转子组件之内连接时，间隙36在相邻转子叶片平台16之间界定，并且因此间隙36被称为平台间隙。所述间隙通常由阻尼器销或密封件38来闭合(参看图5)。回到图1，柄18包括大体上凹陷的空腔侧壁40、上游侧壁边缘42以及下游侧壁边缘44。因此，柄空腔侧壁40分别相对于上游和下游侧壁边缘42和44凹入，因而当桨叶10在转子组件之内连接时，柄空腔46(参看图1和图5)在相邻转子叶片柄之间界定。为方便起见，柄空腔的参考标号46包括每片桨叶的柄空腔以及由相邻桨叶形成的组合空腔。在示例性的实施例中，为了便于增加柄空腔46内的压力，位于桨叶前端处的柄侧壁边缘42可包括内部和外部天使翼密封件48、50，该内部和外部天使翼密封件48、50抑制热燃烧气体沿密封件50的径向向内进入叶轮空间区域。用流动箭头52表示的凹入或内凹部分沿与楔形榫20沿径向相邻的内部天使翼50的径向向内形成，容许跨柄漏流空气流入空腔46中以冷却空腔，具体而言，冷却平台16的下侧54。从图1和图2可了解到，在位置52处的入口与侧壁边缘44处的出口之间没有界定流动路径的情况下，在位置52处进入空腔46中的气流是低速的，且极度无序的，其中在它与相邻桨叶的侧壁边缘之间存在间隙。所述间隙由(例如)位于柄空腔侧壁边缘42、44的一侧或两侧的密封销(未图示)来进行部分密封。另外，在平台与盘柱之间不存在任何辐射屏蔽的情况下，流过平台16的下侧54的气流的温度增加还很可能使盘柱12变热。图3至图7图示了本发明的一个示例性但非限制性实施例，其中热力插塞56大体上填充了相邻桨叶之间的柄空腔46。插塞56优选为不允许空气从中通过的轻质金属或金属泡沫。插塞56具有大致为矩形的结构，该结构具有适合与空腔46的形状大体上匹配的四侧。插塞56可构造为空心、自承壳体或填充有金属蜂窝等加强结构的空心壳体。所述插塞意图填充大部分柄空腔46并引导大部分存在的跨柄漏流流向平台16，从而产生较高速度以及对平台下侧的更有效的冷却。所述插塞还充当平台与柱之间的辐射屏蔽物。另外，气流的一小部分将被沿插塞56的径向向内方向输送，因而还用于为盘柱的径向外端提供一些冷却。根据图3中的流动箭头可明显看到此流动路径。在图4中可最佳地看到，插塞径向外表面可形成有沟道或凹口 58以便在插塞与平台下侧之间提供分立、界限分明的流动路径。转到图6，分离盖板60可紧固在柄空腔的一侧，安置于分别在平台和盘柱中形成的凹槽或槽口 62、64中，以便在安装之后保持插塞以避免其沿轴向向后移出空腔。在这点上，位于插塞56的一端的径向向内薄片66阻止插塞沿轴向在相反或安装方向上移动(如图6中所示，向右)。可采用垫片或隔片68来确保插塞56不在插塞与盖板之间的间隙中沿轴向向盖板移动。在此布置下，插塞可在桨叶装入至盘上之后从前侧安装至相邻桨叶之间的柄空腔46中。如上文所述，随后会使用盖板60来将插塞56固持在适当的位置。在其他应用中，可从桨叶的后侧插入插塞，在插入插塞之后，同样将盖板安装在所述后侧上。在此布置中，插塞将专用冷却空气而非跨柄漏流引导至平台的下侧。跨柄漏流和专用冷却流均可称为“冷却流”。图8至图10图示了另一个示例性但非限制性实施例，在该实施中，一对相邻桨叶70,72中的每一个在桨叶的上游和下游侧均形成有一体式盖板74、76以及78、80，如图10所清晰显不的。在此情况下，热力插塞分裂成一对并排式插塞82、84，并排式插塞82、84在桨叶装载到盘中之前放入相应柄空腔中。因此，一体式盖板74、76以及78、80能防止柄空腔之内的插塞的任何轴向移动，但垫片或隔片(未图示)可在安装和/或移除期间按照需要安装在桨叶与插塞之间，从而避免柄空腔之内的插塞的任何推撞或粘合。尽管本发明已结合目前被认为是最具实用性且最优选的实施例进行了描述，但应了解，本发明不限于所揭示的实施例，相反，而是旨在涵盖包括在所附权利要求书的精神和范围之内的各种修改和等效布置。
权利要求
1.一种涡轮机转子盘，包括: 环绕所述转子盘的径向外部圆周进行紧固的一排桨叶，每片桨叶具有翼型、平台、柄以及安装部分，所述安装部分容纳在形成于所述转子盘内的径向狭槽中，以使相邻径向狭槽中的相邻桨叶被位于相邻安装部分之间的转子盘柱以及形成于相邻柄之间的柄空腔在所述转子盘柱径向向外以及相邻平台沿径向向内分开，所述柄空腔大体上用至少一个分立热力插塞来填充。
2.根据权利要求1所述的涡轮机转子盘，其中所述至少一个分立热力插塞包括自承式空心体。
3.根据权利要求2所述的涡轮机转子盘，其中所述空心体填充有蜂窝结构。
4.根据权利要求1所述的涡轮机转子盘，其中所述至少一个分立热力插塞包括一对并排式插塞。
5.根据权利要求1所述的涡轮机转子盘，其中所述至少一个分立热力插塞成形为沿所述相邻平台的下侧和/或沿所述转子盘柱的上表面引导冷却流。
6.根据权利要求1所述的涡轮机转子盘，其中所述至少一个分立热力插塞在其一个大体轴向定向末端形成有轴向保持片。
7.根据权利要求6所述的涡轮机转子盘，其中所述至少一个分立热力插塞沿其径向外端形成有流道。
8.根据权利要求6所述的涡轮机转子盘，其中所述至少一个分立热力插塞由盖板沿轴向保持在所述空腔中。
9.根据权利要求4所述的涡轮机转子盘，其中所述并排式插塞由与所述相邻桨叶形成为一体的盖板沿径向保持在所述空腔中。
10.一种燃气涡轮发动机的转子桨叶组件，包括: 紧固到所述燃气涡轮发动机的转子盘的至少一对相邻桨叶，每片桨叶包括平台，所述平台包括径向外表面和径向内表面； 从所述平台沿径向向外延伸的翼型； 从所述平台沿径向向内延伸的柄，其中所述柄形成有凹陷表面，所述凹陷表面形成内部柄空腔； 从所述柄沿径向向内延伸的楔形榫；并且其中 插塞容纳在位于所述一对相邻桨叶之间的所述内部柄空腔中，大体上填充所述柄空腔，同时在所述插塞的径向外部部分与所述平台的所述径向内表面之间建立第一冷却空气流动路径。
11.根据权利要求10所述的转子桨叶组件，其中所述插塞包括空心金属体。
12.根据权利要求11所述的转子桨叶组件，其中所述空心金属体填充有加强结构。
13.根据权利要求10所述的转子桨叶组件，其中所述插塞包括一对并排式热力插塞。
14.根据权利要求10所述的转子桨叶组件，其中所述插塞成形为以沿所述平台的下侧以及在所述一对相邻桨叶的所述楔形榫之间延伸的转子盘柱的径向外表面建立第二冷却空气流动路径。
15.根据权利要求10所述的转子桨叶组件，其中所述插塞在其一个轴向定向末端形成有保持片。
16.根据权利要求10所述的转子桨叶组件，其中所述插塞沿其径向外端形成有流道。
17.根据权利要求10所述的转子桨叶组件，其中所述插塞由应用于所述转子盘的盖板沿轴向保持在所述空腔中。
18.根据权利要求13所述的转子桨叶组件，其中所述并排式热力插塞由与所述桨叶以及相邻桨叶形成为一体的盖板沿轴向保持在所述空腔以及相邻桨叶中的相邻空腔中。
19.一种对安装在转子叶轮上的涡轮机桨叶的平台部分的下侧进行冷却的方法，其中每片桨叶包括翼型、平台、柄以及经设置以容纳在所述转子叶轮中的配合狭槽中的安装部分，并且其中相邻桨叶的相邻柄形成由相邻桨叶的平台的所述下侧部分限定的柄空腔，所述方法包括: 用至少一个热力插塞大体上填充所述柄空腔；以及 对所述热力插塞进行成形以沿所述平台的所述下侧引导冷却流。
20.根据权利要求19所述的方法，其中对所述热力插塞进行成形以沿所述平台的所述下侧引导冷却流的步骤进一步包括对所述热力插塞进行定形以沿径向向所述热力插塞内引导冷却流，以便冷却所述转子叶轮 中的相邻配合狭槽之间的盘柱。
全文摘要
本发明公开一种涡轮机转子盘。所述涡轮机转子盘包括环绕所述转子盘的径向外部圆周进行紧固的一排桨叶，每片桨叶具有翼型、平台、柄以及安装部分，所述安装部分容纳于在所述转子盘中成形的径向狭槽中，以使相邻径向狭槽中的相邻桨叶被位于相邻安装部分之间的转子盘柱以及位于相邻柄之间的柄空腔在所述转子盘柱径向向外以及所述相邻平台径向向内分开。所述柄空腔大体上填充有至少一个分立热力插塞。
文档编号F01D5/18GK103089324SQ20121041711
公开日2013年5月8日 申请日期2012年10月26日 优先权日2011年10月28日
发明者J.J.巴特基维奇 申请人:通用电气公司