用于多壁叶片的冷却回路的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请涉及共同未决的美国申请号：14/9770788,14/977102,14/977152,14/977175,14/977200,14/977228,14/977247和14/977270，ge卷号282168-1,282169-1,282174-1,283464-1,283467-1,283463-1,283462-1和284160-1，所有都于2015年12月21日提交。

本公开大体上涉及涡轮系统，并且更具体地涉及减小多壁涡轮叶片冷却回路中的压力损失。

背景技术：

燃气涡轮系统为在如发电的领域中广泛利用的涡轮机的一个实例。常规燃气涡轮系统包括压缩机区段、燃烧器区段以及涡轮区段。在燃气涡轮系统的操作期间，系统中的各种构件(如涡轮叶片)经受可引起构件故障的高温流。由于较高温度流大体上导致燃气涡轮系统的提高的性能、效率以及功率输出，故有利的是冷却经受高温流的构件，以允许燃气涡轮系统在增加的温度下操作。

燃气涡轮系统的涡轮叶片典型地包含内部冷却通道的错综迷宫。冷却通道从燃气涡轮系统的压缩机接收空气，并且使空气穿过内部冷却通道来冷却涡轮叶片。由于空气从压缩机放出，故穿过冷却通道的空气的供给压力大体上较高。在该程度上，有用的是提供减小不可恢复的压力损失的冷却通道；在压力损失增加时，需要较高的供给压力来保持足够的气体路径压力裕度(回流裕度)。较高的供给压力导致副流动回路中(例如，转子中)的较高泄漏，以及较高的供给温度。

技术实现要素：

本公开的第一方面提供一种涡轮叶片冷却系统，其包括：第一转向部，其用于将流动穿过涡轮叶片的第一通道的第一气体流再引导到涡轮叶片的中心仓室中；以及第二转向部，其用于将流动穿过涡轮叶片的第二通道的第二气体流再引导到中心仓室中；其中第一转向部与第二转向部偏移，以减少中心仓室中的第一气体流和第二气体流的冲击。

本公开的第二方面提供一种涡轮轮叶，其包括：柄；联接于柄的叶片；以及冷却系统，冷却系统包括：第一转向部，其用于将流动穿过叶片的第一通道的第一气体流再引导到叶片的中心仓室中；第二转向部，其用于将流动穿过叶片的第二通道的第二气体流再引导到叶片的中心仓室中；其中第一转向部与第二转向部偏移，以减少叶片的中心仓室中的第一气体流和第二气体流的冲击，减少的冲击降低叶片的中心仓室中的压力损失。

本公开的第三方面提供一种涡轮轮叶，其包括：柄；联接于柄的多壁叶片；以及冷却系统，冷却系统包括：第一转向部，其用于将流动穿过第一通道的第一气体流再引导到叶片的中心仓室中；第二转向部，其用于将流动穿过第二通道的第二气体流再引导到叶片的中心仓室中；第一气体流和第二气体流在中心仓室中组合；其中第一转向部与第二转向部在角度上偏移，以减少叶片的中心仓室中的第一气体流和第二气体流的冲击，减少的冲击降低中心仓室中的压力损失。

技术方案1.一种涡轮叶片冷却系统，其包括：

第一转向部，其用于将流动穿过涡轮叶片的第一通道的第一气体流再引导到所述涡轮叶片的中心仓室中；以及

第二转向部，其用于将流动穿过所述涡轮叶片的第二通道的第二气体流再引导到所述中心仓室中；

其中所述第一转向部与所述第二转向部偏移，以减少所述中心仓室中的所述第一气体流和所述第二气体流的冲击。

技术方案2.根据技术方案1所述的涡轮叶片冷却系统，其特征在于，所述涡轮叶片包括多壁涡轮叶片。

技术方案3.根据技术方案1所述的涡轮叶片冷却系统，其特征在于，所述减少的冲击降低所述中心仓室中的压力损失。

技术方案4.根据技术方案1所述的涡轮叶片冷却系统，其特征在于，所述第一转向部包括端壁，并且所述第二转向部包括端壁，并且其中所述第一转向部的所述端壁与所述第二转向部的所述端壁偏移。

技术方案5.根据技术方案4所述的涡轮叶片冷却系统，其特征在于，所述偏移包括位置偏移。

技术方案6.根据技术方案5所述的涡轮叶片冷却系统，其特征在于，所述第一转向部还包括具有等于所述位置偏移的长度的侧壁。

技术方案7.根据技术方案5所述的涡轮叶片冷却系统，其特征在于，所述涡轮叶片冷却系统还包括设置在所述第一转向部与所述第二转向部之间的肋。

技术方案8.根据技术方案1所述的涡轮叶片冷却系统，其特征在于，所述第一通道沿着所述叶片的吸入侧延伸，并且其中所述第二通道沿着所述叶片的压力侧延伸。

技术方案9.根据技术方案1所述的涡轮叶片冷却系统，其特征在于，所述偏移包括角度偏移。

技术方案10.根据技术方案9所述的涡轮叶片冷却系统，其特征在于，所述涡轮叶片冷却系统还包括设置在所述第一转向部与所述第二转向部之间的肋，其中所述肋沿第一方向将所述第一气体流引导到所述中心仓室中，并且其中所述肋沿第二不同方向将所述第二气体流引导到所述中心仓室中。

技术方案11.根据技术方案10所述的涡轮叶片冷却系统，其特征在于，所述肋以关于所述第一转向部和所述第二转向部的角定位。

技术方案12.根据技术方案10所述的涡轮叶片冷却系统，其特征在于，所述第一转向部包括端壁，并且所述第二转向部包括端壁，并且其中所述第一转向部的所述端壁与所述第二转向部的所述端壁大致共面。

技术方案13.一种涡轮轮叶，其包括：

柄；

叶片，其联接于所述柄；以及

冷却系统，所述冷却系统包括：

第一转向部，其用于将流动穿过所述叶片的第一通道的第一气体流再引导到所述叶片的中心仓室中；

第二转向部，其用于将流动穿过所述叶片的第二通道的第二气体流再引导到所述叶片的所述中心仓室中；

其中所述第一转向部与所述第二转向部偏移，以减少所述叶片的所述中心仓室中的所述第一气体流和所述第二气体流的冲击，所述减少的冲击降低所述叶片的所述中心仓室中的压力损失。

技术方案14.根据技术方案13所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述涡轮叶片包括多壁涡轮叶片。

技术方案15.根据技术方案13所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述第一转向部包括端壁和侧壁，其中所述第二转向部包括端壁，并且其中所述第一转向部的所述端壁在位置上与所述第二转向部的所述端壁偏移等于所述第一转向部的所述侧壁的长度的距离。

技术方案16.根据技术方案13所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述第一通道沿着所述叶片的吸入侧延伸，并且其中所述第二通道沿着所述叶片的压力侧延伸。

技术方案17.一种涡轮轮叶，其包括：

柄；

多壁叶片，其联接于所述柄；以及

冷却系统，所述冷却系统包括：

第一转向部，其用于将流动穿过第一通道的第一气体流再引导到所述叶片的中心仓室中；

第二转向部，其用于将流动穿过第二通道的第二气体流再引导到所述叶片的所述中心仓室中，所述第一气体流和所述第二气体流在所述中心仓室中组合；

其中所述第一转向部在角度上与所述第二转向部偏移，以减少所述叶片的所述中心仓室中的所述第一气体流和所述第二气体流的冲击，所述减少的冲击降低所述中心仓室中的压力损失。

技术方案18.根据技术方案13所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述涡轮叶片还包括设置在所述第一转向部与所述第二转向部之间的肋，其中所述肋沿第一方向将所述第一气体流引导到所述中心仓室中，并且其中所述肋沿第二不同方向将所述第二气体流引导到所述中心仓室中。

技术方案19.根据技术方案18所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述第一转向部包括端壁，并且所述第二转向部包括端壁，并且其中所述第一转向部的所述端壁与所述第二转向部的所述端壁大致共面。

技术方案20.根据技术方案19所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述中心仓室中的组合的气体流由所述冷却系统提供至所述叶片的其它区域或柄用于冷却。

本公开的说明性方面解决本文中描述的问题和/或未论述的其它问题。

附图说明

本公开的这些及其它的特征将从连同附图进行的本公开的各种方面的以下详细描述更容易理解，该附图绘出了本公开的各种实施例。

图1示出根据实施例的包括叶片的涡轮轮叶的透视图。

图2为沿着图1中的线2-2截取的、根据实施例的图1的叶片的局部截面图。

图3绘出根据实施例的具有相对供给的压力损失减小结构。

图4为绘出根据实施例的具有相对供给的压力损失减小结构的图1的叶片的局部截面图。

图5绘出根据实施例的具有成角度供给的压力损失减小结构。

图6为绘出根据实施例的具有成角度供给的压力损失减小结构的图1的叶片的局部截面图。

注意的是，本公开的附图不按比例。附图旨在仅绘出本公开的典型方面，并且因此不应当认作是限制本公开的范围。在附图中，相似的标记在附图之间表示相似的元件。

部件列表

2涡轮轮叶

4柄

6叶片

8压力侧

10吸入侧

12前缘

14后缘

16冷却布置

18ss冷却回路

20ps冷却回路

22供给通道

24冷却气体

26冷却气体

28回流通道

32供给通道

34冷却气体

36冷却气体

38回流通道

40压力损失减小结构

42冷却气体

44中心仓室

46边缘腔

48末端区域

50压力损失减小结构

60第一转向部

62端壁

64侧壁

66肋

68端部区段

70第二转向部

72端壁

76肋

78端部区段

80肋

160第一转向部

162端壁

166肋

168端部区段

170第二转向部

172端壁

176肋

178端部区段

180肋。

具体实施方式

如上文指示的，本公开大体上涉及涡轮系统，并且更具体地涉及减小多壁涡轮叶片冷却回路中的压力损失。

转向图1，示出了涡轮轮叶2的透视图。涡轮轮叶2包括柄4和联接于柄4并且从其沿径向向外延伸的叶片6(例如，多壁叶片)。叶片6包括压力侧8和相对的吸入侧10。叶片6还包括压力侧8与吸入侧10之间的前缘12，以及在与前缘12相对的侧部上在压力侧8与吸入侧10之间的后缘14。

柄4和叶片6可均由一种或更多种金属(例如，钢、钢合金等)形成，并且可根据常规途径形成(例如，铸造、锻造或另外机加工)。柄4和叶片6可集成地形成(例如，铸造、锻造、三维打印等)，或者可形成为单独的构件，其随后连结(例如，经由焊接、硬钎焊、粘结或其它联接机构)。

图2为沿图1的线2-2截取的叶片6的局部截面图，绘出了根据实施例的包括多个冷却回路的冷却布置16。在该实例中，冷却布置16包括叶片6的吸入侧10上的内部2程蛇线吸入侧(ss)冷却回路18以及叶片6的压力侧8上的内部2程蛇线压力侧(ps)冷却回路20。尽管按照2程蛇线冷却回路描述，但对本领域技术人员而言将显而易见的是，本公开(下文所述)的压力损失减小结构可连同其它类型的蛇线(例如，3程、4程等)和/或非蛇线冷却回路使用，其中来自多个流动通道的"用过的"冷却空气收集用于重新分配至叶片6的其它区域、柄4和/或轮叶2的其它部分用于冷却目的。此外，压力损失减小结构可用于叶片6的其它区段、柄4和/或轮叶2的其它部分中，其中需要将多股气流聚集成单股气流用于重新分配。

ss冷却回路18包括供给通道22，用于将冷却气体流24(例如空气)沿叶片6的吸入侧10朝叶片6的末端区域48(图1)沿径向向外引导。在图2中，冷却气体流24绘出为流出页面。在穿过转向部(未示出)之后，"用过的"冷却气体流26通过回流通道28朝叶片6的柄4引导回。在图2中，冷却气体流26绘出为流入页面。

ps冷却回路20包括供给通道32，用于将冷却气体流34(例如空气)沿叶片6的压力侧8朝叶片6的末端区域48(图1)沿径向向外引导。在穿过转向部(未示出)之后，"用过的"冷却气体流36通过回流通道38朝叶片6的柄4引导回。在图2中，冷却气体流34绘出为流出页面，而冷却气体流36绘出为流入页面。

根据实施例，参照图3和图5连同图2，压力损失减小结构40(图3),50(图5)提供用于将流动穿过ss冷却回路18的回流通道28的冷却气流26与流动穿过ps冷却回路20的回流通道38的冷却气流36组合，以在中心仓室44内形成单个组合的冷却气体流42。有利地，这通过防止冷却气体流26,36在流进入中心仓室44时的冲击而以减小的压力损失实现。压力损失减小结构40,50构造成使冷却气体流26,36位置上(图3)或角度上(图5)偏移，使得冷却气体流26,36不在中心仓室44中彼此冲击。

在叶片6中，冷却气体流42沿径向向外穿过中心仓室44(在图2中离开页面)。从中心仓室44，冷却气体流42可重新分配例如至位于叶片6的前缘12中的前缘腔46(图1)，以提供冲击冷却。作为备选，或此外，冷却气体流42可重新分配至叶片6的末端区域48(图1)。冷却气体流42还可提供至叶片6、柄4，和/或轮叶2的其它部分内的其它位置，以提供常规冷却。更进一步，冷却气体流42可用于提供叶片6的外表面的膜冷却。取决于叶片6中的压力损失减小结构40,50的位置，冷却气体流42还可重新分配例如至叶片6的后缘14处的冷却通道/回路。任何数量的压力损失减小结构40,50可在叶片6内采用。

包括相对供给的压力损失减小结构40的第一实施例在图3中绘出。如图3中示出的，流动穿过ss冷却回路18的回流通道28的冷却气体流26沿第一方向(箭头a)流动穿过回流通道28至压力损失减小结构40的第一转向部60。在第一转向部60处，冷却气体流26由第一转向部60的端壁62和侧壁64再引导(箭头b)。再引导的冷却气体流26随后朝中心仓室44流动并且流动到中心仓室44中(箭头c)，形成冷却气体流42的一部分。回流通道28和中心仓室44由肋66分离。如图3中示出的，冷却气体流26围绕肋66的端部区段68流动。

压力损失减小结构40的第二转向部70也在图3中绘出。流动穿过ps冷却回路20的回流通道38的冷却气体流36沿第一方向(箭头d)流动穿过回流通道38至压力损失减小结构40的第二转向部70。在第二转向部70处，冷却气体流36由第二转向部70的端壁72再引导(箭头e)。再引导的冷却气体流36随后朝中心仓室44流动并且流动到中心仓室44中(箭头f)，形成冷却气体流42的另一部分。回流通道38和中心仓室44由肋76分离。冷却气体流36围绕肋76的端部区段78流动。

如图3中示出的，第一转向部60和第二转向部70的端壁62,72在位置上与彼此偏移(例如，沿着叶片6的长度沿径向)距离d1。根据实施例，d1可大于或等于第一转向部60的高度。此外，肋66,76的端部区段68,78，以及到中心仓室44中的入口i1,i2在位置上与彼此(例如，垂直地)偏移距离d2。取决于压力损失减小结构40的特定实施，d1和d2可大致相等。此外，肋66的端部区段68可与第二转向部70的端壁72共面。肋80可定位在第一转向部60与第二转向部70之间，以有助于在流进入中心仓室44时指引和对准再引导的冷却气体流26,36。有利地，再引导的冷却气体流26,36在减少冲击和减小相关联压力损失的情况下流动到中心仓室44中。

图4为绘出压力损失减小结构40的图1的叶片的局部截面图。如所示，冷却气体流26沿第一方向(在图4中进入页面)流动穿过回流通道28至压力损失减小结构40的第一转向部60(图3)。在第一转向部60处，冷却气体流26由第一转向部60的端壁62和侧壁64(图3)再引导。再引导的冷却气体流26随后沿第二方向(在图4中离开页面)流动到中心仓室44中，形成冷却气体流42的一部分。回流通道28和中心仓室44由肋66分离。

冷却气体流36沿第一方向(在图4中进入页面)流动穿过回流通道38至压力损失减小结构40的第二转向部70(图3)。在第二转向部70处，冷却气体流36由第二转向部70的端壁72再引导。再引导的冷却气体流36随后沿第二方向(在图4中离开页面)流动到中心仓室44中，形成冷却气体流42的另一部分。回流通道38和中心仓室44由肋76分离。第一转向部60和第二转向部70的端壁62,72在位置上与彼此(例如，垂直地)偏移。

包括成角度供给的压力损失减小结构50的实施例在图5连同图6中绘出。如所示，冷却气体流26沿第一方向(箭头g)流动穿过回流通道28至压力损失减小结构50的第一转向部160。在第一转向部160处，冷却气体流26由第一转向部160的端壁162和肋180再引导(箭头h)。再引导的冷却气体流26以涡流方式朝中心仓室44流动并且流动到中心仓室44中(箭头i)，形成冷却气体流42的一部分。回流通道28和中心仓室44由肋166分离。冷却气体流26围绕肋166的端部区段168流动。

压力损失减小结构50的第二转向部170也在图5连同图6中绘出。冷却气体流36沿第一方向(箭头j)流动穿过回流通道38至压力损失减小结构50的第二转向部170。在第二转向部170处，冷却气体流36由第二转向部70的端壁172和肋180再引导(箭头k)。再引导的冷却气体流36随后以涡流方式朝中心仓室44流动并且流动到中心仓室44中(箭头l)，形成冷却气体流42的另一部分。涡流还作用成在冷却气体流26,36组合以形成冷却气体流42时减小压力损失。回流通道38和中心仓室44由肋176分离。冷却气体流36围绕肋176的端部区段178流动。

与图3中示出的压力损失减小结构40不同，图5中示出的第一转向部160和第二转向部170的端壁162,172在压力损失减小结构50中不在位置上与彼此(例如，垂直地)偏移。相反，第一转向部160和第二转向部170的端壁162,172大致上共面。在该实施例中，肋180和到中心仓室44中的入口i11和i12构造成使冷却气体流26,36远离彼此(例如，沿不同方向)成角度和成涡流，减少流动冲击和减小相关联压力损失。在实施例中，如图5中绘出的，肋180可以以足够的角α设置，以使相对的冷却气体流26,36偏移。冷却气体流26,36进入和穿过中心仓室44并且组合，以形成冷却气体流42。

在使用压力损失减小结构40,50时，通过防止冷却气体流26,36在流进入中心仓室44时的冲击，压力损失减小。因此，需要较低的供给压力，以保持足够的气体路径压力裕度(回流裕度)。此外，较低的供给压力导致副流动回路中(例如，转子中)的较少的泄漏和较低的供给温度。

在各种实施例中，描述为“联接”于彼此的构件可沿着一个或更多个界面连结。在一些实施例中，这些界面可包括不同构件之间的接合部，并且在其它情况中，这些界面可包括坚固地和/或集成地形成的互连。即，在一些情况中，“联接”于彼此的构件可同时形成，以限定单个连续部件。然而，在其它实施例中，这些联接的构件可形成为单独部件，并且随后通过已知过程(例如，紧固、超声波焊接、粘结)连结。

当元件或层被称为在另一元件“上”、“接合于”、“连接于”或“联接于”另一元件时，其可直接地在另一元件上、接合、连接或联接于另一元件，或者可存在插置元件。相反，当元件被称为“直接地在另一元件上”、“直接地接合于”、“直接地连接于”或“直接地联接于”另一元件时，可不存在插置元件或层。用于描述元件之间的关系的其它词应当以类似的方式(例如，“在…之间”对“直接地在…之间”，“邻近”对“直接地邻近”等)解释。如本文中使用的，用语“和/或”包括相关联的列举物件中的一个或更多个的任何和所有组合。

本文中使用的用语出于仅描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本公开。如本文中使用的，单数形式"一"、"一个"和"该"旨在也包括复数形式，除非上下文另外清楚地指出。还将理解的是，用语"包括(comprises)"和/或"包含(comprising)"在用于本说明书中时表示叙述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但并未排除存在或添加一个或更多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组。

该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。