涡轮叶片及用于延长涡轮叶片寿命的方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及一种燃气涡轮机的涡轮叶片。具体来说，本发明涉及一种具有布置在销组阵列中的销的涡轮叶片以及用于增强所述涡轮叶片的机械性能的方法。
【背景技术】
[0002]燃气涡轮机的涡轮部分通常包括连接到转子轴的多行或多级涡轮叶片。第一行固定轮叶可以设置在第一行涡轮叶片上游的涡轮部分入口处。后续行的定子轮叶在后续行的涡轮叶片之间设置在涡轮部分内。外壳围绕各行固定轮叶和涡轮叶片，以限定穿过所述涡轮部分的高温气体通道。运行中，高温燃烧气体穿过所述第一行固定轮叶以及限定在涡轮部分内的高温气体通道。通过固定轮叶和涡轮叶片提取燃烧气体中的热能和/或动能，致使涡轮叶片移动，从而使得转子轴旋转。
[0003]由于高温气体通道内的高温环境，一些涡轮叶片至少部分中空，从而限定其中的内部冷却通道。诸如压缩空气或蒸汽等冷却介质可以穿过冷却通道，从而提高涡轮叶片的热性能。具体来说，在涡轮叶片设计中，多个销或针状翼片通常在涡轮叶片的后缘部分附近延伸在所述冷却通道内位于涡轮叶片的压力侧与吸入侧之间。所述销可提高传热效率并且可以向涡轮叶片提供结构支撑。
[0004]多个因素，例如旋转力、吸入侧与压力侧之间的不均匀热增长以及来自前一行固定轮叶的燃烧气体的压力波动所导致的振动力，可能导致涡轮叶片上位于销的第一端与第二端之间以及压力侧与吸入侧之间的连接点处产生峰值稳态应力和峰值振动应力。传统销设计在静止和振动条件下的硬度均匀，而这在任一条件下均不是最佳的。因此，可能需要改进销以及用于增强涡轮叶片的整体机械性能的方法。
【发明内容】
[0005]本发明的各个方面和优点如以下说明中所述，或者可以从说明书中清楚地了解到，或者可以通过实践本发明了解到。
[0006]本发明的一个实施例是一种涡轮叶片。所述涡轮叶片包括前缘、后缘、压力侧壁和吸入侧壁。所述压力侧壁和吸入侧壁延伸在所述前缘与后缘之间。冷却通道限定在所述压力侧壁与吸入侧壁之间。销设置在所述冷却通道内。所述销包括连接到所述压力侧壁的第一端以及连接到所述吸入侧壁的第二端。径向定向圆角沿所述第一端或所述第二端中的至少一端的外周设置在峰值稳态应力区域内。所述径向定向圆角具有最大曲率半径值。轴向定向圆角沿所述第一端或所述第二端中的至少一端的外周设置在峰值振动应力区域内。所述轴向定向圆角具有最大曲率半径值，所述最大曲率半径值大于所述径向定向圆角的所述最大曲率半径值。
[0007]本发明的另一个实施例是一种燃气涡轮机。所述燃气涡轮机包括压缩机、设置在所述啊压缩机下游的燃烧器以及具有多个可旋转涡轮叶片的涡轮。至少一个所述涡轮叶片包括翼片，所述翼片具有前缘、后缘、压力侧壁和吸入侧壁，所述压力侧壁和吸入侧壁径向延伸在根部与肩部之间以及所述前缘与后缘之间。冷却通道限定在所述后缘附近的所述压力侧壁与吸入侧壁之间。所述涡轮叶片包括销，所述销设置在所述冷却通道内。所述销包括连接到所述压力侧壁的第一端以及连接到所述吸入侧壁的第二端。径向定向圆角沿所述第一端或所述第二端中的至少一端的外周设置在峰值稳态应力区域内。所述径向定向圆角具有最大曲率半径值。轴向定向圆角沿所述第一端或所述第二端中的至少一端的外周设置在峰值振动应力区域内。所述轴向定向圆角具有最大曲率半径值，所述最大曲率半径值大于所述径向定向圆角的所述最大曲率半径值。
[0008]本发明还包括一种增强涡轮叶片的机械耐久性的方法，所述涡轮叶片具有压力侧壁、吸入侧壁、限定在两者之间的冷却通道以及设置在所述冷却通道内的至少一个销。所述销包括连接到所述压力侧壁的第一端以及连接到所述吸入侧壁的第二端。所述方法包括:沿所述销的所述第一端和所述第二端中的至少一端的外周确定至少一个峰值稳态应力区域；沿所述峰值稳态区域附近的相应外周限定径向定向圆角，其中所述径向定向圆角具有沿所述相应外周的限定最大曲率半径值的点。所述方法进一步包括沿所述销的所述第一端和所述第二端中的至少一端的外周确定至少一个峰值振动应力区域。所述方法还包括沿所述峰值振动应力区域附近的相应外周限定轴向定向圆角，其中所述轴向定向圆角包括限定最大曲率半径值的点，其中所述轴向定向圆角的所述最大曲率半径值大于所述径向定向圆角的所述最大曲率半径值。
[0009]阅读说明书之后，所属领域中的普通技术人员将更好地了解此类实施例的特征和方面以及其他内容。
【附图说明】
[0010]说明书的剩余部分，包括附图参考，向所属领域的技术人员更具体地阐述了本发明的完整和可实施内容，包括其最佳模式，在附图中:
[0011]图1是可包括本发明多个实施例的示例性燃气涡轮机的实例；
[0012]图2是可包括本发明多个实施例的示例性涡轮叶片的透视图；
[0013]图3是根据本发明一个实施例的沿图2中的线3-3截取的涡轮叶片的截面俯视图；
[0014]图4是根据本发明一个实施例的沿图2中的线4-4截取的涡轮叶片的截面侧视图；
[0015]图5是根据本发明一个实施例的图3中所示的涡轮叶片的局部放大俯视图，其中所述涡轮叶片包括设置在冷却通道内的示例性销；
[0016]图6是根据本发明一个实施例的图2中所示的涡轮叶片的局部放大正视图，其中所述涡轮叶片包括图5中所示的设置在冷却通道内的示例性销；
[0017]图7是根据本发明一个实施例的如图5和图6中所示的销的一端的截面侧视图；
[0018]图8是根据本发明至少一个实施例的如图5和图6中所示的销的第一端的截面放大侧视图；
[0019]图9是根据本发明至少一个实施例的涡轮叶片的局部放大截面正视图，其中所述涡轮叶片包括如图8中所示的销；
[0020]图10是根据本发明至少一个实施例的如图9中所示的销的第二端的截面放大侧视图；
[0021]图11是根据本发明至少一个实施例的如图2中所示的涡轮叶片的局部放大截面俯视图；
[0022]图12是根据本发明至少一个实施例的示例性销的放大截面侧视图，其中所述示例性销代表所述示例性销的第一端或第二端；
[0023]图13是根据本发明至少一个实施例的涡轮叶片的局部放大截面俯视图，其中所述涡轮叶片包括如图12中所示的销；以及
[0024]图14是根据本发明至少一个实施例的一种用于增强涡轮叶片的耐久性的方法的方框图。
【具体实施方式】
[0025]现在将详细参考本发明的各项实施例，附图中图示了本发明实施例的一个或多个实例。【具体实施方式】使用数字和字母标识来指示附图中的特征。附图和说明中的相同或类似标识用于指代本发明中的相同或类似部分。本说明书中所用的术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以区分不同部件，并且这些术语并不旨在表示各个部件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”是指相对于流体通路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体流动的来向，而“下游”是指流体流动的去向。术语“径向”是指实质垂直于特定部件的轴向中心线的相对方向，而术语“轴向”是指实质平行于特定部件的轴向中心线或与其共轴对齐的相对方向。
[0026]每个实例均以解释本发明，而非限制本发明的方式提供。事实上，所属领域的技术人员将清楚地了解，在不脱离本发明的范围或精神的前提下，可以对本发明做出各种修改和改变。例如，可以将说明或描述为某个实施例的一部分的特征用到另一个实施例中，从而得到又一个实施例。因此，本发明应涵盖随附权利要求书及其等效物的范围内的此类修改和改变。尽管出于说明目的，本发明的示例性实施例将在工业或陆上燃气涡轮机的上下文中做一般性地描述，但所属领域的普通技术人员可清楚地认识到，除非在权利要求中做特别说明，否则本发明的各个实施例可以用于航空燃气涡轮机或船用燃气涡轮机等任何涡轮机，且不限于工业或陆上燃气涡轮机。
[0027]现在参见附图，其中类似的数字是指类似部件，图1示出了可包括本发明多个实施例的燃气涡轮机10的实例。如图所示，燃气涡轮机10包括:压缩机部分12 ;燃烧部分14，所述燃烧部分具有设置在压缩机部分12下游的一个或多个燃烧器16 ;以及涡轮部分18，所述涡轮部分设置在燃烧部分14的下游。涡轮部分18通常包括连接到转子轴22的多行或多级涡轮叶片20。第一行24的固定轮叶26可以设置在第一行28的涡轮叶片20的上游位于涡轮部分18的入口处。后续行的固定轮叶26设置在涡轮部分18内位于后续行的涡轮叶片20之间处。外壳30围绕这些行固定轮叶和涡轮叶片以至少部分限定穿过涡轮部分18的高温气体通道。
[0028]运行中，空气等工作流体32进入压缩机部分12的压缩机36的入口 34。随着工作流体32穿过压缩机36流向燃烧部分14，该工作流体渐进地压缩，以向燃烧部分14提供压缩工作流体38。燃料在每个燃烧器16内与压缩工作流体38混合，所述混合物燃烧以产生高温高速的燃烧气体40。燃烧气体40从每个燃烧器16经由第一行24的固定轮叶26流过限定在涡轮部分18内的高温气体通道。通过固定轮叶26和涡轮叶片20提取燃烧气体40中的热