涡轮叶片及用于冷却涡轮叶片与叶轮柱之间的轮缘间隙的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于冷却燃气涡轮机内部的转子缘的系统和方法，并且具体地涉及利用涡轮叶片中的冷却通路的转子缘冷却。
【背景技术】
[0002]燃气涡轮机包括进口区段、压缩机区段、涡轮区段、燃烧区段和排气区段。在操作期间，燃气涡轮机通过进口区段例如吸入外界空气，空气通过压缩机区段被压缩，并且空气被供给到燃烧区段以产生热的排气。热排气向下游朝向涡轮区段送进，涡轮区段从排气吸收能量以机械地驱动压缩机区段，并且产生可以作为例如电力提供的动力。
[0003]涡轮区段包括至少一个转子组件，至少一个转子组件包括在由多个叶轮柱形成的叶轮上的槽中周向地间隔开并且接合在槽中的多个涡轮叶片。涡轮叶片具有翼型部分、平台部分、桨杆部分和根部部分，并且还可以包括从桨杆部分轴向向外延伸的多个天使翼(angel wing)或密封件。高温排气流过翼型部分和上部平台部分，并且可以共同流入祸轮叶片与叶轮之间的叶轮空间以及涡轮机的静态结构内。流入叶轮空间内的热气加热叶片桨杆和涡轮机的其他附近部件。
[0004]排气温度在最近的燃气涡轮机设计中已经升高，叶轮空间空气温度也由于热排气向叶轮空间内的可能的泄漏而升高。由于叶轮通常承受叶轮空间中的空气的温度，因此可被用于形成叶轮的材料取决于叶轮空间中的空气的温度。最近的涡轮机设计已经达到了形成叶轮通常所使用的材料的最大容许温度，或已经使用了更加昂贵的材料以适应操作期间由于叶轮空间空气温度的升高而导致的叶轮温度的升高。
[0005]—般地，已通过例如利用平台和天使翼板屏蔽叶轮空间来采用被动冷却方案以冷却轮缘。另一种传统方案是叶轮空腔的换气和/或涡轮叶片桨杆腔的增压。但是，热排气仍然可以泄漏到叶轮空间内，导致叶轮空间空气温度的升高，以及使叶轮的温度升高到叶轮材料的最大容许温度以上。
【发明内容】
[0006]本申请提供一种主动轮缘冷却系统和方法已被构想并且在本文中公开以冷却叶轮空间中的转子缘，以解决现有技术中所存在的上述技术问题。主动轮缘冷却系统和方法引导来自冷却凹部和/或涡轮叶片内部的通路的冷却空气，并且使冷却空气撞击在叶轮的固定缘部分上以冷却固定缘。
[0007]本申请的一个方面公开了一种涡轮叶片，其包括翼型部分、位于翼型部分的径向内部的平台部分、位于平台部分的径向内部的桨杆部分以及位于桨杆部分的径向内部的根部部分。桨杆部分包括在涡轮叶片内部的内部冷却通道与桨杆部分的外表面之间延伸的至少一个冷却通路，其中，该外表面邻近桨杆部分与根部部分之间的接合处。
[0008]其中，所述涡轮叶片的所述根部部分构造成接合涡轮叶轮上的叶轮柱。
[0009]其中，所述冷却通路适用于将冷却流朝向所述叶轮柱的顶部表面和/或邻接表面引导。
[0010]其中，所述冷却通路具有尺寸比值Z/D，其中Z是从所述冷却通路的出口至所述桨杆部分的表面的距离，D是所述冷却通路的直径。
[0011]其中，所述冷却通路具有大约I至大约9的比值。
[0012]其中，所述冷却通路具有在大约30度至大约90度之间的接近角。
[0013]其中，所述冷却通路沿轴线方向倾斜。
[0014]其中，所述的涡轮叶片还包括多个冷却通路，所述冷却通路沿着所述桨杆部分的长度均匀或不均匀地分布。
[0015]其中，所述的涡轮叶片，还包括多个冷却通路，所述冷却通路沿着所述桨杆部分的长度具有不均匀的长度和不均匀的轴向倾斜。
[0016]本申请的另一个方面公开了一种用于冷却涡轮叶片与叶轮柱之间的轮缘间隙的方法，包括沿着涡轮叶片的桨杆部分的长度形成多个冷却通路，冷却通路流体地连接涡轮叶片的内部的至少一个内部冷却凹部或通道与桨杆部分的外表面，桨杆部分的外表面径向上紧密接近涡轮叶片的根部部分；将冷却气流供给至连接到冷却通路的涡轮叶片的内侧上的内部冷却通道；重新引导冷却气流穿过冷却通路，流动至紧邻接冷却通路的涡轮叶轮上的叶轮柱的径向外表面上；以及利用通过冷却通路重新引导的冷却气流冷却叶轮的径向外表面。
[0017]其中，叶轮柱的所述径向外表面是所述涡轮叶轮的固定缘。
[0018]其中，所述冷却通路具有尺寸比值Z/D，其中Z是从所述冷却通路的出口至所述桨杆部分的表面的距离，D是所述冷却通路的直径。
[0019]其中，所述冷却通路具有大约I至大约9的比值。
[0020]其中，所述冷却通路具有在大约30度至大约90度之间的接近角。
[0021]本申请的再一个方面公开了一种涡轮叶轮，包括涡轮叶轮，该涡轮叶轮包括在涡轮叶轮的径向外轮缘上形成叶轮槽的多个叶轮柱；涡轮叶片，该涡轮叶片从涡轮叶轮的外轮缘径向向外延伸，其中，叶片中的每一个均包括翼型、桨杆区段和根部，其中，根部坐置于叶轮槽中的一个中；位于涡轮叶片中的每一个的桨杆中的冷却通路，其中，冷却通路在桨杆的邻接叶轮柱的径向外表面的区域处在涡轮叶片中的内部冷却通道与涡轮叶片的桨杆的外表面之间延伸；以及位于涡轮叶片与所述叶轮柱之间的轮缘间隙。冷却通路适于将冷却流从内部冷却通道引导到叶轮柱的径向外表面上以及引导至轮缘间隙内。
[0022]其中，叶轮柱的所述径向外表面是所述涡轮叶轮的固定缘。
[0023]其中，所述冷却通路具有尺寸比值Z/D，其中Z是从所述冷却通路的出口至所述桨杆部分的表面的距离，D是所述冷却通路的直径。
[0024]其中，所述冷却通路具有大约I至大约9的比值。
[0025]其中，所述冷却通路具有在大约30度至大约90度之间的接近角。
[0026]其中，还包括从所述涡轮叶轮的内部部分抽吸到所述涡轮叶片内部冷却通道内的冷却流源。
【附图说明】
[0027]图1是与叶轮上的叶轮柱接合的涡轮叶片的部分的示意性局部横截面图，包括可视化的冷却通路；
[0028]图2是包括可视化的冷却通路的涡轮叶片的实施例的透视图；
[0029]图3是包括可视化的冷却通路的涡轮叶片的实施例的另一个透视图；
[0030]图4是包括可视化的冷却通路的从桨杆腔的侧面看的涡轮叶片的实施例的主视图；以及
[0031]图5是涡轮叶片的实施例的外表面的透视图。
【具体实施方式】
[0032]如通常已知的，涡轮叶片也被称为涡轮轮叶或转子叶片；叶轮也被称作涡轮叶轮；涡轮叶片的桨杆部分也被称作颈状部分；涡轮叶片的根部部分也被称作涡轮叶片的燕尾；以及轮缘间隙也被称作边缘柱间隙。在这些说明书的上下文中，词汇“大约”包括在数值所描述的范围之上和之下10%。
[0033]图1示出位于涡轮叶轮200上并且与叶轮柱190接合的涡轮叶片100的部分。涡轮叶片100具有翼型102、平台104、桨杆部分106和根部部分108。桨杆部分106可以包括轴向延伸的天使翼112或位于桨杆部分106上的任何适当的类型的密封件。涡轮叶片100包括位于叶片100的内部的至少一个内部冷却通道110，使得内部冷却通道110通过位于根部部分108的径向内部部分上的开口 120向涡轮叶片100供给冷却流122。涡轮叶片100与位于涡轮叶轮200上的叶轮柱190接合。
[0034]当热排气穿过涡轮叶轮200上的涡轮叶片100时，排气可能泄漏到涡轮叶片100与叶轮柱190之间的轮缘间隙130内。热排气加热轮缘间隙130中的空气、叶轮柱190和涡轮叶片100的根部部分108。加热可能导致叶轮柱和根部部分108中的材料温度超过用于形成叶轮200和叶轮柱190的常规材料的最大容许温度。
[0035]用于向轮缘间隙130输送主动冷却的系统和方法利用在内部冷却通道110与桨杆腔105中的桨杆部分106的表面之间延伸的至少一个冷却通路114，桨杆部分106的表面紧邻涡轮叶片100上的根部部分108并且直接面向或紧紧地邻接固定缘116，固定缘116是叶轮柱190的顶部表面或邻近于固定缘116的其他表面。冷却流122通过位于根部部分108的径向内部部分处的开口 120进入内部冷却通道110，并且被导入冷却通路114内以向轮缘间隙130提供冷却流122。桨杆腔105可以被冷却流122加压，使得冷却流122的一部分被引导流过系列冷却通路114。
[0036]轮缘间隙130中的冷却流122冷却叶轮柱190，包括叶轮柱190的被称为固定缘116的径向外表面，以及叶轮柱190的最靠近涡轮叶片100的根部部分108的径向内部部分的径向内表面。冷却流122也可能冲击在位于固