专利名称：涡轮机转子叶片平台冷却装置的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及燃烧涡轮发动机，如本说明书中所使用并且除非通过其它方式具体说明的，所述燃烧涡轮发动机包括所有类型的燃烧涡轮发动机，例如用于发电的那些燃烧涡轮发动机以及飞机发动机。更具体地，但并不以限制的方式，本发明涉及用于对涡轮机转子叶片的平台区域进行冷却的装置、系统和/或方法。
背景技术：
燃气涡轮发动机典型地包括压缩机、燃烧器、和涡轮。压缩机和涡轮通常包括按级沿轴向层叠的、成行的翼型件或叶片。每一级都典型地包括一行固定的、沿周向间隔开的定子叶片，以及一组围绕中心轴线或轴旋转的、沿周向间隔开的转子叶片。在操作中，压缩机中的转子叶片围绕轴旋转，以对空气流进行压缩。压缩空气接着在燃烧器内用于燃烧燃料供给。从燃烧过程获得的热气流膨胀通过涡轮，从而造成转子叶片使轴旋转，转子叶片连接至该轴。通过该方式，包含在燃料中的能量转化成旋转轴的机械能，该机械能例如接着可以用于使发电机的线圈旋转，以产生电力。参照图1和图2，涡轮机转子叶片100通常包括翼型部分或翼型件102、以及根部分或根部104。可以将翼型件102描述成具有凸形吸力面105和凹形压力面106。可以进一步将翼型件102描述成具有前缘107 (向前边缘)和后缘108 (后部边缘)。可以将根部104描述成具有用于将叶片100固定至转子轴的结构(如图所示，典型地包括燕尾榫109)、翼型件102从其延伸的平台110、和柄部112，柄部112包括位于燕尾榫109与平台110之间的结构。如图所示，平台110可以是基本平面的。更具体地，平台110可以具有平面顶侧113，如图1中所示，平面顶侧113可以包括沿轴向和周向延伸的平坦表面。如图2中所示，平台110可以具有平面底侧114，平面底侧114也可以包括沿轴向和周向延伸的平坦表面。平台110的顶侧113和底侧114可以形成为使得它们都彼此基本平行。如图所示，应当领会，平台110典型地具有薄的径向外形，S卩，平台110的顶侧113与底侧114之间的径向距离相对较短。总体而言，涡轮机转子叶片100上采用平台110来形成燃气涡轮机的热气路径部段的内部流动路径边界。平台110进一步为翼型件102提供结构支承。在操作中，涡轮机的旋转速度引起机械载荷，该机械载荷能够沿平台110产生高应力区域，当与高温相关时，所述高应力区域最终造成操作缺陷的形成，例如氧化、蠕变、低周疲劳裂纹等、以及其它的操作缺陷。当然，这些缺陷不利地影响转子叶片100的使用寿命。应当领会，这些恶劣的操作条件(即，暴露于热气路径的极限温度和与旋转叶片相关的机械载荷)能够在设计表现良好且制造成本效益高的耐用、持久的转子叶片平台110方面产生巨大挑战。一个能够使平台区域110更加耐用的常用解决方案是在操作期间通过压缩空气流或其它冷却剂流对平台区域110进行冷却，并且多种这些类型的平台设计是已知的。然而，像本领域普通技术人员应当领会的那样，平台区域110所展示出的某些设计挑战使得难以通过该方式进行冷却。在很大程度上，这是由于该区域的不合适的或复杂的(awkward)几何形状，如上所述，其原因在于平台110是定位成远离转子叶片的中央核心的外围部件，并且典型地设计成具有结构牢固、但是沿径向薄的厚度。为了使冷却剂循环，转子叶片100典型地包括一个或多个空心冷却通路116(见图
3、图4、图5和图9)，所述一个或多个空心冷却通路116至少沿径向延伸通过叶片100的核心/中心，包括通过根部104和翼型件102。如下文更加详细地描述的，为了增加换热，这种冷却通路116可以形成为能够具有盘旋通过叶片100的中央区域的蛇形路径(serpentinepath)，但是其它的构造也是可能的。在操作中，冷却剂可以通过形成在根部104的内侧(inboard)部分中的一个或多个进口 117进入中央冷却通路。冷却剂可以循环通过叶片100，并且通过形成在翼型件上的出口(未示出)、并且/或者通过形成在根部104中的一个或多个出口(未示出)离开。冷却剂可以受到加压，并且可以例如包括加压空气、与水、蒸汽等混合的加压空气。在许多情况下，冷却剂是从发动机的压缩机转移过来的压缩空气，但是其它的源也是可能的。如下文更加详细地讨论的，这些冷却通路典型地包括高压冷却剂区域和低压冷却剂区域。高压冷却剂区域典型地与具有较高冷却剂压力的冷却通路的上游部分相对应，而低压冷却剂区域与具有相对较低的冷却剂压力的下游部分相对应。在一些情况下，冷却剂可以从冷却通路116被引导至形成在相邻的转子叶片100的柄部112与平台110之间的腔119中。从该处起，冷却剂可以用于对叶片的平台区域110进行冷却，图3中展示了其传统设计。该类型的设计典型地从冷却通路116中的一个冷却通路116抽取空气，并且使用空气对形成在柄部112/平台110之间的腔119进行加压。一旦加压，该腔119接着将冷却剂供给至冷却通道，所述冷却通道延伸通过平台110。在横跨平台Iio之后,冷却空气可以通过形成在平台110的顶侧113中的薄膜冷却(film colling)孔离开所述腔。然而，应当领会，该类型的传统设计具有若干缺点。首先，由于只有在将两个邻近的转子叶片100组装之后才形成冷却回路，因此冷却回路在一部分内不是自包含的。这在很大程度上增加了安装和预安装流测试的困难性和复杂性。第二个缺点是形成在相邻的转子叶片100之间的腔119的完整性(integrity)取决于对腔119周边的密封如何。不充分/不适当的密封可能导致平台冷却不充分，以及/或者浪费冷却空气。第三个缺点是有热气路径气体可能被吸入腔119或平台本身110中的固有风险。如果没有在操作期间将腔119保持在足够高的压力下，那么可能会发生这种情况。如果腔119的压力下降到热气路径内的压力之下，那么热气将被吸入柄部腔119或平台110本身中，从而通常对这些部件造成损坏，其原因是这些部件并未设计成能够经受暴露于热气路径条件。图4和图5示出了另一种类型的用于平台冷却的传统设计。在该情况下，冷却回路容纳在转子叶片100内、并且不包括柄部腔119，如图所示。冷却空气从延伸通过叶片110的核心/中心的冷却通路116中的一个冷却通路116被抽取，并且被向后引导通过形成在平台110内的冷却通道120(即，“平台冷却通道120”)。如若干箭头所示，冷却空气流过平台冷却通道120，并且通过平台110的后部边缘121的出口、或从沿吸力侧边缘122布置的出口离开。(注意:在描述或参照矩形平台110的边缘或面时，所述矩形平台110的边缘或面均可以基于，一旦安装叶片100后，其相对于翼型件102的吸力面105和压力面106、以及/或者发动机的向前方向和后部方向的位置/部位被描述。这样一来，像本领域普通技术人员应当领会的那样，平台可以包括后部边缘121、吸力侧边缘122、前缘124、和压力侧边缘126，如图3和图4中所示。此外，吸力侧边缘122和压力侧边缘126通常还被称作“斜面”，并且一旦安装了邻近的转子叶片100，形成在吸力侧边缘122与压力侧边缘126之间的狭窄腔可以被称作“斜面腔”。)应当领会，图4和图5的传统设计相对于图3的设计的优点在于，图4和图5的传统设计不受组装或安装条件中的变化的影响。然而，该类传统设计具有若干限制或缺陷。首先，如图所示，翼型件102的每一侧上仅设置有一个回路，并且因此，所具有的缺点是对用于平台110的不同部位/位置处的冷却空气的量的控制有限。其次，该类传统设计所具有的覆盖面积通常有限。尽管图5的蛇形路径在覆盖方面相对于图4是改进的，但是平台110内仍然存在未冷却的死区。第三，为了通过复杂形成的平台冷却通道120获得更好覆盖，制造成本显著提高，特别是如果冷却通道所具有的形状需要铸造工艺来形成的话。第四，这些传统设计通常在使用冷却剂之后和冷却剂完全耗尽之前将冷却剂排放到热气路径中，从而不利地影响发动机的效率。第五，该类传统设计所具有的灵活性通常很小。即，通道120形成为平台110的整体部分，并且能够随着操作条件发生变化而改变其功能或构造的机会很小、或者不能提供这样的机会。此外，这些类型的传统设计难于修复或翻新。因此，传统的平台冷却设计在一个或多个重要方面有所不足。仍然需要能够有效和高效地对涡轮机转子叶片的平台区域进行冷却，同时还能够成本效益高地构建、应用灵活、并且耐用的改进的装置、系统、和方法。
发明内容
在一个示例性实施例中，本发明描述了一种位于涡轮机转子叶片中的平台冷却装置，该涡轮机转子叶片具有定位在翼型件与根部之间的平台。该转子叶片包括内部冷却通路，该内部冷却通路从与位于根部中的冷却剂源形成的连接部沿径向向外延伸，其中，沿与翼型件的压力侧相一致的侧面，平台的压力侧包括从翼型件基部延伸至压力侧斜面的顶侦U。该平台冷却装置包括:主增压室，主增压室正好位于平台的压力侧中的顶侧内侧，主增压室通过平台从具有后部位置的上游端部延伸至具有向前位置的下游端部；以及冷却孔。主增压室靠近上游端部包括后部转向部(aft switchback)，并且在后部转向部与下游端部之间包括向前弧形部。并且，冷却孔中的每一个冷却孔都从主增压室延伸至形成在压力侧斜面上的端口。所述平台冷却装置进一步包括:供给增压室，所述供给增压室构造成将所述主增压室的所述上游端部连接至所述内部冷却通路；以及多个薄膜冷却孔，每一个薄膜冷却孔都将所述主增压室连接至形成在所述平台的所述顶侧上的端口 ；其中所述平台的所述顶侧是平坦的，并且所述主增压室包括与平坦顶侧大致平行的纵向轴线。所述主增压室的所述上游端部包括靠近所述平台的周向中间区域的位置；并且所述主增压室的所述下游端部包括靠近所述平台的所述压力侧斜面的位置。从所述上游端部开始，所述后部转向部构造成包括第一部段、第二部段、以及定位在所述第一部段与所述第二部段之间的转向部段；其中:所述第一部段朝向所述压力侧斜面沿周向延伸；所述转向部段布置成靠近所述压力侧斜面，并且包括至少150°的急弯；并且所述第二部段从所述转向部段朝向所述平台的所述周向中间区域沿周向延伸。
所述转向部段包括大约180°的急弯；所述第二部段相对于所述第一部段向前；所述后部转向部构造成包括分离结构，所述分离结构将所述第一部段与所述第二部段分离，所述分离结构包括大致恒定的宽度；所述主增压室在所述上游端部与所述下游端部之间包括大致恒定的宽度；并且所述分离结构的大致恒定的宽度明显小于所述主增压室的大致恒定的宽度。所述后部转向部限于所述平台的所述压力侧的向后三分之一。所述后部转向部包括传热结构，所述传热结构构造成促进流过所述后部转向部与所述平台的冷却剂之间的传热；其中所述主增压室包括被限定在底部与顶部之间的径向高度，所述顶部相对于所述底部位于外侧；其中所述径向高度从所述主增压室的所述上游端部至所述下游端部大致恒定；并且所述主增压室构造成使得所述顶部定位成非常靠近所述平台的所述压力侧的所述顶侧。所述后部转向部内的所述传热结构包括外伸的突出部，所述外伸的突出部构造成增加冷却剂内的湍流。所述后部转向部的所述第二部段与所述向前弧形部连接、靠近所述平台的所述周向中间区域；其中，从与所述后部转向部形成的连接部向前延伸的所述向前弧形部包括曲率，所述曲率与翼型件基部的所述压力侧的外形的曲率相对应，所述向前弧形部在所述翼型件基部下方延伸；并且其中所述主增压室的所述下游端部位于所述平台的所述压力侧斜面处。所述主增压室包括后部出口和向前出口 ；其中:所述后部出口构造成将所述后部转向部的所述转向部段连接至形成在所述压力侧斜面中的端口 ；所述向前出口构造成将所述主增压室的所述下游端部连接至形成在所述压力侧斜面中的端口 ；所述向前出口包括减小所述向前出口的横截面流通面积的非整体塞；并且所述后部出口包括减小所述后部出口的横截面流通面积的非整体塞。所述向前出口和所述后部出口中的每一个都包括在所述主增压室的铸造期间形成的印刷输出；其中所述向前出口的所述非整体塞构造成在操作期间提供通过所述向前出口的预定横截面流通面积，所述预定横截面流通面积与所期望的冷却剂冲击特性相对应；并且其中所述后部出口的所述非整体塞构造成在操作期间提供通过所述后部出口的预定横截面流通面积，所述预定横截面流通面积与期望的冷却剂冲击特性相对应。所述冷却孔的端口沿所述压力侧斜面间隔开；至少多个所述冷却孔将所述端口中的一个端口连接至所述主增压室的所述向前弧形部，并且至少多个所述冷却孔将所述端口中的一个端口连接至所述主增压室的所述后部转向部；并且其中所述主增压室所包括的轴向长度等于所述翼型件的轴向长度的至少0.75。至少五个冷却孔将分离的对应端口连接至所述主增压室的所述向前弧形部，并且至少三个冷却孔将相应的端口连接至所述主增压室的所述后部转向部。所述冷却孔沿大致周向方向从所述压力侧斜面延伸至所述主增压室。所述冷却孔中的每一个冷却孔所包括的横截面流通面积都比所述主增压室小；并且其中所述冷却孔是线性的。所述冷却孔和端口构造成使得在操作期间，每一个冷却孔和端口均将期望的冷却剂冲击流排放至斜面腔中，在安装时，所述斜面腔形成在所述涡轮机转子叶片与相邻的涡轮机转子叶片之间。在另一个示例性实施例中，本发明描述了一种制造位于涡轮机转子叶片中的平台冷却装置的方法，该涡轮机转子叶片具有位于翼型件与根部之间的界面处的平台。该转子叶片包括形成在其中的内部冷却通路，该内部冷却通路从与位于根部处的冷却剂源形成的连接部延伸至平台，并且其中，沿与翼型件的压力侧相一致的侧面，平台的压力侧包括从翼型件基部沿周向延伸至压力侧斜面的顶侧。该方法可以包括以下步骤:通过铸造工艺在平台的压力侧中形成主增压室，主增压室构造成通过平台从具有后部位置的上游端部延伸至具有向前位置的下游端部；以及加工冷却孔。主增压室靠近上游端部包括后部转向部，并且在后部转向部与下游端部之间包括向前弧形部。并且，冷却孔中的每一个冷却孔都从主增压室延伸至形成在压力侧斜面上的端口。所述方法进一步包括形成供给增压室的步骤，所述供给增压室构造成将所述主增压室的所述上游端部连接至所述内部冷却通路；其中形成所述主增压室的步骤包括在所述平台内铸造所述主增压室；其中所述主增压室构造成使得所述主增压室的所述上游端部包括靠近所述平台的周向中间区域的位置，并且所述主增压室的所述下游端部包括位于所述平台的所述压力侧斜面处的位置；并且其中:从所述上游端部开始，所述后部转向部构造成包括第一部段、第二部段、以及定位在所述第一部段与所述第二部段之间的转向部段；所述第一部段朝向所述压力侧斜面沿周向延伸；所述转向部段布置成靠近所述压力侧斜面，并且包括大约180°的急弯；并且所述第二部段从所述转向部段朝向所述翼型件沿周向延伸。铸造所述主增压室的步骤包括构造印刷输出，所述印刷输出在操作中包括后部出口和向前出口 ；其中:所述后部出口构造成将所述后部转向部的所述转向部段连接至形成在所述压力侧斜面中的端口 ；所述向前出口构造成将所述主增压室的所述下游端部连接至形成在所述压力侧斜面中的端口。所述方法进一步包括以下步骤:形成用于所述向前出口的第一塞，其中所述第一塞构造成减小所述向前出口的横截面流通面积，使得所述向前出口包括预定横截面流通面积，所述预定横截面流通面积在操作中与所期望的通过所述向前出口的冷却剂冲击特性相对应；将所述第一塞安装到所述向前出口中；形成用于所述后部出口的第二塞，其中所述第二塞构造成减小所述后部出口的横截面流通面积，使得所述后部出口包括预定横截面流通面积，该预定横截面流通面积在操作中与所期望的通过所述后部出口的冷却剂冲击特性相对应；以及将所述第二塞安装在所述后部出口中。当通过结合附图和所附权利要求阅览下文对优选实施例的详细描述时，本发明的这些和其它的特征将变得显而易见。
通过结合附图仔细研究下文对本发明的示例性实施例的更加详细的描述，将更完整地理解和领会本发明的这些和其它的特征，在附图中:图1示出了示例性涡轮机转子叶片的透视图，该示例性涡轮机转子叶片中可以采用本发明的实施例；图2示出了涡轮机转子叶片的仰视图，该涡轮机转子叶片中可以使用本发明的实施例；图3示出了邻近的涡轮机转子叶片的剖视图，所述邻近的涡轮机转子叶片具有根据传统设计的冷却系统；图4示出了具有平台的涡轮机转子叶片的俯视图，该平台具有根据传统设计的内部冷却通道；图5示出了具有平台的涡轮机转子叶片的俯视图，该平台具有根据备选的传统设计的内部冷却通道；图6示出了具有根据本发明的示例性实施例的平台冷却构造的涡轮机转子叶片的透视图；图7示出了具有根据本发明的示例性实施例的、具有冷却构造的涡轮机转子叶片的平台的俯视图，其中具有局部横截面示意图；以及图8示出了具有根据本发明的示例性实施例的冷却构造的涡轮机转子叶片的平台的俯视图，其中具有局部横截面示意图。
具体实施例方式应当领会，通过冷却剂的内部循环进行冷却的涡轮机叶片典型地包括内部冷却通路116，内部冷却通路116从根部104沿径向向外延伸、通过平台区域110、并且进入翼型件102，如上文参照若干传统的冷却设计所描述的。应当领会，本发明的某些实施例可以结合传统的冷却剂通路使用，以增强高效主动的平台冷却、或者使得能够进行高效主动的平台冷却，并且结合常见的设计对本发明进行讨论:具有缠绕(盘旋)或弯曲构造的内部冷却通路116。如图7中所示,弯曲路径(serpentine path)典型地构造成允许冷却剂的单向流动，并且包括促进冷却剂与周围的转子叶片100之间换热的特征设计。在操作中，典型地为从压缩机流出的压缩空气(但是其它类型的冷却剂也可以用于本发明的实施例，例如蒸汽)的加压冷却剂，通过穿过根部104形成的连接部被供给至内部冷却通路116。压力驱动冷却剂通过内部冷却通路116，并且冷却剂交换(convect)来自周围壁的热。总体而言，内部冷却通路116的各种传统设计在向转子叶片100内的某些区域提供主动冷却方面多少是有效的。然而，本领域普通技术人员应当领会，平台区域证明是更具
挑战性的。这至少部分地由于平台不合适的几何形状(awkward geometry)-即，其狭窄
的径向高度及其伸离转子叶片100的核心或主体所通过的方式。然而，考虑到其暴露于热气体路径的极限温度和高机械负荷，平台的冷却需求是巨大的。如上文所描述的，传统的平台冷却设计是无效的，原因是其无法解决特定区域的挑战，且在对冷却剂的使用方面是低效的，并且/或者制造成本高。现在参照图6至图8，提供了本发明的示例性的若干视图。具体而言，提供了具有根据本发明的优选实施例的平台冷却构造130的涡轮机转子叶片100。如图所示，转子叶片100包括平台110，平台110位于翼型件102与根部104之间的界面处。转子叶片100包括内部冷却通路116，内部冷却通路116从根部104延伸至平台110的至少大致径向高度，并且在大多数情况下延伸到翼型件102中。应当领会，在与翼型件102的压力面106相对应的平台110的侧面处，平台110可以具有平面顶侧113，顶侧113从翼型件基部172延伸至压力侧斜面126。(注意:如本说明书中所使用的，“平面”的意思是大致或基本成平面形状。例如，本领域普通技术人员应当领会，平台可以构造成具有轻度弯曲和凸形的外侧表面(outboard surface),其中曲率与润轮机在转子叶片的径向部位/位置处的圆周相对应。如本说明书中所使用的，该类型的平台形状被认为是平面的，其原因是曲率半径足够大，从而使得平台具有平坦外观。)在平台HO的内部内构造的本发明的示例性实施例包括:主增压室132 (主增压室132包括后部转向部(aft switchback) 133、向前弧形部(forwardarc) 134)、以及多个冷却孔156，冷却剂可以经由多个冷却孔156分散通过平台110的内部区域。在某些实施例中，主增压室132可以正好位于平台110的顶侧内侧。主增压室132可以定位在平台Iio的压力侧128内。主增压室132可以通过平台110从具有后部位置的上游端部176，延伸至具有向前位置的下游端部178。主增压室132靠近上游端部176可以包括后部转向部133，并且在后部转向部133与下游端部178之间包括向前弧形部134。供给增压室140可以将主增压室132的上游端部176连接至内部冷却通路116。主增压室132可以包括与平面顶侧大致平行的纵向轴线。主增压室132的上游端部176可以包括靠近平台110的周向中间区域的位置。主增压室132的下游端部178可以包括靠近平台110的压力侧斜面126的位置。主增压室132所包括的轴向长度等于翼型件的轴向长度的至少0.75。在某些实施例中，从上游端部176处开始，后部转向部133可以构造成包括第一部段、第二部段、以及定位在第一部段与第二部段之间的转向部段。第一部段可以朝向压力侧斜面126沿周向延伸。转向部段可以布置成靠近压力侧斜面126，并且可以包括至少150°的急弯。第二部段可以从转向部段朝向平台110的周向中间区域沿周向延伸。第二部段可以相对于第一端部向前。在某些实施例中，转向部段可以包括大约180°的急弯。在某些实施例中，后部转向部133可以构造成包括分离结构174，分离结构174将第一部段与第二部段分离。如图所示，分离结构174可以包括大致恒定的宽度。主增压室132在上游端部176与下游端部178之间可以包括大致恒定的宽度。分离结构174的大致恒定的宽度可以明显小于主增压室132的大致恒定的宽度。主增压室132可以包括被限定在底部与顶部之间的径向高度，该顶部相对于该底部位于外侧。所述径向高度可以从主增压室132的上游端部176至下游端部178大致恒定。主增压室132可以构造成使得顶部可以定位成非常接近平台110的压力侧的顶侧。后部转向部133可以被限于至平台110的压力侧128的向后三分之一。在某些实施例中，后部转向部133可以包括传热结构，该传热结构可以构造成促进流过后部转向部133与平台110的冷却剂之间的传热/热交换。后部转向部133内的传热结构可以包括任何外伸的突出部，所述外伸的突出部构造成增加冷却剂内的湍流和用于换热的表面积。这些外伸的突出部可能包括从主增压室的顶部或底部延伸到流动路径中的紊流器、脊、凸块等。在某些实施例中，后部转向部133的第二部段在靠近平台110的周向中间区域与向前弧形部134连接。从与后部转向部133形成的连接部向前延伸的向前弧形部134可包括一曲率，所述曲率可以与翼型件基部172的压力侧外形/轮廓的曲率相对应，向前弧形部134在翼型件基部172的下方延伸。主增压室132的下游端部178可以位于平台110的压力侧斜面126处。在某些实施例中，主增压室132可以包括后部出口 160和向前出口 162。后部出口160可以构造成将后部转向部133的转向部段连接至形成在压力侧斜面126中的端口。向前出口 162可以构造成将主增压室132的下游端部178连接至形成在压力侧斜面126中的端口。向前出口 162可以包括非整体塞(non-1ntegral plug) 138,非整体塞138减小向前出口 162的横截面流通面积。后部出口 160可以包括非整体塞138，非整体塞138减小后部出口 160的横截面流通面积。向前出口 162和后部出口 160中的每一个都可以由在主增压室132的铸造期间所使用的印刷输出形成。向前出口 162的非整体塞138可以构造成在操作期间提供通过向前出口 162的预定横截面流通面积，该预定横截面流通面积与所期望的冷却剂冲击特性相对应。后部出口 160的非整体塞138可以构造成在操作期间提供通过后部出口 160的预定横截面流通面积，该预定横截面流通面积与所期望的冷却剂冲击特性相对应。在某些实施例中，冷却孔156中的每一个冷却孔156都可以从主增压室132延伸至形成在压力侧斜面126上的端口。冷却孔156的端口可以沿压力侧斜面126间隔开。至少多个冷却孔156可以将所述端口中的一个端口连接至主增压室132的向前弧形部134，并且至少多个冷却孔156可以将所述端口中的一个端口连接至主增压室132的后部转向部133。在某些实施例中，至少五个冷却孔156将相应的端口连接至主增压室132的向前弧形部134，并且至少三个冷却孔156将相应的端口连接至主增压室132的后部转向部133。在某些实施例中，冷却孔156沿大致周向方向从压力侧斜面126延伸至主增压室132。冷却孔156中的每一个冷却孔156所包括的横截面流通面积都可以比主增压室132小。冷却孔156可以是线性的。冷却孔156和端口可以构造成使得在操作期间，每一个冷却孔156和端口都将所期望的冷却剂冲击流排放到斜面腔中，在安装转子叶片时，该斜面腔形成在涡轮机转子叶片与相邻的涡轮机转子叶片之间。即，冷却孔156可以是窄的，使得所释放的冷却剂以相对较高的速度冲击和被引导至邻近的涡轮机转子叶片100的斜面，从而总体提高冷却剂的冷却有效性。应当领会，斜面腔以及限定了斜面腔的斜面是平台110的难于被冷却到的区域，并且以该方式构造的冷却孔156可以向该区域提供有效冷却。在某些实施例中，多个薄膜冷却孔166可以通过平台110的顶侧形成。如图所示，每一个薄膜冷却孔166都可以构造成将主增压室132连接至形成在平台的顶侧113上的端口。应当领会，薄膜冷却孔166可以向平台110的顶侧113提供薄膜冷却。本发明可以进一步包括以成本效益高并且高效的方式在转子叶片的平台区域内形成内部冷却通道的新颖方法。应当领会，由于主增压室132的不复杂的形状，可以使用传统的铸造工艺成本效益高地形成主增压室132。因此，如下文更加详细地讨论的，可以避免用于形成复杂设计所必需的昂贵的铸造工艺。在某些实施例中，该方法可以包括以下步骤:通过铸造工艺在平台110的压力侧128中形成主增压室132，主增压室132构造成通过平台110从具有后部位置的上游端部176延伸至具有向前位置的下游端部178 ;以及加工冷却孔156。该方法可以进一步包括形成供给增压室140的步骤，供给增压室140构造成将主增压室132的上游端部176连接至内部冷却通路116。在某些实施例中，形成主增压室132的步骤可以包括在平台内铸造主增压室132。铸造主增压室132的步骤可以包括在预定部位中构造稍后可以用作后部出口 160和向前出口 162 的印刷输出(printouts)。在某些实施例中，该方法可以包括以下步骤:形成用于向前出口 162的第一塞138，其中第一塞138可以构造成减小向前出口 162的横截面流通面积，使得向前出口 162可以包括预定横截面流通面积，该预定横截面流通面积在操作中与所期望的、通过向前出口 162的冷却剂冲击特性相对应；以及将第一塞138安装在向前出口 162中。该方法可以进一步包括以下步骤:形成用于后部出口 160的第二塞138，其中第二塞138可以构造成减小后部出口 160的横截面流通面积，使得后部出口 160可以包括预定横截面流通面积，该预定横截面流通面积在操作中与所期望的、通过后部出口 160的冷却剂冲击特性相对应；以及将第二塞138安装在后部出口 160中。本领域普通技术人员应当领会，本发明提供平台冷却回路，该平台冷却回路在策略上结合至少两种冷却技术以用于最佳冷却能力和可保持性(tenability),同时还使铸造复杂性最小化。弯曲冷却回路(即，后部转向部)可以用于高热/高机械负荷区域中，而可调加工的冷却孔可以用于较低的热负荷区域中。该方法改进了冷却系统的总体效率，从而允许使用较少的冷却剂，并且降低成本。本领域普通技术人员应当领会，与若干示例性实施例相关的上文所述的许多变化的特征和构造可以进一步选择性地应用于形成本发明的其它可能的实施例。为了简洁起见并且考虑到本领域普通技术人员的能力，所有可能的重复都未提供或详细讨论，但是期望由所附的若干权利要求或通过其它方式包含的所有组合以及可能的实施例都成为本发明的一部分。此外，通过上文对本发明的若干示例性实施例的描述，本领域技术人员将能够想到改进、改变、和改型。同样期望所附权利要求能够覆盖本技术领域内的这种改进、改变、和改型。此外，显而易见的是，上文仅涉及本发明的所描述的实施例，并且可以在不偏离由所附权利要求及其等同形式限定的本发明的精神和范围的情况下在本说明书中进行多种改变和改型。
权利要求
1.一种位于涡轮机转子叶片中的平台冷却装置，所述涡轮机转子叶片具有定位在翼型件与根部之间的平台，其中所述转子叶片包括内部冷却通路，所述内部冷却通路从与位于所述根部中的冷却剂源形成的连接部沿径向向外延伸，其中，沿与所述翼型件的压力侧相一致的侧面，所述平台的压力侧包括从翼型件基部延伸至压力侧斜面的顶侧，所述平台冷却装置包括: 主增压室，所述主增压室位于所述平台的所述压力侧中的所述顶侧内侧，所述主增压室通过所述平台从具有后 部位置的上游端部延伸至具有向前位置的下游端部；以及冷却孔； 其中: 所述主增压室靠近所述上游端部包括后部转向部，并且在所述后部转向部与所述下游端部之间包括向前弧形部；并且 所述冷却孔中的每一个冷却孔都从所述主增压室延伸至形成在所述压力侧斜面上的端口。
2.根据权利要求1所述的平台冷却装置，其特征在于，所述平台冷却装置进一步包括: 供给增压室，所述供给增压室构造成将所述主增压室的所述上游端部连接至所述内部冷却通路；以及 多个薄膜冷却孔，每一个薄膜冷却孔都将所述主增压室连接至形成在所述平台的所述顶侧上的端口； 其中所述平台的所述顶侧是平坦的，并且所述主增压室包括与平坦顶侧大致平行的纵向轴线。
3.根据权利要求1所述的平台冷却装置，其特征在于: 所述主增压室的所述上游端部包括靠近所述平台的周向中间区域的位置；并且 所述主增压室的所述下游端部包括靠近所述平台的所述压力侧斜面的位置。
4.根据权利要求3所述的平台冷却装置，其特征在于，从所述上游端部开始，所述后部转向部构造成包括第一部段、第二部段、以及定位在所述第一部段与所述第二部段之间的转向部段； 其中: 所述第一部段朝向所述压力侧斜面沿周向延伸； 所述转向部段布置成靠近所述压力侧斜面，并且包括至少150°的急弯；并且 所述第二部段从所述转向部段朝向所述平台的所述周向中间区域沿周向延伸。
5.根据权利要求4所述的平台冷却装置，其特征在于: 所述转向部段包括大约180°的急弯； 所述第二部段相对于所述第一部段向前； 所述后部转向部构造成包括分离结构，所述分离结构将所述第一部段与所述第二部段分离，所述分离结构包括大致恒定的宽度； 所述主增压室在所述上游端部与所述下游端部之间包括大致恒定的宽度；并且 所述分离结构的大致恒定的宽度明显小于所述主增压室的大致恒定的宽度。
6.根据权利要求4所述的平台冷却装置，其特征在于，所述后部转向部限于所述平台的所述压力侧的向后三分之一。
7.根据权利要求4所述的平台冷却装置，其特征在于，所述后部转向部包括传热结构，所述传热结构构造成促进流过所述后部转向部与所述平台的冷却剂之间的传热； 其中所述主增压室包括被限定在底部与顶部之间的径向高度，所述顶部相对于所述底部位于外侧； 其中所述径向高度从所述主增压室的所述上游端部至所述下游端部大致恒定；并且 所述主增压室构造成使得所述顶部定位成非常靠近所述平台的所述压力侧的所述顶侧。
8.根据权利要求7所述的平台冷却装置，其特征在于，所述后部转向部内的所述传热结构包括外伸的突出部，所述外伸的突出部构造成增加冷却剂内的湍流。第二部段可以从转向部段朝向平台110的周向中间区域沿周向延伸。第二部段可以相对于第一端部向前。
9.根据权利要求4所述的平台冷却装置，其特征在于，所述后部转向部的所述第二部段与所述向前弧形部连接、靠近所述平台的所述周向中间区域； 其中，从与所述 后部转向部形成的连接部向前延伸的所述向前弧形部包括曲率，所述曲率与翼型件基部的所述压力侧的外形的曲率相对应，所述向前弧形部在所述翼型件基部下方延伸；并且 其中所述主增压室的所述下游端部位于所述平台的所述压力侧斜面处。
10.根据权利要求4所述的平台冷却装置，其特征在于，所述主增压室包括后部出口和向前出口 ； 其中: 所述后部出口构造成将所述后部转向部的所述转向部段连接至形成在所述压力侧斜面中的端口； 所述向前出口构造成将所述主增压室的所述下游端部连接至形成在所述压力侧斜面中的端口 ； 所述向前出口包括减小所述向前出口的横截面流通面积的非整体塞；并且 所述后部出口包括减小所述后部出口的横截面流通面积的非整体塞。
11.根据权利要求10所述的平台冷却装置，其特征在于，所述向前出口和所述后部出口中的每一个都包括在所述主增压室的铸造期间形成的印刷输出； 其中所述向前出口的所述非整体塞构造成在操作期间提供通过所述向前出口的预定横截面流通面积，所述预定横截面流通面积与所期望的冷却剂冲击特性相对应；并且 其中所述后部出口的所述非整体塞构造成在操作期间提供通过所述后部出口的预定横截面流通面积，所述预定横截面流通面积与期望的冷却剂冲击特性相对应。
12.根据权利要求4所述的平台冷却装置，其特征在于: 所述冷却孔的端口沿所述压力侧斜面间隔开； 至少多个所述冷却孔将所述端口中的一个端口连接至所述主增压室的所述向前弧形部，并且至少多个所述冷却孔将所述端口中的一个端口连接至所述主增压室的所述后部转向部；并且 其中所述主增压室所包括的轴向长度等于所述翼型件的轴向长度的至少0.75。
13.根据权利要求12所述的平台冷却装置，其特征在于，至少五个冷却孔将分离的对应端口连接至所述主增压室的所述向前弧形部，并且至少三个冷却孔将相应的端口连接至所述主增压室的所述后部转向部。
14.根据权利要求12所述的平台冷却装置，其特征在于，所述冷却孔沿大致周向方向从所述压力侧斜面延伸至所述主增压室。
15.根据权利要求14所述的平台冷却装置，其特征在于，所述冷却孔中的每一个冷却孔所包括的横截面流通面积都比所述主增压室小；并且 其中所述冷却孔是线性的。
16.根据权利要求12所述的平台冷却装置，其特征在于，所述冷却孔和端口构造成使得在操作期间，每一个冷却孔和端口均将期望的冷却剂冲击流排放至斜面腔中，在安装时，所述斜面腔形成在所述涡轮机转子叶片与相邻的涡轮机转子叶片之间。
17.—种制造位于涡轮机转子叶片中的平台冷却装置的方法，所述涡轮机转子叶片具有位于翼型件与根部之间的界面处的平台，其中所述转子叶片包括形成在其中的内部冷却通路，所述内部冷却通路从与位于所述根部处的冷却剂源形成的连接部延伸至所述平台，并且其中，沿与所述翼型件的压力侧相一致的侧面，所述平台的压力侧包括从翼型件基部沿周向延伸至压力侧斜面的顶侧，所述方法包括以下步骤: 通过铸造工艺在所述平台的所述压力侧中形成主增压室，所述主增压室构造成通过所述平台从具有后部位置的上游端部延伸至具有向前位置的下游端部；以及加工冷却孔； 其中: 所述主增压室靠近所述上游端部包括后部转向部，并且在所述后部转向部与所述下游端部之间包括向前弧形部；并且 所述冷却孔中的每一个冷却孔都从所述主增压室延伸至形成在所述压力侧斜面上的端口。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括形成供给增压室的步骤，所述供给增压室构造成将所述主增压室的所述上游端部连接至所述内部冷却通路； 其中形成所述主增压室的步骤包括在所述平台内铸造所述主增压室； 其中所述主增压室构造成使得所述主增压室的所述上游端部包括靠近所述平台的周向中间区域的位置，并且所述主增压室的所述下游端部包括位于所述平台的所述压力侧斜面处的位置；并且其中: 从所述上游端部开始，所述后部转向部构造成包括第一部段、第二部段、以及定位在所述第一部段与所述第二部段之间的转向部段； 所述第一部段朝向所述压力侧斜面沿周向延伸； 所述转向部段布置成靠近所述压力侧斜面，并且包括大约180°的急弯；并且 所述第二部段从所述转向部段朝向所述翼型件沿周向延伸。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，铸造所述主增压室的步骤包括构造印刷输出，所述印刷输出在操作中包括后部出口和向前出口 ； 其中: 所述后部出口构造成将所述后部转向部的所述转向部段连接至形成在所述压力侧斜面中的端口； 所述向前出口构造成将所述主增压室的所述下游端部连接至形成在所述压力侧斜面中的端口。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤: 形成用于所述向前出口的第一塞，其中所述第一塞构造成减小所述向前出口的横截面流通面积，使得所述向前出口包括预定横截面流通面积，所述预定横截面流通面积在操作中与所期望的通过所述向前出口的冷却剂冲击特性相对应； 将所述第一塞安装到所述向前出口中； 形成用于所述后部出口的第二塞，其中所述第二塞构造成减小所述后部出口的横截面流通面积，使得所述后部出口包括预定横截面流通面积，该预定横截面流通面积在操作中与所期望的通过所述后部出口的冷却剂冲击特性相对应；以及将所述第二塞安装在 所述后部出口中。
全文摘要
本发明涉及一种涡轮机转子叶片平台冷却装置，该涡轮机转子叶片具有定位在翼型件与根部之间的平台。沿与翼型件的压力侧相一致的侧面，平台的压力侧包括从翼型件基部延伸至压力侧斜面的顶侧。该平台冷却装置包括主增压室，主增压室正好位于平台的压力侧中的顶侧内侧，主增压室通过平台从具有后部位置的上游端部延伸至具有向前位置的下游端部；以及冷却孔。主增压室靠近上游端部包括后部转向部，并且在后部转向部与下游端部之间包括向前弧形部。冷却孔中的每一个冷却孔都从主增压室延伸至形成在压力侧斜面上的端口。
文档编号B22C9/22GK103184893SQ20121058504
公开日2013年7月3日 申请日期2012年12月28日 优先权日2011年12月30日
发明者S.E.艾利斯, A.E.史密斯 申请人:通用电气公司