专利名称：冷却燃气涡轮发动机转子组件的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明总的涉及燃气涡轮发动机，尤其涉及冷却燃气涡轮发动机转子组件的方法和装置。
背景技术：
至少一些已知的转子组件包括至少一排在圆周上隔开的转子叶片。每一个转子叶片包括一个翼面，该翼面包括一个压力侧和一个低压侧，它们在前缘和后缘连接在一起。每一个翼面沿径向从一个转子叶片平台向外延伸。每一个转子叶片还包括一个从在该平台和榫部之间延伸的一个柄部，沿径向向内延伸的榫。该榫用于在该转子组件内，将该转子叶片安装在一个转子圆盘或短轴上。已知的叶片为中空的，使得至少部分地由该翼面，平台，柄部和榫形成一个内部冷却空腔。
在工作过程中，因为叶片的翼面部分比榫部分暴露在更高的温度中，这样在该翼面和平台之间，和/或在该柄部和平台之间的界面上，产生温度不匹配。随着时间的推移，这种温度差别和热应变使该叶片平台上产生大的压缩热应力。另外，随着时间推移，该平台的增多的工作温度可以使平台氧化、平台产生裂纹和/或蠕变偏转，这会缩短转子叶片的使用寿命。
为了便于减小在该平台区域中的高温的影响，至少一些已知的转子叶片包括在该柄内部作出的一个冷却开口。更具体地说，在至少是一些已知的柄内，冷却孔穿过该柄部，使冷却空气可进入由沿径向向内的该平台形成的柄空腔中。然而，在已知的转子叶片内，这些冷却孔只能对转子叶片平台进行有限制的冷却。
发明概述在一个方面中，提供了装配燃气涡轮发动机的转子组件的方法。该方法包括提供包括一个翼面、一个平台、一个柄部、一个内部空腔和一个榫的第一个转子叶片，该翼面从该平台沿径向向外延伸，该平台包括一个径向外表面和一个径向内表面，该柄部仅该平台沿径向向内延伸，而该榫则从该柄部延伸，使得至少部分工艺由该翼面，该平台，该柄部和该榫形成该内部空腔。该方法还包括利用该榫，使该第一个转子叶片与转子轴连接，使得在发动机工作过程中，冷却空气可从该叶片空腔通过一个叶片冲击冷却回路，以冲击冷却该第一个转子叶片平台的径向内表面，该方法还包括使第二个转子叶片与该转子轴连接，使得在该第一个和第二个转子叶片平台之间形成一个平台间隙。
在另一个方面中，提供了燃气涡轮发动机的一个转子叶片。该转子叶片包括一个平台，一个翼面，一个柄部，一个榫和一个冷却回路。该平台包括一个径向外表面和一个径向内表面，该翼面从该平台沿径向向外延伸。该柄部从该平台沿径向向内延伸，该榫则从该柄部延伸，使得至少部分地由该翼面，该平台，该柄部和该榫形成一个内部空腔。该冷却回路穿过该柄部的一部分，用于从该空腔供给冷却空气，用于冲击冷却该平台的径向内表面。
在又一个方向中，提供了燃气涡轮发动机的转子组件。该转子组件包括一个转子轴和多个与该转子轴连接的，在圆周上隔开的转子叶片。每一个转子叶片包括一个翼面，一个平台，一个柄部，和一个榫。每一个翼面从每一个相应的平台沿径向向外延伸，并且每一个平台包括一个径向外表面和一个径向内表面。每一个柄部沿径向从每一个相应的平台向内延伸，而每一榫从每一个相应的柄部延伸，用于将该转子叶片与该转子轴连接，使得至少部分地由该翼面，该平台，该柄部和该榫形成一个内部叶片空腔。至少是转子叶片中的第一个转子叶片包括穿过该柄部的一部分的一个冲击冷却回路，以便从该叶片空腔出来的冷却空气，对该平台的径向内表面进行冲击冷却。
附图的简要说明
图1为燃气涡轮发动机的示意图；图2为可以与图1所示的燃气涡轮发动机一起使用的一个转子叶片的放大的透视图；图3为图2所示的和从该转子叶片的下侧看的转子叶片的放大的透视图；图4为图2所示的，釉从图2所示的相反一侧看的转子叶片的侧视图；图5表示当连接在图1所示的燃气涡轮发动机内部时，图2所示的转子叶片和其他转子叶片之间的圆周间隔的相对取向；和图6为可以与图1所示的燃气涡轮发动机一起使用的转子叶片的另一个实施例。
本发明的详细说明图1为与发电机16连接的一个示例性燃气涡轮发动机10的示意图。在该示意性实施例中，燃气涡轮系统10包括一个压缩机12，一个涡轮14和放置一个单一的整体的转子或轴18中的发电机16。在另一个实施例中，轴18分割成多个轴部分，每一个轴部分与相邻的一个轴部分连接，形成轴18。压缩机12将压缩空气供给至燃烧室20，空气在燃烧室中与通过气流22供给的燃料混合。在一个实施例中，发动机10为通用电气公司(Greenville，South Carolina)销售的9FA+e燃气涡轮发动机。
在工作中，空气流过压缩机，并且压缩空气供给至燃烧室20。从燃烧量20出来的燃烧气体推动涡轮14。涡轮使轴18，压缩机12和发电机16围绕着纵轴线50转动。
图2为可以与燃气涡轮发动机10(如图1所示)一起使用的，从转子叶片40的第一侧42看的转子叶片40的放大的透视图。图3为转子叶片40的从转子叶片40的下侧看的放大的透视图，图4为图2所示的，和从转子叶片40的相反的第二侧44看的转子叶片的侧视图。图5为当叶片40连接在一个转子组件(例如图1所示的涡轮14)内时。圆周上隔开的转子叶片40之间的圆周间隔的相对取向。在一个实施例中，叶片46为新的铸造叶片40。在另一个实施例中，叶片40为用过的，并被更新包括所述特点的叶片40。更具体地说，当在转子组件内连接转子叶片40时，在该圆周隔开的转子叶片40之间形成一个间隙48。
当在该转子组件内连接时，每一个转子叶片40与一个转子圆盘(没有示出)连接。该转子圆盘可转动地与转子轴(例如图1所示的轴18)连接。在另一个实施例中，叶片40安装在一个转子短轴(没有示出)内。在该示例性实施例中，叶片40相同，并且每一个叶片沿径向从该转子圆盘向外延伸，并包括一个翼面60，一个平台62，一个柄部64和一个榫66。在该示例性实施例中，翼面60，平台62，柄部60和榫66集中地称为一个叶片。
每一个翼面60包括第一个侧壁70和第二个侧壁72，第一个侧壁70为凸形的，并形成翼面60的低压侧；第二个侧壁72为凹形的，并形成翼面60的压力侧。侧壁70和72在翼面60的前缘74和沿轴向隔开的后缘76处连接在一起。更具体地说，翼面的后缘76在弦长方向隔开，并在翼面前缘74的下游。
第一和第二个侧壁70和72分别在跨度上沿纵向或径向从邻近平台62的叶片根部78向外延伸至翼面的顶部80。翼面的顶部80形成一个在叶片40内形成的内冷却腔84的径向外边界。更具体地说，内冷却腔84的边界在翼面60内，在侧壁70和72之间，并且穿过平台62和柄部64，进入榫66中。
平台62在翼面60和柄部64之间延伸，使每一个翼面60沿径向从每一个相应的平台62向外延伸。柄部64，沿径向从平台62延伸至榫66，而榫66则从柄部64沿径向向内延伸，以便与将转子叶片40和44固定在转子圆盘上。平台62还包括一个上游侧或裙部90，和一个下游侧或裙部92，它们与压力侧边缘94和相反的低压侧边缘96连接在一起。当在该转子组件内连接转子叶片40时，在相邻的转子叶片平台62之间形成间隙48，因此称为平台间隙。
柄部64包括一个基本上为凹形的侧壁120和一个基本上为凸形的侧壁122，它们在柄部64的上游侧壁124和下游侧壁126处连接在一起。因此，柄部侧壁120相对于上游和下游侧壁124和126凹下去，使得当在该转子组件内连接叶片40时，在相邻的转子叶片柄部64之间形成一个柄部空腔128。
在该示例性实施例中，向前角翼130和向后角翼132中的每一个都从相应的柄部侧面124和126向外延伸，以便于密封在该转子组件内形成的向前和向后角翼缓冲腔(没有示出)。另外，一个向前的下端角翼134也从柄部侧面124向外延伸，以便于密封叶片40和转子圆盘之间。更具体地说，该向前的下端角翼134在榫66和向前角翼130之间，从柄部64向外延伸。
如下面更详细地说明那样，通过柄部64的一部分形成一个冷却回路140，以提供冷却该平台62用的冲击式冷却空气。具体地说，冷却回路140包括在柄部凹形侧壁120内作出的一个冲击冷却开口142，使叶片内冷却空腔84和柄部空腔128以流动连动关系连接在一起。更具体地说，开口142一般可起一个冷却空气射流喷咀的作用，并相对于平台62倾斜配置，使通过开口142的冷却空气向着平台62的径向内表面144排出，以便冲击冷却该平台62。
在该示例性实施例中，平台62还包括多个穿过该平台62的薄膜冷却孔150。在另一个实施例中，平台62不包括孔150。更具体地说，薄膜冷却孔150在平台62的一个径向外表面152和平台的径向内表面144之间延伸。孔150相对于该平台外表面152倾斜作出，使得从柄部空腔128通过孔150的冷却空气可以对该平台的径向外表面152进行薄膜冷却。另外，当冷却空气通过孔150时，平台62沿着每一个孔150的长度被对流冷却。
为了便于增加柄部空腔128内的压力，在该示例性实施例中，柄部侧壁124包括沿径向从该向前下端角翼134向内形成的一个凹下或扇形凹口部分160。在另一个实施例中，该向前的下端角翼134不包括扇形凹口部分160。因此，当相邻的转子叶片40在转子组件内连接时，凹下部分160可使附加的冷却空气流入柄部空腔128中，以增加柄部空腔128内的工作压力。这样，凹下部分160有利于保持足够的回流余量，供平台薄膜冷却孔150使用。
在该示例性实施例中，平台62还包括一个凹下部分或切去的清洗槽170。在另一个实施例中，平台62不包括槽170。更具体地说，槽170只在沿在平台压力侧边缘94，在平台径向内表面144内作出，并在柄部上游和下游侧壁124和126之间，向着平台的径向外表面152延伸。槽170可使冷却空气从柄部空腔128通过平台间隙48，使间隙48基本上连续地被冷却空气清洗。
另外，在该示例性实施例中，在平台62内形成一个平台切去或后缘凹下部分178。在另一个实施例中，平台62不包括后缘凹下部分178。平台切去部分178在平台的径向内表面和外表面144和152之间的平台62内形成。更具体地说，平台切去部分178在平台压力侧边缘94和平台下游裙部92之间形成的界面180处，在该平台下游裙部92内形成。因此，当相邻的转子叶片40在该转子组件内连接时，切去部分178可改善平台62的后缘的冷却。
在该示例性实施例中，平台62的一部分184还沿着平台的低压侧边缘96倒角。在另一个实施例中，平台62不包括倒角部分184。更具体地说，倒角部分184在靠近平台下游裙部92的平台径向外表面152上延伸。因为与平台的径向外表面152比较，倒角部分184是凹下去的，因此，该倒角部分184形成一个面向后部的台阶，便于通过平台间隙48流动。使通过平台的低压侧的传热系数减小。因为传热系数减小，因此，平台62的工作温度也减小，这样，可提高平台62的使用寿命。
柄部64也包括一个前缘的径向密封销槽200和一个后缘的径向密封销槽202。具体地是，一般每一个密封销槽200和202，在平台62和榫66之间，沿径向穿过柄部64。更具体地说，前缘径向密封销槽200在邻近柄部的凸形侧壁122的柄部上游侧壁124内作出；而后缘的径向密封销槽202在邻近柄部的凹形侧壁122的柄部下游侧壁126内作出。
每一个柄部密封销槽200和202的尺寸作成可以容纳径向密封销204，以便当在转子组件内连接转子叶片40时，使相邻的转子叶片柄部64之间密封。虽然，前缘的径向密封销槽200的尺寸作成可容纳径向密封销204，但在该示例性实施例中，当在转子组件内连接转子叶片40时，密封销204只位于后缘的密封销槽202内，而槽200保持是空的。更具体地说，因为槽200不包括密封销204，在工作过程中，槽200与柄部的扇形凹口部分160配合工作。给空腔128加压力，使得在柄部空腔128内保持足够的回流余量。
后缘的径向密封销槽202由二个相对的、轴向隔开的侧壁210和212形成，并在榫66和径向上壁214之间沿径向延伸。在该示例性实施例中，在柄部下游侧壁126内，侧壁210和212基本上平行，而径向上壁214在它们之间倾斜地延伸。因此，内侧壁212的径向高度R1比外侧壁210的径向高度R2短。如下面更详细地说明那样，倾斜的上壁214可增强后缘密封销204的密封有效性。更具体地说，在发动机工作过程中，侧壁214可使销204在槽202内径向滑动，直至销204牢固地靠在侧壁210上为止。销204在槽202内的径向和轴向运动可增强相邻的转子叶片40之间的密封。另外，在该示例性实施例中，后缘的密封销204的每一个末端220和222都倒圆，以便于销204的径向运动，因而可增强相邻的转子叶片柄部64之间的密封。
在发动机工作过程中，至少一些送至叶片内部冷却腔84的冷却空气，通过柄部开口142向外排出。更具体地说，开口142的方向，使得可将排出的空气导向平台62，以便冲击冷却平台的径向内表面144。一般，在发动机工作过程中，叶片压力侧42比转子叶片低压侧44的工作温度高，因此，在工作过程中，冷却开口142可利于降低平台62的工作温度。
另外，从开口142排出的气流还与通过柄部侧壁凹下部分160进入柄部空腔128中的冷却空气混合。更具体地说，柄部侧壁凹下部分160和空的前缘径向密封销槽200的综合，可以在柄部空腔128内保持足够的回流余量，使得至少是柄部128内的一部分冷却空气可通过平台切出的清洗槽170和平台间隙48，并且使得冷却空气的一部分可通过薄膜冷却孔150。当迫使冷却空气向外通过槽170和间隙48时，平台62被对流冷却。另外，平台后缘凹下部分178可降低平台下游裙部92内的平台62的工作温度。另外，平台62被对流冷却和被通过孔150的冷却空气进行薄膜冷却。
因为平台的倒角部分184形成一个面向后部的台阶、用于通过平台62的流动，因此平台62的低压侧的传热系数也可以减少。开口142，孔150，凹下部分160和槽200的综合，可降低平台62的工作温度，使得在平台62上产生的热应变也减少。
图6为可以与燃气涡轮发动机10(如图1所示)一起使用的转子叶片300的另一个实施例。转子叶片300基本上与转子叶片40(图2～5所示)相同，因此，在图6中，与转子叶片40的零件相同的转子叶片300的零件，用图2～5中使用的相同的符号表示。因此，叶片300包括翼面60，平台62，柄部64和榫66。
在转子叶片300内，平台62包括多个穿过至少是平台62的一部分的对流冷却孔302。更具体地说，每一个孔302使内部冷却腔84与平台62连接。孔302的方向大致与平台的径向外表面152平行，使得从冷却腔84出来的冷却空气通过平台62排出，以便在平台62的中心或中间区域306内，对流冷却平台62。
上述的转子叶片提供了一种成本低廉的和很可靠的供给冷却空气，以降低转子叶片平台的工作温度的方法。更具体地说，通过对流冷却流动，薄膜冷却和冲击冷却，可以减小在平台内产生的热应力和平台的工作温度。因上，平台氧化，平台裂纹和平台蠕变偏移也可减小。结果，该转子叶片冷却回路可以廉价和可靠地延长转子组件的使用寿命，改善燃气涡轮发动机的工作效率。
以上，详细说明了转子叶片和转子组件的示例性实施例。转子叶片不是仅限于所述的实施例，每一个转子叶片的零件可以独立地，和与所述其他零件分开地使用。例如，每一个转子叶片冷却回路零件也可以与其他转子叶片综合使用，并且不是仅限于所述的转子叶片40。本发明可以与许多其他叶片和冷却回路结构连接实现和使用。例如，技术熟练的人知道，平台冲击孔可以与包括薄膜冷却孔，平台扇形凹下部分；平台凹下的后缘槽，柄部凹下部分和/或平台倒角部分的平台冷却零件的各种综合一起使用。
虽然利用各种具体实施例说明了本发明，业内人士知道，在权利要求书的精神和范围内本发明可作改进。
零件清单10-燃气涡轮发动机12-压缩机14-涡轮16-发电机18-转子轴20-燃烧室22-气流28-燃烧气体40-转子叶片42-第一侧44-第二侧48-间隙60-翼面62-平台64-柄部66-榫70-第一个侧壁72-第二个侧壁74-前缘76-后缘78-叶片根部80-翼面顶部84-内部冷却腔90-上游侧或裙部92-下游侧或裙部94-压力侧边缘96-低压侧边缘120-凹形侧壁122-凸形侧壁124上游侧壁126-下游侧壁
128-柄部空腔130-向前角翼132-向后角翼134-向前下端角翼140-冷却回路142-冲击冷却孔144-内表面150-薄膜冷却孔152-径向外表面160-凹下部分170-清洗槽178-凹下部分180-界面184-部分200-前缘径向密封销槽202-后缘径向密封销槽204-径向密封销210-侧壁212-侧壁214-上壁R1-径向高度R2-径向高度220-前缘径向密封销末端222-后缘径向密封销末端300-转子叶片302-对流冷却孔306-平台的中心或中间区域
权利要求
1.一种燃气涡轮发动机(10)的转子叶片(40)，所述转子叶片包括一个平台(62)；该平台包括一个径向外表面(152)和一个径向内表面(144)；一个从所述平台沿径向向外延伸的翼面(60)；一个从所述平台沿径向向内延伸的柄部(64)；一个从所述柄部延伸的榫(66)，使得至少部分地由所述翼面，所述平台，所述柄部和所述榫限定一个内部空腔(84)；和一个冷却回路(140)，它穿过所述柄部的一部分，用于从所述空腔供给冷却空气，以冲击冷却所述平台的径向内表面。
2.如权利要求1所述的转子叶片(40)，其特征为，所述平台(62)还包括一个清洗槽(170)，该槽被作在所述平台径向内表面(144)的至少一部分内；所述清洗槽的构形使冷却空气通过其间，以清洗在相邻的所述转子叶片平台之间限定的间隙(48)。
3.如权利要求1所述的转子叶片(40)，其特征为，所述平台(62)还包括多个薄膜冷却孔(150)，该孔在所述平台径向外表面(152)和径向内表面(144)之间延伸，用于供给冷却空气进行薄膜冷却所述平台的径向外表面。
4.如权利要求3所述的转子叶片(40)，其特征为，所述柄部(64)沿轴向在一前侧壁(124)和一后侧壁(126)之间延伸，所述前侧壁的至少一部分(160)是下凹的，以便增加经所述多个薄膜冷却孔(150)供给的冷却空气的压力。
5.如权利要求4所述的转子叶片(40)，其特征为，所述柄部(64)还包括至少一个从所述柄部前侧壁(124)向外延伸的角翼(134)；从所述至少一个角翼沿径向向内的所述柄部前侧壁的至少一部分(160)是下凹的。
6.如权利要求1所述的转子叶片(40)，其特征为，所述平台(62)还包括一个凸形的侧壁(122)，一个凹形侧壁(120)和多个对流冷却孔(302)；所述凸形侧壁和凹形侧壁中的每一个侧壁，在所述平台的径向外表面(152)和径向内表面(144)之间延伸，所述多个对流冷却孔在所述空腔和所述平台凹形侧壁之间延伸，用于供给冷却空气，对所述平台凹形侧壁进行对流冷却。
7.如权利要求1所述的转子叶片(40)，其特征为，所述平台(62)的至少一部分(184)被制有倒角，以减小所述平台的至少一部分的传热系数。
8.如权利要求1所述的转子叶片(40)，其特征为，所述平台(62)还包括由一凸形侧壁(96)和一相对的凹形侧壁(94)连接在一起的一个前缘侧壁(90)和一个后缘侧壁(92)；所述后缘侧壁的至少一部分(178)，在所述平台径向外表面(152)和径向内表面(144)之间是下凹的，以便冷却平台的后缘。
9.如权利要求1所述的转子叶片(40)，其特征为，所述柄部(64)还包括一个前缘密封销空腔(200)和一个后缘密封销空腔(202)，每一个所述销空腔的构形有利于相邻的所述转子叶片之间密封。
10.如权利要求9所述的转子叶片(40)，其特征为，它还包括唯一的一个径向密封销(204)，当所述转子叶片被连接在燃气涡轮发动机(40)内时，所述唯一一个径向密封销位于所述后缘密封销空腔(202)内，所述柄部前缘密封销空腔(200)有利于增强平台薄膜冷却。
全文摘要
燃气涡轮发动机(10)的转子叶片(40)包括一个平台(62)。该平台(62)包括一个径向外表面(152)和一个径向内表面(144)。翼面(60)从该平台沿径向向外延伸。柄部(64)从该平台沿径向向内延伸。榫(66)从该柄部延伸，使得至少部分地由该翼面，该平台，该柄部和该榫限定一个内部空腔(84)。冷却回路(140)穿过该柄部的一部分。用于从该空腔供给冷却空气，用于冲击冷却该平台的径向内表面。
文档编号F01D5/30GK1611748SQ20041008803
公开日2005年5月4日 申请日期2004年10月29日 优先权日2003年10月31日
发明者E·D·本杰明, J·J·布特基维茨, M·S·洪坎普, S·P·沃赛恩格尔, E·费尔南德斯, C·A·科拉多 申请人:通用电气公司