专利名称：具有侧壁冷却仓室的涡轮喷嘴的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及涡轮，并且更具体地涉及一种用以冷却喷嘴区段的特定区域的装置。
背景技术：
在典型的燃气涡轮机中，涡轮段安装在燃烧器的出口处，且因此暴露于温度极高 的燃烧气体中。为了保护涡轮构件免受热燃烧气体，通常利用冷却介质对它们进行冷却。冷 却涡轮翼型构件(例如，转子叶片和喷嘴导叶)的一种常用方法是从压缩机放泄一部分压 缩空气，且将这些放泄空气引导至构件中的内部通道。空气经由内部通道循环，以便从构件 结构除热。空气可经由形成在翼型件中的小的膜冷却孔流出，以便在表面上产生冷却空气 薄膜层。膜冷却还可用于内围带(band)和外围带。在此情况下，围带包括沿径向经由其延 伸的膜冷却孔，且冷却空气穿过膜冷却孔而在围带的热侧上形成冷却空气膜。对于公知的涡轮喷嘴构造，多个铸造喷嘴区段中的各个喷嘴区段均包括内围带部 分和外围带部分，以及一个或多个喷嘴导叶。围带部分的配合表面包括收容密封件的密封 槽口，该密封件在相邻喷嘴区段的围带部分之间延伸。通过使冷却介质穿过各喷嘴区段外 围带部分中的仓室(Plenum)、穿过喷嘴导叶中的一个或多个空腔来冷却喷嘴，并进入对应 的内围带部分中的仓室，可对喷嘴导叶进行冷却。在一些喷嘴区段中，冷却介质然后流过内 围带部分，且在排出之前再次经过该一个或多个喷嘴导叶。在其它喷嘴区段中，冷却介质仅 流过各喷嘴区段一次。普遍认为，对于喷嘴区段有些区域的冷却并不充分，且此类区域易经受较高的热 应力和疲劳。现正致力于改善这些区域中的冷却。例如，美国专利No. 7，029，228描述了一 种构造，其中，冷却沟道大致平行于喷嘴区段配合面沿轴向延伸穿过外围带和内围带的其 中之一，用以冷却密封槽口与热气通路之间的配合面。喷嘴区段中冷却特别成问题的区域是在围带部分中从配合面延伸且大致位于围 带部分背侧上的横档(rail)部件下方的区域，其中，该横档部件可包括冲击板。该区域与 围带部分的相对侧上的导叶后缘重合。冷却的围带部分通常由一个以上的流动回路构成， 其中，压缩机放泄的空气穿过各回路中的冲击板，以便在经由膜孔或槽口流出而进入气体 通路之前冷却围带部分的背侧。这些回路由横档部件分开，该横档部件通常定位在围带部 分的与导叶后缘相反的背侧上。通常，一系列的孔钻通穿过该横档，以容许冷却空气从高压 回路传递至低压回路。然而，在围带部分的背侧处存在横档阻止了冲击和膜冷却围绕导叶 后缘的围带部分的内面。在本领域中，需要解决对于该区域的不充分冷却。
发明内容
本发明提供了一种解决方案用以改善对横切于喷嘴导叶后缘处的配合侧面的喷 嘴区段围带部分的冷却。本发明的其它方面和优点将在以下说明中部分地阐述，或可根据 该说明而变得清楚，或可通过实施本发明而理解到。
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根据本发明的方面，提供了一种涡轮喷嘴区段，其包括外围带部分、内围带部分， 以及在内围带部分与外围带部分之间延伸的至少一个喷嘴导叶。喷嘴导叶具有前缘和后 缘。内围带部分和外围带部分中的各个均包括沿轴向延伸(关于涡轮的轴线)的配合面、 燃烧气体侧，以及相反的背侧。第一冷却室和第二冷却室限定在围带部分的背侧处，以及 在一个特定实施例中，可至少部分地由横向延伸的横档部件间隔开。冷却仓室限定在内围 带部分和外围带部分的其中之一的配合面中，且沿横向至少部分地延伸穿过相应的围带部 分。冷却仓室可延伸，以便在一个实施例中基本上在横档部件的下方延展，或在另一个实施 例中在喷嘴导叶后缘的下方延展。至少一个第一冷却空气通道限定在围带部分中自第一冷 却室进入冷却仓室，以及至少一个第二冷却空气通道限定成自第二冷却室进入冷却仓室。 多个这些第一冷却空气通道和第二冷却空气通道可沿冷却仓室的纵向长度提供。该通道 用于将空气经由冷却仓室从一个冷却室移动至另一个冷却室。例如，第一冷却室可为供有 压缩机放泄空气的高压冲击冷却室，而第二冷却室可为低压室，由此冷却空气经由第一冷 却空气通道从高压室移动至冷却仓室中，且经由第二冷却空气通道从冷却仓室进入低压室 中。引入冷却仓室中的冷却空气因此冷却围带部分的位于仓室下方和旁边以及邻近冷却空 气通道的区域，例如，位于横档部件下方的区域或喷嘴导叶的后缘。应当理解的是，本发明还包含具有多个喷嘴级的燃气涡轮机，其中，各喷嘴级还包 括如在文中实施的多个喷嘴区段。参照以下描述和所附权利要求，将会更好地理解本发明的这些及其它特征、方面 和优点。结合到本说明书中且构成其一部分的附图示出了本发明的实施例，并连同描述一 起用于阐述本发明的原理。
参照附图，在说明书中针对本发明的普通技术人员阐明了本发明包括其最佳模式 的完整和能够实现的公开内容，在附图中图1为结合本发明的方面的喷嘴区段的透视图；图2为喷嘴区段部分的局部透视图，具体示出了配合面中的冷却仓室；图3为部分喷嘴区段的放大局部透视图，示出了配合面中的冷却仓室的备选实施 例；图4为喷嘴区段围带部分的示图，示出了根据本发明的方面的喷嘴导叶后缘和冷 却仓室的相关位置处的潜在高温区域；以及图5为结合了冷却仓室的喷嘴区段10的备选实施例的局部透视图；以及 图6为结合了冷却仓室的喷嘴区段10的另一备选实施例的透视图。零件清单10喷嘴区段12外围带部分14燃烧气体侧16 背侧18配合侧面20内围带部分
22燃烧气体侧
24背侧
26配合侧面
30喷嘴导叶
32前缘
34后缘
36冷却空腔
38第一冷却腔
40第二冷却腔
42横档部件
44冲击板
46冷却仓室
48通道
49通道
50密封槽口
52密封件
54膜孔
56根部
58 圆角(fillet)
具体实施例方式现将详细地参照本发明的实施例，在附图中示出了其中的一个或多个实例。各实 例均通过举例的方式提供了对本发明的阐述，而并非限制本发明。实际上，本领域的技术人 员将懂得的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出各种修改和变 型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可结合另一个实施例使用，用以产生又 一个实施例。因此，期望的是，本发明涵盖归入所附权利要求及其等同物的范围内的这些修 改和变型。图1为示例性实施例的喷嘴区段10的透视示图。喷嘴区段10包括具有燃烧气体 侧14和背侧16的外围带部分12。喷嘴区段10包括具有燃烧气体侧22和背侧24的内围 带部分20。外围带部分具有配合侧表面18，该配合侧表面18可包括设置在密封槽口 50(图 2)中的密封件52。类似的是，内围带部分20包括配合侧面26，该配合侧面26具有沿其设 置的密封件52。喷嘴区段10包括在围带部分12，20的燃烧气体侧之间延伸的至少一个喷嘴导叶 30，其中，喷嘴导叶具有前缘32和后缘34。喷嘴区段10可包括位于单个区段中的多个导叶 30。喷嘴导叶30在根部56处与下围带部分20的燃烧气体侧22相交。具有凹入曲率半径 的圆角58大致沿根部56形成。喷嘴导叶30与外围带部分的燃烧气体侧14的界面以相同 方式形成。多个喷嘴区段10围绕涡轮轴线(未示出)沿周向布置，且固定到涡轮壳体上以形 成喷嘴级。通常，涡轮包括多个这些喷嘴级。
热燃烧气体的流动通路分别由喷嘴导叶30及外围带部分12和内围带部分20的 燃烧气体表面14，22限定成穿过喷嘴区段10。如本领域中一般理解的那样，热气体流过区 段且围绕导叶30，并且接合涡轮下游的转子轮叶(未示出)而使涡轮转子旋转。配合表面18，26包括处在密封槽口 50(图2)中的密封件52，且因此设置成在喷嘴 级的相邻喷嘴区段10之间密封接合。密封件52防止冷却空气泄漏到外围带部分12和内 围带部分20的界面之间的燃烧气体流动通路中。参看图1，喷嘴区段10包括第一冷却室38和第二冷却室40。通常，第一冷却室38 构造成用以收容高压冷却空气，例如，压缩机放泄空气。该高压空气可经由冲击板44、仓室 或任何其它引导装置引导到压力较低的第二冷却室40中。冷却室40，38包括用以密封该 室的盖板(未示出)。喷嘴导叶30具有大体中空的构造，且包括与低压冷却室38连通的冷 却空腔36。冷却空腔36因此可认作是冷却室。横档部件42设置在外围带部分12的配合 侧面表面18之间和内围带部分20的配合表面26之间。外围带部分和内围带部分上的横 档部件42可具有相同或不同的构造，且可用于不同的目的。参看外围带部分12，如图1中 所示，结构横档部件42可结合冲击板44，且可将第一或高压冷却室38与第二或低压冷却室 40分开。应当理解的是，冷却室也形成在内围带部分20的背侧24。冷却回路由喷嘴区段10的各个空腔和结构部件限定。应懂得的是，本发明不受冷 却回路的任何特定构造限制。在所示的实施例中，引入第一冷却室38中的冷却空气对该区 域内的喷嘴区段10结构构件提供冲击和/或对流冷却。冷却空气经由冲击板44引入第二 或低压冷却室40 (或与冷却室40连通的空腔36或其它区域)中。部分冷却空气可经由膜 孔54扩散而穿过围带部分12并进入燃烧气流中。这种有限量的冷却空气对相应围带部分 12,20的燃烧气体侧表面提供了膜冷却。如在附图中不同示出的那样，对这些膜孔54可采 用任何阵列和定位。喷嘴导叶30大体上是中空的，且包括一个或多个空腔36。冷却空气经由空腔36 移动用以冷却喷嘴导叶30。空腔36还可经由穿过导叶30限定的流体孔54而与喷嘴导叶 30的吸入侧和压力侧连通。以此方式，喷嘴导叶30的外表面由在表面上引起的冷却空气 膜冷却。冷却空气移动穿过导叶30而进入内围带部分20的空腔中，且可穿过膜孔54在围 带20中扩散。取决于喷嘴区段10的构造，冷却空气可在从冷却回路中排出之前经由喷嘴 区段10的其它部分再循环。参看不同示图，在外围带部分12的配合侧面18之间和下围带部分20的配合侧 面26之间延伸的横档部件42形成了关于冷却的问题区域。结构横档的存在抑制了冲击冷 却，尤其是在喷嘴导叶30后缘区域中的冲击冷却。图4为示出了集中在导叶吸入侧上的喷 嘴导叶30后缘处的潜在高温区域或"热点"(虚线区域)的示图。结构横档部件42的位 置由图4中的虚线示出。参看图2、图3和图5，可看到的是，这些特定实施例中的横档部件 42的位置沿配合侧面18大致邻近相对于该配合侧面的喷嘴导叶30后缘34终点。如可在 图1、图4和图5中看到，横档部件42分开了由图5中示出根部56的虚线所限定的喷嘴导 叶30的后缘。换言之，横档部件42延展或延伸跨过喷嘴导叶30的后部，该后部附加到图 4中所示的热力热点上。参看不同的示图且根据本发明的方面，冷却仓室46限定在外围带部分12或内围 带部分20的其中至少之一的配合面18，26中的一个内。应懂得的是，该冷却仓室46可包括在外围带部分12和内围带部分20两者中，以及包括在各相应围带部分的两个配合面中。 出于论述的目的，本文参照上围带部分12的配合侧面18进一步地描述了冷却仓室46。冷却仓室46限定在配合面中位于任何期望的位置处，以便沿横向延伸至围带部 分中用以冷却围带部分的特定区域。在所示的实施例中，冷却仓室46限定在邻近横档部件 42的位置处。例如，参看图2和图3，冷却仓室46可认作是与上围带部分12内的横档部件 42对准，或在上围带部分12内的横档部件42下方至少部分地延展。冷却仓室46沿横向 至少部分地延伸穿过相应的围带部分，且可完全延伸穿过围带部分，以便从一个配合侧面 表面18延伸至相对的配合侧面表面18。冷却空气经引导进入冷却仓室46中，且因此沿横 档部件42的根部或基部冷却围带部分12的区域。因此，当冷却空气移动穿过冷却仓室46 时，在喷嘴导叶30后缘34的围带部分12周围的区域也通过冲击和/或对流冷却而得以冷 却。这具体在图4的示图中示出，其中，冷却仓室46的位置由虚线示出。从该图中可看到 的是，冷却仓室还穿过喷嘴导叶30的后缘34区域，且因此将用于冷却图4中所示的邻近喷 嘴导叶30吸入侧后缘的潜在问题热点。冷却仓室46可提供有穿过各个装置的冷却空气。在所示的实施例中，多个空气通 道用于将冷却空气移动或输送到冷却仓室46中，沿冷却仓室46移动或输送，以及移动或输 送出冷却仓室46。例如，参看图1、图4和图5，至少一个第一冷却空气通道48可限定在横 档部件42 (或围带部分12的其它结构)中，以便将冷却空气仓室46安置成与第一冷却室 38成流体空气连通。因此，引入冷却室38中的压缩机放泄空气或其它冷却空气移动进入冷 却仓室46中。至少一个第二空气通道49限定在横档部件中，且将冷却仓室46安置位成与 第二冷却室40 (其包括与室40连通的区域或空腔)成流体空气连通。因此，冷却空气能够 移动穿过冷却仓室46，且经由第二空气通道49流出而进入冷却室40。在所示的实施例中， 多个通道48和49在纵向上沿冷却仓室46的长度限定。任意数量或位置的这些通道都是 可能的。取决于待冷却的围带部分的特定区域，冷却仓室46可沿横向完全延伸跨过围带部 分12，且冷却通道48和49可位于沿冷却仓室46整个长度的各个纵向位置处。尽管并未要 求，但第一冷却通道48和第二冷却通道49可组合成对，使得各第一冷却通道48均包括对 应的第二冷却空气通道49。这些通道的定位可沿仓室46的纵向长度交错。应懂得的是，仓室46并不限于任何特定的截面轮廓或其它构造。例如，在图2中 所示的实施例中，仓室46为大致圆形的截面轮廓。在图3的实施例中，冷却空气仓室46具 有大致椭圆形的截面轮廓。仍参看图2和图3，在所示的实施例中，冷却仓室46限定在相应的围带部分配合侧 面18中，大体上处于围带部分12背侧上的横档部件42与围带部分12燃烧气体侧上的喷 嘴导叶30的后缘34之间。如果配合面表面18包括沿轴向延伸的密封槽口 50，则冷却仓室 46便限定在密封槽口 50与燃烧气体侧14之间。应懂得的是，在本发明还包含的实施例中，冷却空气仓室46限定在配合面表面18 中，以便沿横向延伸到邻近喷嘴导叶30后缘34的围带部分12中，而不论围带部分12背侧 16上的任何横档部件的长度如何。例如，围带部分12的背侧16可包括具有抑制冲击冷却 围带部分一定区域的任何设计的结构部件。在此情形下，冷却仓室46可限定在配合侧面表 面18中，以便延伸到大致与该结构部件重合的围带部分12中，特别是在喷嘴导叶30的后 缘区域中。移动穿过仓室46的冷却空气将冷却围绕喷嘴导叶30后缘的围带部分12的区域。冷却通道48，49可限定在围带部分中，以便将冷却仓室46安置成与第一位置和第二位 置成流体空气连通，其中，冷却空气仓室还用于将空气从一个位置移动至另一个位置，同时 对围带部分12的问题区域提供有益的冲击冷却。该构想大体上在图6中示出，其中，冷却 仓室46限定在底围带部分20的配合面表面26中，以便在围带部分20内大致延伸跨过喷 嘴导叶30的后端部分。仓室46可或不可在横档部件下方延伸或沿横档部件延伸，该横档 部件也沿横向延伸跨过围带部分20的背侧。在图5示出的实施例中，至少一个冷却空气通道49将仓室46安置成与导叶30的 空腔36成流体空气连通。该构造可用于将空气从仓室46直接引入空腔36中，或将空气从 空腔36直接移除到仓室46中。尽管已参照具体的示例性实施例及其方法详细地描述了本主题，但本领域的技术 人员将懂得的是，在对前文取得理解时，可容易地制作出对这些实施例的改进、变型和同等 布置。因此，本公开内容的范围是通过举例的方式，而非通过限制，且正如本领域的普通技 术人员将会容易懂得的那样，所述公开内容并不排除包括对本主题的这些修改、变型和/ 或添力口。
权利要求
一种涡轮喷嘴区段(10)，包括外围带部分(12)、内围带部分(20)，以及在所述内围带部分与所述外围带部分之间延伸的至少一个喷嘴导叶(30)，所述喷嘴导叶具有前缘(32)和后缘(34)；所述内围带部分和所述外围带部分中的各个均还包括沿轴向延伸的配合面(18)，以及燃烧气体侧(14)和相反的背侧(16)；限定在所述内围带部分和所述外围带部分的所述背侧处的第一冷却室(38)和第二冷却室(40)；限定在所述内围带部分或所述外围带部分的其中至少之一的所述配合面的其中至少之一中的冷却仓室(46)，所述冷却仓室沿横向至少部分地延伸穿过所述相应的围带部分；以及限定成在所述围带部分中自所述第一冷却室进入所述冷却仓室中的至少一个第一冷却空气通道(48)，以及限定成在所述围带部分中自所述第二冷却室进入所述冷却仓室中的至少一个第二冷却空气通道(49)。
2.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴区段(10)，其特征在于，所述第一冷却室(38)为高 压室，以及所述第二冷却室(40)为低压室，所述第一冷却室和所述第二冷却室至少部分地 由沿横向延伸的横档部件(42)分隔开，所述冷却仓室(46)在所述横档部件的下方沿横向 至少部分地延伸穿过所述相应的围带部分，以及由此，冷却空气从所述高压室经由所述第 一冷却空气通道(48)移动到所述冷却仓室中，以及从所述冷却仓室经由所述第二冷却空 气通道(49)进入所述低压室中。
3.根据权利要求2所述的涡轮喷嘴区段(10)，其特征在于，所述第一冷却空气通道 (48)和所述第二冷却空气通道(49)沿所述冷却仓室(46)在轴向上偏置，以及所述冷却仓 室在所述相应的围带部分中限定在所述横档部件(42)与所述喷嘴导叶(30)的所述后缘 (34)之间。
4.根据权利要求1至权利要求3中任何一项所述的涡轮喷嘴区段(10)，其特征在于， 所述配合面(18)还包括沿所述配合面在轴向上限定的密封槽口(50)，所述冷却仓室(46) 限定在所述密封槽口与所述相应的围带部分(12，20)的所述燃烧气体侧(22)之间。
5.根据权利要求1至权利要求3中任何一项所述的涡轮喷嘴组件(10)，其特征在于， 所述第一冷却室(38)为供有压缩机放泄空气的高压冲击冷却室，以及所述冷却仓室(46) 完全延伸穿过所述相应的围带部分(12，20)处于所述配合面(18)中的相对的配合面之间。
6.根据权利要求1至权利要求3中任何一项所述的涡轮喷嘴区段(10)，其特征在于， 所述冷却仓室(46)沿横向跨过所述后缘(34)至少部分地延伸穿过所述相应的围带部分 (12，20)。
7.根据权利要求1至权利要求3中任何一项所述的涡轮喷嘴区段(10)，其特征在于， 所述冷却仓室(46)完全延伸穿过所述相应的围带部分(12，20)处于所述配合面(18)中的 相对的配合面之间。
8.一种包括多个喷嘴级的燃气涡轮机，各所述喷嘴级还包括多个喷嘴区段(10)，各喷 嘴区段分别为根据权利要求1至权利要求3中任何一项所述的喷嘴区段。
全文摘要
本发明涉及一种具有侧壁冷却仓室的涡轮喷嘴。具体而言，涡轮喷嘴区段(10)包括外围带部分(12)、内围带部分(20)，以及在围带部分之间延伸的至少一个喷嘴导叶(30)。冷却仓室(46)限定在围带部分的其中至少之一的配合侧面(18)中，且沿横向至少部分地延伸穿过相应的围带部分。第一冷却通道(48)和第二冷却通道(49)从冷却仓室延伸至相应的第一冷却室(38)和第二冷却室(40)。
文档编号F01D9/02GK101886553SQ20101018414
公开日2010年11月17日 申请日期2010年5月11日 优先权日2009年5月11日
发明者D·R·约翰斯, E·A·西沃尔, G·M·伊策尔 申请人:通用电气公司