专利名称：用于在燃气涡轮发动机中使用的转子组件及其组装方法
技术领域：
本文所描述的实施例总体涉及燃气涡轮发动机，更具体而言涉及与燃气涡轮发动机一起使用的转子组件。
背景技术：
至少一些已知的燃气涡轮发动机包括燃烧器、联接在燃烧器下游的压缩机、涡轮机及可旋转地联接在压缩机和涡轮机之间的转子组件。至少一些已知的转子组件包括转子轴、联接到转子轴上的至少一个转子盘(rotor disk)以及联接到各转子盘上的多个周向隔开的转子叶片或轮叶(bucket)。各转子叶片包括从转子叶片平台(plattform)径向向外延伸的翼型部(airfoil)。至少一些公知的转子叶片还包括从柄部(shank)径向向内延伸的燕尾榫，该柄部在平台和燕尾榫之间延伸。燕尾榫用于将转子叶片安装在转子盘内。至少一些已知的轮叶的根部节段利用插入形成在转子盘中的燕尾榫槽内的燕尾榫联接到转子
In ο已知的转子叶片是中空的并且包括至少部分由翼型部、平台、柄部及燕尾榫限定的内部冷却空腔。旋转的涡轮叶片或轮叶引导高温流体例如燃烧气体通过涡轮机。由于涡轮发动机典型地在较高温度下工作，因此转子叶片或轮叶的翼型部部分通常暴露于高于同一翼型部的根部部分的温度。结果，常常形成热梯度，并且随着时间推移，连续暴露于高温可能导致叶片顶部过早失效。此类失效可需要更换损坏的涡轮机轮叶并需要使涡轮机停止工作以便能够修理或更换损坏的叶片。因此，提供转子盘和涡轮机轮叶的增强的冷却的转子组件可降低维护成本并延长转子组件的工作寿命。通过延长转子组件的工作寿命，有利于降低燃气涡轮发动机的运行成本。
发明内容
一方面，提供一种组装与涡轮发动机一起使用的转子组件的方法。该方法包括提供转子轴并将至少一个转子盘联接到该转子轴上，从而在转子轴和转子盘之间限定冷却路径。该转子盘包括大致圆柱形主体，该主体具有在径向内缘和径向外缘之间延伸的上游表面和下游表面。第一冷却板联接到转子盘的下游表面上，以在第一冷却板和下游表面之间限定冷却管道(duct)。该冷却管道构造成将冷却流体从冷却路径引向外缘。另一方面，提供一种与涡轮机一起使用的转子组件。该转子组件包括转子轴和至少一个转子盘，该转子盘联接到转子轴上，从而在转子轴和转子盘之间限定冷却路径。该转子盘包括在径向内缘和径向外缘之间延伸的大致圆柱形的主体。该主体在上游表面和下游表面之间大体轴向地延伸。冷却组件联接到该转子盘上。该冷却组件包括第一冷却板，该第一冷却板联接到下游表面上，从而在第一冷却板和下游表面之间限定冷却管道。该冷却管道构造成将冷却流体从冷却路径引向外缘。又一方面，提供一种燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机包括压缩机和涡轮机，该涡轮机与压缩机以流连通的方式(in flow communication)联接，以接收由压缩机排出的空气的至少一些。转子轴可旋转地联接到涡轮机上。至少一个转子盘联接到该转子轴上，从而在转子轴和转子盘之间限定冷却路径。该转子盘包括在径向内缘和径向外缘之间延伸的大致圆柱形的主体。该主体在上游表面和下游表面之间大体轴向地延伸。冷却组件联接到该转子盘上。该冷却组件包括第一冷却板，该第一冷却板联接到下游表面上，从而在第一冷却板和下游表面之间限定冷却管道。该冷却管道构造成将冷却流体从冷却路径引向外缘。
图1是示例性涡轮发动机的示意图。图2是可与图1中所示的燃气涡轮发动机一起使用的示例性转子组件的一部分的局部剖视图。图3是图2中所示的转子组件的一部分的放大局部剖视图。图4是图3中所示且沿线4-4截取的转子组件的局部截面图。部件清单10 涡轮发动机系统12 进口区段14 压缩机区段16 燃烧器区段18 涡轮机区段20 排放区段22 转子轴24 燃烧器26 燃料喷嘴组件28 负载30 转子盘组件32 转子组件34 多个级36 定子导叶(vane)38 涡轮机轮叶40 转子盘42 涡轮机壳体44 中心孑L 口46 盘体48 内缘50 转子盘外缘52 转子盘上游表面54 转子盘下游表面56 轴向支撑臂58 间隙
59排 60排61热气体路径62翼型部64平台66柄部68燕尾榫70柄部侧壁72前盖板74后盖板76柄部空腔78通路80前天使翼(angel wing)82前缓冲空腔(buffer cavity)84后天使翼86后缓冲空腔88前下天使翼90间隙92外表面94冷却流路径96冷却流体100冷却组件102第一冷却板104 冷却板106 第一冷却盘108 内部分110 外部分111 孔口112 冷却管道114 内表面116 入口开口118 出口开口120 凸缘122 导叶124 返回空气管道126 第二冷却盘128 内部分130 外部分131 孔口
132返回空气入口开口
134返回空气出口开口136上部冷却凸缘138通道140冷却回路142高温燃烧气体144流动行程(Flow leg)150入口边缘152压力侧154吸力侧(suction side)156出口边缘158冷却通道160第一宽度162第二宽度164多个紊流器(turbulator)
具体实施例方式文中所描述的示例性方法和系统通过提供一种有利于跨越转子盘和涡轮机轮叶排的表面的增强的冷却而克服已知的转子组件的缺点。更具体而言，文中所描述的实施例提供一种转子盘，该转子盘包括将冷却流体从沿转子轴限定的冷却路径引向涡轮机轮叶的冷却组件。在该示例性实施例中，该冷却组件包括多个导叶(vane)，其向冷却流体施予 (impart)离心力以有利于从转子轴径向向外引导冷却流体。该冷却流体有利于降低转子盘和涡轮机轮叶的温度，从而增加转子组件的使用寿命。如文中所用，术语“上游”指的是燃气涡轮发动机的前端或入口端，而术语“下游” 指的是燃气涡轮发动机的后端或喷嘴端。图1是示例性涡轮发动机系统10的示意图。在该示例性实施例中，涡轮发动机系统10包括进口区段12、联接在进口区段12下游的压缩机区段14、联接在压缩机区段14下游的燃烧器区段16、联接在燃烧器区段16下游的涡轮机区段18以及排放区段20。涡轮机区段18经由转子轴22联接到压缩机区段14上。在该示例性实施例中，燃烧器区段16包括多个燃烧器24。燃烧器区段16联接到压缩机区段14上使得每个燃烧器24均定位成与压缩机区段14处于流连通。燃料喷嘴组件26联接到各燃烧器24上。涡轮机区段18联接到压缩机区段14和负载28 (例如但不限于发电机和/或机械驱动应用)上。在该示例性实施例中，每个压缩机区段14和涡轮机区段18包括联接到转子轴22上以形成转子组件32 的至少一个转子盘组件30。在工作期间，进口区段12将空气引向压缩机区段14，在其中空气在朝燃烧器区段 16排出之前被压缩到较高的压力和温度。压缩空气与燃料混合并被点燃以产生被引向涡轮机区段18的燃烧气体。更具体而言，在燃烧器24中，燃料(例如天然气和/或燃料油)被喷射到空气流中，并且燃料空气混合物被点燃以产生被引向涡轮机区段18的高温燃烧气体。随着燃烧气体向涡轮机区段18和转子组件32施予旋转能，涡轮机区段18将来自气体流的热能转换为机械旋转能。图2是可与涡 轮发动机系统10 —起使用的示例性转子组件32的一部分的局部剖视图。图3是转子组件32的放大局部剖视图。图3中示出的相同的构件标有在图2中使用的相同的附图标记。在该示例性实施例中，涡轮机区段18包括多个级34，各级包括旋转的转子盘组件30和静止的定子导叶36排。在该示例性实施例中，各转子盘组件30包括联接到转子盘40上的多个涡轮轮叶38。各转子盘40联接到转子轴(例如转子轴22)上。涡轮机壳体42围绕涡轮机轮叶38和定子导叶36周向延伸，使得定子导叶36由壳体42支撑。在该示例性实施例中，各转子盘40是环状的并且包括贯通转子盘40大致轴向延伸的中心孔口 44。更具体而言，盘体46从中心孔口 44径向向外延伸，而中心孔口 44尺寸设计成容纳贯通中心孔口 44的转子轴22。盘体46在径向内缘48和径向外缘50之间径向延伸，并且从上游表面52轴向延伸到相对的下游表面54。各上游表面52和下游表面54 在内缘48和外缘50之间延伸。轴向支撑臂56联接在相邻的转子盘40之间，以形成转子组件32。各涡轮轮叶38联接到转子盘40的外缘50上并从盘体46径向向外延伸。涡轮机轮叶38在转子盘40周围周向隔开。相邻的转子盘40定向为使得在每排59周向隔开的涡轮机轮叶38之间限定间隙58。间隙58尺寸设计成容纳从涡轮机壳体42朝转子轴22向内延伸的一排60周向隔开的定子导叶36。更具体而言，定子导叶36在转子轴22周围周向隔开并定向为将燃烧气体向下游引向涡轮机轮叶38。在涡轮机壳体42和各转子盘40之间限定有热气体路径61。各排59涡轮机轮叶38和各排60定子导叶36至少部分延伸穿过热气体路径61的一部分。在该示例性实施例中，各涡轮机轮叶38从转子盘40径向向外延伸并包括翼型部 62、平台64、柄部66及燕尾榫68。平台64在翼型部62和柄部66之间延伸，从而各翼型部 62从平台64朝涡轮机壳体42径向向外延伸。柄部66从平台64径向向内延伸到燕尾榫 68。燕尾榫68从柄部66径向向内延伸并使涡轮机轮叶38能够牢固联接到转子盘40上。 柄部侧壁70在前盖板72和后盖板74之间延伸。柄部侧壁70相对于前盖板72和后盖板 74凹入(recess)，使得当涡轮机轮叶38联接到转子盘40上时，在周向相邻的柄部侧壁70 之间限定柄部空腔76。在一个实施例中，环状通路78被限定通过柄部66和燕尾榫68并从转子盘40延伸到平台64。通路78使得冷却流体流能够从转子盘外缘50被引向平台64。 在该示例性实施例中，前天使翼80从前盖板72向外延伸，以有利于密封被限定在转子盘上游表面52和定子导叶36之间的前缓冲空腔82。后天使翼84从后盖板74向外延伸，以有利于密封被限定在转子盘下游表面54和定子导叶36之间的后缓冲空腔86。在该示例性实施例中，前下天使翼88从前盖板72向外延伸，以有利于涡轮机轮叶38和转子盘40之间的密封。更具体而言，前下天使翼88定位在燕尾榫68和前天使翼80之间。转子盘内缘48从转子轴22径向向外隔开一定距离使得在转子轴22的外表面92 和内缘48之间限定间隙90。转子盘40被联接在一起使得在转子轴22和各转子盘40之间限定冷却流路径94。冷却流路径94构造成有利于将冷却流体96流从压缩机区段14引导通过涡轮机区段18。冷却组件100联接到至少一个转子盘40上以便用于将冷却流体从冷却流路径94引向涡轮机轮叶38。更具体而言，在该示例性实施例中，冷却组件100将冷却流体96从转子盘内缘48引向外缘50。
在该示例性实施例中，冷却组件100包括第一冷却板12和第二冷却板104。第一冷却板102联接到转子盘下游表面54上，而第二冷却板联接到转子盘上游表面52上。第一冷却板102包括在内部分108和径向外部分110之间延伸的第一冷却盘106。第一冷却盘 106包括由内部分108限定的孔口 111。孔口 111尺寸设计成容纳转子轴22。在该示例性实施例中，第一冷却盘106跨越下游表面54从内缘48延伸到外缘50，并与转子盘40隔开距离Cl1使得在第一冷却盘106的内表面114和转子盘下游表面54之间限定冷却管道112。 入口开口 116限定在转子盘下游表面54和内部分108之间，而出口开口 118限定在下游表面54和外部分110之间。在该示例性实施例中，冷却管道112在入口开口 116和118之间延伸以便用于将冷却流体96从入口开口 116引导通过出口开口 118。入口开口 116使冷却流体96能够从冷却流路径94被引导到冷却管道112中。第一冷却盘106定向为与转子盘下游表 面54大致平行使得冷却管道112具有从内部分108到外部分110的大致均勻的宽度W。在该示例性实施例中，内部分108大致包围转子轴外表面92并与外表面92径向隔开距离d2，从而冷却流路径94的至少一部分被限定在第一冷却板102和转子轴22之间。第一冷却板102将来自冷却流路径94的冷却流体96的至少一部分经冷却管道112引向转子盘外缘50，以有利于转子盘40和各涡轮机轮叶38的冷却。在一个实施例中，凸缘120从内部分108朝转子轴22径向向内延伸。在该示例性实施例中，多个导叶122联接在转子盘40和第一冷却盘106之间。导叶122被周向隔开且各自在盘内部分108和外部分110之间延伸。导叶122在冷却流体96 进入冷却管道112的入口开口 116后施予离心力。冷却管道112将冷却流体96从入口开口 116引导到出口开口 118。入口开口 116被限定在一对周向相邻的导叶122之间。更具体而言，在该示例性实施例中，入口开口 116和内部分108相邻。出口开口 118被限定在相邻的导叶122之间使得各出口开口 118与外部分110相邻。冷却板104联接到转子盘40上并与上游表面52隔开距离d3使得在冷却板104 和上游表面52之间限定返回空气管道124。在该示例性实施例中，冷却板104包括第二冷却盘126。第二冷却盘126包括内部分128和径向外部分130。孔口 131由尺寸设计成容纳转子轴22的内部分128限定。外部分130定位在转子盘外缘50附近。内部分128包围转子轴22。转子盘内缘48定位成比内部分128更靠近外表面92。返回空气管道124在返回空气入口开口 132和返回空气出口开口 134之间延伸。返回空气入口开口 132限定在外部分130和上游表面52之间。返回空气出口开口 134限定在内部分128和上游表面52之间。返回空气管道124使得冷却流体96能够从转子盘外缘50被引导到冷却流路径94。在该示例性实施例中，冷却组件100包括在冷却板102和104之间延伸使得冷却管道112与返回空气管道124以流连通的方式联接的上部冷却凸缘136。通道138限定在冷却板外部分110和冷却板外部分130之间。通道138形成冷却回路140的一部分以便用于将冷却流体96从冷却管道112引导到返回空气管道124。在工作期间，压缩机区段14(在图1中示出)压缩空气并将压缩空气排入燃烧器区段16 (在图1中示出)并朝涡轮机区段18排出。从压缩机区段14排出的大部分空气被引向燃烧器区段16，而从压缩机区段14排出的较小部分的空气向下游朝向涡轮机区段18 被引导，以便用于冷却转子组件32。更具体而言，加压的压缩空气的第一流动行程142被引导到燃烧器24(在图1中示出)，在其中空气与燃料混合并被点燃以产生高温燃烧气体142。燃烧气体142被引向热气体路径61，在其中气体142冲击到涡轮机轮叶38和定子导叶36上，以有利于在转子组件32上施予旋转力。压缩空气还进入第二流动行程144以便用作冷却流体96。从流动行程144排出的空气被引导到转子轴22和转子盘40之间的冷却流路径94中。随着转子组件32旋转，冷却组件100将从流动行程144排出的空气的至少一部分从冷却流路径94通过各冷却管道112向外引向转子盘外缘50图4是转子组件32沿剖面线4-4的局部截面图。图4中示出的相同的构件标有图2和图3中所用的相同的参考标号。在该示例性实施例中，导叶122在第一冷却板102 的内部分108和外部分110之间延伸。各导叶122的入口边缘150在由内部分108限定的孔口 111周围周向隔开。孔口 111尺寸设计成将转子轴22容纳在其中使得冷却流路径94 被周向限定在转子轴22和第一冷却板102之间。各导叶122包括压力侧152和相对的吸力侧154。各压力侧152和吸力侧154在入口边缘150和出口边缘156之间延伸。各对周向隔开的相邻导叶122被隔开使得在入口开口 116和出口开口 118之间限定冷却通道158。 各冷却通道158还被限定在第一冷却盘106和下游表面54 (在图2中示出)之间。各入口开口 116在入口边缘150处在导叶122的压力侧152和相邻的吸力侧154之间延伸。各出口开口 118在出口边缘156处在压力侧152和相邻的吸力侧154之间延伸。入口开口 116 具有小于出口开口 118的第二宽度162的第一宽度160。各导叶122形成为弓形并定向为使得冷却通道158被限定为带有从内部分108朝外部分110向外发散的螺旋形状。在一个实施例中，多个紊流器164例如翅片(fin)和/或肋片在冷却通道158内联接到下游表面 54和/或第一冷却盘106上，以有利于将热量从转子盘40传递到冷却流体96。在工作期间，冷却流体96通过各入口开口 116被引导到冷却通道158内。随着冷却流体96进入入口开口 116，转子组件32的旋转致使导叶122向冷却流体96施予离心力， 从而增加各冷却通道158内的冷却流体96的压力。随着离心力作用在冷却流体96上，在入口开口 116和出口开口 118之间引起冷却流体96内的差压。冷却通道158将冷却流体 196从入口开口 116向外排出到出口开口 118。冷却流体96有利于在流体96被引导跨越下游表面54时对流地冷却转子盘40。冷却流体96撞击支撑臂56，以有利于转子盘外缘50 和支撑臂56的冷却。在一个实施例中，冷却流体96的至少一部分被引导到各轮叶通路78 中，以有利于冷却柄部66和平台64。以上描述的转子组件有利于降低燃气轮机的工作温度。更具体而言，通过提供具有联接到转子盘的外表面上的冷却组件的转子组件，冷却流体从转子轴被径向向外地引向涡轮机轮叶，以有利于冷却转子组件。此外，通过组装包括多个冷却通道的冷却组件，通过转子组件的旋转产生的离心力有利于引导冷却流体通过冷却通道，以降低转子组件的工作温度。此外，通过提供具有冷却组件的转子组件，与未将冷却流体从转子轴引向涡轮机轮叶的已知的转子组件相比增加了转子盘的冷却。因此，有利于降低维护燃气涡轮发动机系统的成本。以上详细描述了用于在燃气涡轮发动机中使用的转子组件及其组装方法的示例性实施例。方法和设备并不局限于本文所描述的特定实施例，相反，系统的构件和/或方法的步骤可与本文所描述的其它构件和/或步骤独立地且分开地利用。例如，方法和设备也可结合其它燃烧系统和方法使用，并且不局限于仅利用如本文所描述的燃气涡轮发动机组件来实施。相反，示例性实施例能够结合许多其它燃烧系统应用来实现和利用。
虽然本发明各种实施例的特定特征可能在一些附图中示出而在其它附图中未示出，但这只是为了方便。此外，以上描述中对“一个实施例”的参照并非旨在将其解释为排除同样结合了所提及的特征的其它实施例的存在。根据本发明的原理，附图的任何特征可结合任何其它附图的任何特征进行参引和/或要求保护。 该书面的描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还可使本领域中的技术人员实践本发明，包括构造和使用任何装置或系统并执行任何结合的方法。本发明可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域中的技术人员想到的其它示例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。
权利要求
1.一种用于与涡轮机(18) —起使用的转子组件(32)，所述转子组件(3 包括转子轴(22)；至少一个转子盘GO)，其联接到所述转子轴上，从而在所述转子轴和所述至少一个转子盘之间限定冷却路径(94)，所述至少一个转子盘包括在径向内缘08)和径向外缘(50) 之间延伸的大致圆柱形的主体，所述主体在上游表面(5 和下游表面(54)之间大体轴向地延伸；以及联接到所述至少一个转子盘上的冷却组件(100)，所述冷却组件包括第一冷却板 (102)，该第一冷却板(10 联接到所述下游表面上，从而在所述第一冷却板和所述下游表面之间限定冷却管道(112)，所述冷却管道构造成将冷却流体(96)从所述冷却路径引向所述外缘。
2.根据权利要求1所述的转子组件(32)，其特征在于，所述冷却组件(100)还包括联接在所述下游表面(54)和所述第一冷却板(10 之间的多个导叶(36)，每个所述导叶从所述内缘G8)朝所述外缘(50)向外延伸，相邻的所述导叶隔开周向距离，从而在所述每对周向相邻的导叶之间限定冷却通道(158)。
3.根据权利要求2所述的转子组件(32)，其特征在于，每个所述导叶(36)包括成形为引导冷却流体(96)通过每个所述冷却通道(158)的弓形外表面(92)。
4.根据权利要求2所述的转子组件(32)，其特征在于，所述每对周向隔开的导叶(36) 被隔开使得所述冷却通道(158)被限定为带有小于出口开口(134)的入口开口(132)。
5.根据权利要求2所述的转子组件(32)，其特征在于，所述第一冷却板(104)包括内凸缘(120)，所述内凸缘从所述第一冷却板向内延伸，以限定入口开口(132)，该入口开口 (132)延伸到限定在所述转子盘内缘G8)和所述轴02)之间的冷却流体路径(94)。
6.根据权利要求2所述的转子组件(32)，其特征在于，所述冷却组件(100)还包括第二冷却板，所述第二冷却板联接到所述上游表面(5 上使得在所述第二冷却板和所述上游表面之间限定返回空气管道(IM)。
7.根据权利要求6所述的转子组件(32)，其特征在于，所述至少一个转子盘00)至少包括第一转子盘，该第一转子盘联接到第二转子盘上，所述第一冷却板(104)联接到相邻的第二冷却板上使得所述冷却管道(11 与所述返回空气管道以流连通的方式联接。
8.根据权利要求1所述的转子组件(32)，其特征在于，所述冷却组件(100)还包括联接到所述第一冷却板(104)上的至少一个紊流器(164)。
9.一种涡轮发动机(10)，包括压缩机(14)；涡轮机，其与所述压缩机以流连通的方式联接，以接收由所述压缩机排出的空气的至少—些；可旋转地联接到所述涡轮机上的转子轴02)；至少一个转子盘GO)，其联接到所述转子轴上，从而在所述转子轴和所述至少一个转子盘之间限定冷却路径(94)，所述至少一个转子盘包括在径向内缘和径向外缘(50)之间延伸的大致圆柱形的主体，所述主体在上游表面(5 和下游表面(54)之间大体轴向地延伸；以及联接到所述至少一个转子盘上的冷却组件(100)，所述冷却组件包括第一冷却板(104)，该第一冷却板(104)联接到所述下游表面上，从而在所述第一冷却板和所述下游表面之间限定冷却管道(112)，所述冷却管道构造成将冷却流体(96)从所述冷却路径引向所述外缘。
10.根据权利要求9所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述冷却组件(100)还包括联接在所述下游表面(54)和所述第一冷却板(10 之间的多个导叶(36)，每个所述导叶从所述内缘G8)朝向所述外缘(50)向外延伸，相邻的所述导叶隔开周向距离，从而在所述每对周向相邻的导叶之间限定冷却通道(158)。
全文摘要
本发明涉及用于在燃气涡轮发动机中使用的转子组件及其组装方法，具体而言，提供一种与涡轮机(18)一起使用的转子组件(32)。该转子组件(32)包括转子轴(22)；至少一个转子盘(40)，其联接到转子轴上，从而在转子轴和该至少一个转子盘之间限定冷却路径(94)，该至少一个转子盘包括在径向内缘(48)和径向外缘(50)之间延伸的大致圆柱形主体，该主体在上游表面(52)和下游表面(54)之间大体轴向地延伸；以及联接到该至少一个转子盘上的冷却组件(100)，该冷却组件包括第一冷却板(102)，该第一冷却板联接到下游表面上，从而在第一冷却板与下游表面之间限定冷却管道(112)，该冷却管道构造成将冷却流体(96)从冷却路径引向外缘。
文档编号F01D5/06GK102383863SQ20111018978
公开日2012年3月21日 申请日期2011年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者塞戈维亚 E·耶格罗 申请人:通用电气公司