用于多壁叶片的冷却回路的制作方法

本发明大体上涉及涡轮系统，且更具体地说涉及用于多壁叶片的冷却回路。

背景技术：

燃气涡轮系统是广泛用于例如发电等领域的涡轮机的一个实例。常规燃气涡轮系统包括压缩机区段、燃烧室区段和涡轮区段。在燃气涡轮系统操作期间，系统中的各种部件(如涡轮叶片和喷嘴翼型)会经受可能致使部件发生故障的高温流。由于较高温度的流一般会使燃气涡轮系统的性能、效率和功率输出提高，因此使经受高温流的部件冷却以允许燃气涡轮系统在增加的温度下操作是有利的。

多壁叶片通常包括错综复杂的内部冷却通道迷宫。例如由燃气涡轮系统的压缩机提供的冷却空气(或其它合适的冷却剂)可穿过冷却通道并从冷却通道排出以使多壁叶片的各个部分冷却。由多壁叶片中的一个或多个冷却通道形成的冷却回路可包括(例如)内部近壁冷却回路、内部中心冷却回路、尖端冷却回路以及邻近多壁叶片的前后边缘的冷却回路。

技术实现要素：

本发明的第一方面提供一种用于多壁叶片的后边缘冷却系统，包括：冷却回路，其包括：向外支路，其朝向所述多壁叶片的后边缘延伸并流体地连接到冷却剂馈线；返回支路，其远离所述多壁叶片的所述后边缘延伸，并且流体地连接到冷却剂收集通道；以及弯曲部，其用于连接所述向外支路与所述返回支路；其中所述向外支路沿着所述多壁叶片的径向轴与所述返回支路径向偏移。

进一步地，所述冷却剂收集通道流体地连接到所述多壁叶片中的至少一个其它冷却回路。

进一步地，还包括冷却剂流，所述冷却剂流穿过所述冷却回路，进入所述冷却剂收集通道，且从所述冷却剂收集通道到所述多壁叶片的至少一个其它冷却回路。

进一步地，所述至少一个其它冷却回路提供膜冷却、对流冷却或冲击冷却中的至少一个。

进一步地，所述向外支路与所述返回支路的所述径向偏移是由以下各物组成的群组中选出：从所述返回支路径向向外和从所述返回支路径向向内。

进一步地，所述返回支路相较于所述向外支路为不同大小。

进一步地，所述返回支路相对于所述向外支路周向偏移。

进一步地，所述向外支路沿着所述多壁叶片的吸力侧延伸，且所述返回支路沿着所述多壁叶片的压力侧延伸，或其中：所述向外支路沿着所述多壁叶片的所述压力侧延伸，且所述返回支路沿着所述多壁叶片的所述吸力侧延伸。

进一步地，还包括至少部分地沿着所述多壁叶片的所述后边缘的径向长度延伸的多个所述冷却回路。

进一步地，还包括多个所述冷却回路，其中：所述多个所述冷却回路中的每一个中的所述向外支路和返回支路的大小根据所述多壁叶片的所述后边缘中的所述冷却回路的径向位置而变化。

本发明的第二方面提供一种多壁涡轮叶片，包括：后边缘冷却系统，其安置在所述多壁涡轮叶片内，所述后边缘冷却系统包括：多个冷却回路，其至少部分地沿着所述多壁叶片的后边缘的径向长度延伸，每一冷却回路包括：向外支路，其朝向所述多壁叶片的所述后边缘延伸并流体地连接到冷却剂馈线；返回支路，其远离所述多壁叶片的所述后边缘延伸并流体地连接到冷却剂收集通道；以及弯曲部，其用于连接所述向外支路与所述返回支路；其中所述向外支路沿着所述多壁叶片的径向轴与所述返回支路径向偏移。

进一步地，所述冷却剂收集通道流体地连接到所述多壁叶片中的至少一个其它冷却回路，所述多壁涡轮叶片还包括冷却剂流，所述冷却剂流穿过所述冷却回路,进入所述冷却剂收集通道，且从所述冷却剂收集通道到所述多壁叶片的至少一个其它冷却回路。

进一步地，所述至少一个其它冷却回路提供膜冷却、对流冷却或冲击冷却中的至少一个。

进一步地，所述向外支路与所述返回支路的所述径向偏移是由以下各物组成的群组中选出：从所述返回支路径向向外和从所述返回支路径向向内。

进一步地，所述返回支路相较于所述向外支路为不同大小。

进一步地，所述返回支路相对于所述向外支路周向偏移。

进一步地，所述向外支路沿着所述多壁叶片的吸力侧延伸，且所述返回支路沿着所述多壁叶片的压力侧延伸，或其中，所述向外支路沿着所述多壁叶片的所述压力侧延伸，且所述返回支路沿着所述多壁叶片的所述吸力侧延伸。

进一步地，所述多个所述冷却回路中的每一个中的所述向外支路和返回支路的大小根据所述多壁叶片的所述后边缘中的所述冷却回路的径向位置而变化。

本发明的第三方面提供一种涡轮机，包括：燃气涡轮系统，其包括压缩机部件、燃烧室部件和涡轮部件，所述涡轮部件包括多个涡轮叶片，所述涡轮叶片中的至少一个包括多壁叶片；以及后边缘冷却系统，其安置在所述多壁叶片内，所述后边缘冷却系统包括：多个冷却回路，其至少部分地沿着所述多壁叶片的后边缘的径向长度延伸，每一冷却回路包括：向外支路，其朝向所述多壁叶片的所述后边缘延伸并流体地连接到冷却剂馈线；返回支路，其远离所述多壁叶片的所述后边缘延伸并流体地连接到冷却剂收集通道；以及弯曲部，其用于连接所述向外支路与所述返回支路；其中所述向外支路沿着所述多壁叶片的径向轴与所述返回支路径向偏移，且其中所述向外支路相对于所述返回支路周向偏移。

进一步地，所述冷却剂收集通道流体地连接到所述多壁叶片中的至少一个其它冷却回路，所述多壁涡轮叶片还包括穿过所述冷却回路，进入所述冷却剂收集通道，且从所述冷却剂收集通道到所述多壁叶片的至少一个其它冷却回路的冷却剂流。

本发明的示例性方面解决本说明书描述的问题和/或未讨论的其它问题。

附图说明

根据结合附图的本发明的各个方面的以下详细描述，本发明的这些和其它特征将更容易被理解，附图描述了本发明的各个实施例。

图1为根据各个实施例的多壁叶片的透视图。

图2为根据各个实施例的图1的多壁叶片沿图1中的线x--x截取的横截面图。

图3为根据各个实施例的后边缘冷却回路的一部分的侧视图。

图4为根据各个实施例的图3的后边缘冷却回路的俯视横截面图。

图5为描述根据各个实施例的图1的多壁叶片在图3和4中所示的区段。

图6为根据各个实施例的后边缘冷却回路的一部分的侧视图。

图7为根据各个实施例的图6的后边缘冷却回路的俯视横截面图。

图8为根据各个实施例的后边缘冷却回路的一部分的侧视图。

图9为根据各个实施例的后边缘冷却回路的一部分的侧视图。

图10为根据各个实施例的燃气涡轮系统的示意图。

应注意，本发明的附图未必按比例绘制。附图旨在仅描述本发明的典型方面，且因此不应视为是对本发明范围的限制。在附图中，相同的数字表示各图之间的相同元件。

具体实施方式

如上面所指出，本发明大体上涉及涡轮系统，且更具体地说涉及用于多壁叶片的冷却回路。多壁叶片可包括(例如)涡轮系统的涡轮叶片或喷嘴。

根据实施例，提供重新使用流的后边缘冷却回路以用于使涡轮系统(如燃气涡轮系统)的多壁叶片冷却。冷却空气流在流过后边缘冷却回路之后被重新使用。在穿过后边缘冷却回路之后，可收集冷却空气流并用来使多壁叶片的其它区段冷却。举例来说，冷却空气流可被引导到多壁叶片的压力侧或吸力侧中的至少一个以实现对流和/或膜冷却。另外，冷却空气流可被提供到多壁叶片内的其它冷却回路，包括尖端和平台冷却回路。

传统的后边缘冷却回路通常在冷却空气流流过后边缘冷却回路之后将其排出多壁叶片。这并非冷却空气的高效使用方法，原因在于冷却空气在从多壁叶片排出之前可能尚未被使用到其最大热容量。相对比地，根据实施例，冷却空气流在穿过后边缘冷却回路之后用于使多壁叶片进一步冷却。

在附图(参见例如图10)中，“a”轴表示轴向定向。如本说明书所用，术语“轴向”和/或“轴向地”是指物体沿着轴a的相对位置/方向，所述轴a与涡轮系统(确切地说，转子区段)的旋转轴大体上平行。如本说明书另外所用，术语“径向”和/或“径向地”是指物体沿着轴“r”(参见例如图1)的相对位置/方向，所述轴“r”与轴a大体上垂直且仅在一个位置处与轴a相交。最后，术语“周向”是指围绕轴a的移动或位置。

转向图1，所示涡轮叶片2的透视图。涡轮叶片2包括柄部4和多壁叶片6(也被称为多壁翼型)，所述多壁叶片6连接到柄部4并从柄部4径向向外延伸。多壁叶片6包括压力侧8、相对吸力侧10和尖端区域52。多壁叶片6进一步包括压力侧8与吸力侧10之间的前边缘14，以及位于前边缘14的相对侧上的在压力侧8与吸力侧10之间的后边缘16。多壁叶片6远离压力侧平台5和吸力侧平台7径向延伸。

柄部4和多壁叶片6可各自由一种或多种金属(例如，镍、镍合金等)形成，且可根据常规方式(例如，浇铸、锻造或以其它方式机器加工)形成。柄部4和多壁叶片6可一体地形成(例如，浇铸、锻造、三维打印等)，或可形成为随后接合(例如，经由焊接、钎焊、搭接或其它连接机构)的独立部件。

图2描述沿着图1的线x--x截取的多壁叶片6的横截面图。如所示，多壁叶片6可包括多个内部通道。在实施例中，多壁叶片6包括至少一个前边缘通道18、至少一个压力侧(近壁)通道20、至少一个吸力侧(近壁)通道22、至少一个后边缘通道24和至少一个中心通道26。当然，多壁叶片6内的通道18、20、22、24、26的数量可取决于(例如)多壁叶片6的特定配置、大小、既定用途等而改变。为此，本说明书所公开的实施例中所示的通道18、20、22、24、26的数量并不意味着是限制性的。根据实施例，可使用通道18、20、22、24、26的不同组合来提供各种冷却回路。

图3到5中描述包括后边缘冷却回路30的实施例。如名称所指示，后边缘冷却回路30邻近多壁叶片6的后边缘16定位，位于多壁叶片6的压力侧8与吸力侧10之间。

后边缘冷却回路30包括多个径向隔开的，即沿着“r”轴(如参见图1)冷却回路32(仅示出两个)，其各自包括向外支路34、弯曲部36和返回支路38。向外支路34朝向多壁叶片6的后边缘16轴向地延伸。返回支路38朝向多壁叶片的前边缘14轴向地延伸。向外支路34和返回支路38可遵循多壁叶片6的吸力侧10和压力侧8的轮廓。在实施例中，后边缘冷却回路30可沿多壁叶片6的后边缘16的整个径向长度l(图5)延伸。在其它实施例中，后边缘冷却回路30可部分地沿多壁叶片6的后边缘16的一个或多个部分延伸。

在每个冷却回路32中，向外支路34通过弯曲部36沿“r”轴相对于返回支路38径向偏移。为此，弯曲部36将安置在第一径向平面p1处的冷却回路32的向外支路34流体连接到安置在第二径向平面p2中的冷却回路32的返回支路38，第二径向平面p2不同于第一径向平面p1。在图3中所示的非限制性实施例中，举例来说，向外支路34相对于返回支路36在冷却回路32中的每一个中径向向外放置。在其它实施例中，在冷却回路32中的一个或多个中，向外支路34相对于返回支路38的径向放置可相反，使得向外支路34相对于返回支路36径向向内放置。图5说明图3中所描述的后边缘冷却回路30的一部分在多壁叶片6内的非限制性位置28。

如图4中所示，除径向偏移之外，向外支路34可通过弯曲部36相对于返回支路38以角度α周向偏移。在此配置中，向外支路34沿着多壁叶片6的吸力侧10延伸，而返回支路38沿着多壁叶片6的压力侧8延伸。在其它实施例中，向外支路34可沿多壁叶片6的压力侧8延伸，而返回支路38可沿多壁叶片6的吸力侧10延伸。径向和周向偏移可(例如)基于后边缘冷却回路30的几何形状和热容量约束和/或其它因素而改变。周向偏移对于每个冷却回路32来说可能相同，或可基于(例如)冷却回路32在多壁叶片的后边缘16中的径向位置而改变。

例如由燃气涡轮系统102的压缩机104(图10)产生的冷却空气流40(或其它合适的冷却剂)经由至少一个冷却剂馈线42(如冷却空气馈线42)流入后边缘冷却回路30。一般来说，可使用任何合适类型的冷却剂。每个冷却空气馈线42可例如使用图2中所描述的后边缘通道24中的一个而形成，或可使用多壁叶片6中的任何其它合适的冷却空气源而提供。在每个冷却回路32处，冷却空气流40的一部分44传递到冷却回路32的向外支路34中并朝向弯曲部36流动。冷却空气流44被冷却回路32的弯曲部36重新引导(如反向)并流入冷却回路32的返回支路38。传递到每个向外支路34中的冷却空气流40的部分44对于每个冷却回路32来说可能相同，或对于冷却回路32的不同集合(即，一个或多个)来说可能不同。

根据实施例，来自后边缘冷却回路30的多个冷却回路32的冷却空气流44流出冷却回路32的返回支路38而进入收集通道46。可提供单个收集通道46，然而也可利用多个收集通道46。收集通道46可例如使用图2中所描述的后边缘通道24中的一个而形成，或可使用多壁叶片6内的一个或多个其它通道而提供。尽管图3中所示为径向向外流过收集通道46，但“使用过的”冷却空气可替代地径向向内流过收集通道46。

流入并流过收集通道46的冷却空气48或其一部分可，如使用一个或多个通道(如通道18到24)和/或多壁叶片6内的通道被引导到多壁叶片6的一个或多个额外冷却回路。为此，冷却空气48的至少一些剩余热容量被用于冷却目的，而不是被低效地从多壁叶片6的后边缘16排出。

冷却空气48或其一部分可用来将膜冷却提供到多壁叶片的各个区域。举例来说，如图1和2中所描述，冷却空气48可用于将冷却膜50提供到多壁叶片6的压力侧8、吸力侧10、压力侧平台5、吸力侧平台7和尖端区域52中的一个或多个。

也可在多壁叶片6中的多通道(如蛇形)冷却回路中使用冷却空气48或其一部分。举例来说，冷却空气48可被馈送到由多个压力侧通道20、多个吸力侧通道22、多个后边缘通道24或其组合形成的蛇形冷却回路中。图2中描述了使用多个后边缘通道24形成的说明性蛇形冷却回路54。在蛇形冷却回路54中，冷却空气48的至少一部分在第一径向方向(如离开纸张方向)上流过后边缘通道24、在相反的径向方向(如进入纸张方向)上流过另一后边缘通道24且在第一径向方向上流过又一后边缘通道24。可使用压力侧通道20、吸力侧通道22、中心通道26或其组合形成类似的蛇形冷却回路54。

冷却空气48也可用于冲击冷却，或与扰流柱一起使用。举例来说，在图2中所描述的非限制性实例中，冷却空气48的至少一部分可被引导到中心通道26、通过冲击孔56且被引导到前边缘通道18的前向表面58上，从而提供对多壁叶片6的前边缘14的冲击冷却。也能设想到冷却空气48的其它冲击使用。冷却空气48的至少一部分也可被引导通过冷却扰流柱60的集合，如在通道(如后边缘通道24)内。采用冷却空气48的许多其它冷却应用也是可能的。

在实施例中，后边缘冷却回路30中的冷却回路32中的一个或多个的向外支路34和返回支路38可具有不同大小。举例来说，如图6和7中所描述，每个冷却回路32中的向外支路34相较于返回支路38可更大(如以增强热传递)。向外支路34的大小可例如通过增大向外支路34的径向高度或橫向宽度中的至少一个而增大。在其它实施例中，向外支路34可小于返回支路38。

在另外的实施例中，后边缘冷却回路30中的冷却回路32中的向外支路34和返回支路38的大小可例如基于冷却回路32在多壁叶片6的后边缘16内的相对径向位置而改变。举例来说，如图8中所描述，径向向外冷却回路32a的向外支路34a和返回支路38a的大小可分别大于冷却回路32b的向外支路34b和返回支路38b(如以增强热传递)。

在另外的实施例中，障碍物可设置在后边缘冷却回路30中的冷却回路32中的至少一个中的向外支路34或返回支路38中的至少一个内。障碍物可包括(例如)金属销、凸块、鳍片、插塞和/或类似物。另外，障碍物的密度可基于冷却回路32在多壁叶片6内的相对径向位置而改变。举例来说，如图9中所描述，障碍物62的集合可设置在径向向外冷却回路32c的向外支路34c和返回支路38c中，以及冷却回路32d的向外支路34d和返回支路38d中。与返回支路38c、38d中的障碍物62的密度相比，向外支路34c、34d中的障碍物62的密度可能分别更高(如以增强热传递)。另外，与冷却回路32d相比，径向向外冷却回路32c中的障碍物62的相对密度可能更高(如以增强热传递)。

图10所示如本说明书可使用的燃气涡轮机102的示意图。燃气涡轮机102可包括压缩机104。压缩机104压缩空气106的进气流。压缩机104将压缩空气流108递送到燃烧室110。燃烧室110将压缩空气流108与加压的燃料流112混合并点燃混合物，以形成燃烧气体流114。尽管仅示出单个燃烧室110，但燃气涡轮系统102可包括任何数量的燃烧室110。燃烧气体流114进而被递送到涡轮116，所述涡轮116通常包括多个涡轮叶片2(图1)。燃烧气体流114驱动涡轮116，以产生机械功。在涡轮116中产生的机械功经由轴118驱动压缩机104，且可用以驱动例如发电机等的外部负载120。

为了提供对多壁翼型/叶片的后边缘的额外冷却和/或将冷却膜直接提供到后边缘，排气通道(图未示)可从本说明书所描述的任何冷却回路的任何一部分穿过后边缘并传递出后边缘和/或传递出翼型/叶片的邻近后边缘的一侧。每个排气通道可经大小设定和/或放置在后边缘内以仅接收冷却剂的在特定冷却回路中流动的部分(如少于一半)。即使包括排气通道，大部分(如超过一半的)冷却剂仍可流过冷却回路，并且具体地说，流过其返回支路，以随后提供到多壁翼型/叶片的不同部分以用于本说明书所描述的其它目的，例如膜冷却和/或冲击冷却。

在各个实施例中，描述为彼此“连接”的部件可沿一个或多个界面接合。在一些实施例中，这些界面可包括不同部件之间的接合点，且在其它情况下，这些界面可包括牢固地和/或一体地形成的互连件。也就是说，在一些情况下，彼此“连接”的部件可同步形成以限定单个连续构件。然而，在其它实施例中，这些连接部件可形成为独立构件且随后通过已知工艺(如紧固、超声波焊接、搭接)接合。流体连接是指流体可流过的连接。

当元件或层被称为在另一元件“上”、“接合到”、“连接到(connectedto/coupledto)”另一元件时，其可以直接在所述另一元件上、直接接合到、连接到所述另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件上”、“直接接合到”、“直接连接到”另一元件时，可不存在中间元件或层。应以类似方式来解释用来描述元件之间的关系的其它词语(如“在…之间”对比“直接在…之间”、“邻近于”对比“直接邻近于”等)。如本说明书所用，术语“和/或”包括相关联所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。

本说明书所用的术语仅用来描述特定实施例，而非旨在限制本发明。如本说明书所用，单数形式“一(a/an)”和“所述”也旨在包括复数形式，除非上下文明确指示不是这样。进一步应当了解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises/comprising)”指定了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。

本书面描述使用实例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可专利范围由权利要求书所限定，并且可包括所属领域的技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有与所附权利要求的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，那么这种其它实例希望在权利要求的范围内。