CN204312137U - 涡轮发动机及涡轮机喷嘴轮叶段 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种涡轮发动机及涡轮机喷嘴轮叶段,所述涡轮机喷嘴轮叶段包括一个或多个喷嘴轮叶,所述喷嘴轮叶延伸在径向内侧壁与外侧壁之间,每个喷嘴轮叶具有***边缘壁,所述***边缘壁延伸在所述轮叶的前缘与后缘之间。在一个示例性实施例中,至少一个大体径向定向的冷却通路形成于所述***边缘壁中位于所述前缘处,所述冷却通路的相对端处具有开口。所述冷却通路的位置和长度可以围绕所述***边缘壁改变,并且所述轮叶的所述内腔可以具有肋,所述肋邻接所述一个或多个冷却通路并且沿其延伸,以加固所述壁并且在所述内腔中提供额外的冷却表面积。本实用新型能够提供更加高效的冷却。

Description

涡轮发动机及涡轮机喷嘴轮叶段
技术领域
本实用新型总体上涉及改进涡轮发动机的效率和/或运行。具体但不限定地说,本实用新型涉及改进涡轮机喷嘴轮叶或叶片的冷却。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括压缩机、一个或多个燃烧器以及至少一个涡轮机部分。所述压缩机和涡轮机部分通常包括轴向堆叠在各级中的多行轮叶和动叶。每一级可以包括多行交替的周向隔开的定子轮叶,所述定子轮叶是固定的,以及周向隔开的动叶,所述动叶安装在固定到涡轮机转子的轮上。运行中,压缩机中的转子叶片随着转子旋转,以压缩供应到压缩机的空气流。大多数经压缩的空气与一个或多个燃烧器中的气体或液体燃料混合并且点燃,以提供高温气体流,所述气体流膨胀穿过发动机的涡轮机部分,致使涡轮机转子旋转。因此,燃料中所含的能量被转换成旋转转子的机械能,用于旋转压缩机的转子叶片,从而产生燃烧所需的压缩空气供应,同时,所述机械能还用于旋转发电机的线圈,从而发电。
运行中,由于高温气体通道中的极端温度、工作流体的速度以及发动机的旋转速度,因此旋转动叶(或翼片)以及固定定子轮叶均由于机械和热载荷而变得高度受压。
所属领域中的普通技术人员将认识到,一种减轻热应力的策略是冷却喷嘴轮叶和/或动叶,以便轮叶和/或动叶承受的温度小于高温气体通道的温度。例如,通过有效冷却,这些高温气体通道部件能够承受更高点火温度、在高工作温度下承受较大热-机械应力并且/或者延长使用寿命,这些均能够使涡轮发动机变得更成本有效和高效。一种 在运行期间冷却轮叶和动叶的方法是使用内部冷却通道或环路。通常,这包括将可以通过压缩机供应的较低温度空气输送穿过轮叶或翼片内的内部冷却环路。
但是,仍然需要对暴露于高温燃烧气体中的固定喷嘴轮叶的前缘等提供更有效且高效的冷却,尤其是在第一涡轮机级中,在该级中,经历的温度和热应力最大。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种涡轮发动机及涡轮机喷嘴轮叶段,其具有冷却增强作用的燃气涡轮机翼片,以提供高效冷却。
在一个示例性但非限定性实施例中,提供了一种涡轮机喷嘴轮叶段,所述涡轮机喷嘴轮叶段包括:一个或多个喷嘴轮叶,所述喷嘴轮叶延伸在径向内侧壁与径向外侧壁之间,每个喷嘴轮叶具有边缘壁,所述边缘壁包括前缘和后缘;以及至少一个大体径向定向的冷却通路,所述冷却通路形成于***边缘壁中,具有位于所述内侧壁和所述外侧壁其中一个侧壁处的入口。
如该实施例中的涡轮机喷嘴轮叶段,其中所述至少一个径向定向的冷却通路包括多个径向定向的冷却通路,所述多个径向定向的冷却通路包括位于所述前缘的最前部的一个冷却通路;
其中所述喷嘴轮叶中空,并且其中径向定向的肋提供在所述***边缘壁的内表面上,邻接所述至少一个径向定向的冷却通路并且沿其延伸;
其中所述喷嘴轮叶中空,并且其中径向定向的肋提供在所述***边缘壁的内表面上,邻接所述多个径向定向的冷却通路中的每个冷却通路并且沿其延伸;
其中所述径向定向的肋位于所述喷嘴轮叶中的内部冷却腔内;
其中所述至少一个径向定向的冷却通路包括多个冷却通路,所述多个冷却通路位于所述前缘与后缘之间所述***边缘壁周围的隔开位置处,并且其中径向定向的肋提供在所述***边缘壁的内表面上, 邻接所述多个冷却通路中的每个冷却通路并且沿其延伸;
其中所述多个径向定向的冷却通路具有出口,位于所述内侧壁与外侧壁之间的不同径向位置处;
其中每个所述轮叶包括内部冷却环路,所述内部冷却回路与所述至少一个径向定向的冷却通路独立并且不连接,并且所述至少一个通路的出口位于所述内侧壁和外侧壁中的另一个侧壁中;
其中所述至少一个径向定向的冷却通路具有圆形、矩形或跑道形截面形状;
其中至少一个径向定向的冷却通路沿径向长度尺寸具有多个不同直径的部分。
在另一个非限定性方面中,本实用新型提供了一种涡轮发动机,所述涡轮发动机包括压缩机、至少一个燃烧器和至少一个涡轮机级,所述涡轮机级包括一行固定喷嘴轮叶,所述固定喷嘴轮叶延伸在径向内侧壁与径向外侧壁之间,每个喷嘴轮叶具有***边缘壁,所述***边缘壁包括前缘和后缘;以及至少一个大体径向定向的冷却通路,所述冷却通路形成于***边缘壁中,具有位于所述内侧壁和外侧壁其中一个侧壁处的入口。
如该实施例中的涡轮发动机,其中所述至少一个径向定向的冷却通路包括多个径向定向的冷却通路,所述多个径向定向的冷却通路包括位于所述前缘的最前部的一个冷却通路;
其中所述喷嘴轮叶中空,并且其中径向定向的肋提供在所述***边缘壁的内表面上,邻接所述至少一个径向定向的冷却通路并且沿其延伸;
其中所述喷嘴轮叶中空,并且其中径向定向的肋提供在所述***边缘壁的内表面上,邻接所述多个径向定向的冷却通路中的每个冷却通路并且沿其延伸;
其中所述径向定向的肋位于所述喷嘴轮叶中的内部冷却腔内;
其中所述至少一个径向定向的冷却通路包括多个冷却通路,所述 多个冷却通路位于所述前缘与后缘之间所述***边缘壁周围的隔开位置处,并且其中径向定向的肋提供在所述***边缘壁的内表面上,邻接所述多个冷却通路中的每个冷却通路并且沿其延伸;
其中所述至少一个径向定向的冷却通路具有连接到所述内部冷却腔的出口;
其中所述轮叶包括内部冷却环路,所述内部冷却回路与所述至少一个径向定向的冷却通路独立并且不连接,并且所述至少一个通路的出口位于所述内侧壁和外侧壁中的另一个侧壁中;
其中所述至少一个径向定向的冷却通路具有圆形、矩形或跑道形截面形状。
本实用新型的另一个特征是在喷嘴轮叶的内腔中提供了加强肋,所述加强肋与所述***边缘壁中的所述通路相邻并且至少部分沿所述通路延伸。因此,在另一个示例性方面中,提供了一种涡轮发动机,所述涡轮发动机包括压缩机、至少一个燃烧器和至少一个涡轮机级,所述涡轮机级包括:一行固定喷嘴轮叶,所述固定喷嘴轮叶延伸在径向内侧壁与外侧壁之间,每个喷嘴轮叶具有***边缘壁,所述***边缘壁包括前缘和后缘;以及多个大体径向定向的冷却通路,所述冷却通路包括在所述前缘处,围绕所述***边缘壁形成,所述多个大体径向定向的冷却通路至少部分沿所述内侧壁与外侧壁之间的径向长度延伸,并且具有入口,所述入口位于所述内侧壁和外侧壁其中一个侧壁的内部或邻接位置处;以及加强肋,所述加强肋在邻近所述多个大体径向定向的冷却通路中的每个冷却通路处沿所述***边缘的内表面延伸。
本实用新型的有益效果在于能够提供更加高效的冷却。
附图说明
图1是传统燃气涡轮发动机的示意图;
图2是传统燃气涡轮发动机的涡轮机部分的局部侧视图;
图3是根据本实用新型一个示例性但非限制性实施例的燃气涡轮机喷嘴轮叶组的透视图;
图4是根据本实用新型一个示例性但非限定性实施例的前缘冷却通路的局部剖视图;
图5和图6是截自图4中的放大细节图;
图7是根据一个实施例的示例性冷却通路的局部透视图;
图8是根据另一个实施例的示例性冷却通路的局部透视图;
图9是根据另一个实施例的示例性冷却通路的局部透视图;
图10是根据另一个示例性但非限定性实施例的设有冷却通路的喷嘴轮叶的局部俯视图;
图11是根据另一个示例性实施例的具有不同直径的冷却通路的喷嘴轮叶的局部剖视图;以及
图12是根据另一个示例性实施例的喷嘴轮叶的局部剖视图,所述喷嘴轮叶具有邻近所述轮叶的前缘的冷却通路阵列。
具体实施方式
图1是燃气涡轮机***10的示意图,如本说明书中进一步所述,所述燃气涡轮机***包括可以设有内部冷却环路的固定轮叶和旋转叶片或动叶。在这种其他方面属传统技术的布置中,通过入口12供应的空气在压缩机14中增压并且在一个或多个燃烧器16中与燃料混合并点燃,从而产生高温燃烧气体。在安置在所述燃烧器下游的一个或多个燃气涡轮机部分18中提取燃烧气体中的能量,以驱动用于发电的发电机20。提取的能量还可以用于驱动压缩机14,同时请注意,涡轮机转子22可以是压缩机、涡轮机级和发电机所共有的。但是,本说明书中所述的本实用新型并不仅限于图示的燃气涡轮机***。另外就这方面而言,本说明书中所述的冷却环路完全适用于使用流过冷却环路通道或腔的空气的各种薄膜冷却构造。
另外参见图2,在典型的燃气涡轮机构造中,多个燃烧器16可以围绕涡轮机转子呈环状安置,同时具有多个过渡件24,所述过渡件将 高温燃烧气体从相应的燃烧器输送到燃气涡轮机部分18。
如图2中所示的燃气涡轮机部分18包括三个单独的级。每一级包括一组动叶26、28、30,其分别连接到相应的转子轮32、34和36,所述转子轮以传统方式附接到涡轮机转子或轴(未图示)。轴向隔开的多行动叶之间分别设有固定叶片或轮叶38、40、42的环形阵列,所述固定叶片或轮叶包括涡轮机喷嘴,所述涡轮机喷嘴固定到周围的涡轮机定子(未图示),并且在图2中标记为S1N、S2N和S3N。
所述行喷嘴具有内侧壁46和外侧壁48,所述标记仅适用于所述行的轮叶38,但是类似的内侧壁和外侧壁也与每个喷嘴级的轮叶相关。所述侧壁通常以弓形段的形式设置,以便每段可以支撑一个、两个或更多个轮叶。
图3示出了根据本实用新型的第一示例性但非限定性实施例的轮叶段。两个轮叶50、52分别具有***边缘壁51、53,其围绕所述轮叶延伸,将相应的前缘54、56和后缘(一个图示为55)连接。所述轮叶支撑在所述段的内侧壁46与外侧壁48之间。喷嘴轮叶50、52的前缘54、56暴露于从过渡件24流入第一涡轮机级中的高温燃烧气体中。由于轮叶50、52大体相同,因此只需详细描述一个即可,应了解,S1N喷嘴中的所有轮叶38均可具有下述的冷却增强作用。
在一个示例性但非限定性实施例中,前缘54具有独立于可设在轮叶中的其他传统内部冷却环路的额外冷却特征。具体参照图4到图6,冷却通道或通路58在轮叶的径向外端60与径向内端62之间,沿喷嘴轮叶50的前缘54径向延伸穿过***边缘壁51。在图示的实例中,内端62在一侧64处向外延展。可认识到,通路58可以钻孔或铸造在适当位置,并且所述通路可以延伸穿过内侧壁46和外侧壁48。通路58在径向外端和径向内端处敞开,以允许压缩机排气或抽取空气流过所述通道。由于在示例性实施例中,通道58图示为延伸在***边缘壁51的壁厚内,因此需要加固所述边缘壁,以维持所需的厚度,如下文详述。可认识到,可以如图所述有一个冷却通路58,或者可以 有多个冷却通路横跨所述轮叶的前缘,并且所述通路可以具有各种截面形状。
图7到图9图示了具有不同截面形状以及内部加强肋构造的多个冷却通路布置的实例。具体来说,图7示出了三个冷却通道或通路的阵列,包括位于前缘54的最前部的通路58,以及相邻的通路66和68,所述通路全部具有“跑道形”截面,内部的肋70、72和74与相应的通路大体对齐并且沿其延伸。运行中,压缩机提供的二次冷却流将穿过径向定向的通道或通路58、66和68,降低前缘温度,从而改进LCF、蠕变和氧化性能。肋70、72和74用于加固正对着相应冷却通路的前缘54的壁厚。图8示出了类似的布置,但是冷却通路158、166和168具有圆形截面形状,而加强肋170、172和174保持与图7中大致相同。图9示出了类似的布置,但是冷却通路258、266和268具有大体呈矩形的截面形状。同样,内部加强肋270、272和274与图7和图8中所示的类似。可认识到,冷却通路形状和加强肋形状可以根据需要改变,以实现所需的冷却。例如,所述肋可以呈锥形或者以其他方式具有沿其对应长度的不均匀厚度。
以图7为例,还应注意,前缘冷却通道58、66和68的存在并未改变可以作为其他传统内部轮叶冷却环路的一部分的现有前缘冷却腔76,但是冷却腔76内的肋70、72和74可以用于增大腔内的表面积,从而可以强化冷却。
还可以认识到,轮叶***边缘壁内设置的冷却通路的数量和位置可以改变。例如,如图10所示,并且根据冷却要求,多个通路76可以形成于围绕***边缘壁78的全部或一部分的多个隔开位置中,并根据需要设置内部加强肋,以满足针对***边缘壁的最低厚度要求。
如图11所示,各个通路沿其对应长度的直径可以不同。具体来说,形成于***边缘壁82中的冷却通路80具有与外侧壁86相邻的第一直径部分84以及较小直径部分88,所述较小直径部分位于内侧壁与外侧壁之间的径向位置中。各个直径之间的过渡点可以根据需要 出现,具体取决于冷却要求。
图12示出了另一种冷却通路布置,在这种布置中,冷却通路的径向长度在前缘90的每一侧上不同。具体来说,径向长度逐渐缩小的两个额外的通路92和94被图示为位于前缘通路96的一侧,应了解,类似的通路可以对称或不对称的方式形成到前缘90的另一侧上。因此,所述通路可以止于径向内侧壁和/或外侧壁之间的任何位置处(例如,轮叶的径向长度的50%到100%),并且每个通路可以具有连接到轮叶内的内部冷却腔的一个或多个出口。在图12中,前缘通路96被图示为具有多个出口98,并且此特征可以适用于本说明书中所述的任何冷却通路布置。请注意,出口98可以或者不可以延伸穿过加强肋(图12中未图示)。
此外,二级压缩机排气或提取气流的方向可以为径向向外或径向向外方向,因此可以决定通路的入口和出口位置。换言之,通路入口可以位于内侧壁和外侧壁其中一个侧壁的内部(或者邻接位置处)。
请注意,尽管本实用新型主要参照示例性陆地燃气涡轮发动机的第一级进行描述,但是本实用新型可以适用于任何涡轮机级,并且所属领域中的普通技术人员还将认识到,本实用新型的实施例还可以用于其他涡轮机中,包括飞机中所用的涡轮机,或者其他类型的转缸式发动机中。
尽管本实用新型已结合目前被认为是最具实用性且最优选的实施例进行了描述,但应了解,本实用新型不限于所公开的实施例,而是旨在涵盖随附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效配置。

Claims (20)

1.一种涡轮机喷嘴轮叶段,所述涡轮机喷嘴轮叶段包括:
一个或多个喷嘴轮叶,所述喷嘴轮叶延伸在径向内侧壁与径向外侧壁之间,每个喷嘴轮叶具有***边缘壁,所述***边缘壁包括前缘和后缘;以及至少一个径向定向的冷却通路,所述冷却通路形成于所述***边缘壁中,具有位于所述内侧壁和所述外侧壁其中一个侧壁处的入口。
2.根据权利要求1所述的涡轮机喷嘴轮叶段,其中所述至少一个径向定向的冷却通路包括多个径向定向的冷却通路,所述多个径向定向的冷却通路包括位于所述前缘的最前部的一个冷却通路。
3.根据权利要求1所述的涡轮机喷嘴轮叶段,其中所述喷嘴轮叶大体上中空,并且其中径向定向的肋提供在所述***边缘壁的内表面上,邻接所述至少一个径向定向的冷却通路并且沿其延伸。
4.根据权利要求2所述的涡轮机喷嘴轮叶段,其中所述喷嘴轮叶中空,并且其中径向定向的肋提供在所述***边缘壁的内表面上,邻接所述多个径向定向的冷却通路中的每个冷却通路并且沿其延伸。
5.根据权利要求4所述的涡轮机喷嘴轮叶段,其中所述径向定向的肋位于所述喷嘴轮叶中的内部冷却腔内。
6.根据权利要求1所述的涡轮机喷嘴轮叶段,其中所述至少一个径向定向的冷却通路包括多个冷却通路,所述多个冷却通路位于所述前缘与后缘之间所述***边缘壁周围的隔开位置处,并且其中径向定向的肋提供在所述***边缘壁的内表面上,邻接所述多个冷却通路中的每个冷却通路并且沿其延伸。
7.根据权利要求2所述的涡轮机喷嘴轮叶段,其中所述多个径向定向的冷却通路具有出口,位于所述内侧壁与外侧壁之间的不同径向位置处。
8.根据权利要求1所述的涡轮机喷嘴轮叶段,其中每个所述轮叶包括内部冷却环路,所述内部冷却回路与所述至少一个径向定向的冷却通路独立并且不连接,并且所述至少一个通路的出口位于所述内侧壁和外侧壁中的另一个侧壁中。
9.根据权利要求1所述的涡轮机喷嘴轮叶段,其中所述至少一个径向定向的冷却通路具有圆形、矩形或跑道形截面形状。
10.根据权利要求1所述的涡轮机喷嘴轮叶段,其中至少一个径向定向的冷却通路沿径向长度尺寸具有多个不同直径的部分。
11.一种涡轮发动机,所述涡轮发动机包括压缩机、至少一个燃烧器和至少一个涡轮机级,所述涡轮机级包括一行固定喷嘴轮叶,所述固定喷嘴轮叶延伸在径向内侧壁与径向外侧壁之间,每个喷嘴轮叶具有***边缘壁,所述***边缘壁包括前缘和后缘;以及至少一个径向定向的冷却通路,所述冷却通路形成于所述***边缘壁中,具有位于所述内侧壁和所述外侧壁其中一个侧壁处的入口。
12.根据权利要求10所述的涡轮发动机,其中所述至少一个径向定向的冷却通路包括多个径向定向的冷却通路,所述多个径向定向的冷却通路包括位于所述前缘的最前部的一个冷却通路。
13.根据权利要求11所述的涡轮发动机,其中所述喷嘴轮叶中空,并且其中径向定向的肋提供在所述***边缘壁的内表面上,邻接所述至少一个径向定向的冷却通路并且沿其延伸。
14.根据权利要求12所述的涡轮发动机,其中所述喷嘴轮叶中空,并且其中径向定向的肋提供在所述***边缘壁的内表面上,邻接所述多个大体径向定向的冷却通路中的每个冷却通路并且沿其延伸。
15.根据权利要求11所述的涡轮发动机,其中所述径向定向的肋位于所述喷嘴轮叶中的内部冷却腔内。
16.根据权利要求11所述的涡轮发动机,其中所述至少一个径向定向的冷却通路包括多个冷却通路,所述多个冷却通路位于所述前缘与后缘之间所述***边缘壁周围的隔开位置处,并且其中径向定向的肋提供在所述***边缘壁的内表面上,邻接所述多个冷却通路中的每个冷却通路并且沿其延伸。
17.根据权利要求15所述的涡轮发动机,其中所述至少一个径向定向的冷却通路具有连接到所述内部冷却腔的出口。
18.根据权利要求11所述的涡轮发动机,其中所述轮叶包括内部冷却环路,所述内部冷却回路与所述至少一个径向定向的冷却通路独立并且不连接,并且所述至少一个通路的出口位于所述内侧壁和外侧壁中的另一个侧壁中。
19.根据权利要求11所述的涡轮发动机,其中所述至少一个径向定向的冷却通路具有圆形、矩形或跑道形截面形状。
20.一种涡轮发动机,所述涡轮发动机包括压缩机、至少一个燃烧器和至少一个涡轮机级,所述涡轮机级包括:一行固定喷嘴轮叶,所述固定喷嘴轮叶延伸在径向内侧壁与外侧壁之间,每个喷嘴轮叶具有***边缘壁,所述***边缘壁包括前缘和后缘;以及多个径向定向的冷却通路,所述冷却通路包括在所述前缘处,围绕所述***边缘壁形成,所述多个大体径向定向的冷却通路至少部分沿所述内侧壁与外侧壁之间的径向长度延伸,并且具有入口,所述入口位于所述内侧壁和所述外侧壁其中一个侧壁的内部或邻接位置处;以及加强肋,所述加强肋在邻近所述多个径向定向的冷却通路中的每个冷却通道处沿所述***边缘的内表面延伸。
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