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1、(10)申请公布号 CN 103089327 A (43)申请公布日 2013.05.08 CN 103089327 A *CN103089327A* (21)申请号 201210432115.9 (22)申请日 2012.11.02 13/289,090 2011.11.04 US F01D 5/18(2006.01) F04D 29/26(2006.01) (71)申请人 通用电气公司 地址 美国纽约州 (72)发明人 J.A. 瓦伦 M.S. 洪坎普 (74)专利代理机构 中国专利代理(香港)有限公 司 72001 代理人 李强 严志军 (54) 发明名称 用于涡轮机系统的叶片组件 (5。
2、7) 摘要 本发明公开了一种用于涡轮机系统的叶片组 件。所述叶片组件包括具有外表面并且限定主冷 却回路的主体, 以及围绕所述主体并且至少部分 地限定平台冷却回路的平台。所述叶片组件还包 括限定于所述主体中从所述外表面延伸的通道, 所述通道连接所述主冷却回路和所述平台冷却回 路, 以及至少部分地布置在所述通道中的塞子。 所 述塞子包括头部和柱塞。所述头部被构造成防止 通过所述通道的至少一部分的流动。所述柱塞具 有连续外表面并且被构造成用于允许所述主冷却 回路和所述平台冷却回路之间的流动。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 6 页 (19)中华人。
3、民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图6页 (10)申请公布号 CN 103089327 A CN 103089327 A *CN103089327A* 1/2 页 2 1. 一种用于涡轮机系统的叶片组件, 其包括 : 主体, 所述主体具有外表面并且限定主冷却回路 ; 平台, 所述平台围绕所述主体并且至少部分地限定平台冷却回路 ; 限定于所述主体中从所述外表面延伸的通道, 所述通道连接所述主冷却回路和所述平 台冷却回路 ; 以及 至少部分地布置在所述通道中的塞子, 所述塞子包括头部和柱塞, 所述头部被构造成 防止通过所述通道的至少一部分的流动, 所述柱塞。
4、具有连续外表面并且被构造成用于允许 所述主冷却回路和所述平台冷却回路之间的流动。 2. 根据权利要求 1 所述的叶片组件, 其特征在于, 所述平台冷却回路包括入口部分、 中 间部分和出口部分, 并且所述通道连接所述主冷却回路和所述出口部分。 3. 根据权利要求 1 所述的叶片组件, 其特征在于, 所述柱塞具有的直径小于所述头部 的直径。 4. 根据权利要求 1 所述的叶片组件, 其特征在于, 所述柱塞具有长度和直径, 并且所述 柱塞的所述直径通过所述长度的至少一部分远离所述头部递减。 5. 根据权利要求 1 所述的叶片组件, 其特征在于, 所述柱塞包括成环形阵列布置的多 个鳍部, 所述多个鳍部。
5、彼此间隔开以限定其间的多个沟槽。 6. 根据权利要求 1 所述的叶片组件, 其特征在于, 所述头部具有圆形横截面轮廓。 7. 根据权利要求 1 所述的叶片组件, 其特征在于, 所述柱塞具有圆形横截面轮廓。 8. 根据权利要求 1 所述的叶片组件, 其特征在于, 所述柱塞相对于所述头部可移动。 9. 根据权利要求 1 所述的叶片组件, 其特征在于, 所述主体限定多个主冷却回路。 10. 根据权利要求 1 所述的叶片组件, 其特征在于, 所述主体包括翼型和柄, 所述翼型 从所述柄径向向外定位。 11. 一种涡轮机系统, 其包括 : 压缩机 ; 联接到所述压缩机的涡轮机 ; 以及 布置在所述压缩机或。
6、涡轮机中的至少一个中的多个叶片组件, 所述叶片组件中的至少 一个包括 : 主体, 所述主体具有外表面并且限定主冷却回路 ; 平台, 所述平台围绕所述主体并且至少部分地限定平台冷却回路 ; 限定于所述主体中从所述外表面延伸的通道, 所述通道连接所述主冷却回路和所述平 台冷却回路 ; 以及 至少部分地布置在所述通道中的塞子, 所述塞子包括头部和柱塞, 所述头部被构造成 防止通过所述通道的至少一部分的流动, 所述柱塞具有连续外表面并且被构造成用于允许 所述主冷却回路和所述平台冷却回路之间的流动。 12. 根据权利要求 11 所述的涡轮机系统, 其特征在于, 所述平台冷却回路包括入口部 分、 中间部分。
7、和出口部分, 并且所述通道连接所述主冷却回路和所述出口部分。 13. 根据权利要求 11 所述的涡轮机系统, 其特征在于, 所述柱塞具有的直径小于所述 头部的直径。 14. 根据权利要求 11 所述的涡轮机系统, 其特征在于, 所述柱塞具有长度和直径, 并且 权 利 要 求 书 CN 103089327 A 2 2/2 页 3 所述柱塞的所述直径通过所述长度的至少一部分远离所述头部递减。 15. 根据权利要求 11 所述的涡轮机系统, 其特征在于, 所述柱塞包括成环形阵列布置 的多个鳍部, 所述多个鳍部彼此间隔开以限定其间的多个沟槽。 16. 根据权利要求 11 所述的涡轮机系统, 其特征在于。
8、, 所述头部具有圆形横截面轮廓。 17. 根据权利要求 11 所述的涡轮机系统, 其特征在于, 所述柱塞具有圆形横截面轮廓。 18. 根据权利要求 11 所述的涡轮机系统, 其特征在于, 所述柱塞相对于所述头部可移 动。 19. 根据权利要求 11 所述的涡轮机系统, 其特征在于, 所述主体限定多个主冷却回路。 20. 根据权利要求 11 所述的涡轮机系统, 其特征在于, 所述主体包括翼型和柄, 所述翼 型从所述柄径向向外定位。 权 利 要 求 书 CN 103089327 A 3 1/5 页 4 用于涡轮机系统的叶片组件 技术领域 0001 本发明大体而言涉及涡轮机系统, 并且更具体地涉及用。
9、于涡轮机系统的叶片组 件。 背景技术 0002 涡轮机系统广泛地用于诸如发电的领域中。例如, 常规燃气涡轮机系统包括压缩 机、 燃烧器和涡轮机。在燃气涡轮机系统的操作期间, 系统中的各部件经受可以导致部件 出故障的高温流动。由于更高温度的流动大体上导致燃气涡轮机系统的性能、 效率和功率 输出的提高, 因此必须冷却经受高温流动的部件以允许燃气涡轮机系统在增加的温度下操 作。 0003 在本领域中已知用于冷却各燃气涡轮机系统部件的各种策略。例如, 冷却介质可 以从压缩机路由 (route) 并且提供给各部件。冷却介质可以用于冷却各部件, 例如涡轮机 部件。 0004 叶片是必须进行冷却的热气体路径。
10、部件的一个例子。 例如, 叶片的各部分 (例如翼 型、 平台、 柄和鸠尾榫) 布置在热气体路径中并且暴露于较高温度, 并且因此需要冷却。各冷 却通道和冷却回路可以限定于叶片的各部分中, 并且冷却介质可以流动通过各冷却通道和 冷却回路以冷却叶片。 0005 在许多已知的叶片中, 一个或多个主冷却回路可以限定于典型地包括翼型和柄的 主体中。附加冷却回路可以限定于平台中。在叶片的铸造期间, 形成这些回路的芯部件典 型地保持分离。然而, 这样的回路必须大体上与成品、 可操作叶片流体连通。因此, 在铸造 之后, 通道典型地被钻出或以另外方式从叶片的外表面形成到主体中。通道延伸通过并且 连接主冷却回路和平。
11、台冷却回路。 0006 在叶片的操作期间为了防止冷却介质通过该通道逸出, 塞子典型地插入该通道 中。然而, 已知的塞子具有各种缺点。例如, 许多已知的塞子阻塞冷却回路之间的任何流体 连通, 并且包括提供该流体连通的塞子内的通道。这样的通道的使用可以通过不适当地限 制冷却介质并且迫使冷却介质沿着这样的通道的路径而导致冷却不足。 其它已知的塞子包 括取向特征, 并且只有当塞子以适当的取向插入通道中时才正确地操作。 0007 因此, 在本领域中期望一种用于涡轮机系统的改进的塞子和叶片组件。 具体地, 具 有用于提供各冷却回路之间的流体连通的改进特征的塞子和叶片系统将是有利的。 发明内容 0008 本。
12、发明的多个方面和优点将部分地在以下描述中进行阐述, 或者可以从该描述显 而易见, 或者可以通过本发明的实施而知悉。 0009 在一个实施例中, 公开了一种用于涡轮机系统的叶片组件。所述叶片组件包括具 有外表面并且限定主冷却回路的主体, 以及围绕所述主体并且至少部分地限定平台冷却 回路的平台。所述叶片组件还包括限定于所述主体中从所述外表面延伸的通道, 所述通 说 明 书 CN 103089327 A 4 2/5 页 5 道连接所述主冷却回路和所述平台冷却回路, 以及至少部分地布置在所述通道中的塞子 (plug) 。所述塞子包括头部和柱塞 (plunger) 。所述头部被构造成防止通过所述通道的至。
13、 少一部分的流动。 所述柱塞具有连续外表面并且被构造成用于允许所述主冷却回路和所述 平台冷却回路之间的流动。 0010 参考以下描述和附带的权利要求, 本发明的这些和其它特征、 方面和优点将变得 更好理解。包含在该说明书中并且构成该说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例, 并且与描述一起用于解释本发明的原理。 附图说明 0011 在参考附图的说明书中阐述了包括对于本领域技术人员而言是本发明的最佳模 式的本发明的完整和可实施的公开, 其中 : 0012 图 1 是根据本公开的一个实施例的燃气涡轮机系统的示意图 ; 0013 图 2 是根据本公开的一个实施例的叶片组件的透视图 ; 0014 图 。
14、3 是主视图, 其示出了根据本公开的一个实施例的叶片组件的内部部件 ; 0015 图 4 是根据本公开的一个实施例的叶片组件的横截面图 ; 0016 图 5 是根据本公开的一个实施例的塞子的透视图 ; 0017 图 6 是根据本公开的另一个实施例的塞子的透视图 ; 0018 图 7 是根据本公开的另一个实施例的塞子的透视图 ; 以及 0019 图 8 是根据本公开的另一个实施例的塞子的透视图。 具体实施方式 0020 现在将详细地参考本发明的实施例, 所述实施例的一个或多个例子在附图中示 出。 每个例子作为本发明的解释而不是作为本发明的限制而被提供。 实际上, 本领域技术人 员将显而易见可以在。
15、本发明中进行各种修改和变化而不脱离本发明的范围或精神。例如, 作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以用于另一个实施例以产生又一个实施例。 因此, 本发明旨在涵盖属于附带的权利要求及其等同物的范围内的这样的修改和变化。 0021 图 1 是燃气涡轮机系统 10 的示意图。系统 10 可以包括压缩机 12、 燃烧器 14 和涡 轮机 16。压缩机 12 和涡轮机 16 可以由轴 18 联接。轴 18 可以是单轴或联接在一起形成轴 18 的多个轴段。 0022 涡轮机 16 可以包括多个涡轮机级。例如, 在一个实施例中, 涡轮机 16 可以具有三 个级。涡轮机 16 的第一级可以包括多个周向间隔。
16、的喷嘴和叶片。喷嘴可以围绕轴 18 周向 地布置和固定。叶片可以围绕轴周向地布置并且联接到轴 18。涡轮机 16 的第二级可以包 括多个周向间隔的喷嘴和叶片。喷嘴可以围绕轴 18 周向地布置和固定。叶片可以围绕轴 18周向地布置并且联接到轴18。 涡轮机16的第三级可以包括多个周向间隔的喷嘴和叶片。 喷嘴可以围绕轴 18 周向地布置和固定。叶片可以围绕轴 18 周向地布置并且联接到轴 18。 涡轮机 16 的各级可以至少部分地布置在涡轮机 16 中, 并且可以至少部分地限定热气体路 径 (未显示) 。应当理解涡轮机 16 不限于三个级, 而是在本公开的范围和精神内的任何数量 的级。 0023 。
17、类似地, 压缩机 12 可以包括多个压缩机级 (未显示) 。压缩机 12 级的每一个可以 说 明 书 CN 103089327 A 5 3/5 页 6 包括多个周向间隔的喷嘴和叶片。 0024 涡轮机 16 和 / 或压缩机 12 中的叶片的一个或多个可以包括叶片组件 30, 如图 2 至 4 中所示。叶片组件 30 可以包括主体 32 和平台 34。主体 32 典型地包括翼型 36 和柄 38。翼型 36 可以从柄 38 径向向外定位。柄 38 可以包括根部 40, 所述根部可以附连到涡轮 机系统 10 中的转子轮 (未显示) , 以便于叶片组件 30 的旋转。 0025 一般而言, 主体3。
18、2具有外表面。 在主体32包括翼型36和柄38的实施例中, 例如, 限定翼型 36 的外表面的部分可以具有大体空气动力学轮廓。例如, 翼型 32 可以具有限定 压力侧 42 和吸力侧 44 的外表面, 压力侧和吸力侧中的每一个在前缘 46 和后缘 48 之间延 伸。此外, 柄 38 的外表面的部分可以包括压力侧面 52、 吸力侧面 54(参见图 4) 、 前缘面 56 和后缘面 58。 0026 平台 34 可以大体上围绕主体 32, 如图所示。典型的平台可以定位在主体 32 的翼 型 36 和柄 38 之间的交叉部或过渡区处, 并且在大体轴向和切向上向外延伸。然而, 应当理 解根据本公开的平。
19、台可以具有相对于叶片组件 30 的主体 32 的任何合适的位置。 0027 如图 3 和 4 中所示, 主体 32 可以在其中限定一个或多个主冷却回路。主冷却回路 可以延伸通过主体32的部分以冷却主体32。 例如, 在如图所示的一些实施例中, 主体32可 以限定前主冷却回路 62 和后主冷却回路 64。主冷却回路可以具有任何合适的形状并且可 以沿着任何合适的路径延伸。例如, 如图所示每个主冷却回路可以具有各分支和曲折部分 并且可以延伸通过主体 32 的各部分, 例如通过翼型 36 和柄 38。冷却介质可以流动进入并 且通过各主冷却回路 62、 64 以冷却主体 32。 0028 如图 3 和 。
20、4 中进一步所示, 一个或多个平台冷却回路 70 可以限定于叶片组件 30 中。一般而言, 平台冷却回路 70 可以至少部分地限定于平台 34 中。例如, 在示例性实施例 中, 平台冷却回路 70 的一部分限定于平台 34 中, 并且延伸通过平台 34 以冷却它。平台冷 却回路 70 的其它部分可以延伸到主体 32 中以将冷却介质引入平台冷却回路 70 中或从其 排出冷却介质。在一个实施例中, 如图 3 和 4 中所示, 平台冷却回路 70 可以包括入口部分 72、 中间部分 74 和出口部分 76。入口部分 72 和出口部分 76 可以是从平台 34 延伸到主体 32 中的腿部, 并且中间部。
21、分 74 可以延伸通过平台 34。冷却介质可以通过入口部分 72 流动 到平台冷却回路 70 中, 流动通过中间部分 74, 并且通过出口部分 76 排出。 0029 在许多叶片组件30中, 平台冷却回路70与主冷却回路流体连通, 使得冷却介质从 主冷却回路流动到平台冷却回路70中和/或从平台冷却回路70流动到主冷却回路。 例如, 在图 3 和 4 所示的实施例中, 平台冷却回路 70 的入口部分 72 可以与前主冷却回路 62 流体 连通, 而出口部分 76 与后主冷却回路 64 流体连通。 0030 根据本公开的叶片组件30还可以包括一个或多个通道80。 每个通道80可以限定 于叶片组件 。
22、30 中, 例如限定于主体 32、 平台 34 中, 或至少部分地限定于主体 32 和平台 34 的一个或多个中。 每个通道80连接主冷却回路和平台冷却回路70, 并且因此提供其间的流 体连通。例如, 如图 3 和 4 中所示, 通道可以将平台冷却回路 70 的入口部分 72 连接到前主 冷却回路 62 和 / 或可以将平台冷却回路 70 的出口部分 76 连接到后主冷却回路 64。 0031 此外, 根据本公开的通道80可以从主体32的外表面延伸, 并且因此开放于叶片组 件 30 的外部环境。例如, 在一些实施例中, 通道 80 可以从柄 38 的外表面延伸。如图所示, 通道 80 可以从压。
23、力侧面 52 延伸, 但是在其它实施例中通道 80 可以从吸力侧面 54 或柄 38 说 明 书 CN 103089327 A 6 4/5 页 7 的任何其它合适的面或主体 32 的其它合适外表面而延伸。 0032 在涡轮机系统 10 的操作期间, 根据本公开的叶片组件 30 可能有冷却介质通过通 道 80 流出叶片组件 30 并且热气体通过通道流入叶片组件 30 中的风险。因此, 本公开还 涉及一种用于叶片组件 30 的塞子 100, 如图 4 至 8 中所示。根据本公开的塞子 100 可以有 利地减小或防止通过通道 80 而来自和进入叶片组件 30 的泄漏。此外, 根据本公开的塞子 100。
24、 可以允许冷却介质通过叶片组件 30 中的各冷却回路的有效流动路径, 并且还可以不需 要通道 80 内用于正确操作的取向。 0033 如图所示, 根据本公开的塞子 100 可以至少部分地布置在通道 80 中, 并且可以包 括头部 102 和柱塞 104。塞子 100 的头部 102 可以被构造成用于防止通过通道 80 的至少一 部分的流动, 例如冷却介质的流动或热气体的流动。例如, 头部 102 可以减小或防止流动从 叶片组件 30 的外部进入通道 80 和 / 或减小或防止来自通道 80 的流动到达叶片组件 30 的 外部。因此, 头部 102 或其至少一部分具有的横截面面积和 / 或直径 。
25、106 可以大致类似或 相同或大于塞子 100 至少部分地布置在其中的通道 80 的横截面面积。当在本说明书中使 用时术语 “直径” 指的是具有圆形或椭圆形横截面轮廓的部件的最大直径, 或具有任何合适 的横截面轮廓的部件的最大宽度。头部 102 可以铜焊、 焊接、 用合适的粘合剂安装、 螺钉连 接或以另外方式合适地附连到外表面和 / 或通道 80。 0034 在如图 5 至 8 所示的一些示例性实施例中, 头部 102 或其至少一部分具有圆形横 截面轮廓。在其它实施例中, 头部 102 或其任何部分可以具有椭圆形、 矩形、 三角形或其它 合适的多边形横截面轮廓。 0035 根据本公开的塞子 1。
26、00 的柱塞 104 允许主冷却回路和平台冷却回路 70 之间的流 动, 例如冷却介质的流动。如图所示, 柱塞 104 具有外表面 108。外表面 108 在柱塞 104 上 到处是连续的, 使得没有断裂、 孔或其它断裂或破裂限定于外表面 108 中。柱塞延伸通过通 道 80 的至少一部分, 并且允许围绕它和在由通道 80 连接的主冷却回路和平台冷却回路 70 之间的流动。 0036 如图 5 至 8 中所示, 在示例性实施例中, 柱塞 104 或其至少一部分具有的直径 110 和 / 或横截面面积小于头部 102 或其至少一部分的直径 106 和 / 或横截面面积。柱塞 104 或其部分因此。
27、具有的直径和 / 或横截面面积可以小于通道 80 的直径和 / 或横截面面积, 使 得冷却介质可以在通道 80 内围绕柱塞 104 流动。 0037 在一些实施例中, 柱塞 104 或其一部分可以为锥形, 如图 5 和 8 中所示。例如, 柱 塞 104 的直径 110 和 / 或横截面面积可以通过柱塞 104 的长度 112 的至少一部分远离或朝 着头部 102 递减。在其它实施例中, 柱塞 104 或其一部分可以具有大体恒定的直径 110 和 / 或横截面面积。 0038 如图 5 至 8 中进一步所示, 在一些实施例中的柱塞 104 具有圆形横截面轮廓。在 其它实施例中, 柱塞 104 。
28、或其任何部分可以具有椭圆形、 矩形、 三角形或其它合适的多边形 横截面轮廓。 0039 在一些实施例中, 如图 7 中所示, 柱塞 104 可以包括一个或多个鳍部 (fin) 120。鳍 部 120 可以从柱塞 104 的主体 122 向外突出, 并且可以破坏 (disrupt) 经过柱塞 104 的流 动。例如, 鳍部 120 可以成角以使流动形成旋涡, 或者可以以另外方式定向或定位成与流动 相互作用并且操纵流动。在一些实施例中, 如图所示, 鳍部 120 可以成环形阵列布置。在其 说 明 书 CN 103089327 A 7 5/5 页 8 它实施例中, 鳍部 120 以大体线性方式布置,。
29、 或者以另外方式合适地定位。 0040 多个鳍部 120 还可以彼此间隔开以在其间限定多个沟槽 (flute) 124, 如图所示。 流动经过柱塞 104 的冷却介质因此可以流动经过鳍部 120 并且通过沟槽 124, 如图所示, 并 且被鳍部 120 和沟槽 124 破坏。 0041 在一些实施例中, 如图 8 中所示, 柱塞 104 可以相对于头部 102 可移动。这样的运 动可以允许计量围绕柱塞 104 的流动。例如, 如图所示, 柱塞 104 可以具有螺纹以接合头部 102 中的匹配螺纹。相对于头部 102 拧接柱塞 104 可以使柱塞 104 相对于头部 102 移动。 在其它实施例。
30、中, 柱塞 100 可以包括弹簧或允许柱塞 104 相对于头部 102 移动的其它合适 的可调节部件。 0042 如上所述, 根据本公开的塞子100可以有利地减小或防止通过通道80而来自叶片 组件 30 和进入叶片组件 30 的泄漏。此外, 根据本公开的塞子 100 可以允许冷却介质通过 叶片组件 30 中的各冷却回路的有效流动路径, 并且还可以不需要通道 80 内用于正确操作 的取向。这样的塞子 100 可以附加地破坏经过塞子 100 的流动, 为流动提供更好的冷却特 性, 和 / 或可以具有允许流动的定制计量的可移动特征。 0043 该书面描述使用例子来公开包括最佳模式的本发明, 并且也使。
31、本领域的任何技术 人员能够实施本发明, 包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明 的可专利范围由权利要求限定, 并且可以包括本领域的技术人员想到的其它例子。这样的 其它例子旨在属于权利要求的范围内, 只要它们具有与该权利要求的文字语言没有区别的 结构元件, 或者只要它们包括与该权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元件。 说 明 书 CN 103089327 A 8 1/6 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 103089327 A 9 2/6 页 10 图 2 说 明 书 附 图 CN 103089327 A 10 3/6 页 11 图 3 说 明 书 附 图 CN 103089327 A 11 4/6 页 12 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 103089327 A 12 5/6 页 13 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 103089327 A 13 6/6 页 14 图 8 说 明 书 附 图 CN 103089327 A 14 。