具有带变化直径的冷却通道的涡轮机部件的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了具有带变化直径的冷却通道的涡轮机部件，其配置成通过经由带可变直径的冷却通道使冷却流动通过涡轮机部件而冷却涡轮机中的涡轮机部件的系统和装置。在一个实施例中，涡轮机部件包括：从叶片的根部延伸到叶片的尖端的至少一个长形冷却通道，其中长形冷却通道具有沿着叶片的长度的可变直径。
【专利说明】具有带变化直径的冷却通道的涡轮机部件
【技术领域】
[0001] 本实用新型所公开的主题涉及涡轮机部件中的冷却通道，更具体地，涉及在其中 具有带变化直径(例如，收敛形状、发散形状等）的成形管电化学加工（STEM)冷却孔的涡轮 机喷嘴、护罩和/或叶片。
【背景技术】
[0002] 在一些涡轮机(例如，燃气涡轮机）中，效率与沿着热气体路径流动并且驱动涡轮 机叶片的涡轮机气体的温度成正比。这些燃气涡轮机典型地具有大约2700华氏度（1482摄 氏度)左右的温度，所述温度可能施加应力和/或损坏涡轮机部件(例如，涡轮机叶片、护罩、 喷嘴等)。为了耐受这些高温，部件由高级材料制造并且典型地包括带恒定直径的平滑腔孔 冷却通道以便使冷却介质(典型地是压缩器排出空气)流动通过叶片。这些通道也典型地以 恒定直径从径向内叶片根部延伸到径向外叶片尖端。
[0003] 许多发电涡轮机叶片使用成形管电化学加工（STEM)圆形钻孔来形成涡轮机翼型 的内部的径向冷却流动通道。STEM用于以例如300:1的纵横比(例如，孔的长度或深度与最 大横向尺寸(例如，孔的直径）的比率，在某些具体应用中所述最大横向尺寸可以小至几毫 米)在导电材料中非接触钻出小、深孔。STEM过程通过电解溶解去除原料，使用电流在电极 和工件之间流动通过在居间中间中流动的电解液来形成径向冷却流动通道。
[0004] 尽管已使用平滑腔孔通道，但是紊流促进器(例如，紊流器）也在许多燃气涡轮机 叶片中使用以增强内部热传递效率。对于相同的冷却流率该热传递增强可以将热传递效率 增加到平滑腔孔通道的两倍以上。紊流器常规地包括沿着冷却通道的内表面的内部脊或糙 化表面。然而，这些平滑腔孔通道和/或紊流器的形成可能由涡轮机叶片内的壁厚度要求 限制，特别是邻近典型地具有很小/薄尺寸的涡轮机叶片的尖端和/或后缘。这些限制导 致平滑腔孔通道具有靠近涡轮机叶片的根部部段的小直径从而满足尖端中的壁厚度要求。 实用新型内容
[0005] 本实用新型公开了具有带变化直径(例如，收敛形状、发散形状等）的成形管电化 学加工（STEM)冷却孔的涡轮机部件(例如，涡轮机喷嘴、护罩和/或叶片）。
[0006] 本实用新型的第一方面包括：一种涡轮机部件，其包括：至少一个长形冷却通道， 所述至少一个长形冷却通道从叶片的根部延伸到叶片的尖端，其中所述长形冷却通道具有 沿着所述叶片的长度的可变直径。
[0007] 本实用新型的第二方面包括：一种涡轮机叶片，其包括：根部，所述根部配置成连 接到涡轮机；基部，所述基部布置在所述根部上并且配置成延伸到涡轮机流动路径中，所述 基部具有翼型形状并且包括尖端；以及至少一个长形冷却通道，所述至少一个长形冷却通 道形成于所述根部和所述基部中，所述至少一个长形冷却通道包括：第一部段，所述第一部 段邻近所述根部布置并且包括在所述至少一个长形冷却通道的末端处的孔，所述第一部段 延伸到所述基部中，以及第二部段，所述第二部段流体地连接到所述第一部段并且邻近所 述尖端布置，其中所述第二部段的第二直径小于所述第一部段的第一直径。
[0008] 本实用新型的第三方面包括：一种涡轮机，其包括：定子；工作流体通道，所述工 作流体通道大致由所述定子围绕；转子，所述转子在所述定子的径向内侧并且在所述工作 流体通道中布置；以及连接到所述转子的涡轮机叶片，所述涡轮机叶片包括：至少一个长 形冷却通道，所述至少一个长形冷却通道从所述涡轮机叶片的根部延伸到所述涡轮机叶片 的尖端，其中所述长形冷却通道具有沿着所述叶片的长度的可变直径。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 从结合描绘本实用新型的各实施例的附图进行的本实用新型的各方面的以下详 细描述将更容易理解本实用新型的这些和其它特征，其中：
[0010] 图1显示根据本实用新型的实施例的涡轮机部件；
[0011] 图2显示根据本实用新型的实施例的涡轮机部件；
[0012] 图3显示根据本实用新型的实施例的冷却通道；
[0013] 图4显示根据本实用新型的实施例的冷却通道；
[0014] 图5显示根据本实用新型的实施例的冷却通道；
[0015] 图6显示根据本实用新型的实施例的冷却通道；
[0016] 图7显示根据本实用新型的实施例的冷却通道；
[0017] 图8显示根据本实用新型的实施例的冷却通道的横截面图；
[0018] 图9显示根据本实用新型的实施例的冷却通道的横截面图；
[0019] 图10显示根据本实用新型的实施例的冷却通道的横截面图；
[0020] 图11显示示意性方块图，示出根据本实用新型的实施例的联合循环发电机组系 统的部分；以及
[0021] 图12显示示意性方块图，示出根据本实用新型的实施例的单轴联合循环发电机 组系统的部分。
[0022] 应当注意本实用新型的附图不一定是按比例绘制的。附图旨在仅仅描绘本实用新 型的典型方面，并且因此不应当被认为限制本实用新型的范围。应当理解在附图之间相似 编号的元件可以关于彼此大致相似地描述。此外，在参考图1-12所示和所述的实施例中， 相似的编号可以表示相似的元件。为了清楚起见省略了这些元件的多余解释。最后，应当 理解图1-12的部件和它们的附带描述可以应用于本文中所述的任何实施例。
【具体实施方式】
[0023] 本实用新型的方面提供具有带变化直径(例如，收敛、发散等）的STEM成形冷却通 道的涡轮机部件(例如，喷嘴、护罩、叶片等)。
[0024] 如本说明书中所述，通过涡轮机部件的冷却通道常规地是从根部到尖端的具有大 致恒定直径的圆柱形通道。冷却通道的直径是恒定的并且因此由涡轮机部件的最薄部分 (例如，叶片尖端、后缘、嗔嘴后缘等）限制。
[0025] 与常规方法相比，本实用新型的方面包括具有带变化直径的冷却通道(例如，冷却 通道，其具有在涡轮机叶片的一个部分中的第一直径，所述第一直径在尺寸上不同于在涡 轮机叶片的第二部分中的冷却通道的第二直径，收敛冷却通道，发散冷却通道等）的涡轮机 部件(例如，涡轮机叶片、涡轮机喷嘴、喷嘴后缘、护罩等)。在实施例中，冷却通道直径可以 在冷却通道的长度上以收敛方式减小/缩小(例如，逐渐地、套叠式地、逐步地等)。在一个 实施例中，相对于邻近涡轮机叶片的尖端的冷却通道的直径(例如，邻近涡轮机叶片的尖端 的小直径冷却通道，当冷却通道延伸通过涡轮机叶片的翼型翼展的中间和下部点时其具有 逐渐增大的直径)，冷却通道的变化直径具有邻近涡轮机部件(例如，叶片）的根部的较大尺 寸。冷却通道的厚度/直径可以在可引入冷却流体流动的涡轮机叶片根部处更大，该厚度 增加邻近根部的横截面积并且增加通过其中的冷却流体的流动。在实施例中，冷却通道可 以包括通过喷嘴后缘的孔(例如，计量特征)，所述孔配置成操纵/控制通过冷却通道的冷却 流动的特性。
[0026] 参见图1，涡轮机叶片100显示为包括根据实施例的一组冷却通道110。涡轮机叶 片100包括连接到根部120的基部(例如，翼型）130,所述根部配置成连接到涡轮机系统。 在实施例中，该组冷却通道110可以通过成形管电化学加工（STEM)形成/成形。该组冷却 通道110从根部120朝着基部130的尖端132大致径向地延伸。基部130成形为翼型并且 包括具有较薄厚度的后缘134。该组冷却通道110可以允许冷却流动70通过润轮机部件 100,并且可以包括变化直径(例如，收敛、发散等)。在一个实施例中，该组冷却通道110的直 径可以与涡轮机叶片100的厚度成比例地/相关地变化。冷却通道110由涡轮机叶片100 的内表面限定并且可以包括孔118,所述孔允许冷却流动70进入涡轮机的流动路径。
[0027] 当在本说明书中使用时，术语"轴向"和/或"轴向地"表示沿着轴线A的物体的 相对位置/方向，所述轴线大致垂直于涡轮机械(特别是转子部段）的旋转轴线。另外当在 本说明书中使用时，术语"径向"和/或"径向地"表示沿着轴线（r)的物体的相对位置/方 向，所述轴线大致垂直于轴线A并且仅仅在一个位置与轴线A交叉。另外，术语"圆周"和 /或"圆周地"表示沿着圆周的物体的相对位置/方向，所述圆周围绕轴线A，但是不在任何 位置与轴线A交叉。
[0028] 参见图2,转子10的一部分显示为包括第一轮12和第二轮14。轮12和14的每 一个相应地承载叶片16和18的圆周阵列。第一和第二级喷嘴轮叶20和22的圆周阵列也 被显示。将领会叶片16和18以及喷嘴轮叶20和22位于涡轮机的工作流体流动路径21 中。喷嘴轮叶22由将喷嘴轮叶20和22布置在流动路径中的内壳体24承载。喷嘴轮叶20 和22的后缘通过液体(例如，空气、压缩器排出物等)流动到后缘腔26中以便通过冷却通道 110通过后缘尖端34流动到流动路径中而被冷却。在一个实施例中，该组冷却通道110可 以延伸到喷嘴后缘34,冷却通道110的直径相对于邻近后缘34减小(例如，收敛地、发散地 等)。
[0029] 参见图3,涡轮机部件200的一部分显示为包括根据本实用新型的实施例的冷却 通道210,所述冷却通道具有带变化直径的一组部段220、230和240。冷却通道210由涡 轮机部件200的内表面280限定。在实施例中，冷却通道210包括流体地连接到第二部段 230和第三部段240的第一部段220。可以看到，第一部段220可以包括第一直径A，第二 部段230可以包括第二直径B，和/或第三部段240可以包括第三直径C。在该实施例中， 第一部段220、第二部段230和第三部段240可以形成阶梯(例如，递增、分层、套叠)形冷却 通道210,由此当冷却通道210延伸(例如，径向地)通过涡轮机部件200时冷却通道210的 直径增量地/逐步地减小。在一个实施例中，冷却流动70可以在收敛方向上通过第一部段 220流动到第二部段230和/或第三部段240。第一部段220的直径A可以大于第二部段 230的直径B，并且第二部段230的直径B可以大于第三部段240的直径C。在一个实施例 中，内表面280可以具有遍布冷却通道210的大致均匀材料成分(例如，金属、陶瓷等)。在 实施例中，内表面280包括涡轮机部件200的加工表面。应当理解尽管参考特定冷却通道 描述了实施例，但是这些实施例可以可组合和/或可应用于本说明书中所述的任何冷却通 道，包括冷却通道110、210、310、410等。
[0030] 参见图4,根据实施例显示了包括冷却通道310的涡轮机部件300的一部分。冷却 通道310具有直径D，所述直径以收敛方式从涡轮机部件300的基部302朝着涡轮机部件 300的尖端304逐渐变化(例如，从尺寸Dp D2,……D1+N等)。冷却通道310的内表面可以成 角并且具有大致圆锥形/截头圆锥形。
[0031] 参见图5,根据实施例显示了包括冷却通道410的涡轮机部件400的一部分。冷却 通道410可以包括流体地连接到具有减小直径'G'的第二部段430的、具有大致圆锥形的第 一部段420。第一部段420可以具有在涡轮机部件400的根部402和第二部段430之间逐 渐减小的直径E(例如，从Ei，到E 2，到E1+N)。应当理解本说明书中所述的冷却通道部段的描 述和/或组合仅仅是示例性的，并且可以根据实施例包括冷却通道部段的任何组合、修改、 定向和/或布置。
[0032] 参见图6,根据实施例显示了包括冷却通道510的涡轮机部件500的一部分。冷 却通道510可以具有圆锥形/截头圆锥形，并且包括布置在冷却通道510的表面518上的 紊流器550。紊流器550可以延伸到冷却流70的流动路径中，并且可以配置成引起和/或 增强紊流。在实施例中，紊流器550可以包括布置在冷却通道510内的一组部段(例如，环、 凸耳、突起等)。在实施例中，紊流器550的该组部段可以布置成相对于彼此邻近，在紊流器 550的每个部段的相对突起高度(例如，每个部段突出到冷却通道510中多远）的大约7倍 至大约13倍的范围内。在一个实施例中，该组部段可以相对于彼此以大致规则的间隔布 置。在图7所示的另一实施例中，涡轮机部件600的一部分可以包括根据实施例的如图所 示的冷却通道610。冷却通道610可以包括以大致螺旋形配置布置在冷却通道610的表面 上的紊流器650。紊流器650可以包括邻近涡轮机部件600的根部分612布置的第一端部 622,和邻近涡轮机部件600的尖端部分614布置的第二端部624。紊流器650可以围绕冷 却通道610圆周地布置，同时径向向外延伸通过冷却通道610。在实施例中，所述流70可 以从尖端部分614朝着根部分612在发散方向上行进通过冷却通道610 (例如，从具有第一 直径的冷却通道610的第一部段到具有大于第一直径的第二直径的冷却通道610的第二部 段)。应当理解如本说明书的实施例中所述的冷却流70可以在任何方向上流动，并且本说 明书中所述的实施例仅仅是示例性的。
[0033] 参见图8,根据实施例显示了包括冷却通道710的涡轮机部件700的一部分。在该 实施例中，冷却通道710包括流体地连接到计量特征712的第一部分714。计量特征712包 括布置在冷却通道710的末端处的孔716。在实施例中，流70 (例如，空气）可以轴向地行 进(例如，通过叶片的径向端部、通过喷嘴的轴向端部等）通过冷却通道710。计量特征712 可以将冷却通道710流体地连接到涡轮机的流体通道。在实施例中，计量特征712和/或 孔716在直径上可以可调节/可变化。计量特征712和/或孔716可以控制/计量进入和 /或通过冷却通道710的冷却流70,并且可以由技术人员修改/加工以调节通过冷却通道 710的流动特性(例如，在维护、诊断、测试、冷流等期间)。在实施例中，孔716和/或计量特 征712可以被加工以将冷却通道710调节到满足设计/标称量和流动结果。在一个实施例 中，孔716和/或计量特征712可以在部件的冷测试期间被调节(例如，增加、钻出等）以校 正制造缺陷/误差。
[0034] 在实施例中，技术人员可以增加(例如钻孔、镗孔、STEM等)计量特征712和/或孔 716的直径以便调节冷却通道710内的热传递系数。在图9所示的另一实施例中，涡轮机 部件800可以包括具有套叠(例如，递增、阶梯形等）形状的冷却通道810和计量特征812。 冷却通道810可以包括第一部段814,所述第一部段具有的直径大于第二部段818的直径。 在实施例中，冷却通道810可以包括流体地连接到第二部段818的计量特征812。计量特征 812可以包括孔816,并且允许冷却流70进入和/或离开冷却通道810。在图10所示的另 一实施例中，涡轮机部件850可以包括具有大致恒定直径的冷却通道870和布置在它的表 面上的一组紊流器880。涡轮机部件850可以包括具有孔878的计量特征874,所述孔配置 成计量/控制通过冷却通道870的冷却流动70。
[0035] 参见图11，显示了多轴联合循环发电机组900的部分的示意图。联合循环发电机 组900例如可以包括可操作地连接到发电机970的燃气涡轮机980。发电机970和燃气涡 轮机980可以由轴915机械地联接，所述轴可以在燃气涡轮机980的驱动轴（未显示）和发 电机970之间传递能量。在图11中也显示了可操作地连接到燃气涡轮机980和蒸汽涡轮 机992的热交换器986。热交换器986可以经由常规管道(省略编号)流体地连接到燃气涡 轮机980和蒸汽涡轮机992两者。燃气涡轮机980和/或蒸汽涡轮机992可以包括图1的 部件100和/或一组冷却通道110或本说明书中所述的其它实施例。热交换器986可以是 例如在常规联合循环发电系统中使用的常规热回收蒸汽发生器（HRSG)。在发电的领域中众 所周知，HRSG986可以使用来自燃气涡轮机980的热废气与供水的组合以产生给送到蒸汽 涡轮机992的蒸汽。蒸汽涡轮机992可以可选地联接到第二发电机系统970 (经由第二轴 915)。应当理解发电机970和轴915可以具有本领域中已知的任何尺寸或类型并且可以取 决于它们的应用或它们所连接到的系统而不同。发电机和轴的共同编号是为了清楚并且不 一定表示这些发电机或轴是相同的。在图12所示的另一实施例中，单轴联合循环发电机组 990可以包括经由单轴915联接到燃气涡轮机980和蒸汽涡轮机992两者的单发电机970。 蒸汽涡轮机992和/或燃气涡轮机980可以包括图1的一组冷却通道110或本说明书中所 述的其它实施例。
[0036] 本说明书中使用的术语仅仅是为了描述特定实施例并且不旨在限制本公开。当在 本说明书中使用时，单数形式"一"和"所述一"也旨在包括复数形式，除非上下文清楚地另 外指出。还将理解当在本说明书中使用时术语"包括"和/或"包含"表示存在所述特征、整 数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或加入一个或多个其它特征、整数、步骤、 操作、元件、部件和/或它们的群组。
[0037] 该书面描述使用例子来公开包括最佳模式的本实用新型，并且也使本领域的任何 技术人员能够实施本实用新型，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。本实用新型的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权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元
【权利要求】
1. 一种涡轮机部件，其包括： 基部；以及 至少一个长形冷却通道，所述至少一个长形冷却通道从所述基部的根部延伸到所述基 部的尖端，其中所述长形冷却通道具有沿着所述涡轮机部件的长度的可变直径。
2. 根据权利要求1所述的涡轮机部件，其特征在于，所述至少一个长形冷却通道包括 成形管电化学加工（STEM)钻出通道。
3. 根据权利要求1所述的涡轮机部件，其特征在于，所述至少一个长形冷却通道的直 径在所述涡轮机部件的根部和所述涡轮机部件的尖端之间增量地变化。
4. 根据权利要求1所述的涡轮机部件，其特征在于，所述至少一个长形冷却通道具有 截头圆锥形。
5. 根据权利要求1所述的涡轮机部件，其特征在于，所述至少一个长形冷却通道包括： 邻近所述根部的第一部段，所述第一部段具有第一直径，以及 流体地连接到所述第一部段的第二部段，所述第二部段邻近所述尖端定位并且具有第 二直径； 其中，所述第一直径大于所述第二直径。
6. 根据权利要求1所述的涡轮机部件，其特征在于，所述至少一个长形冷却通道包括 布置在所述长形冷却通道的表面上的至少一个紊流器；所述至少一个紊流器包括以下的至 少一种：分段紊流器和螺旋形紊流器。
7. 根据权利要求1所述的涡轮机部件，其特征在于，所述至少一个长形冷却通道包括 大致邻近所述涡轮机部件的尖端布置的计量特征。
8. -种涡轮机叶片，其包括： 根部，所述根部配置成连接到涡轮机； 基部，所述基部布置在所述根部上并且配置成延伸到涡轮机流动路径中，所述基部具 有翼型形状并且包括尖端；以及 至少一个长形冷却通道，所述至少一个长形冷却通道形成于所述根部和所述基部中， 所述至少一个长形冷却通道包括： 第一部段，所述第一部段邻近所述根部布置并且包括在所述至少一个长形冷却通道的 末端处的孔，所述第一部段延伸到所述基部中，以及 第二部段，所述第二部段流体地连接到所述第一部段并且邻近所述尖端布置，其中所 述第二部段的第二直径小于所述第一部段的第一直径。
9. 根据权利要求8所述的涡轮机叶片，其特征在于，所述至少一个长形冷却通道包括 成形管电化学加工（STEM)钻出通道。
10. 根据权利要求8所述的涡轮机叶片，其特征在于，所述至少一个长形冷却通道的直 径在所述第一部段和所述第二部段上增量地变化。
11. 根据权利要求8所述的涡轮机叶片，其特征在于，所述至少一个长形冷却通道具有 截头圆锥形通道并且包括计量特征。
12. 根据权利要求8所述的涡轮机叶片，其特征在于，所述第一直径大于所述第二直 径。
13. 根据权利要求8所述的涡轮机叶片，其特征在于，所述至少一个长形冷却通道包括 布置在所述长形冷却通道的表面上的至少一个紊流器；并且，所述至少一个紊流器包括以 下的至少一种：分段紊流器和螺旋形紊流器。
14. 一种涡轮机，其包括： 定子； 工作流体通道，所述工作流体通道大致由所述定子围绕； 转子，所述转子在所述定子的径向内侧并且在所述工作流体通道中布置；以及 连接到所述转子的涡轮机叶片，所述涡轮机叶片包括： 至少一个长形冷却通道，所述至少一个长形冷却通道从所述涡轮机叶片的根部延伸到 所述涡轮机叶片的尖端，其中所述长形冷却通道具有沿着所述涡轮机叶片的长度的可变直 径。
15. 根据权利要求14所述的涡轮机，其特征在于，所述至少一个长形冷却通道是截头 圆锥形通道并且包括大致邻近所述涡轮机叶片的尖端布置的计量特征。
16. 根据权利要求14所述的涡轮机，其特征在于，所述至少一个长形冷却通道包括： 邻近所述根部的第一部段，所述第一部段具有第一直径，以及 流体地连接到所述第一部段的第二部段，所述第二部段具有第二直径并且邻近所述尖 端，其中所述第一直径大于所述第二直径。
17. 根据权利要求14所述的涡轮机，其特征在于，所述至少一个长形冷却通道包括布 置在所述长形冷却通道的表面上的至少一个紊流器，所述至少一个紊流器包括以下的至少 一种：分段紊流器和螺旋形紊流器。
【文档编号】F01D5/18GK203835473SQ201320816044
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2012年12月11日
【发明者】张修章, A.O.本森, R.R.皮尔森, S.W.特什 申请人:通用电气公司