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1、(10)申请公布号 CN 102191954 A (43)申请公布日 2011.09.21 CN 102191954 A *CN102191954A* (21)申请号 201110058275.7 (22)申请日 2011.03.03 12/716784 2010.03.03 US F01D 25/14(2006.01) F01D 9/02(2006.01) (71)申请人 通用电气公司 地址 美国纽约州 (72)发明人 R米纳克施森达拉姆 刘洋 (74)专利代理机构 中国专利代理(香港)有限公 司 72001 代理人 肖日松 谭祐祥 (54) 发明名称 利用密封槽通道冷却燃气涡轮构件 (57。
2、) 摘要 本发明涉及利用密封槽通道冷却燃气涡轮 构件。用于燃气涡轮的构件的区段包括 ： 前边缘 (4) ； 后边缘 (6) ； 在前边缘与后边缘之间的一对 相反侧面 (20) ； 以及设于每个侧面中的密封槽 (18)。 该密封槽包括 ： 表面(22)， 其具有在从前边 缘到后边缘限定的轴向上延伸的通道 (30， 36) ； 到通道的至少一个入口 (28， 38) ； 以及来自通道 的至少一个出口 (32， 40)。至少一个出口与至少 一个入口在轴向上在下游间隔开。该区段可为内 部护罩区段或喷嘴区段。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明。
3、专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 7 页 CN 102191958 A1/2 页 2 1. 一种用于燃气涡轮发动机的构件的区段， 所述区段包括 ： 前边缘 (4) ； 后边缘 (6) ； 在所述前边缘与所述后边缘之间的一对相反侧面 (20) ； 以及 密封槽 (18)， 其设于每个侧面中， 所述密封槽包括表面 (22)， 所述表面包括 通道 (30， 36)， 其在从所述前边缘到所述后边缘限定的轴向上延伸， 到所述通道的至少一个入口 (28， 38)， 以及 来自所述通道的至少一个出口 (32， 40)， 其中， 所述至少一个出口与所述至少一个入口 在轴向上在下游间隔开。 2。
4、.根据权利要求1所述的区段， 其特征在于， 所述通道(30)延伸密封槽表面(22)的全 部轴向长度。 3.根据权利要求1或2所述的区段， 其特征在于， 所述至少一个入口包括至少一个入口 通道 (28)， 所述至少一个出口包括至少一个出口通道 (32)。 4. 根据权利要求 3 所述的区段， 其特征在于， 所述至少一个入口通道 (28) 和所述至少 一个出口通道 (32) 中的至少一个垂直于所述通道 (30)。 5.根据权利要求1至4中任一项所述的区段， 其特征在于， 所述至少一个出口包括多个 出口， 所述至少一个入口包括多个入口， 所述多个出口与所述多个入口轴向偏移。 6.根据权利要求1至4中。
5、任一项所述的区段， 其特征在于， 所述至少一个出口包括多个 出口， 所述至少一个入口包括多个入口， 所有出口在所有入口的轴向下游。 7. 根据权利要求 1 所述的区段， 其特征在于， 所述轴向通道 (36) 包括之字形和蛇形中 的至少一种。 8. 根据权利要求 1 所述的区段， 其特征在于， 所述区段包括内部护罩区段。 9. 根据权利要求 1 所述的区段， 其特征在于， 所述区段包括喷嘴区段。 10. 一种燃气涡轮发动机， 包括 ： 内部护罩和喷嘴中的至少一个， 其中， 所述内部护罩和所述喷嘴中的至少一个包括多 个周向布置的根据权利要求 1 至 7 中任一项所述的区段。 11. 一种冷却燃气涡。
6、轮发动机的构件的方法， 所述构件包括多个周向布置的区段， 每个 区段包括前边缘 (4)， 后边缘 (6)， 在所述前边缘与所述后边缘之间的一对相反侧面 (20)， 以及设于每个侧面中的密封槽 (18)， 所述构件还包括在每个密封槽上的密封件， 所述方法 包括 ： 通过至少一个入口 (28， 38) 引导泄漏到所述密封件下方的密封槽内的冷却空气进入 在所述密封槽的表面 (22) 中形成的通道 (30， 36) 内， 其中， 所述通道在从所述前边缘到所 述后边缘限定的轴向上延伸 ； 沿着所述通道引导泄漏冷却空气 (26) ； 以及 通过至少一个出口 (32， 40) 引导所述泄漏冷却空气离开所述通。
7、道， 其中， 所述至少一 个出口与所述至少一个入口在轴向上在下游间隔开。 12. 根据权利要求 11 所述的方法， 其特征在于， 所述至少一个入口包括至少一个入口 通道 (28)， 所述至少一个出口包括至少一个出口通道 (32)。 13. 根据权利要求 12 所述的方法， 其特征在于， 所述至少一个入口通道和所述至少一 权 利 要 求 书 CN 102191954 A CN 102191958 A2/2 页 3 个出口通道中的至少一个垂直于所述轴向通道。 14. 根据权利要求 11 至 13 中任一项所述的方法， 其特征在于， 所述至少一个出口包括 多个出口， 所述至少一个入口包括多个入口， 。
8、所述多个出口与所述多个入口轴向偏移。 15. 根据权利要求 11 所述的方法， 其特征在于， 所述轴向通道包括之字形和蛇形中的 至少一种。 权 利 要 求 书 CN 102191954 A CN 102191958 A1/4 页 4 利用密封槽通道冷却燃气涡轮构件 技术领域 0001 本发明涉及用于燃气涡轮的护罩和喷嘴， 且更具体地涉及用于燃气涡轮的冷却护 罩和喷嘴的布置。 背景技术 0002 在燃气涡轮中所采用的护罩包围且部分地限定穿过该涡轮的热气路径。典型地， 护罩的特征在于， 绕热气路径布置的多个周向延伸的护罩区段， 其中每个区段包括离散的 内部护罩主体和外部护罩主体。 常规地， 对于每。
9、个外部护罩区段， 存在两个或三个内部护罩 区段， 其中外部护罩区段固定到涡轮的固定内部壳体或罩壳上并且内部护罩区段固定到外 部护罩区段。内部护罩区段直接包围涡轮的旋转部件， 即携带动叶或叶片排的转子叶轮。 0003 由于内部护罩区段暴露于热气路径中的热燃烧气体， 故用于冷却内部护罩区段的 系统常常需要降低区段的温度。 对于在由于它们靠近涡轮燃烧器而暴露于很高温度的燃烧 气体的涡轮的第一级和第二级中的内部护罩区段尤为如此。由于涡轮动叶或叶片旋转， 传 热系数也很高。 0004 为了冷却护罩， 典型地， 来自涡轮压缩机的较冷的空气经由对流冷却孔供应以冷 却区段的侧部且防止热路径气体吸入到间隙内， 。
10、该典型冷却孔延伸穿过这些区段并进入区 段之间的间隙。 然而， 由单个冷却孔清除和冷却的面积较小， 这是因为离开冷却孔的冷却空 气的速度较高且冷却空气扩散到热气流动路径内。 0005 典型地， 后冲击空气通过位于密封槽表面上的硬质 / 布质密封件而泄漏到两个内 部护罩之间的气体路径内。 特别地， 在动叶区域上方的护罩斜面为寿命有限的区域， 主要是 由于氧化。这是由于动叶甩向护罩区段间的间隙的热气的持续吸入造成。传统冷却方法使 用从后冲击冷却分段钻出的沿着斜面的冷却孔， 或者沿着密封槽的长度加工的离散垂直通 道， 这在某种程度上改进了斜面冷却， 但其效果是很局部的， 因为它们并未覆盖低寿命斜面 区。
11、域的整个长度。 0006 包括密封槽的燃气涡轮的另一构件是喷嘴。 喷嘴可由多个分段或区段和在相邻区 段之间的密封件形成。在燃气涡轮中的服务运行喷嘴可具有扭曲侧壁， 这是由于先前的焊 接维修或由于服务期间的应力释放造成。 在操作温度下由施加的负载所造成的蠕变应变也 可造成扭曲。 侧壁的这种移动将造成包含于侧壁中的密封槽相对于发动机中心不在适当位 置。 0007 如果不将侧壁压回到适当位置， 在相邻区段之间的密封槽未彼此对准， 且它可证 明不能将密封件装配于适当位置。或者， 能迫使密封件进入槽内但这将喷嘴区段锁定在一 起使得它们不可彼此相对移动或 “浮动” 。在操作期间， 需要这种浮动来允许热膨胀。
12、和确保 区段抵靠密封面加载(钩装配和弦铰链)。 如果它们锁定在一起， 那么有可能它们将倾斜且 不抵靠它们的密封面加载。 这将导致压缩机排放空气直接泄漏到热气路径内且将减小可用 于燃烧和用于冷却喷嘴的空气量。 减少用于燃烧的空气的结果将是降低涡轮的性能且增加 排放。 可用冷却空气的减少将导致喷嘴增加的氧化， 这是由于产生的较高金属温度， 并且缺 说 明 书 CN 102191954 A CN 102191958 A2/4 页 5 乏冷却也将造成喷嘴内的热梯度变化， 导致部件增加的开裂。这将会增加随后的维修成本 且可缩短部件寿命。 0008 未对准的侧壁也可导致流动路径梯级。热气将不具有平滑路径，。
13、 而是将由相邻喷 嘴区段之间失配所牵绊， 导致湍流和减少的气流能量， 从而降低性能。 湍流也增加到喷嘴的 传热且因此将升高金属温度， 导致增加的氧化和开裂。 发明内容 0009 根据一实施例， 用于燃气涡轮的构件的区段包括 ： 前边缘 ； 后边缘 ； 在前边缘与后 边缘之间的一对相反侧面 ； 以及设于每个侧面中的密封槽。密封槽包括 ： 表面， 其具有在从 前边缘到后边缘限定的轴向上延伸的通道 ； 到通道的至少一个入口 ； 以及来自通道的至少 一个出口， 其中至少一个出口与至少一个入口在轴向上在下游间隔开。 0010 根据另一实施例， 燃气涡轮包括内部护罩和喷嘴中的至少一个， 其中内部护罩和 喷。
14、嘴中的至少一个包括多个周向布置的区段， 每个区段包括 ： 前边缘 ； 后边缘 ； 在前边缘与 后边缘之间的一对相反侧面 ； 以及设于每个侧面中的密封槽， 该密封槽包括 ： 表面， 该表面 包括在从前边缘到后边缘限定的轴向上延伸的通道 ； 到该通道的至少一个入口 ； 以及来自 该通道的至少一个出口， 其中至少一个出口与至少一个入口在轴向上在下游间隔开。 0011 根据又一实施例， 提供冷却燃气涡轮的构件的方法。该构件包括多个周向布置的 区段。每个区段包括 ： 前边缘 ； 后边缘 ； 在前边缘与后边缘之间的一对相反侧面 ； 以及设于 每个侧面中的密封槽。 该构件还包括在每个密封槽上的密封件。 该方。
15、法包括 ： 通过至少一个 入口引导泄漏到密封件下方的密封槽内的冷却空气进入在密封槽的表面中形成的通道内， 其中该通道在从前边缘到后边缘限定的轴向上延伸 ； 沿着该通道引导泄漏冷却空气 ； 以及 通过至少一个出口引导泄漏冷却空气离开通道， 其中至少一个出口与至少一个入口在轴向 上在下游间隔开。 附图说明 0012 图 1 是内部护罩区段的前部透视图 ； 0013 图 2 是图 1 的内部护罩区段的后部透视图 ； 0014 图 3 是图 1 和 2 的内部护罩区段的侧部透视图 ； 0015 图 4 是另一内部护罩区段的侧部透视图 ； 0016 图 5 是燃气涡轮喷嘴分段的透视图 ； 0017 图 。
16、6 是根据本发明的一实施例的密封槽表面的平面图 ； 0018 图 7 是根据本发明的另一实施例的密封槽表面的平面图 ； 以及 0019 图 8 是根据本发明的再一实施例的密封槽表面的平面图。 0020 部件列表 0021 2 内部护罩区段 0022 4 前边缘 0023 6 后 / 背边缘 0024 8 前边缘钩 0025 10 后边缘钩 说 明 书 CN 102191954 A CN 102191958 A3/4 页 6 0026 12 冲击腔 / 压室 0027 14 后边缘对流冷却孔口 0028 16 前边缘对流冷却孔口 0029 18 密封槽 0030 20 斜面 0031 22 密封。
17、槽表面 0032 24 通道 0033 26 斜面泄漏 / 冷却空气 0034 28 入口通道 0035 30 轴向通道 0036 32 离开通道 0037 34 热气路径 0038 36 蛇形通道 0039 38 ( 多个 ) 入口 0040 40 ( 多个 ) 出口 0041 42 外壁 0042 44 翼型件 0043 46 内壁 具体实施方式 0044 参看图 1-3， 内部护罩区段 2 包括前边缘 4 和后边缘 6。内部护罩区段 2 构造成由 前边缘钩 8 和后边缘钩 10 连接到外部护罩区段。 0045 内部护罩区段 2 包括冲击腔或压室 12， 其从涡轮压缩机接收较冷空气以冷却该。
18、内 部护罩区段。如图 1 所示， 后边缘对流冷却孔口 14 延伸穿过内部护罩区段 2， 且如图 2 所 示， 前边缘对流冷却孔口 16 设于前边缘 4 附近。 0046 仍参看图 1-3， 内部护罩区段 2 可包括密封槽 18， 密封槽 18 构造成接纳位于密封 槽表面 22 上的硬质 / 布质密封件。通常， 后冲击空气泄漏到两个内部护罩区段之间的气体 路径内且通过位于密封槽表面 22 上的硬质 / 布质密封件。后冲击泄漏 / 冷却空气在密封 槽 18 上的硬质 / 布质密封件下方进入密封槽 18 且离开进入热气路径内， 从而提供更靠近 内部护罩区段的斜面 20 的主动冷却。斜面 20 设于内。
19、部护罩区段 2 的相反侧面上。 0047 参看图 4， 离散通道 24 设于密封槽表面 22 中。后冲击泄漏 / 冷却空气进入密封槽 18 上的硬质 / 布质密封件下方的垂直入口通道 24 且向斜面 20 提供主动冷却。如本文所用 的， 术语垂直是指垂直于内部护罩区段的轴向的方向， 内护罩区段的轴向在穿过涡轮护罩 的热气路径的上游位置到下游位置的方向上从前边缘到后边缘限定。由入口通道 24 提供 的冷却是局部的且并未覆盖斜面区域的整个长度。 0048 参看图 5， 燃气涡轮喷嘴的分段或区段包括外壁 42、 内壁 46 和在壁 42、 46 之间的 翼型件 44。喷嘴区段包括前边缘 4 和后边缘。
20、 6。该分段还包括设于喷嘴区段的相反侧面中 的多个密封槽 18。密封槽 18 保持端面密封件 ( 有时称作花键密封件或斜面密封件 )， 其在 相邻的喷嘴区段之间密封且防止压缩机排放空气泄漏到热气路径内且防止热气吸入到该 说 明 书 CN 102191954 A CN 102191958 A4/4 页 7 构件内。 0049 参看图 6， 根据本发明的一实施例， 密封槽表面 22 包括多个垂直入口通道 28。后 冲击泄漏 / 冷却空气 26 进入多个垂直入口通道 28 且然后在通道 30 中轴向流动， 且然后进 入垂直离开通道 32 到热气路径 34 内。如本文所用的， 术语轴向是指在从穿过涡轮。
21、的热气 路径的上游位置到下游位置的方向上从前边缘到后边缘的内部护罩区段的方向。 0050 如图 6 所示， 离开通道 32 与入口通道 28 交替定位。这种构造降低了来自热气路 径 34 的燃烧气体可进入内部护罩区段的密封槽的可能性。但应了解入口通道 28 和离开通 道 32 可彼此同轴。还应了解入口通道 28 和 / 或出口通道 32 可不垂直于轴向通道 30， 而是 可替代地提供为与轴向通道 30 成角度。还应了解入口通道的数量可不同于出口通道的数 量， 或者入口通道和 / 或出口通道的宽度和 / 或长度可彼此不同。 0051 参看图 7， 根据另一实施例的密封槽表面 22 包括多个垂直入。
22、口通道 28。后冲击泄 漏 / 冷却空气 26 进入入口通道 28 且流入到通道 30 内且然后从垂直离开通道 32 流出到热 气路径 34 内。如图 7 所示， 离开通道 32 在密封槽表面 22 的轴向上设于入口通道 28 后方。 这种构造在前边缘回流边际较低的情况下提供可靠冷却， 因为它防止热气在区段的前边缘 附近短路通过离开通道 32。 0052 参看图 8， 根据另一实施例的密封槽表面 22 包括通道 36。泄漏 / 冷却空气 26 在 入口 38 进入该通道且在出口 40 离开通道 36。通道 36 可在密封槽表面 22 中呈之字形构 造。作为之字形构造的替代或组合， 通道可包括蛇。
23、形构造。尽管通道 36 的每个部分或区段 在图 8 中示出为线性的， 但是应了解这些部分或区段可为弯曲的或曲线的。与图 6 和图 7 所示的实施例相比， 图 8 的构造提供增加的对流路径长度。 0053 在图6-8的实施例中所示的通道30、 36提供更靠近斜面的热表面的密封槽表面22 的连续对流冷却。通过提供连续的部分或全部长度轴向对流冷却， 后冲击泄漏 / 冷却空气 的传热系数增加且可实现更靠近热斜面的有效冷却。 更靠近热金属的连续的部分或全部长 度轴向对流冷却帮助冷却该斜面， 从而增加内部护罩和 / 或喷嘴区段的机械寿命。由于更 多的冷却提供给护罩和 / 或喷嘴低寿命区域， 特别地提供给涡。
24、轮动叶区域上方的护罩区段 的斜面长度， 能实现更高的机械寿命。 0054 图 6-8 所示的实施例的密封槽表面可利用内部护罩区段或喷嘴区段的密封槽铸 造而成。还应了解图 6-8 所示的密封槽表面 22 的实施例可由于内部护罩或喷嘴区段的密 封槽表面的放电加工而形成。现有护罩和 / 或喷嘴区段因此可被修改成包括具有连续轴向 通道和 ( 多个 ) 入口和 ( 多个 ) 出口的密封槽表面。 0055 沿着密封槽通道的冷却流可用于冷却斜面金属温度低于某些温度要求， 导致更均 匀的金属温度分布。通过提供连续的部分或全部长度轴向对流冷却， 可实现更靠近热斜面 的有效冷却。斜面温度的降低可增加护罩和喷嘴部分。
25、间隔且实现更高的机械寿命。由于目 标为护罩和 / 或喷嘴的寿命有限的区域， 故可通过增加 HGP 间隔实现更高的机械寿命。 0056 虽然结合目前被认为是最实用且优选的实施例描述了本发明， 但应了解本发明并 不限于所公开的实施例， 而是相反， 本发明预期涵盖包括于所附权利要求书的精神和范围 内的各种修改和等效布置。 说 明 书 CN 102191954 A CN 102191958 A1/7 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 102191954 A CN 102191958 A2/7 页 9 图 2 说 明 书 附 图 CN 102191954 A CN 102191958 A3/7 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 102191954 A CN 102191958 A4/7 页 11 图 4 说 明 书 附 图 CN 102191954 A CN 102191958 A5/7 页 12 图 5 说 明 书 附 图 CN 102191954 A CN 102191958 A6/7 页 13 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 102191954 A CN 102191958 A7/7 页 14 图 8 说 明 书 附 图 CN 102191954 A 。