CN108603410A

CN108603410A - 燃气轮机盘

Info

Publication number: CN108603410A
Application number: CN201780008903.6A
Authority: CN
Inventors: S·巴特; T·戈帕尔
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2018-09-28
Also published as: EP3199756A1; WO2017129455A1; EP3408500A1; US20190017383A1; CA3010991A1

Abstract

一种用于燃气轮机(10)的转子盘(36)，包括：至少一个根腔(75)，用于与燃气轮机的一个动叶(38，60)联接；一个盘冷却孔(70)，用于将根腔(75)与一个冷却气体源连接。盘冷却孔(70)具有横截面(S)，该横截面(S)具有第一长轴(W1)，该第一长轴相对于转子盘(36)的圆周方向倾斜第一倾斜角度(I)，该第一倾斜角度(I)介于0度到45度之间。沿着横截面(S)的长轴(W1)的第一距离(D1)大于沿着横截面(S)的第二短轴(W2)的第二距离(D2)，长轴(W1)和短轴(W2)相互正交。

Description

燃气轮机盘

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机盘。更具体地，本发明涉及具有一个冷却孔的燃气轮机盘，该冷却孔被成形用于减小应力集中。本发明还涉及用于制造或改造燃气轮机盘以降低应力集中的方法。

背景技术

在燃气轮机引擎中，空气在压气机中被加压并且在燃烧器中与燃料混合以生成热燃烧气体。然后，热气体被朝向涡轮机引导，该涡轮机将来自热气体的能量转换为用于为压气机和转换能量的其他设备供电的功，这些其他设备例如是典型的飞机涡轮风扇引擎应用中的上游风扇，或者是发电应用中的发电机。

涡轮机级包括具有一排静叶的固定涡轮机喷嘴，这些静叶将燃烧气体引导到对应的一排转子动叶中，这些转子动叶从一个支撑转子盘径向向外延伸。静叶和动叶可以具有相应的中空翼型。这些翼型可以被设计和制造成是中空的，以便减轻重量，改变翼型的本征频率或在翼型中包含冷却电路。在后一种情况下，在冷却电路或多个冷却电路内部循环的冷却气体通常是来自压气机排放口的排出空气。

在动叶的情况下，为了将中空翼型连接到冷却气体源，必须在转子盘中设置多个盘冷却孔，每个冷却孔被布置用于与设置在相应动叶的根部中的相应孔或冷却通路连通。因此，每个冷却孔包括在盘的相应根腔中的一个断裂部，该根腔设置在转子盘中，以用于与相应动叶的根部联接。

在断裂部处并且沿盘冷却孔的长度的应力集中会带来问题，该问题可能导致疲劳损坏或故障，并因此限制涡轮机盘的寿命。

一种用于减轻这样的应力集中的、可行的现有技术解决方案是：从盘冷却孔和盘根腔之间的交叉处的锐角处移除材料。如所附的图13的盘剖视图所示，这可以通过在盘冷却孔80和盘根腔81之间的交叉处逐渐减小角部82来实现。该解决方案的主要缺点是：

-角部逐渐减小是附加操作，其引起附加费用；

-益处是由于锥形角部82处的材料切口使得根腔处的冷却孔断裂更大所带来，因此对转子盘的圆周强度的破坏也变得更大。

US4344738A公开了一种转子盘，其适于接收燃气轮机引擎的多个可冷却的转子动叶。开发了用于转子盘中的冷却空气孔的各种构造细节。在体现该发明的结构中，切向应力集中系数降低。每个冷却空气孔的细长轴位于垂直于盘的对称轴的平面中。

US4522562A公开了涡轮机转子的冷却，特别是飞机涡轮反应器的涡轮机转子的冷却，并且公开了一种涡轮机盘，其配备有两组通道，这些通道分别靠近盘的多个侧面中的每个侧面并且与其轮廓一致进行钻孔，涡轮机动叶的冷却空气流入这些通道，以便对盘进行表面冷却。

DE4428207A1公开了通过电腐蚀或电化学加工，在载有空气冷却动叶的涡轮机转子盘中生产弯曲的冷却空气通道，该涡轮机转子盘是一种工具，该工具采取圆弧形式并且围绕也采取圆弧形式的冷却空气通道的中心旋转。这种冷却空气通道进入盘槽并且基本上垂直于槽底定向。

US2011/123312A1公开了一种引擎部件，包括：一个本体；以及在本体中形成的多个冷却孔。这些冷却孔中的至少一个冷却孔具有带有第一凹入部分和第一凸出部分的横截面形状。

因此，仍然希望为涡轮机转子盘中设置的盘冷却孔提供一种新设计，以便减小由冷却孔的存在而引起的盘中的应力集中和对盘圆周强度的干扰。

发明内容

为了实现上文所定义的目的，根据独立权利要求提供了一种用于燃气轮机的转子盘、制造方法和改造方法。从属权利要求描述了本发明的有利发展和修改。

根据本发明的第一方面，一种用于燃气轮机的转子盘包括：

-至少一个根腔，用于与燃气轮机的一个动叶联接，

-一个盘冷却孔，用于将根腔与一个冷却气体源联接，

其中至少沿着与根腔连通的盘冷却孔的第一深度部分，盘冷却孔如下：

-盘冷却孔的横截面具有相对于转子盘的圆周方向倾斜第一倾斜角度的第一长轴，该第一倾斜角度介于0度到45度之间，

-沿着横截面的长轴在横截面边缘上的第一点和第二点之间的第一距离大于沿着横截面的第二短轴在横截面边缘上的第三点和第四点之间的第二距离，长轴和短轴相互正交。

根据本发明的第二方面，提供了一种制造用于燃气轮机的转子盘的方法。该转子盘包括至少一个根腔，用于与燃气轮机的一个动叶联接。该方法包括步骤：提供一个盘冷却孔，该盘冷却孔用于将根腔与一个冷却气体源连接，其中至少沿着与根腔连通的盘冷却孔的第一深度部分，该盘冷却孔如下：

-盘冷却孔的横截面具有相对于转子盘的圆周方向倾斜一个倾斜角度的第一长轴，该倾斜角度介于0度到45度之间，

-沿着横截面的长轴在横截面边缘上的第一点和第二点之间的第一距离大于沿着该横截面的第二短轴在横截面边缘上的第三点和第四点之间的第二距离，这些长轴和短轴相互正交。

根据本发明的第三方面，提供了一种改造用于燃气轮机的转子盘的方法。该转子盘包括：

-至少一个根腔，用于与燃气轮机的一个动叶联接，

-圆形的第一盘冷却孔，用于将根腔与一个冷却气体源联接。

该改造方法包括步骤：至少沿着与根腔连通的第一盘冷却孔的第一深度部分，提供用于将根腔与一个冷却气体源连接的第二盘冷却孔，第二盘冷却孔如下：

-圆形的第一盘冷却孔和第二盘冷却孔沿着公共孔轴线同轴，

-沿着横截面的长轴在横截面边缘上的第一点和第二点之间的第一距离大于沿着该横截面的第二短轴在该横截面边缘上的第三点和第四点之间的第二距离，这些长轴和短轴相互正交。

至少沿着与根腔连通的第一深度部分而选择盘冷却孔的细长段允许定向冷却孔，以减轻冷却孔处的应力集中，从而相对于现有的转子盘实现更长的涡轮机盘寿命。特别地，根据本发明的实施例，盘冷却孔的截面以下述方式定向：细长段的第二距离与沿着转子盘的圆周方向的应力集中的最大值相对应。

根据本发明的示例性实施例，通过盘冷却孔的椭圆形横截面实现上述目的。

根据本发明的另一示例性实施例，通过盘冷却孔的横截面实现上述目的，该盘冷却孔是波瓣形的，在第二短轴的相对侧处具有两个波瓣。

根据本发明的其他示例性实施例，与转子盘的旋转轴线以正交方式测量到的第一深度部分的深度是如下距离的1％至10％，该距离是旋转轴线与根腔处的盘冷却孔的一个开口之间的距离。有利地，盘冷却孔的第一深度部分的深度被选择为适当长度，以便实现本发明的目的。

根据本发明的示例性实施例，当将上文所描述的盘冷却孔被添加到用于燃气轮机的现有转子盘时，该改造方法还包括步骤：在圆形的第一盘冷却孔与第二盘冷却孔之间的多个交叉点处的多个边缘进行平滑。有利地，这避免了减弱了转子盘的进一步的应力集中。

必须指出，已经参考不同的主题对本发明的实施例进行了描述。特别地，已经参考装置类型权利要求描述了一些实施例，而已经参考方法类型权利要求描述了其他实施例。然而，本领域技术人员将从以上和以下描述中得出，除非另有通知，否则除了属于一种类型主题的特征的任何组合之外，还有与不同主题有关的特征之间，特别是在装置类型权利要求的特征与方法类型权利要求的特征之间的任何组合被认为与本申请一起被公开。

附图说明

上文所提及的本发明的属性和其他特征和优点以及实现它们的方式将变得更加显而易见，并且通过参考以下结合附图对本发明实施例的描述，将更好地理解本发明本身，其中

图1以剖面图示出了涡轮机引擎的一部分，并且其中结合了本发明的翼型，

图2示出了根据本发明的转子盘的径向剖面图，

图3示出了图2的转子盘的局部俯视图，

图4示出了图2的转子盘的细节的顶视图，

图5示出了根据本发明的转子盘的另一实施例的局部顶视图，

图6示出了图5的转子盘的细节的顶视图，

图7示出了图4的细节的可能变型，其通过根据本发明的改造转子盘的方法获得，

图8示出了图6的细节的可能变型，其通过根据本发明的改造转子盘的方法获得，

图9示出了图2的细节的放大视图，

图10至图12示出了图9的细节的三个可能的备选实施例，

图13示出了根据现有技术的转子盘的局部径向剖面图。

具体实施方式

在下文中，详细描述了本发明的上述和其他特征。参考附图对各种实施例进行了描述，其中相同的附图标记始终用于是指相同的元件。所示出的实施例旨在解释而不是限制本发明。

图1以剖面图示出了燃气轮机引擎10的示例。燃气轮机引擎10以串流方式包括入口12、压气机段14、燃烧器段16和涡轮机段18，它们通常以串流方式布置，并且通常围绕并且沿纵向轴线或旋转轴线20的方向布置。燃气轮机引擎10还包括轴22，其可围绕旋转轴线20旋转，并且纵向延伸穿过燃气轮机引擎10。轴22将涡轮机段18驱动地连接到压气机段14。

在燃气轮机引擎10的操作中，通过空气入口12而吸入的空气24被压气机段14压缩，并被输送到燃烧段或燃烧炉段16。燃烧炉段16包括一个燃烧炉气室26、一个或多个燃烧室28以及固定到每个燃烧室28的至少一个燃烧炉30。燃烧室28和燃烧炉30位于燃烧炉气室26的内部。通过压气机14的压缩空气进入扩散器32，并且从扩散器32排出至燃烧炉气室26，空气的一部分从该燃烧炉气室26进入燃烧炉30并且与气态或液态燃料混合。然后，燃烧空气/燃料混合物，并且来自燃烧的燃烧气体34或工作气体经由过渡管道17引导通过燃烧室28到达涡轮机段18。

该示例性燃气轮机引擎10具有管状燃烧器段布置16，其由燃烧器罐19的环形阵列构成，每个燃烧器罐19具有燃烧炉30和燃烧室28，过渡管道17具有与燃烧器室28交界的大致圆形的入口、以及环形区段形式的出口。过渡管道出口的环形阵列形成环形物，用于将燃烧气体引导至涡轮机18。

涡轮机段18包括附接到轴22的若干个转子盘36。在本示例中，提供两个盘36，每个盘承载涡轮动叶38、60的环形阵列(第一级的涡轮机动叶60和第二级的涡轮机动叶38)。然而，动叶承载盘的数目可能不同，即，仅一个盘36或多于两个盘36。另外，固定到燃气轮机引擎10的定子42的引导静叶40、44(第一级的引导静叶44和第二级的引导静叶40)被设置在涡轮动叶38、60的环形阵列的级之间。在燃烧室28的排放口和前导涡轮机动叶60之间提供入口引导静叶40、44，并将工作气体流转到涡轮动叶38、60上。

来自燃烧室28的燃烧气体进入涡轮机段18，并且驱动涡轮机动叶38，该涡轮机动叶38又使轴22旋转。引导静叶40、44用来优化涡轮机动叶38上的燃烧气体或工作气体的角度。

涡轮机段18驱动压气机段14。压气机段14包括轴向系列的动叶级46和转子动叶级48。转子动叶级48包括支撑动叶的环形阵列的转子盘。压气机段14还包括壳体50，该壳体50围绕转子级并支撑动叶级48。引导静叶级包括安装到壳体50的径向延伸静叶的环形阵列。这些静叶被设置为在给定引擎操作点处、针对动叶以最佳角度提供气流。引导静叶级中的一些引导静叶级具有可变静叶，其中静叶围绕其自身纵向轴线的角度可以根据在不同引擎操作条件下可能发生的空气流动特点、针对角度而被调整。

壳体50定义压气机14的通路56的径向外表面52。通路56的径向内表面54至少部分地由转子的转子鼓53限定，该转子鼓53部分地由动叶48的环形阵列限定。

参考上述示例性涡轮机引擎对本发明进行描述，该涡轮机引擎具有连接单个多级压气机和单个一级或多级涡轮机的单轴或线轴。然而，应当理解，本发明同样适用于两个或三个轴引擎，并且可以用于工业、航空或船舶应用。

除非另有说明，否则术语上游和下游是指气流和/或工作气体流过引擎的流动方向。术语“向前”和“向后”一般是指通过引擎的气体流。术语轴向、径向和周向是参考引擎的旋转轴线20做出的。

根据本发明的转子盘36的实施例在图2至图12中示出。

参考图2至图4，转子盘36在内圆周表面41和外圆周表面43之间径向延伸，该内圆周表面41在操作中固定连接到轴22，而该外圆周表面43在操作中被固定连接到多个动叶60、38。沿着外圆周表面43，转子盘36包括多个根腔75，每个根腔用于容纳一个动叶38、60的根部。每个根腔75包括多个锯齿76，用于接合动叶60、38中的对应配合锯齿。

转子盘36在上游面78和相对的下游面79之间轴向延伸，两者均在内圆周表面41和外圆周表面43之间延伸。在操作中，即，当转子盘36附接到轴22时，上游面78是上游转子腔35的边界。在操作中，即，当转子盘36附接到轴22时，下游面79是下游转子腔37的边界。在上游转子腔35和下游转子腔37中，循环冷却气体(例如来自压气机部分14的排出口排出的压缩空气)。每个根腔75沿着根轴Y从上游面78和下游面79中的一个延伸到另一个，根轴Y相对于旋转轴线20倾斜角度γ，该角度γ介于0度和60度之间。

对于根腔75中的每个根腔75，转子盘36还包括盘冷却孔70，其用于将根腔75与上游面78连接。通过盘冷却孔70，在上游盘腔35中流动的冷却气体被引导到根腔75。盘冷却孔70包括位于相应根腔75处的第一开口72和位于转子盘36的上游面78处的第二开口73。

根据本发明的其他实施例，可以使用与上游转子腔35不同的另一冷却气体源。

盘冷却孔70如下：在第一开口72处，盘冷却孔70的横截面S具有沿着第一长轴W1的细长形状，该第一长轴W1相对于转子盘36的周向(或环向)方向X倾斜。第一长轴W1相对于圆周方向X倾斜介于0度和45度之间的第一孔倾斜角度α。第一长轴W1相对于圆周方向X倾斜第一孔倾斜角度α，该第一孔倾斜角度α大于零并且优选地高达并且包括45度。针对大于零的角度可以发生明显的峰值应力降低，并且在1度并且高达45度(即，在1度和45度之间并且包括1度和45度)处，可以看到显著的峰值应力降低。根据本发明的一些实施例，更特别地，第一倾斜角度α被包括在10度和30度之间。申请人已经发现，示例性实施例具有在10度和30度之间并且包括10度和30度的角度α，其中峰值应力被特别好地最小化。

盘冷却孔70的横截面S还具有与第一长轴W1正交的第二短轴W2。在图2至图4的实施例中，横截面S是椭圆形的，其中W1和W2分别是椭圆长轴和椭圆短轴。

一般而言，根据本发明，盘冷却孔70的横截面S的形状使得第一距离D1大于第二距离D2，该第一距离D1是沿着长轴W1在横截面S的边缘上的第一点P1和第二点P2之间的距离，该第二距离D2是沿着第二短轴W2在横截面S的边缘上的第三点P3和第四点P4之间的距离。

具体地，第二距离D2和短轴W2对应于根腔75中沿着转子盘36的圆周方向X的应力集中达到最大值的位置。更具体地，沿着圆周方向X的最大应力集中在围绕横截面S的第三点P3或第四点P4的区域中达到。例如，在图5和图6的备选实施例中，横截面S是波瓣形的，在第二短轴W2的相对侧具有左右两个波瓣S1、S2。

根据其他实施例，其他形状可以被用于横截面S，只要这些形状沿着长轴W1而伸长。

一般而言，根据本发明，沿着与根腔75连通的盘冷却孔70的第一深度部分71，横截面S沿着从根腔75朝向上游面78的孔纵向轴线Z延伸。沿着盘冷却孔70的第二深度部分72，盘冷却孔70具有第一深度部分71的横截面S或不同的横截面，例如，圆形截面，盘冷却孔70与上游面78连通并且包括第二开口73。

以正交于旋转轴线20的方式所测量的、第一深度部分71的深度ε是：旋转轴线20与盘冷却孔70的第一开口72之间的距离R的1％至10％。

参考图9至图11，孔纵向轴线Z是成直线的，并且相对于转子盘36的径向方向倾斜第二倾斜角度β，该第二倾斜角度β介于0度和45度之间。具体地，第二倾斜角度β的值在图9中约为20度，在图10中为0度，并且在图11中为45度。第二倾斜角度β在10度和30度之间可以是特别有用的。参考图12，孔纵向轴线Z是弯曲的。

根据本发明，上文所描述的盘冷却孔70可以通过铣削、电火花加工(EDM)或电化学加工(ECM)在新转子盘36上制造。

本发明还可以用于改造燃气轮机的现有转子盘36，现有转子盘包括现有的圆形的第一盘冷却孔80，该圆形的第一盘冷却孔80用于将根腔75与上游面78连接。在这种情况下，根据本发明，改造现有转子盘36的方法包括：至少沿着与根腔75连通的第一盘冷却孔80的第一深度部分71，来提供具有上文所描述的特点的第二盘冷却孔70。

上述步骤在第一盘冷却孔80和第二盘冷却孔70之间的交叉点处产生四个尖锐边缘P5、P6、P7、P8。为了避免可能由这种尖锐边缘导致的应力集中不便，改造现有转子盘36的方法包括进一步的步骤：对圆形的第一盘冷却孔80和第二盘冷却孔70之间的、多个交叉点P5、P6、P7、P8处的多个边缘进行平滑。

此外，当改造现有转子盘36时，第二盘冷却孔70可以通过铣削、电火花加工(EDM)或电化学加工(ECM)来制造。

Claims

1.一种用于燃气轮机(10)的转子盘(36)，包括：

-至少一个根腔(75)，用于与所述燃气轮机的一个动叶(38，60)联接，

-一个盘冷却孔(70)，用于将所述根腔(75)与一个冷却气体源连接，

其中至少沿着与所述根腔(75)连通的所述盘冷却孔(70)的第一深度部分(71)，所述盘冷却孔(70)如下：

-所述盘冷却孔(70)的横截面(S)具有相对于所述转子盘(36)的圆周方向倾斜第一倾斜角度(α)的第一长轴(W1)，所述第一倾斜角度(α)介于0度和45度之间，

-沿着所述横截面(S)的所述长轴(W1)在所述横截面(S)的边缘上的第一点(P1)和第二点(P2)之间的第一距离(D1)大于沿着所述横截面(S)的第二短轴(W2)在所述横截面(S)的所述边缘上的第三点(P3)和第四点(P4)之间的第二距离(D2)，所述长轴(W1)和所述短轴(W2)相互正交。

2.根据权利要求1所述的转子盘(36)，其中所述盘中存在应力集中的最大值，并且所述第二距离(D2)与沿着所述转子盘(36)的所述圆周方向的所述应力集中的所述最大值相对应。

3.根据权利要求1或2所述的转子盘(36)，其中所述横截面(S)是椭圆形的。

4.根据权利要求1或2所述的转子盘(36)，其中所述横截面(S)是波瓣形的，在所述第二短轴(W2)的相对侧处具有两个波瓣(S1，S2)。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的转子盘(36)，其中所述第一倾斜角度(α)介于1度和45度之间并且包括1度和45度，并且优选地介于10度和30度之间并且包括10度和30度。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的转子盘(36)，其中与所述转子盘(36)的旋转轴线(20)以正交方式测量到的所述第一深度部分(71)的深度(ε)是所述旋转轴线(20)与所述根腔(75)处的所述盘冷却孔(70)的一个开口(72)之间的距离(R)的1％至10％。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的转子盘(36)，其中所述盘冷却孔(70)沿着孔纵向轴线(Z)被提供，所述孔纵向轴线相对于所述转子盘(36)的径向方向倾斜第二倾斜角度(β)，所述第二倾斜角度(β)介于0度到45度之间，并且优选地介于10度到30度之间。

8.一种制造用于燃气轮机(10)的转子盘(36)的方法，所述转子盘(36)包括至少一个根腔(75)，用于与所述燃气轮机的一个动叶(38，60)联接，所述方法包括步骤：提供用于将所述根腔(75)与一个冷却气体源连接的一个盘冷却孔(70)，

-所述盘冷却孔(70)的横截面(S)具有相对于所述转子盘(36)的圆周方向倾斜一个倾斜角度(α)的第一长轴(W1)，所述倾斜角度(α)介于0度和45度之间，

9.一种改造用于燃气轮机(10)的转子盘(36)的方法，所述转子盘(36)包括：

-圆形的第一盘冷却孔(80)，用于将所述根腔(75)与一个冷却气体源连接，

其中所述方法包括步骤：至少沿着与所述根腔(75)连通的所述第一盘冷却孔(80)的第一深度部分(71)提供用于将所述根腔(75)与一个冷却气体源连接的第二盘冷却孔(70)，所述第二盘冷却孔(70)如下：

-所述圆形的第一盘冷却孔(80)和所述第二盘冷却孔(70)沿着公共孔轴线(Z)同轴，

-沿着所述横截面(S)的所述长轴(W1)在所述横截面(S)的边缘上的第一点(P1)和第二点(P2)之间的第一距离(D1)大于沿着所述横截面(S)的第二短轴(W2)在所述横截面(S)的边缘上的第三点(P3)和第四点(P4)之间的第二距离(D2)，所述长轴(W1)和所述短轴(W2)相互正交。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括步骤：将在所述圆形的第一盘冷却孔(80)和所述第二盘冷却孔(70)之间的多个交叉点(P5，P6，P7，P8)处的多个边缘进行平滑。

11.根据权利要求9至10中的任一项所述的方法，其中所述第一倾斜角度(α)介于1度和45度之间，并且优选地介于10度和30度之间。