本發(fā)明所公開的主題涉及渦輪機械。具體地，本發(fā)明所公開的主題涉及燃氣渦輪機中的部件。

背景技術(shù)：

渦輪機包括靜葉片組件，其將工作流體(例如，氣體)的流動引導到連接到旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的渦輪機輪葉。這些輪葉設計成耐受渦輪機內(nèi)的高溫、高壓環(huán)境。例如在熱氣體路徑(HGP)中的常規(guī)渦輪機部件(例如，燃氣渦輪機輪葉、噴嘴等)受到特別嚴酷的溫度和壓力條件。冷卻這些部件在燃氣渦輪機的設計和操作上是挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的各種實施例包括一種系統(tǒng)，其具有：在渦輪機部件內(nèi)的冷卻網(wǎng)絡，所述冷卻網(wǎng)絡包括與所述渦輪機部件的表面流體地連接的至少一個通道；用于將冷卻流體提供給所述冷卻網(wǎng)絡的冷卻流體源；以及與所述冷卻流體源和所述冷卻網(wǎng)絡流體地連接的溫度致動流動調(diào)節(jié)裝置，所述溫度致動流動調(diào)節(jié)裝置配置成：檢測鄰近所述渦輪機部件的環(huán)境空氣溫度；并且基于檢測到的環(huán)境空氣溫度控制冷卻流體流動到所述冷卻網(wǎng)絡。

本發(fā)明的第一方面包括一種系統(tǒng)，其具有：在渦輪機部件內(nèi)的冷卻網(wǎng)絡，所述冷卻網(wǎng)絡包括與所述渦輪機部件的表面流體地連接的至少一個通道；用于將冷卻流體提供給所述冷卻網(wǎng)絡的冷卻流體源；以及與所述冷卻流體源和所述冷卻網(wǎng)絡流體地連接的溫度致動流動調(diào)節(jié)裝置，所述溫度致動流動調(diào)節(jié)裝置配置成：檢測鄰近所述渦輪機部件的環(huán)境空氣溫度；并且基于檢測到的環(huán)境空氣溫度控制冷卻流體流動到所述冷卻網(wǎng)絡。

本發(fā)明的第二方面包括一種渦輪機部件，其具有：具有外表面的主體；在所述外表面內(nèi)的冷卻網(wǎng)絡，所述冷卻網(wǎng)絡包括與所述外表面流體地連接的至少一個通道；用于將冷卻流體提供給所述冷卻網(wǎng)絡的冷卻流體源；以及與所述冷卻流體源和所述冷卻網(wǎng)絡流體地連接的溫度致動流動調(diào)節(jié)裝置，所述溫度致動流動調(diào)節(jié)裝置配置成：檢測鄰近所述外表面的環(huán)境空氣溫度或所述主體的所述外表面的溫度中的至少一個；并且基于檢測到的環(huán)境空氣溫度或所述主體的所述外表面的溫度中的至少一個控制冷卻流體流動到所述冷卻網(wǎng)絡。

本發(fā)明的第三方面包括一種渦輪機，其具有：定子；以及包含在所述定子內(nèi)的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有：主軸；以及從所述主軸徑向地延伸的多個輪葉，所述多個輪葉中的至少一個具有：包括外表面的主體；在所述外表面內(nèi)的冷卻網(wǎng)絡，所述冷卻網(wǎng)絡包括與所述外表面流體地連接的至少一個通道；用于將冷卻流體提供給所述冷卻網(wǎng)絡的冷卻流體源；以及與所述冷卻流體源和所述冷卻網(wǎng)絡流體地連接的溫度致動流動調(diào)節(jié)裝置，所述溫度致動流動調(diào)節(jié)裝置配置成：檢測鄰近所述外表面的環(huán)境空氣溫度；并且基于檢測到的環(huán)境空氣溫度控制冷卻流體流動到所述冷卻網(wǎng)絡。

附圖說明

從結(jié)合附圖進行的本發(fā)明的各種方面的以下詳細描述將更容易地理解本發(fā)明的這些和其它特征，附圖描繪本發(fā)明的各種實施例，其中：

圖1顯示根據(jù)各種實施例的渦輪機部件的側(cè)視示意圖。

圖2顯示圖1的部件的一部分以及根據(jù)各種實施例的系統(tǒng)的近視三維透視圖。

圖3顯示圖2的系統(tǒng)的部分橫截面?zhèn)纫晥D。

圖4顯示根據(jù)各種附加實施例的系統(tǒng)的部分橫截面?zhèn)纫晥D。

圖5顯示根據(jù)各種實施例的渦輪機的示意性部分橫截面圖。

應當注意本發(fā)明的圖不必按比例繪制。圖旨在僅僅描繪本發(fā)明的典型方面，并且因此不應當被視為限制本發(fā)明的范圍。在圖中，相似的附圖標記表示圖之間的相似元件。

具體實施方式

如本發(fā)明中所述，本發(fā)明所公開的主題涉及渦輪機械。具體地，本發(fā)明所公開的主題涉及燃氣渦輪機中的部件。

相比于常規(guī)方法，本發(fā)明的各種實施例包括用于冷卻一個或多個渦輪機部件的系統(tǒng)，每個系統(tǒng)包括用于控制冷卻流體流動到(一個或多個)部件內(nèi)的冷卻網(wǎng)絡的溫度致動流動調(diào)節(jié)裝置。在各種實施例中，溫度致動流動調(diào)節(jié)裝置安裝或以另外方式附連到渦輪機部件，例如，諸如燃氣渦輪機的渦輪機中的熱氣體路徑(HGP)部件(例如，渦輪機葉片、渦輪機護罩、渦輪機噴嘴等)和/或燃氣渦輪機中的非HGP部件(例如，在HGP外部的燃氣渦輪機燃燒系統(tǒng)中的其它部件)。各種系統(tǒng)包括與溫度檢測裝置(例如，熱電偶)聯(lián)接的基于壓載的流動調(diào)節(jié)閥，從而基于檢測到的鄰近(一個或多個)部件的環(huán)境溫度條件控制冷卻流體流動。

本發(fā)明的各種方面可以例如通過向燃氣渦輪機部件表面冷卻回路增加被動流動調(diào)節(jié)能力改進常規(guī)冷卻方法。這些改進可以至少包括：a)由于在渦輪機的操作范圍上的減小部件冷卻流動消耗而改善性能；以及b)由于能夠改變部件內(nèi)部冷卻流動網(wǎng)絡的總有效面積和相對于熱氣體流動路徑壓力增加部件內(nèi)部壓力而改善回流余量。

如這些圖中所示，“A”軸線表示軸向取向(沿著渦輪機轉(zhuǎn)子的軸線，為了清楚而省略)。當在本發(fā)明中使用時，術(shù)語“軸向”和/或“軸向地”指的是沿著軸線A的物體的相對位置/方向，其大致平行于渦輪機械(特別地，轉(zhuǎn)子部段)的旋轉(zhuǎn)軸線。當在本發(fā)明中進一步使用時，術(shù)語“徑向”和/或“徑向地”指的是沿著軸線(r)的物體的相對位置/方向，其大致垂直于軸線A并且僅僅在一個位置處與軸線A交叉。另外，另外，術(shù)語“圓周”和/或“圓周地”指的是沿著圓周(c)的物體的相對位置/方向，其圍繞軸線A但是不在任何位置處與軸線A交叉。還應當理解圖之間的共同附圖標記可以表示圖中的大致相同的部件。

參考圖1，顯示了根據(jù)各種實施例的渦輪機部件2(例如，燃氣渦輪機葉片)的側(cè)視示意圖。如圖所示，渦輪機部件2可以包括基部6，聯(lián)接到基部6并且從基部6徑向向外延伸的葉片8，以及在葉片8的徑向外側(cè)聯(lián)接到葉片8的護罩10。在本領域中眾所周知，基部6、葉片8和護罩10均可以由一種或多種金屬(例如，鋼、鋼的合金等)形成并且可以根據(jù)常規(guī)方法形成(例如，鑄造、鍛造或以另外方式機械加工)?；?、葉片8和護罩10可以一體地形成(例如，鑄造、鍛造、三維打印等)，或者可以形成為隨后聯(lián)結(jié)(例如，經(jīng)由焊接、釬焊、粘結(jié)或其它聯(lián)接機構(gòu))的獨立部件。

特別地，圖1顯示包括具有外表面14的主體12(例如，外殼體或罩)的葉片8。圖2顯示部件2的部分4的近視三維透視圖，進一步示出外表面14。在各種實施例中，表面14包括部件2的“冷”表面或“冷”側(cè)，使得部件的該側(cè)受到比部件的其它側(cè)(例如，由熱氣體直接沖擊的相對側(cè))更低的溫度。在圖1-2中也顯示與部件2的外表面14聯(lián)接的溫度控制系統(tǒng)(系統(tǒng))20。圖3顯示包括系統(tǒng)20的部件2的部分4的部分橫截面?zhèn)纫晥D。同時參考圖1-3，并且應當理解圖中的相同附圖標記可以表示大致相同的部件。

特別地參考圖2-3，系統(tǒng)20顯示為包括渦輪機部件2內(nèi)的冷卻網(wǎng)絡210。冷卻網(wǎng)絡210可以包括與渦輪機部件2的表面(外表面)14流體地連接的至少一個通道220(顯示若干)。也就是說，(一個或多個)通道220存在于表面14內(nèi)(例如，作為溝槽)，或者在一些情況下，從表面14延伸到主體12中(并且在一些情況下回到表面14)，從而允許冷卻流體流動通過部件2。例如，冷卻流體可以包括空氣。冷卻流體可以從冷卻流體源230被提供，所述冷卻流體源可以包括包含部件2的機械(例如，燃氣渦輪機)的不同部分。例如，在燃氣渦輪機械(例如，燃氣渦輪機)的情況下，冷卻流體源230可以包括來自渦輪機壓縮器的排出空氣。在各種附加實施例中，冷卻流體源230可以包括與從渦輪機壓縮器提取的空氣混合的外部加壓空氣源，如專用壓縮器。應當理解根據(jù)實施例，例如為了滿足回流余量要求，冷卻流體(例如，空氣)處于比氣體流動路徑(工作流體)的壓力更高的壓力。

系統(tǒng)20還可以包括與冷卻流體源230和冷卻網(wǎng)絡210流體地連接的溫度致動流動調(diào)節(jié)裝置(流動調(diào)節(jié)裝置)240。如本發(fā)明中進一步所述，流動調(diào)節(jié)裝置240可以配置成(例如，尺寸確定和校準成)：a)檢測鄰近渦輪機部件2的環(huán)境空氣(250)溫度；并且b)基于檢測到的環(huán)境空氣250的溫度控制冷卻流體(從冷卻流體源230)流動到冷卻網(wǎng)絡210。

在各種特定實施例中，流動調(diào)節(jié)裝置240可以包括閥260，所述閥尺寸確定成基于基線溫度條件允許固定量的冷卻流體(從冷卻流體源230)流動到冷卻網(wǎng)絡210。例如，基線溫度條件可以包括與特定冷卻流動量關(guān)聯(lián)的溫度的范圍，例如，與冷卻流體的給定流量關(guān)聯(lián)的大約260攝氏度(C)(～500F)到大約490攝氏度(～900F)之間的溫度范圍。閥260可以包括配置成控制閥260的位置的壓載流體262，如本發(fā)明中所述。流動調(diào)節(jié)裝置240可以由溫度敏感材料(如熔融鹽或具有超過設計條件的熱穩(wěn)定極限的其它流體材料)形成，其可以在質(zhì)量和體積上進行校準以允許基于環(huán)境溫度(接觸流動調(diào)節(jié)裝置240的空氣或材料的溫度)膨脹和收縮。溫度敏感材料的膨脹允許閥260通過推動可壓縮結(jié)構(gòu)元件(如波紋管)移位而移動，推動閥(盤)260移動，由此允許修改量的冷卻流體流動通過流動調(diào)節(jié)裝置240。在各種實施例中，流動調(diào)節(jié)裝置240響應檢測到環(huán)境空氣250的溫度(和/或部件2的外表面14的檢測溫度，在流動調(diào)節(jié)裝置240接觸部件2的實施例中)超過基線溫度條件(例如，落在溫度范圍之外)允許修改(調(diào)節(jié))量的冷卻流體(從冷卻流體源230)流動到冷卻網(wǎng)絡210。特別地，當環(huán)境空氣250和/或外表面14的溫度超過基線溫度條件(例如，落在范圍之外)時，壓載流體262膨脹并且修改閥260的位置，從而允許修改量的冷卻流體流動到冷卻網(wǎng)絡210。在一些情況下，當加熱壓載流體262時(例如，環(huán)境空氣250和/或外表面14的溫度超過基線溫度條件)，允許更大量的冷卻流體(從冷卻流體源230)流動到冷卻網(wǎng)絡210；并且隨后，當環(huán)境空氣250和/或外表面14的溫度降低時，壓載流體262冷卻并且收縮，朝著其基線、閉合位置往回修改閥260的位置(允許相應的基線流動)。例如，該基線溫度條件可以與指定渦輪機操作條件(例如，渦輪機正在操作的特定區(qū)域的國際標準組織(ISO)日間條件)相關(guān)。流動調(diào)節(jié)裝置240的致動點可以被限制到發(fā)動機操作條件，其中附加的、經(jīng)調(diào)節(jié)的冷卻流動是期望的，從而防止部件溫度超過它們的設計極限。

在各種實施例中，如本發(fā)明中所述流動調(diào)節(jié)裝置240安裝到渦輪機部件2的表面14。也就是說，流動調(diào)節(jié)裝置240可以附著、焊接、釬焊、粘結(jié)、螺栓連接、螺接或以另外方式安裝到渦輪機部件2的表面14。在一些情況下，例如，如圖3中所示，材料堆積310形成于表面14上，例如，作為鑄造特征或金屬的堆積(如焊接或釬焊堆積)，并且流動調(diào)節(jié)裝置安裝(如本說明書中所述)到材料堆積310。圖3顯示一個配置，其中流動調(diào)節(jié)裝置240在這樣的方向上被安裝使得它的主軸線A_p與渦輪機部件2的表面14垂直地對準(顯示為安裝在堆積310上)。在一些情況下，流動調(diào)節(jié)裝置240具有橫越流動調(diào)節(jié)裝置240的主軸線(A_p)測量的大約3毫米(mm)(大約1/8英寸)到大約25mm(一英寸)的寬度。然而應當理解這些尺度僅僅是例子，并且流動調(diào)節(jié)裝置240的尺度可以取決于特定渦輪機部件的冷卻流動需求比例縮放。在各種實施例中，系統(tǒng)20還包括頂部涂層320(圖3)，其可以施加到與表面14相對的部件2的表面314，使得頂部涂層形成部件2中的冷卻流動路徑表面，由此增強部件2上的冷卻網(wǎng)絡210的冷卻效果。

在各種附加實施例中，如圖4中所示，流動調(diào)節(jié)裝置240平行于渦輪機部件2的表面14對準，并且在該例子中，可以安裝到材料堆積310。在該配置(圖2)中，包含壓載流體(ballast fluid)262的流動調(diào)節(jié)裝置240的部分與表面14完全或部分接觸(代替圖2-3中的環(huán)境空氣250)，并且因此，在這些實施例中，流動調(diào)節(jié)裝置240配置成：a)檢測部件2的表面14的溫度；并且b)基于表面14的檢測溫度控制冷卻流體(從冷卻流體源230)流動到冷卻網(wǎng)絡210。該控制功能可以大致類似于關(guān)于接觸環(huán)境空氣250描述的控制功能，區(qū)別在于在圖4的替代實施例中表面14的溫度用作控制輸入。

圖5顯示根據(jù)各種實施例的渦輪機500(例如，燃氣渦輪機)的示意性部分橫截面圖。在本領域中眾所周知，渦輪機500包括定子502(在殼體504內(nèi)顯示)和在定子502內(nèi)的轉(zhuǎn)子506。轉(zhuǎn)子506可以包括主軸508，以及從主軸508徑向地延伸的多個部件2(例如，渦輪機輪葉)。在一些情況下，部件2(例如，渦輪機輪葉)可以位于渦輪機500內(nèi)的中級中。也就是說，在渦輪機500包括四(4)級(在本領域中眾所周知，沿著主軸508軸向地分散)的情況下，部件2(例如，渦輪機輪葉)可以位于渦輪機500內(nèi)的第二級(級2)中，或者在渦輪機500包括五(5)級(沿著主軸508軸向地分散)的情況下，部件2(例如，渦輪機輪葉)可以位于渦輪機500內(nèi)的第三級(級3)中。

本說明書中使用的術(shù)語僅僅是為了描述特定實施例并且不旨在限制本發(fā)明。當在本發(fā)明中使用時，單數(shù)形式“一”和“所述”也旨在包括復數(shù)形式，除非上下文清楚地另外說明。還將理解當在該說明書中使用時術(shù)語“包括”和/或“包含”指定所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一個或多個其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件和/或它們的組合的存在或加入。

本說明書使用例子來公開包括最佳模式的本發(fā)明，并且也使本領域的任何技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)并且執(zhí)行任何包含的方法。本發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可以包括本領域的技術(shù)人員想到的其它例子。這樣的其它例子旨在屬于權(quán)利要求的范圍內(nèi)，只要它們具有與權(quán)利要求的文字語言沒有區(qū)別的結(jié)構(gòu)元件，或者只要它們包括與權(quán)利要求的文字語言無實質(zhì)區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元件。