CN101892868A - 涡轮盖板系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮盖板系统，具体而言，在一个实施例中，盖板(44)可构造成轴向地覆盖转子叶轮(34)的轮柱(42)内的多个叶片保持槽(38)。盖板(44)可包括用于将盖板(44)径向地紧固在转子叶轮(34)的互补沟槽(56)内的突片(54)，以及构造成与涡轮叶轮相应孔对齐以容纳用来把盖板(44)轴向地紧固到转子叶轮(34)上的紧固件(64)的孔(62)。

Description

涡轮盖板系统
技术领域
本文公开的主题涉及燃气涡轮发动机，且更具体地，涉及涡轮用盖板。
背景技术
通常，燃气涡轮发动机燃烧压缩空气和燃料的混合物，以产生热燃烧气体。该燃烧气体可流经一个或多个涡轮级以产生用于负载和/或压缩机的动力。在级之间可发生压力下降，这可促使流体(例如轮叶或者叶片冷却空气)通过非计划的通道的流动。盖板可设置在涡轮轮柱(wheel post)上以减少级之间的流体泄漏。
发明内容
以下简述了与最初要求保护的发明范围相称的某些实施例。这些实施例并非意图限制所要求保护发明的范围，而是这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要概述。事实上，本发明可包括多种形式，这些形式可与以下阐明的实施例相似或不同。
在第一实施例中，系统包括构造成轴向地覆盖转子叶轮的轮柱内的多个叶片保持槽的盖板。该盖板包括构造成联接到互补凹槽上以把盖板径向地紧固到转子叶轮上的突片。该盖板也包括构造成与转子叶轮的相应孔对齐容纳构造成把盖板轴向地紧固到转子叶轮上的紧固件的孔。
在第二实施例中，系统包括构造成轴向地覆盖转子叶轮的轮柱内的多个叶片保持槽的盖板。该盖板包括在盖板的周界周围设置、且构造成与轮柱交接以包围至少其中一个叶片保持槽的密封表面。该盖板也包括设置在密封表面内的至少一个凹部，以减少与轮柱接触的密封表面的面积。
在第三实施例中，系统包括带有转子叶轮的旋转机构，该转子叶轮包括带有周向地隔开的叶片保持槽的轮柱。该旋转机构也包括多个叶片和多个盖板，叶片设置在叶片保持槽内以从转子叶轮径向地延伸，而盖板构造成轴向地覆盖叶片保持槽。多个盖板中的至少一个包括突片、孔、密封表面和至少一个凹部，该突片构造成将盖板径向地紧固在转子叶轮的互补凹槽内；该孔构造成与涡轮叶轮的相应孔对齐，以容纳构造成把盖板轴向地紧固到转子叶轮上的紧固件；该密封表面设置在盖板的周界周围且构造成与轮柱相交接，以包围至少其中一个叶片保持槽；而至少一个凹部设置在密封表面内以减少接触轮柱的密封表面的面积。
附图说明
在参照附图阅读以下具体实施方式后，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。贯穿这些图，相似标号代表相似的部件。其中：
图1是可使用涡轮盖板的燃气涡轮发动机的一个实施例的示意性流程图。
图2是图1的燃气涡轮发动机通过纵向轴线剖开的截面图。
图3是图2的燃气涡轮发动机的一部分的透视图，描绘了附接到涡轮机转子上的盖板的一个实施例。
图4是图3的转子的细节侧视图；和
图5是图3的盖板的透视图，描绘了密封表面。
具体实施方式
以下将描述本发明的一个或多个具体实施例。为致力于提供这些实施例的简明描述，在本说明书中可不描述实际实施方式的所有特征。将理解在任何此类实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做众多实施方式特定的决定以达到开发者的具体目标，例如遵从系统相关和行业相关的约束，这些约束可从一个实际实施方式到另一个实际实施方式而变化。而且，将理解此类开发努力可能是复杂而耗时的，但对那些从此发明公开中受益的本领域技术人员来说仍然是设计、制造和加工的常规工作。
当介绍本发明的各种实施例的要件时，用词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表示有一个或多个该要件。用语“包含”、“包括”和“具有”意图为包含性的，并意味着除了所列要件外可能有另外的要件。
本发明公开指向包括分段的盖板的涡轮机，盖板带有设计成从该盖板将径向载荷传入转子叶轮以增强密封的横截面。盖板可设置成跨越两个或更多轮柱开口，以减少例如涡轮叶片冷却空气的流体通过轮柱的泄漏，和/或减少进入叶轮空间空腔(wheel space cavity)内的流体的泄漏。盖板包括与轮柱交接的升高的密封表面。为了提供抵靠轮柱的增强的密封力，密封表面可具有相对小的面积。肋可设置在与密封表面相对的表面上以远离轮柱向外延伸。在运转期间，这些肋可产生转矩，从而朝向叶轮推动盖板以增强密封。
盖板被分段以跨越一个或多个轮柱开口，代替跨越单个转子叶轮内所有的轮柱开口的360度盖板。该分段设计可允许无需拆除转子叶轮而现场更换盖板。该分段设计也可允许盖板由能够耐受较高温度的材料构造，因为分段的盖板可暴露于比应用于360度盖板的那些切向应力更低的切向压力。在某些实施例中，较高温度的材料可充当热屏蔽以将转子叶轮从相对热的叶轮空间温度屏蔽开。盖板可通过将盖板上的突片和轮柱上的相应凹槽对齐并通过穿过在盖板和轮柱上的相应孔而插入紧固件来附在轮柱上。在运转期间，突片可将载荷传入叶轮以减轻紧固件上的压力。在某些实施例中，盖板的突出部分可插入涡轮叶片的凹槽内，从而为盖板提供更多的轴向保持力，或者为涡轮叶片提供更多的轴向保持力。
图1是包括燃气涡轮发动机12的示例性系统10的方块图，该燃气涡轮发动机12可使用带有增强的密封特征的分段的盖板。在某些实施例中，该系统10可包括航行器，船只，机车，动力产生系统或它们的组合。图示的燃气涡轮发动机12包括空气入口部分16，压缩机18，燃烧器部分20，涡轮22和排气部分24。涡轮22通过轴26驱动地联接到压缩机18上。
如箭头指示，空气可通过入口部分16进入燃气涡轮发动机12并流入压缩机18，压缩机18在空气进入燃烧器部分20前压缩空气。图示的燃烧器部分20包括围绕压缩机18和涡轮22之间的轴26同心或环形地设置的燃烧器外罩28。压缩空气从压缩器18进入燃烧器29，其中压缩空气可在燃烧器29内与燃料混合且燃烧以驱动涡轮22。
热燃烧气体从燃烧器部分20流经涡轮22，通过轴26驱动压缩机18。例如，燃烧气体可对涡轮22内的涡轮转子叶片施加原动力以使轴26旋转。在流经涡轮22后，热燃烧气体可通过排气部分24离开燃气涡轮发动机12。
图2是沿纵向轴线30所取的图1的燃气涡轮发动机12的一个实施例的侧视图。如图所绘，燃气涡轮22包括三个单独的涡轮转子31。每个转子31可通常代表涡轮22内的一个级。每个转子31可包括联接到转子叶轮34上的一组叶片32，转子叶轮34可转动地附接到轴26上(图1)。叶片32可从在转子叶轮34的周界周围设置的轮柱径向向外地延伸。叶片32可部分地设置在热燃烧气体的路径内。盖板可设置在轮柱上以防止涡轮叶片冷却空气穿过轮柱和/或进入转子叶轮34之间的空间的泄漏。在某些实施例中，减少冷却空气泄漏可改善涡轮效率。盖板也可为转子叶轮和轮柱充当热屏蔽。尽管燃气涡轮22图示为带有三个转子31的三级涡轮，但本文描述的盖板可在有任何数量的级和轴的任何适当类型的涡轮中使用。例如，盖板可包括在单级燃气涡轮中，在包括低压涡轮和高压涡轮的双涡轮系统中，或在蒸汽涡轮中。此外，本文描述的盖板也可在旋转压缩机中使用，例如在图1中图示的压缩机18。
如以上关于图1所描述的，空气可通过空气入口部分16进入，并由压缩机18压缩。来自压缩机18的压缩空气然后可被引入燃烧器部分20，在此处压缩空气可与燃料气体混合。压缩空气和燃料气体的混合物一般在燃烧器部分20内燃烧，以产生高温高压的燃烧气体，该燃烧气体可用于在涡轮22内产生转矩。具体地，燃烧气体可向叶片施加原动力以转动叶轮34。在某些实施例中，涡轮的每个级处可发生压力下降，压力下降可促使空气流经过非计划的通道。例如，涡轮叶片冷却空气可流入涡轮叶轮34之间的空腔，这可将热应力置于涡轮构件上。在某些实施例中，级间容积可被从压缩机流出的排放空气冷却。然而，进入级间空腔的热燃烧气体流可减弱冷却效果。此外，轮叶冷却空气、叶片冷却空气和/或轮空间吹扫流可在轮柱间泄漏，这会降低燃气涡轮发动机12的效率。因此，盖板可设置在轮柱上以减少涡轮叶片冷却空气进入级间空腔的泄漏，并且保护涡轮免受相对高温的空腔空气的影响。
图3是图2中显示的其中一个转子31的一部分的透视图。出于说明性的目的，只图示了转子31的一部分。然而，每个转子31均可通常包括圆形的叶轮34，该叶轮34带有从叶轮34径向向外地(箭头36)延伸的叶片32(图2)。为了清楚，叶片32没有在图3中显示。然而，叶片32(图2)可通常插入在叶轮34周围周向地(箭头40)隔开的开口或叶片保持槽38内，并且从开口或叶片保持槽38延伸。在某些实施例中，大约60到92个叶片可周向地环绕(箭头40)叶轮34和相应的旋转轴线(未显示)安装并隔开。
叶片保持槽38设置在涡轮叶轮34的上部部分中，该上部部分通常被称为轮柱42。在某些实施例中，该叶片保持槽38可包括设计成与在叶片32(图2)的端部上的互补燕尾部交接的燕尾部。轮柱42可通常将叶片32保持在叶轮34内。当叶片被插入槽38内时，轮柱42和叶片32之间的交界面处可能存在间隙。在某些实施例中，轮叶或叶片冷却空气或轮空间吹扫流可通过这些间隙泄漏。因此，盖板44被附接在轮柱42的第一表面46上。在某些实施例中，相似类型的盖板可附接在轮柱42的相对的表面48上。
盖板44轴向地覆盖(由箭头50指示的方向)在轮柱42内的叶片保持槽38。一系列盖板44可沿由箭头40指示的方向周向地放置在一起，以覆盖在轮柱42的周围周向地隔开的每个叶片保持槽38。该系列相邻盖板44可拼凑成环形形状。
如图3中所示，盖板44跨越且包围在轮柱42内的两个相邻的叶片保持槽38。然而，在其它实施例中，盖板44可具有更大或更小的周向长度52以用单个盖板44覆盖任何数量的叶片保持槽38。例如，单独的盖板44可覆盖大约1到100个叶片保持槽38，以及它们之间的所有附属区域。更具体地，单独的盖板44可覆盖大约2到30个叶片保持槽38，或甚至更加具体地，大约2到5个叶片保持槽38。此外，在某些实施例中，盖板44可包括附加特征，例如天使翼(angel wing)和其它平衡及支承特征(例如平衡肋)。
盖板44可通过装配在涡轮叶轮34的相应凹槽56内的突片54而附到叶轮34上。在某些实施例中，该突片54可部分地或完全地沿该盖板44的周向长度52延伸。在突片54完全地沿周向长度52延伸的实施例中，相邻盖板44的突片54可结合以形成环形形状。突片54和凹槽56可联接在一起以把盖板44径向地(方向36)紧固到轮柱34上。在其它实施例中，突片54和沟槽56的位置可反转。具体地，突片可设置在转子叶轮34上，构造成装配在盖板44的沟槽内。
凸缘58从转子叶轮34延伸，且与盖板44的相应凸缘60配合。该凸缘60可从盖板44的较低外围延伸，且可具有有圆齿的形状。然而，在其它实施例中，凸缘60的形状和尺寸可变化。每个凸缘58和60均可包括容纳例如螺栓64的紧固件的相应孔62(图4中显示)，以把盖板44轴向地(沿由箭头50指示的方向)紧固到叶轮34上。螺栓64可包括用于把盖板44紧固到叶轮34上的单个的非整体紧固件。在某些实施例中，螺栓64可由其他类型的紧固件替代，例如销、夹等，其被栓接、焊接或以其它方式附接到叶轮34上。在现场时紧固件64可去除以允许更换盖板44，并且在某些实施例中，可无需拆卸涡轮叶轮34而更换盖板44。在某些实施例中，螺栓64可为用来把盖板44附到转子叶轮34上的唯一的非整体紧固件。
在运转期间，离心力(方向40)可将盖板44轴向地(方向50)引向叶轮34以增强密封。具体地，盖板44可包括从盖板44的外表面70延伸的周向肋66和68。肋66和68在运转期间可产生转矩，其在某些实施例中可提供翻转力矩，以增强盖板44对叶轮34的密封。在某些实施例中，肋66和68可起作用以在转子31的运转期间将盖板44引向转子31。肋66和68可横跨盖板44的周向长度52彼此平行延伸。然而，在其它实施例中，肋66和68可沿盖板44的不同部分延伸。此外，可提供任何数量的具有不同形状、尺寸和长度的肋。
图4是图3中显示的转子31的侧视图。盖板由延伸通过孔62的螺栓64附在叶轮34上。如以上关于图3所描述的，孔62可通过对齐盖板凸缘60和转子叶轮凸缘58上的相应孔而形成。根据某些实施例，螺栓64可具有比孔62小的直径以阻止在运转期间螺栓64和孔62的边缘之间的接触，从而减少螺栓64上的载荷。由突片54和沟槽56形成的接合处可充分地阻止或防止盖板44绕螺栓64旋转。由该突片54和该沟槽56形成的接合处也可将径向载荷(方向36)引入涡轮叶轮34，从而减轻螺栓64上的压力。在某些实施例中，沟槽56的上径向部分72上可存在紧公差。此外，在其它实施例中，突片54和沟槽56之间的公差可变化。例如，在某些实施例中，突片54和沟槽56的底部部分73之间可存在间隙以便于组装。
盖板44也可包括轴向(方向50)保持特征。例如，叶片32可包括从叶片32向外延伸的凸缘74，以形成可容纳盖板44的突出部分78的沟槽76。该互补沟槽76和突出78可结合以在转子叶轮34的运转期间轴向地(方向50)保持该盖板44。然而，在某些实施例中，该突出部分78可省略。此外，在其它实施例中，沟槽76和突出78的相对位置可交换。具体地，盖板44可包括沟槽，该沟槽用于保持从其中一个叶片32延伸的突出。
图5是图示盖板44的密封表面80的透视图。密封表面80可靠着轮柱42(图4)设置，且包括在盖板44的周界周围延伸的升高部分82。具体地，该升高部分82刚好从突片54上方周向地延伸至突出78。可在密封表面80内设置一对凹部84和86。该凹部84和86可通常具有比升高部分82较浅的深度，以减少接触轮柱42(图4)的密封表面80的面积。该凹部84和86还可减少盖板的重量，从而减少盖板给予涡轮叶轮中的离心载荷。密封表面80的减少的面积可允许离心力向叶轮34集中在相对小的面积上以增强密封。具体地，只有盖板44的升高部分82可接触轮柱42。在某些实施例中，只有大约百分之十、二十、三十、四十、五十或六十的密封表面80可接触轮柱42。支承棒88可隔开凹部84和86。支承棒88可相对于升高部分82凹进，但可能不像凹部84和86那样凹进。在某些实施例中，支承棒88可省略。
此处图示的盖板44可包括附加特征和/或改型。例如，可包括如天使翼和平衡肋的附加特征。在另一个示例中，孔62的尺寸和形状可变化。在某些实施例中，凸缘60可跨越盖板44的整个周向长度52(图3)延伸。此外，可包括任何数量的凹部84和86。在某些实施例中，各凹部84或86可通常与叶片保持槽38(图3)对齐。例如，设计成覆盖三个叶片保持槽38的盖板44可通常包括三个凹部84或86。然而，在其它实施例中，每个凹部84或86可覆盖多个叶片保持槽38。
此书面说明书使用示例公开本发明，包括最佳模式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求书限定，并可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它的示例具有与权利要求书的书面语言并非不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的书面语言并无实质不同的等价结构元件，则此类其它的示例意图处在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种系统，包括：
构造成轴向地覆盖转子叶轮(34)的轮柱(42)内的多个叶片保持槽(38)的盖板(44)，所述盖板(44)包括：
突片(54)，其构造成联接到互补沟槽(56)上，以把所述盖板(44)径向地紧固到所述转子叶轮(34)上；以及
孔(62)，其构造成与所述转子叶轮(34)的相应孔对齐，以容纳构造成把所述盖板(44)轴向地紧固到所述转子叶轮(34)上的紧固件(64)。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述孔(62)设置在所述盖板(44)的外围凸缘(60)上，且其中所述外围凸缘(60)构造成覆盖所述转子叶轮(34)的相应凸缘(58)。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述盖板(44)包括突出(78)，所述突出(78)构造成在从所述轮柱(42)延伸的叶片(32)的互补沟槽(76)内轴向地保持所述盖板(44)。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述突片(54)从构造成邻接所述轮柱(42)的所述盖板(44)的密封表面(80)延伸。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述盖板(44)包括一个或多个肋(66，68)，所述肋(66，68)设置在与所述密封表面(80)相对的表面(70)上，且构造成在所述转子叶轮(34)的运转期间将所述盖板(44)引向所述转子叶轮(34)。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述盖板(44)构造成用单个的非整体紧固件(64)附在所述转子叶轮(34)上。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括燃气涡轮发动机(12)、压缩机(18)、燃气涡轮(22)、燃烧器(29)或它们的组合。
8.一种系统，包括：
构造成轴向地覆盖转子叶轮(34)的轮柱(42)内的多个叶片保持槽(38)的盖板(44)，所述盖板(44)包括：
密封表面(80)，其设置在所述盖板(44)的周界周围，且构造成与所述轮柱(42)交接，以包围至少其中一个所述叶片保持槽(38)；和
至少一个凹部(84)，其设置在所述密封表面(80)内，以减少接触所述轮柱(42)的所述密封表面(80)的面积。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统包括通过支承棒(88)与所述至少一个凹部(84)隔开的第二凹部(86)，其中，所述至少一个凹部(84)和所述第二凹部(86)每一个都构造成与所述多个叶片保持槽(38)的单独的叶片保持槽(38)对齐。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述密封表面(80)构造成包围至少两个叶片保持槽(38)。
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