CN101943032B - 涉及涡轮发动机及用于涡轮发动机的密封部的系统和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮发动机及用于涡轮发动机的密封部的系统和装置。具体而言，涡轮发动机(50)包括涡流突出件(110)，该涡流突出件(110)布置在于涡轮发动机(50)的运行期间旋转的构件上；其中，涡流突出件(110)包括构造成当构件在运行期间旋转时引起涡流流型的外表面。

Description

涉及涡轮发动机及用于涡轮发动机的密封部的系统和装置

技术领域

本申请一般地涉及用于改进涡轮发动机的效率和/或运行的方法、系统和/或装置，如本文中所使用且除非另外明确地规定，否则涡轮发动机意味着包括所有类型的涡轮机或转式发动机，包括燃气涡轮发动机、飞机发动机、蒸汽涡轮发动机及其它。更具体地，但并不作为限制，本申请涉及适于涡轮发动机的改进的密封部的系统和装置。

背景技术

涡轮发动机的性能主要受其消除或减少泄漏和/或冷却空气的使用的能力影响。泄漏通常由越过泄漏间隙存在的压力差引起。尽管能够降低越过泄漏间隙的压力差，但这会对工作流体速度分量的空气动力学设计产生不希望的限制。减少间隙本身是希望的，但由于在旋转和固定的构件之间的不可避免的不同热特性以及旋转的构件的离心特性，消除间隙通常不可行。另外考虑到支配热和离心特性的构件制造公差和运行状况的变化，通常情况是泄漏间隙在某些有代表性的运行状况期间形成。

在燃气涡轮发动机的情况下，常将冷却空气直接从压缩机发送至涡轮机构件，以保护构件不受热气体路径的极端温度影响。冷却空气可用来直接冷却部件，或在一些情况中，还可用来吹扫腔，腔对穿过沿着热气体路径存在的间隙的工作流体的吸入是开放的。通常，为了吹扫腔而造成冷却空气的流出(即冷却空气的流从腔进入热气体路径)，该流出充分地防止工作流体穿过间隙的流入。然而，与泄漏类似，吹扫流不利地影响涡轮发动机的性能和效率。因此，应该最小化吹扫空气的使用。

结果，存在对于在涡轮发动机内更好地密封间隙或腔的改进的系统和装置的需求。特别是，存在对于减少泄漏和/或冷却空气的使用的改进的密封部的需求。

发明内容

本申请因而描述了包括涡流突出件的涡轮发动机，该涡流突出件布置在于涡轮发动机的运行期间旋转的构件上；其中，涡流突出件包括外表面，该外表面构造成当构件在运行期间旋转时引起涡流流型。

本申请另外描述了包括涡流突出件的涡轮发动机，该涡轮突出件布置在于涡轮发动机的运行期间旋转的构件上；其中，涡流突出件包括外表面，该外表面构造成当构件在运行期间旋转时引起涡流流型；其中：涡轮发动机包括转子叶片，转子叶片包括柄部、安装在柄部上的翼型件、由翼型件的径向外端支承的末梢护罩(shroud)、从末梢护罩大致径向延伸的密封导轨(seal rail)；涡流突出件附接在末梢护罩的径向外表面和密封导轨的径向对齐表面的其中一个上；将涡流突出件定位成使得引起的涡流流型阻止工作流体从密封导轨的上游侧向密封导轨的下游侧的泄漏。

本申请另外描述了包括涡流突出件的涡轮发动机，该涡流突出件布置在于涡轮发动机的运行期间旋转的构件上；其中，该涡流突出件包括外表面，该外表面构造成当构件在运行期间旋转时引起涡流流型；其中：涡轮发动机包括转子叶片，转子叶片包括楔形榫和柄部，楔形榫将转子叶片附接在转子叶轮上，而柄部在翼型件与楔形榫之间；该涡轮发动机包括定子叶片；由在转子叶片和定子叶片之间的轴向间隙限定沟槽腔；涡流突出件附接在转子叶片上，并且构造且定位在其上以便引起的涡流流型阻止工作流体的流进入沟槽腔；涡流突出件包括非轴对称的突出件；涡流突出件的外表面的轮廓包括大致平滑弯曲的轮廓和近似部分螺旋面的形状。

联系附图和所附权利要求书，在查看优选实施例的以下详细描述后，本发明的这些和其它特征将变得清楚。

附图说明

通过仔细研究联系附图的示例性实施例的以下更详细的描述，将更彻底地明白和理解本发明的这些和其它特征，在附图中：

图1是在其中可使用本申请的实施例的示例性燃气涡轮发动机的示意性表示；

图2是在图1的燃气涡轮发动机中的压缩机的截面图；

图3是在图1的燃气涡轮发动机中的涡轮的截面图；

图4是根据常规设计的涡轮转子叶片的侧视图；

图5是图4的涡轮转子叶片的顶视图；

图6是具有根据本发明的一个示例性实施例的涡流突出件的末梢带护罩的涡轮转子叶片的透视图；

图7是图6的末梢带护罩的涡轮转子叶片的备选透视图；

图8是具有根据本发明的一个备选实施例的涡流突出件的末梢带护罩的涡轮转子叶片的透视图；

图9是具有根据本申请的一个示例性实施例的涡流突出件和周围涡轮机外壳的末梢带护罩的涡轮转子叶片的示意性截面图；

图10是如在根据常规设计的示例性涡轮机中构造的若干排的转子和定子叶片的径向内部分的示意性截面图；

图11是根据本发明的一个示例性实施例的沟槽腔和涡流突出件的截面图；以及

图12是根据本发明的一个备选实施例的沟槽腔和涡流突出件的截面图。

具体实施方式

通常，可使用燃气或燃烧涡轮发动机来说明本发明的示例性实施例(尽管在其它类型的燃烧涡轮发动机中类似或其它类型的使用是可能的)。燃烧涡轮发动机包括压缩机、燃烧器和涡轮。压缩机和涡轮通常包括轴向堆叠成多级的多排叶片。各个级包括固定的一排周向隔开的定子叶片和围绕中心轴线或轴旋转的一排转子叶片。在运行中，压缩机转子叶片围绕轴旋转，并且与定子叶片合作作用而压缩空气流。然后将压缩空气供给用于燃烧器中以燃烧燃料供给。然后，产生的来自燃烧的热膨胀气体的流(即工作流体)通过发动机的涡轮部膨胀。通过涡轮的工作流体的流引起转子叶片旋转。转子叶片连接在中心轴上使得转子叶片的旋转转动轴。以这种方式，将含在燃料中的能量转换成旋转轴的机械能，该机械能例如可用来转动压缩机的转子叶片，使得产生燃烧所需的压缩空气的供给，并转动发动机的线圈，使得发出电力。

涡轮发动机的性能显著地受其减少或消除泄漏和/或冷却空气的使用的能力影响。降低涡轮发动机的输出和效率的泄漏通常指的是工作流体绕过涡轮转子叶片的翼型件，使得不从其提取功。在其中发生泄漏的一种方式是工作流体的流越过转子叶片的径向外末梢。为了防止该情况，涡轮转子叶片常常设置有末梢护罩和通常从末梢护罩的外表面径向向外突出的密封导轨。该密封导轨通常在末梢护罩的相对的端部之间在涡轮转子旋转的大致方向上周向延伸。

虽然密封导轨阻止了一些泄漏，但越过转子叶片的径向外末梢的泄漏依然是重要的问题。按照一些常规设计，密封导轨径向延伸进入形成在固定的涡轮机外壳中的槽。为了在运行期间防止摩擦，必须维持在密封导轨的径向末梢和固定的涡轮机外壳之间的空隙。该空隙或间隙允许泄漏发生。在其它常规设计中，密封导轨延伸进入与旋转的末梢护罩相对的固定的蜂窝状护罩中。典型地，因为各种原因，在密封导轨的前缘(也称为吸入侧)处布置了切齿，以便在比密封导轨的宽度更宽的固定护罩的蜂窝状路径中切出槽。该稍宽的路径提供了使得泄漏能够在密封导轨的相对侧上的高压力区域和低压力区域之间流动的空隙或间隙。如本领域普通技术人员将理解的是，该性质的泄漏不利地影响了涡轮发动机的性能和效率。因而，存在对于改进的方法、系统和/或装置的需求，该改进的方法、系统和/或装置更好地密封这些类型的间隙或腔，使得可减少或最小化泄漏。

另外，如所陈述的，常将冷却空气从压缩机发送至涡轮机的部件，以保护某些构件不受热气体路径的极端温度影响。冷却空气可用来直接冷却构件，或可用来吹扫腔使得工作流体不被吸入吹扫的腔中。例如，对工作流体的极端温度敏感的一个区域是从热气体路径通常径向向内的空间。常称为涡轮的内叶轮空间或叶轮空间的该区域包含若干涡轮叶轮或转子，旋转的转子叶片附接在涡轮叶轮或转子上。虽然转子叶片设计成承受热气体路径的极端温度，但转子通常不能承受该极端温度，且因而有必要防止热气体路径的工作流体流入叶轮空间。

然而，轴向间隙必然存在于旋转的叶片和周围的固定部件之间，并且通过这些间隙，工作流体可获得至叶轮空间的通路。另外，由于发动机变热的方式和在旋转构件和固定构件之间不同的热膨胀系数，这些间隙可取决于运行发动机的方式而加宽和缩短。尺寸上的该可变性使得难以充分地密封这些间隙，其通常意味着必须吹扫涡轮叶轮空间以避免热气体吸入。

吹扫要求将叶轮空间内的压力维持在高于工作流体的压力的水平，从而产生吹扫空气穿过轴向间隙并且进入热气体路径的正流(positive flow)。典型地，通过从压缩机排出空气并且将其直接发送至叶轮空间而实现。当完成该动作时，产生了吹扫空气的流出(即从叶轮空间至热气体路径的吹扫空气流)，穿过间隙的该流出防止了工作流体的流进。从而，可保护叶轮空间内的构件不受到工作流体的极端温度影响。

然而，吹扫叶轮空间需要很高的代价。如本领域普通技术人员将理解的是，因为吹扫空气绕过了燃烧，它的使用不利地影响了涡轮发动机的性能和效率。换言之，增加的吹扫空气的水平降低了发动机的输出和效率。因此，只要有可能就应该最小化吹扫空气的使用。因此，还存在对于改进的方法、系统和/或装置的需求，这些改进的方法、系统和/或装置更好地将间隙或腔从工作流体的吸入阻隔开，使得可最小化吹扫空气的使用。

如以下详细描述的，本申请提出通过使用产生涡流层的空气动力学叶片装置来解决上述需求领域(即对于改进的密封部的需求，该改进的密封部在涡轮发动机中减少泄漏和冷却空气的使用，而且提供了冷却空气的增强的冷却特性和另外的好处)。换言之，可将来自涡轮发动机的旋转构件的转矩转换成处在或接近泄漏或吹扫间隙处的流体的动能，使得可获得增强的密封特性。更具体地，取决于特定应用的独特要求，被给予能量的流体可用来减少或消除泄漏或冷却空气的使用。如在下文中更详细地描述的，这可通过使用根据本发明的涡流突出件来实现。

以下描述了本发明的两个示例性应用。第一个涉及使用根据一个示例性实施例的涡流突出件，以更好地密封在涡轮叶片的径向外端和固定的护罩之间的间隙，使得减少泄漏并且具有其它好处。第二个示例性应用涉及使用根据一个备选示例性实施例的涡流突出件，以更好地密封在热气体路径中的间隙，使得可减少在吹扫腔中的冷却空气的使用并且具有其它好处。

作为背景，现在参考附图，图1至图3图示了在其中可使用本申请的实施例的示例性燃气涡轮发动机。本领域普通技术人员将理解的是本发明并不限于该类型的使用。如所陈述的，本发明可用于燃气涡轮发动机，例如在发电和飞机中使用的发动机、蒸汽涡轮发动机以及其它类型的转式发动机中。图1是燃气涡轮发动机50的示意性图示。通常，燃气涡轮发动机通过从加压的热气体流中提取能量而运转，热气体流通过燃料在压缩空气的流中燃烧而产生。如在图1中所示，燃气涡轮发动机50可构造成具有轴向的压缩机52，压缩机52通过公共轴或转子而机械地联接到下游的涡轮部或涡轮54上，燃烧器56定位在压缩机52和涡轮54之间。

图2图示了可在图1的燃气涡轮发动机中使用的示例性多级轴向压缩机52的视图。如图所示，该压缩机52可包括多个级。各个级均可包括其后跟有一排压缩机定子叶片62的一排压缩机转子叶片60。因而，第一级可包括围绕中心轴旋转的一排压缩机转子叶片60，其后跟有在运行期间保持固定的一排压缩机定子叶片62。压缩机定子叶片62通常彼此周向地隔开，并且围绕旋转轴线固定。压缩机转子叶片60周向隔开并且附接到轴上；当轴在运行期间旋转时，压缩机转子叶片60围绕轴旋转。如本领域普通技术人员将理解的是，压缩机转子叶片60构造成使得当围绕轴旋转时，它们将动能给予流经压缩机52的空气或流体。该压缩机52可具有除了在图2中图示的级之外的其它级。另外的级可包括其后跟有多个周向隔开的压缩机定子叶片62的多个周向隔开的压缩机转子叶片60。

图3图示了可在图1的燃气涡轮发动机中使用的示例性涡轮部或涡轮54的局部视图。涡轮54也可包括多个级。图示了三个示例性的级，但在涡轮54中可存在更多或更少的级。第一级包括在运行期间围绕轴旋转的多个涡轮轮叶或涡轮转子叶片66和在运行期间保持固定的多个喷嘴或涡轮定子叶片68。涡轮定子叶片68通常彼此周向隔开并且围绕旋转轴线固定。可将涡轮转子叶片66安装在涡轮叶轮上(未显示)以围绕轴(未显示)旋转。还图示了涡轮54的第二级。第二级类似地包括了其后跟有多个周向隔开的涡轮转子叶片66的多个周向隔开的涡轮定子叶片68，涡轮转子叶片66也安装在涡轮叶轮上以旋转。还图示了第三级，其类似地包括多个涡轮定子叶片68和转子叶片66。将理解的是涡轮定子叶片68和涡轮转子叶片66位于涡轮54的热气体路径中。经过热气体路径的热气体流的方向由箭头指示。如本领域普通技术人员将理解的是，涡轮54可具有除了图示在图3中的级以外的其它级。各个另外的级均可包括其后跟有一排涡轮转子叶片66的一排涡轮定子叶片68。

使用中，在轴向压缩机52内的压缩机转子叶片60的旋转可压缩空气流。在燃烧器56中，当将压缩空气与燃料混合并且点燃时，可释放能量。然后引导产生的来自燃烧器56的热气体流(其可称为工作流体)越过涡轮转子叶片66，工作流体的流引起涡轮转子叶片66围绕轴旋转。从而，将工作流体的流的能量转变成旋转叶片和旋转轴(由于在转子叶片和轴之间的连接)的机械能。然后轴的机械能可用来驱动压缩机转子叶片60的旋转使得产生必要的压缩空气的供给，并且还例如用来驱动发电机以发电。

在进一步进行描述之前，注意为了清楚地传达当前申请的发明，有必要选择提到和描述涡轮发动机的某些机械构件或部件的术语。只要有可能，将以与其公认的意义一致的方式使用并采用普通的行业术语。然而，其意在任何此类术语均被赋予了宽泛的意义并且不被狭隘地解释，使得在本文中预期的意义和所附权利要求书的范围不被不合理地限制。本领域普通技术人员将理解的是常可用若干不同的名称来提及某些构件。另外，在本文中可描述为单个部件的事物可包括并且可在另一个上下文中提及为由若干构件部分组成，或者，在本文中可描述为包括多个构件部分的事物可被塑造成，并且在一些情况中称作单个部件。同样地，为了理解在本文中描述的发明的范围，不仅应注意提供的术语和说明，还应注意在本文中所述的构件的结构、构造、功能和/或使用。

另外，在本文中可使用若干描述性的用语。这些用语的意义应当包括以下定义。用语“转子叶片”，在没有另外特征的情况下，是指代压缩机52或涡轮54中任一个的旋转叶片，其包括压缩机转子叶片60和涡轮转子叶片66。用语“定子叶片”，在没有另外特征的情况下，是指代压缩机52或涡轮54中任一个的固定叶片，其包括压缩机定子叶片62和涡轮定子叶片68。用语“叶片”在本文中将用来指任一类型的叶片。因而，在没有另外特征的情况下，用语“叶片”包括所有类型的涡轮发动机叶片，包括压缩机转子叶片60、压缩机定子叶片62、涡轮转子叶片66和涡轮定子叶片68。另外，如在本文中使用，“下游”和“上游”是指示相对于穿过涡轮机的工作流体的流的方向的用语。同样地，用语“下游”表示流的方向，用语“上游”意味着在穿过涡轮机的流的相对方向上。与这些用语有关，用语“尾部”和/或“尾缘”指被描述的构件的下游方向、下游端和/或在下游端的方向上。并且，用语“前部”和/或“前缘”指被描述的构件的上游方向、上游端和/或在上游端的方向上。用语“径向”指垂直于轴线的移动或位置。对于关于轴线处在不同径向位置处的所描述的部件，其通常是必须的。在该情况下，如果第一构件比第二构件更接近轴线设置，则在本文中可描述为第一构件在第二构件的“内侧”或“径向向内”。另一方面，如果第一构件比第二构件更远离轴线设置，在本文中可描述为第一构件在第二构件的“外侧”或“径向向外”。用语“轴向”指平行于轴线的移动或位置。且用语“周向”指围绕轴线的移动或位置。

现在参考图4至图9，讨论根据本发明的一个实施例的涡流突出件的第一示例性应用。图4和图5图示了典型的末梢带护罩的涡轮转子叶片100。涡轮转子叶片100包括翼型件102，如所陈述的，其是拦截工作流体的流的有效构件。如图所示，可将末梢护罩104定位在翼型件102的顶部处。末梢护罩104本质上是由翼型件102朝向其中心支承的平板。沿着末梢护罩104的顶部定位的可以是密封导轨106。如上所述，密封导轨106形成为阻止工作流体的流穿过在末梢护罩104和周围的构件(如所讨论的，在一些应用中，周围的构件可包括固定的蜂窝状或耐磨护罩)的内表面之间的间隙。然而，如已经描述的，某些实物妨碍密封导轨106成为对泄漏的有效密封部。

图6至图8图示了具有根据本发明的示例性实施例的涡流突出件110的末梢带护罩的涡轮转子叶片。如图所示，可将涡流突出件110附接在密封导轨106的大致径向对齐的表面上，在本文中该表面将称为密封导轨的侧。如图示，涡流突出件110可附接在密封导轨106的两侧上，即上游和下游侧，尽管在其它实施例中，可仅在密封导轨106的一侧上使用涡流突出件110。通常，如图所示，涡流突出件110是非轴对称的突出件，其构造成于运行期间在密封导轨106的每一侧上引起涡流流型。如以下更详细地讨论的，可使用涡流以对抗、妨碍或阻止泄漏流越过密封导轨106，从而使得改进涡轮发动机的效率。

涡流突出件110可采用许多形式和形状，在本文中提供的示例并不意图成为限制。通常，涡流突出件110包括轴向突出件，其还周向且径向地延伸。在一些实施例中，如在图6和图7中所示，涡流突出件110可包括沿着一条轴线扭曲或弯曲的薄的鳍片。如在以下更详细地描述的，这形成了具有近似部分螺旋面形状的外表面。另外，涡流突出件110可定位成使得当在运转中或出现有空气的流时，该外表面与周围的工作流体作用并且在其中引起涡流流型。注意，在备选实施例中(未显示)，涡流突出件110的外表面可由线性的段组成，代替具有平滑弯曲的轮廓，由线性的段组成的涡流突出件110的外表面产生与图6和图7的弯曲的示例相似的涡流流型。

图6和图7图示了当可将涡流突出件110定位在一个示例性的末梢带护罩的涡轮叶片上时涡流突出件110的两个不同视图。涡流突出件110可称作上游涡流突出件112和下游涡流突出件114。如图所示，这些涡流突出件112、114的每一个均具有沿着一个轴线扭曲的近似矩形形状。该扭曲的轴线，如所描绘的，可以是周向对齐的轴线。扭曲的程度可取决于应用而变化。如在此处所使用的，可用在涡流突出件的相对的边缘之间的角度偏移描述扭曲的程度，相对的边缘近似垂直于扭曲涡流突出件110所沿的轴线。在一个或两个的相对边缘弯曲的情况下，连接边缘的两个角的参考线可用来判定角度。如在图6和图7中所示，该参考线可与表示相对的边缘的参考线比较以形成角度θ，在本文中该角度θ定义为涡流突出件110的扭曲的程度。在一些实施例中，涡流突出件110将具有扭曲的程度使得形成的角度θ在大约10到80度之间。更具体地，在其它实施例中，涡流突出件110将具有扭曲的程度，使得形成的角度θ是在大约30到60度之间。另外，更具体地，在其它实施例中，涡流突出件110将具有扭曲的程度，使得形成的角度θ为大约45度。

如图所示，上游涡流突出件112和下游涡流突出件114在形状和形式上类似，但每一个均可以不同方式附接且定向，以产生所需的效果。每一个在形状上通常是矩形，并且包括四个侧或边缘。可给定四个边缘的定向和在转子叶片上的布置以及在运行中转子叶片的旋转的方向而描述该四个边缘。(注意在图6和图7中的转子叶片旋转的方向由箭头115所示。)上游涡流突出件12从而可包括：面向旋转方向的边缘或前边缘116；内侧边缘117；后边缘118；外侧边缘119。如图所示，上游涡流突出件112可沿着其边缘中的两个附接在密封导轨106上。如图所示，该两个边缘可以是前边缘116和内侧边缘117。可形成涡流突出件110的扭曲的形状，如图所示，通过构造与由该两个附接的边缘形成的角对角相对的角(该角是在外侧边缘119和后边缘118之间形成的角)，使得该角远离密封导轨106的侧而存在。更特别地，如图所示，前边缘116可以是近似线性的并且平行于密封导轨106的侧，而通过将在外侧边缘119和后边缘118之间形成的角弯曲远离密封导轨106的侧，后边缘118可以是弯曲的。该类型的构造导致前边缘116平行于径向对齐的密封导轨106，而后边缘118与前边缘116相比在近似逆时针方向上扭曲(当从末梢护罩104的尾缘的尾部的位置观察时)。

如图所示，下游涡流突出件114可描述为包括：面向旋转方向的边缘或前边缘120；内边缘121；后边缘122；和外边缘123。如所示的，下游涡流突出件114可沿着一个边缘附接在密封导轨106上。如图所示，该边缘可以是内边缘121。如图所示，通过构造在后边缘122和外边缘123之间形成的角而使得该角存在于末梢护罩104的径向外表面的外侧，从而可形成涡流突出件110的扭曲的形状。更特别地，如图所示，前边缘120可以是近似线性的并且垂直于密封导轨106的侧，而通过将在外边缘123和后边缘122之间形成的角在径向向外方向上移位，后边缘122可以是弯曲的。该类型的构造导致前边缘120平行于末梢护罩104的外表面，而后边缘122与前边缘120相比在近似逆时针方向上扭曲(当从末梢护罩104的尾缘的尾部的位置观察时)。

在一个备选的实施例中(未显示)，下游涡流突出件114还可与末梢护罩的径向外表面连接。在该情况下，下游涡流突出件114也可仍然连接在密封导轨106的侧上或者完全由末梢护罩104支承。在其它实施例中(未显示)，下游涡流突出件114可与密封导轨106分离并且完全由末梢护罩的径向外表面支承。

在一些备选的实施例中，涡流突出件110可以不是相对薄的鳍片，而是具有较厚或实心体的突出件。图8图示了该类型的上游涡流突出件112和下游涡流突出件114。如图所示，这些涡流突出件110的每一个均具有外表面，外表面具有与对于图6和图7的实施例所示的相似的弯曲轮廓。因此，图8的涡流突出件112、114将类似于在图6和图7中所示的薄的鳍片类型而工作。该较厚的体对于一些应用可有利，在这些应用中，用于附接的较大表面可用来加强在涡流突出件110和末梢护罩或其它表面之间的结合。备选地，较厚的体可向突出件连接到其上的构件提供更便利地将突出件制造为整体部件的能力。将理解的是，在此处提供的作为包括相对薄的鳍片的所有其它实施例也可设置有如在图8中所示的较厚的体。

图9图示了在使用中的上游涡流突出件112和下游涡流突出件114的示意性表示。如在常规设计中是普通的，密封导轨106从末梢护罩104径向向外延伸并且部分地进入形成在涡轮机外壳126中的凹陷或槽125。(注意，如上所述，在一些情况中，密封导轨106可用来在耐磨的蜂窝状材料中切割槽。形成在该装置中的密封部，如先前所述，也允许泄漏。如本领域普通技术人员将理解的是，本发明还可与该类型的装置一起使用。)在使用中，泄漏通常流过存在于密封导轨106和槽125之间的间隙。如本领域普通技术人员将理解的是，转子叶片的旋转和上游涡流突出件112以及下游涡流突出件114的构造和布置促使涡流流型发展，涡流流型分别由箭头127和箭头128指示。更具体地，如由箭头127所指示，由上游涡流突出件112引起的流通常将产生螺旋流，该螺旋流向外形成弧并且提供对可能以另外方式流向槽125并且穿过间隙的工作流体的抵抗。换言之，引起的涡流流型127卷曲，使得其通常至少部分地与前往间隙的工作流体对抗。

如由箭头128所指示，由下游涡流突出件114引起的流类似地运转，除了其对抗从间隙的后侧或从下游位置穿过间隙的流。更特别地，如由箭头128所指示，由下游涡流突出件114引起的流通常将产生螺旋流，该螺旋流向外形成弧并且提供对可以另外方式流经间隙的工作流体的抵抗。换言之，引起的涡流流型128卷曲使得其通常至少部分地对抗当前流经间隙的任何工作流体。

再次参考附图，图示了根据本申请的一个实施例的涡流突出件的第二示例性使用。图10示意性地图示了若干排叶片在可构造成根据常规设计的示例性涡轮机中时的径向向内部分的截面图。如本领域普通技术人员将理解的是，视图包括两排转子叶片66和两排定子叶片68的径向向内特征。各个转子叶片66通常包括翼型件102、楔形榫132和典型地称为柄部136的部分，翼型件102位于热气体路径中并且与涡轮机的工作流体相互作用(工作流体的流动方向由箭头131指示)，楔形榫132将转子叶片66附接在转子叶轮134上，柄部136在翼型件102和楔形榫132之间。如在本文所使用的，柄部136意在指转子叶片66位于附接机构和翼型件102之间的部分，附接机构在该情况中是楔形榫132。各个定子叶片68通常包括定子翼型件或翼型件140、在翼型件140的径向内侧的内侧壁142以及在内侧壁142的径向内侧的隔板(diaphragm)144，定子翼型件或翼型件140位于热气体路径中并且与工作流体相互作用。典型地，内侧壁142与翼型件140形成一体并且形成热气体路径的内边界。隔板144典型地附接在内侧壁142上(尽管可与其整体形成)，并且在径向向内方向上延伸以与旋转的机械形成密封部146。

将理解的是轴向间隙沿着热气体路径的径向向内边缘存在。通常，在本文中将称为“沟槽腔150”的这些间隙由于在旋转的部件(即转子叶片66)和固定的部件(即定子叶片68)之间必须维持的空间而存在。由于发动机变热、在不同负载状况下运行的方式以及一些构件的不同的热膨胀系数，沟槽腔150的宽度(即越过间隙的轴向距离)通常变化。换言之，沟槽腔150可取决于运行发动机的方式而加宽和缩短。由于非常不希望旋转的部件与固定的部件摩擦，所以必须将发动机设计成使得在所有的运行状况期间在沟槽腔150的位置处维持至少一些空间。这通常导致沟槽腔150在一些运行状况期间具有相对窄的开口，而在其它运行状况期间具有相对宽的开口。当然，具有相对宽的开口的沟槽腔150是不希望的，因为其通常导致更多的工作流体吸入进入涡轮叶轮空间。

将理解的是沟槽腔150通常存在于沿着热气体路径的径向向内边界的各个位置处(旋转的部件毗连固定的部件处)。从而，如所图示的，沟槽腔150在转子叶片66的尾缘和定子叶片68的前缘之间并且在定子叶片68的尾缘和转子叶片66的前缘之间形成。典型地，关于转子叶片66，柄部136限定沟槽腔150的一个边缘，并且关于定子叶片68，内侧壁142限定沟槽腔150的另一个边缘。天使翼突出物或天使翼152常可形成在转子叶片66的柄部136上。各个天使翼152可与形成在定子叶片68上的定子突出物154一致。定子突出物154可形成在内侧壁142上，或者，如图所示，也可在隔板144上。典型地，天使翼152形成在定子突出物154的内侧，如图所示。可存在多于一对的天使翼152/定子突出物154。通常，在第一天使翼152的内侧，沟槽腔150如所述地过渡到叶轮空间腔156中。

如所陈述的，由于极端温度可损坏在沟槽腔150和叶轮空间腔156内的构件，所以希望防止热气体路径的工作流体进入该区域。天使翼152和定子突出物154可形成为限制吸入。然而，由于沟槽腔150开口的变化的宽度和天使翼152/定子突出物154的相对的无效性，如果不用从压缩机抽取的相对高水平的压缩空气吹扫叶轮空间腔156，工作流体将被有规律地吸入该叶轮空间腔。如所陈述的，由于吹扫空气不利地影响发动机的性能和效率，只要有可能就应该减少其使用。

图11和图12图示了当根据本申请的实施例被附接到涡轮转子叶片66上时的涡流突出件160。如所构造的，图11和图12的涡流突出件160可用来抑制进入沟槽腔150的吸入，并且从而减少吹扫空气的使用。通常，沟槽腔涡流突出件160可具有如以上所讨论的示例性涡流突出件112、114的任何特征，包括构造成薄的鳍片(如在图11和图12中所示)或构造成具有较厚的更结实的体(与在图8中所示的实施例类似)。在一些实施例中，如图所示，图11和图12的沟槽腔涡流突出件160可在形式、形状和安装的定向上与以上关于下游涡流突出件114所讨论的类似。

当在沟槽腔150中使用时，涡流突出件160可附接在转子叶片66的柄部136上。在一些优选的实施例中，如在图11中所示，沟槽腔涡流突出件160可附接在沟槽腔150的开口的内侧并且接近开口。在一个备选的实施例中，沟槽腔的涡流突出件110可附接到天使翼152的内侧的位置上。在一个优选的实施例中，如在图12中所示，涡流突出件160可附接到天使翼152的远端上。

可将沟槽腔涡流突出件160附接在柄部136的外侧部分上(即天使翼152的外侧)(如在图11中所示)或沿着一个边缘附接在天使翼152上(如在图12中)，类似于关于图6、图7和图8的下游涡流突出件所显示和描述的那样。该一个边缘还可以是指内边缘。如图所示，通过构造后/外角使得其在大体外侧方向上弯曲，可形成沟槽腔涡流突出件160的扭曲的形状。更特别地，沟槽腔涡流突出件160的前边缘可以是近似线性的并且垂直于柄部136的侧，而后边缘可弯曲成后/外角在大体径向向外方向上弯曲，类似于关于下游涡流突出件114所述的那样。该类型的构造导致前边缘是线性的，而后边缘与前边缘相比在近似逆时针方向上扭曲(当从柄部136尾部的位置观察时)。

在常规的涡轮发动机中，工作流体可穿过沟槽腔150而吸入叶轮空间腔156。如所陈述的，通过使用沟槽腔涡流突出件160可减少该吸入。如本领域普通技术人员将理解的，转子叶片的旋转和沟槽腔涡流突出件160的构造和布置促使涡流流型发展，其由箭头170所示。更特别地，如由箭头170所示，由沟槽腔涡流突出件160引起的流通常将产生螺旋流，螺旋流向外形成弧并且提供对可能以另外方式流向或流入沟槽腔150的开口的工作流体的抵抗。换言之，引起的涡流流型170卷曲使得其通常至少部分地对抗前往沟槽腔150的开口的工作流体，或者其通常至少部分地对抗已经在沟槽腔150中的工作流体进一步前进。

关于图12的涡流突出件160，给定了在该位置处的沟槽腔150和在天使翼152与定子突出物154之间形成的轴向通路的狭小度，涡流突出件160的此位置可特别有效地防止吸入。如由箭头171所指示，在该位置上，涡流突出件160可产生旋流或涡流流型，其对抗吸入并且促进和协助吹扫空气从叶轮空间腔至沟槽腔150和/或从沟槽腔150至热气体路径的向外流动。这样可允许使用较少的吹扫空气，从而提高涡轮机性能。

如本领域普通技术人员将理解的是，以上关于该若干示例性实施例所描述的许多变化的特征和构造可另外选择性地应用以形成本发明的其它可能实施例。为了简要性起见并考虑到本领域普通技术人员的能力，尽管由所附若干权利要求包括的所有组合和可能的实施例意图成为本申请的一部分，但各个可能的重复在此处并不被详细描述。另外，根据以上对本发明的若干示例性实施例的描述，本领域技术人员将认识到改进、改造和改型。处在本领域技术内的此类改进、改造和改型还意图由所附权利要求书覆盖。另外，应该清楚的是前述仅仅涉及本申请的所述实施例，在本文中可做出大量的改造和改型而无需脱离由以下权利要求书或其等同物限定的本申请的精神和范围。

Claims (11)

1.一种涡轮发动机(50)，包括涡流突出件(110)，所述涡流突出件(110)布置在于所述涡轮发动机(50)的运行期间旋转的构件上；其中，所述涡流突出件(110)包括构造成当所述构件在运行期间旋转时引起涡流流型的外表面；

其中，所述涡轮发动机(50)包括转子叶片(66)，所述转子叶片(66)包括柄部(136)、安装在所述柄部(136)上的翼型件(102)、由所述翼型件(102)的径向外端支承的末梢护罩(104)、以及从所述末梢护罩(104)近似径向延伸的密封导轨(106)；

其中，所述涡流突出件(110)附接在所述末梢护罩(104)的径向外表面和所述密封导轨(106)的径向对齐的表面中的一个上；

其中，所述涡流突出件(110)定位成使得所引起的涡流流型阻止工作流体从所述密封导轨(106)的上游侧至所述密封导轨(106)的下游侧的泄漏；

其中，所述涡轮发动机(50)包括上游涡流突出件(112)和下游涡流突出件(114)中的至少一个；

其中，所述上游涡流突出件(112)附接在所述密封导轨(106)的上游并且包括第一前边缘(116)、内侧边缘(117)、第一后边缘(118)和外侧边缘(119)，且所述上游涡流突出件(112)沿着所述第一前边缘(116)和所述内侧边缘(117)中的至少一个附接，并且所述第一后边缘(118)与所述第一前边缘(116)相比是扭曲的；并且

其中，所述下游涡流突出件(114)附接在所述密封导轨(106)的下游并且包括第二前边缘(120)、内边缘(121)、第二后边缘(122)和外边缘(123)，且所述下游涡流突出件(114)沿着所述内边缘(121)附接，并且所述第二后边缘(122)与所述第二前边缘(120)相比是扭曲的。

2.根据权利要求1所述的涡轮发动机(50)，其特征在于：

所述涡流突出件(110)定位成使得所引起的涡流流型阻止工作流体穿过间隙的泄漏；

所述涡流突出件(110)包括薄的鳍片和厚的实心体中的一个；

所述涡流突出件(110)包括非轴对称的突出件；并且

所述涡流突出件(110)的所述外表面的轮廓包括大致平滑弯曲的轮廓和近似部分螺旋面的形状。

3.根据权利要求1所述的涡轮发动机(50)，其特征在于：

所述涡流突出件(110)包括沿着一条轴线扭曲的薄的鳍片；并且

所述涡流突出件(110)定位成使得该扭曲的轴线近似周向对齐。

4.根据权利要求3所述的涡轮发动机(50)，其特征在于，扭曲的程度在30至60度的范围内。

5.根据权利要求3所述的涡轮发动机，其特征在于，扭曲的程度为45度。

6.根据权利要求1所述的涡轮发动机(50)，其特征在于：

所述上游涡流突出件(112)构造成并且定位成使得所引起的涡流流型提供对可以另外方式流向在所述密封导轨(106)和固定的构件之间的间隙的工作流体的抵抗；并且

所述下游涡流突出件(114)构造成并且定位成使得所引起的涡流流型提供对可以另外方式流动穿过在所述密封导轨(106)和所述固定的构件之间的所述间隙的工作流体的抵抗。

7.根据权利要求1所述的涡轮发动机(50)，其特征在于：

所述涡轮发动机(50)包括转子叶片(66)，所述转子叶片(66)包括楔形榫(132)和柄部(136)，所述楔形榫(132)将所述转子叶片(66)附接在转子叶轮(134)上，而所述柄部(136)处在所述翼型件(102)和所述楔形榫(132)之间；

所述涡轮发动机(50)包括定子叶片(68)；

沟槽腔(150)由在所述转子叶片(66)和定子叶片(68)之间的轴向间隙限定；

所述涡流突出件(110)附接在所述转子叶片(66)上并且构造且定位在所述转子叶片(66)上，以便所引起的涡流流型阻止工作流体的流进入所述沟槽腔(150)。

8.根据权利要求7所述的涡轮发动机(50)，其特征在于，所述涡流突出件(110)布置在所述柄部(136)的下游表面上。

9.根据权利要求7所述的涡轮发动机(50)，其特征在于，所述涡流突出件(110)定位在所述沟槽腔(150)的开口的内侧，并且接近所述开口。

10.根据权利要求7所述的涡轮发动机(50)，其特征在于：

所述柄部(136)包括天使翼突出物(152)；并且

所述涡流突出件(110)布置在所述天使翼突出物(152)的远端附近。

11.根据权利要求7所述的涡轮发动机，其特征在于：

所述柄部(136)包括天使翼突出物(152)；并且

所述涡流突出件(110)定位在所述天使翼突出物(152)的内侧。