CN102042043B - 用于间隙流控制的涡流室 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于间隙流控制的涡流室，具体而言，提供了一种装置(10)，并且该装置包括：第一部件(20)，其带有从其表面(21)延伸的流转向部件(25)；以及设置在第一部件的附近的第二部件(30)，其中，在第二部件的表面(31)和流转向部件的远端(26)之间限定了间隙区域A，从而使得在第一和第二部件(20，30)的表面(21，31)之间形成流体路径(40)，流体(50)沿着该流体路径(40)以自上游区段(60)且通过间隙区域A的方式流动。第二部件形成为在上游区段(60)处限定双涡流室(70，80)，在双涡流室中，流体在被容许流过间隙区域A之前被引导成以涡流模式(75，85)流动。

Description

用于间隙流控制的涡流室
技术领域
本文公开的主题涉及一种用于提供顶部间隙流(tipclearanceflow)控制的涡流室。
背景技术
一般来说，燃气发动机涡轮的涡轮级在环形涡轮壳体中包括一排固定的导叶(vane)，后面是一排旋转叶片。通过涡轮壳体的流体流在导叶中部分地膨胀，并且被引导朝向旋转叶片，在旋转叶片处，流体流进一步膨胀以产生需要的动力输出。为了涡轮的安全的机械操作起见，在旋转叶片的顶部和涡轮壳体的内表面之间存在最小的物理间隙要求。典型地，涡轮轮叶(bucket)设有盖部，以用于获得更好的气动和机械性能。从盖部突出的板条(rail)用来最大程度地减小壳体和旋转叶片之间的物理间隙。此间隙要求基于转子动态特性及转子和涡轮壳体的热行为而变化。
当间隙要求相对高时，高能量流体流在叶片的顶部和涡轮壳体的内表面之间漏出，而在涡轮操作期间不会产生任何有用的动力。漏出的流体流构成顶部间隙损失，并且是涡轮级的损失的主要原因之一。例如，在一些情况下，顶部间隙损失构成涡轮级的总损失的20-25％。
顶部间隙流的量的任何减少都可产生涡轮级的动力和性能的直接收益。典型地，可通过减小转子顶部和壳体之间的物理间隙来实现这种减少。但是，这种减少也会提高旋转构件和固定构件之间的破坏性摩擦的可能性。
另外，涡轮发动机性能可取决于用来保护涡轮构件不受存在于热气路径中的高温的影响的冷却和密封空气的量。冷却流一般用来冷却构件，以及吹扫通往热气路径的腔体。也就是说，可通过提供通过空隙的正向(positive)向外的冷却空气流来防止热气吸入到例如轮空间(wheelspace)中。一般来说，这些冷却流从发动机的压缩机部分中抽取，其中，任何抽取都是发动机的整体性能的损失。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种装置，并且该装置包括：第一部件，其带有从其表面延伸的流转向部件；以及设置在第一部件附近的第二部件，其中，在第二部件的表面和流转向部件的远端(distalend)之间限定了间隙(clearancegap)，从而使得在第一部件和第二部件的表面之间形成流体路径，流体沿着该流体路径以自上游区段且通过间隙的方式流动。第二部件形成为在上游区段处限定双涡流室，在双涡流室中，流体在被容许流过间隙之前被引导成以涡流模式流动。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于提供顶部间隙流控制的涡轮，并且该涡轮包括：可旋转涡轮叶片，其具有从其表面延伸的板条；以及在周边(perimetrically)包围可旋转涡轮叶片的涡轮壳体，其中，在壳体的内表面和板条的远端之间限定了间隙，从而使得形成流体路径，流体沿该流体路径以自上游区段且通过间隙的方式流动。涡轮壳体形成为在上游区段处限定双涡流室，在双涡流室中，流体在被容许流过间隙之前被引导成以涡流模式流动。
根据以下结合附图的描述，这些和其它优点及特征将变得更加显而易见。
附图说明
在权利要求书中特别指出和明确要求保护了被视为本发明的主题。根据以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其它特征及优点是显而易见的，其中：
图1和2是涡轮壳体的侧视图；
图3是带有轮叶的涡轮壳体的另一个实施例的侧视图；
图4是涡轮壳体的另一个实施例的侧视图；
图5是涡轮壳体的另一个实施例的侧视图；
图6是涡轮壳体的另一个实施例的侧视图；
图7是涡轮壳体的另一个实施例的侧视图；
图8是涡轮壳体的另一个实施例的侧视图；
图9是非轴线对称涡轮壳体的侧视图；
图10是高压填料密封件的侧视图；
图11是涡轮的轮空间区域的侧视图；
图12是带有突起的涡轮壳体的侧视图；以及
图13是涡轮的侧视图。
在不具有限制的情况下，详细描述通过实例参照附图阐述了本发明的实施例以及优点和特征。
部件列表
10装置
20第一部件
21表面
25流转向部件
26远端
30第二部件
A实际间隙区域(actualclearancegaparea)
E有效流动区域
31表面
40流体路径
50流体
60上游区段
70，80双涡流室
71凹部分
72壁部分
75，85双涡流模式
81壁部分
82管状部分
83凹部分
90急剧的变向
100突起
101喇叭部(flare)
C二次流体(secondaryfluid)
105涡轮
110涡轮叶片
111板条
112涡轮壳体
120非轴线对称壳体
130高压填料密封件
131蜂巢组件
140涡轮转子
141喷嘴
142第二流转向部件
具体实施方式
根据本发明的各方面，可在不相应地减小转子顶部和壳体之间的物理间隙的情况下实现对燃气发动机涡轮或一些其它类似的装置中的顶部间隙流的控制。因而，可在不对涡轮的机械完整性造成不利影响的情况下改进涡轮级性能。
参看图1和2，提供了一种装置10，并且该装置10分别包括第一部件20和第二部件30。第一部件20包括从其表面21延伸的流转向部件25。第二部件30设置在第一部件20的附近，其中，在第二部件30的表面31和流转向部件25的远端26之间限定了实际间隙区域A。由此，在第一部件20和第二部件30之间形成流体路径40，流体50可沿着该流体路径40在下游方向上从上游区段60流过实际间隙区域A。
第二部件30还形成为在上游区段60处限定双涡流室70和80。流体50在被容许流过实际间隙区域A之前被引导成以双涡流模式75和85流入双涡流室70和80中。在流体50被引导成以双涡流模式75和85流动的情况下，通过实际间隙区域A的流体50的有效流动区域E减小，从而使得E＜A。详细来说，第一涡流模式75使流体50流转向朝向第一部件20。然后第二涡流模式85引导流在流转向部件25之上且在流转向部件25周围进行相对急剧的变向90，从而防止流体50流过实际间隙区域A的全部厚度。在一些情况下，双涡流室70和80可构造成使得有效流动区域E明显没有实际间隙区域A厚。
双涡流室70和80形成为上游涡流室70和下游涡流室80。第二部件30还可形成为在上游涡流室70和下游涡流室80之间限定突起100。
参看图3-8，上游涡流室70可包括凹部分71或壁部分72和凹部分71的组合，其中，凹部分71连接到壁部分72的外径上。下游涡流室80可包括壁部分81和管状部分82或凹部分83。
突起100可在下游方向θ1上或在上游方向θ2上成角度。在其它情况下，突起100可包括在其远端处的喇叭部101。喇叭部101可以上游方向和下游方向中任一个或两者指向。
虽然单独示出了图3-8的实施例，但是理解到，可按彼此的各种组合来提供各种实施例，并且与以上描述的那些构造相符的其它构造也是可行的。
回头参看图1和2，为了实现有效间隙区域E的进一步减小，第二部件30可形成为将二次流体C喷射或以别的方式排到流体路径40中。二次流体C可包括冷却剂，并且可用来阻挡连续的流体50流。在二次流体C是冷却剂的情况下，将二次流体C喷射到流体路径40中还可对本文描述的各种构件提供冷却作用。
装置10可应用于在各种应用中使用。例如，如图1和2中所示，装置10可为例如燃气涡轮发动机的涡轮105的构件。在此，第一部分20可包括可旋转涡轮叶片110，流转向部件25可包括连接到涡轮叶片110上的板条111，并且第二部件30可包括构造成在周边包围涡轮叶片110和板条111的涡轮壳体112，其中，在涡轮壳体112的内表面和板条111的远端之间限定了实际间隙区域A。
也就是说，提供了一种用于提供顶部间隙流控制的涡轮105，并且该涡轮105包括：可旋转涡轮叶片110，该可旋转涡轮叶片110具有从其表面延伸的板条111；和涡轮壳体112。涡轮壳体112构造成在周边包围可旋转涡轮叶片110和板条111，其中，在涡轮壳体112的内表面和板条111的远端之间限定了实际间隙区域A。由此形成了流体路径40，流体50可沿着该流体路径40以自上游区段60且通过间隙区域A的方式流动。涡轮壳体112还形成为在上游区段60处限定双涡流室70和80，在双涡流室70和80中，流体50在被容许流过间隙区域A之前被引导成以涡流模式75和85流动。
如图9中所示，第二部件30还可包括非轴线对称壳体120。如图10中所示，第一部件20可包括与蜂巢组件131相对的高压填料密封件130，突起100和双涡流室70和80设置在该蜂巢组件131附近。如图11中所示，第一部件20可包括涡轮的轮空间腔体的涡轮转子140，其中，第二部件30包括带有突起100的涡轮喷嘴141。在这种情况下，第二部件30还可包括设置在流转向部件25的下游的第二流转向部件142。
根据本发明的其它方面，提供了一种操作涡轮105的方法。该方法包括促使流体50沿着形成为通过涡轮壳体112的流体路径40以自上游区段60且通过实际间隙区域A的方式流动，该实际间隙区域A限定在涡轮壳体112和可旋转涡轮叶片110的板条111之间，涡轮壳体112在周边包围可旋转涡轮叶片110。在容许流体50流过实际间隙区域A之前，方法还包括引导流体50在上游区段60处在双涡流室70和80中以涡流模式75和85流动。根据实施例，对流体50的引导可包括将流体50引导成流入上游涡流室70中，从该上游涡流室70中流体50被转向到涡轮叶片110上，并且随后将流体50引导成流入下游涡流室80中，从该下游涡流室80中流体50被迫在板条111上相对急剧地变向。另外，方法可包括在将流体50引导成以涡流模式75和85流动的期间，将二次流体C(例如冷却流)排入流体50中。
在仿真中，带有双涡流室70和80的典型的涡轮级显示了在相应地提高级效率的情况下有效地减少了对于恒定的物理间隙的间隙流。双涡流室70和80可应用于新的燃气轮机或蒸汽轮机，以及已经可用的涡轮。对于可用的涡轮而言，可将双涡流室70和80提供为升级期间的服务包(servicepackage)的一部分。
可用单个构件或者可通过使用组装在一起的多个构件制成带有突起100的双涡流室70和80。在图12中显示了一个这样的组件，其中，突起100可包括组装在壳体T槽口中的单独的可移除的部件。这在升级发动机期间结合涡流室是特别有用的。一般来说，板条上的壳体具有管状形状，而且在一些情况下，板条可运用成抵靠在耐磨的或蜂巢结构上，其中，允许板条有意地在燃气涡轮发动机的变化的操作条件期间形成凹槽形状，如图13中所示。
虽然已经结合仅有限数量的实施例来对本发明进行了详细描述，但是应当容易地理解，本发明不限于这种公开的实施例。相反，本发明可修改成结合此前未描述过但与本发明的精神和范围相当的任何数量的变化、更改、替换或等同布置。另外，虽然已经描述了本发明的各实施例，但应理解到，本发明的方面可包括仅一些所描述的实施例。因此，本发明不应视为受前述描述的限制，而是仅受所附权利要求书的范围的限制。

Claims (20)

1.一种用于间隙流控制的装置，包括：
第一部件，该第一部件带有从其表面延伸的流转向部件；以及
设置在所述第一部件的附近的第二部件，其中，在所述第二部件的表面和所述流转向部件的远端之间限定了间隙区域，从而使得在所述第一部件和第二部件的表面之间形成流体路径，流体沿着所述流体路径以自上游区段且通过所述间隙区域的方式流动，所述上游区段在所述第二部件的所述表面和所述转向部件的所述远端之间不具有与所述间隙区域相似尺寸的空隙区域，所述第二部件形成为在所述上游区段不具有所述与所述间隙区域相似尺寸的空隙区域；
限定在所述上游区段处的双涡流室，在所述双涡流室中，所述流体在被容许流过所述间隙区域之前被引导成以涡流模式流动。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述双涡流室形成为上游和下游涡流室，其中，所述第二部件还形成为限定置于所述双涡流室之间的突起。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述上游涡流室包括凹部分。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述上游涡流室包括壁部分和连接到所述壁部分的外径上的凹部分。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述下游涡流室包括壁部分和管状部分。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述下游涡流室包括凹部分或管状部分。
7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述突起在下游方向上成角度。
8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述突起朝上游方向成角度。
9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述突起包括在其远端处的喇叭部。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二部件还形成为将冷却流径向向内排入所述流体路径中。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一部件包括可旋转涡轮叶片，以及所述第二部件包括涡轮壳体，其在周边包围所述涡轮叶片。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述涡轮壳体包括非轴对称壳体。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一部件包括高压填料密封件。
14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一部件包括涡轮轮叶并且所述第二部件包括涡轮喷嘴。
15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二部件还包括在所述第一部件的流转向部件下游的第二流转向部件。
16.一种用于提供顶部间隙流控制的涡轮，所述涡轮包括：
可旋转涡轮叶片，其具有从其表面延伸的板条；以及
在周边包围所述可旋转涡轮叶片的涡轮壳体，其中，在所述壳体的内表面与所述板条的远端之间限定间隙区域，使得形成流体路径，流体沿所述流体路径以自上游区段且通过所述间隙区域的方式流动，所述上游区段在第二部件的所述表面和转向部件的所述远端之间不具有与所述间隙区域相似尺寸的空隙区域，所述第二部件形成为在所述上游区段不具有与所述间隙区域相似尺寸的所述空隙区域；
限定在所述上游区段处的双涡流室，在所述双涡流室中，所述流体在被容许流过所述间隙区域之前被引导成以涡流模式流动，由此，流体被迫在板条周围急剧地转向，使得当从所述涡轮壳体的内表面测量时，所述流体通过所述间隙区域的有效流动区域比所述间隙区域更薄。
17.根据权利要求16所述的涡轮，其特征在于，所述第二部件还形成为限定置于所述双涡流室之间的突起，所述突起是可移除的。
18.根据权利要求16所述的涡轮，其特征在于，所述涡轮壳体包括凹部分、壁部分和管状部分。
19.根据权利要求16所述的涡轮，其特征在于，在所述涡轮壳体的内表面中对应于所述板条形成相应的凹槽。
20.根据权利要求19所述的涡轮，其特征在于，所述涡轮壳体包括耐磨的和蜂巢表面中的至少一种。
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