CN102373961A - 涡轮动叶组件和用于组装其的方法 - Google Patents

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CN102373961A CN2011102802130A CN201110280213A CN102373961A CN 102373961 A CN102373961 A CN 102373961A CN 2011102802130 A CN2011102802130 A CN 2011102802130A CN 201110280213 A CN201110280213 A CN 201110280213A CN 102373961 A CN102373961 A CN 102373961A
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M·J·费多尔
D·M·约翰森
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General Electric Co
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Abstract

本发明涉及涡轮动叶组件和用于组装其的方法。具体而言，提供了一种用于涡轮发动机(10)的转子叶片(100)。该转子叶片包括：平台(112)，其包括径向外表面(184)和径向内表面(190)；翼型件(110)，其从所述平台沿径向向外延伸；榫状部(116)，其适于联接至转子轮；柄部(114)，其在所述平台与榫状部之间延伸，该柄部包括至少一个从平台朝榫状部向内延伸的盖板(146，148)；以及，至少一个密封组件(168，170)，其联接至所述盖板，该密封组件从榫状部延伸至平台，该密封组件在该转子叶片与周向相邻的转子叶片之间形成密封路径(172)。

Description

涡轮动叶组件和用于组装其的方法
技术领域
本文所述的主题大体而言涉及燃气涡轮发动机，并且更特定而言涉及用于涡轮发动机的动叶组件。
背景技术
至少某些已知的用于涡轮发动机的转子组件包括至少一排周向间隔的转子叶片。每个转子叶片包括翼型件，该翼型件包括压力侧和吸力侧，压力侧和吸力侧沿着前缘和后缘连接在一起。每个翼型件从转子叶片平台沿径向向外延伸。每个转子叶片还包括榫状部(dovetail)，其从柄部沿径向向外延伸，柄部限定于平台与榫状部之间。榫状部用于将转子叶片安装到转子盘或轴(spool)上。已知的叶片为中空的并且包括内部冷却室，内部冷却室至少部分地由翼型件、平台、柄部和榫状部限定，并且用于引导冷却流体的流。相邻转子叶片之间可发生冷却流体的泄漏。取决于泄漏量，涡轮性能和输出可被不利地影响。
此外，至少某些已知的转子叶片的翼型部分通常暴露于比榫状部分更高的温度。更高的温度可导致温度失配产生于翼型件与平台之间和/或柄部与平台之间的接合处。这些温度失配可导致对转子叶片平台引起压缩热应力。随着时间过去，持续以高压缩热应力操作可造成平台氧化、平台开裂和/或平台蠕变挠曲，这些情况中的任何情况或所有情况可缩短转子组件的使用寿命。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于组装供涡轮发动机使用的转子组件的方法。该方法包括提供至少两个转子叶片，它们各自包括延伸于榫状部与平台之间的柄部。该柄部包括至少一个从平台朝榫状部向内延伸的盖板。翼型件从该平台向外延伸。第一转子叶片联接至转子盘。第二转子叶片联接至转子盘，从而使得腔限定于第一转子叶片与第二转子叶片之间，并且使得密封路径限定于第一转子叶片盖板与第二转子叶片盖板之间。
在另一方面，提供了一种用于涡轮发动机的转子叶片。该转子叶片包括平台，该平台包括径向外表面和径向内表面。翼型件从该平台沿径向向外延伸。榫状部适于联接至转子轮。柄部在平台与榫状部之间延伸。该柄部包括至少一个从平台朝榫状部向内延伸的盖板。至少一个密封组件联接至盖板。该密封组件从榫状部延伸至平台。该密封组件在该转子叶片与周向相邻的转子叶片之间形成密封路径。
在另一方面，提供了一种燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机包括压缩机和燃烧器，燃烧器联接于压缩机下游以接收由压缩机排放的空气的其中至少一些空气。转子轴联接至压缩机。多个周向间隔的转子叶片联接至转子轴，该多个转子叶片中的每个转子叶片包括平台。翼型件从该平台沿径向向外延伸。榫状部联接至转子轴。柄部在平台与榫状部之间延伸。该柄部包括至少一个从平台朝榫状部向内延伸的盖板。至少一个密封组件联接至盖板，从而使得密封路径限定于相邻的转子叶片之间。
附图说明
图1是一示例性已知涡轮发动机系统的示意图；
图2是可用于图1中所示的涡轮发动机系统的示例性转子组件的放大透视图；
图3是图2中所示的转子组件的一部分的放大剖视图。
图4是图2中所示的转子组件的截面图。
项目清单
  10   燃气涡轮发动机
  12   进气段
  14   压缩机段
  16   燃烧器段
  18   涡轮段
  20   排气段
  22   转子组件
  24   燃烧器
  26   燃料喷嘴组件
  28   负载
  30   涡轮叶片或动叶
  32   驱动轴或转子轴
  100   转子叶片
  102   转子盘
  104   第一转子叶片
  106   第二转子叶片
  107   第三转子叶片
  108   间隙
  110   翼型件
  112   平台
  114   柄部
  116   榫状部
  118   第一侧壁
  119   吸力侧
  120   第二侧壁
  121   压力侧
  122   前缘
  124   后缘
  126   叶片根部
  128   翼型件顶端
  130   内部冷却室
  132   上游侧或裙部
  134   下游侧或裙部
  136   压力侧边缘
  138   吸力侧边缘
  140   间隙
  142   第一侧壁
  144   第二侧壁
  146   前盖板
  148   后盖板
  150   腔
  152   柄部腔
  154   前天使翼(Forward angel wing)
  156   后天使翼(Aft angel wing)
  158   前下部天使翼(Forward lower angel wing)
  164   前缘部分
  166   叶片后缘部分
  168   第一密封组件
  170   第二密封组件
  172   密封路径
  174   平台内表面
  176   密封延伸部
  178   凹入的密封凹槽
  184   径向外表面或密封凹槽外表面
  186   耐磨层
  188   迷宫齿(Labyrinth teeth)
  190   内表面
  191   迷宫密封(Labyrinth seal)
  192   径向密封销槽
  194   径向密封销
  196   燃烧气体
具体实施方式
本文所述的示例性方法和系统通过提供有助于减少冷却流体从转子叶片泄漏的转子叶片而克服已知转子叶片组件的缺点。更具体而言，本文所述的实施例包括迷宫密封路径，其位于邻接的转子叶片之间以有助于增加相邻转子叶片之间的背压(back pressure)和有助于减少冷却流体通过转子叶片的泄漏。
如本文所使用的那样，用语“转子叶片”与用语“动叶”可互换地使用并且可包括具有平台和榫状部的动叶和/或与转子叶片整体地形成的动叶的任何组合，其中任一个包括至少一个翼型件区段。
图1是一示例性燃气涡轮发动机10的示意图。在该示例性实施例中，燃气涡轮发动机10包括：进气段12；压缩机段14，其联接于进气段12的下游；燃烧器段16，其联接于压缩机段14的下游；涡轮段18，其联接于燃烧器段16的下游；以及，排气段20。涡轮段18包括转子组件22，转子组件22经由驱动轴32联接至压缩机段14。燃烧器段16包括多个燃烧器24。燃烧器段16联接至压缩机段14，从而使得每个燃烧器24与压缩机段14流连通并且使得燃料喷嘴组件26联接至每个燃烧器24。涡轮段18可旋转地联接至压缩机段14和负载28，负载28为例如(但不限于)发电机和机械驱动应用。在该示例性实施例中，压缩机段14和涡轮段18各自包括至少一个联接到转子组件22的涡轮叶片或动叶30，其包括翼型部分(未在图1中示出)。
在操作期间，进气段12朝压缩机段14引导空气。压缩机段14将进入空气压缩到更高的压力和温度并且朝燃烧器段16排出压缩的空气。压缩的空气与燃料混合并被点燃以产生燃烧气体，燃烧气体流向涡轮段18。涡轮段18驱动压缩机段14和/或负载28。具体而言，压缩机空气的至少一部分被供给至燃料喷嘴组件26。燃料被引导至燃料喷嘴组件26，其中，该燃料与空气混合并在燃烧器16中被点燃。燃烧气体产生并被引导至涡轮段18，其中，气流的热能被转换成机械旋转能。废气离开涡轮段18并流动通过排气段20到周围大气。
图2是可用于燃气涡轮发动机10(在图1中示出)的示例性转子组件22的放大透视图。图3是转子组件22的一部分的放大剖视图，并且图4是沿着图3中的截面线4-4得到的转子组件22的截面图。在该示例性实施例中，转子组件22包括至少一个联接到转子盘102的转子叶片100。此外，在该示例性实施例中，转子组件22包括第一转子叶片104、第二转子叶片106以及至少一个第三转子叶片107。在该示例性实施例中，每个转子叶片100联接至转子盘102，转子盘102可旋转地联接至转子轴，例如驱动轴32(在图1中示出)。在备选实施例中，转子叶片100被安装在转子轴(未示出)中。更具体而言，当转子叶片100被联接至转子盘102时，间隙108限定在相邻的周向间隔的转子叶片100之间。在该示例性实施例中，每个转子叶片100从转子盘102沿径向向外延伸并包括翼型件110、平台112、柄部114和榫状部116。每个翼型件110包括第一侧壁118和第二侧壁120，第二侧壁120联接到第一侧壁118以形成翼型件110。
在该示例性实施例中，第一侧壁118为凸形的并且限定翼型件110的吸力侧119，并且第二侧壁120为凹形的并限定翼型件110的压力侧121。第一侧壁118沿着翼型件110的前缘122并沿着翼型件110的轴向间隔的后缘124联接到第二侧壁120。更具体而言，翼型件后缘124与翼型件前缘122弦向地间隔开并且在翼型件前缘122下游。第一侧壁118和第二侧壁120各自纵向地延伸或在从邻近平台112定位的叶片根部126到翼型件顶端128的范围中沿径向向外延伸。在该示例性实施例中，内部冷却室130在第一侧壁118与第二侧壁120之间限定于翼型件110内并延伸通过平台112、通过柄部114并且到榫状部116内。
平台112在翼型件110与柄部114之间延伸，从而使得每个翼型件110从平台112沿径向向外延伸。柄部114从平台112沿径向向内延伸至榫状部116。榫状部116从柄部114沿径向向内延伸以使得能将转子叶片100联接至转子盘102。平台112包括上游侧或裙部132，以及下游侧或裙部134，它们利用压力侧边缘136和相对的吸力侧边缘138连接在一起。当转子叶片100联接至转子盘102时，间隙140限定在周向相邻的转子叶片平台112之间，并且更具体而言在压力侧边缘136与相邻的吸力侧边缘138之间。
在该示例性实施例中，柄部114包括第一侧壁142、第二侧壁144、上游侧壁或前盖板146，以及相对的下游侧壁或后盖板148。此外，在该示例性实施例中，第一侧壁142基本上是凹形的并且联接于前盖板146与后盖板148之间，从而使得前盖板146与后盖板148相对。第二侧壁144基本上是凸形的并且联接于前盖板146与后盖板148之间。在一个实施例中，第一侧壁142联接至第二侧壁144，从而使得腔150至少部分地限定于第一侧壁142与第二侧壁144之间。在备选实施例中，第一侧壁142联接至第二侧壁144，从而使得形成延伸于前盖板146与后盖板148之间的整体部件。在另一备选实施例中，柄部144形成为整体部件。在该示例性实施例中，第一侧壁142和第二侧壁144各自相对于前盖板146和后盖板148凹入，从而使得当转子叶片100联接至转子盘102时，柄部腔152限定于第一侧壁142与相邻的第二侧壁144之间。
在该示例性实施例中，前天使翼154从前盖板146向外延伸。后天使翼156从后盖板148向外延伸。前天使翼154和后天使翼156各自有助于密封限定于转子组件22内的前天使翼缓冲腔和后天使翼缓冲腔(未示出)。另外，前下部天使翼158从前盖板146向外延伸，并且设置为有助于转子叶片100与转子盘102之间的密封。更具体而言，前下部天使翼158在榫状部116与前天使翼154之间从前盖板146向外延伸。
在该示例性实施例中，后盖板148包括前缘部分164和周向间隔的后缘部分166。第一密封组件168联接至前缘部分164，并且第二密封组件170联接至后缘部分166。在该示例性实施例中，当转子叶片100联接至转子盘102时，第一密封组件168与相邻的第二密封组件170协作。第一密封组件168和第二密封组件170各自在榫状部116与平台112之间延伸，并且各自有助于密封柄部腔152。在该示例性实施例中，第一密封组件168和第二密封组件170协作以便在第一后盖板148与相邻的第二后盖板148之间形成密封路径172。密封路径172有助于减小在周向相邻的转子叶片柄部114之间引导的空气的体积。更具体而言，密封路径172有助于减少必须从前盖板146通过柄部腔152引导至后盖板148的空气的体积，以有助于防止热气体的流进入柄部腔152。
在该示例性实施例中，后盖板148从榫状部116延伸径向高度r1到平台内表面174。第一密封组件168和第二密封组件170各自从榫状部116延伸径向高度r2到平台内表面174。径向高度r2为与后盖板148的径向高度r1近似相同的高度。在一个实施例中，第一密封组件168和/或第二密封组件170延伸后盖板148的全部径向高度r1。
在一个实施例中，第一密封组件168包括从前缘部分164朝相邻转子叶片后缘部分166向外延伸的密封延伸部176。第二密封组件170包括限定于后缘部分166内的凹入的密封凹槽178。凹入的密封凹槽178具有容纳相邻密封延伸部176的大小，从而使得该凹入的密封凹槽178与密封延伸部176协作以形成密封路径172。在备选实施例中，第一密封组件168包括凹入的密封凹槽178并且第二密封组件170包括密封延伸部176。
在该示例性实施例中，第一转子叶片104包括第一密封组件168和第二密封组件170，第一密封组件168包括密封延伸部176，并且第二密封组件170包括凹入的密封凹槽178。在备选实施例中，第一转子叶片104包括第一密封组件168和第二密封组件170，第一密封组件168包括凹入的密封凹槽178，并且第二密封组件170包括密封延伸部176。在一个实施例中，第二转子叶片106包括第一密封组件168和第二密封组件170，它们各自包括密封延伸部176。在备选实施例中，第二转子叶片106包括第一密封组件168和第二密封组件170，它们各自包括凹入的密封凹槽178。
在该示例性实施例中，凹入的密封凹槽178包括延伸于榫状部116与平台内表面174之间的径向外表面184。耐磨层186联接至凹入的密封凹槽外表面184。或者，在一个实施例中，耐磨层186包括铝复合材料。在该示例性实施例中，密封延伸部176包括从密封延伸部176的内表面190向外延伸的多个迷宫齿188。迷宫齿188各自邻近相对的凹入的密封凹槽外表面184定位，从而使得迷宫密封191限定于密封延伸部176与凹入的密封凹槽178之间。
在该示例性实施例中，柄部114包括前缘径向密封销槽192，其至少部分地在平台112与榫状部116之间大体上沿径向延伸通过柄部114。更具体而言，前缘径向密封销槽192限定于柄部前盖板146内并且邻近柄部凸侧壁144。前缘径向密封销槽192具有容纳径向密封销194的大小，以便在转子叶片100联接于转子盘102内时有助于相邻的前盖板146之间的密封。在一个实施例中，径向密封销194未被插入前缘径向密封销槽192内。在备选实施例中，前盖板146包括第一密封组件168和第二密封组件170。
参看图3，在该示例性实施例中，在燃气涡轮发动机组件10的操作期间，燃烧器段16产生燃烧气体并引导燃烧气体(由箭头196表示)到转子组件22。燃烧气体196接触转子叶片100，使得转子组件22绕驱动轴32旋转。燃烧气体196的至少一部分经过相邻的前盖板146，围绕径向密封销194，并且到柄部腔152内。第一密封组件168和第二密封组件170各自有助于防止燃烧气体196通过相邻的后盖板148，使得柄部腔152内的流体压力增加，其有助于减少进入柄部腔152的燃烧气体196的体积。
上述方法和设备有助于降低转子组件的温度。更具体而言，限定于相邻转子叶片之间的迷宫密封有助于减少相邻转子叶片之间的冷却流体的泄漏。另外，本文所述的实施例有助于增加柄部腔内的冷却流体的背压，其有助于增加冷却流体到转子叶片的流以降低转子组件的操作温度。因此，有助于降低维护燃气涡轮发动机系统的成本。
上文中详细描述了用于涡轮动叶组件的方法和设备的示例性实施例。这些方法和设备并不限于本文所述的特定实施例，相反，系统的构件和/或方法的步骤可独立于或单独于本文所述的其它构件和/或步骤而利用。举例而言，这些方法和设备还可结合其它燃烧系统和方法使用，并且不限于如本文所述仅关于燃气涡轮发动机组件而实践。相反，示例性实施例可结合许多其它燃烧系统应用来实施和利用。
虽然本发明的不同实施例的特定特征可能在某些附图中示出而未在其它附图中示出，但这只是为了方便。此外，在上面的描述中对“一个实施例”的参考不意图被理解为排除也包括所述特征的另外的实施例的存在。根据本发明的原理，附图的任何特征可结合任何其它附图的任何特征而参考和/或要求保护。
该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由所附权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于涡轮发动机(10)的转子叶片(100)，所述转子叶片包括：
平台(112)，所述平台(112)包括径向外表面(184)和径向内表面(190)；
翼型件(110)，所述翼型件(110)从所述平台沿径向向外延伸；
榫状部(116)，所述榫状部(116)适于联接到转子轮上；
柄部(114)，所述柄部(114)在所述平台与所述榫状部之间延伸，所述柄部包括至少一个从所述平台朝所述榫状部向内延伸的盖板(146，148)；以及，
至少一个密封组件(168，170)，所述至少一个密封组件(168，170)联接至所述盖板，所述密封组件从所述榫状部延伸至所述平台，所述密封组件在所述转子叶片与周向相邻的转子叶片之间形成密封路径(172)。
2.根据权利要求1所述的转子叶片(100)，其特征在于，所述密封组件(168，170)包括联接至所述盖板(146，148)的密封延伸部(176)，所述密封延伸部从所述盖板朝相邻的转子叶片向外延伸。
3.根据权利要求2所述的转子叶片(100)，其特征在于，所述密封延伸部(176)包括从所述密封延伸部向外延伸的多个迷宫齿(188)，所述迷宫齿设置为用以在所述密封延伸部与相邻转子叶片之间形成弯曲路径。
4.根据权利要求1所述的转子叶片(100)，其特征在于，所述密封组件(168，170)包括限定于所述盖板(146，148)内的凹入的密封凹槽(178)。
5.根据权利要求4所述的转子叶片(100)，其特征在于，所述密封凹槽(178)包括从所述密封凹槽的外表面(184)延伸的耐磨表面。
6.根据权利要求1所述的转子叶片(100)，其特征在于，还包括联接至所述盖板(146，148)的第一密封组件(168)以及联接至所述盖板的相对的第二密封组件(170)。
7.根据权利要求6所述的转子叶片(100)，其特征在于，所述第一密封组件(168)包括密封延伸部(176)，所述第二密封组件(170)包括凹入的凹槽(178)。
8.根据权利要求6所述的转子叶片(100)，其特征在于，所述第一密封组件(168)和所述第二密封组件(170)各自包括密封延伸部(176)。
9.根据权利要求6所述的转子叶片(100)，其特征在于，所述第一密封组件(168)和所述第二密封组件(170)各自包括凹入的凹槽(178)。
10.一种燃气涡轮发动机(10)，包括：
压缩机(14)；
燃烧器(16)，所述燃烧器(16)联接于所述压缩机下游以便接收由所述压缩机排放的空气的其中至少一些空气；
转子轴(32)，所述转子轴(32)联接至所述压缩机；以及，
多个周向间隔的转子叶片(100)，所述多个转子叶片(100)联接至所述转子轴，所述多个转子叶片中的每一个包括：
平台(112)；
翼型件(110)，所述翼型件(110)从所述平台沿径向向外延伸；
榫状部(116)，所述榫状部(116)联接至所述转子轴；
柄部(114)，所述柄部(114)在所述平台与所述榫状部之间延伸，所述柄部包括至少一个从所述平台朝所述榫状部向内延伸的盖板(146，148)；以及，
至少一个密封组件(168，170)，所述至少一个密封组件(168，170)联接至所述盖板，从而使得密封路径(172)限定于相邻的转子叶片之间。
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