CN102434220B - 可磨损动叶围带 - Google Patents
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Abstract
本申请提供可磨损动叶围带(100)，其与动叶尖端(75)一起利用以便限制通过其中的泄漏流(240)并且降低在其上的热负荷。该可磨损动叶围带(100)可包括基底(120)和定位在其上的若干脊形部(110)。脊形部(110)可由可磨损材料(130)制成。脊形部(110)可形成模式(140)。脊形部(110)可具有若干曲面(190，200)，其带有至少第一曲面(190)和第二曲面(200)并且第二曲面(200)具有反拱形状(210)。
Description
技术领域
本申请大体涉及燃气涡轮发动机，并且更特别地涉及用于可磨损模式的最佳形状，可磨损模式在用于燃气涡轮发动机等中的动叶围带(bucket shroud)上。
背景技术
一般而言，燃气涡轮发动机的效率倾向于随增加的燃烧温度而增加。然而，更高的燃烧温度可造成涉及在热燃烧气体路径内和其它位置处的构件的完整性、冶金和寿命预期的各种问题。这些问题是难点，特别对于诸如定位在涡轮的前级中的旋转动叶和静止涡轮围带的构件。
高涡轮效率还要求，动叶在涡轮外壳或围带中以最小干扰旋转以便防止在动叶的尖端上热燃烧气体的不受欢迎的“泄漏”。维持足够的间隔而没有显著的效率损失的需要由于离心力使动叶随涡轮旋转以朝外方向朝向围带膨胀的事实而变得更加困难。然而，如果动叶尖端对围带摩擦，则动叶尖端可磨蚀。该磨蚀可导致在其间的增加的间隔以及降低的构件寿命。泄漏的其它原因包括热膨胀和甚至在例如军事应用等中的发动机的过分机动。
可磨损涂层已应用到涡轮围带的表面以帮助建立在围带和动叶尖端之间的最小或最佳间隔，即动叶尖端间隙。这种材料可由动叶的尖端容易地磨损，而对尖端几乎没有或没有损伤。因此，通过确保可磨损涂层而不是动叶尖端材料将被牺牲，动叶尖端间隙间隔可减小。
除允许尖端-围带接触外，利用可磨损表面作为在其上的脊形部模式等已被发现在进一步降低通过其中的泄漏流方面提供额外的空气动力学益处。尤其地，脊形部可对从尖端间隔间隙流走的主流提供导引。已知的可磨损模式因而已被发现在降低最小尖端间隔高度等方面提供空气动力学益处。
因而期望改进可磨损动叶围带模式以便减小通过动叶尖端间隙以及其它位置处的泄漏流。这种可磨损动叶围带模式可对特定的动叶设计在通过其中的泄漏流和在其上的热负荷方面优化。尤其地，这种动叶围带设计可在用于改进性能的流动降低模式方面提供足够的可磨损围带表面。
发明内容
本申请因而提供可磨损动叶围带，其与动叶尖端一起利用以便限制通过其中的泄漏流并且降低在其上的热负荷。可磨损动叶围带可包括基底和定位在其上的若干脊形部。脊形部可由可磨损材料制成。脊形部可形成模式。脊形部可具有若干曲面，其带有至少第一曲面和第二曲面并且第二曲面具有反拱(reverse camber)形状。
本申请还提供减小通过在动叶尖端与围带之间的动叶尖端间隙的泄漏流的方法。该方法可包括如下步骤：确定穿过动叶尖端间隙的泄漏流在沿动叶尖端的若干参考点处的方向；将若干可磨损材料脊形部定位在围带上；并且将可磨损材料脊形部形成为至少第一曲面和第二曲面。第一曲面可具有在参考点处垂直于泄漏流的堵塞位置。
本申请还提供可磨损动叶围带，其与动叶尖端一起利用以便限制通过其中的泄漏流并且降低在其上的热负荷。可磨损动叶围带可包括基底和定位在其中的若干平行脊形部。脊形部可由可磨损材料制成。脊形部可包括模式，其带有具有至少第一曲面和第二曲面的正弦形状。第一曲面可具有对于通过其间的泄漏流的垂直位置。
当结合多个附图和所附权利要求阅读以下详细的说明书时，本申请的这些和其它特征和改进对本领域技术人员将变得显而易见。
附图说明
图1为燃气涡轮发动机的示意图。
图2为涡轮级的部分的已知动叶和围带的侧平面视图。
图3为可磨损围带的侧平面视图，该可磨损围带可在本文中描述为邻近动叶尖端。
图4为在围带上的可磨损模式的平面视图，该可磨损模式可在本文中与涡轮动叶尖端的外部表面的轮廓一起进行描述，该轮廓以穿过模式脊形部的假想线示出。
图5为带有在其上示出的泄漏流的动叶尖端的示意图。
部件列表
10 燃气涡轮发动机
15 压缩器
20 空气流
25 燃烧器
30 燃料流
35 燃烧气体流
40 涡轮
45 负荷
50 涡轮级
55 动叶
60 柄部
65 平台
70 翼型件
75 动叶尖端
80 齿部
85 围带
90 密封件
95 动叶尖端间隙
100 可磨损围带
110 脊形部
120 基底面
130 可磨损材料
140 可磨损模式
145 压力脉动
150 接触块(patch)
160 箭头
170 箭头
180 正弦形状
190 第一曲面
200 第二曲面
210 反拱形状
220 前部
230 后部
240 泄漏流
245 参考点
250 箭头
260 箭头
265 垂直或堵塞位置
270 再循环流
具体实施方式
现在参考附图，其中贯穿多个视图相同数字参考相同元件，图1示出如可在本文中描述的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可包括压缩器15。压缩器15压缩引入的空气流20。压缩器15输送压缩空气流20到燃烧器25。燃烧器25将压缩空气流20与压缩燃料流30混合并且点燃混合物以生成燃烧气体流35。虽然仅仅示出单个燃烧器25，但是燃气涡轮发动机10可包括任何数目的燃烧器25。燃烧气体流35又输送到涡轮40。燃烧气体流35驱动涡轮40以便产生机械功。涡轮40中产生的机械功驱动压缩器15和诸如发电机等的外部负荷45。
燃气涡轮发电机10可利用天然气、各种类型的合成气和/或其它类型的燃料。燃气涡轮发动机10可为由NewYork，Schenectady的通用电气公司提供的任何数目的不同燃气涡轮发动机中的一个，诸如重型7FA燃气涡轮发动机等。燃气涡轮发动机10可具有其它构型并且可利用其它类型的构件。其它类型的燃气涡轮发动机还可在本文中利用。多个燃气涡轮发动机10、其它类型的涡轮和其它类型的功率发生装备还可一起在本文中利用。
图2示出涡轮级50的部分的实例。每个涡轮级50包括旋转涡轮叶片或动叶55。如已知，每个涡轮动叶55可包括柄部60、平台65、延伸翼型件70和动叶尖端75。动叶尖端75可具有在其上的一个或多个切削齿80。其它构型和其它类型的动叶55也可在本文中利用。
每个旋转动叶55可邻近静止围带85定位。围带85可具有在其上的若干密封件90，其与每个动叶55的动叶尖端85协作。可选地，在可磨损围带等的情形中，围带85可如下文将更详细描述地包括若干可磨损脊形部。其它构型和其它类型的围带85和密封件90可在本文中利用。
如已知，翼型件70将膨胀的燃烧气体流35的能量转成机械能。动叶尖端75可提供表面，其大致垂直于翼型件70的表面延伸。动叶尖端75因而还可帮助将燃烧气体流35约束在翼型件70上使得更高比例的燃烧气体流35可转换成机械能。同样地，静止围带85通过导引燃烧气体流35到翼型件70上，与燃烧气体流35通过在动叶尖端75与围带85之间的动叶尖端间隙95相反，增加了整体效率。如上文描述的，最小化动叶尖端间隙95因而帮助最小化通过其中的泄漏流。其它构型还可在本文中利用。
图3示出如可在本文中描述的可磨损围带100。可磨损围带100可包括定位在基底面120上的若干脊形部110。脊形部110可由可磨损材料130制造。该可磨损材料通常可由金属的和/或陶瓷的合金制造。任何类型的可磨损材料可在本文中利用。可磨损材料130还可定位在基底面120上和其它位置处。
如图4所示，可磨损围带100的脊形部110可形成在其上的可磨损模式140。带有动叶尖端75的轮廓的接触块150以假想线示出。箭头160示出关于可磨损模式140的涡轮动叶55的旋转方向。箭头170指示关于可磨损模式140的燃烧气体流35的方向。
如所示，脊形部110可大致彼此平行并且还可大致等距。然而，脊形部110的间距和形状可随位置变化。脊形部110可具有任何期望的深度和/或截面形状。其它构型可在本文中利用。在该实例中，脊形部110可具有从前部220到后部230延伸的大致正弦形状180，其至少带有由凸面或第二曲面200跟随的凹面或第一曲面190。可磨损模式140因而具有双弧形状，其带有相比于第一曲面190具有反拱210的第二曲面。其它类型的模式可在本文中利用。其它类型和数目的曲面可在本文中利用。
可磨损模式140可关于相关动叶尖端75的形状进行优化。可磨损围带100和动叶55的相对定位在图3中示出，其中动叶尖端间隙95定位在其间。可磨损围带100静止而动叶55旋转。在动叶尖端75与可磨损围带100之间的相对运动可由于经过脊形部110的模式140而引起时间周期压力脉动145，其作用在通过其中延伸的泄漏流240上。相比于带有通过其中的同样或类似间隙95的轴向对称围带，这种不稳定的压力可导致通过尖端间隙95的泄漏流240的净降低。尤其地，可磨损围带110的脊形部110结合以限制通过其中的泄漏流240。
脊形部110的特定的正弦形状180或其它形状可相对于泄漏流方向最大化。例如，图5示出通过动叶尖端间隙95的泄漏流240。泄漏速率矢量在相对于动叶尖端75的参考系中示出。在中部弦段参考点245处的泄漏流240的方向以偏离旋转轴线大约二十度(20°)的箭头250示出。当转换到静止参考系，泄漏流240在大约五十五度(55°)的角度的箭头260可见。在大约负三十五度(-35°)定向的静止脊形部110因而将在对泄漏流路径95的垂直或堵塞位置265上。这种堵塞位置265因而可随脊形部110相对于尖端间隙95运动而提供最大堵塞角度。该过程然后可在沿动叶尖端75的长度的几个参考点245重复以生成模式140的至少第一曲面190的形状。许多不同模式140因而可依据该过程形成，该过程依据动叶的类型、涡轮的类型、特定的运行状况和其它变量。
例如，泄漏流240的角度随在尖端间隙95内的轴向位置而变化。因此，最佳堵塞角度也可沿动叶尖端75的长度变化。给定特定动叶尖端75沿其长度的形状，图4的正弦形状180因而最大化最佳堵塞角度。可磨损模式140因而具有在其前部220的凹面或第一曲面190和在后部230的反拱210的凸面或第二曲面200。再次，许多不同模式140因而可在本文中形成。
大体上模式140的整个形状，尤其在后部230附近的双弧形状或反拱210，还作用以降低在整个围带100上的热负荷。尤其地，所有脊形部110增加传热，因为它们具有更多湿表面区域。模式140可优化使得在前部320附近的第一曲面190提供改进的堵塞而在后部230附近的第二曲面200或反拱210防止过热。除堵塞通过其中的泄漏流240外，脊形部110还可建立在邻近脊形部110之间的最佳再循环流270。该脊形部间再循环流270可由可保留在邻近动叶55之间的冷空气构成。模式140因而以降低的传热来平衡泄漏的降低。
带有可磨损模式140的可磨损围带100因而限制通过其中的泄漏流240以及与其相关的问题，诸如空气动力学性能降级和增加的围带热负荷。尤其地，可磨损模式140可关于经过动叶尖端75上的泄漏流240和整个传热进行优化。其它类型的可磨损模式140可以与其它类型和形状的动叶尖端一起利用。相比于不具有在其上的模式的围带，本文描述的可磨损围带100显著地更冷且提供更少的在其前部320附近通过其中的泄漏流240。后部230可稍微更热，但比它可原本带有通过其中的类似泄漏流时较冷。
泄漏流240的减少因而降低在动叶55和围带100附近的空气动力学损失以便提供更高的效率。同样地，在围带100上的热负荷可降低以便改进整体耐久性和构件寿命。
显然，前述仅仅涉及本申请的某些实施例，并且本领域技术人员可在本文中做出诸多改变和修改，而不脱离由权利要求及其等价物限定的本发明的总体精神和范围。
Claims (12)
1.一种可磨损动叶围带(100)，其特征在于，其与动叶尖端(75)一起利用以便限制通过其中的泄漏流(240)并且降低其上的热负荷，包括：
基底(120)；和
多个脊形部(110)，其定位在所述基底(120)上；
其中，所述多个脊形部(110)包括可磨损材料(130)；
其中，所述多个脊形部(110)包括模式(140)；
其中，所述多个脊形部(110)中的每个包括多个曲面(190，200)；
其中，所述多个曲面(190，200)至少包括第一曲面(190)和第二曲面(200)；并且
其中，所述第一曲面(190)包括多个堵塞位置(265)，每个堵塞位置(265)垂直于通过所述第一曲面(190)的所述泄漏流(240)的方向，以及所述第二曲面(200)包括反拱形状(210)。
2.根据权利要求1所述的可磨损动叶围带(100)，其特征在于，所述第一曲面(190)和所述第二曲面(200)包括正弦形状(180)。
3.根据权利要求1所述的可磨损动叶围带(100)，其特征在于，所述第一曲面(190)包括凹面形状。
4.根据权利要求1所述的可磨损动叶围带(100)，其特征在于，所述第二曲面(200)包括凸面形状。
5.根据权利要求1所述的可磨损动叶围带(100)，其特征在于，所述动叶尖端(75)包括前部(220)和后部(230)，并且其中，所述第一曲面(190)定位在所述前部(220)附近且所述第二曲面(200)定位在所述后部(230)附近。
6.根据权利要求1所述的可磨损动叶围带(100)，其特征在于，所述多个脊形部(110)大致平行。
7.根据权利要求1所述的可磨损动叶围带(100)，其特征在于，所述多个脊形部(110)大致等距。
8.根据权利要求1所述的可磨损动叶围带(100)，其特征在于，所述第一曲面(190)包括多个参考点(245)，并且其中，所述第一曲面(190)包括在所述多个参考点(245)中的每个处的最大堵塞位置(265)。
9.根据权利要求1所述的可磨损动叶围带(100)，其特征在于，所述多个脊形部(110)包括在其间的再循环流(270)。
10.一种减小通过在动叶尖端(75)与围带(100)之间的动叶尖端间隙(95)的泄漏流(240)的方法，其特征在于，包括：
确定穿过所述动叶尖端间隙(95)的所述泄漏流(240)在沿所述动叶尖端(75)的多个参考点(245)处的方向；
将多个可磨损材料脊形部(110)定位在所述围带(100)上以提供多个堵塞位置(265)；并且
将所述多个可磨损材料脊形部(110)中每一个形成为包括至少第一曲面(190)和第二曲面(200)；
其中，所述第一曲面(190)包括在所述多个参考点(245)中对应一个处垂直于所述泄漏流的堵塞位置(265)，以及所述第二曲面(200)包括反拱形状(210)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：旋转所述动叶尖端(75)并且在所述多个可磨损材料脊形部(110)附近形成压力脉动(145)。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：旋转所述动叶尖端(75)并且在所述多个可磨损材料脊形部(110)中的每个之间形成再循环流(270)。
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