CN102733863A - 具有气体流的增强抑制特征的定子-转子组件及相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有气体流的增强抑制特征的定子-转子组件及相关方法，具体而言，描述了一种定子-转子组件，包括定子的表面和转子的表面之间的至少一个界面区域和间隙。定子是包括周向端壁的喷嘴或导叶。相对于热气体流动路径各端壁均包括至少一个前缘和一个后缘。至少其中一个端壁的后缘包括空腔图案，该空腔能够阻碍热气体进入邻接定子和转子之间的间隙的叶轮空间区域。空腔也可形成在转子的不同部分上。定子-转子组件可结合到各种涡轮机中，如燃气涡轮发动机。还描述了相关的方法。

Description

具有气体流的增强抑制特征的定子-转子组件及相关方法

技术领域

本发明通过政府支持根据由能源部提供的合同号DE-FC26-05NT42643做出。政府在本发明中具有一定权益。

本发明总体涉及涡轮机的改善，诸如涡轮发动机。更具体地，本发明涉及用于减少进入燃气涡轮机的定子-转子组件内选定区域的气体(例如热气体)流的方法和物品。

背景技术

大部分涡轮发动机的典型设计在本领域是公知的。它们包括用于压缩与燃料混合的空气的压缩机。燃料-空气混合物在附接的燃烧器中点燃，以产生燃烧气体。在现代发动机中可在大约1100到2000℃范围内的热的加压气体被允许通过涡轮喷嘴膨胀，喷嘴引导流使附接的高压涡轮旋转。涡轮常与转子轴联接，以驱动压缩机。核心气体然后离开高压涡轮，从而向下游提供能量。该能量呈由附接的低压涡轮级提取的附加旋转能的形式，和/或呈通过排放喷嘴的推力的形式。

在典型的情况下，通过将热的燃烧气体冲击在一个或更多叶片转子组件上，燃烧器内产生的热能被转换成涡轮机内的机械能。(本领域技术人员理解用词“叶片”常为用于航空涡轮机的词汇的一部分，而用词“轮叶”典型地在描述用于陆基涡轮机的相同类型部件时使用。)转子组件常包括至少一排周向隔开的转子叶片。各转子叶片均包括翼型件，翼型件包括压力侧和吸力侧。各翼型件均从转子叶片平台径向向外延伸。各转子叶片还均包括燕尾榫，燕尾榫从柄部径向向内延伸，柄部在平台和燕尾榫之间延伸。燕尾榫用于在转子组件内将转子叶片安装到转子盘或轴筒上。

转子形成定子-转子组件的一部分。转子组件上转子叶片的排以及定子组件上定子导叶的排交错跨越用于使燃烧气体“工作”的轴向定向的流径而延伸。离开定子元件的导叶的热燃烧气体的射流作用在涡轮叶片上，并导致涡轮叶轮在大约3000-15000rpm的速度范围内旋转，其取决于发动机的类型。(再一次，在平行术语学中，定子元件，即当涡轮以高速旋转时保持静止的元件，在本领域中也可称为“喷嘴组件”。)

如以下描述的图中所绘，在定子元件和叶片或轮叶之间的界面处的开口可允许热的核心气体离开热气体路径并进入涡轮发动机的叶轮空间。为了限制热气体的此泄漏，叶片结构典型地包括轴向突出的天使翼密封件。根据一种典型设计，天使翼与从邻近定子元件即喷嘴延伸的突出的节段或“阻碍件”协作。天使翼与阻碍件重叠(或近乎重叠)，但彼此不接触，从而限制气体流。

当使用此类密封件时，在喷嘴和涡轮叶片的邻近区域之间，例如在邻近天使翼-阻碍件突出之间的界面处保留间隙。间隙的存在是可以理解的，即，在静止和旋转部件的汇合处需要间隔。然而，该间隙仍然提供了可允许热的核心气体离开热气体路径进入涡轮发动机的叶轮空间区域的路径。

通过此通路的热气体的泄漏由于多种原因而是不利的。首先，来自工作气体流的热气体损失导致从涡轮发动机可获取的能量上的相应损失。第二，热气体进入涡轮机叶轮空间以及其他空腔的吸入会损坏未设计用于长时间暴露于此类温度下的部件，诸如喷嘴结构支架和转子叶轮。

过去已经尝试使来自工作气体流的热气体的泄漏最小化。这些尝试有时包括使用冷却剂空气，即“吹扫空气”，如美国专利5,224,822中所述(Lenehan等)。在一种典型设计中，空气可转向或从压缩机“泄放”，并用作用于涡轮机冷却回路的高压冷却空气。因此，冷却剂空气是辅助流动回路的一部分，辅助流动回路可总体被引导穿过叶轮空间空腔和其他内部区域。

在一个特殊实例中，冷却剂空气可排放至转子/定子界面。以这种方式，冷却剂空气可起作用以将某些发动机部件的温度维持在可接受极限以下。此外，当冷却剂空气被从叶轮空间区域引入之前所述的其中一个间隙中时，其可用于附加的特定功能。进入间隙的冷却剂空气的此逆流提供了对于离开该间隙并进入叶轮空间区域的热气体的不期望的流动提供了附加的阻碍。

虽然来自辅助流动回路的冷却剂空气由于上述原因而是非常有益的，但也有与其使用相关的缺点。例如，为了高压冷却以及空腔吹扫空气从压缩机吸取空气消耗了来自涡轮的功，并且在发动机性能方面会非常浪费。此外，在一些发动机构造中，压缩机系统在至少一些发动机功率设定期间可能不能以足够的压力提供吹扫空气。因此，热气体仍然将被吸入叶轮空间空腔。

用于使来自燃气涡轮机的工作气体流的热气体的泄漏最小化的另一项技术在美国专利6,481,959(Morris等)中进行了描述。此专利描述了补充空气冷却系统的使用，以抑制热气体进入涡轮盘空腔的各种周向区域的吸入，例如，间隙和叶轮空间区域。Morris等的专利中的系统包括多个吸气抑制动态射流孔口，其位于涡轮喷嘴的后缘的下侧上。

尽管在Morris等的专利中描述的概念可能适合于一些情形，但也有与其相关的缺点。例如，空气冷却系统可能需要空气从压缩机转向，并且这会危及发动机性能，如之前所提及的那样。此外，似乎在该系统中使用的空气射流必须产生大于移动进入间隙以及叶轮空间的热气体的气流动量，以便抑制此类移动。此类系统将显得需要复杂的设计，尤其是如果冷却空气的量需要被最小化的话。

由于此讨论，应该明显的是，用于减少从热气体流动路径进入涡轮发动机或其它类型的涡轮机内不期望的区域的新的、相对简单的技术在本领域将是受欢迎的。此外，减少典型地需要用来减少热气体泄漏的冷却和空腔吹扫空气流本身将具有其他重要的益处。例如，更高的核心空气流量将是可能的，从而增加在热气体流动路径中可获得的能量。

设计用来达成这些目标的任何创新必须依然遵守对于涡轮发动机或其他类型涡轮机的主要设计要求。通常，必须保持总体发动机效率和整体性。对发动机或发动机内的具体特征的任何改变必须不干扰或负面地影响总体热气体和冷却剂空气流场。此外，所设想的改善不应涉及制造步骤或这些步骤上的改变，它们是耗时而不经济的。另外，改善应适于发动机构造上的不同设计，例如不同类型的定子-转子组件。

发明内容

本发明的一个实施例涉及定子-转子组件，其包括具有后缘的至少一个周向端壁，后缘包括空腔图案。在一些实施例中，定子-转子组件包括定子的表面和转子的表面之间的至少一个界面区域。这些表面由间隙隔开。定子是包括内周向端壁和外周向端壁的喷嘴或导叶；且各端壁相对于热气体流动路径均包括至少一个前缘和一个后缘。内周向端壁的后缘包括空腔图案，空腔能够妨碍热气体进入邻接定子和转子之间的间隙的叶轮空间区域。

另一个实施例涉及涡轮机。涡轮机包括至少一个定子-转子组件，具有界面区域，界面区域带有被至少一个间隙隔开的表面，如上文所述。在至少一个端壁上的后缘包括空腔图案，空腔能够妨碍热气体进入叶轮空间区域，如上文所述以及以下进一步细节描述的那样。

一个另外的实施例涉及一种用于限制穿过涡轮机中定子和转子之间的间隙的热气体的流的方法。如本文所述，定子是包括内周向端壁和外周向端壁的喷嘴或导叶；且各端壁相对于气体流动路径均包括至少一个前缘和一个后缘。该方法包括在定子部件的内端壁的后缘的至少一部分上形成空腔的图案的步骤。空腔具有足以妨碍热空气进入邻接定子和转子之间的空隙的叶轮空间区域的形状和尺寸。

附图说明

图1是燃气涡轮机的一部分的横截面的示意性图示。

图2是图1的横截涡轮部分的放大视图。

图3是图1的横截涡轮部分的另一放大视图。

图4是根据现有技术的定子-转子组件的一部分的端壁区域的透视图。

图5是根据本发明的实施例的定子-转子组件的一部分的端壁区域的另一透视图。

图6是包括空腔的端壁表面的部分侧正视图。

图7是端壁表面内的空腔的顶视透视图。

图8是包括空腔的端壁表面的另一部分侧正视图。

图9是根据本发明的一些实施例的端壁表面内的空腔的另一顶视透视图。

图10是根据本发明的其他实施例的端壁表面内的空腔的顶视透视图。

图11是根据本发明的另外实施例的端壁表面内的空腔的顶视透视图。

图12是根据本发明的一些实施例的定子-转子组件的一部分的更改后端壁区域的透视图。

图13是根据本发明实施例的更改后端壁区域的另一透视图。

图14是定子-转子组件的一个区域中用于热气体流、吹扫流以及流干涉的数字预测的计算机辅助模型的描绘。

具体实施方式

图1是燃气涡轮发动机的一部分的示意性图示，总体用数字10标示。发动机包括轴向隔开的转子叶轮12和间隔件14，通过多个周向隔开、轴向延伸的螺栓16彼此连接。涡轮机包括具有喷嘴的不同的级，例如第一级喷嘴18和第二级喷嘴20，其包括多个周向隔开的定子叶片。多个转子叶片或轮叶位于喷嘴之间并随转子旋转，分别图示了第一和第二级转子叶片22和24。

各转子叶片，例如叶片22，均包括安装在柄部25上的翼型件23，柄部包括平台26。(在此没有具体描述转子叶片的一些其他详细特征，但可在不同的来源例如美国专利6,506,016(Wang)中找到，其通过引用结合在本文中。)柄部25包括燕尾榫27，用于与形成在转子叶轮12上的对应燕尾榫槽连接。

叶片或轮叶22包括轴向突出的天使翼33，34，50和90(有时称为“天使翼密封件”)，如图1中描绘。天使翼典型地与叶片整体铸造。如之前所述的，它们通常处于与“陆地”或阻碍件36和64相对的位置，阻碍件分别从邻近的喷嘴20和18突出。作为一个示例，阻碍件64显示为相对于天使翼90处于相对、重叠的位置。此类型的涡轮机中的热气体路径总体由箭头38指示。应该理解的是这些图中所述的表面和其他特征有时根据热气体流的方向提及。例如，特征的“前”缘常指与热气体发生初始接触的区域，而“后”缘指下游区域。

图2是图1中所绘的发动机的一部分的放大视图，且重点在特征为第一级喷嘴(定子)18和第一级转子叶片22的总体区域。(该区域可称为“定子-转子组件”，在图中标示为元件21)。喷嘴18包括阻碍件58和径向面60，以及下阻碍件面62。

从图2很明显的是喷嘴18和叶片22的一些部分在界面区域92中彼此面对。面对的表面由至少一个间隙隔开(此处示出了两个间隙，如以下所述)。因此，上间隙76通常位于下阻碍件面62和天使翼末梢74之间。下间隙77通常位于阻碍件64的下表面69和天使翼90的末梢91之间。在此实例中，间隙76和77总体限定缓冲空腔80，并提供了轴向间隙78和涡轮发动机的“内部”区域例如叶轮空间区域82之间的通路。

用语“界面区域”在本文用来描述具有受限尺寸的总体区域，其包括间隙76和77，以及喷嘴18和叶片22的周围部分。为了总体图示的目的，图2中界面区域92显示为由虚线边界线94和96为界。界面区域的确切边界将部分地随定子-转子组件的特定设计而变化。其中限定典型界面区域的一个示例性方式将取决于转子叶片22的长度(图2中视为“高度”)。因此，如果热气体路径38内的叶片22的高度被示出为“H”，界面区域(上边界线94)可估计为从平台26延伸直至高度H的大约10％。在定子-转子组件的“内部”区域方面(即对于下边界线96)，界面区域可估计为在最内部阻碍件即下天使翼90的最下面部分以下延伸相同的长度(H的大约10％)。(边界线96因而将总是跨越叶轮空间区域82延伸，以包括定子上的最低阻碍件，即图2中的阻碍件64。)界面区域常可被称为“流限制”区域。

根据正常的发动机操作，燃烧气体沿着热气体路径38被引入发动机，向后流过定子-转子组件21，继续穿过发动机中的其他定子-转子组件。(技术上，燃烧气体在此阶段应该被称为“后燃烧”。此外，应该理解的是“热气体”常为气体的混合物。虽然该混合物常由后燃烧气体占主导，但其也可包括各种冷却剂喷射以及冷却剂流，例如来自喷嘴18和/或来自冷却剂空气流98，如下文所述。)当热气体流进入轴向间隙78时，热气体流的一部分(虚线箭头37)可能通过上间隙76选出并流入缓冲空腔80。(在可能非常罕见的一些极端情况下，热气体可继续移动穿过下间隙77并进入叶轮空间区域82。)如上所述，由箭头98所示的冷却剂空气常从压缩机(未示出)泄放，并被从发动机的内部区域(例如叶轮空间82)引入缓冲空腔80，以抵消热气体的泄漏。之前描述了有时存在于此类气体流径系统中的不足。

图3是图1和图2中为特征的端壁区域100的放大视图。表面102可认为是第一级喷嘴18的“平台”，但在此处引为内周向端壁104的顶面。表面102的后缘部分106常终止并形成具有径向面60的相对尖锐的后缘108，如图中所示。(如本领域技术人员理解的，此区域可设有一个或更多保护性涂层)。

图4是非常类似于图3中所示的端壁区域的另一个视图，并呈现了常规定子-转子组件的一部分。图4取自描绘端壁104的上表面区域102和106的透视图。该图也描绘了由表面106和径向面60的汇合处形成的沿喷嘴18的宽度尺寸110延伸的相对尖锐的后缘108。看起来此尖锐后缘促进了剪切层的形成，其源自热气体路径中高速流与叶轮空间中相对低速流的相互作用。剪切层可能是不稳定的，从而导致进出叶轮空间区域的大流量波动。(应该理解的是，在本发明的一些实施例中，空腔也可放置在旋转部件的周向端壁上，例如，在有时也称为“叶片平台”的位置。这些部件也可认为是涡轮机中定子-转子组件的一部分)。

继续参考图4(以及图5，如下所述)，后缘108的至少一部分设有空腔图案。空腔能够阻碍热气体进入邻接定子18和转子叶片22之间的间隙的叶轮空间区域82。尽管发明人并不希望限于对于此现象的任何特定理论，但似乎由空腔的存在导致的更改的边缘表面抑制了否则将在沟槽空腔上、端壁104的后部(图4)形成的剪切层不稳定性。以此方式，似乎大的流量波动可分成较小(且较弱)的剪切层，其对于进入叶轮空间区域的气体流具有较少的影响。此类不稳定性的抑制似乎在此特定区域中尤其明显，在此处在端壁上高速下的热气体的流动以相对高的角度发生，而不是垂直于间隙76发生。

如文中所用，用词“空腔”意味着包括各种凹陷、凹口、通道、凹槽、凹窝、坑或任何其他类型的离散下陷孔。在一些优选实施例中，各空腔均具有弯曲的内表面。如下文所述，空腔可具有沿至少一个尺寸渐缩的深度。

图5描绘了类似于图4中的边缘部分106的后缘120。后缘120包括端壁表面130内的空腔图案122，每个都呈部分圆锥形。各圆锥形(其也可表征为“凹槽”)的深度和弯曲程度可极大地变化，如以下讨论的那样。在一些优选实施例中，空腔122的深度是渐缩的。例如，渐缩可从位于端壁126的后部或“尾”部最靠近间隙的相对宽的开口124延伸至相对窄的顶部部分128，其常与表面130齐平。顶部部分在开口124的上游(相对于气流38)，并沿着端壁126的表面130进一步延伸。空腔常(虽然不总是)相对于以下讨论的长度尺寸彼此平行。此外，在大多数实施例中，空腔可认为是相对于热气流的方向延长的。

图6是其中一个空腔122(图5)的横截面图示，但意图提供关于对于不同形状的各种空腔可能的深度的引导。在图6中，深度“D”代表端壁126内空腔的深度。该深度可以变化相当大，与最优深度的选择相关的因素包括空腔上气流的类型和速度(以一个或更多流)；气流应该被限制或以其它方式扰乱的程度；空腔位于其上的定子和/或转子表面的形状和尺寸；空腔形成的方式；以及局部定子-转子间隙区域的尺寸。典型地(尽管并非总是)，与航空涡轮机中的那些空腔相比，空腔的绝对深度对于用于陆基涡轮机中的喷嘴/定子将更大。

空腔深度D常为图5中所示的端壁深度(“EWD”)的大约10％到大约80％的范围。在一些优选实施例中，深度为端壁深度的大约20％到大约50％，而在其它优选实施例中，深度为端壁深度(“EWD”)的大约30％到大约70％。空腔的宽度在其最宽尺寸处，常为其深度的大约50％到大约200％；且在一些实例中，为其深度的大约100％到大约150％。

在一些实例中，对于陆基涡轮机空腔深度的典型范围将在大约1mm到大约3mm的范围内。在航空涡轮机的情况下，该范围可常在大约0.2mm到大约1mm的范围内。本领域技术人员将能够基于上述因素以及流体流量研究、排放系数测试、计算流体动力学预测等对于给定的情况选择最适合的空腔深度。对于空腔宽度典型的范围为大约1mm到大约10mm。

图7示出了沿着大致与热气体的路径38对齐的平面空腔122的另一个透视图。该图意图提供关于从空腔开口124到空腔的“上游”端132延伸的空腔的期望长度“L”的指引。通常，该空腔将具有在端壁长度(“EWL”)134的大约50％到大约200％范围内的长度，如图中所示。在一些具体实施例中，该长度将为端壁长度的大约25％到大约100％。在一些实例中，在陆基涡轮机的情况下，对于空腔的长度将为大约5mm到大约20mm，而在航空涡轮机的情况下为大约2.5mm到大约10mm。本领域技术人员将能够基于上述对于空腔深度的因素选择对于空腔最适合的长度。通常，空腔的上游端132与端壁表面136齐平。

如上所述，空腔将以各种形状存在，例如如图8中所示。该图是类似于图6的横截面视图。在图8中，空腔140具有相对平坦的底表面142。侧壁144可如图所示为倾斜的，并且倾斜角度也可以变化。(空腔的深度也可变化，如图6的实施例中一样。)此外，示出为相对尖锐的表面边缘146可备选地被稍微倒圆。上面指出的因素将影响特定形状。

此外，可提供空腔形状的非限制示例。例如，图9描绘了空腔150，其中内部区域152可通常呈正方形或矩形的形状。备选地，内部区域可为“碗”形，具有弯曲的底部表面154。在每一实例中，空腔均终止于壁156，其可为倾斜的或垂直的。换言之，空腔的深度不和其它实施例中一样下降(从边缘157延伸)至与端壁表面158齐平的点。

图10中所绘的空腔160可为圆形凹槽的形状。如其它实施例中一样，空腔的深度、长度和宽度可变化相当大。此外，内端部162可渐缩直至表面164；或者可以终止于壁中，如图9中所示。端部显示为呈三角形，但其它形状也是可能的。在对于此形状的一些优选实施例中，宽度“w”在端部162后保持恒定。(这与图5中所绘的锥形形状形成对比，其中宽度远离端壁边缘逐渐变窄。)

图11中所绘的空腔170可具有大致正方形、“扩散器”形状，且端部172与表面174齐平。空腔的内侧表面176可呈内圆角的形状，如图中所示。再一次，如其它实施例中一样，整体尺寸可以变化。

关于空腔位置，可参考图4，其中还没有结合空腔。对于本发明的实施例，空腔可沿后缘的整个周向长度110结合。备选地，空腔可仅结合到边缘的一部分中，或者沿着边缘选定的区域中。空腔最适合的布置可经验性地和/或通过建模以没有不必要的努力而确定。以上所述的因素和技术，例如流动系数测试，将在此方面提供引导。图12提供了一种类型的空腔180的图案的图示，空腔沿着端壁184的后缘182的整个尺寸而结合。

此外，空腔可能彼此接触，例如，其中各空腔的边缘与邻近空腔的边缘接触。备选地，取决于它们的形状，以及本文指出的其它因素，空腔可彼此隔开。间隔的程度因而可根据许多那些相同因素而变化，当然包括空腔的形状。如参考图5的非限制性图示一样，空腔之间的间隔“a”可具有典型空腔的宽度“b”的大约10％到大约100％的长度。空腔间隔可以是一致的或不一致的。

此外，空腔之间的实际边界区域不需要为相对平坦的脊部，即，导致各空腔之间非常离散的边界。参考图13，其为图12中所绘的空腔的放大视图。在此实施例中，各空腔192之间的侧壁190(即后缘处或其附近)和邻近空腔的侧壁混成了一体。与图5中所绘的更加离散的空腔边界相比，此“连续的”特征在某些实施例中可能是有利的。

尽管许多主要的实施例指向在定子-转子组件的静止部分上使用用于端壁部分的空腔，但空腔也可用在其中一些旋转部件上。可以以这种方式更改各种类型的转子，例如，无护罩转子；以及那些具有附接护罩的转子。在每种情况下，如之前所述的空腔对于更改此类部件的内端壁都可以是非常有用的。

本发明的另一个实施例指向涡轮机，其包括至少一个定子-转子组件，如以上描述的那些。燃气涡轮发动机(例如涡轮喷气引擎、涡轮螺旋桨发动机、陆基发电涡轮机以及船舶推进涡轮发动机)代表了涡轮机的示例。其他类型在本领域也是公知的。非限制性示例包括大范围的泵和压缩机，其有时也结合流体(气体或液体)流穿过的定子-转子组件。在许多这些其它涡轮机设计中，用于减少从流动路径进入机械的其它区域的新技术将具有相当大的兴趣。因此，任何这些涡轮机中的定子-转子组件都可包括如此公开中所述的空腔图案。

本发明的又另一个实施例指向用于限制通过涡轮机中定子和转子之间的间隙的气体(例如热气体)流的方法。该方法包括在定子部件的内端壁的后缘的至少一部分上形成空腔图案的步骤。(定子可为喷嘴或导叶，取决于定子-转子组件的预期用途。)空腔具有足以阻碍热气体进入邻接定子和转子之间的间隙的叶轮空间区域的形状和尺寸。(熟悉涡轮机的各种类型的本领域技术人员理解典型地存在大量的定子-转子组件，且各组件均包括本文所述的更改的端壁。)该方法也可用于在组件中旋转部件的选定区域上形成空腔。

空腔可通过多种方法形成。非限制性示例包括机加工方法，例如各种铣削技术。其它机加工工艺可能包括放电加工(EDM)和电化学加工(ECM)。在一些情况中，空腔可在特定部件的铸造期间形成，例如，涡轮机转子或喷嘴的熔模铸造。作为一个示例，熔模铸造表面可设有阳特征的选定图案，例如，“丘墩”、圆顶、金字塔、销或任何其他类型的突出物或干扰物。(在美国专利申请10/841,366(R.Bunker等人；公布为美国专利7,302,990)中描述了用于向各种表面提供这些特征的其中一些方法，该申请通过引用而结合在本文中。)阳特征的形状将由空腔的期望形状决定，其会与阳特征相反。因此，在除去模具后，零件将包括选定的空腔图案。本领域技术人员将能够轻易确定用于在指定表面上形成空腔最适合的技术(或技术的组合)。

示例

生成了计算机模型来模拟热气体流动路径和冷却剂吹扫流之间的相互作用。对于上游导叶，模型基于定子-转子组件的叶轮空间空腔区域。(此区域类似于图2中的总体区域，其共同由叶轮空间区域82、缓冲空腔80、上间隙76以及轴向间隙78指示。)计算机模型部分地基于周期性范围上的瞬时定子-转子滑动网格模拟，使用不稳定雷诺平均纳维尔-斯托克斯(URANS)湍流模型。

使用被动标量标出了热气体流动路径。该被动标量模拟了在流动路径入口处开始的踪迹气体(tracing gas)。标量浓度“C＝1”代表了100％的热气体；而“C＝0”代表了100％的冷却剂吹扫流。

图14是对于定子-转子组件的选定区域中热气体流、吹扫流以及流相互作用的数字预测的计算机辅助模型的描绘。左方的“基准线”图示代表了没有被更改的定子-转子端壁。右方的图示代表根据此发明的实施例的更改的端壁，具有与图5中描绘的类似的一系列均匀间隔的空腔。

继续参看图14，缓冲空腔中较淡的灰度轮廓水平线代表高含量的热气体。较淡灰色轮廓和实黑色区域之间的边界提供了当采用更改的端壁时与没有更改的情形相比缓冲空腔内的明显较小区域如何暴露于热气体的图示。对于每个图的数据都基于空腔吹扫流的恒定数量。数据显示当端壁被更改时吸入缓冲腔的热气体的水平明显降低，如图14的两个图示中标量浓度水平所示。

本发明通过具体实施例和示例进行了描述。然而，应该理解的是，本领域技术人员会想到各种更改、适应以及备选方式，而不脱离所要求保护的发明性概念的精神和范围。上述所有专利、文献以及文本都通过引用结合在本文中。

Claims (18)

1.一种定子-转子组件，包括具有后缘的至少一个周向端壁，所述后缘包括空腔图案。

2.一种定子-转子组件，包括定子的表面和转子的表面之间的至少一个界面区域，所述表面由间隙隔开，

其中，所述定子是包括内周向端壁和外周向端壁的喷嘴或导叶；且相对于热气体流动路径各端壁均包括至少一个前缘和一个后缘；以及

其中，所述内周向端壁的后缘包括空腔图案，所述空腔能够阻碍热气体进入邻接所述定子和所述转子之间的所述间隙的叶轮空间区域。

3.如权利要求2所述的组件，其特征在于，所述空腔具有弯曲的内表面。

4.如权利要求2所述的组件，其特征在于，所述空腔具有沿所述空腔的至少一个尺寸渐缩的深度。

5.如权利要求2所述的组件，其特征在于，所述空腔呈部分圆锥体的形状。

6.如权利要求5所述的组件，其特征在于，各部分圆锥体均具有最靠近所述间隙的基部尺寸，所述基部尺寸宽于最远离所述间隙的所述圆锥体的相对端。

7.如权利要求2所述的组件，其特征在于，所述图案包括均匀间隔的空腔的阵列。

8.如权利要求2所述的组件，其特征在于，所述图案包括不均匀间隔的空腔的阵列。

9.如权利要求2所述的组件，其特征在于，所述空腔具有在所述内周向端壁的所述深度的大约10％到大约80％范围内的平均深度。

10.如权利要求2所述的组件，其特征在于，所述空腔沿所述后缘定位，并且大体彼此平行。

11.如权利要求10所述的组件，其特征在于，各空腔的边缘与邻近空腔的边缘接触。

12.如权利要求10所述的组件，其特征在于，各空腔与邻近空腔隔开。

13.如权利要求2所述的组件，其特征在于，所述定子表面和转子表面之间的所述界面区域是流限制区域，其限制从所述涡轮发动机的所述热气体流动路径穿过所述间隙到达所述定子-转子组件的叶轮空间区域的气体的流。

14.一种定子-转子组件，包括定子的表面和转子的表面之间的至少一个界面区域，所述表面由间隙隔开，

其中，所述转子是包括内周向端壁和外周向端壁的轮叶或叶片；且相对于热气体流动路径各端壁均包括至少一个前缘和一个后缘；以及

其中，所述内周向端壁的后缘包括空腔图案，所述空腔能够阻碍热气体进入邻接所述定子和所述转子之间的所述间隙的叶轮空间区域。

15.一种燃气涡轮发动机，包括根据权利要求1所述的定子-转子组件。

16.一种涡轮机，包括至少一个定子-转子组件，其中所述定子-转子组件包括所述定子的表面和所述转子的表面之间的至少一个界面区域，所述表面由至少一个间隙隔开，

其中，所述定子是包括内周向端壁和外周向端壁的喷嘴或导叶；且相对于热气体流动路径各端壁均包括至少一个前缘和一个后缘；以及

其中，各喷嘴或导叶的所述内周向端壁的后缘包括空腔图案，所述空腔能够阻碍热气体进入邻接所述定子和所述转子之间的所述间隙的叶轮空间区域。

17.一种限制穿过涡轮机中的定子和转子之间的间隙的热气体的流的方法，

其中，所述定子是包括内周向端壁和外周向端壁的喷嘴或导叶；且相对于气体流动路径各端壁均包括至少一个前缘和一个后缘；以及

其中，所述方法包括在定子部件的所述内端壁的所述后缘的至少一部分上形成空腔图案的步骤；

其中，所述空腔具有足以阻碍热气体进入邻接所述定子和所述转子之间的所述间隙的叶轮空间区域的形状和尺寸。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述空腔由选自包括铣削技术、放电加工(EDM)、电化学加工(ECM)和铸造的组的至少一种技术形成。

Images