CN103075197A - 用于气体温度控制的涡轮机桨叶平台成形及相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明设计并公开一种涡轮机桨叶。所述涡轮机桨叶包括：径向内部安装部分；柄，其位于所述安装部分的径向向外位置；至少一个径向外部翼型，其具有前缘和后缘；大体平整的平台，其径向位于所述柄与所述至少一个径向外部翼型之间；至少一个轴向延伸的天使翼型密封法兰，其位于所述柄的前端上，从而沿着所述柄的所述前端形成周向延伸的沟槽腔，所述沟槽腔径向位于平台前缘的下侧与所述天使翼型密封法兰的径向外侧之间；以及斜面，其沿着所述平台的周向隔开的相对侧边缘延伸。所述斜面中的至少一个斜面形成为具有狗腿形，所述至少一个斜面的前端在周向偏离所述至少一个径向外部翼型的所述前缘的位置处终止。

Description

用于气体温度控制的涡轮机桨叶平台成形及相关方法
背景技术
本发明大体涉及旋转式机器，确切地说，涉及在燃气涡轮机桨叶上的前部天使翼型(angel wing)密封件处对前叶轮空间腔净化流和燃烧气体流进行控制。
典型涡轮发动机包括用于对与燃料混合的空气进行压缩的压缩机。燃料空气混合物在燃烧室内点燃，以产生在约1100℃到2000℃范围内的加压热燃烧气体，该燃烧气体膨胀通过涡轮机喷嘴，该喷嘴将流引导到高压和低压涡轮机级，从而提供额外的旋转能以，例如，驱动发电机。
具体而言，燃烧室内产生的热能转换成涡轮机内的机械能，方法是使热燃烧气体撞击一个或多个装有叶片的转子组件。每个转子组件通常包括至少一排周向隔开的转子叶片或桨叶。每片桨叶包括径向向外延伸的翼型，该翼型具有压力侧和吸入侧。每片桨叶还包括从柄径向向内延伸的鸠尾榫，其中该柄在平台与鸠尾榫之间延伸。该鸠尾榫用于将桨叶安装到转子盘或叶轮。
如所属领域已知，可以将转子组件视作定子-转子组件的一部分。转子组件的叶轮或盘上的多排桨叶以及定子或喷嘴组件上的多排定子轮叶交替地延伸穿过燃烧气体的轴向定向的流路。离开定子或喷嘴的轮叶的热燃烧气体射流作用于桨叶上，并且致使涡轮机叶轮(和转子)在约3000到15000rpm的速度范围内进行旋转，其中速度具体取决于发动机类型。
如下文所述附图所示，位于每级上的固定喷嘴与可旋转桨叶之间的接合处的轴向/径向开口可以允许热燃烧气体离开热气路径，并且进入位于桨叶径向向内位置的涡轮发动机的较冷叶轮空间。为了限制这种热气渗漏，叶片结构通常包括轴向突出的天使翼型密封件。根据典型设计，天使翼型与从相邻定子或喷嘴元件延伸的突出段或“阻隔件”配合。天使翼型与阻隔件重叠(或者，几乎重叠)，但并不接触彼此，这样就可限制气流。对于限制将热气不当吸入位于天使翼型密封件的径向向内位置的叶轮空间而言，由这些配合的特征形成的曲径密封件的效果较为关键。
如上文提及，出于多种原因，热气通过这种路径渗漏到叶轮空间是不利的。首先，来自工作气流的热气的损失导致效率损失，从而导致输出损失。其次，将热气吸入到涡轮机叶轮空间以及其他腔中可能损坏一些部件，这些部件并未针对长期暴露于此类温度下而设计。
一种用于减少来自工作气流的热气渗漏的公认技术涉及使用冷却空气，即“净化空气”，如第5,224,822号美国专利(利内翰(Lenehan)等人)所述。在典型设计中，空气可以从压缩机中转移或“放出”，并且用作涡轮机冷却回路的高压冷却空气。因此，冷却空气是次级流回路的一部分，该次级流回路可以大体穿过叶轮空间腔以及其他内侧转子区域。在将这种冷却空气从叶轮空间区域引导到前述天使翼型间隙中的一个间隙中时，该冷却空气可以产生额外的特定功能。进入该间隙的冷却空气的合成逆流提供额外的屏障，以防热气的多余流通过间隙并且进入叶轮空间区域。
尽管来自次级流回路的冷却空气出于上述原因是非常有利的，但也存在与该冷却空气用途关联的缺点。例如，提取来自压缩机的空气以用于高压冷却和腔净化空气消耗了涡轮机的功，并且就发动机性能而言，可能成本相当高。此外，在一些发动机配置中，压缩机系统在至少一些发动机功率设置过程中可能无法在足够压力下提供净化空气。因此，热气仍可能会被吸入叶轮空间腔中。
如上所述的天使翼型用于在一排桨叶和相邻固定喷嘴的上游侧与下游侧上形成密封件。具体而言，天使翼型密封件旨在防止热燃烧气体进入位于天使翼型密封件的径向向内位置的较冷叶轮空间腔，并且同时防止或最小化叶轮空间腔中的冷却空气排出到热气流。因此，相对于天使翼型密封件接合处而言，人们不断致力于了解热燃烧气体流和叶轮空间冷却或净化空气这二者的流型。此外，也担心相邻桨叶的平台之间的间隙，因为这是用于热燃烧气体进入的另一潜在途径。
例如，已确定的是，即使天使翼型密封件较为有效并且防止热燃烧气体进入叶轮空间，但燃烧气体流涡流撞击在密封件表面上和/或撞击在相邻桨叶表面上可能损坏桨叶，因而缩短桨叶使用寿命。类似地，热气体进入相邻桨叶的平台之间的间隙可导致位于桨叶之间的平台斜面边缘和密封件热降解。
本发明旨在提供独特的桨叶平台几何形状，以便在天使翼型接合处和/或在相邻桨叶的平台边缘或斜面之间的大体轴向定位的间隙中更好地控制次级冷却空气流，从而也控制燃烧气体流，使得桨叶的使用寿命延长。
发明内容
在一个示例性但非限制性实施例中，本发明提供一种涡轮机桨叶，其包括：径向内部安装部分；柄，其位于所述安装部分的径向向外位置；至少一个径向外部翼型，其具有前缘和后缘；大体平整的平台，其径向位于所述柄与所述至少一个径向外部翼型之间；至少一个轴向延伸的天使翼型密封法兰，其位于所述柄的前端上，从而沿着所述柄的所述前端形成周向延伸的沟槽腔，所述沟槽腔径向位于平台前缘的下侧与所述天使翼型密封法兰的径向外侧之间；以及斜面(slashface)，其沿着所述平台的周向隔开的相对侧边缘，所述斜面中的至少一个斜面具有狗腿形，一个所述至少一个斜面的前端在周向偏离所述至少一个径向外部翼型的所述前缘的位置处终止。
另一方面，本发明提供一种涡轮机叶轮，其包括围绕所述叶轮成周向阵列的多片桨叶，每片桨叶包括：径向内部安装部分；柄，其位于所述安装部分的径向向外位置；径向外部翼型；以及大体平整的平台，其径向位于所述柄与所述径向外部翼型之间；至少一个轴向延伸的天使翼型密封法兰，其位于所述柄的前端上，从而沿着所述柄的所述前端形成周向延伸的沟槽腔，所述沟槽腔径向位于平台前缘的下侧与所述天使翼型密封法兰的径向外侧之间；斜面，其沿着所述平台的周向隔开的相对侧边缘，所述斜面中的至少一个斜面具有狗腿形，其中相邻桨叶上的所述斜面的前端在周向偏离相邻的径向外部翼型的前缘的位置处终止。
又一方面，本发明提供一种在安装于转子叶轮上的桨叶的前端与固定喷嘴的表面之间的径向空间中控制净化空气流的方法，且其中涡轮机桨叶包括：径向内部安装部分；柄，其位于所述安装部分的径向向外位置；至少一个径向外部翼型，其具有前缘和后缘；大体平整的平台，其径向位于所述柄与所述至少一个径向外部翼型之间；至少一个轴向延伸的天使翼型密封法兰，其位于所述柄的前端上，从而沿着所述柄的所述前端形成周向延伸的沟槽腔，所述沟槽腔径向位于平台前缘的下侧与所述天使翼型密封法兰的径向外侧之间；以及斜面，其沿着所述平台的周向隔开的相对侧边缘，所述方法包括：形成相邻桨叶的相对斜面，以便在大体轴向上具有大体的狗腿形；以及将所述相对斜面的前端定位成周向位于相应径向外部翼型的前缘之间。
现将结合以下附图来详细描述本发明。
附图说明
图1是涡轮机的一部分的截面的局部示意图；
图2是涡轮机叶片的放大透视图；以及
图3是根据本发明的一个示例性但非限制性实施例的涡轮机桨叶对的平面图，其中示出了扇形平台前缘以及沿着相对平台斜面的“狗腿形”接合处；
图4是类似于图3所示的涡轮机桨叶对的平面图，但其中相对斜面之间的接合处是由连续曲线形成的；
图5是类似于图3的平面图，但省略了沿着桨叶对的平台的扇形前缘；以及
图6是类似于图4的平面图，但省略了沿着桨叶对的平台的扇形前缘。
具体实施方式
图1示意性地示出燃气涡轮机的一部分，所述燃气涡轮机通常标记为10，其包括转子11，所述转子具有轴向隔开的转子叶轮12以及隔板(spacer)14，所述转子叶轮和隔板通过多个周向隔开、轴向延伸的螺栓16彼此接合。涡轮机10包括具有喷嘴的多个级，所述喷嘴例如，具有多片周向隔开的固定转子叶片的第一级喷嘴18和第二级喷嘴20。位于这些喷嘴之间并且与转子和转子叶轮12一起旋转的是多片转子叶片，例如，分别为第一级转子叶片或桨叶22和第二级转子叶片或桨叶24。
参考图2，每片桨叶(例如，图1所示的桨叶22)包括具有前缘28和后缘30的翼型26，所述翼型安装在柄32上，所述柄包括平台34和柄袋(shank pocket)36，所述柄袋具有一体式盖板38、40。鸠尾榫42适于与形成于转子叶轮12(图1)上的大体对应的鸠尾榫槽连接。桨叶22通常是一体铸造的，并且包括轴向突出的天使翼型密封件44、46和48、50。密封件46、48和50与形成于相邻喷嘴上的着陆区(land)52(参见图1)配合，以便限制流经热气路径的热气的吸入，所述热气路径通常由箭头39(图1)表示，从而避免热气流入叶轮空间41。
此处特别关注的是，位于桨叶的前缘端部上的上部或径向外部天使翼型密封件46。具体而言，天使翼型46包括具有上翻边缘55的纵向延伸的翼或密封法兰54。桨叶平台前缘56轴向延伸超过盖板38，朝相邻喷嘴18延伸。密封法兰54的上翻边缘55非常接近喷嘴18的表面58，从而形成弯曲或蛇形的径向间隙60，如天使翼型密封法兰44、46以及相邻喷嘴的表面58所界定，在该间隙中，燃烧气体与净化空气相遇(参见图1)。此外，密封法兰54的上翻边缘55以及平台34的边缘56形成所谓的“沟槽腔”62，在所述沟槽腔中，从叶轮空间逸出的较冷净化空气与热燃烧气体交接。如下文进一步所述，通过维持沟槽腔62内的较冷温度，天使翼型密封件的使用寿命以及桨叶本身的使用寿命均可以延长。
就此而言，转子、转子叶轮和桨叶的旋转使得叶轮空间净化空气(次级流)在径向向外的方向上产生自然的抽吸行为，从而形成屏障以防止高温燃烧气体(初级流)进入。同时，CFD分析显示，所谓的“头波”的强度，即桨叶翼型26的前缘28处的高压燃烧气体的强度，就控制沟槽腔处的初级和次级流而言是相当大的。换言之，试图穿过天使翼型间隙60的高温高压燃烧气体在平台边缘56处、邻近桨叶的前缘28时最强。因此，在叶轮旋转期间，高压燃烧气体流的周向波动模型围绕转子叶轮的圆周建立，其中峰值压力大体邻近各片桨叶前缘28。
为了解决头波现象，至少一定程度上阻止热燃烧气体到达天使翼型密封法兰54，平台前缘56在周向上成扇形。
具体而言，且如在图3到图5以及图4中清楚地看出，一对桨叶64、66布置成并排的关系，并且包括具有各自的前缘和后缘72、74和76、78的翼型68、70。桨叶64还形成有平台80、支撑内部和外部天使翼型密封法兰84、86的柄82，以及鸠尾榫88。类似地，桨叶66形成有平台90、支撑天使翼型密封法兰94、96的柄92，以及鸠尾榫98。类似的天使翼型密封件设在桨叶的后侧上，但这并不是此处的关注点。
尽管桨叶64、66示为单片翼型桨叶，但应了解，两个翼型可以一体形成于一片桨叶中，示为“翼型对(doublet)”。
在示例性但非限制性实施例中，桨叶的平台前缘100(为了方便起见，并排桨叶的平台前缘将以单数形式指示，如平台前缘100)成形为包括波形或扇形配置，所述波形或扇形配置由连续曲线界定，从而形成与凹处104交替的大体轴向定向的突起102。突起102在轴向上游方向上延伸，邻近桨叶前缘72、76，从而阻止处于头波处的热燃烧气体流进入沟槽腔106。该连续曲线沿相邻桨叶延伸，跨接在相邻桨叶的大体平行的相邻斜面108、110之间延伸的轴向间隙107。因此，对于每片桨叶，所示实施例包括一个突起102和一个凹处104。突起102的轴向长度尺寸小于并排天使翼型密封法兰84、94的对应轴向长度尺寸。对于所谓的“翼型对”，即每片桨叶包含两个翼型，每片桨叶存在有两个突起和两个凹处。
因此，将了解，突起102根据燃烧气体头波限定的最强桨距向静压力进行定位。如能够了解的那样，突起102阻止热燃烧气体涡流直接撞击在天使翼型密封法兰84、94上，由此降低沿密封法兰的温度。周向位于突起102之间的交替凹处104中的燃烧压力通过从叶轮空间进入斜面间隙107的较冷净化空气而充分抵消。
图3和图4还示出了额外的平台几何形状细化，用于进一步增强对来自叶轮空间腔的冷却净化空气流的控制。具体而言，相邻桨叶的相对斜面108、110是图3中所示的“狗腿”形或是图4中所示的连续曲线形。就此而言，已经确定的是，当斜面平行时(如分别由虚线112、114所示)，上述头波会将热燃烧气体流推入斜面之间的间隙107中。通过将斜面接合处的形状改变成夹角或狗腿形(图3)或者连续曲线(图4)，有可能将进入间隙107的入口定位在平台边缘凹处104内，其中与对应于头波的突起102处的温度相比，热气体的压力和温度降低，从而让较冷净化空气有效地防止并阻止燃烧气体进入间隙107。
在图3中，斜面108、110各自的形成方式为，平直部分以约90°到约120°的角度在沿斜面长度的大约中间处相交。
在图4中，相对斜面109、111经过成形以形成相对的连续曲线，所述连续曲线大体贴合相邻翼型68、70的轮廓，其中效果与图3中相交的直线接合处大体相同。否则，为了方便起见，图3中所用的相同参考数字在此处用来指代对应的部件。
在图3和图4中，将了解，通过合并配对的、成角度的或弯曲的斜面，可能无法在轴向上将桨叶装载到涡轮盘上。需要在周向上进行装载，但装载形式是所属领域众所周知的。
图5和图6示出了类似的斜面布置，但不具有扇形平台前缘。在这些图中，类似于图3和图4所用的那些参考数字(具有前缀“2”)用来指代对应的部件，而且此处只需描述不同之处。具体而言，平台边缘200是平直的，而且没有图3和图4所示的扇形平台边缘的任何突起或凹处。然而，相对斜面208和210仍成角度，以便形成“狗腿形”接合处，从而能够将间隙207定位成远离或周向偏离翼型268的前缘272和翼型270的前缘276，且因此周向偏离高温/高压头波。因此，来自叶轮空间的净化空气能够有效防止热燃烧气体进入间隙207。
在图6中，相对斜面209、211经过成形以形成相对的连续曲线，所述连续曲线大体贴合相邻翼型268、270的轮廓，其中效果与图5中相交的直线接合处大体相同。否则，桨叶大体上相同，而且图5中所用的相同参考数字用于图6中，以指代剩余的对应部件。
因此，在图5和图6中，将进入斜面间隙107或207的入口重新定位在周向偏离桨叶翼型前缘的区域实现上文结合图3和图4所述的益处，但并未达到与图3和图4相同的程度，其中扇形前缘提供与在峰值静压力的位置处控制净化空气和热燃烧气体有关的额外益处。
尽管已结合目前被认为是最具实用性且最优选的实施例描述了本发明，但应了解，本发明并不限于所披露的实施例，相反，本发明旨在涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (20)

1.一种涡轮机桨叶，其包括：
径向内部安装部分；柄，其位于所述安装部分的径向向外位置；至少一个径向外部翼型，其具有前缘和后缘；大体平整的平台，其径向位于所述柄与所述至少一个径向外部翼型之间；至少一个轴向延伸的天使翼型密封法兰，其位于所述柄的前端上，从而沿着所述柄的所述前端形成周向延伸的沟槽腔，所述沟槽腔径向位于所述平台前缘的下侧与所述天使翼型密封法兰的径向外侧之间；以及
斜面，其沿着所述平台的周向隔开的相对侧边缘延伸，所述斜面中的至少一个斜面具有狗腿形，所述至少一个斜面的前端在周向偏离所述至少一个径向外部翼型的所述前缘的位置处终止。
2.根据权利要求1所述的涡轮机叶轮，其中当所述涡轮机桨叶中的两片涡轮机桨叶以并排关系安装在涡轮机轮盘上时，所述两片涡轮机桨叶中的相应涡轮机桨叶的相邻斜面之间形成斜面间隙，所述斜面间隙定位成大体位于所述两片涡轮机桨叶的相邻径向外部翼型的相邻前缘之间的中间位置。
3.根据权利要求1所述的涡轮机叶轮，其中所述狗腿形是由以介于约90°与120°之间的角度会合的第一和第二大体平直的斜面部分组成的。
4.根据权利要求1所述的涡轮机叶轮，其中所述狗腿形是由大体沿着从所述至少一个径向外部翼型的所述前缘到所述后缘的轮廓延伸的连续曲线组成的。
5.根据权利要求2所述的涡轮机叶轮，其中所述狗腿形是由大体沿着所述相邻径向外部翼型的轮廓延伸的连续曲线组成的。
6.根据权利要求2所述的涡轮机叶轮，其中连续曲线大体沿着相邻桨叶的所述径向外部翼型的轮廓延伸。
7.根据权利要求1所述的涡轮机叶轮，其中所述平台的前缘成扇形，以界定交替的突起和凹处。
8.根据权利要求7所述的涡轮机叶轮，其中所述斜面间隙定位成接近所述凹处中的一个凹处。
9.一种涡轮机叶轮，其包括围绕所述叶轮成周向阵列的多片桨叶，每片桨叶包括径向内部安装部分、位于所述安装部分的径向向外位置的柄、径向外部翼型以及径向位于所述柄与所述径向外部翼型之间的大体平整的平台；至少一个轴向延伸的天使翼型密封法兰，其位于所述柄的前端上，从而沿着所述柄的所述前端形成周向延伸的沟槽腔，所述沟槽腔径向位于平台前缘的下侧与所述天使翼型密封法兰的径向外侧之间；斜面，其沿着所述平台的周向隔开的相对侧边缘延伸，所述斜面中的至少一个斜面具有狗腿形，其中相邻桨叶上的所述斜面的前端在周向偏离相邻的径向外部翼型的前缘的位置处终止。
10.根据权利要求9所述的涡轮机叶轮，其中相应的相邻桨叶的相邻斜面之间形成斜面间隙，所述斜面间隙定位成大体位于所述相邻桨叶的所述径向外部翼型的相邻前缘之间的中间位置。
11.根据权利要求9所述的涡轮机叶轮，其中所述狗腿形是由以介于约90°与120°之间的角度会合的第一和第二大体平直部分组成的。
12.根据权利要求9所述的涡轮机叶轮，其中所述狗腿形是由大体沿着所述径向外部翼型的轮廓延伸的连续曲线组成的。
13.根据权利要求10所述的涡轮机叶轮，其中所述狗腿形是由大体沿着所述径向外部翼型的轮廓延伸的连续曲线组成的。
14.根据权利要求13所述的涡轮机叶轮，其中连续曲线大体沿着所述相邻桨叶的所述径向外部翼型的轮廓。
15.根据权利要求9所述的涡轮机叶轮，其中所述大体平整的平台具有大体笔直的前缘。
16.根据权利要求9所述的涡轮机叶轮，其中所述大体平整的平台具有扇形前缘。
17.一种用于控制安装于转子叶轮上的桨叶的前端与固定喷嘴的表面之间的径向空间中的净化空气流的方法，且其中涡轮机桨叶包括：径向内部安装部分；柄，其位于所述安装部分的径向向外位置；至少一个径向外部翼型，其具有前缘和后缘；大体平整的平台，其径向位于所述柄与所述至少一个径向外部翼型之间；至少一个轴向延伸的天使翼型密封法兰，其位于所述柄的前端上，从而沿着所述柄的所述前端形成周向延伸的沟槽腔，所述沟槽腔径向位于所述平台前缘的下侧与所述天使翼型密封法兰的径向外侧之间；以及斜面，其沿着所述平台的周向隔开的相对侧边缘延伸；所述方法包括：
(a)形成相邻桨叶的相对斜面，以便在大体轴向上具有大体的狗腿形；以及
(b)将所述相对斜面的前端定位成周向位于相应径向外部翼型的前缘之间。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述相对斜面大体成狗腿形。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述大体平整的平台具有大体笔直的前缘。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述大体平整的平台具有扇形前缘。
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