CN103075198A - 涡轮机桨叶平台前缘以及相关方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种涡轮机桨叶。所述涡轮机桨叶包括平台和翼型。平台前部的前缘由连续曲线周向限定，从而形成至少一个轴向延伸的突起以及相邻凹处，所述轴向延伸的突起邻近所述翼型的前缘定位。
Description
技术领域
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(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。
背景技术
一种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通过使热燃烧气体撞击一个或多个装有叶片的转子组件来转换成涡轮机内的机械能。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接合处的轴向/径向开口可以允许热燃烧气体排出热气路径，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密封件。根据典型设计，天使翼与延伸自邻近定子或喷嘴元件的突出段或“阻隔件”配合。天使翼与阻隔件重叠(或者，几乎重叠)，但并不接触彼此，因而可以限制气流。对于限制将热气不当吸入位于天使翼密封件的径向向内位置处的叶轮空间而言，由这些配合的特征形成的曲径密封件(labyrinth seal)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产生的逆流提供一种额外屏障，以防热气的不需要的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空气和腔净化空气消耗了涡轮机的功，并且就发动机性能而言，可能成本相当大。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。
如上所述的天使翼用于在一排桨叶和邻近固定喷嘴的上游侧与下游侧处形成密封件。具体而言，天使翼密封件旨在防止热燃烧气体进入位于天使翼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，关于天使翼密封件接合处，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。
例如，已确定的是，即使天使翼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可能损坏密封件并且缩短桨叶使用寿命。
本发明旨在提供独特的天使翼密封件和/或桨叶平台几何形状，以便在天使翼接合处更好地控制次级净化空气的流，从而也在该接合处控制燃烧气体的流，使得天使翼密封件以及桨叶本身的使用寿命延长。
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，所述涡轮机桨叶包括平台以及从所述平台径向向外延伸的翼型；其中所述平台的前缘由连续曲线周向限定，从而形成至少一个轴向延伸的突起以及相邻凹处，所述轴向延伸的突起邻近所述翼型的前缘定位。
在另一方面，本发明提供一种涡轮机转子叶轮，所述涡轮机转子叶轮包括盘，多片桨叶围绕所述盘的径向外围安装，每片桨叶形成有平台以及从所述平台径向向外延伸的翼型；其中所述多片桨叶中的每片桨叶的所述平台的前缘由连续曲线限定，从而形成至少一个轴向延伸的突起以及相邻凹处，所述至少一个轴向延伸的突起大体邻近所述翼型的前缘定位，以使所述多片桨叶的所述连续曲线组合以形成在所述轴向延伸的突起与所述相邻凹处中的相应突起与凹处之间交替的周向连续曲线。
在另一方面，本发明提供一种沿定位于涡轮机桨叶平台前缘的径向向内位置处的天使翼密封法兰而对次级净化空气流进行控制的方法，所述方法包括沿所述平台前缘识别(identify)峰值燃烧气体静压力区域，在所述区域中，热燃烧气体涡流撞击在所述天使翼密封法兰上；以及对所述平台前缘进行定形，以便大体阻止所述燃烧气体涡流在该区域中撞击在所述天使翼密封法兰上。
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透视图，其中示出了扇形(scalloped)平台前缘；
图4是图3所示桨叶对的平面示意图；以及
图5是图3和图4所示桨叶对的局部剖视端视图。
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，分别为第一和第二级转子叶片或桨叶22和24。
参考图2，每片桨叶(例如，图1所示桨叶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密封件44、46和48、50。密封件46、48和50与形成于邻近喷嘴上的着陆区(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密封件46。具体而言，天使翼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，朝邻近喷嘴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，如天使翼密封法兰44、46以及邻近喷嘴表面58所限定，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，试图穿过天使翼间隙60的高温高压燃烧气体在平台边缘56、邻近桨叶的前缘28处最强。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外围建立，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密封法兰54，平台前缘56在周向方向上成扇形。
具体而言且如在图3到图5中清楚地看出，一对桨叶64、66以并排关系布置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、支撑天使翼密封法兰94、96的柄92，以及鸠尾榫98。类似的天使翼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所示为单个翼型桨叶，但应了解，两个翼型可以一体形成于一片桨叶中，所示为“成对件(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，并排桨叶的多个平台前缘将以单数形式表示，例如，平台前缘100)定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限定，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，这样，突起和凹处的周向长度尺寸均大体为平台前缘的周向长度尺寸的一半。突起102的轴向长度尺寸小于并排天使翼密封法兰84、94的相应轴向长度尺寸。对于所谓的“成对件”，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，其中所述突起和凹处的周向长度尺寸相应调整。
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密封法兰84、94上，由此沿密封法兰降低温度。周向位于突起102之间的交替凹处104中的燃烧压力由从叶轮空间进入斜面间隙107的较冷净化空气充分抵消。
可选地，一个或多个局部净化空气孔106(仅在图3和4中图示)可以定位于突起102内，这样，抽吸自叶轮空间的净化空气倾向于将热燃烧气体涡流推离突起102的表面，并且也由此使平台边缘的与温度相关的劣化最小化。
因此，通过识别问题区域以及在那些区域中针对选择性应用以修补几何形状为目标，研发了经修改的次级流模型，该次级流模型增强并延长了天使翼密封件、平台边缘以及桨叶本身的使用寿命。
尽管本发明已结合目前被认为是最具实用性且最优选的实施例进行了描述，但应了解，本发明不限于所披露的实施例，而是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配置。
Claims (20)
1.一种涡轮机桨叶，所述涡轮机桨叶包括平台以及从所述平台径向向外延伸的翼型；其中所述平台的前缘由连续曲线周向限定，从而形成至少一个轴向延伸的突起以及相邻凹处，所述轴向延伸的突起邻近所述翼型的前缘定位。
2.根据权利要求1所述的涡轮机桨叶，其中所述平台进一步由后缘以及将所述平台的所述前缘连接到所述平台的所述后缘的一对斜面限定；以及其中所述一对斜面之间存在一个轴向延伸的突起以及一个凹处。
3.根据权利要求1所述的涡轮机桨叶，进一步包括径向内部安装部分和柄，所述平台径向定位于所述柄与所述翼型之间；至少一个轴向延伸的天使翼密封法兰位于所述柄的前缘端部上，从而沿所述柄的所述前缘形成周向延伸的沟槽腔，所述沟槽腔径向位于所述平台的所述前缘的下侧与所述天使翼密封法兰之间。
4.根据权利要求1所述的涡轮机桨叶，包括延伸穿过所述至少一个轴向延伸的突起的至少一个净化空气孔。
5.根据权利要求3所述的涡轮机桨叶，其中所述至少一个轴向延伸的突起的轴向长度尺寸小于所述天使翼密封法兰的相应轴向长度尺寸。
6.根据权利要求1所述的涡轮机桨叶，其中所述轴向延伸的突起和所述相邻凹处的每一个的周向长度均大体等于所述平台的所述前缘的周向长度。
7.一种涡轮机转子叶轮，所述涡轮机转子叶轮包括：
盘，多片桨叶围绕所述盘的径向向外的外围安装，每片桨叶形成有平台以及从所述平台径向向外延伸的翼型；
其中所述多片桨叶中的每片桨叶的所述平台的前缘由连续曲线限定，从而形成至少一个轴向延伸的突起以及相邻凹处，所述至少一个轴向延伸的突起大体邻近所述翼型的前缘定位，以使所述多片桨叶的所述连续曲线组合，从而形成在所述轴向延伸的突起与所述相邻凹处中的相应突起与凹处之间交替的周向连续曲线。
8.根据权利要求7所述的涡轮机转子叶轮，其中所述平台进一步由后缘以及将所述平台的所述前缘连接到所述平台的所述后缘的一对斜面限定；以及其中所述一对斜面之间存在一个轴向延伸的突起以及一个凹处。
9.根据权利要求7所述的涡轮机转子叶轮，其包括大体径向延伸穿过所述至少一个轴向延伸的突起的至少一个冷却孔。
10.根据权利要求7所述的涡轮机转子叶轮，其中每片桨叶进一步包括径向内部安装部分和柄，所述平台径向定位于所述柄与所述翼型之间；以及至少一个轴向延伸的天使翼密封法兰位于所述柄的前端上，从而沿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的所述前缘的下侧与所述天使翼密封法兰之间。
11.根据权利要求10所述的涡轮机转子叶轮，其中所述至少一个轴向延伸的突起的轴向长度尺寸小于所述天使翼密封法兰的相应轴向长度尺寸。
12.根据权利要求7所述的涡轮机转子叶轮，其中所述轴向延伸的突起和所述相邻凹处的每一个的周向长度均大体等于所述平台的所述前缘的周向长度。
13.一种用于控制沿定位于涡轮机桨叶平台前缘的径向向内位置处的天使翼密封法兰流动的次级净化空气流的方法，所述方法包括：
(a)识别沿着所述平台前缘的峰值燃烧气体静压力区域，在所述区域中，热燃烧气体涡流撞击在所述天使翼密封法兰上；以及
(b)对所述平台前缘进行定形，以便大体阻止所述燃烧气体涡流在所述区域中撞击在所述天使翼密封法兰上。
14.根据权利要求13所述的方法，其中步骤(b)包括对所述平台的所述前缘进行定形以具有连续曲线，从而限定至少一个轴向突起和至少一个相邻轴向凹处，所述至少一个轴向突起定位于所述峰值燃烧气体静压力区域。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述涡轮机桨叶包括具有前缘和后缘的翼型，所述峰值燃烧气体静压力区域接近所述翼型的所述前缘定位。
16.根据权利要求13所述的方法，其中多片所述涡轮机桨叶装载到涡轮机转子的盘上，所有所述平台的前缘组合以形成轴向突起和轴向凹围绕所述盘交替的连续波状扇形配置。
17.根据权利要求15所述的方法，其中多片所述涡轮机桨叶装载到涡轮机转子的盘上，所有所述涡轮机桨叶的前缘组合以提供轴向突起和轴向凹处围绕所述盘交替的连续波状扇形配置。
18.根据权利要求13所述的方法，其中步骤(b)包括在所述至少一个轴向突起中形成一个或多个净化空气孔。
19.根据权利要求15所述的方法，其中步骤(b)包括在所述至少一个轴向突起中形成一个或多个净化空气孔。
20.根据权利要求17所述的方法，其中步骤(b)包括在所述交替的轴向突起中的每个轴向突起中形成一个或多个净化空气孔。
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