CN103075200B - 用于前腔流控制的涡轮机桨叶角翼特征以及相关方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于前腔流控制的涡轮机桨叶叶角翼特征以及相关方法。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；径向外部翼片；以及径向位于所述柄与所述翼片之间的大体平整的平台。至少一个轴向延伸的角翼密封法兰形成于所述柄的前端上，从而形成沿着所述柄的所述前端的周向延伸沟槽腔，所述沟槽腔径向位于平台前缘的下侧与所述角翼密封法兰之间。多个大体径向凹槽形成于所述角翼密封法兰的径向外表面上，并延伸到所述柄中。
Description
技术领域
本发明大体涉及回转式机械，确切地说，涉及在燃气涡轮机桨叶上的引导角翼密封件(attheleadingangelwingseals)处对前叶轮空间腔(forwardwheelspacecavity)净化流和燃烧气体流进行控制。
背景技术
典型的涡轮发动机包括压缩机，用于压缩与燃料混合的空气。燃料-空气混合物在燃烧室内点燃，以生成在约1100℃到2000℃范围内的热加压燃烧气体。所述燃烧气体膨胀通过涡轮机喷嘴，所述喷嘴将所述(气体)流引导到高压和低压涡轮机级，从而提供额外的旋转能，以便，例如，驱动发电机。
具体而言，燃烧室内产生的热能通过以下方式转换成涡轮机内的机械能：使热燃烧气体撞击一个或多个有叶片的转子组件。每个转子组件通常包括至少一行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片，所述翼片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，所述柄在平台与鸠尾榫之间延伸。鸠尾榫用来将桨叶安装到转子盘或叶轮。
如所属领域已知，转子组件可被视为定子-转子组件的一部分。转子组件的叶轮或盘上的多行桨叶(buckets)，以及定子或喷嘴组件上的多行定子轮叶(statorvanes)，交替延伸穿过针对燃烧气体轴向定向的流路。离开定子或喷嘴的轮叶的热燃烧气体射流作用在桨叶上，并使涡轮机叶轮(和转子)在约3000到15000rpm的速度范围内旋转，具体取决于发动机的类型。
如下图所示，位于固定喷嘴与每级的可旋转桨叶之间的接口处的轴向/径向开口可让热燃烧气体排出热气路径，并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角翼密封件。根据典型设计，角翼与从相邻的定子或喷嘴元件延伸的突出段、或“阻隔件(discouragers)”配合。角翼与阻隔件重叠(或几乎重叠)，但彼此并不接触，从而限制气流。对于限制将热气不当吸入位于角翼密封件的径向向内位置的叶轮空间而言，由这些配合特征形成的曲径密封件(labyrinthseal)的效果/有效性较为关键。
如上文所担示的，由于多种原因，热气通过这种路径渗入叶轮空间较为不利。首先，来自工作燃气蒸汽流(workinggasstream)的热气的损耗会导致效率降低，从而减少输出。其次，将热气吸入涡轮机叶轮空间和其他腔中可能会损坏一些部件，因这些部件并未针对长期暴露于此类温度进行设计。
用于减少来自工作燃气蒸汽流的热气渗漏的一种公知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，空气可从压缩机中转移或“放出(bled)”，并用作用于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，所述次级流回路可通常穿过叶轮空间腔以及其他内侧转子区域。当从叶轮空间区域被引导到先前所述的其中一个角翼间隙中时，这种冷却空气可起到额外的特定作用。由进入所述间隙的冷却空气所形成的逆流，可为不期望的热气流过所述间隙、并进入叶轮空间区域提供额外的屏障。
虽然由于上述原因，来自次级流回路的冷却空气非常有利，但也存在与该冷却空气用途相关的缺点。例如，针对高压冷却和腔净化空气从压缩机提取空气会消耗涡轮机的功，而且就发动机性能而言，可能要付出较大代价。此外，在一些发动机配置中，在至少某些发动机功率设置期间，压缩机系统可能无法提供处于足够压力的净化空气。因此，热气仍被吸入叶轮空间腔中。
如上所述的角翼用来在一行桨叶和相邻的固定喷嘴的上游侧和下游侧形成密封。具体而言，角翼密封件意图防止热燃烧气体进入位于角翼密封件的径向向内位置的较冷叶轮空间腔，同时防止或最小化叶轮空间腔中的冷却空气逸出到热气流。因此，针对角翼密封件接口，人们不断努力来理解其热燃烧气体流和叶轮空间冷却、或净化空气的流动型式(flowpatterns)。
例如，已经确定的是，即使角翼密封件较为有效、且可防止热燃烧气体进入叶轮空间，但燃烧气体流涡流撞击密封件的表面可损坏密封件、并缩短桨叶的使用寿命。
本发明旨在提供独特的角翼密封件和/或桨叶平台几何形状，以更好地控制角翼接口处的次级净化空气流，从而也以延长角翼密封件及因此桨叶本身的使用寿命的方式来控制所述接口处的燃烧气体流。
发明内容
在一项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；径向外部翼片和径向位于所述柄与所述翼片之间的大体平整(planar)的平台；至少一个轴向延伸的角翼密封法兰，其位于所述柄的前端，从而形成沿所述柄的前缘周向延伸的沟槽腔(trenchcavity)，其径向位于平台前端的下侧与所述角翼密封法兰之间；以及多个凹槽，其形成于所述角翼密封法兰的径向外表面上、并延伸到所述柄中。
所述多个凹槽在周向上沿着所述沟槽腔大体均匀分布；或者，其中所述多个凹槽在周向上沿着所述沟槽腔大体不均匀地分布。所述多个凹槽形成多个周向隔开的、大体为轮叶形的翅片，所述凹槽和翅片弯曲，以在所述沟槽腔内引起沿逆时针方向的净化空气流。所述桨叶还包括轴向延伸的第二角翼密封法兰，其位于所述至少一个轴向延伸的角翼密封法兰的径向向内位置。
另一方面，本发明提供一种支撑周向布置成行的桨叶的涡轮机叶轮，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；径向外部翼片和径向位于所述柄与所述翼片之间的大体平整的平台；至少一个轴向延伸的角翼密封法兰，其位于所述柄的前端，从而形成沿所述柄的前缘周向延伸的沟槽腔，其径向位于平台前缘的下侧与所述角翼密封法兰之间；且其中多个大体径向延伸的凹槽形成于所述角翼密封法兰的径向外表面上，从而至少部分形成所述沟槽腔、并桥接(bridging)所述角翼密封法兰与所述柄之间的接口。
所述多个凹槽在周向上沿着所述沟槽腔大体均匀分布；或者，所述多个凹槽在周向上沿着所述沟槽腔大体不均匀地分布。所述多个凹槽在所述凹槽之间形成大体为轮叶形的翅片，所述凹槽和翅片弯曲，以在所述沟槽腔内引起沿逆时针方向的净化空气流。所述涡轮机叶轮还包括轴向延伸的第二角翼密封法兰，其位于所述至少一个轴向延伸的角翼密封法兰的径向向内位置。
又一方面，本发明提供一种对位于安装有多片桨叶的旋转涡轮机叶轮与相邻喷嘴之间的径向间隙处的次级流(secondaryflow)进行控制的方法，所述方法包括：将至少一个角翼密封件定位在所述多片桨叶中的每片桨叶的前端上，所述桨叶朝向所述喷嘴轴向延伸，从而在所述角翼密封件的径向外侧上的燃烧气体热流与位于所述至少一个角翼密封件的径向向内位置的叶轮空间中的净化空气之间形成屏障；以及在所述角翼密封件中设置多个凹槽，从而促进净化空气流进入所述角翼密封法兰的径向向外区域，以因而防止所述燃烧气体撞击所述角翼密封法兰。
所述方法还包括沿着所述角翼密封件均匀分布所述多个凹槽；或者，沿着所述角翼密封件不均匀地分布所述多个凹槽。所述方法进一步包括使所述多个凹槽弯曲，以形成沿着所述角翼密封件的逆时针的净化空气流，其中所述多个凹槽延伸到所述多片桨叶中的每片桨叶的相邻柄中；并将所述多个凹槽加工或蚀刻在所述角翼密封件中。
现在将结合以下附图来详细说明本发明。
附图说明
图1为涡轮机的一部分的截面的局部示意图；
图2为涡轮机叶片的放大透视图；以及
图3为涡轮机桨叶对的透视图，描绘了根据本发明的一项示例性但非限制性实施例的角翼密封法兰；
图4为已知的前端角翼密封法兰的局部示意图，并且描绘在密封法兰与相邻喷嘴表面之间的间隙中的燃烧气体与净化空气之间的相互作用；以及
图5为类似于图4的视图，但描绘根据本发明的一项示例性但非限制性实施例的改进的密封法兰，以及春对燃烧气体和净化空气涡流所产生的影响。
元件符号列表：
具体实施方式
图1示意性地描绘通常用10表示的燃气涡轮机的一部分，所述燃气涡轮机包括转子11，所述转子具有轴向隔开的转子叶轮12和隔板(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彼此连接。涡轮机10包括多个级，所述级具有喷嘴，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的桨叶22)包括具有前缘28和后缘30的翼片26，所述翼片安装在柄32上，所述柄包括平台34以及柄袋(shankpocket)36，所述柄袋具有一体式盖板38、40。鸠尾榫42适用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通常一体铸造，且包括轴向突出的角翼密封件44、46和48、50。密封件46、48和50与形成于相邻喷嘴上的接合区(land)52(见图1)配合，以对流过热气路径的热气的吸入进行限制，所述热气路径通常用箭头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，桨叶前缘端上的上部、或径向外部角翼密封件46。具体而言，角翼46包括具有向上的边缘55的纵向延伸翼、或密封法兰54。桨叶平台前缘56轴向延伸到盖板38之外，并朝向相邻的喷嘴18。密封法兰54的向上的边缘55非常接近喷嘴18的表面58，从而形成弯曲(tortuous)、或蛇形的(serpentine)径向间隙60，如角翼密封法兰44、46以及相邻的喷嘴表面58所界定的，在所述间隙中，燃烧气体与净化空气相遇(见图1)。此外，密封法兰54的向上的边缘55以及平台34的边缘56形成所谓的“沟槽腔(trenchcavity)”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相遇。如下文进一步所述，通过维持沟槽腔62内的较低温度，可延长角翼密封件、及因而桨叶本身的使用寿命。
在这方面，转子、转子叶轮和桨叶的旋转使叶轮空间净化空气(次级流)在径向向外的方向上进行自然的抽吸行为(naturalpumpingaction)，从而形成屏障，以防止高温燃烧气体(初级流)的进入/吸入。同时，CFD分析显示，就对沟槽腔处的初级和次级流进行控制而言，所谓的“头波(bowwave)”的强度，即桨叶翼片26的前缘28处的高压燃烧气体，较为显著。换言之，试图穿过角翼间隙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，围绕转子叶轮的圆周会建立起高压燃烧气体流的周向波动模型，其中峰值压力基本邻近各桨叶前缘28。
如上所述，径向外部角翼密封法兰54意图阻碍或至少基本限制热燃烧气体进入叶轮空间腔，请注意径向外部密封翼法兰54与固定的喷嘴表面58非常接近，这在图1中清楚地看出。本发明对径向外部角翼密封法兰54进行修改，以让来自径向内部涡轮机叶轮空间的净化空气可阻止热燃烧气体流撞击密封法兰，从而降低法兰温度，并延长法兰、及因而桨叶的使用寿命。
如在图3中清楚地看出，一对桨叶64、66布置成并排关系，且包括具有前缘和后缘分别为72、74和76、78的翼片68、70。桨叶64还形成有：平台80；柄82，所述柄在桨叶的前端支撑内部和外部角翼密封法兰84、86；以及鸠尾榫88。类似地，桨叶66形成有：平台90；支撑角翼密封法兰94、96的柄92；以及鸠尾榫98。类似的角翼密封件设在桨叶的后侧或后端上，但此处并不关注。
在一项示例性但非限制性实施例中，多个大体平行的凹槽100形成于角翼密封法兰84、94中，其沿着密封法兰84、94大体轴向延伸，且沿着桨叶的相应柄82、83大体径向延伸。凹槽100可加工或蚀刻在密封法兰和柄表面中，从而实际上使“轮叶(vanes)”(或翅片fins)102形成于相邻的凹槽之间。所述凹槽/轮叶延伸穿过密封法兰84、94，并沿着柄82、83延伸到平台80、90的前缘85、87的下侧。所述轮叶状实体(或简单地说，“轮叶”)和相邻的凹槽100可弯曲，从而有助于形成逆时针的流结构，所述流结构由角翼法兰84、94上方的冷净化流供给，以有效阻碍上述涡流顺时针燃烧。换言之，所述凹槽/轮叶提高净化空气的盘抽吸(disk-pumping)，如上所述。
所述凹槽/轮叶的数目和式样可沿着围绕涡轮机盘或叶轮的圆周安装的桨叶而变化。例如，一个或多个凹槽可设于邻近桨叶翼片前缘72、76的位置，此处峰值静压力最大。
还将了解，所述凹槽/轮叶的大小、形状、长度等随着围绕涡轮机盘或叶轮的圆周的一致或不一致式样(thepattern)而变化，具体取决于具体的涡轮机应用。
图4和图5描绘归因于使用所述凹槽100/轮叶102的增强流的形成/发展。在图4中可看出，用流线104表示的冷净化空气在防止热燃烧气体涡流106直接撞击密封法兰84方面稍微有效。图5描绘通过使用上述凹槽/轮叶的增强净化空气流的形成。现在，净化空气流104还在密封法兰84的径向向外位置形成涡流108，所述涡流将热气涡流110进一步推离密封法兰。
虽然已结合目前被认为是最具实用性和较佳的实施例说明了本发明，但应了解本发明不限于已公开的实施例，相反，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 (19)
1.一种涡轮机桨叶，其包括：
径向内部的安装部分；
柄，其位于所述安装部分的径向向外位置；
径向外部的翼片；
径向位于所述柄与所述翼片之间的大体平整的平台；
至少一个轴向延伸的角翼密封法兰，其位于所述柄的前端，从而形成沿所述柄的所述前端的周向延伸沟槽腔，所述沟槽腔径向位于平台前缘的下侧与所述角翼密封法兰之间；以及
多个凹槽，其形成于所述角翼密封法兰的径向外表面上、并延伸到所述柄中；
其中所述多个凹槽沿着其在所述角翼密封法兰的所述径向外表面的长度以没有弯曲的方式轴向延伸。
2.根据权利要求1所述的涡轮机桨叶，其中所述多个凹槽在周向上沿着所述沟槽腔大体均匀分布。
3.根据权利要求1所述的涡轮机桨叶，其中所述多个凹槽形成周向隔开的多个翅片，所述多个凹槽和多个翅片在所述沟槽腔内引起净化空气流。
4.根据权利要求2所述的涡轮机桨叶，其中所述多个凹槽形成周向隔开的多个翅片，所述多个凹槽和多个翅片在所述沟槽腔内引起净化空气流。
5.根据权利要求1所述的涡轮机桨叶，其中所述多个凹槽在周向上沿着所述沟槽腔大体不均匀地分布。
6.根据权利要求5所述的涡轮机桨叶，其中所述多个凹槽形成周向隔开的多个翅片，所述多个凹槽和多个翅片在所述沟槽腔内引起净化空气流。
7.根据权利要求1所述的涡轮机桨叶，其中轴向延伸的第二角翼密封法兰位于至少一个轴向延伸的所述角翼密封法兰的径向向内位置。
8.一种支撑周向布置成行的桨叶的涡轮机叶轮，每片桨叶包括：
径向内部的安装部分；
柄，其位于所述安装部分的径向向外位置；
径向外部的翼片；
径向位于所述柄与所述翼片之间的大体平整的平台；
至少一个轴向延伸的角翼密封法兰，其位于所述柄的前端，从而形成沿所述柄的前端周向延伸的沟槽腔，所述沟槽腔径向位于平台前缘的下侧与所述角翼密封法兰之间；
且其中大体径向延伸的多个凹槽形成于所述角翼密封法兰的径向外表面上，从而至少部分形成所述沟槽腔、并桥接所述角翼密封法兰与所述柄之间的接口；
其中所述多个凹槽沿着其在所述角翼密封法兰的所述径向外表面的长度以没有弯曲的方式轴向延伸。
9.根据权利要求8所述的涡轮机叶轮，其中所述多个凹槽在周向上沿着所述沟槽腔大体均匀分布。
10.根据权利要求8所述的涡轮机叶轮，其中所述多个凹槽在周向上沿着所述沟槽腔大体不均匀地分布。
11.根据权利要求8所述的涡轮机叶轮，其中所述多个凹槽在所述多个凹槽之间形成多个翅片，所述多个凹槽和多个翅片在所述沟槽腔内引起净化空气流。
12.根据权利要求9所述的涡轮机叶轮，其中所述多个凹槽在所述多个凹槽之间形成多个翅片，所述多个凹槽和多个翅片在所述沟槽腔内引起净化空气流。
13.根据权利要求10所述的涡轮机叶轮，其中所述多个凹槽在所述多个凹槽之间形成多个翅片，所述多个凹槽和多个翅片在所述沟槽腔内引起净化空气流。
14.根据权利要求10所述的涡轮机叶轮，其中轴向延伸的第二角翼密封法兰位于至少一个轴向延伸的所述角翼密封法兰的径向向内位置。
15.一种对位于安装有多片桨叶的旋转涡轮机叶轮与相邻喷嘴之间的径向间隙处的次级流进行控制的方法，所述方法包括：
将至少一个角翼密封件定位在多片桨叶中的每片桨叶的前端上，所述至少一个角翼密封件朝向所述喷嘴轴向延伸，从而在所述至少一个角翼密封件的径向外侧上的燃烧气体的热流与位于所述至少一个角翼密封件的径向向内位置的叶轮空间中的净化空气之间形成屏障；以及
在所述至少一个角翼密封件中设置多个凹槽，以促进净化空气流进入所述至少一个角翼密封件的径向向外区域，从而防止所述燃烧气体撞击所述至少一个角翼密封件；
其中所述多个凹槽沿着其在所述至少一个角翼密封件的所述径向外侧的表面的长度以没有弯曲的方式轴向延伸。
16.根据权利要求15所述的方法，其包括沿着所述至少一个角翼密封件均匀分布所述多个凹槽。
17.根据权利要求15所述的方法，其包括沿着所述至少一个角翼密封件不均匀地分布所述多个凹槽。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述多个凹槽延伸到所述多片桨叶中的每片桨叶的相邻柄中。
19.根据权利要求16所述的方法，其中将所述多个凹槽加工或蚀刻在所述至少一个角翼密封件中。
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