CN103195488A - 涡轮组件和用于减少涡轮构件之间的流体流的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮组件和用于减少涡轮构件之间的流体流的方法。根据本发明的一个方面，一种涡轮组件包括第一动叶和第二动叶，第一动叶带有第一斜面，第二动叶包括形成于第二动叶的第二斜面中的凹部，其中，第二斜面在第一动叶定位成与第二动叶相邻时与第一斜面相邻。该涡轮组件还包括销，该销配置为放置在凹部中，其中，该销被磁性地驱使朝向第一斜面以减少第一和第二动叶之间的流体流。

Description

涡轮组件和用于减少涡轮构件之间的流体流的方法
技术领域
本文所公开的主题涉及燃气涡轮。更特定而言，本主题涉及减少燃气涡轮的构件或区域之间的流体流。
背景技术
在燃气涡轮中，燃烧器将燃料或空气-燃料混合物的化学能转换成热能。热能通过流体(通常为来自压缩机的压缩热空气)传送至涡轮，热能在此转换为机械能。在一些涡轮实施例中，构件之间的流体到压缩热空气中的泄漏对涡轮导致降低的功率输出和较低的效率。此外，压缩热空气到通常被冷却流体冷却的区域中的泄漏可导致构件磨损，这可导致停机用于构件修理或更换。在燃气涡轮的操作期间，某些构件的热膨胀以及构件之间的相对运动可导致流体的泄漏。因此，减少构件之间的流体泄漏可提高燃气涡轮的效率和耐久性。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种涡轮组件包括第一动叶和第二动叶，第一动叶带有第一斜面(slashface)，第二动叶包括形成于第二动叶的第二斜面中的凹部，其中，第二斜面在第一动叶定位成与第二动叶相邻时与第一斜面相邻。该涡轮组件还包括销，该销配置为放置在凹部中，其中，该销被磁性地驱使朝向第一斜面以减少第一和第二动叶之间的流体流。
根据本发明的另一方面，一种用于减少涡轮构件之间的流体流的方法包括使热气体流过第一动叶和第二动叶，其中，第一和第二动叶相邻。该方法还包括：使冷却空气流流动通过第一和第二动叶的径向内部，以及将销定位在第一和第二动叶之间，其中，磁性性质驱使销朝向第一动叶的第一斜面，其中，销减少了第一和第二动叶之间的流体流。
从结合附图的以下描述，这些及其它的优点和特征将变得更加显而易见。
附图说明
被视为本发明的主题在本说明书的结论处的权利要求中特别指出并清楚地要求保护。从结合附图的以下详细描述，本发明的前述及其它的特征和优点是显而易见的，在附图中：
图1是包括燃烧器、燃料喷嘴、压缩机和涡轮的燃气涡轮发动机的实施例的示意图；
图2A和图2B分别是示例性涡轮组件的一部分的前视图和后视图；
图3是示例性涡轮组件的详细的端部侧视图。
该详细描述参照附图以示例的方式解释了本发明的实施例，以及优点和特征。
附图标记：
100         涡轮系统
102         压缩机
104         燃烧器
106         涡轮
108         轴
110         喷嘴
112         燃料供应
200         涡轮组件(例如转子组件)
202         第一动叶
204         第二动叶
206         销
208         柄部
210         平台
212         翼型件
214         斜面
216         斜面
218         柄部
220         平台
222         翼型件
224         凹部
226         凹部
228         热气体
230         冷却空气
232         轴向流
234         磁性层
236         磁性层
238         磁性层
250         轴线
300         涡轮组件
302         第一动叶
304         第二动叶
306         斜面
308         斜面
310         销
312         凹部
314         半径
316         (驱使的)方向
318         磁性层
320         磁性层
322         接触点
324         磁性层。
具体实施方式
图1是燃气涡轮系统100的实施例的示意图。该系统100包括压缩机102、燃烧器104、涡轮106、轴108和燃料喷嘴110。在一实施例中，系统100可包括多个压缩机102、燃烧器104、涡轮106、轴108和燃料喷嘴110。压缩机102和涡轮106由轴108联接。轴108可为单根轴或联接在一起而形成轴108的多个轴段。
在一方面，燃烧器104使用液体和/或气体燃料(例如天然气或富氢合成气体)来运行发动机。例如，燃料喷嘴110与空气供应和燃料供应112流体连通。燃料喷嘴110形成空气-燃料混合物并将该空气-燃料混合物排出到燃烧器104中，由此导致燃烧，该燃烧将加压气体加热。燃烧器104引导热的加压排气通过过渡件进入涡轮喷嘴(或“第一级喷嘴”)中且然后到涡轮动叶，从而导致涡轮106旋转。涡轮106的旋转导致轴108旋转，由此在空气流入压缩机102中时将空气压缩。涡轮构件或零件配置为组装得有公差或间隙，以在热气体流动通过涡轮106时允许零件的热膨胀和相对运动。通过减少比热气体更冷的流体到热气路径中的流，提高了涡轮效率。具体而言，减少流体到热气路径中或压缩气体流的泄漏增加了沿期望路径的热气流的体积，从而使得能够从热气体提取更多功。另外，限制或减少进入冷却空气中的热气体的流使得流体之间的压力差能够被维持并允许冷却空气被引导至涡轮的各个零件用于冷却。下面参照图 2A、图2B和图3详细论述减少涡轮零件(例如定子和转子)之间的流体泄漏的方法、系统和装置。所描绘的装置提供涡轮构件之间的流体流的改进的密封或限制。
如本文中使用的，“下游”和“上游”是表示相对于通过涡轮的工作流体流的方向的用语。因此，用语“下游”指大体上对应于工作流体流的方向的方向，而用语“上游”大体上指与工作流体流的方向相反的方向。用语“径向”指垂直于轴线或中心线的运动或位置。可能有用的是描述关于轴线处于不同径向位置的零件。在这种情况下，如果第一构件比第二构件更靠近轴线，则可在本文中表述成，第一构件在第二构件的“径向向内”。另一方面，如果第一构件比第二构件更远离轴线，则可在本文中表述成，第一构件在第二构件的“径向向外”或“外部”。用语“轴向”指平行于轴线的运动或位置。最后，用语“周向”指围绕轴线的运动或位置。虽然下面的论述主要关注于燃气涡轮，但是，所论述的概念不限于燃气涡轮。
在图2A和图2B中示出示例性涡轮组件的一部分。图2A是第一动叶202的正视图，而图2B是第二动叶204和要放置在第一动叶202和第二动叶204之间的部件(例如销206)的后视图。第一动叶202包括柄部208、平台210和翼型件212或叶片。当在斜面表面彼此面对的情形下将动叶安装于叶轮或盘上时，第一动叶202的斜面 214配置为与第二动叶204的斜面216相邻。第二动叶204包括柄部218、平台220和翼型件222或叶片。凹部224和226(也被称为“凹穴”或“密封槽”)位于斜面 216中以接纳销206，其中，当在涡轮中彼此邻接时，销206减少或限制第一动叶202和第二动叶204之间的流体流。例如，销206被放置在凹部224、226中，以减少径向向内进入冷却空气230中的热气体228的流并减少径向向外进入热气体228中的冷却空气230的流。此外，销206减少了在相邻动叶202、204之间的流体的轴向流232(即，沿着涡轮轴线250)。减少跨过柄部208和218的流体流可助于在冷却空气230中相对于热气体228维持压力(被称为“正压力”或“压力差”)，从而允许冷却空气230遍布涡轮分布以减少热疲劳和磨损。此外，防止冷却流体230进入热气体228流允许从热气体228提取更多功以提高涡轮效率。
在一实施例中，销206具有磁性性质，例如驱使销朝向斜面 214以改进密封或流限制的磁性层234。在实施例中，销214具有磁性性质，例如驱使销朝向斜面 214以改进密封或流限制的磁性层236。斜面 216的磁性性质(例如磁性层238)也可驱使销206朝向斜面214。在一示例中，斜面 216和凹部224、226的磁性性质排斥销离开斜面表面。磁性性质和对应层可位于销206、斜面 214和斜面 216的一部分或基本整个表面上。销206经由销206、斜面 214和斜面 216的磁性性质中的至少一个被驱使朝向斜面 214。
在一实施例中，斜面214和216、销206和/或它们的磁性层包括提供期望的磁性性质的磁性材料，包括但不限于铝镍钴和钐钴(SmCo5)。例如，铝镍钴或钐钴可被施加为一层或作为粉末添加至零件材料，其中，该粉末能够在大约1000华氏度下保持磁性性质。在另一实施例中，在大约1200华氏度下保持动叶202、204和/或销206的磁性性质。在一示例中，磁化的铝镍钴动叶202、204和/或销206的磁场强度是大约5兆高斯奥斯特(MGOe)的BHmax(磁性材料的最大能量积的点处的磁场强度)。在另一示例中，磁化的SmCo5动叶202、204和/或销206的磁场强度具有大约32 MGOe的BHmax。
动叶202、204和/或销206的磁性性质可通过任何合适的方法提供。在一个实施例中，磁性性质是用来形成动叶或销的材料的特性。在另一实施例中，磁性性质作为层(例如层234、236、238)或涂层施加至部件，其中，层被施加至部件表面的至少一部分。在实施例中，磁性层可为合金(例如铝镍钴)粉末，其通过烧结、包覆、粘合和/或喷涂(例如冷喷涂)而施加。在其中磁性层为施加至斜面和/或销的表面的至少一部分的带状物的示例中，该合金粉末在共混物或混合物被压成带状物的期望形状之前与蜡制润滑剂混合。一个或更多带状物被压成30密耳的厚度且在保护性氢气氛下烧结。此外，可测试烧结的带状物以确保提供期望的磁性性质。还可处理带状物以获得期望的强度性质。此外，带状物可被机械加工以获得期望的厚度来应对热处理期间的部件膨胀。在另一实施例中，使用激光将磁性层包覆至动叶柄部或销。
在另一示例中，可使用喷涂技术(例如冷喷涂)将磁性合金粉末的层或涂层施加至斜面和/或销。在一实施例中，铝镍钴和/或SmCo5粉末被直接喷涂在动叶或销的柄部上，并且然后进行热处理。根据应用，施加工艺可使用高速氧燃料(HVOF)喷涂或冷喷涂。在将磁性层施加至所选择的一个或多个零件之后，可通过其它合适的技术来测试和/或增强磁性性质。
图3是涡轮组件300的一实施例的详细侧视截面图。涡轮组件300包括第一动叶302和第二动叶304。部件(例如销310)定位在第一动叶的凹部312中以减少动叶之间的流体流。如图所示，组装的零件包括带有斜面 306的第一动叶302，斜面 306与第二动叶304的斜面 308相邻。斜面 306和308可相对于涡轮的半径314以各种角度定向，并且因此，销310可经受可影响销的密封性质的多种力。在一实施例中，在接触点322处存在力(例如法向力)，其中，该力作用为使销310移动离开斜面 308，从而导致动叶之间增加的流体流。此外，由动叶302、304的旋转导致的离心力也可驱使销310离开斜面 308。因此，在一实施例中，斜面 308具有磁性性质，例如沿切线方向316驱使销310朝向斜面308的磁性层318。当销310被驱使朝向斜面 308时，销和斜面之间的接触提供密封或流体限制以防止第一动叶302和第二动叶304之间的流体流。在一实施例中，凹部312具有磁性性质，例如排斥或驱使销310朝向斜面308的磁性层320。此外，销310也可具有沿方向316驱使销310朝向斜面308磁性性质，例如磁性层324。在实施例中，凹部312(在斜面 306中)、斜面308、销310或其任何组合的磁性性质提供驱使销310朝向斜面308。磁性性质可包括任何合适的材料或材料的处理，包括通过任何合适的方法施加至涡轮动叶组件的一个或更多零件的层和/或带状物。
虽然结合仅仅有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易理解，本发明并不限于此类公开的实施例。而是，本发明可被修改以并入迄今未描述但与本发明的精神和范围相称的任意数量的变型、改变、替换或等同配置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，本发明的方面可包括所描述实施例中的仅仅一些。因此，本发明不被视为由前面的描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (20)

1. 一种涡轮组件，包括：
带有第一斜面的第一动叶；
第二动叶，所述第二动叶包括形成于所述第二动叶的第二斜面中的凹部，其中，所述第二斜面在所述第一动叶定位成与所述第二动叶相邻时与所述第一斜面相邻；以及
销，所述销配置为放置在所述凹部中，其中，所述销被磁性地驱使朝向所述第一斜面以减少所述第一和第二动叶之间的流体流。
2. 根据权利要求1所述的涡轮组件，其特征在于，所述凹部位于所述第二动叶的柄部中。
3. 根据权利要求1所述的涡轮组件，其特征在于，所述销被所述销上的磁性层磁性地驱使。
4. 根据权利要求3所述的涡轮组件，其特征在于，所述磁性层通过喷涂施加至所述销。
5. 根据权利要求1所述的涡轮组件，其特征在于，所述第一斜面具有磁性性质以驱使所述销朝向所述第一斜面。
6. 根据权利要求5所述的涡轮组件，其特征在于，所述第一斜面的磁性性质由所述第一斜面中的磁性层引起。
7. 根据权利要求6所述的涡轮组件，其特征在于，所述磁性层通过喷涂施加。
8. 根据权利要求1所述的涡轮组件，其特征在于，所述销定向在基本径向的方向上且沿基本切向的方向被驱使。
9. 根据权利要求1所述的涡轮组件，其特征在于，包括两个销，其放置在所述第二斜面中的两个凹部中，以减少所述第一和第二动叶之间的流体流。
10. 一种用于减少涡轮构件之间的流体流的方法，包括：
使热气体流过第一动叶和第二动叶，其中，所述第一动叶和第二动叶相邻；
使冷却空气流流动通过所述第一和第二动叶的径向内部；
将销定位在所述第一和第二动叶之间，其中，磁性性质驱使所述销朝向所述第一动叶的第一斜面，其中，所述销减少所述第一和第二动叶之间的流体流。
11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，定位所述销包括将所述销定位在形成于第二斜面中的凹部中。
12. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述磁性性质由所述销上的磁性层引起。
13. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述磁性层通过喷涂施加。
14. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，定位所述销包括使所述第一斜面的磁性性质驱使所述销朝向所述第一斜面。
15. 一种涡轮组件，包括：
带有第一表面的第一构件；
带有第二表面的第二构件，所述第二表面配置为在所述第一和第二构件相邻时与所述第一表面相邻；以及
配置为放置在所述第一和第二构件之间的部件，其中，所述部件被磁性地驱使朝向所述第一表面以减少所述第一和第二构件之间的流体流。
16. 根据权利要求15所述的涡轮组件，其特征在于，包括形成于所述第二表面中以接纳所述部件的凹部。
17. 根据权利要求15所述的涡轮组件，其特征在于，所述部件被所述部件上的磁性层磁性地驱使。
18. 根据权利要求17所述的涡轮组件，其特征在于，所述磁性层通过喷涂施加至所述部件。
19. 根据权利要求15所述的涡轮组件，其特征在于，所述第一表面具有磁性性质以驱使所述部件朝向所述第一表面。
20. 根据权利要求19所述的涡轮组件，其特征在于，所述第一表面的磁性性质由所述第一表面上的磁性层引起。
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