CN103195500A - 用于减少涡轮构件之间的流体流的涡轮组件和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于减少涡轮构件之间的流体流的涡轮组件和方法。根据本发明的一个方面，一种涡轮组件包括定子和与定子相邻的转子。涡轮组件还包括在联接到转子上的部件中形成的通道，以在转子和定子之间形成流体帘，其中，流体帘减少定子和转子之间的流。

Description

用于减少涡轮构件之间的流体流的涡轮组件和方法
技术领域
本文所公开的主题涉及涡轮。更具体地说，本主题涉及减少涡轮的构件之间的流体流。
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。热能由流体(通常是来自压缩机的压缩空气)传送至涡轮，在涡轮中热能被转换成机械能。在一些涡轮实施例中，流体在构件之间泄漏到压缩热空气中会减少涡轮的功率输出且降低效率。流体的泄漏可由在燃气涡轮的运行期间某些构件的热膨胀和构件之间的相对运动引起。因此，减少构件之间的流体泄漏能够改进涡轮的效率和性能。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种涡轮组件包括定子和与定子相邻的转子。涡轮组件还包括在联接到转子上的部件中形成的通道，以在转子和定子之间形成流体帘，其中，流体帘减少定子和转子之间的流。
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流动跨过定子，以及使热气流动跨过与定子相邻的转子。该方法还包括使冷却空气流流过定子和转子的径向内侧部分，以及使流体从转子上的部件流到定子，以减少冷却空气流和热气流在定子和转子之间的泄漏。
根据结合附图得到的以下描述，这些及其它优点和特征将变得更加显而易见。
附图说明
在说明书结论部分处的权利要求书中特别指出且明确要求保护被视为本发明的主题。根据结合附图得到的以下详细描述，本发明的前述和其它特征和优点显而易见，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2是示例性涡轮组件的一部分的侧视截面图；
图3是另一示例性涡轮组件的一部分的侧视截面图；
图4是又一示例性涡轮组件的一部分的侧视截面图。
参照附图，以实例的方式，详细描述阐述了本发明的实施例以及优点和特征。
具体实施方式
图1是燃气涡轮系统100的实施例的示意图。系统100包括压缩机102、燃烧器104、涡轮106、轴108和燃料喷嘴110。在一个实施例中，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可为单个轴，或是联接在一起而形成轴108的多个轴节段。
一方面，燃烧器104使用液体燃料和/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处于流体连通。燃料喷嘴110产生空气-燃料混合物，并且将空气-燃料混合物排入燃烧器104中，从而引起加热加压气体的燃烧。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，并且然后引导到涡轮叶片，从而使涡轮106旋转。涡轮106的旋转使轴108旋转，从而随着空气流入压缩机102中而压缩空气。涡轮构件或部件被构造成当热气流过涡轮106时，允许部件有热膨胀和相对运动。通过减少比热气更冷的流体的流动，改进了涡轮效率。具体而言，减少流体泄漏到热气路径中或压缩气体流中会增加沿着期望路径的热气流的量，从而使得能够从热气提取更多的功。参照图2-4在下面详细讨论用以减少在涡轮部件(例如定子和转子)之间的流体泄漏的方法、系统和布置。所描绘的布置提供了流体帘或流体密封以减少流体泄漏到热气流中，从而增加了能够从热气提取而得到的功。此外，与用随着时间流逝可磨损的橡胶或其它材料制成的其它密封件相比，流体帘显著减少维护。
如本文中所使用的，“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。因而，用语“下游”表示大体对应于工作流体流的方向的方向，而用语“上游”大体表示与工作流体流的方向相反的方向。用语“径向”表示垂直于轴线或中心线的运动或位置。相对于轴线来描述处于不同的径向位置的部件可能是有用的。在这种情况中，如果相比第二构件，第一构件居于更接近轴线处，则在本文中可说第一构件在第二构件的“径向内侧”。如果，另一方面，相比第二构件，第一构件居于离轴线更远处，则在本文中可说第一构件在第二构件的“径向外侧”或“外侧”。用语“轴向”表示平行于轴线的运动或位置。最后，用语“周向”表示绕着轴线的运动或位置。虽然下面的讨论主要集中于燃气涡轮，但是所讨论的概念并不局限于燃气涡轮，而可以适用于其它的旋转机器，例如蒸汽涡轮。
现在参照图2，显示了示例性涡轮组件200的一部分的侧视截面图。涡轮组件200包括环绕轴线206而设置的转子202和定子204。定子204包括基部210，翼型件208(也称为“喷嘴”)从基部210延伸。转子202包括盘212和联接到盘212上的部件214。部件214可为任何适当的结构(例如盖板)，并且被构造成限制冷却流体224(例如空气)流入热气流228(也称为“热气路径”)中。盘212和部件214包括通道216，以接收来自流体源218的流体，其中流体被引导到空腔221中以形成流体帘222。流体帘222(也称为“流体阻隔”、“流体密封”或“流体流”)在转子202和定子204之间形成限制，以减少冷却流体224和226流入热气流228中。此外，流体帘222减少在转子202和定子204之间的径向内侧的热气流228，从而减少在组件部件上的热应力。在一个实施例中，流体流过通过部件214的凸出部220的通道216，其中流体帘222相对于轴线206成角度地流动。该角度可为任何适于形成流体帘222的角度，并且可以基于多种因素而被改变，例如流体类型、温度、空腔221和/或凸出部220的几何结构。在一个实施例中，该角度的范围可为从大约-45度到大约45度。在另一个实施例中，该角度的范围可为从大约15度到大约70度。在又一个实施例中，该角度的范围可为从大约20度到大约60度。在另一个实施例中，该角度的范围可为从大约-15度到大约30度。
流体帘222可以由来自任何适于涡轮构件的温度控制的流体源的流体流形成，例如流体源218(例如，空气、水或其它冷却剂)。通过增加能够从热气流228提取得到的功的量，同时也提供不会磨损或不需要更换的低维护性密封件或阻隔，所描绘的在转子202和定子204之间形成流体帘222提供了改进的性能。
图3是示例性涡轮组件300的一部分的侧视截面图。涡轮组件300包括环绕轴线306而设置的转子302和定子304。定子304包括基部310，翼型件308(也称为“喷嘴)从基部310延伸。转子302包括盘312和联接到盘312上的部件314。部件314可为任何适当的结构(例如盖板)，并且被构造成限制冷却流体324(例如空气)流入热气流328中。此外，流体帘322减少在转子302和定子304之间的径向内侧的热气流328，从而减少在组件部件上的热应力。盘312和部件314包括通道316，以接收来自通道316的流体，其中通道通过入口350接收冷却流体324。流体流过凸出部且流入空腔321中，以形成流体帘322。流体帘322(也称为“流体阻隔”，“流体密封”或“流体流”)在转子302和定子304之间形成限制，以减少冷却流体324和326流入热气流328中。冷却流体324和326是流过转子302和定子304的径向内侧部分以控制构件的温度的流体。在一个实施例中，通道316是逐渐变窄的通道，以在通道内产生增加的流体流速度，从而增加流体帘322的流动速度。在一个实施例中，流体流过通过部件314的凸出部320的通道316，其中流体帘322相对于轴线306成角度地流动。如上面参照图2所讨论，该角度可为任何适于限制进入热气流328中的流体流的角度。
图4是包括设置在转子416中的部件414的示例性涡轮组件412的一部分的侧视截面图。如所描绘的，部件414包括通道408，以接收来自入口402的冷却流体400。通道408引导冷却流体通过部件314中的出口404，以形成流体帘406。如所描绘的，流体帘406在转子416和定子304之间形成限制性阻隔，从而减少穿过涡轮组件412的流体泄漏。在实施例中，涡轮组件可使一个或多个通道形成一个或多个流体帘，例如帘406和322，减少转子416和定子304之间的流体流。
虽然仅结合有限数量的实施例对本发明进行了详细描述，但是应当容易理解，本发明不限于这种公开的实施例。相反，可修改本发明，以便结合此前未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变化、变更、替代或等效布置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是应当理解，本发明的方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明不应被视为受前述描述的限制，而是仅由所附的权利要求书的范围限制。

Claims (16)

1. 一种涡轮组件，包括：
定子；
与所述定子相邻的转子；以及
在联接到所述转子上的部件中形成的通道，其用以接收流体流来在所述转子和所述定子之间形成流体帘，其中，所述流体帘减少所述定子和所述转子之间的流体流。
2. 根据权利要求1所述的涡轮组件，其特征在于，所述部件包括盖板。
3. 根据权利要求2所述的涡轮组件，其特征在于，从所述盖板中的凸出部引导出所述流体帘。
4. 根据权利要求1所述的涡轮组件，其特征在于，对所述通道供应来自流体源的流体流，其中，所述流体源提供流体，以用于控制所述涡轮组件的一部分的温度。
5. 根据权利要求1所述的涡轮组件，其特征在于，所述通道包括逐渐变窄的通道，以在所述通道内产生增加的流体流速度，以形成所述流体帘。
6. 根据权利要求1所述的涡轮组件，其特征在于，所述通道相对于涡轮轴线成角度地引导所述流体帘。
7. 根据权利要求1所述的涡轮组件，其特征在于，减少的流体流包括减少的流过所述定子和所述转子的径向内侧部分的冷却空气流。
8. 根据权利要求7所述的涡轮组件，其特征在于，所述流体帘由所述冷却空气流形成。
9. 一种用于减少涡轮构件之间的流体流的方法，其特征在于，所述方法包括：
使热气流动跨过定子；
使热气流动跨过与所述定子相邻的转子；
使冷却空气流流过所述定子和所述转子的径向内侧部分；以及
使流体从所述转子上的部件流到所述定子，以减少冷却空气流和热气流在所述定子和所述转子之间的泄露。
10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使所述流体从所述部件流出包括形成流体帘。
11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述流体帘由所述冷却空气流形成。
12. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使所述流体流动包括使所述流体流过所述部件的凸出部中的通道。
13. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述通道包括逐渐变窄的通道，以在所述通道内产生增加的流体流速度，以在所述转子和所述定子之间形成流体帘。
14. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，对所述通道供应来自流体源的流体，其中，所述流体源提供流体，以用于控制所述涡轮组件的一部分的温度。
15. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述部件包括盖板。
16. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使所述流体流动包括相对于涡轮轴线成角度地引导所述流体流。
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