CN103195505A - 用于对准顶端围带的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于对准顶端围带的装置包括平台、第一突起以及第一突起上的第一互补对准特征，平台配置成连接至叶片，第一突起周向延伸跨过平台的至少一部分。一种用于对准顶端围带的方法包括：使多个顶端围带旋转，其中每个顶端围带联接至叶片；以及，通过将第一顶端围带的第一对准特征套入第二顶端围带的第二对准特征中而对准相邻顶端围带。

Description

用于对准顶端围带的装置和方法
技术领域
本发明大体上涉及用于将旋转机械中的顶端围带(tip shroud)对准的装置和方法。
背景技术
旋转机械(包括涡轮)被广泛用于各种航空、工业和发电应用中以做功。每个旋转机械通常包括周边安装的定子静叶和旋转叶片的交替级。定子静叶可附连至静止构件，例如围绕旋转机械的壳体，并且旋转叶片可附连至沿旋转机械的轴向中心线定位的转子。压缩的工作流体(例如但不限于蒸汽、燃烧气体或者空气)沿气体通路流动通过旋转机械以产生功。定子静叶将压缩工作流体加速并引导到旋转叶片的后续级上，以赋予旋转叶片运动，从而转动转子并做功。
泄漏在定子静叶或旋转叶片周围或者旁通定子静叶或旋转叶片的压缩工作流体降低旋转机械的效率。结果，围绕涡轮的壳体通常包括静止护罩或静止护罩区段，该静止护罩区段围绕并限定气体通路的外周以减少旁通定子静叶或旋转叶片的压缩工作流体的量。另外，每个旋转叶片可包括设置在旋转叶片的外部径向顶端的顶端围带。当涡轮旋转并循环通过操作的各个级时，顶端围带可在涡轮叶片的径向顶端形成密封并进一步减少压缩工作流体在壳体和叶片的径向顶端之间的泄漏。
顶端围带的空气动力学性质和机械性能是重要的设计考虑因素，一方面平衡效率和性能且另一方面叶片寿命。例如，虽然顶端围带可降低工作流体的泄漏，但是，顶端围带通常也增加叶片顶端处的质量，这可增加顶端围带的蠕变或屈服。蠕变或屈服继而可减少涡轮叶片的寿命、增加维护成本和/或延长停机时间。此外，失效的顶端围带可将碎片引入气体通路中，这可导致对壳体、下游定子和/或叶片的严重损坏。结果，对用于对准旋转机械中的顶端围带的装置和方法的持续改进将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点在下面的描述中阐述，或者可从该描述显而易见，或者可通过实施本发明而了解。
本发明的一个实施例是一种用于对准顶端围带的装置。该装置包括平台、第一突起以及第一突起上的第一互补对准特征，平台配置成连接至叶片，第一突起周向延伸跨过平台的至少一部分。
本发明的第二实施例是一种用于对准顶端围带的装置。该装置包括：第一平台，其配置成连接至第一叶片；第一突起，其周向延伸跨过第一平台的至少一部分；第一互补对准特征，其在第一突起上；第二平台，其配置成连接至与第一旋转叶片相邻的第二叶片；第二突起，其周向延伸跨过所述第二平台的至少一部分；以及所述第二突起上的第二对准特征。其中，第一对准特征至少部分地套入第二对准特征内。
本发明还可包括一种对准顶端围带的方法。该方法包括：使多个顶端围带旋转，其中，每个顶端围带联接至叶片；通过将第一顶端围带的第一对准特征套入第二顶端围带的第二对准特征中而对准相邻顶端围带。
在阅读该说明书后，本领域普通技术人员将更好地理解这样的实施例以及其他实施例的特征和方面。
附图说明
在该说明书的其余部分中，包括参考附图，更具体地阐述了本发明的完整且能够实现的公开，包括对于本领域技术人员而言的其最佳模式，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的旋转机械级的局部透视图；
图2是如图1中所示的顶端围带的放大透视图；
图3是根据本发明的一备选实施例的如图1中所示的顶端围带的放大透视图；
图4是图1中所示的相邻顶端围带的径向向内视图；
图5是根据本发明的一备选实施例的如图1中所示的顶端围带的放大透视图；
图6是根据本发明的一备选实施例的如图1中所示的顶端围带的放大透视图；
图7是根据本发明的一备选实施例的如图1中所示的顶端围带的放大透视图；
图8是根据本发明的一备选实施例的如图1中所示的顶端围带的放大透视图；并且
图9是根据本发明的一备选实施例的如图1中所示的顶端围带的放大透视图。
附图标记：
10     叶片级
12     叶片
14     转子
16     翼型件
18     径向顶端
20     壳体
22     气体通路
40     用于对准顶端围带的装置
42     顶端围带
44     平台
46     突起
48     轴向延伸的表面
50     周向延伸的表面
52     对准特征
54     突起端部
56     球形凸部
58     球形凹部
60     圆柱形凸部
62     圆柱形凹部
64     成角度的凸部
66     成角度的凹部
68     多边形的开槽凹部
70     多边形的开槽凸部
72     椭圆形的开槽凹部
74     椭圆形的开槽凸部
76     饼形(biscuit)凸部
78     饼形凹部
80     饼形平坦表面
82     饼形弓形表面。
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的当前实施例，在附图中示出这些实施例的一个或更多示例。该详细描述使用数字和字母标记来表示附图中的特征。在附图和描述中使用相同或类似的标记来表示本发明的相同或类似的部分。如本文中使用的，用语“第一”、“第二”和“第三”可互换地使用以区别一个构件与另一个，并且不意图表示各个构件的位置、数量或重要性。
每个示例以本发明的说明而不是本发明的限制的方式提供。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中做出许多修改与变型。例如，作为一个实施例的部分而显示或描述的特征可用于另一实施例上以产生更进一步的实施例。因此，本发明意图覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改与变型。
本发明的各种实施例包括用于将具有加压气体流通路和旋转构件(例如压缩机、燃气涡轮、蒸汽涡轮、喷气发动机或任何其他旋转机械)的系统中的顶端围带对准的装置和方法。该装置和方法通常包括具有互补对准特征的顶端围带。在特定实施例中，对准特征可为径向、轴向和/或周向对准的相邻顶端围带。这样，顶端围带增强气体通路的密封，并且改进的密封可减少叶片径向顶端周围的加压气体的泄漏，从而利用更多的加压气体以提高整体旋转机械效率。此外，顶端围带的改进的对准减少或防止相邻顶端围带重叠和/或增加各个顶端围带的寿命，从而进一步降低维护成本且进一步提高整体旋转机械效率。
图1提供了根据本发明的一个实施例的旋转机械叶片级10的局部透视图。应当了解，用语“叶片”可包括用于旋转机械内的任何旋转叶片。例如，“叶片”可包括但不限于压缩机和/或涡轮叶片。如图所示，每个级10通常包括周向连接至转子14的多个相邻的叶片12。每个叶片12通常包括从转子14径向向外延伸且终止于径向顶端18的翼型件16。壳体20周向地围绕叶片级10以限定壳体20和转子14之间的气体通路22。这样，加压工作流体可轴向地流动跨过叶片12以导致叶片12且因此转子14旋转。
如图1中所示，叶片级10可包括用于对准顶端围带42的装置40，其防止相邻顶端围带42重叠。装置40通常可包括一个或更多顶端围带42，其配置为用以连接至叶片12的径向顶端18。顶端围带42可被机械地附连至叶片12，例如通过焊接。备选地，顶端围带42可被铸造成叶片12的整体部分，或者可被机械加工。这样，当旋转机械循环通过各种操作条件时，相邻的顶端围带可在叶片12的径向顶端18处形成屏障。
图2提供了图1中所示的顶端围带42的放大透视图。图3提供了根据本发明的一备选实施例的如图1中所示的顶端围带的放大透视图，并且图4提供了如图1中所示的相邻顶端围带42的径向向内平面图。如图2中所示，每个顶端围带42大体上包括平台44以及一个或更多突起46。平台44大体上包括一对相对的轴向延伸的表面48以及周向延伸的表面50。轴向延伸的表面48可为直的、成角度的或弯曲的，用以为相邻顶端围带42的平台44提供互补的表面。
如图1中所示，每个平台44可包括一个或更多突起46，其大体上周向延伸跨过平台44的至少一部分并且可具有恒定或变化的厚度以及恒定或变化的径向高度。如图2中所示，该一个或更多突起46可从平台44径向向外延伸。在备选实施例中，如图3所示，该一个或更多突起46可从平台44径向向内延伸。此外，每个突起46可包括定位在突起46的第一或第二端54上的互补对准特征52，其增强相邻顶端围带42之间的径向和/或轴向对准。互补对准特征52可在突起46中包括例如凸表面和凹表面。例如，如图2和图3中所示，互补对准特征可为在突起46的相对端上的球形凸部56和凹部58的组合。当叶片12旋转时，由于离心力和/或顶端围带42的热膨胀，顶端围带42可与相邻的顶端围带接触。结果，第一顶端围带42上的球形凸部56套入第二相邻顶端围带42的球形凹部58内，以在径向和/或轴向平面中对准相邻的顶端围带42。结果，可在相邻的顶端围带42之间显著地减少顶端围带平台44处的机械和/或热应力。此外，互补对准特征52可防止相邻平台44屈曲或重叠。结果，可在叶片12的径向顶端18处利用较大的顶端围带42来增强气体通路22的密封而不危害叶片寿命。
图5至图9示出了在本发明的范围内的互补对准特征52的备选实施例。互补对准特征52可为圆柱形或成角度的凸部60、64和凹部62、66，如分别在图5和图6中示出的。这些形状可允许相邻顶端围带42之间的径向对准、径向负载传递，和/或在涡轮循环通过各种操作条件时在相邻叶片之间提供阻尼。此外，在涡轮转子的冷组装或涡轮的操作期间，这些形状可允许相邻顶端围带42之间较大的轴向错位或移动，如图1中所示。
图7和图8示出了互补对准特征52，其可为大体多边形、椭圆形、抛物线形或球形开槽且径向开放的凹部68、72和凸部70、74，如分别在图7和图8中示出的。开槽且径向开放的凹部68、72可包括一个或更多配合面和开口，并且凸部70、74可包括一个或更多互补的配合面。这些备选实施例中的每一个可在互补对准特征52之间提供更大的配合面区域。结果，可在旋转机械操作期间提供相邻顶端围带42之间的径向对准和径向负载传递，从而防止相邻顶端围带42之间的重叠，允许较大的顶端围带42，并且改进叶片12的径向顶端18处的气体通路密封。
图9示出互补对准特征52，其可为饼形和/或圆柱形的凸部76和凹部78。如图9中所示，饼形互补对准特征52可包括平坦表面80和弓形表面82。在涡轮循环通过各种操作条件时，饼形互补对准特征52除了允许相邻顶端围带42之间的径向对准和/或径向负载传递之外还可约束相邻顶端围带42之间的轴向移动，从而提高相邻顶端围带42的密封性能。
关于图1至图9而显示和描述的各种实施例还可提供用于对准相邻顶端围带42的方法，该方法包括：使可联接至旋转叶片12的多个顶端围带42旋转；通过将第一顶端围带42的第一对准特征52套入第二顶端围带42的第二对准特征52中而对准相邻顶端围带42。该方法还可包括将第一顶端围带42的第三对准特征52套入第二顶端围带42的第四对准特征52中。该方法可在相邻叶片12的径向顶端18处形成气体通路密封，从而抑制在叶片12的径向顶端18上方的加压工作流体泄漏并防止相邻顶端围带42的重叠。结果，可设计较大的顶端围带42并可改进叶片12的寿命，从而增加整体旋转机械效率并减少旋转机械维护成本。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例包括与权利要求的字面语言没有差别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于对准顶端围带的装置，包括：
a. 平台，所述平台配置成连接至叶片；
b.  第一突起，所述第一突起周向延伸跨过所述平台的至少一部分；以及
c. 所述第一突起上的第一互补对准特征。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一互补对准特征是弓形的。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一突起跨所述平台具有变化的厚度。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一突起从所述平台径向向内延伸。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一互补对准特征在一个平面中对准所述平台。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一互补对准特征在两个平面中对准所述平台。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括第二突起和所述第二突起上的第二互补对准特征，所述第二突起周向延伸跨过所述平台的至少一部分。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第二突起从所述平台径向向内延伸。
9.一种用于对准顶端围带的装置，包括：
a. 第一平台，所述第一平台配置成连接至第一叶片；
b. 第一突起，所述第一突起周向延伸跨过所述第一平台的至少一部分；
c. 所述第一突起上的第一对准特征；
d. 第二平台，所述第二平台配置成连接至与所述第一叶片相邻的第二叶片；
e. 第二突起，所述第二突起周向延伸跨过所述第二平台的至少一部分；
f. 所述第二突起上的第二对准特征；并且
g. 其中，所述第一对准特征至少部分地套入所述第二对准特征内。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一和第二对准特征是弓形的。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一突起跨所述第一平台具有变化的厚度。
12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一和第二突起从所述平台径向向内延伸。
13.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一和第二对准特征在一个平面中对准所述第一和第二平台。
14.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第一和第二对准特征在两个平面中对准所述第一和第二平台。
15.   根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括周向延伸跨过所述第一平台的至少一部分的第三突起和所述第三突起上的第三互补对准特征，以及周向延伸跨过所述第二平台的至少一部分的第四突起。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述第三突起包括第三对准特征。
17.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述第四突起包括第四对准特征。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四突起中的至少一个从所述围带平台径向向内延伸。
19.一种用于对准顶端围带的方法，包括：
a. 使多个顶端围带旋转，其中，每个顶端围带联接至叶片；
b. 通过将第一顶端围带的第一对准特征套入第二顶端围带的第二对准特征中而对准相邻的顶端围带。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括将所述第一顶端围带的第三对准特征套入所述第二顶端围带的第四对准特征中。
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