CN104334856A - 涡轮风挡 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于燃气涡轮发动机的涡轮转子组件(24)的风挡(36)。该风挡包括宽度维度(12)、高度维度(14)和长度维度(10)、以及前板(76)。该风挡还包括后板(78)，该后板沿着宽度维度和高度维度大于前板并且具有包括在高度维度上延伸的两个支腿(126)的下部(124)。该风挡还包括在长度维度上延伸并且连接前板和后板的纵向结构(80)。

Description

涡轮风挡

技术领域

本公开整体涉及一种涡轮风挡，更具体地，涉及一种用于调节通过涡轮转子组件的气流的涡轮风挡。

背景技术

已知燃气涡轮发动机(“GTE”)包括涡轮机组件，该涡轮机组件具有安装在驱动轴上的一个或多个涡轮转子组件。每个涡轮转子组件包括多个涡轮叶片，这些涡轮叶片径向地向外延伸并且周向地围绕涡轮转子彼此间以一定距离间隔开来。该燃气涡轮发动机点燃空气和燃料的混合物以在涡轮叶片上产生高温压缩气流，这导致涡轮叶片使得涡轮转子组件旋转。可将来自每个涡轮转子组件的旋转动能转移到驱动轴上以驱动负载，例如，发电机、压缩机或泵。

涡轮叶片通常包括根结构和从涡轮叶片平台的相对面延伸出来的翼面。涡轮转子包括用于接纳每个涡轮叶片的根结构的槽。每个槽的形状可类似于每个涡轮叶片的根结构的形状。当将多个涡轮叶片装配在涡轮转子上时，可在相邻涡轮叶片的涡轮平台之间和下方形成平台下方腔体。

位于平台下方腔体内的、用于调节围绕涡轮转子组件的压缩气流的部件是已知的。此类部件的一个实例在Athans等人的美国专利号7,097,429(“专利’429”)中有所描述。专利’429公开了包括多个涡轮叶片的转子轮盘。每个涡轮叶片包括翼面、平台和柄部。该柄部可向下延伸至多叶楔形榫头以将涡轮叶片安装到转子轮盘。密封体位于柄部之间以及相邻涡轮叶片的平台下方。该密封体包括设置在密封体前端的加大密封板。该加大板与相邻涡轮叶片柄的前面的部分重叠来提供密封。该密封体还包括后端，该后端具有设置在一对轴向凸角上方的大体上为矩形的头部。该后端头部具有比位于前端的密封板更小的面积。

发明内容

本公开提供一种用于燃气涡轮发动机的涡轮转子组件的风挡。该风挡包括宽度维度、高度维度、长度维度和前板。该风挡还包括后板，该后板沿宽度维度和高度维度大于前板并且具有下部，该下部包括在高度维度上延伸的两个支腿。该风挡还包括在长度维度上延伸并且连接前板和后板的纵向结构。

本公开还提供一种用于燃气涡轮发动机的涡轮转子组件的风挡。该风挡包括宽度维度、高度维度、长度维度和前板。该风挡还包括后板、下部和支脚部，该后板包括沿宽度维度和高度维度比前板更大的面积，该下部包括在高度维度上延伸的两个支腿，该两个支腿通过V形间隙彼此分隔开来，该支脚部在宽度维度上延伸远离该V形间隙，该支脚部位于该后板的最下部。该风挡还包括矩形阻挡件和纵向结构，该矩形阻挡件在长度维度上从后板处向后延伸，该纵向结构在长度维度上延伸并连接前板和后板。该纵向结构具有从前到后增加的宽度。

本公开还提供一种具有涡轮转子组件的燃气涡轮发动机。该涡轮转子组件包括涡轮转子和多个涡轮叶片，该涡轮转子具有多个涡轮叶片槽，该多个涡轮叶片具有翼面、平台和根结构，每个涡轮叶片的根结构制成被接纳在涡轮转子的对应的涡轮叶片槽内的形状。涡轮转子组件还包括形成在涡轮叶片的根结构和涡轮转子的对应的涡轮叶片槽之间的根-槽间隙，以及形成在转子的外部径向表面和相邻涡轮叶片根结构之间、并且在相邻涡轮叶片平台下方的平台下方腔体。该涡轮转子组件还包括位于平台下方腔体中的至少一个腔体内的涡轮风挡。该涡轮风挡包括宽度维度、高度维度和长度维度、前板和后板，该前板被设定尺寸以提供进入平台下方腔体和根-槽间隙中的向前流动间隙，该后板被设定尺寸以覆盖平台下方腔体的一部分和根-槽间隙的一部分。

本公开还提供一种装配涡轮转子组件的方法，该涡轮转子组件具有：涡轮转子，该涡轮转子包括多个轴向延伸的涡轮叶片槽；多个涡轮叶片，每个涡轮叶片具有翼面、平台和根结构；以及涡轮风挡，具有前板、后板和连接前板和后板的纵向结构。该方法还包括：将多个涡轮叶片的根结构插入到多个涡轮叶片槽中；以及，用多个涡轮风挡覆盖在根结构和涡轮叶片槽之间的基本上所有后侧间隙。

附图说明

图1为包括示例性涡轮风挡的部分涡轮转子组件的示意图；

图2为从前端角度看的与涡轮转子组件分离的图1的示例性涡轮风挡的示意图；

图3为从后端角度看的图2的示例性涡轮风挡；

图4示出图2和图3的示例性涡轮风挡的后端视图；

图5为从涡轮转子组件的前面来看，具有额外的涡轮叶片的图1的涡轮转子组件的示意图；以及

图6为从涡轮转子组件的后面来看，具有额外的涡轮叶片的图1的涡轮转子组件的示意图。

具体实施方式

参照图1，燃气涡轮发动机(GTE)可包括涡轮组件，该涡轮组件包括安装在驱动轴(未示出)上的一个或多个涡轮转子组件(或涡轮盘组件)24。涡轮转子组件24可包括例如涡轮转子或轮盘30、涡轮叶片32、和涡轮风挡36。为了本描述的目的，提及“内部”和“外部”指的是相对于涡轮转子30的旋转轴的径向地内部和径向地外部位置。并且，术语“前部”指的是穿过GTE的流体流中的上游位置，而“后部”指的是下游位置。多个涡轮转子组件24可轴向地在驱动轴上对齐以形成GTE的多个涡轮级。图1示出以大体上从前到后方向呈一角度的视角在涡轮转子30上的涡轮叶片32和风挡36的相对位置。尽管图1所示的涡轮转子组件24具有单个涡轮叶片32和单个风挡36，但应理解每个涡轮转子组件24包括围绕涡轮转子30周向设置的多个涡轮叶片32和多个相关联的风挡36。

如图1所示，涡轮叶片32可包括从平台50向上延伸的翼面48。翼面48可包括位于一侧的凹形翼面表面65和位于相对侧的凸形翼面表面67(图6)。此外，每个涡轮叶片32还可包括从平台50向下延伸的根结构52。根结构52具有前面54和后面56(图6)。前面54和凹形翼面表面65可大体上朝向对应于涡轮转子组件24的前部或上游部分的相同方向。后面56和凸形翼面表面67可大体上朝向前面54的相对面，对应于与涡轮转子组件24的后部或下游部分。根结构52还可包括柄部53和下部55。根结构52的下部55可具有枞树型形状，该枞树型形状提供在径向方向上彼此相互间隔开来的一系列凸角。

涡轮转子30被配置为接纳在相应槽58内径向间隔开来的多个涡轮叶片32。涡轮转子30包括前面38、后面40(图6)和圆周外边缘42。槽58从前面38到后面40轴向延伸。槽58还被配置为紧密配合于并固定涡轮叶片32的相应根结构52。

当一对涡轮叶片32安装在涡轮转子30的相邻槽58内时，在相邻根结构52的柄部53之间、相邻平台50的下方并且涡轮转子30的圆周外边缘42的上方形成平台下方腔体60。平台下方腔体60可包括邻近涡轮转子30的前面38的前端61和邻近涡轮转子30的后面40(图6)的后端63。如下文将描述的，风挡36可位于涡轮转子30和两个相邻的涡轮叶片32之间的平台下方腔体60内。

图2和图3分别示出从前端和从后端的风挡36的成角度视图。风挡36包括长度维度10、宽度维度12和高度维度14。风挡36包括通过纵向结构80彼此连接的前板76和后板78。后板78可包括下延伸部124和上延伸部128。矩形阻挡件120可在向后方向上从后板78处延伸。

参见图2，前板76可具有轮廓84，轮廓84限定大于纵向结构80的横截面积但小于后板78所占面积的区域。即，前板76的总体宽度和高度可小于后板78的总体宽度和高度。如图5最清楚地所示，前板76的轮廓84限定一形状，该形状具有锥形上部77和大体上直侧边和底部(79，81)。参见图3，前板76的后面75可包括边到边的凹部89和沿着前板76的底部边缘的宽度延伸的偏压唇缘90。前板76的前面可包括大体上平整的表面。前支持面94可从前板76的上部77在向后方向上延伸。前支持面94形成楔形以与涡轮叶片32的平台50的下侧几何结构紧密配合。

如上所述，后板78可包括上延伸部128和下延伸部124。后板78可比平台下方腔体60大(即，具有更大的表面区域，该区域具有大体上延伸超过平台腔体60的后端63的下延伸部124)。后支持面98从后板78的上延伸部128在向前方向上延伸。后支持面98形成楔形，该楔形汇集于近似垂直于后板78的一条线上。后支持面98还具有明显大于后板78的长度维度。

后板78的上延伸部128可包括限定上延伸部128的轮廓的外边缘86，下延伸部124可包括限定下延伸部124的轮廓的外边缘87。在高度14和宽度12这两个维度上，外边缘86和87比前板76的外边缘84向外延伸更远。上延伸部128的轮廓可被设置为刚好延伸到平台50下方的维度。

如图4最清楚地所示，后板78的上延伸部128可包括关于高度维度14延伸轴101的非对称轮廓。具体地，上延伸部可包括第一凸部103和第二凸部105，该第一凸部103具有比第二凸部105的半径R₂大的半径R₁。该轮廓还可沿着高度维度14在宽度维度12上减小至上端部130，该上端部可微呈角度以覆盖在相邻涡轮叶片32之间呈相似角度的空间或间隙74(图1)。

矩形阻挡件120可位于上延伸部128和下延伸部124之间。阻挡件120可在宽度维度12上从后板78的一侧延伸到后板78的相对侧并且在向后方向上延伸以形成鳍状结构。阻挡件120可具有比上延伸部128宽的宽度。应理解，阻挡件120可形成其他形状并可被省略。

下延伸部124可包括在高度维度14上延伸的一对相同的支腿126。每个支腿126可在转子后面40的平面上微呈角度，使得下延伸部124大体上形成V型并且遵循在根结构52和槽58的啮合界面之间所产生间隙的一半的大致方向。此外，每个支腿126可具有包括凹部127和直部129的轮廓。每个支腿126还可包括在每个支腿126的最下部的支脚107，该支脚107在宽度维度12上向外延伸。此外，每个支腿126可包括直内缘131。

重新参见图2和图3，风挡36的纵向结构80可包括中心壁部104和至少一个增强结构部件。例如，纵向结构80可包括外结构部件106和内结构部件108以为风挡36提供增强的结构刚度。在示例性实施例中，纵向结构80可在横截面上大体为I型。外结构部件106可包括沿着它的长度大体上固定的宽度，并且内结构部件108可包括在宽度上朝向后板78增加的锥形部段和锥形部段之后的定宽部段。纵向结构80还可包括例如通过内结构部件108和中心壁部104延伸到前板76的后面75内的圆形凹槽110。圆形凹槽110被配置为有助于前板76的偏压特性。纵向结构80还可包括一个或多个通道(未示出，但总体上在111处标示)，该通道垂直于中心壁部104的纵轴在宽度上延伸穿过中心壁部104。通道111中的一个可与后板78的前面88相对而设置。还可设想到，纵向结构80可包括一个或多个向内延伸的支脚，该支脚在装配期间位于涡轮转子30的圆周外边缘42上。例如，纵向结构80可包括前支脚114(图3)和后支脚116(图2)。

图5和图6示出从前视角(图5)和后视角(图6)两个视角的涡轮转子组件24的总体结构，包括风挡36。纵向结构80恰好位于转子30的圆周外边缘42的上方、位于平台下方腔体60内并且通过前支脚114和后支脚116邻接转子的圆周外边缘42。

如图5所示，风挡36位于一对涡轮叶片32A、32B和转子30之间。设定前板76的维度使其稍小于平板下方腔体60的前端61，从而在前板76与相邻的涡轮叶片32A和32B的根结构52之间留出间隙82。同样地，如上所述，外边缘84具有包括锥形上部77的轮廓，这使得前板76在接近平台50的下侧处具有遵循根结构52的角度的楔形特征。图5还示出止于涡轮转子圆周外边缘42的下方、根结构52的枞树构型的第一凸角的上方的前板76的直侧边和底部(79，81)。

图6示出位于涡轮叶片32A、32B、32C和转子30之间的风挡36。后板78与支腿126相结合，覆盖形成在根结构52和转子30的槽58的界面处的间隙。该间隙由图6中的虚线指示。另外，每个支腿126的支脚107几乎接触与相邻风挡36相关联的相邻的支腿126。

阻挡件120在大体上宽度和长度的方向上延伸。阻挡件120可延伸超过后板78的外边缘，使得阻挡件外边缘121几乎接触与相邻后板78相关联的相邻阻挡件120的第二阻挡件外边缘121。如上所述，每个涡轮转子组件24可包括多个涡轮叶片32和设置为周向围绕涡轮转子30的多个相关联的风挡36。由于多个阻挡件120的尺寸和定位，阻挡件120共同形成围绕转子30的环。阻挡件120还在大体上向后方向上延伸(在图2中最清楚地示出)。图6还示出在阻挡件120之上的上延伸部128，该上延伸部的微呈角度的端部130使其覆盖相邻涡轮平台50之间及其下方的呈类似角度的间隙。上延伸部128的径向高度低于平台50的底部。

工业实用性

所公开的涡轮转子组件24可适用于任何旋转动力系统，例如，燃气涡轮发动机。现将描述装配涡轮转子组件24的过程和调节通过涡轮转子组件24的气流44、46的过程。

在涡轮转子组件24的装配期间，每个风挡36可附接至涡轮转子30上，例如，通过过盈配合。为了将风挡36安置在涡轮转子30上，可临时迫使前板76的偏压唇缘90处于远离后板78的方向上以为风挡36的前板76和后板78提供足够的余隙来适配于涡轮转子30的圆周外边缘42。一旦将风挡36适当地安置在槽58中其一之中的转子30上，则可移除前板76上的受力以将风挡36夹固到涡轮转子30的圆周外边缘42上。

涡轮叶片32可滑动地安装在涡轮转子30的槽58中，例如，在从前到后的方向上。如图5所示，第一涡轮叶片32A可滑动地安装在风挡36的一侧的涡轮转子30的第一槽58A中。第二涡轮叶片32B可滑动地安装在第二槽58B中。风挡36的前板76可提供足够的余隙以允许第一涡轮叶片32A和第二涡轮叶片32B经过风挡36滑进第一槽58A和第二槽58B。代替在安装涡轮叶片32之前安装所有风挡36，还可设想到，可在安装相邻的第一涡轮叶片32A和第二涡轮叶片32B的过程之间将风挡36安装在涡轮转子30上。将涡轮叶片32和风挡36安装在涡轮转子30上以形成涡轮转子组件24的过程可被重复进行直到涡轮转子30上的所有槽58都被涡轮叶片32所占据。

一旦完全装配好涡轮转子组件24并且GTE准备工作，涡轮转子组件24可帮助调节图1所示的热气流44和冷气流46。在GTE工作期间，压缩机部段可通过进气道将空气吸进GTE并且在所压缩空气的至少一部分进入燃烧室部段以经受燃烧形成热气44之前对空气进行压缩。剩余压缩空气的至少一部分称作冷气46，可用于非燃烧目的(例如，用于冷却GTE的一个或多个部段)并且可行进穿过GTE，与用于燃烧目的的压缩空气部分分隔开来。可将热气流44发送通过涡轮部段以使一个或多个涡轮转子组件24旋转。术语“热”和“冷”相对于气流的使用仅用来辨别“热气流”通常在温度或压力上不同于“冷气流”。

如图1所示，热气流44和冷气流46可在从前到后的方向上流过涡轮转子组件24。热气流44通常可通过壁部(未示出)与冷气流46分隔开来。

热气流44的至少一部分使一个或多个涡轮转子组件24旋转。然而，热气44通过间隙74进入平台下方腔体60可导致涡轮叶片由于过热而过早疲劳。为帮助避免这种情况，对冷气流46的至少一部分进行转移以提供涡轮转子组件24的平台下方腔体60和/或槽58内的加压流体。冷气流46的一部分还可提供对涡轮转子组件24的一个或多个部件的冷却。

为了帮助维持涡轮叶片平台50下方并且涡轮转子组件24的前面和后面之间的区域内的正压力，可以设想到位于平台下方腔体60的前端61处的间隙82可不及形成在涡轮转子组件24后面处的密封体的限流性强。冷气流46可流过根结构52的前面54，并流过形成在前板76的外边缘84和相邻根结构52的前面54之间的间隙82，并且流进平台下方腔体60的前端61。被允许进入平台下方腔体60的冷气流46可很容易将平台下方腔体60和槽58内的压力增高到比平台下方腔体60的外部或槽58的外部更高的压力。这是由于后板78的前面88覆盖根结构52和转子30的槽58之间的界面，限制了冷气流46从平台下方腔体60的后端63出来。即，平台下方腔体60的后端63处的冷气流46可被限制从平台50的后端和槽58的后端流出，该限制性大于在涡轮转子组件24的前端处的限制性。由于气流易于从较高压区域移至较低压区域，因此在涡轮平台50下方的较高压下的冷气流46可易于抑制热气流44径向地内向进入平台下方腔体60。

参照图6，带有支脚107的支腿126的轮廓可限定一形状，该形状直接邻接与第二风挡36相关联的另一支腿126的边缘87。该布置确保沿根结构52和槽58的下部的额外密封。此外，上端部130可具有大体上向外延伸的形状以提供后面56之间的间隙的额外密封。更具体地说，上延伸部128的上端部130可覆盖刚好位于平台50下方的转子的两相邻后面的一部分以实现密封。

图6进一步示出风挡36可通过阻挡件120至少部分地限制热气流44在大体上径向方向上向下流动。由于阻挡件120在大体上宽度和长度方向上延伸，因此实现了进一步抑制涡轮转子组件24的后部区域中的热气流和冷气流间的气流混合。即，由于阻挡件120的向后延伸部件充当分隔壁，因此阻挡件120大体上抑制了向内的径向气流。通过在角度方向上创建至少几乎连续的分隔壁，阻挡件120进一步抑制了径向方向上的气流，这是由于阻挡件120在外边缘121处与相邻的阻挡件120对齐并几乎与其接触，这就形成围绕转子组件的环。

尽管在图2和图3的示例性实施例中描述并示出了风挡36，但可以设想到还可实现其他配置的风挡36。例如，风挡36的前板76可包括用于进一步调节平台下方腔体60内的冷气流46的一个或多个通路(未示出)。此外，风挡36可包括更少或更多的延伸部以实现涡轮转子组件部件之间的额外密封和/或固定。

对本领域技术人员显而易见的是，可在不脱离本公开范围的情况下作出针对所公开涡轮叶片组件的各种修改和变型。对本领域技术人员来说，通过对本说明书和本文所公开系统的实践的考虑，涡轮叶片组件的其他实施例是显而易见的。本文旨在将说明书和实例仅视为示例性的，本公开的真实范围通过以下的权利要求及其等同物指出。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮发动机的涡轮转子组件(24)的风挡(36)，包括：

宽度维度(12)，高度维度(14)和长度维度(10)；

前板(76)；

后板(78)，其沿着所述宽度维度和所述高度维度大于所述前板并且具有包括在所述高度维度上延伸的两个支腿(126)的下部(124)；以及

纵向结构(80)，其在所述长度维度上延伸并且连接所述前板和所述后板。

2.根据权利要求1所述的风挡，其特征在于，所述两个支腿中的每个支腿通过V形间隙彼此分隔开来。

3.根据权利要求2所述的风挡，其特征在于，所述两个支腿中的每个支腿包括凹侧边轮廓部(127)。

4.根据权利要求3所述的风挡，其特征在于，所述两个支腿中的每个支腿包括在所述高度维度上从所述凹侧边轮廓部延伸的直侧边轮廓部(129)。

5.根据权利要求4所述的风挡，其特征在于，所述两个支腿中的每个支腿包括在所述宽度维度上远离所述V形间隙延伸的支脚部(107)，所述支脚部位于所述后板的最下部。

6.根据权利要求1所述的风挡，其特征在于，所述后板还包括在所述高度维度上延伸的上部(128)，所述上部具有非对称构型。

7.根据权利要求1所述的风挡，其特征在于，还包括在所述长度维度上从所述后板处向后延伸的矩形阻挡件(120)。

8.根据权利要求7所述的风挡，其特征在于，所述阻挡件从所述后板的一侧延伸到所述后板的相对侧。

9.根据权利要求1所述的风挡，其特征在于，所述纵向结构具有从前向后增加的宽度。

10.一种燃气涡轮发动机，包括：

涡轮转子组件(24)，所述涡轮转子组件包括：

涡轮转子(30)，其具有多个涡轮叶片槽(58)，

多个涡轮叶片(32)，其具有翼面(48)、平台(50)和根结构(52)，每个涡轮叶片的所述根结构被制成被接纳在所述涡轮转子的相应涡轮叶片槽中的形状，

根-槽间隙(82)，其形成在所述涡轮叶片的所述根结构和所述涡轮转子的相应涡轮叶片槽之间，以及

平台下方腔体(60)，其形成在所述转子的外径向表面和相邻涡轮叶片根结构之间，并且位于相邻涡轮叶片平台下方；以及

涡轮风挡(36)，其位于至少一个平台下方腔体内，所述涡轮风挡包括：

宽度维度(12)，高度维度(14)和长度维度(10)；

前板(76)，其被设定尺寸以提供进入所述平台下方腔体和所述根-槽间隙中的向前流动间隙；

后板(78)，其被设定尺寸以覆盖所述平台下方腔体的一部分和所述根-槽间隙的一部分。