CN104395559A - 具有延长凸出部的喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于密封燃气涡轮发动机中的泄漏的喷嘴特征，该燃气涡轮发动机具有位于该涡轮发动机内的多个喷嘴段，该喷嘴特征包括径向内部带、径向外部带、布置于该径向内部带和该径向外部带之间的至少一个叶片，该径向内部带具有形成于所述内部带中的第一凸出部，该第一凸出部从第一周向端部和第二周向端部中的至少一个径向向下地延伸。

Description

具有延长凸出部的喷嘴

技术领域

本实施例总体涉及燃气涡轮发动机。更具体地，本实施例涉及限制位于燃气涡轮发动机内的喷嘴处的泄漏。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中被加压并且在燃烧器中与燃料混合以用于产生热燃烧气体，所产生的热燃烧气体向下游流过涡轮级，所述涡轮级从燃烧气体提取能量。高压涡轮首先从燃烧器接收热燃烧气体并且包括定子喷嘴，该定子喷嘴引导燃烧气体向下游通过一行从支承转子盘径向向外地延伸的高压涡轮转子轮叶。在两级涡轮中，第二级定子喷嘴定位在第一级轮叶的下游，第一级轮叶之后跟随有一行从第二支承转子盘径向向外地延伸的第二级转子轮叶。

第一和第二转子盘通过相应的转子轴联结到压缩机以用于在操作期间为压缩机提供动力。多级低压涡轮可以或可以不跟随多级高压涡轮并且典型地由第二轴联结到布置于压缩机上游的风扇。

当燃烧气体向下游流动通过涡轮级时，从燃烧气体提取能量并且燃烧气体的压力降低。跨过第二级涡轮喷嘴出现显著的压降，并且典型地提供级间密封件以密封燃烧器气体泄漏以及围绕喷嘴的其它气流。

更具体地，环形级间密封环被轴向地安装在前两个转子盘之间，以用于在操作期间与该前两个转子盘一起旋转，并且包括迷宫式密封齿，所述迷宫式密封齿径向向外地延伸。蜂窝状定子密封件紧密靠近密封齿地安装于第二级喷嘴的内部端，以用于影响迷宫式密封件并且使其间的流体流最小化。

级间密封环包括：环形前部，该环形前部限定位于密封齿的一侧上的前部腔；以及后部，该后部限定位于密封齿的相对侧上的后部腔。

每一个涡轮喷嘴都包括叶片，所述叶片是中空的并且从压缩机接收一部分加压冷却空气以在操作期间对叶片进行冷却。一部分叶片空气随后被径向向内地引导通过内部带并且通过相应行的前部和后部吹扫孔被排出，所述前部和后部吹扫孔将吹扫空气供给到位于密封齿的相对侧上的相应的前部和后部吹扫腔中。级间蜂窝状密封件典型地包括金属片支承片或者板，所述金属片支承片或者板适当牢固地附接到内部带的相应部分。

环形喷嘴组件由多个喷嘴段形成。喷嘴段的周向端部被称为斜面。现代涡轮喷嘴经历通过位于内部带上的斜面处的蜂窝状段之间的间隙的不必要的泄漏。

在现代涡轮发动机中，位于盘与喷嘴之间的迷宫式密封件的蜂窝状侧通常直接附接到每一个喷嘴段的内部带(例如通过铜焊)。这可以允许系统的径向尺寸与较旧的结构相比减小。然而，这使得必须将蜂窝状部分段，这在每一个喷嘴段之间产生巨大的泄漏路径。

高压涡轮部件必须被冷却，以符合对发动机的该区域的由于高气体路径温度特性而造成的的强度和耐久性要求。然而，例如喷嘴阵列的部件之间的间隙可以允许冷却空气混合或者可以允许高温流从其期望的流动路径泄漏。

期望前部腔与后部腔之间的密封件。然而，目前没有已知的用于限制级间蜂窝状密封结构之间的区域中的轴向流的方法或结构。因此，可能期望使该区域中的间隙最小化并且提供对泄漏流的物理阻止物。

还可能期望提供对流的物理约束。

发明内容

一种用于密封燃气涡轮发动机中的泄漏的喷嘴特征，该燃气涡轮发动机具有壳体并且包括位于该涡轮发动机内的多个喷嘴段，该喷嘴特征包括：径向内部带、径向外部带、布置于该径向内部带与该径向外部带之间的至少一个叶片，该径向内部带具有第一周向端部和第二周向端部；形成于所述内部带中的第一凸出部，其从第一周向端部和第二周向端部中的至少一个径向向下地延伸；延长花健密封，该延长花健密封与第一凸出部相接合并且抑制沿通过多个喷嘴段的涡轮部分的轴向方向的漏气。

将期望产生允许对级间蜂窝状密封件之间的区域(该区域是泄漏源)进行密封的结构。

所有的上文所概述的特征将被理解成仅仅是示例性的并且可以从本文的公开内容学习到喷嘴和延长凸出部的多得多的特征以及目的。因此，在没有进一步阅读整个说明书、权利要求书、和包括在其中的附图的情况下，不应当对本概述有限制性的理解。

附图说明

通过参照下文结合附图对实施例的描述，这些示例性实施例的上述和其它的特征以及优点和获取它们的方式将变得更加显而易见，并且喷嘴特征将得以更好的理解，在附图中：

图1是示例性燃气涡轮发动机的侧截面图。

图2是燃气涡轮发动机的高压涡轮区域的侧截面图。

图3是喷嘴的等距端视图，其中示出了延长凸出部和花健密封(spline seal)。

图4是相邻的喷嘴组件的后等距视图，其中相邻的延长花健密封位于相邻的周向端部处。

图5是备选实施例的侧视图，其中延长凸出部位于喷嘴的前部位置处。

图6是喷嘴的后视图，该喷嘴具有周向地延伸的连续凸出部。

图7是备选的凸出部组件的后视图。

图8是图7的实施例的仰视图。

具体实施方式

现在将详细地参照所提供的实施例，其中的一个或多个例子示于附图中。每个例子都以对所公开的实施例进行解释的方式给出，并不对所公开的实施例构成限制。实际上，对于本领域技术人员而言显而易见的是，能够在不偏离本发明的范围或者精神的前提下对本实施例进行多种改型和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或者进行描述的特征能够用于另一个实施例，从而产生又一个实施例。因此，期望的是，本发明覆盖落入所附权利要求及其等同形式的范围内的这种改造和变化。

参照图1-8，示出了燃气涡轮发动机的多个实施例，该燃气涡轮发动机具有喷嘴和位于内部带上的延长凸出部结构。内部带喷嘴特征抑制斜面处的泄漏，处于关于燃气涡轮发动机的中心线的弓状布置地相邻的喷嘴段在该斜面处相遇。延长凸出部也形成用于蜂窝状密封件的座结构。

现在参照图1，示出了燃气涡轮发动机10的示意性侧截面图。示例性燃气涡轮发动机10可以用于多个领域，其中包括航空和船舶以及工业领域，以为船提供动力、泵送油、压缩气体、产生能量等。根据涡轮发动机10的期望用途，发动机10关于纵向轴线或中心线12轴对称并且包括风扇或低压压缩机18。在低压压缩机或风扇18之后，空气移动通过高压压缩机14，在该高压压缩机14处，空气可以被进一步加压。在压缩机14的下游，空气被加压并且排放到燃烧器16中或者通过燃气涡轮发动机中的冷却回路被使用。在燃烧器16中，加压空气与燃料混合并且点燃，产生热燃烧气体，所产生的热燃烧气体通过至少高压涡轮20从燃烧器16被排出。例如，高压涡轮20可以是两级高压涡轮，该两级高压涡轮通过沿周向方向关于轴向中心线12延伸的喷嘴定子组件30分开。喷嘴定子组件30被大体示为处于圆形虚线内。该区域表示喷嘴特征的示例性实施例定位在示例性燃气涡轮发动机10中的位置。然而，延长凸出部结构可以用于发动机10的其它区域中，其中包括但不限于高压压缩机14、低压压缩机18、低压涡轮21以及泄漏可能造成问题的其它区域。

现在参照图2，示出了高压涡轮20的侧视图，该高压涡轮20从燃烧器16(图1)接收燃烧气体。示例性高压涡轮20包括第一级22和第二级60。第一级22包括第一级喷嘴32以及多个第一级轮叶24。第一级喷嘴32被示为位于附图的左手侧，以从燃烧器16接收燃烧气体。第一级喷嘴32期望地将流引导至第一级轮叶24，该第一级轮叶24连接至第一级转子或盘26。轮叶24和盘26限定转子组件，该转子组件围绕中心线轴线12旋转。在通过第一级转子轮叶24之后，气体继续到达第二级喷嘴34。第二级喷嘴34具有定子叶片36，燃烧气体在到达第二级涡轮轮叶62之前通过该定子叶片36。

高压涡轮部件必须被冷却，以符合对发动机的该区域的由于高气体路径温度特性而造成的强度和耐久性要求。如上所述，压缩空气可以被引导以用作冷却空气。然而，例如喷嘴阵列的部件之间的间隙可以允许冷却空气混合或者可以允许高温流从其期望的流动路径泄漏。

第一级涡轮喷嘴32从燃烧器16(图1)的出口侧接收燃烧气体。第一级涡轮喷嘴32可以具有被固定在径向内部带与径向外部带之间的一行中空定子叶片33。在通过第一级喷嘴32之后，燃烧气体到达径向地延伸的第一级轮叶24的环形布置。轮叶24连接至转子盘26，轮叶24和转子盘26二者围绕轴线12旋转。燃烧气体的能量被提取使得轮叶24和转子26旋转。第二级喷嘴34随后再次将燃烧气体引导至下游行的第二级轮叶62以用于进一步提取能量。轮叶62从第二转子盘64延伸，该第二转子盘64也围绕轴线12旋转。第一级盘26和第二级盘64通过在其间延伸的公共的轴联结至压缩机14的转子组件并且通过第一级轮叶24和第二级轮叶62从燃烧气体提取的能量被用于在燃气涡轮发动机10操作期间为压缩机提供动力。

第二级喷嘴34定位在第一级轮叶24与第二级轮叶62之间。多个第二级喷嘴34限定分段环，其中每一段都具有至少一个中空翼型件或定子叶片36。示例性实施例具有一对中空叶片36。定子叶片36在内部带38与外部带40之间延伸。带38、40由弓形段形成，使得段在周向端部或斜面42处邻近彼此并且通过布置于相邻的内部带38之间的各个密封件被密封在一起。

被限定在第一转子盘26与第二转子盘64之间的旋转级间密封件70位于第二级喷嘴34之下。级间密封件70包括多个迷宫式密封齿72，该多个迷宫式密封齿72朝向第二级喷嘴34从级间密封件70向外地延伸。迷宫式密封齿72朝向级间定子蜂窝状密封件50延伸。薄支承片52相对于内部带38布置于蜂窝状密封件50上。蜂窝状密封件50从第二级喷嘴34的内部带38被支承并且与密封件迷宫式密封齿72形成小的间隙，以保持前部吹扫腔74与后部吹扫腔76之间的差压。

凸出部(tab)54从内部带38垂下，该凸出部54与内部带38整体铸造并且阻止相邻的蜂窝状密封件50与喷嘴段34之间的漏气。作为备选方式，凸出部54可以被铜焊或焊接至内部带38。凸出部54从内部带38的最下部位置垂下并且定位在蜂窝状密封件50的后部。凸出部形成其中密封件可以定位成阻止或限制其间的流动的结构。根据一些实施例，凸出部54定位在喷嘴内部带38的每一个弓形端部的附近。

现在参照图3，示出了喷嘴段34的等距视图，其中示出了内部和外部带斜面42。定子喷嘴34包括外部带40、内部带38和在内部带38与外部带40之间延伸的定子叶片36。喷嘴段34的最下部表面接收支承片52。该最下部表面关于轴线12(图2)周向地延伸。凸出部54在内部带38的后部侧处从内部带38的下部边缘39垂下。凸出部54还可以限定用于蜂窝状密封件50的座，该蜂窝状密封件50沿位于内部带38的下部边缘39的支承片52以及凸出部54的从内部带38的上部向下延伸的部分配合。因此，蜂窝状密封件50可以通过凸出部54至少部分地被支承在喷嘴34的后部端附近以及下部边缘39的径向上方。

花键或槽56在沿凸出部54的径向方向上延伸。槽56形成为将花健密封58接收在凸出部54的每一个槽内。当喷嘴段34被放置成关于燃气涡轮发动机10的周向布置时，来自相邻的喷嘴的槽56对准，使得花健密封58可以定位在喷嘴34之间。花健密封58提供抑制每一对相邻的喷嘴之间的流的物理元件。

现在参照图4，示出了两个相邻的喷嘴段34的后等距视图。通过后视图，内部带38被示为其中延长凸出部54从该内部带38的下部边缘或表面径向地垂下。凸出部54仅在喷嘴段34的周向端部处从内部带38垂下。这提供了在航空应用中期望的重量减轻特征。由于该实施例的凸出部54仅位于喷嘴54的端部处，因此重量被限制在其端部之间，而仅有最小的重量被增加到喷嘴34的端部。这允许在花健密封58的每一个端部形成密封槽56并允许花健密封58的定位(图3)。

如虚线所示，尽管示例性花健密封58具有矩形形状，但是可以形成各种形状。例如，密封结构58可以成圆形、方形、矩形、其它的多边形或几何形状。密封件58可以由单一材料形成或者可以是多材料结构。密封件58也可以在操作温度下改变形状。密封件58所具有的体积热膨胀系数是材料的热力学特性。例如，该体积热膨胀能够被表达成α_V＝(1/v)(ΔV/ΔT)，其中α_V是体积热膨胀系数，V是材料的体积，并且ΔV/ΔT是材料体积的变化相比材料温度的变化。因此，体积热膨胀系数测量恒温下每度温度变化下体积的分数变化。

如附图中所示，当相邻的喷嘴定位在其环形布置中时，凸出部54定位成彼此邻近并且密封件58定位在每一个凸出部中，以阻塞空气流动路径，否则该空气流动路径将允许相邻的蜂窝状密封件50(图3)之间的流动。通过该布置，具有花健密封58的凸出部特征54使斜面42之间的泄漏的减小达到大约50％。

根据一些实施例并且参照图5，凸出部54可以从内部带38上的后部位置移动至前部位置。前部位置可以位于沿内部带38的下部表面的任何位置处。例如，凸出部54可以移动至内部带的轴向前部端或者可以移动至喷嘴34的前部端与后部端之间的位置。根据当前实施例，蜂窝状密封件50可以从密封件50的前部或从上方中的任意一处或两处被支承。

根据一些实施例并且现在参照图6，当重量问题不像在航空中造成主要问题时，凸出部154可以沿周向方向延伸以形成曲线特征154，该曲线特征154沿内部带38的下部表面延伸而不是仅仅在周向端部或斜面42处延伸。曲线154特征的端部可以包括花键以用于定位花健密封。备选地，环可以由围绕喷嘴段42的整个组件延伸的两个半圆形件形成，因此仅在两个半圆形件的端部处需要花键。细长的曲线凸出部特征154可以整体形成，或者单独形成并且随后被焊接或铜焊在喷嘴内部带38上。

根据进一步的实施例，凸出部54、154被铜焊或焊接以及前面描述的铸造结构。类似地，凸出部54可以包括铜焊、焊接或整体形成的密封结构58。

在这些实施例中的任何一个中，凸出部54能够通过形成或增加从凸出部54延伸的额外的唇缘或密封结构而不使用花键56形式而被用作抑流器，而不是使用花健密封。因此，邻近凸出部的唇缘将重叠并抑制相邻的蜂窝状密封件50之间的流动。例如，参照图7和图8，示出了凸出部的备选的实施例，其中连续的凸出部254从内部带38垂下。这些凸出部254可以在重量减轻不造成较大的问题时使用，例如非航空涡轮机用途时。凸出部254沿喷嘴34的后下部边缘周向地延伸。凸出部254可以备选地位于除了最后部位置之外的其它位置处。此外，凸出部254还可以包括端部搭接部256，所述端部搭接部256超过喷嘴延伸至相邻的喷嘴。因此，相邻的喷嘴之间的间隙由搭接部256覆盖。该实施例可以与或者可以不与密封件58一起使用。此外，应当理解，搭接部可以与不连续的凸出部54以及连续的凸出部254一起使用。

尽管本文中已描述和图示了多个创造性的实施例，但是本领域普通技术人员将易于构想用于执行功能并且/或者获得结果以及/或者本文中所描述的优点中的一个或多个的多种其它的装置以及/或者结构，并且这种变型和/或改型中的每一个都被认为属于本文中所描述的实施例的发明内容的范围内。更大体的，本领域技术人员将易于领会，本文中所描述的所有的参数、尺寸、材料和构造的意思都是示例性的并且实际的参数、尺寸、材料和/或构造将取决于使用创造性的教导内容的具体应用或多个应用。本领域技术人员将意识到或者能够确定对本文中所描述的具体的创造性实施例的多种等同形式而至多使用例行试验。因此，应当理解，仅通过举例的方式提出上述实施例并且在所附权利要求及其等同形式的范围内，创造性的实施例可以以除了具体描述和要求保护之外的其它方式实施。本发明的创造性实施例涉及本文中所描述的每一个单独特征、系统、物体、材料、套件、和/或方法。此外，两个或多个这种特征、系统、物体、材料、套件、和/或方法中的任意组合(如果这种特征、系统、物体、材料、套件、和/或方法不是相互不一致的话)被包含在本发明的创造性范围内。

使用例子来公开实施(其中包括最佳模式)并且还使得本领域技术人员能够实施装置和/或方法(其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何所结合的方法)。不期望这些例子穷尽或将本发明限制于所公开的精确的步骤和/或形式，并且根据上文的教导内容能够进行多种改型和变型。本文中所描述的特征可以以任何组合方式组合。本文中所描述的方法的步骤可以以物理可行的任何顺序执行。

如本文中限定和使用的所有定义都应当被理解成控制字典定义、通过引用的方式结合的文件中的定义、以及/或者所定义的术语的常见意义。除非明确地另有清楚说明，否则如本文中在说明书和权利要求书中所使用的不定冠词“一个”应当被理解成表示“至少一个”。如本文中在说明书和权利要求书中所使用的短语“和/或”应当被理解成表示这样结合的元件，即在一些情况下结合地存在并且在其它情况下分离地存在的元件中的“任一个或二者”。

应当理解，除非另有清楚的描述，否则在本文中所要求保护的包括多于一个步骤或动作的任何方法中，方法的步骤或动作的顺序不必限于陈述方法的步骤或动作的顺序。

在权利要求书以及上文的说明书中，例如“包含”、“包括”、“承载”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保持”、“由……构成”、等的所有的过渡短语都应当被理解成开放的，即意味着包括但不限于。仅过渡短语“由……组成”和“基本由……组成”分别应当是封闭或半封闭式短语，如专利审查程序Section 2111.03的美国专利局手册中所阐述的。

Claims (20)

1.一种用于密封燃气涡轮发动机中的泄漏的喷嘴特征，所述喷嘴特征包括：

径向内部带、径向外部带、布置于所述径向内部带与所述径向外部带之间的至少一个叶片；

所述径向内部带具有第一周向端部和第二周向端部；

形成于所述内部带中的第一凸出部，所述第一凸出部从位于所述第一周向端部和所述第二周向端部中的至少一个附近的最下部表面径向向下地延伸；以及

延长花健密封，所述延长花健密封与所述第一凸出部相接合，抑制在相邻的所述环形布置的喷嘴段之间沿轴向方向的漏气。

2.根据权利要求1所述的喷嘴特征，其特征在于，所述凸出部具有用于接收所述延长花健密封的花键。

3.根据权利要求1所述的喷嘴特征，其特征在于，所述喷嘴特征还包括位于所述第一周向端部处的所述第一凸出部和位于所述第二周向端部处的第二凸出部。

4.根据权利要求3所述的喷嘴特征，其特征在于，所述凸出部在所述第一端部与所述第二端部之间沿所述最下部表面延伸。

5.根据权利要求4所述的喷嘴特征，其特征在于，所述第一凸出部和所述第二凸出部朝向所述相邻的喷嘴段的第一凸出部和第二凸出部周向地延伸。

6.根据权利要求1所述的喷嘴特征，其特征在于，所述喷嘴特征还包括朝向所述内部带的所述后部端布置的所述凸出部。

7.根据权利要求1所述的喷嘴特征，其特征在于，所述喷嘴特征还包括朝向所述内部带的所述前部端布置的所述凸出部。

8.一种用于密封泄漏的喷嘴特征，所述喷嘴特征包括：

第一蜂窝状密封结构和第二蜂窝状密封结构，所述第一蜂窝状密封结构和所述第二蜂窝状密封结构围绕燃气涡轮发动机的涡轮部分中的转子以周向布置定位；

第一喷嘴组件，所述第一喷嘴组件具有内部带、外部带和在所述内部带与所述外部带之间延伸的至少一个叶片；

第一径向凸出部，所述第一径向凸出部在所述内部带的周向端部处从所述内部带延伸；

所述蜂窝状密封结构中的一个被布置成在所述径向凸出部的上游侧邻近所述径向凸出部；以及

延长花健密封，所述延长花健密封与所述径向凸出部相接合并且在所述第一蜂窝状密封结构与所述第二蜂窝状密封结构之间延伸。

9.根据权利要求8所述的喷嘴特征，其特征在于，所述喷嘴特征还包括接收所述第二蜂窝状密封结构的第二喷嘴组件。

10.根据权利要求9所述的喷嘴特征，其特征在于，所述延长花健密封与所述第二喷嘴组件的第二径向凸出部相接合。

11.根据权利要求9所述的喷嘴特征，其特征在于，所述喷嘴特征还包括位于所述径向凸出部的周向端部中的花键。

12.根据权利要求11所述的喷嘴特征，其特征在于，所述喷嘴特征还包括位于所述第二径向凸出部中的第二相对花键。

13.一种用于燃气涡轮发动机的喷嘴特征，所述喷嘴特征包括：

径向内部带和径向外部带；

叶片，所述叶片在所述内部带与所述外部带之间延伸；

所述径向内部带具有第一斜面和第二斜面；以及

凸出部，所述凸出部在所述第一斜面处从所述径向内部带的下部表面径向地延伸。

14.根据权利要求13所述的喷嘴特征，其特征在于，所述喷嘴特征还包括搭接部，所述搭接部从凸出部延伸至相邻的喷嘴，阻断相邻的所述喷嘴之间的气流。

15.根据权利要求13所述的喷嘴特征，其特征在于，所述喷嘴特征还包括密封件，所述密封件从所述第一凸出部延伸并且抑制相邻的所述喷嘴之间的漏气。

16.根据权利要求13所述的喷嘴特征，其特征在于，所述凸出部定位在所述径向内部带的后部端处。

17.根据权利要求13所述的喷嘴特征，其特征在于，所述凸出部位于所述喷嘴的轴向前部端、所述喷嘴的轴向后部端或者所述轴向前部端与所述轴向后部端之间中的一个位置处。

18.根据权利要求13所述的喷嘴特征，其特征在于，所述喷嘴特征还包括槽，所述槽从所述内部带的上部端延伸至所述内部带的下部端。

19.根据权利要求13所述的喷嘴特征，其特征在于，所述凸出部是整体铸造、铜焊或焊接在所述径向内部带上的至少一种。

20.根据权利要求13所述的喷嘴特征，其特征在于，所述凸出部沿所述径向内部带的下部边缘周向地延伸。