CN104903545A - 具有泵送特征的涡轮叶片天使翼 - Google Patents

Abstract

一种燃气轮机发动机，包括：多个叶片(60)，组装成环形叶片排，并部分地限定出热气体路径(26)和冷却流体路径(24)，其中，所述冷却流体路径从转子空腔(22)延伸到热气体路径；天使翼组件(99)，布置在叶片排的基底(76)的一侧(74)；以及泵送特征(130)，关于天使翼组件分布，构造成在冷却流体路径的最窄间隙(42)处对流过的冷却流体流施加运动。多个泵送特征、天使翼组件和叶片排的基底在冷却流体流进入热气体路径时有效地使冷却流体产生螺旋运动。

Description

具有泵送特征的涡轮叶片天使翼

技术领域

本发明涉及改进转子空腔净化冷却空气在进入燃烧气体流时的相互作用。特别地，本发明涉及布置在涡轮叶片天使翼(angle wing)上的泵送特征(pumping feature)，其对冷却空气流施加旋转。

背景技术

燃气轮机发动机通常包括转子轴和若干转子叶片排，每排包括关于转子轴周向分布的多个叶片。固定轮叶排位于叶片排之间。燃烧气体沿燃气轮机发动机纵向轴线在由叶片和轮叶限定的环形流路中流动。转子轴位于环形流路的径向内部，转子空腔形成在转子盘和保持固定轮叶的定子结构之间。冷却空气或转子净化空气通常引导进转子空腔中。净化空气冷却转子空腔内的支撑叶片和轮叶的部件，之后，净化空气通常经由在轮叶和叶片的径向内端上的轮叶和叶片之间的间隙离开转子空腔。

在环形流路中行进的燃烧气体趋向于在气体碰到的任何部件(比如叶片或轮叶)的直接上游形成“冲击波”。结果，在每个叶片的直接上游，压力堆积在燃烧气体内。正好在间隙的径向外部，冲击波关于燃气轮机发动机周向地分布。为了防止将燃烧气体吸入间隙和转子空腔中，流阻碍密封件通常正好形成在间隙内，稍微位于间隙出口的上游。

流阻碍密封件可经由天使翼与形成，天使翼使用从叶片基底轴向延伸的平台与从轴向平台顶端向外径向延伸的径向提升唇一起在间隙中形成限制件，以限制净化空气向外流动，燃烧气体向内流动。径向提升唇通常与相对表面(比如固定轮叶上的表面)轴向对准，这形成充当流阻碍密封件的限制件。

已知的是，净化空气对它们接触的燃烧气体流具有空气动力影响，已采取各种方法来消除该影响。例如，Bulgrin等人的美国专利8083475公开了一种天使翼压缩密封件，其将穿过天使翼的转子空气引导至相应叶片前方的区域。然而，该专利显得受限于解决冲击波。在本领域中，解决其它空气动力影响以及解决不同叶片几何形状的空气动力影响有待改进。

附图说明

参考附图在下面描述中说明本发明，附图中：

图1是燃气轮机发动机的纵向截面的示意图，示出一排叶片和相邻的轮叶。

图2是具有与图1不同的构造的燃气轮机发动机的纵向截面的示意图。

图3是具有天使翼的叶片。

图4示出组装的叶片的净化空气的未引导流的方向。

图5示出净化空气和燃烧气体混合的流线。

图6示出组装的叶片和净化空气的引导流的方向。

图7示出泵送特征的示例性实施例。

图8示出泵送特征的替代示例性实施例的侧视图。

图9示出图8的泵送特征的顶视图。

图10示出泵送特征的另一替代示例性实施例。

具体实施方式

本发明人已认识到，转子净化空气与燃烧气体汇合的空气动力影响产生旋涡。这些旋涡趋向于从前向后和从底向顶沿叶片的抽吸侧行进。这导致空气动力损失和相关的能量(可从燃烧气体中提取出)减小。在燃气轮机发动机操作期间，转子叶片绕燃气轮机发动机纵向轴线旋转。在进入燃烧气体流之前，轴向流动的转子净化空气相对于叶片前缘以负入射角流动。发明人发现，这些旋涡至少部分地由于轴向流动的冷却空气遇到绕燃气轮机发动机纵向轴线螺旋流动的燃烧气体而形成，从而产生大的相遇角。作为响应，发明人已发展了结合到天使翼的泵送特征，当净化空气穿过天使翼时，其对转子净化空气施加旋转。当对轴向行进的转子净化空气施加该旋转时，转子净化空气终止于绕燃气轮机发动机纵向轴线的螺旋式行进。当螺旋移动的转子净化空气以较小的相遇角与螺旋移动的燃烧气体汇合时，减少了旋涡。这又增加了叶片可从燃烧气体中提取能量的效率。

图1示出燃气轮机发动机的一个构造的纵向截面的示意图，示出一排叶片10、上游轮叶12和下游轮叶14，已发展了各泵送特征。燃烧气体16流过上游轮叶12，上游轮叶绕燃气轮机发动机纵向轴线18螺旋地引导燃烧气体16。燃烧气体遇到叶片10，能量被提取，然后，燃烧气体16遇到下游轮叶14，下游轮叶使燃烧气体16关于随后叶片排20恰当地取向。由压缩器(未示出)产生的一些压缩空气改变方向至转子空腔22，在转子空腔，其跟随转子空腔22和热气体路径26中的燃烧气体16之间的冷却流体路径24。

在所示构造中，有位于叶片10的基底36的上游侧34上的前向下部天使翼30和前向上部天使翼32。每个前向天使翼30、32包括径向提升唇38。相对表面40位于前向上部天使翼32的径向提升唇38的径向外部(即轴向相对)，径向提升唇38和相对表面40一起形成冷却流体路径24的狭窄间隙(已知为流阻碍密封空隙42)。竖直壁44和悬伸部46布置成邻近冷却流体路径24的出口48。由于竖直壁44和悬伸部46，即使相遇角先前被认为导致效率降低，也不可能在转子净化空气与燃烧气体16汇合时对转子净化空气施加绕燃气轮机发动机纵向轴线18的螺纹移动，因为竖直壁44和悬伸部46会妨碍转子净化空气的任何轴向移动。

图2是具有与图1不同的构造的燃气轮机发动机的纵向截面的示意图。在该构造中，存在不同构造的叶片60，其具有不同构造的前向上部天使翼62、转子空腔22、冷却流体路径24、径向提升唇64、相对表面40和流阻碍密封空隙42。然而，除了竖直壁44和悬伸部46，在该实施例中，上部天使翼62具有倾斜的过渡表面66，其结合进叶片平台70的上表面68中。

图3是可用在图2的燃气轮机发动机构造中的叶片60的透视图。上部天使翼62具有在叶片60的基底76处从竖直侧表面74轴向延伸的轴向平台72，叶片60的基底76是叶片60的不包含翼面78的一部分。径向提升唇64起始于天使翼62外表面84中的谷82的最低高度80相对于燃气轮机发动机纵向轴线18从轴向平台72径向向外延伸，并终止于密封表面86。在相对上游端，密封表面86与轴向平台72的上游表面88在径向提升唇64的上游角部90处相交。在相对下游端，密封表面86与径向提升唇64的下游表面92在径向提升唇64的下游角部94处相交。轴向平台72具有径向向内侧96，其可以具有或者不具有倒角的径向向内侧上游角部98。

图4示出径向向内观看时，在组装在燃气轮机发动机中时的两个组装的叶片60。天使翼62在上游侧相对于燃气轮机发动机纵向轴线18是可见的，并在组装在环形叶片排60中时形成天使翼组件99。当燃烧气体离开上游轮叶12(未示出)时，其沿具有轴向分量和周向分量的方向行进，在环形流路中，这导致螺旋流动方向100。转子净化空气相对于燃气轮机发动机纵向轴线18径向向外流动，还在轴向方向102上沿倾斜的过渡表面66轴向流动。燃烧气体16的流动方向100和转子净化空气的流动方向102之间的第一相遇角104不会受到任何泵送特征的影响。燃烧气体16和转子净化空气的混合形成往往朝向叶片60的抽吸侧106的旋涡。旋涡还可流过压力侧108，并朝向相邻翼面的抽吸侧跨过平台与抽吸侧旋涡汇合，然后朝向叶片后缘的上部沿抽吸侧壁向上滚动。

图5示出图4的一个叶片60的抽吸侧106的侧视图。在该视图中，流阻碍器42位于右侧，燃烧气体16在方向100中从右向左流动，转子净化空气在方向102上径向和轴向行进。在它们相遇的地方形成流线110，其相对于燃气轮机发动机纵向轴线18从叶片前缘112行进到叶片后缘114，并从叶片基底116行进到叶片顶端118。旋涡的湍流增加阻力，结果，由于使流动缓慢的阻力，能量损失。这降低了发动机的操作效率。

如从图6可看出，本发明人已发现，如果对转子净化空气施加旋转，使得其关于燃气轮机发动机纵向轴线在螺旋方向120上移动，则当其与燃烧气体16汇合时，产生燃烧气体16的流动方向100和转子净化空气的流动方向120之间的第二相遇角122。有益地，该第二相遇角122小于第一相遇角104。因此，伴随的旋涡较小，空气动力损失较小，发动机效率增加。

图7示出泵送特征130的示例性实施例。在该实施例中，泵送特征130在轴向平台72的上游表面88和径向提升唇64的下游表面92之间包括布置在天使翼62内(尤其布置在径向提升唇64内)的第一泵送表面132。第一泵送表面132可以或者没有径向向内延伸进轴向平台72中。分立的密封表面86周向布置在第一泵送表面132之间(与不存在第一泵送表面132时具有恒定直径的连续密封表面相比较)。第一泵送表面132径向向外取向，并相对于叶片60的旋转方向134切向向前取向。

当组装好并在燃气轮机发动机中旋转时，天使翼62限定出由轴向平台72和径向提升唇64在旋转时占据的空间限定的扫描范围(sweep)。在关于燃气轮机发动机纵向轴线18旋转时，天使翼62的外表面限定出该扫描范围，该扫描范围的横截面(具有环形形状)类似于位于相同位置的天使翼62的横截面。例如，密封表面86限定出具有恒定直径的密封表面扫描范围136。(为了便于解释，附图中的曲率量放大)。因此，大部分外表面限定出扫描范围的形状。如所见，泵送特征130整个布置在由天使翼62限定的扫描范围中，如示例密封表面扫描范围136所证明的。换言之，没有给图3的天使翼62添加任何材料以产生泵送特征130。这适用于本文公开的所有实施例，这提供了所公开泵送特征的独特优点：每个实施例可由具有天使翼62的现有叶片60形成，因为每个可通过从天使翼62移除材料而形成。因此，本文公开的泵送特征130可作为改造工艺的一部分。或者，当铸造天使翼时，泵送特征130可在铸造工艺期间形成。

由于其在流阻碍密封空隙42(是冷却流体路径24中的最窄间隙)内的位置，也限定出流阻碍密封空隙42的相对表面40防止净化空气在经过第一泵送特征时径向向外移动。因此，由于独特构造，除了简单地经过泵送特征130，转子净化空气被迫随着第一泵送特征132旋转。这对转子净化空气施加旋转，其与转子净化空气的现有轴向运动一起在转子净化空气与燃烧气体16汇合时产生转子净化空气的期望螺旋运动。沿螺旋方向移动的环形转子流体流在离开冷却流体路径24时还由压力的基本均匀的周向分布表征。结果，转子净化空气流趋向于保持附接至叶片平台70，这减少了旋涡的径向提升量。这又防止旋涡朝向抽吸侧106的上翼展移动，这增加了叶片60的空气动力效率。另外，更多的净化流粘附到叶片平台70，粘附的净化流还沿轴向向下穿入叶片平台70更远，允许叶片平台70保持更冷，从而延长叶片60的寿命。通过计算的流体动态分析可表明性能是有效的。

图8示出在环形叶片排60的基底76处，作为天使翼组件99的一部分的泵送特征130的替代示例性实施例。在该实施例中，泵送特征130类似于勺148，具有凹形。勺148限定出具有布置在天使翼62的径向向内侧96上的勺入口端152的勺流路150。勺入口端152在勺的延伸部154相对于叶片60的旋转方向134径向向内且切向向前延伸的示例性实施例中可充当勺。勺流路150还具有布置在密封表面86处的勺出口端156。勺出口端156的轴向延伸部158相对于叶片60的旋转方向134径向向外且切向向前延伸。勺流路150包括第二泵送特征160，并还可包括喉部162，其用于加速在勺流路150内流动的转子净化空气。喉部162可布置在勺流路150的中间，或者根据需要布置在任何其它位置处。勺流路150还包括前向边缘166。

在操作时，转子净化空气的一部分进入(即吸入)勺流路150，在勺流路，其被加速，并被施加周向运动。吸入的转子净化空气相对于旋转方向134径向向外且切向向前排出，并与绕过勺148的转子净化空气相遇。吸入的转子净化空气与绕过勺148的转子净化空气的汇合导致汇合的转子净化流关于燃气轮机发动机纵向轴线18以螺旋运动流动。结果，当汇合的转子净化空气与燃烧气体16汇合时，实现在更小的第二相遇角122之后的努力。

图9示出图8的勺148的可选特征。在该视图中，当径向向内观看时，三个叶片60的泵送特征130形成天使翼组件99的一部分。在轴向平台72的上游表面88上，勺倒角164可相对于旋转方向134从上游表面88上的相对上游位置168延伸，并相对于燃气轮机发动机纵向轴线18向下游逐渐变细，以终止于勺流路150。另外，勺流路150的上游侧170可以不封闭起来，而是向冷却流体路径24敞开。图10示出图8的勺148的替代示例性实施例，其中，喉部162布置在勺流路150的端部。

尽管在两个示例性实施例中示出了本发明，但是能够在天使翼的扫描范围内如所公开那样施加旋转的任何几何形状可位于本公开的范围内。这包括使第一泵送表面132更切向向前面向地取向、不太切向向前面向地取向或者完全切身向前面向地取向。这还包括使勺入口端152移动至天使翼62上的适于接收转子净化空气的任何位置、根据需要重新构造勺流路150以及将勺出口端156安置到适于在切向分量内排出吸入的转子净化空气的任何位置和方位。

本发明已发现一种简单且成本有效的技术来在转子净化空气与燃烧气体汇合之前使转子净化空气螺旋运动。结果，叶片的空气动力效率得以改进，从而增加了发动机的效率，叶片平台保持更凉，从而增加了叶片寿命。另外，本文公开的泵送特征可经由简单的机加工操作结合进现有叶片中。鉴于前述内容，这代表了本领域的改进。

尽管本文中描述和示出了本发明的各实施例，但是应明白，这些实施例仅以示例方式给出。在不脱离本发明的情况下可以进行许多变型、改变和替代。相应地，本发明仅由所附权利要求的精神和范围限定。

Claims (20)

1.一种燃气轮机发动机，包括：

多个叶片，关于燃气轮机发动机纵向轴线组装成环形叶片排，并部分地限定出热气体路径和冷却流体路径两者，其中，所述冷却流体路径从转子空腔延伸经过叶片排的径向向内基底的一侧，并导向所述热气体路径，所述侧相对于热气体路径中的热气流位于上游；

天使翼组件，布置在所述叶片排的基底的一侧；以及

多个泵送特征，关于所述天使翼组件分布，布置成在所述冷却流体路径的由所述天使翼限定的最窄间隙处对流过的冷却流体流施加运动，

其中，在冷却流体流进入所述热气体路径时，所述多个泵送特征、所述天使翼组件和所述叶片排的基底有效地使所述冷却流体流产生关于所述燃气轮机发动机纵向轴线的螺旋运动。

2.如权利要求1所述的燃气轮机发动机，其中，相对于所述燃气轮机发动机纵向轴线，所述多个泵送特征结合到所述天使翼组件的位于相对表面径向内部且轴向邻近相对表面的部分，其中，所述天使翼组件的该部件和所述相对表面一起限定出冷却流体路径中的最窄扫描间隙。

3.如权利要求2所述的燃气轮机发动机，其中，每个泵送特征包括泵送表面，其在操作时相对于所述叶片排的旋转方向径向向外且切向向前面向。

4.如权利要求1所述的燃气轮机发动机，其中，每个泵送特征流路包括入口和出口，所述入口相对于所述燃气轮机发动机纵向轴线径向向内取向，并相对于所述叶片排的旋转方向向前取向，所述出口相对于所述燃气轮机发动机纵向轴线径向向外取向，并相对于所述叶片排的旋转方向向前取向。

5.如权利要求4所述的燃气轮机发动机，其中，至少一个泵送特征流路还包括喉部。

6.如权利要求4所述的燃气轮机发动机，其中，至少一个泵送特征流路从所述天使翼组件的径向向内侧向径向向外侧横穿所述天使翼组件。

7.如权利要求6所述的燃气轮机发动机，其中，所述至少一个泵送特征流路相对于所述燃气轮机发动机纵向轴线在轴向上游端处无边界。

8.如权利要求7所述的燃气轮机发动机，其中，所述天使翼组件还包括位于每个泵送特征流路之间的倒角，其中，每个倒角逐渐缩进相应泵送特征流路中，并将冷却流体流的一部分有效地引导进泵送特征流路中。

9.一种燃气轮机发动机叶片，包括：

叶片基底；

天使翼，形成在所述叶片基底的一侧中，所述天使翼包括轴向平台和径向提升唇；以及

泵送特征，包括整个布置在所述天使翼的周向扫描范围内的泵送表面。

10.如权利要求9所述的燃气轮机发动机，其中，所述泵送表面整个布置在所述径向提升平台的周向扫描范围内。

11.如权利要求9所述的燃气轮机发动机，其中，当组装在所述燃气轮机发动机中时，相对于燃气轮机发动机纵向轴线，所述泵送特征布置在相对表面的径向内部，并与所述相对表面轴向对准，所述泵送特征和所述相对表面限定出冷却流体路径中的流阻碍密封空隙。

12.如权利要求11所述的燃气轮机发动机，其中，当组装在所述燃气轮机发动机中，每个泵送特征包括泵送表面，其相对于所述燃气轮机发动机纵向轴线径向向外面向，并相对于组装的环形叶片排的旋转方向切向向前面向。

13.如权利要求9所述的燃气轮机发动机，其中，当组装在所述燃气轮机发动中时，每个泵送特征包括泵送特征流路，所述泵送特征流路相对于所述燃气轮机发动机纵向轴线从径向内侧向径向外侧横跨所述天使翼组件。

14.如权利要求13所述的燃气轮机发动机，其中，所述泵送特征流路包括凹形。

15.如权利要求14所述的燃气轮机发动机，其中，所述泵送特征流路的径向内端是有效地吸入流动的冷却流体流的至少一部分的入口端，其中，所述泵送特征流路的径向外端是既相对于所述燃气轮机发动机纵向轴线的径向向外又在旋转叶片排的旋转方向上有效地排出吸入的冷却流体的出口端，从而使吸入的冷却流体与冷却流体流绕过泵送特征的未吸入部分重新结合。

16.如权利要求14所述的燃气轮机发动机，其中，相对于所述燃气轮机发动机纵向轴线，所述泵送特征流路在上游侧敞开，其中，所述天使翼还包括在泵送特征敞开侧上游相对于叶片排的旋转方向开始并终止于泵送特征流路的倒角，并有效地引导冷却流体流的一部分进入敞开侧。

17.一种燃气轮机发动机叶片，包括：

叶片基底；以及

天使翼，形成在所述叶片基底的相对于热气体位于上游的一侧，在操作时，所述热气体在燃气轮机发动机的热气体路径中流过叶片，所述天使翼包括：轴向平台；径向提升唇；以及泵送特征，所述泵送特征限定出泵送流路，所述泵送流路包括出口终点，所述出口终点相对于燃气轮机纵向轴线轴向邻近径向提升唇的下游边缘或位于径向提升唇的下游边缘的上游。

18.如权利要求17所述的燃气轮机发动机叶片，所述泵送特征还包括泵送表面，所述泵送表面相对于燃气轮机发动机纵向轴线径向向外取向，并相对于燃气轮机发动机叶片的旋转方向切向向前取向，并在所述径向提升唇的布置成距燃气轮机发动机纵向轴线最远的密封表面之间凹入。

19.如权利要求17所述的燃气轮机发动机叶片，其中，每个泵送特征包括位于所述轴向平台的径向内侧的入口、位于所述径向提升唇的径向外侧的出口以及穿过天使翼的泵送特征流路。

20.如权利要求19所述的燃气轮机发动机叶片，其中，所述泵送特征相对于燃气轮机发动机叶片的旋转方向切向向前有效地排出冷却流体。