CN105587342A - 具有可移动的末端的涡轮转子叶片 - Google Patents

具有可移动的末端的涡轮转子叶片 Download PDF

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Abstract

一种燃气涡轮机膨胀级的转子叶片，包括：根部(10a)和末端部(10b)；滑块(12)，其被设置在末端部(10b)上，并且能够沿着从根部(10a)到末端部(10b)的方向在缩进位置和探出位置之间移动，其中，滑块(12)从末端部(10b)突出；停止元件(14，20a)，其形成为用于限制滑块(12)的到探出位置的冲程；以及盒型主体(20)，其被容纳在形成于末端部(10b)上的凹槽(23)中，并且在与根部(10a)相反的方向上开口。滑块(12)被容纳在盒型主体(20)中，并且包括耐磨材料的耐磨层(17)，当滑块(12)在探出位置时，耐磨层从末端部(10b)向外突出至少穿过盒型主体的壁(20a)的开口(21)。

Description

具有可移动的末端的涡轮转子叶片
技术领域
本发明涉及一种具有可移动的末端的涡轮转子叶片。
背景技术
已知，由于具有合适地形状叶片的转子导致的渐开线流体的相互作用，涡轮机组提供机械能。明显地，当与剩余的一部分流体相关联的能量被分散时，只有实际上与转子叶片相互作用的一部分流体有助于生成机械能。
关于这方面，特别是在燃气涡轮机中，关键的特征涉及到在转子叶片的端部和容纳该转子的壳体的内表面之间的径向的密封以及可能发生的泄漏。当然，在特殊的操作情况(开始，负载瞬变并且停止)下，为避免叶片端部碰到壳体，涡轮机组必须被设置成在固定部分和可移动部分之间保留最小的间隙。然而，明显的是，间隙越大，泄漏越多，因此机械效能的损失更大。
按照已知的解决方法，转子是可轴向地移动的，并且，一旦机器被完全地启动以及进入热平衡，转子在与流体相反的方向上被移动。因为壳体的内表面和转子外壳是完全地被切去顶端的锥形，轴向的位移减小了间隙。然而，质量和旋转速度使得提供能够实现和控制转子获得恰好地轴向位移的系统是绝对不容易的。此外，控制系统可能出现的错误可能导致转子叶片和壳体之间的接触，具有潜在地灾难性的影响。
发明内容
因此，本发明提供一种涡轮转子叶片，其能够克服上述的局限性。
根据本发明，提供一种燃气涡轮机的膨胀级的转子叶片，包括：
根部和末端部，
位于末端部的滑块，该滑块可沿着从根部到末端部的方向在缩进位置和探出位置之间移动，其中，滑块从末端部突出；以及
停止部，其被设置为限制滑块到探出位置的行程；以及
盒型主体，其容纳在末端部形成的凹槽中，并且，在与根部相反的方向上是打开的；
其中，滑块被容纳在盒型主体中，并且包含耐磨蚀材料的耐磨层，至少在滑块在探出位置时，耐磨层从末端部位置向外突出穿过盒型主体的壁上的开口；
附图说明
本发明将通过结合附图进行描述，所述附图示出了一些非限制性的实施例，其中：
图1是根据本发明的实施例的燃气涡轮机的沿着轴向的纵剖面的侧视图；
图2是图1中的根据本发明的燃气涡轮机的转子叶片在初始运行结构时的放大的局部侧视图；
图3是图2中的转子叶片的一部分的简化的、局部的剖面正视图；
图4是图2中的转子叶片的俯视图；
图5是图2中的转子叶片的细节的局部剖面正视图，所述叶片处于转子叶片的使用周期中的初始阶段的静止结构中；
图6是图5的细节的局部剖面正视图，其处于在适应期后的运行结构中；
图7是图5的细节的局部剖面正视图，其处于适应期后的静止机构中；
图8是根据本发明的不同的实施例的涡轮机的转子叶片的顶视图；以及
图9是根据本发明的进一步的具体实施例的涡轮转子叶片的细节的局部剖面正视图。
具体实施例
图1示出了用于产生电能的设备的完整的燃气涡轮机1。
燃气涡轮机1包括涡轮壳体2和沿着轴A延伸的转子3，转子3具有压缩机段4和涡轮或膨胀段5。
转子3被容纳在涡轮壳体2中，并且通过前轴承组件7和后轴承组件8被可旋转地支撑，所述前轴承组件7被设置在压缩机段4的附近，所述后轴承组件8被设置在涡轮段5的附近。
该转子3的涡轮段5具有多个转子叶片10，其被成细且轴向地间隔设置从而形成多个膨胀级。
一个膨胀级的一个转子叶片10通过举例的方式在图2-4中被示出。相同的膨胀级的其他转子叶片10在结构上是相同的。在其他膨胀级的转子叶片10可能包含相同的结构元件，并且对于它们的尺寸和/或形状与图中示出的不同。
转子叶片10包括被固定到转子3上的根部10a，和与根部10a径向相对的末端部10b。通常地，不考虑角度位置，转子叶片10的末端部是离旋转轴3最远的部分。
翼板10c从转子叶片10的根部10a延伸到末端部10b，并且包含冷却管道11，这里仅仅是示意性地示出。冷却管道11被设置为用于接收和传送使用的从根部10a穿过转子叶片10的主体到端部10b的相关冷空气气流。更进一步地，转子叶片10包含滑块12，其在从根部10a到末端部10b的方向上，即，在大致径向的方向上，是可移动的。滑块12包含密封部12a和基部12b。该密封部12a，可以是大致与滑动方向相平行且大致在转子叶片10(图4)的前沿15和后沿16之间延伸的片或者板的形式。此外，密封部12a被由耐磨材料制造的耐磨层17(图2和图3)所覆盖，耐磨材料例如为一些化合物，其包含作为主要的成分的钴、镍、铬、铝或者钇，作为润滑剂的氮化硼，以及诸如聚酯的聚合物。耐磨层17被设置在滑块12的顶面上，形成滑块的径向的最外面的部分。该基部12b通过横向于密封部12a的另一板限定。更明确地，密封部12a从基部12b径向向外延伸，其与使用中的转子叶片10的轨迹大致相切。该基部12b同样也具有冷却孔18。
在一个实施例中，该滑块12至少部分地被容纳在盒型主体20中，在盒型主体20的上壁20a上设置有开口21，通过所述开口，滑块12的密封部12a能出来。更详细地，当密封部12a滑动穿过开口21时，滑块的基部12b通过上壁20a被保持在盒型主体20中，从而耐磨层17向外突出。
因此，由于转子3的旋转产生的离心力，滑块12在相对于轴A的径向方向上在沿着径向方向的第一缩进位置和第二探出位置之间大致可移动，所述径向方向是从转子叶片10的根部10a到末端部10b的方向。特别地，通过基部12b和盒型主体20的上壁20a之间的接触，滑块在探出位置停止。在该被描述的具体实施例中，限定为在相对于轴A的径向方向上的第一缩进位置和第二探出位置之间的距离的滑块12最大的冲程，因此通过盒型主体20的上壁20a和底壁20b之间的距离以及基部12b的厚度被确定。
盒型主体20依次通过，例如(但不是必要的)可移动的方式，被置入转子叶片10的末端部10b的凹槽23中，并且相对于转子叶片10的上边缘10d是稍微地凹进的。特别的，该凹槽23在与转子叶片10的根部10a相反的方向上是打开的，并且，从转子叶片10的末端部是可进入的，从而，如果需要，允许盒型主体20的嵌入和探出。
在一个实施例中，盒型主体20具有：冷却孔25，其与冷却管道11流体连通用于接收冷空气；以及位于上壁20a上的排气孔26，以使叶片顶端能够冷却，并且，改善紧邻转子叶片10的涡轮壳体2的部分的流体动力密封性。盒型主体20的孔25，26和滑块12的孔18允许用于在燃气涡轮机的膨胀级中的密封目的的使用，所述级具有特别地高的温度，需要有效的冷却系统。
如图5中所示，盒型主体20的位置，滑块12的冲程以及耐磨层17的初始厚度S0被选择为，通过由于燃气涡轮机1的第一次启动的旋转而产生的偏移，耐磨层17在达到探出位置之前，即，在滑块12到达冲程终点之前，接触涡轮罩2。基本上，当机器静止时，初始的耐磨层17和涡轮壳体2的内表面之间的初始间隙C0小于滑块12的冲程。
当燃气涡轮机1启动时，由于旋转产生的离心力，滑块12径向向外移动，并且，耐磨层17接触涡轮壳体2的内表面(图2和图3)。与涡轮壳体2的摩擦导致耐磨层17的磨损，当滑块12达到探出位置，同时基部12b接触到盒型主体20的上壁20a时，耐磨层的厚度被减小直到最终厚度S1(图6)。然后，磨损停止，且滑块12以实质上地零径向间隙C1(零径向间隙C1在图6中以夸大的方式被示出)密封。
当燃气涡轮机1停止时，离心力停止，并且滑块恢复到缩进位置(图7)，留下一间隙，该间隙在瞬变期间提供安全边际，但是，一旦达到到恒稳态的条件，其能够被恢复。
对于所描述的转子叶片10，为了效率，渐开线流体的径向的泄漏实际上已被消除或者被至少彻底地减小。在初始瞬变之后，耐磨层17的厚度自动地适应对于这个目的所需的程度。有利地，滑块12的被限制的冲程允许，一方面，精确控制移动，同时，在另一方面，保持耐磨层17的剩余边际。
盒型主体20的使用允许简单地提供停止机构，所述停止机构限制滑块12的冲程，并且同时，便于在转子叶片10的壳体上的安装。事实上，盒型主体20能被容易地焊接到或者以其他合适地方式固定到具有预先安装的滑块12的其他的槽23中。特别的，关于安装，盒型主体20的使用可以避免转子叶片10的及其复杂和昂贵的加工。事实上，这满足了槽23被形成为能容纳盒型主体20。因此，这个解决方案同样也极佳地适合于任何为了改善转子叶片10的改进。
在图8中示出的一个实施例中，滑块，通过112被指示，可以具有空气动力学的轮廓，从而减小紊流，并且，可能进一步地增加被转化为机械能的渐开线流体的内能的部分。
当不需要完全地恢复径向的间隙时(图9的实施例)，通过212指示的滑块的尺寸是可被选择为，密封部212a从位于探出位置的转子叶片10的上边缘10d延伸，却不接触涡轮壳体2的内表面。在缩进位置，滑块212能被完全地包含进翼板10c中，同时，密封部212a径向地伸入转子叶片10的上边缘10d中。
在一个实施例中，恢复装置230倾向于将滑块212带回缩进位置。恢复装置230可包含，例如，设置在滑块212和盒型主体20的底壁20b之间的弹簧。而且，在图9中的实施例中，当滑块212位于静止位置时，为了不限制冲程，在滑块中的凹槽231容纳恢复装置230。根据未被图示的可选择的实施例，恢复装置能被设置在滑块212和盒型主体20的上壁20a之间。在进一步的实施例中，同样也未被图示出，恢复装置的整体的尺寸能对滑块212的探出位置和/或冲程的确定有影响。在这些举例中，恢复装置形成了滑块的停止机构的一部分。
滑块的停止机构提供了使用中的剩余间隙CR的准确的测定。间隙的一部分，在静止时是可用的，然后可能被恢复，而不会对转子叶片的整体性产生大的危险。
由于在瞬变过程中的高压，耐磨层可能仍被保留作为在任何形变中的保护层。当剩余间隙CR被减小，虽然不为零时，这样的设置可以特别地有用。由于异常的压力引起的形变，可能导致剩余间隙CR暂时的被消除，并且可能导致滑块212抵接涡轮壳体2的内表面而滑动。在这种情况下，耐磨层将会被包围，同时会导致剩余间隙CR与理想的情况相比能被稍微地调节。转子叶片的主体和涡轮壳体之间的接触仍将会被避免，因此，充分地消除了严重损坏的风险。然而，在一些实施例中，磨损状态可能被漏过。
最后，显然的，在未脱离本发明后附的权利要求中所限定的范围内，所描述的转子叶片是可以进行改进和变化的。

Claims (13)

1.一种燃气涡轮机膨胀级的转子叶片，其包括：
根部(10a)和末端部(10b)；
滑块(12；112；212)，其被设置在末端部(10b)上，并且能够沿着从根部(10a)到末端部(10b)的方向在缩进位置和探出位置之间移动，其中，所述滑块(12；112；212)从末端部(10b)突出；和
停止元件(14，20a)，其被设置为用于限制滑块(12；112；212)的到探出位置的冲程；以及
盒型主体(20)，其被容纳在形成于末端部(10b)的凹槽(23)中，并且在与根部(10a)相反的方向上开口；
其中，所述滑块(12；112；212)被容纳在盒型主体(20)中，并且包括耐磨材料的耐磨层(17)，至少在滑块(12；112；212)位于探出位置时，所述耐磨层从末端部(10b)向外突出穿过盒型主体的壁(20a)中的开口(21)。
2.如权利要求1所述的转子叶片，其中，所述滑块(12；112；212)包括能够滑动穿过开口(21)的密封部(12a)和垂直于所述密封部(12a)的基部(12b)。
3.如权利要求2所述的转子叶片，其中，所述基部(12b)和盒型主体(20)的壁(20a)限定了停止元件。
4.如权利要求2所述的转子叶片，其中，所述滑块(12)的密封部(12a)被耐磨层(17)覆盖。
5.如前述的任意一项权利要求所述的转子叶片，其中，所述滑块的密封部(12a)是能够穿过开口(21)在从根部(10a)到末端部(10b)的方向上滑动的片或板的形式。
6.如权利要求1所述的转子叶片，其中，所述滑块(112)具有空气动力学的轮廓。
7.如权利要求1所述的转子叶片，包括在根部(10a)和末端部(10b)之间延伸的翼板(10c)，和在翼板(10c)内的冷却管道(11)；并且其中，所述盒型主体(20)具有与冷却管道(11)流体连接的第一冷却孔(25)。
8.如权利要求7所述的转子叶片，其中，所述滑块(12)具有第二冷却孔(18)。
9.如权利要求1所述的转子叶片，包括恢复装置(230)，所述恢复装置旨在将滑块(212)带回到缩进位置。
10.一种涡轮机，其包括涡轮壳体(2)和容纳在涡轮壳体(2)中的转子(3)，其中，所述转子包括多个转子叶片(10)，每个转子叶片包括：
根部(10a)和末端部(10b)；
滑块(12；112；212)，其被设置在末端部(10b)上，并且能够沿着从根部(10a)到末端部(10b)的方向在缩进位置和探出位置之间移动，其中，所述滑块(12；112；212)从末端部(10b)突出；以及
停止元件(14，20a)，其被设置为用于限制滑块(12；112；212)的到探出位置的冲程；以及
盒型主体(20)，其被容纳在形成于末端部(10b)的凹槽(23)中，并且在与根部(10a)相反的方向上开口；
其中，所述滑块(12；112；212)被容纳在盒型主体(20)中，并且包含耐磨材料的耐磨层(17)，至少在滑块(12；112；212)位于探出位置时，所述耐磨层从末端部(10b)向外突出穿过盒型主体的壁(20a)中的开口(21)。
11.如权利要求10所述的涡轮机，其中所述滑块(12)包括能够滑动穿过开口(21)的密封部(12a)和垂直于所述密封部(12a)的基部(12b)，并且
其中，所述耐磨层(17)的初始厚度(S0)和滑块(12)的冲程被选择为，由于转子(3)的旋转，在滑块到达探出位置之前，耐磨层(17)接触到涡轮壳体(2)。
12.如权利要求11所述的涡轮机，其中，所述耐磨层(17)的初始厚度(S0)被选择为，在滑块(12)在缩进位置时，耐磨层(17)和涡轮壳体(2)之间的距离小于滑块(12)的冲程。
13.如权利要求10所述的涡轮机，其中，在缩进位置中，所述滑块(212)被设置在转子叶片(10)的上边缘(10d)的径向内侧。
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