CN105822352B - 用于轮空间吹扫空气的控制的涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例大体上涉及旋转机器，并且更具体地涉及燃气轮机中的轮空间吹扫空气的控制。在一个实施例中，本发明提供了一种涡轮叶片(40)，包括：平台(42)部分；从平台(42)部分沿径向向外延伸的翼型件(50)；从平台(42)部分沿轴向延伸的平台唇部(44)；以及沿平台唇部(44)的表面设置的多个空隙(110)。

Description

用于轮空间吹扫空气的控制的涡轮叶片
技术领域
本发明的实施例大体上涉及旋转机器，并且更具体地涉及燃气轮机中的轮空间吹扫空气的控制。
背景技术
如本领域中已知那样，燃气轮机采用转子组件的轮/盘上的成排的叶片，其在定子/喷嘴组件上与成排的静止导叶交错。这些交错排沿转子和定子轴向地延伸，且在燃烧气体流过其间时允许燃烧气体转动转子。
旋转叶片与静止喷嘴之间的界面处的轴向/径向开口可允许热燃烧气体流出热气体通路，且沿径向进入叶片排之间的介入的轮空间中。为了限制热气体的这样侵入，叶片结构典型地使用沿轴向突出的天使翼(angel wing)，其与从相邻定子或喷嘴沿轴向延伸的阻挡部件协作。这些天使翼和阻挡部件重叠，但不接触，且用于限制热气体侵入轮空间中。
此外，冷空气或"吹扫空气"常常引入叶片排之间的轮空间中。该吹扫空气用于冷却轮空间内的构件和空间，以及叶片的径向内侧的其它区域，且提供冷却空气的逆流来进一步限制热气体侵入轮空间中。因此，天使翼密封件进一步设计成限制吹扫空气散逸到热气体流动通路中。
然而，大多数燃气轮机呈现出大量吹扫空气散逸到热气体流动通路中。例如，在第一和第二级轮空间处散逸的该吹扫空气可在0.1%到3.0%之间。较冷的吹扫空气与热气体流动通路的随后混合导致较大的混合损失，不但因为温差，而且因为吹扫空气和热气体的流动方向或旋流(swirl)的差异。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供了一种涡轮叶片，包括：平台部分；从平台部分沿径向向外延伸的翼型件；从平台部分沿轴向延伸的平台唇部；以及沿平台唇部的表面设置的多个空隙。
在另一个实施例中，本发明提供了一种涡轮叶片，包括：平台部分；从平台部分沿径向向外延伸的翼型件；从平台部分沿轴向延伸的平台唇部；以及沿平台唇部的表面设置的多个空隙，多个空隙中的每一个均沿径向延伸穿过平台唇部的本体。
本发明的第一技术方案提供了一种涡轮叶片，包括：平台部分；从平台部分沿径向向外延伸的翼型件；从平台部分沿轴向延伸的平台唇部；以及沿平台唇部的表面设置的多个空隙。
本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，还包括：从平台部分沿径向向内延伸的柄部分；以及从柄部分的面沿轴向延伸的至少一个天使翼。
本发明的第三技术方案是在第二技术方案中，在操作状态中，多个空隙适于改变平台唇部与至少一个天使翼之间的吹扫空气的旋流速度。
本发明的第四技术方案是在第一技术方案中，多个空隙沿平台唇部的远端设置。
本发明的第五技术方案是在第四技术方案中，平台唇部的远端是朝翼型件成角的。
本发明的第六技术方案是在第一技术方案中，多个空隙中的至少一个是沿轴向成角的。
本发明的第七技术方案是在第一技术方案中，多个空隙沿平台唇部的表面非均匀地设置。
本发明的第八技术方案是在第一技术方案中，多个空隙集中在更靠近翼型件的前面。
本发明的第九技术方案是在第一技术方案中，多个空隙集中在更靠近翼型件的后面。
本发明的第十技术方案是在第一技术方案中，多个空隙中的每一个均具有矩形的截面形状。
本发明的第十一技术方案是在第一技术方案中，多个空隙中的每一个均具有梯形截面形状。
本发明的第十二技术方案提供了一种涡轮叶片，包括：平台部分；从平台部分沿径向向外延伸的翼型件；从平台部分沿轴向延伸的平台唇部；以及沿平台唇部的表面设置的多个空隙，多个空隙中的每一个均沿径向延伸穿过平台唇部的本体。
本发明的第十三技术方案是在第十二技术方案中，还包括：从平台部分沿径向向内延伸的柄部分；以及从柄部分的面沿轴向延伸的至少一个天使翼。
本发明的第十四技术方案是在第十三技术方案中，在操作状态中，多个空隙适于改变平台唇部与至少一个天使翼之间的吹扫空气的旋流速度。
本发明的第十五技术方案是在第十二技术方案中，多个空隙沿平台唇部的长度非均匀地设置。
本发明的第十六技术方案是在第十五技术方案中，多个空隙集中在更靠近翼型件的前面。
本发明的第十七技术方案是在第十五技术方案中，多个空隙集中在更靠近翼型件的后面。
本发明的第十八技术方案是在第十二技术方案中，多个空隙中的每一个为矩形截面形状。
本发明的第十九技术方案是在第十二技术方案中，多个空隙中的每一个为卵形截面形状。
本发明的第二十技术方案是在第十二技术方案中，多个空隙包括不同大小的空隙。
附图说明
本发明的这些及其它特征将从下面结合描绘本发明的各种实施例的附图的本发明的各种方面的详细描述中更容易理解，在附图中：
图1示出了已知涡轮的一部分的示意性截面视图；
图2示出了已知涡轮叶片的透视图；
图3示出了根据本发明的实施例的涡轮叶片的一部分的截面侧视图；
图4示出了图3的涡轮叶片的一部分的透视图；
图5示出了根据本发明的另一个实施例的涡轮叶片的一部分的透视图；
图6示出了根据本发明的又一个实施例的涡轮叶片的一部分的透视图；
图7-13示出了根据本发明的又一些实施例的涡轮叶片的透视图；
图14示出了关于典型涡轮叶片的吹扫空气流的示意图；
图15示出了关于根据本发明的实施例的涡轮叶片的吹扫空气流的示意图；
图16示出了根据本发明的实施例的末级涡轮叶片和扩散器的示意图；
图17示出了对于已知涡轮和根据本发明的实施例的涡轮的扩散器入口平面处的旋流尖峰轮廓的图表；
图18示出了对于已知涡轮和根据本发明的实施例的涡轮的扩散器入口平面处的总压力尖峰的图表；以及
图19示出了根据本发明的实施例的汽轮机叶片的示意性截面侧视图。
应注意本发明的附图并未按比例绘制。附图旨在仅绘出本发明的典型方面，且因此不应当看作是限制本发明的范围。在附图中，相似的标号表示附图间的相似元件。
零件列表
10 燃气轮机
20 第一级喷嘴
22 第二级喷嘴
26 轮空间
28 流动通路
30 喷嘴表面
32 阻挡部件
40 后级叶片(LSB)
42 平台
44 平台唇部
46 本体
48 远端
50 翼型件
52 前缘
54 后缘
60 柄部分
62 面
70 天使翼
72 天使翼密封件
74 天使翼密封件
80 吹扫空气
82 区域
83 区域
95 热气体
110 空隙
195 热气体
210 空隙
310 空隙
410 空隙
510 空隙
610 矩形空隙
710 偏菱形空隙
850 扩散器
860 扩散器入口平面
870 支柱
910 空隙
940 汽轮机叶片
944 平台唇部
950 翼型件
960 柄
990 盘。
具体实施方式
现在转到附图，图1示出了包括设置在第一级喷嘴20与第二级喷嘴22之间的叶片40的燃气轮机10的一部分的示意性截面视图。如本领域的技术人员将认识到那样，叶片40从沿轴向延伸的转子(未示出)沿径向向外延伸。叶片40包括基本平坦的平台42、从平台42沿径向向外延伸的翼型件，以及从平台42沿径向向内延伸的柄部分60。
柄部分60包括朝第一级喷嘴20沿轴向向外延伸的一对天使翼密封件70,72，以及朝第二级喷嘴22沿轴向向外延伸的天使翼密封件74。应当理解的是，不同数目和布置的天使翼密封件是可能的，且在本发明的范围内。本文所述的天使翼密封件的数目和布置仅通过图示的目的来提供。
如图1中可见，喷嘴表面30和阻挡部件32从第一级喷嘴20沿轴向延伸，且分别从天使翼密封件70和72沿径向向外设置。因此，喷嘴表面30重叠但不接触天使翼密封件70，且阻挡部件32重叠但不接触天使翼密封件72。关于第二级喷嘴22的阻挡部件32和天使翼密封件74示出了类似的布置。在图1中所示的布置中，在涡轮的操作期间，一定量的吹扫空气例如可设置在喷嘴表面30、天使翼密封件70和平台唇部44之间，由此限制了吹扫空气散逸到热气体流动通路28中和来自热气体通路28的热气体侵入轮空间26中。
尽管图1示出了设置在第一级喷嘴20与第二级喷嘴22之间的叶片40，使得叶片40代表第一级叶片，但这仅是为了图示和阐释的目的。本文所述的本发明的原理和实施例可在实现相似结果的预期下应用于涡轮中的任何级的叶片。
图2示出了叶片40的一部分的透视图。如可看见的，翼型件50包括前缘52和后缘54。柄部分60包括设置在天使翼70与平台唇部44之间的相比后缘54更靠近前缘52的面62。
图3示出了根据本发明的实施例的涡轮叶片40的一部分的截面侧视图。如图3中可见，平台唇部44的远端48朝翼型件50沿径向向外成角。
图4示出了图3的叶片40的透视图。多个空隙110沿平台唇部44的远端48提供。如图4中所示，空隙110基本为梯形，但这不是必需或根本的。还可采用具有其它形状的空隙，例如，包括矩形、偏菱形或弓形。
例如，图5示出了根据本发明的另一个实施例的叶片40的透视图。这里，平台唇部44从平台沿轴向延伸(即，如图3和4中所示，远端并未朝翼型件50成角)。空隙210在弓形通路中延伸穿过平台唇部44，使得邻近空隙210的平台唇部44的其余部分包括弓形面。
图6中所示的本发明的实施例示出了叶片40的透视图。如图3和4中所示，这里，平台唇部44包括成角的远端48。然而，空隙310形成在平台唇部44的本体46中，而非在其远端48处。如上文所指出的，空隙310可采用任何数目的形状，例如包括矩形、梯形、偏菱形、弓形等。
图7-9示出了本发明的其它实施例的透视图。在图7中，空隙410为椭圆形，且相对于叶片40的径向轴线成角。
在图8中，采用了不同大小的椭圆形空隙510，其中空隙大小沿平台唇部44从更靠近凹形后面的一端朝翼型件50的凸形前面增大。在此实施例中，空隙510对平台唇部44与天使翼70之间的吹扫空气的效果将大体上在邻近较大空隙处更显著。例如，这可为期望的，其中吹扫空气的损失或热气体的侵入在较大的空隙的区域中更大。
在图9中，采用了不同大小的椭圆形空隙510，其中空隙大小沿平台唇部44从更靠近凹形后面的一端朝翼型件50的凸形前面减小。如将从以上论述认识到的那样，例如，此实施例可为期望的，其中吹扫空气的损失或热气体的侵入在较大空隙的区域中更大。
图10-13示出了按照本发明的各种实施例的涡轮叶片40的透视图。在图10-13的各个实施例中，空隙沿平台唇部44不均匀地设置。
在图10中，多个基本矩形的空隙610沿平台唇部44设置成相比翼型件50的凹形后面更靠近凸形前面。
在图11中，空隙集中的区域与图10中的相反，其中多个基本矩形的空隙610沿平台唇部44设置成相比翼型件50的凸形前面更靠近凹形后面。
图12和13示出了分别类似于图10和11的那些实施例的实施例，其中空隙710为偏菱形，而非基本矩形。例如，偏菱形710的使用可用于朝翼型件50的凸形前面或凹形后面引导吹扫空气。
图14示出了典型涡轮叶片中的吹扫空气流的示意图。吹扫空气80示为是集中的，且在区域82中具有更高的旋流速度，其中大量散逸的吹扫空气84进入热气体流动通路28中。在更靠近面62的区域82中具有更高的旋流速度的吹扫空气80的集中允许了热气体95侵入轮空间26中。
相反，图15示出了根据本发明的各种实施例的空隙110对吹扫空气80的影响。如图15中可见，相比于图14，吹扫空气80集中且呈现出更高的旋流速度的区域83与面62间隔更远且朝平台唇部44的远端。这实际上产生了幕帘效应，限制了热气体95从热气体通路28侵入，同时减少了从轮空间26散逸到热气体流动通路28中的吹扫空气的量。
使用本发明的实施例实现的涡轮效率的提高可归因于一定数目的因素。首先，如上文所指出的，旋流速度的增大减少了吹扫空气进入热气体流动通路28中的散逸，旋流角的变化减少了归因于这样散逸的任何吹扫空气的混合损失，且由根据本发明的空隙引起的幕帘效应减少或防止了热气体95侵入轮空间26中。这些中的每一个有助于观察到提高的效率。
此外，所需的吹扫空气的总量出于至少两个原因减少。首先，散逸的吹扫空气的减少必要地减少必须替换的吹扫空气。第二，侵入轮空间26中的热气体95的减少降低轮空间26内的温度升高，以及通过引入附加吹扫空气来降低温度的伴随需要。对所需的总吹扫空气的这些减少中的每一个减少了对其它系统构件的需求，诸如提供吹扫空气的压缩机。
尽管上文提到了平台唇部空隙的能力以改变轮空间内且特别是邻近较早的级的涡轮叶片的轮空间内的吹扫空气的旋流速度，但应当注意的是，此平台唇部空隙可用于带有对吹扫空气旋流速度和角有类似改变的任何级的涡轮叶片上。实际上，申请人注意到了在平台唇部空隙用于末级叶片(LSB)时的非常有益的结果。
扩散器入口的内半径区域处的总压力(PT)和旋流轮廓中的尖峰是热气流与流出邻近LSB的轮空间的吹扫空气的旋流之间的失配的结果。申请人发现根据本发明的各种实施例的平台唇部空隙能够既增大接近内半径的扩散器入口处的PT尖峰，同时又减小在相同位置处或其附近的旋流尖峰。这些中的每一个改善了扩散器性能。例如，已经发现平台唇部空隙将流出LSB轮空间的吹扫空气的旋流角改变1到3度，同时将PT尖峰增大了15%到30%。
图16示出了邻近扩散器850的LSB40的示意图。热气体195在扩散器入口平面860处进入扩散器850，且朝支柱870经过。根据本发明的实施例的平台唇部空隙在吹扫空气与热气体195组合时减少了吹扫空气的旋流失配，在热气体195进入支柱870时防止其分离。同时，此平台唇部空隙增大PT尖峰。
图17示出了随扩散器入口平面高度变化的旋流尖峰的图表。轮廓A表示对于具有根据本发明的实施例的平台唇部空隙的涡轮的旋流尖峰轮廓。轮廓B表示对于具有本领域中已知的平台唇部的涡轮的旋流尖峰轮廓。轮廓A呈现出在扩散器入口平面的径向向内位置处的旋流尖峰的明显减小。
图18示出了随扩散器入口平面高度变化的PT尖峰的图表。轮廓A表示对于具有根据本发明的实施例的平台唇部空隙的涡轮的PT旋流尖峰轮廓。轮廓B表示对于具有本领域中已知的平台唇部的涡轮的PT旋流尖峰轮廓。轮廓A呈现出在扩散器入口平面的径向向内位置处的PT尖峰增大。
上文所述的空隙的操作原理还可应用于汽轮机的操作。例如，图19示出了具有翼型件950和附连到盘990上的柄960的汽轮机叶片940的示意性截面视图。提供了平台唇部944的放大视图，沿该平台唇部944，空隙910(以虚线示出)可与上文在图3-5,12和13中示出的空隙类似地配置。
采用诸如本文所述的那些的本发明的实施例的汽轮机将典型地例如取决于采用特征处的泄漏流和级来实现0.1%到0.5%之间的效率的改善。
如本文中所使用的，单数形式"一"、"一个"和"该"旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。还将理解的是，用语"包括(comprises)"和/或"包括(comprising)"在用于此说明书中时表示指出的特征、整数、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但并未排除存在或添加一个或更多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、构件和/或其组合。
本书面描述使用了实例来公开包括最佳模式的发明，且使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统，且执行任何相关或并入的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果这些其它实例包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则这些其它实例将在权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种涡轮叶片(40)，包括：
平台(42)部分；
从所述平台(42)部分沿径向向外延伸的翼型件(50)；
从所述平台(42)部分沿轴向延伸的平台唇部(44)；
沿所述平台唇部(44)的表面设置的多个空隙(110);
从所述平台(42)部分沿径向向内延伸的柄部分(60)；以及
从所述柄部分(60)的面(62)沿轴向延伸的至少一个天使翼(70);
其中所述多个空隙(110)适于改变所述平台唇部(44)与所述至少一个天使翼(70)之间的吹扫空气(80)的旋流速度，并且其中所述多个空隙(110)沿所述平台唇部(44)的远端设置。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述平台唇部(44)的所述远端是朝所述翼型件(50)成角的。
3.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述多个空隙(110)中的至少一个是沿轴向成角的。
4.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述多个空隙(110)沿所述平台唇部(44)的所述表面非均匀地设置。
5.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述多个空隙(110)集中在更靠近所述翼型件(50)的前面。
6.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述多个空隙(110)集中在更靠近所述翼型件(50)的后面。
7.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述多个空隙(110)中的每一个均具有矩形的截面形状或梯形的截面形状。
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