CN105822354A - 用于轮空间吹扫空气的控制的涡轮动叶 - 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涡轮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动叶(40)，其包括：平台部分(42)；从平台部分(42)沿径向向外延伸的翼型件(50)；从平台部分(42)沿径向向内延伸的柄部分(60)；从柄部分(60)的面(62)沿轴向延伸的天使翼(70)；以及沿天使翼(70)的长度设置的多个空隙(110)，多个空隙(110)中的各个沿径向延伸穿过天使翼(70)。

Description

用于轮空间吹扫空气的控制的涡轮动叶
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涡轮中的轮空间吹扫空气的控制。
背景技术
如本领域中已知的，燃气涡轮使用转子组件的轮/盘上的成排的动叶，其与定子/喷嘴组件上的成排的静止静叶交错。这些交错排沿转子和定子轴向地延伸，并且在燃烧气体流过其时允许燃烧气体转动转子。
旋转动叶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离开热气体路径，并且沿径向进入动叶排之间的插进式轮空间。为了限制热气体的此类侵入，动叶结构典型地使用沿轴向突出的天使翼，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，并且用于限制热气体侵入到轮空间中。
此外，冷空气或"吹扫气体"通常引入到动叶排之间的轮空间中。该吹扫空气用于冷却轮空间内的构件和空间，以及动叶的径向内侧的其它区域，并且提供冷却空气的逆流以进一步限制热气体侵入到轮空间中。因此，天使翼密封件进一步设计成限制吹扫空气逸出到热气体流动路径中。
然而，大多数燃气涡轮呈现出显著量的吹扫空气逸出到热气体流动路径中。例如，该吹扫空气逸出可在第一级和第二级轮空间处为0.1%到3.0%之间。较冷的吹扫空气与热气体流动路径的随后混合导致大混合损失，不但因为温差，而且因为吹扫空气和热气体的流动方向或涡流的差异。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供了一种涡轮动叶，其包括：平台部分；从平台部分沿径向向外延伸的翼型件；从平台部分沿径向向内延伸的柄部分；从柄部分的面沿轴向延伸的天使翼；以及沿天使翼的长度设置的多个空隙，多个空隙中的各个沿径向延伸穿过天使翼。
在另一个实施例中，本发明提供了一种燃气涡轮，其包括：扩散器；以及扩散器附近的末级涡轮动叶，末级涡轮动叶包括：从平台部分沿径向向外延伸的翼型件；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天使翼，天使翼包括沿天使翼的长度设置的多个空隙，多个空隙中的各个沿径向延伸穿过天使翼。
在又一个实施例中，本发明提供了一种涡轮动叶，其包括：天使翼；以及沿天使翼的长度的多个空隙，其中多个空隙中的各个包括凹面，其沿径向延伸穿过天使翼并且关于涡轮动叶的纵轴线和涡轮动叶的旋转方向两者成角。
技术方案1.一种涡轮动叶，包括：
平台部分；
从所述平台部分沿径向向外延伸的翼型件；
从所述平台部分沿径向向内延伸的柄部分；
从所述柄部分的面沿轴向延伸的天使翼；以及
沿所述天使翼的长度设置的多个空隙，所述多个空隙中的各个沿径向延伸穿过所述天使翼。
技术方案2.根据技术方案1所述的涡轮动叶，其特征在于，在操作状态中，所述多个空隙适于改变所述天使翼与所述平台部分之间的吹扫空气的涡流速度。
技术方案3.根据技术方案2所述的涡轮动叶，其特征在于，所述涡轮动叶还包括：
从所述平台部分沿轴向延伸的平台唇部。
技术方案4.根据技术方案3所述的涡轮动叶，其特征在于，所述吹扫空气设置在所述天使翼与所述平台唇部之间。
技术方案5.根据技术方案1所述的涡轮动叶，其特征在于，所述多个空隙中的至少一个包括矩形截面形状。
技术方案6.根据技术方案1所述的涡轮动叶，其特征在于，所述多个空隙中的至少一个包括凹面。
技术方案7.根据技术方案6所述的涡轮动叶，其特征在于，所述凹面沿轴向成角。
技术方案8.根据技术方案6所述的涡轮动叶，其特征在于，所述凹面关于所述涡轮动叶的旋转方向成角。
技术方案9.根据技术方案1所述的涡轮动叶，其特征在于，所述多个空隙沿所述天使翼的长度非均匀地分布。
技术方案10.一种燃气涡轮，包括：
扩散器；以及
所述扩散器附近的末级涡轮动叶，所述末级涡轮动叶包括：
从平台部分沿径向向外延伸的翼型件；
从所述平台部分沿径向向内延伸的柄部分；以及
从所述柄部分的面沿轴向延伸的天使翼，所述天使翼包括沿所述天使翼的长度设置的多个空隙，所述多个空隙中的各个沿径向延伸穿过所述天使翼。
技术方案11.根据技术方案10所述的燃气涡轮，其特征在于，在操作状态中，所述多个空隙适于增大所述扩散器的入口处的总压力(PT)波峰。
技术方案12.根据技术方案11所述的燃气涡轮，其特征在于，所述多个空隙适于增大所述扩散器的所述入口的内半径附近的PT。
技术方案13.根据技术方案10所述的燃气涡轮，其特征在于，在操作状态中，所述多个空隙适于减小所述扩散器的所述入口处的涡流波峰。
技术方案14.根据技术方案13所述的燃气涡轮，其特征在于，在操作状态中，所述多个空隙适于减小所述扩散器的所述入口的内半径附近的涡流波峰。
技术方案15.根据技术方案10所述的燃气涡轮，其特征在于，所述多个空隙中的至少一个包括矩形截面形状。
技术方案16.根据技术方案10所述的燃气涡轮，其特征在于，所述多个空隙中的至少一个包括凹面。
技术方案17.根据技术方案16所述的燃气涡轮，其特征在于，所述凹面沿轴向成角。
技术方案18.根据技术方案16所述的燃气涡轮，其特征在于，所述凹面关于所述涡轮动叶的旋转方向成角。
技术方案19.根据技术方案10所述的燃气涡轮，其特征在于，所述多个空隙沿所述天使翼均匀分布。
技术方案20.一种涡轮动叶，包括：
天使翼；以及
沿所述天使翼的长度的多个空隙，
其中所述多个空隙中的各个包括凹面，其沿径向延伸穿过所述天使翼并且关于所述涡轮动叶的纵轴线和所述涡轮动叶的旋转方向两者成角。
附图说明
本发明的这些及其它特征将从结合附图进行的本发明的各种方面的以下详细描述更容易理解到，该附图描绘了本发明的各种实施例，在该附图中：
图1示出了已知涡轮的一部分的示意性截面图；
图2示出了已知涡轮动叶的透视图；
图3示出了根据本发明的实施例的涡轮动叶的一部分的透视图；
图4示出了图3的涡轮动叶的一部分的沿轴向向内看的视图；
图5示出了图3的涡轮动叶的一部分的沿径向向下看的视图；
图6示出了已知涡轮动叶中的吹扫空气流的示意图；
图7示出了根据本发明的实施例的涡轮动叶中的吹扫空气流的示意图；
图8示出了根据本发明的实施例的末级涡轮动叶和扩散器的示意图；
图9示出了用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涡流波峰曲线的图表；以及
图10示出了用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波峰曲线的图表。
注意的是，本发明的附图并未按比例。附图旨在仅描绘本发明的典型方面，并且因此不应当看作是限制本发明的范围。在附图中，相似的标记在附图间表示相似的元件。
部件列表
10燃气涡轮
20第一级喷嘴
22第二级喷嘴
26轮空间
28热气体流动路径
30喷嘴表面
32阻挡部件
40涡轮动叶
42大致平面平台
44平台唇部
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
110A沿径向向外的开口
110B沿径向向内的开口
112凸面
114凹面
140末级动叶(LSB)
195热气体
300扩散器
310扩散器入口平面
320支柱。
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之间的动叶40的燃气涡轮10的一部分的示意性截面图。动叶40从沿轴向延伸的转子(未示出)沿径向向外延伸，如本领域技术人员将认识到的。动叶40包括大致平面的平台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，不同数量和布置的天使翼密封件是可能的，并且在本发明的范围内。本文中所述的天使翼密封件的数量和布置仅出于图示的目的来提供。
如可在图1中看到的，喷嘴表面30和阻挡部件32从第一级喷嘴20沿轴向延伸，并且分别从天使翼密封件70和72中的各个沿径向向外设置。就此而言，喷嘴表面30与天使翼密封件70重叠，但不接触天使翼密封件70，并且阻挡部件32与天使翼密封件72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，一定量的吹扫空气可设置在例如喷嘴表面30、天使翼密封件70和平台唇部44之间，从而限制了吹扫空气逸出到热气体流动路径28中和热气体从热气体流动路径28侵入到轮空间26中两者。
虽然图1示出了设置在第一级喷嘴20与第二级喷嘴22之间的动叶40，使得动叶40代表第一级动叶，但这仅是出于图示和阐释的目的。本文中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动叶。
图2示出了动叶40的一部分的透视图。如可看到的，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更接近前缘52的面62。
图3示出了根据本发明的实施例的涡轮动叶40的一部分的透视图。如可在图3中看到的，多个空隙110沿径向延伸穿过天使翼70。如图3中所示，多个空隙110沿天使翼70沿轴向向内设置，相比天使翼边沿74更接近面62。多个空隙110中的各个在图4中示出，其具有矩形截面形状(即，沿径向向内看的矩形形状)，但这既不是必要的也不是基本的。如本领域技术人员将认识到的，任何数量的截面形状可被使用，并且在本发明的范围内。
如图3中所示，多个空隙110沿天使翼70的长度大致均匀地设置。然而，注意的是，这既不是必要的也不是基本的。根据本发明的其它实施例，多个空隙110可沿天使翼70的长度不均匀地设置，使得空隙在天使翼70的一个端部处比在另一个端部处更多，朝天使翼70的中部更多，或任何其它构造。
图4示出了穿过天使翼70截取的涡轮动叶40的一部分的沿轴向向内看的截面图。如可在图4中看到的，并且根据本发明的一个实施例，空隙110包括形成穿过天使翼70的弯曲或弓形通路的凸面112和凹面114。就是说，空隙110遵循从沿径向向外的开口110A沿凸面112和凹面114至沿径向向内的开口110B的路径。沿径向向内的开口110B由此设置成相比沿径向向外的开口110A更接近天使翼70的端部70A。
穿过天使翼70的空隙110的该弯曲或弓形形状增大天使翼70与平台唇部44之间的吹扫空气的涡流速度。如将在下面更详细阐释的，这产生限制热气体侵入到轮空间26中(图1)的幕帘效应，同时减少了从轮空间26逸出的吹扫空气量。
图5示出了涡轮动叶40的一部分的沿径向向下看的视图。可看到各个空隙110的凹面114。此外，如图4中所示，凹面114也沿轴向成角。就是说，凹面114关于涡轮动叶40的纵轴线RL和旋转方向R两者成角。因此，空隙110的形状在它们沿径向向外穿过天使翼70时，将涡流给予吹扫气体，将吹扫气体沿轴向朝天使翼边沿74和沿侧向朝天使翼70的端部70A引导。
图6示出了已知涡轮动叶中的吹扫空气流的示意图。吹扫空气80示为集中，并且在更接近面62的区域82中具有较高的涡流速度。相比之下，图7为示出根据本发明的各种实施例的空隙110(图5)对吹扫空气80的影响的示意图。在此处，相比于图6，其中吹扫空气80集中并且呈现出较高的涡流速度的区域83与面62距离更远。这实际上在区域83处产生了幕帘效应，限制了热气体95从热气体流动路径28侵入，同时减少了从轮空间26逸出到热气体流动路径28中的吹扫空气80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量的因素。首先，如上文提到的，涡流速度的增大减少了吹扫空气逸出到热气体流动路径28中，涡流的增加减少了可归因于这样逸出的任何吹扫空气的混合损失，并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侵入到轮空间26中。这些中的各个有助于观察到的提高的效率。
此外，所需的吹扫空气的总量出于至少两个原因减少。首先，泄漏的吹扫空气的减少必然地减少必须替换的吹扫空气，这对涡轮效率具有直接的有利影响。第二，热气体侵入到轮空间26中的减少降低轮空间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各种减少了对其它系统构件的需求，如，吹扫空气从其提供的压缩机。
尽管上文提到了天使翼中的空隙改变轮空间内和特别是早先的级的涡轮动叶附近的轮空间内的吹扫空气的涡流速度的能力，但应当注意，此类天使翼空隙可用于具有关于吹扫空气涡流速度和角的类似变化的任何级的涡轮动叶上。实际上，申请人注意到了在天使翼边沿空隙用于末级动叶(LSB)中时的非常有利的结果。
扩散器入口的内半径区域处的总压力(PT)和涡流曲线中的波峰是热气流与离开LSB附近的轮空间的吹扫空气的涡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天使翼空隙能够既增大接近内半径的扩散器入口处的PT波峰，同时又减小相同位置处或附近的涡流波峰。这些中的各个改进了扩散器性能。例如，已经发现天使翼空隙使离开LSB轮空间的吹扫空气的涡流角改变1到3度，同时还使PT波峰增大15%到30%。
图8示出了扩散器300附近的LSB140的示意图。热气体195在扩散器入口平面310处进入扩散器300，并且朝支柱320经过。根据本发明的实施例的空隙在吹扫空气与热气体195组合时减少了吹扫空气的涡流失配，在热气体195进入支柱320时防止热气体195的分离。同时，空隙增大了PT波峰。
图9示出了随扩散器入口平面高度变化的涡流波峰的图表。曲线A表示根据本发明的实施例的具有天使翼空隙的涡轮的涡流波峰曲线。曲线B表示本领域中已知的具有天使翼的涡轮的涡流波峰曲线。曲线A呈现出扩散器入口平面的径向向内位置处的涡流波峰的显著减小。
图10示出了随扩散器入口平面高度变化的PT波峰的图表。曲线A表示根据本发明的实施例的具有天使翼空隙的涡轮的PT波峰曲线。曲线B表示本领域中已知的具有天使翼的涡轮的PT波峰曲线。曲线A呈现出扩散器入口平面的径向向内位置处的PT波峰的增大。
如本文中使用的，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示。还将理解的是，用语"包括"和/或"包含"在用于本说明书中时表示叙述的特征、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/或它们的组合。
该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何相关或并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种涡轮动叶(40)，包括：
平台部分(42)；
从所述平台部分(42)沿径向向外延伸的翼型件(50)；
从所述平台部分(42)沿径向向内延伸的柄部分(60)；
从所述柄部分(60)的面(62)沿轴向延伸的天使翼(70)；以及
沿所述天使翼(70)的长度设置的多个空隙(110)，所述多个空隙(110)中的各个沿径向延伸穿过所述天使翼(70)。
2.根据权利要求1所述的涡轮动叶，其特征在于，在操作状态中，所述多个空隙(110)适于改变所述天使翼(70)与所述平台部分(42)之间的吹扫空气(80)的涡流速度。
3.根据权利要求2所述的涡轮动叶，其特征在于，所述涡轮动叶还包括：
从所述平台部分(42)沿轴向延伸的平台唇部(44)。
4.根据权利要求3所述的涡轮动叶，其特征在于，所述吹扫空气(80)设置在所述天使翼(70)与所述平台唇部(44)之间。
5.根据权利要求1所述的涡轮动叶，其特征在于，所述多个空隙(110)中的至少一个包括矩形截面形状。
6.根据权利要求1所述的涡轮动叶，其特征在于，所述多个空隙(110)中的至少一个包括凹面(114)。
7.根据权利要求6所述的涡轮动叶，其特征在于，所述凹面(114)沿轴向成角。
8.根据权利要求6所述的涡轮动叶，其特征在于，所述凹面(114)关于所述涡轮动叶(40)的旋转方向成角。
9.根据权利要求1所述的涡轮动叶，其特征在于，所述多个空隙(110)沿所述天使翼(70)的长度非均匀地分布。
10.一种燃气涡轮(40)，包括：
扩散器(300)；以及
所述扩散器(300)附近的末级涡轮动叶(140)，所述末级涡轮动叶(140)包括：
从平台部分(42)沿径向向外延伸的翼型件(50)；
从所述平台部分(42)沿径向向内延伸的柄部分(60)；以及
从所述柄部分(60)的面(62)沿轴向延伸的天使翼(70)，所述天使翼(70)包括沿所述天使翼(70)的长度设置的多个空隙(110)，所述多个空隙中的各个沿径向延伸穿过所述天使翼。
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