CN105917098B - 用于燃气涡轮发动机的涡轮的涡轮导流盘 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于燃气涡轮发动机(100)的涡轮级(415)。涡轮级(415)包括涡轮盘(435)和涡轮导流盘(460)，在其间形成腔体(466)。涡轮级(415)还包括由至少两个齿(468)组成的出口流阻断器(464)。齿(468)可彼此径向地分开定位，每个齿(468)包括在轴向方向延伸的长度(456)和在径向方向延伸的宽度(457)。在齿(468)和轴向地邻近表面(452)之间形成通道(475)。在每对齿(468)之间形成再循环区域(469)。

Description

用于燃气涡轮发动机的涡轮的涡轮导流盘

技术领域

本公开通常涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地说涉及一种具有配置为用于维持下游部件的出口流阻断器的涡轮。

背景技术

燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器和涡轮段。燃气涡轮发动机的部分处于高温下。具体地说，跨过涡轮的叶片的热空气流可排出至涡轮内的气腔中。此热空气可以提升腔体的温度并且降低部件的寿命。

授予G.Pask的第4,218,189号美国专利公开了一种用于燃气涡轮发动机的带叶片的转子，带叶片的转子包括：转子盘，其外围中具有多个叶片保持槽以及安装在每个槽中的转子叶片；以及转子与邻近静止结构之间的密封装置，其包括来自邻近于盘外围且适用于与静止结构上的环形特征共同作用的环形凸起。

本公开涉及克服由发明者发现的一个或多个问题。

发明内容

公开了一种燃气涡轮发动机涡轮级。涡轮级包括涡轮导流盘和涡轮盘。涡轮导流盘位于涡轮盘附近。涡轮盘和涡轮导流盘形成其间的腔体。涡轮盘包括环形平表面。涡轮导流盘包括外部圆周和轴向相对表面。涡轮导流盘还包括位于涡轮导流盘的轴向相对表面附近并且与涡轮盘的环形平表面轴向分隔的出口流阻断器。出口流阻断器包括从涡轮导流盘的轴向相对表面朝向涡轮盘的环形平表面轴向延伸第一长度的环形第一齿。第一齿沿邻近涡轮导流盘外部圆周的第一齿的基部径向地延伸第一宽度。出口流阻断器还包括从涡轮导流盘的轴向相对表面朝向涡轮盘的环形平表面轴向延伸第二长度的环形第二齿。第二齿沿第二齿的基部径向地延伸第二宽度。第二齿与第一齿径向地间隔第一距离，从而形成其间的第一再循环区域。

附图说明

图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图。

图2是图1的燃气涡轮发动机涡轮的一部分的横截面图。

图3是图2的燃气涡轮发动机涡轮导流盘的一部分的横截面图。

图4是图3的燃气涡轮发动机涡轮导流盘的横截面透视图。

图5是燃气涡轮发动机涡轮的横截面图。

图6是燃气涡轮发动机涡轮的横截面图。

具体实施方式

本文公开的系统和方法包括用于燃气涡轮发动机的涡轮级的出口流阻断器。出口流阻断器可以位于燃气涡轮发动机的一个或多个涡轮导流盘和/或燃气涡轮发动机的涡轮盘上。出口流阻断器可以采用齿来阻断空气流。齿可以增加流过某些腔体(诸如涡轮导流盘与涡轮盘之间的腔体)的冷却空气的压力。齿可以防止热燃烧气体吸入腔体中。压力增加可以降低腔体内的温度并且延长燃气涡轮发动机部件的使用寿命。

图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图。为了清楚起见和便于解释， (在此处和其它图中)已经省略或放大了某些表面。另外，本公开可以参考向前和向后方向。通常，除非另有规定，否则对“向前”和“向后”的所有参考均与初级空气(即，在燃烧过程中使用的空气)的流动方向相关联。例如，向前是相对于初级气流的“上游”，且向后是相对于初级气流的“下游”。

另外，本公开通常可以参考燃气涡轮发动机的旋转的中心轴线95，其通常可以由其轴120(由多个轴承组件150支撑)的纵向轴线限定。中心轴线95可以为各种其它发动机同心部件所共有或共享。除非另有规定，否则对径向、轴向和圆周方向以及测量的所有参考均是指中心轴线95，且诸如“内部”和“外部”的术语通常指示相距的更小或更大径向距离，其中径向96可以在垂直于中心轴线95和从中心轴线95向外辐射的任何方向上。

燃气涡轮发动机100包括入口110、轴120、气体产生器或“压缩机” 200、燃烧器300、涡轮400、排气口500和功率输出联接器600。燃气涡轮发动机100可以具有单轴或双轴配置。

压缩机200包括压缩机转子组件210和压缩机固定机叶(“定子”)250。压缩机转子组件210机械地联接至轴120。如图所示，压缩机转子组件210 是轴向流转子组件。压缩机转子组件210包括一个或多个压缩机盘组件 220。每个压缩机盘组件220包括圆周地组装有压缩机转子叶片的压缩机转子盘。定子250轴向地设于每个压缩机盘组件220前面。每个压缩机盘组件220与设于压缩机盘组件220前面的邻近定子250成对设置，并视为压缩机级。压缩机200包括多个压缩机级。

燃烧器300包括一个或多个喷射器350和一个或多个燃烧室390。

涡轮400包括涡轮转子组件410、涡轮喷嘴450以及一个或多个涡轮导流盘460。涡轮转子组件410机械地联接至轴120。如图所示，涡轮转子组件410为轴向流转子组件。涡轮转子组件410包括一个或多个涡轮盘组件420。每个涡轮盘组件420包括涡轮盘430(如图2所示)，涡轮盘430 圆周地组装有涡轮叶片440(如图2所示)。涡轮喷嘴450轴向地设于每个涡轮盘组件420的前面。涡轮导流盘460可支撑涡轮喷嘴450并可位于涡轮喷嘴450径向向内位置处。每个涡轮盘组件420与相邻的涡轮导流盘460 和设于涡轮盘组件420前面的涡轮喷嘴450成对设置，并视为涡轮级。涡轮400包括多个涡轮级。排气口500包括排气扩压器510和排气收集器520。功率输出联接器600可位于轴120的端部。

图2是图1的涡轮400的一部分的横截面图。对径向、轴向和圆周方向以及测量的所有参考均是指涡轮导流盘460的轴线，所述涡轮导流盘460 的轴线与中心轴线95同心设置。

涡轮导流盘460可包括内部圆柱形部分461、盘部分462和安装部分 463。内部圆柱形部分461可为中空圆形圆筒的形式，所述中空圆形圆筒具有可变厚度并在其内部限定孔。安装部分463可为圆形片并位于内部圆柱形部分461径向向外的位置处。如图2所示，安装部分463可位于涡轮喷嘴450径向向内的位置处并可配置为与涡轮喷嘴450联接。安装部分463可包括安装孔467。盘部分462可包括导流盘孔474。

盘部分462可在内部圆柱形部分461和安装部分463之间径向延伸。当在内部圆柱形部分461和安装部分463之间径向横跨时，盘部分462还可轴向地向前和轴向地向后延伸。盘部分462还可具有可变厚度。内部圆柱形部分461、盘部分462和安装部分463完全沿涡轮导流盘460的轴线圆周地延伸。内部圆柱形部分461、安装部分463以及盘部分462可配置为形成第一腔体465，所述第一腔体465位于盘部分462轴向向前位置处，并径向地位于安装部分463与内部圆柱形部分461之间。

每个涡轮级可包括出口流阻断器464。在如图2所示的实施例中，出口流阻断器464位于第二涡轮级416内。在某些实施例中，向前导流盘470 为第一级导流盘，第一涡轮盘430为第一级涡轮盘，涡轮导流盘460为第二级导流盘，以及第二涡轮盘435为第二级涡轮盘。

仍然参考图2，每个涡轮喷嘴450包括外壁454、内壁455以及喷嘴叶片451。每个外壁454具有弧形的形状并连接至涡轮壳体(未示出)。内壁455位于外壁454径向向内位置处。每个内壁455具有弧形的形状并可连接至安装部分463处的涡轮导流盘460。一个或多个喷嘴叶片451横跨在外壁454与内壁455之间。

涡轮盘组件420可位于涡轮导流盘460轴向向前位置处，并包括具有多个涡轮叶片440的第一涡轮盘430。另一涡轮盘组件420可位于涡轮导流盘460轴向向后位置处，并包括具有多个涡轮叶片440的第二涡轮盘 435。第一涡轮盘430和第二涡轮盘435可配置有孔(未示出)以便联接至轴120(如图1所示)。第一涡轮盘430可包括盘孔432。第一腔体465 可由第一涡轮盘430的向后相对表面所限制。第二涡轮盘435的轴向向前相对表面和涡轮导流盘460可限定第二腔体466。在其它实施例中，出口流阻断器位于涡轮盘(未示出)上。

第一涡轮盘430还可包括轴向向后或径向向外延伸的第一迷宫式螺纹 431。第二涡轮盘435可包括轴向向前和径向向外延伸的第二迷宫式螺纹 436。第二迷宫式螺纹436可位于第一迷宫式螺纹431轴向向后位置处。第一迷宫式螺纹431和第二迷宫式螺纹436都可位于涡轮导流盘460径向向内位置处。孔波状表面439可位于涡轮导流盘460径向向内、并轴向地与涡轮导流盘460相邻的位置处，并可位于涡轮导流盘460的孔内。如图 2所示的实施例中，第一迷宫式螺纹431、第二迷宫式螺纹436和孔波状表面439形成在涡轮导流盘460的孔内的迷宫式密封件。

涡轮叶片440可轴向地或圆周地安装至第一涡轮盘430和第二涡轮盘 435。涡轮400还可包括护罩445，所述护罩445可位于涡轮叶片440径向向外的位置处，并与涡轮叶片440隔开。护罩445可附接到涡轮壳体(未示出)。

涡轮400还可包括向前导流盘470、向前迷宫式密封件480以及向后迷宫式密封件490。向前导流盘470位于第一涡轮盘430轴向向前位置处。向前导流盘470还可配置为与涡轮喷嘴450联接。第三腔体473的轴向后端部可由第一涡轮盘430的轴向向前相对表面所限制。

向前迷宫式密封件480可位于向前导流盘470和第一涡轮盘430之间的第三腔体473内。向前迷宫式密封件480可在第一涡轮盘430的向前轴向面处联接至第一涡轮盘430。向前迷宫式密封件480包括向前外部迷宫式螺纹481、向前内部迷宫式螺纹482、向前迷宫式孔483、向前外部波状表面488以及向前内部波状表面489。向前外部波状表面488可邻近外部部分471和向前外部迷宫式螺纹481。向前外部波状表面488可位于外部部分471径向向内位置处，并位于向前外部迷宫式螺纹481径向向外位置处。向前内部波状表面489可邻近内部部分472和向前内部迷宫式螺纹 482。向前内部波状表面489可位于内部部分472径向向外位置处，并位于向前内部迷宫式螺纹482径向向内位置处。

向后迷宫式密封件490可定位在涡轮导流盘460和第一涡轮盘430之间的第一腔体465内。向后迷宫式密封件490可在第一涡轮盘430的向后轴向面处联接至第一涡轮盘430。向后迷宫式密封件490包括向后外部迷宫式螺纹491、向后内部迷宫式螺纹492、向后迷宫式孔493、向后外部波状表面498以及向后内部波状表面499。向后外部波状表面498可邻近安装部分463和向后外部迷宫式螺纹491。向后外部波状表面498可位于安装部分463径向向内位置处，并可位于向后外部迷宫式螺纹491径向向外位置处。向后内部波状表面499可邻近内部圆柱形部分461和向后内部迷宫式螺纹492。向后内部波状表面499可位于圆柱形部分461径向向外位置处，并可位于向后内部迷宫式螺纹492径向向内位置处。

图3是图2所示的涡轮的放大的横截面图，主要是涡轮导流盘460和第二涡轮盘435(在下文中一般称为涡轮盘435)。出口流阻断器464可位于邻近涡轮导流盘460的位置处。出口流阻断器464可包括齿468和再循环区域469。在某些实施例中，齿为环形的。出口流阻断器464可包括两个或多个齿468，所述两个或多个齿468以环形图案位于安装部分463的向后表面459上。在某些实施例中，出口流阻断器464包括两个、三个、四个、五个或六个齿。

每个齿可具有齿高(或者有时候称为齿的长度)456，以及齿宽457。在某些实施例中，齿高456范围可从0.102厘米(0.04英寸)到30.48厘米(12英寸)。在某些实施例中，齿宽457的长度范围可从0.102厘米(0.04 英寸)到10.16厘米(4英寸)。在某些实施例中，可在齿的基部处测量齿宽。在某些实施例中，齿高与齿宽的纵横比可以是2:1。在某些实施例中，所有齿的齿高是相同的。在某些实施例中，所有齿的齿宽是相同的。

在某些实施例中，每个齿468可以是具有矩形横截面的环形形状。在某些实施例中，每个齿468可以是具有三角形或圆形横截面的环形形状。在某些实施例中，每个齿468可具有沿着齿高或齿宽形成锥形的特征。在某些实施例中，每个齿468可具有沿着齿高或齿宽形成斜面或圆形的特征。向后齿表面453可具有形成圆形表面或平表面的特征。每个齿可围绕安装部分463的向后表面459圆周地延伸，并且围绕安装部分463向后表面459 的后部轴向地延伸，从而在每对齿之间形成通道。在某些实施例中，齿468 可朝着涡轮盘435的平的环形表面452延伸。出口流阻断器464的齿可作为齿的环形图案定位，开始接近于该导流盘460的外部表面并自该导流盘 460的外部表面径向地向内延伸。在某些实施例中，成排的齿可以径向地向内延伸到盘部分462上(未示出)。

出口流阻断器464可包括在所有齿468的轴向端部和涡轮盘邻近轴向壁(在下文中称作为盘-导流盘间隙475)之间的距离。在某些实施例中，盘-导流盘间隙475可始终贯穿所有齿。

通过齿高456和通道壁458可几何地限定每个再循环区域469。在某些实施例中，通道壁458的长度范围可从0.102厘米(0.04英寸)到30.48 厘米(12英寸)。在某些实施例中，齿高456范围可从0.102厘米(0.04 英寸)到30.48厘米(12英寸)。在某些实施例中，齿高456与通道壁458 的纵横比范围可从0.5到10。上述纵横比每个可与出口流阻断器的效率相关联。

再循环区域469可位于出口流阻断器464的每对齿468之间形成的通道内。在某些实施例中，再循环区域469包括每对齿之间的通道以及向后齿表面453与涡轮盘435的向前表面之间的通道。再循环区域可产生缓冲空气11以减少从燃烧阶段流出的热气流12的进入。

图4是图3示出的涡轮导流盘460的横截面透视图。如图所示，齿从安装部分463延伸并且围绕安装部分463的向后表面圆周地延伸。另外，齿可以呈均匀形状。在某些实施例中，齿向内延伸进入盘部分462。在某些实施例中，位于邻近涡轮导流盘460的外部圆周的第一齿可比其余的齿 (未示出)长或宽。

图5是燃气涡轮发动机涡轮的一个实施例的横截面图。如图所示，每个齿的向后齿表面453可以是成角度的。向后齿表面453的角度可与第二涡轮盘435的平的环形表面452是平行的。在这些实施例中，盘-导流盘间隙475可始终贯穿所有齿。

图6是燃气涡轮发动机涡轮的一个可选实施例的横截面图。如图所示，出口流阻断器464可位于第二涡轮盘435的向前表面449上。在这些实施例中，齿468可自第二涡轮盘435的向前表面449朝着涡轮导流盘460轴向地延伸。在某些实施例中，齿468可朝着涡轮导流盘460的安装部分463 轴向地延伸。另外，在某些实施例中，安装部分463是平的。如图所示，再循环区域469可在每对齿468之间形成。在这些实施例中，齿会对涡轮盘的结构提出结构上的挑战。

以上一个或多个部件(或它们的子部件)可以由不锈钢和/或称为“超合金”的耐用、高温材料制成。超合金或高性能合金是在高温下展现出优良的机械强度和耐蠕变性、呈现良好的表面稳定性以及耐腐蚀和抗氧化性的合金。

超合金可以包括诸如合金x、沃斯帕洛伊合金、RENE合金、合金188、合金230、耐热铬镍铁合金、MP98T、TMS合金以及CMSX单晶合金的材料。

工业实用性

燃气涡轮发动机可以适用于任何数量的行业应用，诸如石油天然气行业的各个方面(包括石油天然气的集输、储存、回收和提升)、发电行业、热电联产、航空和其它运输行业。

参考图1，气体(通常空气10)进入入口110作为“工作流体”并且由压缩机200压缩。在压缩机200中，工作流体是在环形流动路径115中由该系列压缩机盘组件220压缩。具体地说，空气10是在带编号的“级”中压缩，该级与每个压缩机盘组件220相关联。例如，“第4级空气”可以与下游或向后方向上(从入口110朝向排气口500)的第4个压缩机盘组件220相关联。同样地，每个涡轮盘组件420可以与带编号的级相关联。

一旦压缩空气10离开压缩机200，其进入燃烧器300，在燃烧器300 中扩散压缩空气200并且添加燃料20。空气10和燃料20经由喷射器350 喷射至燃烧室390中并且点燃。在燃烧反应之后，接着经由涡轮400通过该系列涡轮盘组件420的每一级从已燃烧气体中提取能量。排气90接着可以扩散在排气扩压器510中并且经由排气收集器520收集、改向和离开该系统。排气90还可以经进一步处理(例如，从而减少有害排放和/或回收来自排气90的热量)。

燃气涡轮发动机的运行效率通常随着燃烧温度变高而增加。因此，燃气涡轮发动机中具有升高温度的趋势。从燃烧室到达涡轮的向前级的气体可以为1000华氏度或更高。为了在这些高温下运行，燃气涡轮发动机的压缩机的一部分压缩空气可以分流通过内部通路或腔室以冷却涡轮的各个部件，诸如涡轮导流盘和涡轮盘。在某些运行中，涡轮叶片速度可以超过10,000rpm。

到达涡轮的向前级的气体还可以处于高压力之下。从压缩机中分流的冷却空气可能需要处于压缩机排放压力下以有效地冷却位于涡轮的向前级中的涡轮部件。燃气涡轮发动机100的部件(诸如第二涡轮盘435)可以受到升高的应力级。

具有基本上轴向流的冷却空气从压缩机排放口中分流。参考图2，来自压缩机排放口的冷却空气可以通过向前导流盘470行进至冷却空气54 的路径。压缩机排放空气可以按照匹配第一涡轮盘430的角速度的切向分量离开预旋流器。冷却空气可以沿冷却空气54的路径从第三腔体473行进、穿过向前迷宫式密封件480的向前迷宫式孔483并且进入第一涡轮盘 430中而后行进至冷却空气55的路径。

冷却空气55的路径可以沿盘孔432轴向地行进穿过第一涡轮盘430。一部分冷却空气可以径向地向外分流以冷却圆周地包围第一涡轮盘430的涡轮叶片440。剩余部分的冷却空气可以沿冷却空气55的路径继续行进并且离开第一涡轮盘430的后侧上的盘孔432而至冷却空气56的路径。冷却空气56的路径可以行进穿过向后迷宫式孔493并且进入第一腔体465 中。虽然已描述了沿冷却空气54、55和56的路径的特定路径，但是也可以使用从压缩机排放口至第一腔体465的替代路径。

来自压缩机排放口的冷却空气可以经引导至第二腔体466以冷却第二涡轮盘435。来自压缩机排放口的进入第一腔体465的冷却空气可以离开第一腔体465并且沿冷却空气59的路径行进至第二腔体466。一部分冷却空气还可以沿冷却空气57的路径朝向第一涡轮盘430的径向外缘与内壁 455之间的间隙径向地向外行进。冷却空气还可以从第一腔体465行进穿过导流盘孔474并且沿路径58进入第二腔体466中。

沿着冷却空气59的路径的冷却空气可以行进穿过向后内部迷宫式螺纹492与向后内部波状表面499之间的向后迷宫式密封件490以及由第一迷宫式螺纹431、第二迷宫式螺纹436和孔波状表面439形成的迷宫式密封件。冷却空气59流入第二腔体466中以冷却第二涡轮盘435。进入第二腔体466中的冷却空气还可以来源于其它位置。

冷却空气的效率可以通过来自热气流12的热燃烧气体的进入和进入导流盘与邻近盘之间的腔体(诸如第二腔体466)中而降低。如图3中可知，热气流12流过涡轮叶片440和喷嘴叶片451并且可以排出至第二腔体466中。这可以降低行进至第二腔体466中的冷却空气的效率。热气流 12的吸入可以通过增加第二腔体466内的温度而降低某些燃气涡轮发动机部件的使用寿命。出口流阻断器464可以防止或减少燃烧气体的吸入并且可以增加燃气涡轮发动机部件的寿命。齿和再循环区域可以产生更曲折路径，这可以将冷却空气的压力增加至燃烧气体的压力之上。在运行期间，此较高压力边界可以产生对抗热气流12的进入的缓冲空气11。

前述具体实施方式在本质上仅仅是示例性的，并不意图限制本发明或本发明的应用和用途。提供了本公开的实施例的上述实施方式以使本领域的任意技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域专业技术人员来说将是显而易见的，并且在此所描述的一般原理可以不脱离本发明的精神或范围而应用于其它实施例中。因此，可理解为本文给出的实施方式和附图代表本发明的当前优选的实施例，并且从而代表由本发明广泛预期的主题。还应该理解为本发明的范围完全包括对于本领域的技术人员显而易见的其它实施例，并且本发明的范围相应地仅由所附的权利要求书来限定。

Claims (9)

1.一种用于燃气涡轮发动机(100)的涡轮(400)的涡轮导流盘(460)，所述涡轮(400)包括涡轮盘(435)，所述涡轮导流盘(460)包括：

外部圆周；

内部圆柱形部分(461)；

位于所述内部圆柱形部分(461)径向地向外位置处的盘部分(462)；

包括轴向相对表面(459)的安装部分(463)，所述安装部分(463)位于所述盘部分(462)外部；

出口流阻断器(464)包括：

第一环形齿，其从所述安装部分(463)的所述轴向相对表面(459)延伸第一长度，以及沿着邻近所述涡轮导流盘(460)所述外部圆周的所述第一环形齿的第一基部延伸第一宽度；

第二环形齿，其从所述安装部分(463)的所述轴向相对表面(459)延伸第二长度，以及沿着所述第二环形齿的第二基部延伸第二宽度；

其中所述第二环形齿与所述第一环形齿间隔第一距离，从而在其间形成第一再循环区域；以及

其中所述第一和第二长度在0.04英寸到12英寸之间，所述第一宽度和第二宽度在0.04英寸到4英寸之间，并且所述第一距离在0.04英寸到12英寸之间；

在所述出口流阻断器(464)的所有所述环形齿和所述涡轮盘(415)的所述环形平表面(452)之间的间隙(475)的大小是恒定的。

2.如权利要求1所述的涡轮导流盘(460)，其中所述出口流阻断器(464)包括延伸第三长度和第三宽度的第三环形齿，所述第三环形齿与所述第二环形齿径向地间隔第二距离，从而在其间形成第二再循环区域。

3.如权利要求2所述的涡轮导流盘(460)，其中所述出口流阻断器(464)包括延伸第四长度和第四宽度的第四环形齿，所述第四环形齿与所述第三环形齿径向地间隔第三距离，从而在其间形成第三再循环区域。

4.如权利要求1所述的涡轮导流盘(460)，其中所述第一再循环区域配置为在所述燃气涡轮发动机(100)运行期间产生空气流缓冲(11)。

5.如权利要求1所述的涡轮导流盘(460)，其中全部的所述距离包括相同的长度。

6.如权利要求1所述的涡轮导流盘(460)，其中所有所述环形齿的所述长度是相同的，以及所有所述环形齿的所述宽度是相同的。

7.如权利要求4所述的涡轮导流盘(460)，其中所述空气流缓冲(11)阻止热气流(12)的吸入到腔体(466)。

8.一种包括权利要求1所述的涡轮导流盘(460)的燃气涡轮发动机(100)的涡轮级(415)，其中所述涡轮级(415)还包括具有环形平表面(452)的涡轮盘(435)。

9.如权利要求8所述的涡轮级(415)，其中所述出口流阻断器(464)的每个环形齿包括成角度的表面(453)，每个环形齿的所述成角度的表面(453)与所述涡轮盘(415)的所述环形平表面平行。