CN105937409A - 用于控制侵入损失的涡轮轮叶平台 - Google Patents

用于控制侵入损失的涡轮轮叶平台 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于控制侵入损失的涡轮轮叶平台。具体而言，本发明的实施例大体上涉及旋转机械，并且更具体地涉及减小汽封漏汽与分别在燃气涡轮和蒸汽涡轮中的热气体或蒸汽的主流的混合。在一个实施例中，本发明提供了一种涡轮轮叶(140)，其包括：平台(142)部分；从平台(142)部分沿径向向外延伸的翼型件(150)；以及沿径向向内延伸到平台(142)部分中的至少一个凹口(194)，该至少一个凹口(194)设置成关于平台(42)部分的前缘成角度。

Description

用于控制侵入损失的涡轮轮叶平台
技术领域
本发明的实施例大体上涉及旋转机械，并且更具体地涉及减小汽封漏汽与分别在燃气涡轮和蒸汽涡轮中的热气体或蒸汽的主流的混合。
背景技术
如本领域中已知的那样，涡轮使用转子组件的轮/盘上的成排的轮叶，其在定子/喷嘴组件上与成排的静止导叶交错。这些交错排沿着转子和定子沿轴向延伸，且允许燃烧气体或蒸汽在燃烧气体或蒸汽流过其间时使转子转动。
旋转轮叶与静止喷嘴之间的对接处的轴向/径向开口可允许热燃烧气体或蒸汽流出主流，且沿径向进入轮叶排之间的居间的轮空间中。在燃气涡轮中，冷却空气或"吹扫空气"通常引导到轮叶排之间的轮空间中。该吹扫空气用于冷却构件和轮空间内的空间，以及轮叶的径向内侧的其它区域，且提供冷却空气的逆流以进一步限制热气体侵入轮空间中。然而，燃烧气体或蒸汽侵入轮叶排之间的轮空间中造成介于大约1%和大约1.5%之间的涡轮效率降低。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供了一种涡轮轮叶，其包括：平台部分；从平台部分沿径向向外延伸的翼型件；以及沿径向延伸到平台部分中的至少一个凹口，该至少一个凹口设置成关于平台部分的前缘成角度。
在另一个实施例中，本发明提供了一种涡轮，包括：第一涡轮轮叶，其包括：第一平台部分；从第一平台部分沿径向向外延伸的第一翼型件；以及沿径向向内延伸到第一平台部分中的至少一个凹口，该至少一个凹口设置成关于第一平台部分的前缘成角度；以及第二涡轮轮叶，其包括：第二平台部分；从第二平台部分沿径向向外延伸的第二翼型件；以及沿径向向内延伸到第一平台部分中的至少一个凹口，该至少一个凹口设置成关于第二平台部分的前缘成角度。
技术方案1. 一种涡轮轮叶，包括：
平台部分；
从所述平台部分沿径向向外延伸的翼型件；以及
沿径向向内延伸到所述平台部分中的至少一个凹口，所述至少一个凹口设置成关于所述平台部分的前缘成角度。
技术方案2. 根据技术方案1所述的涡轮轮叶，其中，所述至少一个凹口沿径向向内延伸至所述平台部分中至高达大约100密耳的深度。
技术方案3. 根据技术方案1所述的涡轮轮叶，其中，所述至少一个凹口从所述平台部分的前缘延伸至上游边缘。
技术方案4. 根据技术方案3所述的涡轮轮叶，其中，所述至少一个凹口关于所述平台部分的前缘成大约45°和大约80°之间的角度。
技术方案5. 根据技术方案1所述的涡轮轮叶，其中，所述至少一个凹口从所述平台部分的前缘延伸至下游边缘。
技术方案6. 根据技术方案5所述的涡轮轮叶，其中，所述至少一个凹口关于所述平台部分的前缘成大约90°和大约120°之间的角度。
技术方案7. 根据技术方案1所述的涡轮轮叶，其中，所述至少一个凹口包括：
从所述平台部分的前缘延伸至上游边缘的上游凹口；以及
从所述平台部分的前缘延伸至下游边缘的下游凹口。
技术方案8. 根据技术方案7所述的涡轮轮叶，其中，所述上游凹口关于所述平台部分的前缘成大约45°和大约80°之间的角度。
技术方案9. 根据技术方案7所述的涡轮轮叶，其中，所述下游凹口关于所述平台部分的前缘成大约90°和大约120°之间的角度。
技术方案10. 根据技术方案1所述的涡轮轮叶，其中，在操作状态中，所述至少一个凹口适于改变越过穿过所述平台部分的热气体的旋流。
技术方案11. 一种涡轮，包括：
第一涡轮轮叶，其包括：
第一平台部分；
从所述第一平台部分沿径向向外延伸的第一翼型件；以及
沿径向向内延伸到所述第一平台部分中的至少一个凹口，所述至少一个凹口设置成关于所述第一平台部分的前缘成角度；以及
第二涡轮轮叶，其包括：
第二平台部分；
从所述第二平台部分沿径向向外延伸的第二翼型件；以及
沿径向向内延伸到所述第一平台部分中的至少一个凹口，所述至少一个凹口设置成关于所述第二平台部分的前缘成角度。
技术方案12. 根据技术方案11所述的涡轮，其中，所述第一平台部分的所述至少一个凹口包括从所述第一平台部分的前缘延伸至上游边缘的上游凹口。
技术方案13. 根据技术方案11所述的涡轮，其中，所述上游凹口关于所述第一平台部分的前缘成大约45°和大约80°之间的角度。
技术方案14. 根据技术方案12所述的涡轮，其中，所述第二平台部分的所述至少一个凹口包括从所述第二平台部分的前缘延伸至下游边缘的下游凹口。
技术方案15. 根据技术方案14所述的涡轮，其中，所述下游凹口关于所述第二平台部分的前缘成大约90°和大约120°之间的角度。
技术方案16. 根据技术方案14所述的涡轮，其中，所述上游凹口设置在所述下游凹口附近。
技术方案17. 根据技术方案11所述的涡轮，其中，所述第一平台部分的所述至少一个凹口包括沿径向向内延伸到所述第一平台部分中至高达大约100密耳的深度的至少一个凹口。
技术方案18. 根据技术方案11所述的涡轮，其中，在操作状态中，所述第一平台部分的所述至少一个凹口和所述第二平台部分的所述至少一个凹口适于改变越过所述平台部分的热气体的旋流。
技术方案19. 根据技术方案11所述的涡轮，其中，在操作状态中，所述第一平台部分的所述至少一个凹口和所述第二平台部分的所述至少一个凹口适于围绕所述第一翼型件的前面引导热气体。
技术方案20. 根据技术方案11所述的涡轮，其中，在操作状态中，所述第一平台部分的所述至少一个凹口和所述第二平台部分的所述至少一个凹口适于减少在所述第一平台部分与所述第二平台部分之间沿径向向内通过的热气体。
附图说明
本发明的这些及其它特征将更容易从结合附图的本发明的各种方面的以下详细描述中理解到，附图示出了本发明的各种实施例，在附图中：
图1示出了已知的燃气涡轮的一部分的示意性截面视图；
图2示出了图1的燃气涡轮的透视图；
图3示出了根据本发明的实施例的一对涡轮轮叶的透视图；
图4示出了根据本发明的实施例的涡轮轮叶的沿径向向内看的示意图；
图5示出了关于热气流的图4的涡轮轮叶；以及
图6示出了根据本发明的实施例的蒸汽涡轮轮叶的示意图。
应注意本发明的附图并未按比例。附图仅意在绘出本发明的典型方面，且因此不应当看作限制本发明的范围。在附图中，相似的标号表示附图中的相似元件。
零件清单
10 燃气涡轮
20 第一级喷嘴
22 第二级喷嘴
26 轮空间
28 热气体流动通路
30 喷嘴表面
32 阻挡部件
40 轮叶
42 平台
44 平台唇部
50 翼型件
52 前缘
54 后缘
60 柄部
62 面
70,72,74 天使翼密封件
140 轮叶
142 平台
145 上游边缘
146 前缘
150 翼型件
152 前缘
192 上游凹口
194 下游凹口
240 轮叶
242 平台
245 上游边缘
246 前缘
247 下游边缘
250 翼型件
252 前缘
253 前面
280 热气体
292 上游凹口
294 下游凹口
340 轮叶
342 平台
345 上游边缘
346 前缘
347 下游边缘
350 翼型件
353 前面
380 热气体
392 上游凹口
394 下游凹口
442 平台
445 上游边缘
446 前缘
447 下游边缘
492 上游凹口
494 下游凹口。
具体实施方式
现在转到附图，图1示出了燃气涡轮10的一部分的示意性截面视图，其包括设置在第一级喷嘴20与第二级喷嘴22之间的轮叶40。如本领域的技术人员将认识到的那样，轮叶40从沿轴向延伸的转子(未示出)沿径向向外延伸。轮叶40包括大致平坦的平台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60。
柄部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，且处于本发明的范围内。本文所述的天使翼密封件的数目和布置仅设置用于图示的目的。
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叠盖但不接触天使翼密封件70，且阻挡部件32叠盖但不接触天使翼密封件72。类似的布置关于第二级喷嘴22的阻挡部件32和天使翼密封件74示出。在图1中所示的布置中，在涡轮的操作期间，例如，一定量的吹扫空气可设置在喷嘴表面30、天使翼密封件70和平台唇部44之间，从而限制吹扫空气散逸到热气体流动通路28中和热气体从热气体通路28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之间的轮叶40，使得轮叶40代表第一级轮叶，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关于实现相似结果的预期应用于涡轮中的任何级的轮叶。
图2示出了轮叶40的一部分的透视图。如图可见，翼型件50包括前缘52和后缘54。柄部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一对轮叶140、240的透视图。这里，轮叶140包括沿翼型件150的前缘152附近的平台142的一对凹口192、194。具体而言，平台142包括上游凹口192和下游凹口194。平台242包括沿翼型件250的前缘252附近的平台242的下游凹口294，以及轮叶140的上游凹口192。
凹口192、194、294可根据任何已知或随后开发的方法机加工到平台142、242中。作为备选，凹口192、194、294可铸造成平台142、242的一部分。
图4示出了根据本发明的实施例的三个轮叶140、240、340的沿径向向内看的示意图。如图3中那样，上游凹口192从前缘146延伸至平台142的上游边缘145。上游凹口192在下游凹口294附近，下游凹口294从前缘246延伸至平台242的下游边缘247。类似地，上游凹口292从前缘246延伸至平台242的上游边缘245。上游凹口292在下游凹口394附近，下游凹口394从前缘346延伸至平台342的下游边缘347。
图5示出了相对于热气体280、380的流的轮叶140、240、340的沿径向向内看的示意图。凹口192、294、292、394改变热气体280、380的流。具体而言，凹口192、294、292、394作用为改变热气体280、380的旋流，其分别围绕翼型件250、350的前面253、353引导。围绕翼型件250的前面253引导热气体280减少热气体280侵入平台142和242之间和轮空间26(图1)中。减少热气体280侵入轮空间26中改善涡轮效率。通常，涡轮效率改善达到大约0.08%，其中根据本发明的实施例的凹口用于燃气涡轮的高压和/或中压级中。
热气体280、380的旋流改变的程度例如取决于凹口192、294、292、394沿径向向内延伸到平台142、242、342中的深度。通常，凹口192、294、292、394沿径向向内延伸到平台142、242、342中至高达大约100密耳(即，大约0.1英寸)的深度，例如，至大约10密耳和大约100密耳之间的深度，或大约20密耳和大约90密耳之间，或大约30密耳和大约80密耳之间，或大约40密耳和大约70密耳之间，或大约50密耳和大约60密耳之间。
类似地，热气体280、380的旋流改变的程度取决于凹口192、294、292、394关于平台前缘146、246、346设置所处的角度。上游凹口192、292、392通常关于平台前缘146、246、346成大约45°和大约80°之间的角度。下游凹口194、294、394通常关于平台前缘146、246、346成大约90°和大约120°之间的角度。如本文所述且如图3-图5中所示，凹口192、294、292、394的角度如从上游边缘145、245、345测得的那样成角度。
上文关于燃气涡轮的操作描述的平台凹口的操作原理还可适用于蒸汽涡轮的操作。例如，图6示出了根据本发明的实施例的蒸汽涡轮轮叶440的示意性侧视图。放大视图A和B分别示出了上游边缘445和下游边缘447附近的平台442的沿径向向内看的视图。在放大视图A中，上游凹口492示为关于前缘446以角度α成角度。在放大视图B中，下游凹口492示为关于前缘446以角度β成角度。
如上文关于图3-图5所述，上游凹口492和下游凹口494沿径向向内延伸到平台442中至高达大约100密耳的深度，例如，至大约10密耳和大约100密耳之间的深度，或大约20密耳和大约90密耳之间，或大约30密耳和大约80密耳之间，或大约40密耳和大约70密耳之间，或大约50密耳和大约60密耳之间。使用根据本发明的实施例的平台凹口的蒸汽涡轮的效率提高类似于上文关于燃气涡轮所述的那些。通常，观察到达到大约0.08%的效率提高。
如本文使用的单数形式"一个"、"一种"和"该"还意在包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。还将理解的是，用语"包括"和/或"包含"在用于此说明书中时表示指出的特征、整体、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多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、构件和/或其组合。
该书面描述使用示例来公开本发明，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以及执行任何包含的方法。本发明可申请专利的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示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构要素，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种涡轮轮叶(140)，包括：
平台(142)部分；
从所述平台(142)部分沿径向向外延伸的翼型件(150)；以及
沿径向向内延伸到所述平台(142)部分中的至少一个凹口(194)，所述至少一个凹口(194)设置成关于所述平台(42)部分的前缘成角度。
2.根据权利要求1所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述至少一个凹口(194)沿径向向内延伸到所述平台(142)部分中至高达大约100密耳的深度。
3.根据权利要求1所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述至少一个凹口(194)从所述平台(142)部分的前缘(146)延伸至上游边缘(145)。
4.根据权利要求3所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述至少一个凹口(194)关于所述平台(142)部分的前缘(146)成大约45°和大约80°之间的角度。
5.根据权利要求1所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述至少一个凹口(194)从所述平台(142)部分的前缘(146)延伸至下游边缘(247)。
6.根据权利要求5所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述至少一个凹口(194)关于所述平台(142)部分的前缘(146)成大约90°和大约120°之间的角度。
7. 根据权利要求1所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述至少一个凹口(194)包括：
从所述平台(142)部分的前缘(146)延伸至上游边缘(145)的上游凹口(192)；以及
从所述平台(142)部分的前缘(146)延伸至下游边缘(247)的下游凹口(194)。
8.根据权利要求7所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述上游凹口(192)关于所述平台(142)部分的前缘(146)成大约45°和大约80°之间的角度。
9.根据权利要求7所述的涡轮轮叶，其特征在于，所述下游凹口(194)关于所述平台(142)部分的前缘(146)成大约90°和大约120°之间的角度。
10.根据权利要求1所述的涡轮轮叶，其特征在于，在操作状态中，所述至少一个凹口(194)适于改变越过所述平台(142)部分的热气体(280)的旋流。
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