CN107075952A

CN107075952A - 模块化涡轮叶片

Info

Publication number: CN107075952A
Application number: CN201480083073.XA
Authority: CN
Inventors: S.J.梅斯曼恩; B.J.维瑟
Original assignee: Siemens Power Generations Inc
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2017-08-18
Also published as: JP2017537255A; WO2016068859A1; US20170298751A1; EP3212891A1

Abstract

公开了一种用于燃气涡轮发动机（14）的模块化涡轮叶片（12）的翼型件附接系统（10），该翼型件附接系统（10）包括外部附接系统（10），该外部附接系统（10）具有前部和后部径向延伸的轴向钩（20、22），该前部和后部径向延伸的轴向钩（20、22）构造成被直接耦接到叶片载体（24），以增加模块化叶片（12）的结构完整性。翼型件附接系统（10）还可以包括一个或多个护罩中部外部支撑件（26），其位于所述前部和后部径向延伸的轴向钩（20、22）之间，以减少翼型叶片在叶片（12）的吸力侧（28）和压力侧（30）之间来回的周向摇摆运动。模块化涡轮翼型叶片（12）可以位于相邻的护罩（32、34）之间，从而形成第一接合部（88）和第二接合部（102）。第一密封系统（104）可以被放置在第一接合部（88）处，并且第二密封系统（110）可以被放置在第二接合部（102）处，以限制热气体吸入。

Description

模块化涡轮叶片

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明的开发部分地受到美国能源部、先进涡轮发展计划、合同号DE-FC26-05NT42644的支持。因此，美国政府在本发明中可具有特定权利。

技术领域

本发明总体上涉及涡轮机翼型件，并且更具体而言，涉及用于可用于燃气涡轮发动机中并具有外径支撑结构的中空翼型件的支撑系统。

背景技术

通常，燃气涡轮发动机包括用于压缩空气的压缩机、用于使压缩空气与燃料混合并点燃混合物的燃烧室以及用于产生动力的涡轮叶片组件。燃烧室通常在可超过2500华氏度的高温下操作。典型的涡轮机燃烧室构造将涡轮静叶片（vane，本文中简称为叶片）组件和涡轮动叶片（blade）组件暴露于这些高温。因此，涡轮静叶片和涡轮动叶片必须由能够承受这样的高温的材料制成。此外，涡轮静叶片和涡轮动叶片通常包含冷却系统，其用于延长静叶片和动叶片的寿命，并降低由于温度过高导致故障的可能性。涡轮发动机通常包括从壳体径向向内延伸的多排固定的涡轮静叶片，并且包括附接到转子组件用于使转子转动的多排可旋转的涡轮动叶片。

涡轮叶片通常通过叶片载体支撑。其中翼型件是与护罩（shroud）分开的部件的模块化涡轮叶片通常通过护罩来支撑。特别是，模块化叶片的翼型件通常被耦接到相邻的护罩。然后，相邻的护罩被耦接到叶片载体。模块化翼型件和相邻的护罩之间的连接已被证明是脆弱的并且是在本领域中成问题的接合部。因此，需要一种用于模块化涡轮叶片的更稳固的连接系统。

发明内容

公开了一种用于燃气涡轮发动机的模块化涡轮叶片的翼型件附接系统，该翼型件附接系统包括外部附接系统，该外部附接系统具有前部和后部径向延伸的轴向钩，该前部和后部径向延伸的轴向钩构造成被直接耦接到叶片载体，以增加模块化叶片的结构完整性。所述翼型件附接系统还可以包括一个或多个护罩中部外部支撑件，其位于所述前部和后部径向延伸的轴向钩之间，以减少翼型叶片在叶片的吸力侧和压力侧之间来回的周向摇摆运动。模块化涡轮翼型叶片可以位于相邻的护罩之间，从而形成第一接合部和第二接合部。第一密封系统可以被放置在第一接合部处，并且第二密封系统可以被放置在第二接合部处，以限制热气体吸入。

在至少一个实施例中，所述翼型件附接系统可以被构造用于燃气涡轮发动机的模块化涡轮叶片，并且可以包括大致细长的中空翼型叶片，该中空翼型叶片由外壁形成，并具有前缘、后缘、压力侧、吸力侧以及翼型件附接系统。所述翼型件附接系统在翼型叶片的第一端处可以包括一个或多个外部附接系统。该外部附接系统可以包括前部和后部径向延伸的轴向钩，由此，前部径向延伸的轴向钩可被构造成直接耦接到叶片载体，并且后部径向延伸的轴向钩可被构造成直接耦接到叶片载体。将模块化涡轮叶片直接耦接到叶片载体增加了模块化涡轮叶片到叶片载体的连接的结构完整性。

所述翼型件附接系统可以包括一个或多个护罩中部外部支撑件，其位于所述前部和后部径向延伸的轴向钩之间，以减少翼型叶片的周向摇摆运动。该护罩中部外部支撑件可以包括：一个或多个翼型件中部吸钩（midairfoil suction hook），其在吸力侧处从翼型叶片径向向外延伸，其具有一个或多个翼型件中部叶片接合表面；以及一个或多个护罩中部吸钩（midshroud suction hook），其从第一护罩径向向外延伸，该第一护罩具有：内表面，其形成热气体路径的径向外表面；以及第一侧表面，其构造成在第一接合部处与翼型叶片的吸力侧匹配，其中，该至少一个护罩中部吸钩可包括一个或多个翼型件中部护罩接合表面。所述翼型件中部叶片接合表面和翼型件中部护罩接合表面可以匹配接合，以限制翼型叶片的周向摇摆运动。在至少一个实施例中，所述翼型件中部叶片接合表面和翼型件中部护罩接合表面可被定位成大致正交于翼型叶片的轴向延伸的纵向轴线。所述翼型件中部吸钩和护罩中部吸钩可以从前部径向延伸的轴向钩延伸到后部径向延伸的轴向钩。

在至少一个实施例中，所述护罩中部外部支撑件可以包括：一个或多个翼型件中部压钩，其在压力侧处从翼型叶片径向向外延伸，其具有一个或多个翼型件中部叶片接合表面；以及一个或多个护罩中部压钩，其从第二护罩径向向外延伸，该第二护罩具有：内表面，其形成热气体路径的径向外表面；以及第二侧表面，其构造成在第二接合部处与翼型叶片的压力侧匹配，其中，所述护罩中部压钩可包括一个或多个翼型件中部护罩接合表面。所述翼型件中部叶片接合表面和翼型件中部护罩接合表面可以匹配接合，以限制翼型叶片在翼型叶片的压力侧处的周向摇摆运动。

所述翼型件附接系统还可以包括第一护罩和第二护罩，所述第一护罩具有：内表面，其形成热气体路径的径向外表面；以及第一侧表面，其构造成在第一接合部处与翼型叶片的吸力侧匹配，所述第二护罩具有：内表面，其形成热气体路径的径向外表面；以及第二侧表面，其构造成在第二接合部处与翼型叶片的压力侧匹配。所述翼型件附接系统在第一接合部处可以包括第一密封系统。处于第一接合部处的第一密封系统可由至少一个公母连接件或其他适当的连接件形成。所述翼型件附接系统在第二接合部处可以包括第二密封系统。处于第二接合部处的第二密封系统可由至少一个公母连接件形成。

在涡轮发动机操作期间，翼型件附接系统可以相对于叶片载体来定位翼型叶片并限制运动。特别是，所述护罩中部外部支撑件通过将模块化涡轮叶片相对于相邻的第一护罩和第二护罩锁定就位，来限制模块化涡轮叶片在附接到叶片载体时来回摇摆。

下面更详细地描述这些和其他实施例。

附图说明

结合于本说明书中并形成本说明书的一部分的附图图示了当前公开的发明的实施例，并且连同描述一起公开了本发明的原理。

图1是燃气涡轮发动机的剖视图。

图2是通过翼型件附接系统附接到叶片载体的模块化翼型叶片的侧视图。

图3是通过翼型件附接系统附接到叶片载体的模块化翼型叶片的透视图。

图4是护罩中部外部支撑件的细节透视图，该护罩中部外部支撑件位于前部和后部径向延伸的轴向钩之间，以减少翼型叶片在叶片的吸力侧和压力侧之间来回的周向摇摆运动。

图5是从翼型件延伸的护罩中部外部支撑件的翼型件中部吸钩的细节透视图。

图6是接合到护罩中部外部支撑件的翼型件中部吸钩的翼型件中部吸钩的细节透视图。

图7是在前部径向延伸的轴向钩处接合到护罩中部外部支撑件的护罩中部的翼型件中部吸钩的一个替代实施例的透视图。

图8是翼型件和相邻的第一护罩之间的接合部的细节剖视图。

图9是翼型件和相邻的第一护罩之间的接合部的另一实施例的细节剖视图。

图10是翼型件和相邻的第二护罩之间的接合部的细节剖视图。

图11是翼型件和相邻的第二护罩之间的接合部的另一实施例的细节剖视图。

具体实施方式

如图1-11中所示，公开了用于燃气涡轮发动机14的模块化涡轮叶片12的翼型件附接系统10，该翼型件附接系统10包括外部附接系统18，该外部附接系统18具有前部和后部径向延伸的轴向钩20、22，该前部和后部径向延伸的轴向钩20、22构造成被直接耦接到叶片载体24，以增加模块化叶片12的结构完整性。支撑系统10还可以包括一个或多个护罩中部（midshroud）外部支撑件26，其位于前部和后部径向延伸的轴向钩20、22之间，以减少翼型叶片12在叶片12的吸力侧28和压力侧30之间来回的周向摇摆运动。模块化涡轮翼型叶片12可以位于相邻的护罩32、34之间，从而形成第一接合部36和第二接合部38。第一密封系统40可以被放置在第一接合部36处，并且第二密封系统42可以被放置在第二接合部38处，以限制热气体吸入。

在至少一个实施例中，燃气涡轮发动机14的模块化涡轮叶片12可以包括大致细长的中空翼型叶片44，该中空翼型叶片44由外壁46形成，并且具有前缘48、后缘50、压力侧30、吸力侧28以及翼型件附接系统10。如图3中所示，翼型件附接系统10在翼型叶片44的第一端52处可以包括一个或多个外部附接系统18。外部附接系统18可以包括前部和后部径向延伸的轴向钩20、22，由此前部径向延伸的轴向钩20可以被构造成直接耦接到叶片载体24。后部径向延伸的轴向钩22也可以被构造成直接耦接到叶片载体24。

在至少一个实施例中，如图3中所示，前部径向延伸的轴向钩20可以包括耦接到上游延伸臂58的一个或多个第一径向向外延伸的第一腿56。上游延伸臂58的外表面64可以与从翼型叶片12的压力侧30和吸力侧28上的第一护罩32和第二护罩34向外延伸的相邻的前部钩68的外表面66大致齐平。前部径向延伸的轴向钩20可以被构造成直接耦接到叶片载体24，并且后部径向延伸的轴向钩22可以被构造成直接耦接到叶片载体24。后部径向延伸的轴向钩22可以类似于前部径向延伸的轴向钩20来构造，除了上游延伸臂58向下游延伸。

翼型件附接系统10可以包括一个或多个护罩中部外部支撑件26，其位于前部和后部径向延伸的轴向钩20、22之间，以减少翼型叶片12的周向摇摆运动。护罩中部外部支撑件26可以包括在吸力侧28处从翼型叶片12径向向外延伸的一个或多个翼型件中部吸钩（midairfoil suction hook）74，该一个或多个翼型件中部吸钩74具有一个或多个翼型件中部叶片接合表面（midairfoil vane engaging surface）76。护罩中部外部支撑件26还可以包括从第一护罩32径向向外延伸的一个或多个护罩中部吸钩（midshroud suctionhook）78，该第一护罩32具有：内表面82，其形成热气体路径84的径向外表面；以及第一侧表面86，其构造成在第一接合部36处与翼型叶片12的吸力侧28匹配，其中，护罩中部吸钩78可以包括一个或多个翼型件中部护罩接合表面（midairfoil shroud engaging surface）90。翼型件中部叶片接合表面78和翼型件中部护罩接合表面90可以匹配接合，以限制翼型叶片12的周向摇摆运动。在至少一个实施例中，翼型件中部叶片接合表面76和翼型件中部护罩接合表面90可被定位成大致正交于翼型叶片12的轴向延伸的纵向轴线92。在至少一个实施例中，如图3中所示，翼型件中部吸钩74和护罩中部吸钩78可以被定位在前部和后部径向延伸的轴向钩20、22之间的中点处。在另一实施例中，翼型件中部吸钩74和护罩中部吸钩78可以从前部径向延伸的轴向钩20延伸到后部径向延伸的轴向钩22。在又一实施例中，如图7中所示，翼型件中部吸钩74和护罩中部吸钩78可位于前部径向延伸的轴向钩20处或后部径向延伸的轴向钩22处，或者位于两者处。

护罩中部外部支撑件26可以包括：一个或多个翼型件中部压钩94，其在压力侧30处从翼型叶片12径向向外延伸，具有一个或多个翼型件中部叶片接合表面76；以及一个或多个护罩中部压钩96，其从第二护罩34径向向外延伸，该第二护罩34具有：内表面82，其形成热气体路径84的径向外表面；以及第二侧表面100，其构造成在第二接合部38处与翼型叶片12的压力侧30匹配，其中，护罩中部压钩96包括一个或多个翼型件中部护罩接合表面90。翼型件中部叶片接合表面76和护罩中部压钩94的翼型件中部护罩接合表面90可以匹配接合，以限制翼型叶片12的周向摇摆运动。

翼型件附接系统10可以包括第一护罩32和第二护罩34，所述第一护罩32具有：内表面82，其形成热气体路径84的径向外表面；以及第一侧表面86，其构造成在第一接合部36处与翼型叶片12的吸力侧28匹配，所述第二护罩34具有：内表面82，其形成热气体路径84的径向外表面；以及第二侧表面100，其构造成在第二接合部38处与翼型叶片12的压力侧30匹配。如图8和图9中所示，翼型件附接系统10在第一接合部36处还可以包括第一密封系统104。在至少一个实施例中，处于第一接合部36处的第一密封系统104可由一个或多个公母连接件（male female connection）形成。在至少一个实施例中，如图9中所示，突起部106可以从第一护罩32延伸，并且被接收在翼型叶片12的吸力侧28中的腔108内。在另一实施例中，如图8中所示，突起部106可以从翼型叶片12的吸力侧28延伸，并且可以被接收在第一护罩32中的腔108内。第一密封系统104可以延伸达第一接合部36的整个长度或仅延伸达第一接合部36的一部分。

翼型件附接系统10在第二接合部38处还可以包括第二密封系统110。在至少一个实施例中，处于第二接合部38处的第二密封系统110可由一个或多个公母连接件形成。在至少一个实施例中，如图11中所示，突起部106可以从第二护罩34延伸，并且被接收在翼型叶片12的压力侧30中的腔108内。在另一实施例中，如图10中所示，突起部106可以从翼型叶片12的压力侧30延伸，并且可以被接收在第二护罩34中的腔108内。第二密封系统110可以延伸达第二接合部38的整个长度或仅延伸达第二接合部38的一部分。

在涡轮发动机操作期间，翼型件附接系统10可以相对于叶片载体24来定位翼型叶片12并限制运动。特别是，所述护罩中部外部支撑件通过将模块化涡轮叶片12相对于相邻的第一护罩32和第二护罩34锁定就位，来限制模块化涡轮叶片12在附接到叶片载体24时来回摇摆。

提供前述内容是为了说明、解释和描述本发明的实施例的目的。对这些实施例的修改和调适对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且可以在不脱离本发明的范围或精神的情况下做出。

Claims

1.一种燃气涡轮发动机（14）的模块化涡轮叶片（12），其特征在于：

大致细长的中空翼型叶片（44），其由外壁（46）形成，并且具有前缘（48）、后缘（50）、压力侧（30）、吸力侧（28）和翼型件附接系统（10）；

其中，所述翼型件附接系统（10）在所述翼型叶片（44）的第一端处包括至少一个外部附接系统（10）；以及

其中，所述外部附接系统（10）包括前部和后部径向延伸的轴向钩（20、22），由此，前部径向延伸的轴向钩（20）被构造成直接耦接到叶片载体（24），并且其中，后部径向延伸的轴向钩（22）被构造成直接耦接到所述叶片载体（24）。

2.如权利要求1所述的模块化涡轮叶片（12），其特征还在于，至少一个护罩中部外部支撑件（26）位于所述前部和后部径向延伸的轴向钩（20、22）之间，以减少所述翼型叶片（44）的周向摇摆运动。

3.如权利要求2所述的模块化涡轮叶片（12），其特征在于，所述护罩中部外部支撑件（26）包括：至少一个翼型件中部吸钩（74），其在所述吸力侧（28）处从所述翼型叶片（44）径向向外延伸，其具有至少一个翼型件中部叶片接合表面（76）；以及从第一护罩（80）径向向外延伸的至少一个护罩中部吸钩（78），所述第一护罩（80）具有形成热气体路径（84）的径向外表面的内表面（82）以及构造成在第一接合部（88）处与所述翼型叶片（44）的吸力侧（28）匹配的第一侧表面（86），其中，所述至少一个护罩中部吸钩（78）包括至少一个翼型件中部护罩接合表面（90），并且其中，所述至少一个翼型件中部叶片接合表面（76）和所述至少一个翼型件中部护罩接合表面（90）匹配接合，以限制所述翼型叶片（44）的周向摇摆运动。

4.如权利要求3所述的模块化涡轮叶片（12），其特征在于，所述至少一个翼型件中部叶片接合表面（76）和所述至少一个翼型件中部护罩接合表面（90）被定位成大致正交于所述翼型叶片（44）的轴向延伸的纵向轴线（92）。

5.如权利要求3所述的模块化涡轮叶片（12），其特征在于，所述至少一个翼型件中部吸钩（74）和所述至少一个护罩中部吸钩（78）从所述前部径向延伸的轴向钩（20）延伸到所述后部径向延伸的轴向钩（22）。

6.如权利要求3所述的模块化涡轮叶片（12），其特征在于，所述护罩中部外部支撑件（26）包括：至少一个翼型件中部压钩（94），其在所述压力侧（30）处从所述翼型叶片（44）径向向外延伸，其具有至少一个翼型件中部叶片接合表面（76）；以及从第二护罩（98）径向向外延伸的至少一个护罩中部压钩（94），所述第二护罩（98）具有形成热气体路径（84）的径向外表面的内表面（82）以及构造成在第二接合部（102）处与所述翼型叶片（44）的压力侧（30）匹配的第二侧表面（100），其中，所述至少一个护罩中部压钩（94）包括至少一个翼型件中部护罩接合表面（90），并且其中，所述至少一个翼型件中部叶片接合表面（76）和所述至少一个翼型件中部护罩接合表面（90）匹配接合，以限制所述翼型叶片（44）的周向摇摆运动。

7.如权利要求1所述的模块化涡轮叶片（12），其特征还在于，第一护罩（80）和第二护罩（98），所述第一护罩（80）具有：内表面（82），其形成热气体路径（84）的径向外表面；以及第一侧表面（86），其构造成在第一接合部（88）处与所述翼型叶片（44）的吸力侧（28）匹配，所述第二护罩（98）具有：内表面（82），其形成所述热气体路径（84）的径向外表面；以及第二侧表面（100），其构造成在第二接合部（102）处与所述翼型叶片（44）的压力侧（30）匹配。

8.如权利要求7所述的模块化涡轮叶片（12），其特征还在于，处于所述第一接合部（88）处的第一密封系统（104）。

9.如权利要求8所述的模块化涡轮叶片（12），其特征在于，处于所述第一接合部（88）处的所述第一密封系统（104）由至少一个公母连接件形成。

10.如权利要求7所述的模块化涡轮叶片（12），其特征还在于，处于所述第二接合部（102）处的第二密封系统（110）。

11.如权利要求10所述的模块化涡轮叶片（12），其特征在于，处于所述第二接合部（102）处的所述第二密封系统（110）由至少一个公母连接件形成。