CN107075965B - 具有涡轮叶片末端间隙控制系统的燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有涡轮叶片末端间隙控制系统（12）的燃气涡轮发动机（10），该涡轮叶片末端间隙控制系统（12）用于通过减小涡轮叶片末端（16）和径向向外的环形段（18）之间的空隙（14）来提高发动机（10）的效率。涡轮叶片末端间隙控制系统（12）可以包括一个或多个间隙控制带（20），该一个或多个间隙控制带（20）位于环形段（18）的内表面（22）的径向外部，并且抵靠环形段（18）的至少一个外表面（24），以限制环形段（18）的径向移动。在操作期间，间隙控制带（20）限制环形段（18）的径向移动，并且涡轮叶片末端（16）在启动瞬时状态期间不具有扭点。此外，可以在燃气涡轮发动机（10）的稳态操作时发现涡轮发动机操作期间的最小空隙（14）。因此，间隙控制系统（12）可以将涡轮叶片末端（16）和环形段（18）之间的空隙（14）设置成在稳态操作时为零。

Description

具有涡轮叶片末端间隙控制系统的燃气涡轮发动机

技术领域

本发明总体上涉及涡轮发动机，并且更具体而言，涉及如下系统，即：该系统用于减小涡轮发动机中的涡轮机翼型件末端和例如环形段之类的径向相邻部件之间的空隙，以便通过减少泄漏来提高涡轮发动机的效率。

背景技术

涡轮发动机通常以小于理论最大值的效率操作，这是因为除其他之外，随着热压缩气体沿涡轮发动机的长度向下行进，在流动路径中发生损耗。流动路径损耗的一个示例是热燃烧气体越过涡轮叶片的末端的泄漏，其中，功未施加在涡轮叶片上。这种泄漏穿过旋转的涡轮叶片的末端和周围的固定结构之间的空间发生，所述固定结构例如形成环形密封件的环形段。这种间隔通常被称为叶片末端间隙。

叶片末端间隙无法被消除，这是因为在瞬时状态期间，例如在发动机启动或部分负荷操作期间，旋转部分（叶片、转子和盘）和固定部分（外壳、叶片环和环形段）以不同的速率热膨胀。结果，在发动机启动期间，叶片末端间隙实际上可以减小，直到实现稳态操作，此时间隙可以增加，从而降低发动机的效率。因此，存在如下需要，即：降低涡轮叶片末端摩擦的可能性，并减小这种不期望地大的叶片末端间隙。

发明内容

公开了一种具有涡轮叶片末端间隙控制系统的燃气涡轮发动机，该涡轮叶片末端间隙控制系统用于通过减小涡轮叶片末端和径向向外的环形段之间的空隙来提高涡轮发动机的效率。该涡轮叶片末端间隙控制系统可以包括一个或多个间隙控制带，该一个或多个间隙控制带位于环形段的内表面的径向外部，并且抵靠环形段的至少一个外表面，以限制环形段的径向移动。在操作期间，间隙控制带限制环形段的径向移动，并且在启动瞬时状态期间不具有扭点。此外，在燃气涡轮发动机的稳态操作时发现涡轮发动机操作期间的最小空隙。因此，间隙控制系统的间隙控制带可以被构造成将稳态操作时涡轮叶片末端和径向向外的环形段之间的空隙设置为零，以通过消除空隙来基本上消除（如果不是完全消除）热燃烧气体通过空隙的泄漏。

在至少一个实施例中，燃气涡轮发动机可由涡轮机组件形成，该涡轮机组件由转子组件形成，该转子组件具有一个或多个涡轮叶片，该一个或多个涡轮叶片由大致细长的翼型件形成，该大致细长的翼型件具有前缘、后缘、压力侧、吸力侧、处于第一端处的末端以及平台，该平台耦接到所述大致细长的翼型件的与第一端相对的第二端。多个环形段可以从涡轮叶片的末端径向向外定位。该多个环形段可以成周向延伸的一行对准，并且可以围绕所述至少一个涡轮叶片的行进路径形成环。每个环形段可以包括形成涡轮机组件内的热气体路径的一部分的内表面。一个或多个间隙控制带可位于环形段的内表面的径向外部，并且可抵靠环形段的一个或多个外表面，以限制环形段的径向移动。间隙控制带可以在环形段的内表面的径向外部形成环。在至少一个实施例中，间隙控制带可比形成一个或多个环形段的材料具有更低的热膨胀系数。

环形段中的一个或多个可以包括构造成接合间隙控制带的上游支承表面和下游支承表面。环形段可以包括位于环形段的上游方位上的第一上游接收件通道，并且可以包括位于环形段的下游方位上的第一下游接收件通道。间隙控制带的上游边缘可以被包含在第一上游接收件通道内，并且间隙控制带的下游边缘可以被包含在第一下游接收件通道内。第一上游接收件通道可由上游支承表面和上游外容纳表面形成。第一下游接收件通道可由下游支承表面和下游外容纳表面形成。一个或多个上游支撑臂可以从环形段径向向外延伸，并且一个或多个下游支撑臂可以从环形段径向向外延伸。上游支撑臂可以收容第一上游接收件通道，并且下游支撑臂可以收容第一下游接收件通道。

在至少一个实施例中，间隙控制带可由上半部和下半部形成。间隙控制带的上半部和下半部在第一交会部处可以在第一水平定位的接合件处耦接在一起，并且在第二交会部处可以在第二水平定位的接合件处耦接在一起。第一接合件和第二接合件中的任一个或两者可以经由一个或多个锁定销来耦接在一起，该锁定销延伸穿过第一接合件连接块中的孔口和第二接合件连接块中的孔口。

间隙控制系统还可以包括从间隙控制带径向向外延伸的移动限制器。该移动限制器可由从间隙控制带径向向外延伸的一个或多个销形成，由此，该销的头部具有较大的截面面积，并从销的主体径向向外定位，并且通过相邻的涡轮机部件上的支承表面来固定。在至少一个实施例中，移动限制器可以包括上移动限制器，以固定所述至少一个间隙控制带的上半部，并且可以包括下移动限制器，以固定所述至少一个间隙控制带的下半部。

在使用期间，涡轮机可以通过启动瞬时状态进入到稳态操作。在操作期间，间隙控制带限制环形段的径向移动，并且不具有空隙在启动瞬时状态期间的某一点处最小的扭点。取而代之的是，最小的空隙在稳态操作状态期间出现。在至少一个实施例中，间隙控制系统的间隙控制带可以被构造成将稳态操作时涡轮叶片末端和径向向外的环形段之间的空隙设置为零，以通过消除空隙来基本上消除（如果不是完全消除）热燃烧气体通过空隙的泄漏。消除热燃烧气体通过空隙的泄漏提高了涡轮机组件和燃气涡轮发动机的效率。

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是具有涡轮叶片末端间隙控制系统的燃气涡轮发动机的剖视透视图。

图2是涡轮叶片末端间隙控制系统的间隙控制带（clearance control band）的透视图。

图3是燃气涡轮发动机的涡轮机组件的环形段的透视图，其中，该环形段已适于部分地包含间隙控制带。

图4是涡轮机组件的环形段与间隙控制带一起的透视图。

图5是在图3中的细节线5-5处所取的形成间隙控制带的上半部和下半部的连接件的细节透视图。

图6是形成图5中所示的间隙控制带的上半部和下半部的连接件的分解图。

图7是具有凹部的涡轮机部件的局部透视图，该凹部用于接收形成图5中所示的间隙控制带的上半部和下半部的连接件。

图8是位于图5和图7中所示的涡轮机部件的凹部内的形成间隙控制带的下半部的连接件的局部透视图。

图9是位于图5和图7中所示的涡轮机部件的凹部内的形成间隙控制带的上半部的连接件的局部透视图。

图10是从间隙控制带径向向外延伸的移动限制器的局部透视图。

图11是多个侧波形弹簧的局部透视图，该多个侧波形弹簧可以径向向外偏压环形段，以避免在涡轮发动机的瞬时启动和关闭期间形成椭圆环段形状。

图12是多个侧波形弹簧的另一局部透视图，该多个侧波形弹簧可以径向向外偏压环形段，以避免在涡轮发动机的瞬时启动和关闭期间形成椭圆环段形状。

图13是随着叶片和环形段响应于通过涡轮发动机的启动过程的热膨胀，涡轮叶片末端和该涡轮叶片末端向外紧邻的环形段的内表面之间的间隙的曲线图。

具体实施方式

如图1-13中所示，公开了具有涡轮叶片末端间隙控制系统12的燃气涡轮发动机10，该涡轮叶片末端间隙控制系统12用于通过减小涡轮叶片末端16和径向向外的环形段18之间的空隙14来提高涡轮发动机10的效率。涡轮叶片末端间隙控制系统12可以包括一个或多个间隙控制带20，该一个或多个间隙控制带20位于环形段18的内表面22的径向外部，并且抵靠环形段18的至少一个外表面24，以限制环形段18的径向移动。在操作期间，间隙控制带20限制环形段18的径向移动，并且在启动瞬时状态期间不具有扭点（pinch point）。此外，如图13中所示，在燃气涡轮发动机10的稳态操作时发现涡轮发动机操作期间的最小空隙14。因此，间隙控制系统12的间隙控制带20可以被构造成将稳态操作时涡轮叶片末端16和径向向外的环形段18之间的空隙14设置为零，以通过消除空隙14来基本上消除（如果不是完全消除）热燃烧气体通过空隙14的泄漏。

在至少一个实施例中，如图1和图4中所示，燃气涡轮发动机10可由涡轮机组件26形成，该涡轮机组件26由转子组件28形成，该转子组件28具有一个或多个涡轮叶片30，该一个或多个涡轮叶片30由大致细长的翼型件32形成，该翼型件32具有前缘34、后缘36、压力侧38、吸力侧40、处于第一端42处的末端16以及平台44，该平台44耦接到大致细长的翼型件32的与第一端42相对的第二端46。多个环形段18可以从涡轮叶片30的末端16径向向外定位。该多个环形段18可以成周向延伸的一行48对准，并且围绕涡轮叶片30的行进路径50形成环。每个环形段18可以包括形成涡轮机组件26内的热气体路径52的一部分的内表面22。

燃气涡轮发动机10可以包括一个或多个间隙控制带20，该一个或多个间隙控制带20位于环形段18的内表面22的径向外部，并且抵靠环形段18的一个或多个外表面24，如图3和图4中所示，以限制环形段18的径向移动。如图2中所示，间隙控制带20可以在环形段18的内表面22的径向外部形成环。在至少一个实施例中，间隙控制带20可具有不同于形成一个或多个环形段18的材料的热膨胀系数的热膨胀系数。在至少一个实施例中，间隙控制带20可比形成一个或多个环形段18的材料具有更低的热膨胀系数。在至少一个实施例中，间隙控制带20可由包括但不限于IN909和其他适当的材料的材料形成。间隙控制带20可由具有小于1.5英寸的厚度的薄条带形成。在另一实施例中，间隙控制带20可由具有小于0.5英寸的厚度的薄条带形成。在另一实施例中，间隙控制带20可由具有小于0.125英寸的厚度的薄条带形成。间隙控制带20在轴向方向上的宽度可在大约40毫米和大约200毫米之间。在至少一个实施例中，间隙控制带20在轴向方向上的宽度可为大约90毫米。间隙控制带20的宽度与厚度之比可以但不限于在大约5比1和大约300比1之间。

如图3和图4中所示，所述多个环形段18可以包括构造成接合间隙控制带20的上游支承表面54和下游支承表面56。环形段18中的一个或多个可以包括位于环形段18的上游方位（upstream aspect）60上的第一上游接收件通道58和位于环形段18的下游方位（downstream aspect）64上的第一下游接收件通道62。间隙控制带20的上游边缘66可以被包含在第一上游接收件通道58内，并且间隙控制带20的下游边缘68可以被包含在第一下游接收件通道62内。第一上游接收件通道58可由上游支承表面54和上游外容纳表面72形成。第一下游接收件通道62可由下游支承表面56和下游外容纳表面76形成。间隙控制系统12可以包括从一个或多个环形段18径向向外延伸的一个或多个上游支撑臂78以及从一个或多个环形段18径向向外延伸的一个或多个下游支撑臂80。上游支撑臂78可以收容第一上游接收件通道58，并且下游支撑臂80可以收容第一下游接收件通道62。

在至少一个实施例中，如图2中所示，间隙控制带20可由上半部82和下半部84形成。如图2、图5和图6中所示，间隙控制带80的上半部82和下半部84在第一交会部86处可以在第一水平定位的接合件88处耦接在一起，并且在第二交会部90处可以在第二水平定位的接合件92处耦接在一起。第一接合件88和第二接合件92中的任一个或两者可以经由一个或多个锁定销94来耦接在一起，该锁定销94延伸穿过第一接合件连接块98中的孔口96和第二接合件连接块100中的孔口96。如图7-9中所示，第一接合件连接块98可以被定位在涡轮机部件104中的位于环形段18和间隙控制带20的径向外部的凹部102内。凹部102可以防止第一接合件连接块98的周向移动。类似地，第二接合件连接块100可以被定位在涡轮机部件104中的位于环形段18和间隙控制带20的径向外部的凹部102内。凹部102防止第二接合件连接块100的周向移动。

如图2和图10中所示，间隙控制系统12还可以包括从间隙控制带20径向向外延伸的移动限制器106。移动限制器106可由从间隙控制带20径向向外延伸的一个或多个销108形成。销108的头部110可以比销的主体112具有更大的截面面积，并且可以从主体112径向向外定位。头部110可以通过相邻的涡轮机部件116上的支承表面114来固定。移动限制器106可以包括：上移动限制器118，其固定间隙控制带20的上半部82；以及下移动限制器120，其固定间隙控制带20的下半部84。上移动限制器118可位于上死点位置122，并且下移动限制器120可位于下死点位置124。

如图11和图12中所示，间隙控制系统12还可以包括一个或多个侧波形弹簧126，该一个或多个侧波形弹簧126可以将环形段18径向向外偏压，以避免在涡轮发动机10的瞬时启动和关闭期间形成椭圆环段形状。针对可能的流动路径振动，侧波形弹簧126还可被用于阻尼元件。在至少一个实施例中，侧波形弹簧126可位于涡轮叶片载体130的径向向外的表面128和环形段18的径向向内的表面132之间。侧波形弹簧126可位于环形段18的上游侧或下游侧上，或者两者上。在至少一个实施例中，多个侧波形弹簧126可位于环形段18的上游侧和下游侧上。

在使用期间，涡轮机10可以通过启动瞬时状态进入到稳态操作。在操作期间，间隙控制带20限制环形段18的径向移动，并且不具有空隙14在启动瞬时状态期间的某一点处最小的扭点，如图13中所示。取而代之的是，最小的空隙14在稳态操作状态期间出现。在至少一个实施例中，间隙控制系统12的间隙控制带20可以被构造成将稳态操作时涡轮叶片末端16和径向向外的环形段18之间的空隙14设置为零，以通过消除空隙14来基本上消除（如果不是完全消除）热燃烧气体通过空隙14的泄漏。消除热燃烧气体通过空隙14的泄漏提高了涡轮机组件26和燃气涡轮发动机10的效率。

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作出。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机（10），其特征在于：

涡轮机组件（26），其由具有至少一个涡轮叶片（30）的转子组件（28）形成，所述至少一个涡轮叶片（30）由大致细长的翼型件（32）形成，所述大致细长的翼型件（32）具有前缘（34）、后缘（36）、压力侧（38）、吸力侧（40）、处于第一端（42）处的末端（16）、以及平台（44），所述平台（44）耦接到所述大致细长的翼型件（32）的与所述第一端（42）相对的第二端（46）；

从所述至少一个涡轮叶片（30）的末端（16）径向向外定位的多个环形段（18），其中，所述多个环形段（18）成周向延伸的一行（48）对准，并围绕所述至少一个涡轮叶片（30）的行进路径（50）形成环，并且其中，所述多个环形段（18）中的每一个包括内表面（22），所述内表面（22）形成所述涡轮机组件（26）内的热气体路径的一部分；

至少一个间隙控制带（20），其位于所述环形段（18）的内表面（22）的径向外部，并且抵靠所述环形段（18）的至少一个外表面（24），以限制所述环形段（18）的径向移动；以及

其中，所述至少一个间隙控制带（20）在所述环形段（18）的内表面（22）的径向外部形成环；以及

其中所述多个环形段（18）中的至少一个包括位于所述环形段（18）的上游方位（60）上的第一上游接收件通道（58），并且包括位于所述环形段（18）的下游方位上的第一下游接收件通道（62），其中，所述至少一个间隙控制带（20）的上游边缘（66）被包含在所述第一上游接收件通道（58）内，并且所述至少一个间隙控制带（20）的下游边缘（68）被包含在所述第一下游接收件通道（62）内；并且

其中所述多个环形段（18）中的至少一个包括构造成接合所述至少一个间隙控制带（20）的上游支承表面（54）和下游支承表面（56）。

2.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机（10），其特征在于，所述至少一个间隙控制带（20）比形成所述多个环形段（18）中的至少一个环形段（18）的材料具有更低的热膨胀系数。

3.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机（10），其特征在于，所述第一上游接收件通道（58）由上游支承表面（54）和上游外容纳表面（72）形成，并且其中，所述第一下游接收件通道（62）由下游支承表面（56）和下游外容纳表面（76）形成。

4.如权利要求3所述的燃气涡轮发动机（10），其特征还在于，从至少一个环形段（18）径向向外延伸的至少一个上游支撑臂（78）和从所述至少一个环形段（18）径向向外延伸的至少一个下游支撑臂（80），其中，所述至少一个上游支撑臂（78）收容所述第一上游接收件通道（58），并且所述至少一个下游支撑臂（80）收容所述第一下游接收件通道（62）。

5.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机（10），其特征在于，所述至少一个间隙控制带（20）由上半部（82）和下半部（84）形成。

6.如权利要求5所述的燃气涡轮发动机（10），其特征在于，所述至少一个间隙控制带（20）的上半部（82）和下半部（84）在第一交会部（86）处在第一接合件（88）处耦接在一起，并且在第二交会部（90）处在第二接合件（92）处耦接在一起，其中所述第一接合件（88）和第二接合件（92）都水平地定位。

7.如权利要求6所述的燃气涡轮发动机（10），其特征在于，第一接合件（88）和第二接合件（92）中的至少一个通过至少一个锁定销（94）来耦接在一起，所述至少一个锁定销（94）延伸穿过第一接合件连接块（98）中的孔口（96）和第二接合件连接块（100）中的孔口（96）。

8.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机（10），其特征还在于，从所述至少一个间隙控制带（20）径向向外延伸的移动限制器（106）。

9.如权利要求8所述的燃气涡轮发动机（10），其特征在于，所述移动限制器（106）由从所述至少一个间隙控制带（20）径向向外延伸的至少一个销（108）形成，由此，所述销（108）的头部（110）具有较大的截面面积并从所述销（108）的主体（112）径向向外定位，并且通过相邻的涡轮机部件（116）上的支承表面（114）来固定。

10.如权利要求8所述的燃气涡轮发动机（10），其特征在于，所述移动限制器（106）包括上移动限制器（118），以固定所述至少一个间隙控制带（20）的上半部（82），并且包括下移动限制器（120），以固定所述至少一个间隙控制带（20）的下半部（84）。

Images