CN107762570A - 在转子和定子之间带有边缘密封件的涡轮发动机 - Google Patents

在转子和定子之间带有边缘密封件的涡轮发动机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在转子和定子之间带有边缘密封件的涡轮发动机。具体而言，本发明涉及一种涉及用于涡轮发动机(10)的边缘密封件(102，202，302)的器具，边缘密封件包括翼(126，226，326)和阻碍件(118，218，318)，它们延伸到空腔中以形成迷宫流体路径(108，208，308)。翼(126，226，326)和阻碍件(118，218，318)可各自包括径向延伸部。冷却空气可沿着迷宫流体路径(108，208，308)传送通过边缘密封件(102，202，302)，以阻止从主流吸入热气。

Description

在转子和定子之间带有边缘密封件的涡轮发动机
技术领域
涡轮发动机且特别是燃气或燃烧涡轮发动机是旋转发动机，其从燃烧气体流取得能量，燃烧气体流传送通过带有多个叶片的风扇，然后通过一系列压缩机级进入到发动机中，压缩机级包括成对的旋转叶片和固定导叶，燃烧气体流通过燃烧器，且然后通过一系列涡轮级，涡轮级也由旋转叶片和固定导叶组成。
背景技术
在操作中，随着气体从压缩机级流到涡轮级，涡轮发动机在越来越热的温度下操作。构件的各种冷却回路排到主流路径，而且必须对其提供处于足够压力的冷却空气，以防止在操作期间在其中吸入热气。
例如，在固定涡轮喷嘴和旋转涡轮叶片之间提供密封件，以防止热气吸入或逆流到冷却回路中。改进这些密封件以防止吸入或逆流的能力提高发动机性能和效率。
发明内容
在一个方面，实施例涉及涡轮发动机，涡轮发动机包括：转子，其具有至少一个盘，盘带有沿周向间隔开的叶片；定子，其具有至少一个环，环带有沿周向间隔开的导叶，其中环在盘附近；边缘密封件，其包括从盘延伸的翼；从环延伸的阻碍件，其中迷宫流体路径在翼和阻碍件之间形成，其中，翼和阻碍件中的一者的至少一部分由多孔材料形成。
在另一方面，实施例涉及在涡轮发动机的转子和定子之间的边缘密封件，涡轮发动机包括：从转子延伸的翼；从定子延伸的阻碍件；以及在翼和阻碍件之间形成的迷宫流体路径，其中，翼和阻碍件中的一者的至少一部分由多孔材料形成。
在还有另一方面，实施例涉及用于涡轮发动机的边缘密封件，涡轮发动机包括从转子延伸的翼和从定子延伸的阻碍件，翼和阻碍件中的一者的至少一部分由多孔材料形成。
附图说明
在附图中：
图1是用于飞行器的涡轮发动机的示意性横截面图。
图2是图1的涡轮发动机的涡轮区段的截面图。
图3是示出边缘密封件的图2的区段的放大视图。
图4是在图3的边缘密封件的出口处的流动剖面的示意图。
图5是图3的边缘密封件的第二实施例。
图6是图3的边缘的第三实施例。
具体实施方式
本发明的描述的实施例针对涡轮发动机的涡轮区段的转子和定子之间的边缘密封件，其中翼和阻碍件中的一者或两者的一部分由多孔材料形成。为了说明，将关于用于飞行器燃气涡轮发动机的涡轮来描述本发明。但将理解的是，本发明不受此限制，而是可普遍适用于涡轮和非飞行器应用之外的发动机区段，诸如其它移动应用和非移动的工业应用、商业应用和住宅应用。
如本文使用的用语“前部”或“上游”指的是沿朝向发动机入口的方向移动，或者构件相比于另一个构件相对较接近发动机入口。与“前部”或“上游”结合使用的用语“后部”或“下游”指的是朝向发动机的后方或出口的方向或者相比于另一个构件相对较接近发动机出口。
另外，如本文使用的用语“径向”或“沿径向”指的是在发动机的中心纵向轴线和外部发动机周边之间延伸的维度。
所有方向引用(例如径向、轴向、近侧、远侧、上、下、向上、向下、左、右、侧向、前、后、顶部、底部、上方、下方、垂直、水平、顺时针、逆时针、上游、下游、前部、后部等)仅仅是为了标识目的，以帮助读者理解本发明，而且不产生限制，特别是不对位置、定向或本发明的用途产生限制。连接引用(例如附连、联接、连接和连结)要宽泛地理解且可包括在一系列元件之间的中间部件和元件之间的相对移动，除非另有指示。因而，连接引用未必意味着两个元件直接连接和彼此处于固定关系。示例性附图仅仅是为了说明目的，而且附于此的图中反映的尺寸、位置、顺序和相对大小可改变。
图1是用于飞行器的涡轮发动机10的示意性横截面图。发动机10具有大体纵向地延伸的从前部14延伸到后部16的轴线或中心线12。发动机10包括(成下游连续流关系)：风扇区段18，其包括风扇20；压缩机区段22，其包括升压器或低压(LP)压缩机24和高压(HP)压缩机26；燃烧区段28，其包括燃烧器30；涡轮区段32，其包括HP涡轮34和LP涡轮36；以及排气区段38。
风扇区段18包括包围风扇20的风扇壳40。风扇20包括多个风扇叶片42，它们沿径向围绕中心线12设置。HP压缩机26、燃烧器30和HP涡轮34形成发动机10的核心44，核心44产生燃烧气体。核心44被核心壳46包围，核心壳46可与风扇壳40联接。
围绕发动机10的中心线12同轴设置的HP轴或转轴48将HP涡轮34传动地连接至HP压缩机26。LP轴或转轴50在较大直径的环形HP转轴48内围绕发动机10的中心线12同轴设置，LP轴或转轴50将LP涡轮36传动地连接至LP压缩机24和风扇20。转轴48、50可围绕发动机中心线旋转，并且联接至多个可旋转元件，该多个可旋转元件可共同限定转子51。
LP压缩机24和HP压缩机26分别包括多个压缩机级52、54，其中成组的压缩机叶片56、58相对于对应的成组的静态压缩机导叶60、62(也称为喷嘴)旋转，以对传送通过级的流体流进行压缩或加压。在单个压缩机级52、54中，多个压缩机叶片56、58可在环中提供，并且它们可相对于中心线12从叶片平台沿径向向外延伸到叶片末梢，而对应的静态压缩机导叶60、62定位在旋转叶片56、58的上游和附近。注意，图1中显示的叶片、导叶和压缩机级的数量仅仅是为了说明目的而选择，而且其它数量是可能的。
用于压缩机级的叶片56、58可安装至盘61，盘61安装至HP转轴48和LP转轴50中对应的一个上，各个级具有其本身的盘61。用于压缩机级的导叶60、62可按周向布置安装至核心壳46。
HP涡轮34和LP涡轮36分别包括多个涡轮级64、66，其中成组的涡轮叶片68、70相对于对应的成组的静态涡轮导叶72、74(也称为喷嘴)旋转，以从传送通过级的流体流取得能量。在单个涡轮级64、66中，多个涡轮叶片68、70可在环中提供，并且它们可相对于中心线12从叶片平台沿径向向外延伸到叶片末梢，而对应的静态涡轮导叶72、74定位在旋转叶片68、70的上游和附近。注意，图1中显示的叶片、导叶和涡轮级的数量仅仅是为了说明目的而选择，并且其它数量是可能的。
用于涡轮级的叶片68、70可安装至盘71，盘71安装至HP转轴48和LP转轴50中对应的一个，各个级具有专用盘71。用于压缩机级的导叶72、74可按周向布置安装至核心壳46。
与转子部分互补，发动机10的固定部分(诸如压缩机和涡轮区段22、32之中的静态导叶60、62、72、74)也单独或共同称为定子63。因而，定子63可指发动机10各处的非旋转元件的组合。
在操作中，离开风扇区段18的空气流分离，使得空气流的一部分引导到LP压缩机24中，LP压缩机24然后将加压空气76供应到HP压缩机26，HP压缩机26使空气进一步加压。来自HP压缩机26的加压空气76与燃烧器30中的燃料混合且点燃，从而产生燃烧气体。一些功由HP涡轮34从这些气体取得，这些功驱动HP压缩机26。燃烧气体排出到LP涡轮36中，LP涡轮36取得额外的功来驱动LP压缩机24，并且排气最终经由排气区段38从发动机10排出。驱动LP涡轮36会驱动LP转轴50使风扇20和LP压缩机24旋转。
加压空气流76的一部分可作为放气77从压缩机区段22引出。放气77可从加压空气流76引出，并且提供给需要冷却的发动机构件。进入燃烧器30的加压空气流76的温度显著地升高。因而，由放气77提供的冷却对于在温度升高的环境中操作这样的发动机构件是必要的。
空气流78的其余部分绕过LP压缩机24和发动机核心44，并且通过固定导叶排且更特别地风扇排气侧84处的出口导向导叶组件80(包括多个翼型导向导叶82)离开发动机组件10。更特别地，在风扇区段18附近使用周向排的沿径向延伸的翼型导向导叶82，以对空气流78施加一些方向控制。
由风扇20供应的一些空气可绕过发动机核心44，并且用于冷却发动机10的一部分，尤其是热的部分，并且/或者用来冷却飞行器的其它方面，或者对其提供功率。在涡轮发动机的环境中，发动机的热的部分通常在燃烧器30的下游，尤其是在涡轮区段32的下游，其中HP涡轮34是最热的部分，因为它在燃烧区段28的正下游。其它冷却流体源可为(但不限于)从LP压缩机24或HP压缩机26排出的流体。
图2描绘了包括定子63和转子51的涡轮区段32的一部分。虽然本文的描述是关于涡轮写出的，但应当理解的是，本文公开的概念同样可应用于压缩机区段，以及涡轮发动机的在旋转部分和固定部分之间使用边缘密封件的任何其它部分。转子51包括至少一个盘71，盘带有沿周向间隔开的叶片68。转子51可围绕中心线12旋转，使得叶片68围绕中心线12沿径向旋转。
定子63包括至少一个环100，环带有沿周向间隔开的导叶72。环100在盘71附近，并且在转子51和定子63之间形成边缘密封件102。径向密封件104可安装至环100附近的定子盘106。各个导叶72沿径向彼此间隔开，以至少部分地限定用于主流空气流M的路径。
主流空气流M沿前部14到后部16的方向移动，部分地由叶片68驱动。HP涡轮34和LP涡轮36还共同促成驱动HP和LP压缩机24、26，以实现驱动核心流所需的总压力比率。边缘密封件102和径向密封件104可具有泄漏路径109、111，来自主流空气流M的一些空气流可通过泄漏路径沿与主流空气流M相反的方向泄漏，从而导致不必要地加热转子51和定子63的一部分。迷宫流体路径108在环100和盘71之间延伸，并且用来通过阻止不必要的加热来防止从发动机10的正被冷却的区域吸入空气流M。可通过供应较大量冷却空气C来避免这种吸入的热空气，降低了效率。本文中讨论了改进密封件102和路径108，使得需要尽可能少量的冷却剂C来阻止不必要的加热。
转到图3，图2的一部分3的放大视图更清楚地详细描述了边缘密封件102。边缘密封件102包括在环100和盘71之间的入口110和出口112。入口110和出口112具有轴向间隙，其大于盘71和环100之间的轴向容差，以防止部件在操作期间的摩擦和退化。
边缘密封件102包括至少第一空腔114和第二空腔116，其中阻碍件118从环100延伸到第一空腔114中。阻碍件118所延伸的程度由盘71和环100之间的轴向容差决定。阻碍件118可具有至少部分地由多孔材料122形成的部分120。这个部分120可包括整个阻碍件118。阻碍件118的终端124可限定出口112的一部分，并且具有径向或轴向定向。
多孔材料122可具有随机孔隙度或结构化孔隙度或者它们两者的组合。带有随机孔隙度的材料可布置为填料，且包括在大小和形状上变化的气隙和气穴。可使用增材制造来布置带有结构化孔隙度的材料，使得其内的气隙和气穴具有预定形状、大小和定向，这取决于边缘密封件102的要求和限制。多孔材料的形成和布置不限于填料和增材制造，而是可构想到其它制造技术。
翼126从盘71延伸到第二空腔116中，其中，翼126和阻碍件118沿轴向方向至少部分地交迭，并且沿径向方向间隔开。翼126可具有终端128，其限定迷宫路径108的一部分。终端124可包括沿径向朝阻碍件118突出的径向延伸部130。径向延伸部130和阻碍件118之间的径向间距大于翼126和阻碍件118之间的径向容差。像阻碍件118一样，翼126可具有由多孔材料122形成的部分132，其中该部分132可为整个翼126。
虽然翼126被示为具有径向延伸部130，径向延伸部130可位于翼126或阻碍件118中的一个上，位于翼126和阻碍件118两者上，或者不位于翼126或阻碍件118上。应当理解，边缘密封件102可具有多个空腔，而且不意在限于所示出的两个空腔114和116。
阻碍件118和翼126两者的延伸部形成迷宫流体路径108，在那里进入入口110的冷却空气C可围绕翼126和阻碍件118以蛇形运动的方式转向，从而在出口112处离开。另外，冷却空气134的一部分可行进通过多孔材料122，以冷却环100和盘71。随着冷却空气134的该部分行进通过多孔材料，冷却空气134的该部分相比冷却空气C变得相对较热，并且保持比热空气流H相对较冷。
转到图4，冷却空气134的该部分被示为中间流I，在离开出口112时，中间流I的温度值介于热空气流H和冷却空气C之间某处。中间流I和冷却空气C离开出口112，从而共同形成动量分布150，其中热空气流H首先由于中间流I而沿径向向外152偏转，且然后由于冷却空气C以连续偏转156沿径向向外154进一步偏转。连续偏转156使热空气流H逐渐转向，从而使得与当仅仅冷却空气C离开出口112时相比空气流H、I、C的较少湍流的交会。应当理解，动量分布150代表动量矢量，包括速度和空气量两者，并且表示导致由空气流H、I和C的混合引起的湍流。
可选择多孔材料122的物理特性来控制动量分布150的形状。例如，多孔材料的厚度可为恒定或变化的，以改变动量分布150。可选择多孔材料包括翼或阻碍件的程度来控制动量分布150。还可控制孔隙度。孔隙度也可为恒定或变化的，尤其是在结构化多孔材料中。还可控制在多孔材料中形成孔隙度的通道，以控制空气从多孔材料发射出来去往哪里，以及沿哪个方向发射出来。
虽然动量分布150被显示为钟形分布，但构想到其它分布形状。可实现更有角度的分布，包括楔形。构想到翼型分布。分布可为连续或间断的。分布也可为线性或曲线的。
图4和图5中构想到边缘密封件102的额外的实施例，它们类似于第一实施例，并且因此相似部件将由增加了100的相似标号标识，要理解的是，关于第一实施例的相似部件的描述适用于额外的实施例，除非另有说明。应当理解，图4和图5是关于边缘密封件102的不同构想的示意图，而且多孔材料122的实际布置、位置和定向不限于这些实施例。
在图5中，阻碍件218沿径向与翼226间隔开，其中多孔材料222限定阻碍件218和翼226的末梢229。末梢229可为终端228的任何部分232，例如在翼226上示出的径向延伸部230或在阻碍件218上示出的终端224的整个部分220。
在图6中示出的第三实施例中，阻碍件318沿径向与翼326间隔开，其中多孔材料322位于翼326的中间区段331上。中间区段331是翼的在终端328和盘271之间的任何部分。多孔材料322的层沿径向从翼326的中间区段331跨过而限定阻碍件318的内表面333。层333可限定阻碍件318的终端324的部分320。
应当理解，还可构想到本文公开的示例的任何组合，而且附图仅仅是为了说明目的而分享且不意在为限制性的。多孔材料122的布置和位置取决于边缘密封件102的位置和与边缘密封件102的位置相关联的操作条件、温度、压力、操作时间等。
可进一步构想到，虽然本文描述的图意味着多孔区域是连续的，但也可对这些区域进行分段，以关于其中出现多孔区域的导叶和叶片位置来布置这些区域。边缘密封件位置上方的主流空气流中的周向压力分布也可影响多孔区域的布置和位置。
在边缘密封件102的至少一个位置中包括多孔材料122的好处包括阻止从主流M吸入热气H。热空气流H由于由中间流I和冷却空气C形成的动量分布150而发生连续偏转156，从而防止热空气流H吸入到边缘密封件102中。可优化多孔材料部分120、132的位置，以从中间流I和冷却空气C产生最有利的动量分布150，以使得主流空气流M能够有最高效率。
本文描述的构造防止热气经过空腔吸入，在空腔中，热气对转子和定子的一部分可能是有害的。防止吸入热气还允许较少吹扫流，并且因此改进燃料消耗率(SFC)。
应当理解，公开的设计的应用不限于带有风扇和升压器区段的涡轮发动机，而是也可适用于涡轮喷气发动机和涡轮发动机。
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结合的方法。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元件，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元件，则意在使这些其它示例处于权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种涡轮发动机(10)，包括：
转子(51，151，251)，其具有至少一个盘(71，171，271)，所述至少一个盘带有沿周向间隔开的叶片(68，168，268)；
定子(63，163，263)，其具有至少一个环(100，200，300)，所述至少一个环带有沿周向间隔开的导叶(72，172，272)，其中所述环(100，200，300)在所述盘(71，171，271)附近；
边缘密封件(102，202，302)，其包括：翼(126，226，326)，所述翼从所述盘(71，171，271)延伸；从所述环(100，200，300)延伸的阻碍件(118，218，318)，其中迷宫流体路径(108，208，308)在所述翼(126，226，326)和所述阻碍件(118，218，318)之间形成；
其中，所述翼(126，226，326)和所述阻碍件(118，218，318)中的一者的至少一部分(120，220，320)由多孔材料(122，222，322)形成。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述多孔材料(122，222，322)具有结构化孔隙度或随机孔隙度中的至少一者。
3.根据权利要求1所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述多孔材料(122，222，322)在所述翼(126，226，326)和所述阻碍件(118，218，318)两者的部分(120，220，320)中。
4.根据权利要求1所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述多孔材料(122，222，322)位于所述翼(126，226，326)或所述阻碍件(118，218，318)中的一者的中间区段(331)中。
5.根据权利要求1所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述多孔材料(122，222，322)位于所述翼(126，226，326)或所述阻碍件(118，218，318)中的一者的终端(124，128，224，228，324，328)中。
6.根据权利要求1所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，整个所述翼(126，226，326)或所述阻碍件(118，218，318)是多孔材料(122，222，322)。
7.根据权利要求1所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述翼(126，226，326)和所述阻碍件(118，218，318)沿轴向方向至少部分地交迭，并且沿径向方向间隔开。
8.根据权利要求1所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述多孔材料(122，222，322)位于径向延伸部中。
9.根据权利要求8所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述径向延伸部延伸到空腔中。
10.根据权利要求1所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述多孔材料(122，222，322)限定所述翼(126，226，326)或所述阻碍件(118，218，318)中的一者的末梢。
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