CN111535868A

CN111535868A - 叶片和用于叶片凹部的密封件的组件

Info

Publication number: CN111535868A
Application number: CN202010081646.2A
Authority: CN
Inventors: L.桑扎利; O.莱格扎奥尼
Original assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Current assignee: Pratt and Whitney Canada Corp
Priority date: 2019-02-06
Filing date: 2020-02-06
Publication date: 2020-08-14
Also published as: CA3071179A1; US20200248576A1; US10934874B2

Abstract

本发明涉及叶片和用于叶片凹部的密封件的组件。一种组件，包括叶片，所述叶片包括叶片部分、根部部分和处于所述叶片部分和所述根部部分之间的平台部分，所述平台部分限定侧向敞开的至少一个腔。邻接部在所述叶片的后端处从所述腔的壁部分突出。密封件被接收在所述腔中并且沿所述腔的周缘定位，所述密封件具有抵靠所述邻接部邻接的后缘。

Description

叶片和用于叶片凹部的密封件的组件

技术领域

本申请涉及见于燃气涡轮发动机中的类型的转子组件，并且更具体而言，涉及密封这样的组件。

背景技术

羽式密封件（feather seal）设计被用于与叶片凹部腔接合。这些密封件可沿在相邻叶片平台之间延伸的间隙定位。这样的密封件可具有“倒U形”设计的形式，该设计具有延伸超过叶片平台的前部和后部的支腿。这些支腿可用于阻止密封件在叶片/盘腔内移动。密封效率依赖于将密封件适当地插入该腔中，以使密封件沿所述间隙接触该腔的表面。由于这些腔从前缘到后缘可能是不对称的，因此密封件也可从前部支腿到后部支腿具有不对称的形状（例如，后部支腿更长）。因此，存在密封件可能安装不当的风险，并且这可能影响密封动作的效率。

发明内容

在一个方面，提供了一种叶片，其包括叶片部分、根部部分和处于所述叶片部分和所述根部部分之间的平台部分，所述平台部分限定至少一个腔，所述至少一个腔侧向敞开并且构造成用于沿所述腔的周缘在所述腔中接收密封件，邻接部在所述叶片的后端处从所述腔的壁部分突出，所述邻接部构造成用于与所述密封件的后缘邻接。

在另一方面，提供了一种组件，其包括：叶片，其包括叶片部分、根部部分和处于所述叶片部分和所述根部部分之间的平台部分，所述平台部分限定侧向敞开的至少一个腔，邻接部在所述叶片的后端处从所述腔的壁部分突出，以及密封件，其接收在所述腔中并且沿所述腔的周缘定位，所述密封件具有抵靠所述邻接部邻接的后缘。

附图说明

现在参照附图，其中：

图1是展示出本公开的叶片和密封件组件的燃气涡轮发动机的示意性剖视图；

图2是根据本公开的在盘上具有叶片的转子组件的等距视图；

图3是本公开的叶片和密封件组件的垂直投影图；以及

图4和图5是在本公开的叶片中的密封件的安装中的示例性机械干涉的垂直投影图。

具体实施方式

图1图示了优选地设置成用于亚音速飞行中的类型的燃气涡轮发动机10，其通常包括串流连通的以下部件，即：通过其来推进环境空气的风扇12；用于加压该空气的压缩机部段14；燃烧器16，压缩空气在其中与燃料混合并被点燃以产生热燃烧气体的环形流；以及用于从燃烧气体中提取能量的涡轮机部段18。一个或多个轴17与发动机10的处于压缩机部段14和涡轮机部段18中的其他旋转部分驱动接合。

参照图2和图3，其部分地示出了用于燃气涡轮发动机10的转子组件20的实施例。转子组件20可以是压缩机部段14或涡轮机部段18的任何合适的部件，该部件包括转子盘30（部分示出）和转子叶片40，该转子叶片40围绕沿发动机10的轴线11（图1）的轴17并随之旋转。在一个实施例中，转子组件20可形成设置在压缩机部段14的空气通道中的轴向压缩机的一部分。在另一个实施例中，转子组件20可形成轴向涡轮机的一部分，该轴向涡轮机设置在燃烧气体的通道50中，以便从涡轮机部段18中的燃烧气体中提取能量。

在一个实施例中，转子组件20包括转子盘30和多个转子叶片40，该多个转子叶片40绕该转子盘30周向设置并连接到该转子盘30。叶片40可绕盘30周向设置成多于一排，从而实现转子组件20的各轴向级。在某些实施例中，这些级可对应于压缩级或压力级。叶片40可以或者可以不绕盘30彼此周向等距隔开，但它们通常彼此等距隔开。

在实施例中，例如在转子组件20可被设置在燃烧器16下游的涡轮机部段18中的情况下，转子组件20的部件在发动机10的操作期间可能必须承受高压和高温。这样的操作条件可能影响所述部件的耐久性。转子组件20上游的热燃烧气体和/或空气可渗入在转子组件20中连接/接合在一起的部件之间的间隙空间。使转子组件20的部件之间的接合处的这种空气泄漏通道最小化可能是期望的，以便限制（降低）这些部件在发动机10的正常操作期间升温的速率和/或以免限制渗透对燃气涡轮发动机10的效率的负面影响。如下面所论述的，转子组件20的部件可适于最小化围绕盘30和/或在相邻叶片40之间的选定位置处、更具体而言在盘/叶片接合处的空气泄漏通道。

盘30具有前端部分31、与之轴向隔开的相对的后端部分32以及在前端部分31和后端部分32之间绕盘30周向延伸的周缘表面33。前端部分31可限定盘30的前端表面，并且后端部分32可限定盘30的后端表面，盘30的周缘表面33可在该前端表面和该后端表面之间延伸。在一个实施例中，所述端表面相对于彼此基本上平行并且相对于发动机10的轴线11基本上垂直。该前端表面和/或该后端表面可形成平坦的平面部分，当转子组件20被安装在发动机10中时，轴线11法向于该平面部分。例如，所述端表面中的任一个或两个可形成平坦的环形部分，例如平坦的外周环或带，在那里盘30连接到叶片40。在一个实施例中，相对于涡轮机部段18中的燃烧气体的流动路径的方向，该前端表面可以是转子组件20的上游表面。在另一个实施例中，该后端表面可以是压缩机部段14中的转子组件20的上游表面。因此，在压缩机部段14中，越过压缩机转子的空气的压差可作用在盘30的前表面上，并且在涡轮机部段18中，越过涡轮机转子的燃烧气体的压差可作用在盘30的前表面上。换句话说，在燃气涡轮发动机10的正常操作期间，源自于跨转子组件20的压差的力作用在该前端表面上。

盘30具有多个固定构件34，其穿过周缘表面33限定在该盘30中并且彼此周向隔开。固定构件34可从盘30的前端部分31轴向延伸到后端部分32。固定构件34可以是盘30的径向突出部，其中，每个固定构件34都是基本上径向的。盘30可包括多个异型槽（profiledslot）35，这些异型槽35在固定构件34中的成对的相邻固定构件34之间穿过周缘表面33限定在该盘30中。在一个实施例中，槽35可大致轴向地延伸。因此，盘30可具有固定构件34和槽35的交替序列。在一个实施例中，对槽35的机加工或类似制造导致固定构件34的存在。由于固定构件34和槽35并排且彼此限定，因此它们具有互补的形状。在一个实施例中，槽35可从盘30的前端表面轴向延伸到后端表面，在其中可相应地限定前槽开口和后槽开口。在其他实施例中，槽35可不一直延伸穿过盘30的轴向宽度，这是因为槽35可具有小于盘30的轴向宽度的轴向尺寸。换句话说，盘30的后端表面可不限定后槽开口。在一些实施例中，槽35可相对于转子组件20的纵向轴线略微歪斜。槽35可以是形成在盘30的周缘表面33中的任何合适的凹槽、开口和/或凹处，以接收叶片40中的一个的大致互补的部分，该部分可以是如后面所论述的叶片40的根部部分，以便由此将叶片40连接、固定和/或附接到盘30上。

在一个实施例中，固定构件34可具有异型轮廓（profiled contour），该异型轮廓例如可由一系列凸起形成，这一系列凸起从径向最外部的凸起（“顶部凸起”）到径向最内部的凸起（“底部凸起”）具有减小的周向宽度，而径向中央的凸起（“中间凸起”）设置在它们之间并且具有中间的凸起宽度。由于这种特性形状，这样的多凸起（multi-lobed）异型轮廓通常被称为枞树形（firtree）。从上文要理解的是，槽35可具有互补的枞树形形状，这是因为在一些实施例中，槽35的侧壁可各自限定固定构件34的异型轮廓的相应侧面。无论是否呈枞树形或凸起的形状，固定构件34和槽35都限定形成邻接部（abutment）的机械干涉，这些邻接部防止连接到盘30的叶片40的径向向外运动。固定构件34的异型轮廓的相对侧面可在固定构件34中的每一个的末端部分36处聚合/逐渐变细。换句话说，每个固定构件34的包括其末端部分36的外周缘可具有枞树形形状。在一些实施例中，固定构件34和槽35可具有其他成型形状。

参照图2，其示出了多个叶片40中的两个，而图3示出了叶片40中的单一一个。其他叶片被移除，以便图示叶片40的部件。在一个实施例中，为每个槽35设置叶片40，其中，这些叶片并排设置，以形成转子组件20。在一个实施例中，所有叶片40都基本上相同。在叶片40中可存在差异，例如用途不同，或者由于存在例如切口之类的给定特征。

叶片40中的一个示例性叶片40具有叶片根部部分41、翼型部分42和/或处于叶片根部部分41和翼型部分42之间的平台或平台段43。该平台或平台段43可相对于翼型部分42的侧面侧向延伸为突出部43A。因此，这样的突出部43A可与叶片40中的相邻叶片的对应平台段43成相对关系。所以，这些突出部43A可形成叶片40的环部分。

每个叶片40的叶片根部部分41可被接收在盘30的对应槽35中。根部部分41可具有与对应槽35的形状和尺寸相吻合的形状和尺寸。叶片根部部分41的尺寸可略小于或等于槽35的尺寸，以在将叶片40连接到盘30时允许叶片根部部分41在槽35内滑动。一旦接收在槽35中，叶片根部部分41就可利用保持构件39来固定在其中。该保持构件39可以是任何紧固结构，例如保持环、铆钉连接器或任何其他合适类型的保持构件，该保持构件可连接叶片根部部分41并将其轴向封锁在相应的槽35内，以防止叶片根部部分41和槽35之间的轴向运动。

每个叶片40的翼型部分42可大致或部分地横向于空气/燃烧气体通道A中的空气/燃烧气体的流动路径的方向延伸。翼型部分42可具有如下成型形状，即：当转子组件20在发动机10的操作期间旋转时空气/燃烧气体流过翼型部分42时，该成型形状适于产生跨转子组件20（或其部段）的压力/速度差。

平台段43中的一个或多个可具有弯曲的轮廓，该弯曲的轮廓形成向前突出的前凸缘44。平台段43中的一个或多个可具有向后突出的后凸缘45。突出部43A可处于凸缘44和45之间，以便限定平滑的连续壁46。该壁可以是环形段，因为并排式的叶片40的环形段可形成环形表面，翼型部分42从该环形表面大致径向地突出。该组合的环形表面可被称为转子组件20的平台和/或转子组件20的平台轨。在一个实施例中，平台段43的宽度从凸缘44的前端通过突出部43A并且到凸缘45的后端是大致一致或恒定的。

平台段43可包括从壁46向下突出的腹板部分46A。该腹板部分46A可以是平台段43的并入到或成为叶片根部部分41的部分。在另一个实施例中，该腹板部分46A可被视为是叶片根部部分41的一部分。腹板部分46A可被视为叶片根部部分41的如下部分，即：该部分处于盘30的结合周缘边缘33的最径向（radial-most）周界C的径向外部。肩部部分46B和46C可从壁46径向向内突出。在一个实施例中，平台段43可没有肩部部分46B和/或46C，其中，壁46替代地具有倒U形，例如在其端部处具有或不具有凸缘44和/或45。如果存在，则肩部部分46B和/或46C可大致横向于腹板部分46A。如图2-5中所示，在壁46、腹板部分46A以及肩部部分46B和46C之间的接合处可存在一个或多个圆角（fillet）。壁46和腹板部分46A以及肩部部分46B和/或46C如果存在，则可在每个翼型部分42下方限定腔47。在图3中，示出了叶片40的一侧，而另一侧可具有类似的构造并且也具有腔47。腔47也可被称为凹处、下凹部（subpocket）、凹陷、凹部部分等。在一个实施例中，平台段43的相对侧是彼此的镜像。腔47可由于如下原因而存在，即：在形成由相邻叶片40的并排的壁46构成的环形表面的同时，限制叶片40的重量。肩部部分46C可具有从壁46到其与盘30接触（例如，在周界C处）或到根部部分41的高度HC，该高度HC大于肩部部分46B的高度HB，即，高度HB是从肩部部分46B与壁46的接合处到其与盘30接触（例如，在周界C处）或到根部部分41。由于图2和图5可以是按比例绘制的，以表示一个实施例，因此可适用以下条件：HC≥3HB。

也称为止挡部的邻接部47A可突出到腔47中。如果在平台段43的两侧上都存在腔47，则每个腔47可具有邻接部47A，或者腔47中的单一一个可具有邻接部47A。在图2和图3的实施例中，邻接部47A从腹板部分46A和肩部部分46C两者突出。邻接部47A可经由圆角47A1与腹板部分46A和/或肩部部分46C合并。邻接部47A不只是圆角，这是因为其形状可具有大致平面的表面或类似构造，该大致平面的表面或类似构造具有与相邻圆角47A1不同的曲率半径。在一个实施例中，邻接部47A大致横向于腹板部分46A和/或肩部部分46C（“大致横向”意指成范围从75度至105度的角度）。邻接部47A可具有其相对的表面，该相对的表面相对于盘30上的叶片40的旋转轴线11大致周向地定向。在一个实施例中，邻接部47A可被视为从例如腹板部分46A和肩部部分46C的其突出的壁的除此以外连续的表面的中断。当从其他表面（例如，腹板部分46A和肩部部分46C的表面）大致横向地突出时，通过减小腹板部分46A和/或肩部部分46C中的局部应力，邻接部47A可以是应力消减器。邻接部47A可增加局部刚度。在一个实施例中，邻接部47A的位置处的局部应力相对高于平台段43的其他位置处。由于叶片扭转和/或由于肩部部分46C引起的拉力增加，局部应力可能相对较高。因此，肩部部分46C由于其较大的尺寸而承受肩部部分46B可能不会承受的应力。壁46可界定通过转子组件20的主气体路径，由此在操作期间在气体路径压力与腔47之间可存在压差。此外，还可存在另一压差，该压差跨肩部部分46C存在于腔47与转子组件20下游的环境之间。例如，当转子组件20是压缩机的一部分时，下游压力可大于腔47中的压力，由此肩部部分46C可能承受附加的应力。在一个实施例中，肩部部分46C在平台段43的部件中承受相对最高的应力。这是一个示例，因为在其他布置结构中，较高的应力可能在肩部部分46B中。因此，腔47中的邻接部47A的存在可通过其刚化（stiffening）功能来加强叶片40，并且可导致叶片40比具有邻接部47A的叶片40要轻。邻接部47A可有助于分散应力。

当叶片40被安装在盘30上时，叶片40中的相邻叶片的对应平台段43可成相对关系匹配，使得处于对应平台段43下方的平台腔47可一起限定叶片凹部（blade pocket）48，即整体凹处48。换句话说，凹部48可通过相应的相邻叶片40的相邻平台段43来限制。当叶片40被安装在盘30上时，凹部48也可由盘30的周缘表面33来限定。如果仅叶片40的一侧具有腔47，则凹部48可由一个叶片的腔47和相邻叶片的平滑表面、例如相邻叶片的腹板部分46A来限定。

当叶片40并排安装并在它们之间形成凹部48时，平台段43的壁46形成绕转子组件20的旋转轴线定位的大致连续的环形表面。然而，在相邻平台段43的侧边缘之间可限定间隙49（参见图2）。更具体而言，这样的间隙49可从前凸缘44通过突出部43A延伸到后凸缘45，并且可被视为用于轴向定向的轴向间隙。间隙49也可因为其处于环形平台的周界中而被称为间隙。换句话说，间隙49可沿相邻平台段43的侧边缘。

参照图3，在一些实施例中，凹部48可包含密封件50，该密封件50可密封在相邻平台段43的侧边缘之间限定的间隙49。在一个实施例中，密封件50可被称为羽式密封件、阻尼密封件等。密封件50可有助于使转子组件20的相邻平台段43之间的空气泄漏最小化。抵靠间隙49施加的密封件50的剖面可以是细长的，使得比间隙49的宽度要宽得多。此外，该剖面可相对平坦，使得抵靠凹部48的表面施加。密封件50可具有U形形状或C形形状。密封件50的形状可使得模仿腔47/凹部48的表面，以使密封件50沿间隙49抵靠该表面。利用这样的形状，密封件50可具有前支腿54、后支腿55和中央部分56。该前支腿54具有前缘54A，其可接触凹部48的径向最向内的表面或者与之接近。在该实施例中，凹部48的径向最向内的表面由盘30的周缘表面33界定。当安装时，前支腿54与平台段43的前端、即具有凸缘44的前端相邻。后支腿55具有可接触邻接部47A的后缘55A。当安装时，后支腿55与平台段43的后端、即具有凸缘45的后端相邻。中央部分56抵靠壁46的径向向内的表面施加。突部56A可从中央部分56侧向且向内地突出。突部56A可抵靠腹板部分46A的表面施加，以增加密封件50与凹部48的表面之间的接触面积。

由于邻接部47A的存在，后支腿55从中央部分56起的长度LC短于前支腿54从中央部分56起的长度LB。由于图2和图5可以是按比例绘制的，以表示一个实施例，因此可适用以下条件：LB≥1.25LC。该关系也可以是关系LB≥2.0LC。如图4和图5中所示，由于关系LB≥1.25LC，并且由于在凹部48中形成障碍的邻接部47A的存在，在后支腿55向前的情况下安装密封件50将导致机械干涉。这可表示密封件放置不当。在一个实施例中，邻接部47A和密封件50之间的协作可作为防错特征，以确保密封件50没有不当地安装。

由于所述关系，LB≥1.25LC可导致较轻的密封件50，这是因为后支腿55较短，因为它不必一直延伸到盘30的周缘表面33。该较轻的密封件50还可由于其较短而具有增加的寿命。在载荷通过较轻且较短的密封件50传递的情况下，通过密封件50施加于凹部48的表面的载荷也可减小。继而，这使得能够设计具有减小的应力的较轻的叶片。包括邻接部47A的布置结构可在向前和后方方向上约束密封件50，并且因此，防止或阻挡密封件50在凹部48内摇摆和转动。例如，这可确保密封件50与限定叶片凹部48的表面的持续接触。

上面的描述仅意在是示例性的，并且本领域技术人员将认识到，可在不脱离所公开的本发明的范围的情况下对所描述的实施例进行改变。密封件50可以说是从端部54到55不对称的。密封件50可以或者可以不关于纵向剖切密封件50的平面（例如，结合旋转轴线11的平面）对称。在一个实施例中，邻接部47A以如下方式定位，即：使得密封件50可在LA=LC的情况下纵向对称。根据对本公开的回顾，落入本发明的范围内的再其他的修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且这些修改意在落入所附权利要求内。

Claims

1.一种叶片，包括叶片部分、根部部分和处于所述叶片部分和所述根部部分之间的平台部分，所述平台部分限定至少一个腔，所述至少一个腔侧向敞开并且构造成用于沿所述腔的周缘在所述腔中接收密封件，邻接部在所述叶片的后端处从所述腔的壁部分突出，所述邻接部构造成用于与所述密封件的后缘邻接。

2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述平台部分具有壁，所述壁构造成用于成为盘上的多个所述叶片的环形平台的环形段，所述壁的径向向内部分限定所述至少一个腔的一部分。

3.根据权利要求2所述的叶片，其特征在于，所述至少一个腔还由从所述壁延伸到所述根部部分的腹板部分和后肩部部分限定。

4.根据权利要求3所述的叶片，其特征在于，所述邻接部从所述腹板部分和所述后肩部部分突出。

5.根据权利要求4所述的叶片，其特征在于，所述邻接部大致横向于所述腹板部分和所述后肩部部分。

6.根据权利要求4所述的叶片，其特征在于，至少一个圆角位于所述邻接部、所述腹板部分和/或所述后肩部部分之间的接合处。

7.根据权利要求3所述的叶片，其特征在于，所述至少一个腔还由从所述壁延伸到所述根部部分的前肩部部分限定。

8.根据权利要求7所述的叶片，其特征在于，所述后肩部部分具有从所述壁到所述根部部分的高度HC，所述前肩部部分具有从所述壁到所述根部部分的高度HB，并且其中，HC≥3HB。

9.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述邻接部具有相对的表面，所述相对的表面相对于盘上的所述叶片的旋转轴线大致周向定向。

10.根据权利要求1所述的叶片，在所述叶片的每一侧上包括一个所述腔。

11.根据权利要求10所述的叶片，其特征在于，每个所述腔具有所述邻接部中的一个。

12. 一种组件，包括：

叶片，其包括叶片部分、根部部分和处于所述叶片部分和所述根部部分之间的平台部分，所述平台部分限定侧向敞开的至少一个腔，邻接部在所述叶片的后端处从所述腔的壁部分突出，以及

密封件，其接收在所述腔中并且沿所述腔的周缘定位，所述密封件具有抵靠所述邻接部邻接的后缘。

13.根据权利要求12所述的组件，其特征在于，所述平台部分具有壁，所述壁构造成用于成为盘上的多个所述叶片的环形平台的环形段，所述壁的径向向内部分限定所述至少一个腔的一部分。

14.根据权利要求13所述的组件，其特征在于，所述至少一个腔还由从所述壁延伸到所述根部部分的腹板部分和后肩部部分限定，所述邻接部从所述腹板部分和所述后肩部部分突出。

15.根据权利要求14所述的组件，其特征在于，所述邻接部大致横向于所述腹板部分和所述后肩部部分。

16.根据权利要求12所述的组件，其特征在于，所述邻接部具有相对的表面，所述相对的表面相对于盘上的所述叶片的旋转轴线大致周向定向。

17.根据权利要求12所述的组件，其特征在于，所述密封件具有通过中央部分关联的前支腿和后支腿，所述前支腿长于所述后支腿。

18.根据权利要求17所述的组件，其特征在于，所述前支腿具有从所述中央部分起的长度LB，所述后支腿具有从所述中央部分起的长度LC，并且其中，LB≥1.25LC。

19.根据权利要求17所述的组件，其特征在于，至少一个突部从所述中央部分侧向且径向向内地突出。