CN117759342A - 用于燃气涡轮发动机的环段 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃气涡轮发动机(100)的环段(300)包括：相对于所述燃气涡轮发动机的工作流体(310)的周向分流(502)的前匹配面(302)；与所述前匹配面相对的后匹配面(304)；在所述前匹配面和所述后匹配面之间延伸的弧形主体(312)，所述弧形主体具有面对所述工作流体的第一表面(314)和与所述第一表面相对的第二表面(316)。所述第一表面包括：从所述后匹配面朝向所述前匹配面延伸的弧形表面(318)，所述弧形表面具有在法向于所述燃气涡轮发动机的中心轴线的剖平面中截取的弧形剖面；以及从所述前匹配面朝向所述后匹配面延伸的倒角表面(320)，所述倒角表面具有在所述剖平面中截取的非弧形剖面。

Description

用于燃气涡轮发动机的环段
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括压缩机部段、涡轮部段和设置在它们之间的燃烧部段。压缩机部段包括多级的旋转压缩机叶片和固定压缩机轮叶。燃烧部段通常包括多个燃烧器。涡轮部段包括多级的旋转涡轮叶片和固定涡轮轮叶。涡轮叶片和轮叶通常在高温环境中操作并且在内部冷却。燃烧器可包括用于提供待与来自压缩机部段的压缩空气混合的燃料的燃料喷射器以及用于点燃混合物以形成用于涡轮部段的热排气的点火源。
发明内容
在一个方面，一种用于燃气涡轮发动机的环段包括：相对于该燃气涡轮发动机的工作流体的周向分流的前匹配面；与该前匹配面相对的后匹配面；在该前匹配面和后匹配面之间延伸的弧形主体，该弧形主体具有面对该工作流体的第一表面和与该第一表面相对的第二表面。该第一表面包括从该后匹配面朝向该前匹配面延伸的弧形表面，该弧形表面具有在法向于(normal to)该燃气涡轮发动机的中心轴线的剖平面(section plane)中截取的弧形剖面。该第一表面包括从该前匹配面朝向该后匹配面延伸的倒角表面，该倒角表面具有在该剖平面中截取的非弧形剖面。
在一个方面，一种用于燃气涡轮发动机的环段包括：相对于该燃气涡轮发动机的工作流体的周向分流的前匹配面；与该前匹配面相对的后匹配面；在该前匹配面和后匹配面之间延伸的弧形主体，该弧形主体具有面对该工作流体的第一表面和与该第一表面相对的第二表面。该第一表面包括从该后匹配面朝向该前匹配面延伸的弧形表面，该弧形表面具有在法向于该燃气涡轮发动机的中心轴线的剖平面中截取的弧形剖面。该第一表面包括从该前匹配面朝向该后匹配面延伸的倒角表面，该倒角表面具有在该剖平面中截取的非弧形剖面。该环段包括在该倒角表面和该前匹配面的相交处形成的前边缘，该前边缘包括前圆角。
附图说明
为了容易识别对任何特定元件或动作的论述，附图标记中的一个或多个最高有效数位表示首次引入该元件的图号。
图1是沿包含纵向轴线或中心轴线的平面截取的燃气涡轮发动机的纵向剖视图。
图2是用于与图1中所示的燃气涡轮发动机一起使用的具有多个环段的环段组件的示意性周向剖面图。
图3是图2中所示的环段的透视图。
图4是更好地图示了倒角表面的图3中所示的环段的一部分。
图5是具有两个相邻的图3中所示的环段的环段组件的一部分的示意图。
具体实施方式
在详细解释本发明的任何实施例之前，要理解本发明在其应用上不限于在本说明书中阐述或在以下附图中图示的构造的细节和部件的布置结构。本发明能够具有其他实施例并且能够以各种方式来实践或执行。此外，还要理解的是，本文所使用的措辞和术语是出于描述的目的，并且不应被认为是限制性的。
现在将参考附图描述与系统和方法有关的各种技术，其中相同的附图标记自始至终表示相同的元件。下面论述的附图以及用于描述此专利文件中的本公开的原理的各种实施例仅作为例示，并且不应以任何方式解释为限制本公开的范围。本领域技术人员将理解的是，本公开的原理可在任何适当布置的设备中实现。要理解的是，被描述为通过某些系统元件执行的功能可通过多个元件执行。类似地，例如，一个元件可被构造成执行被描述为通过多个元件执行的功能。将参考示例性的非限制性实施例来描述本申请的许多创新性教导。
应当理解的是，除非在一些示例中明确地限制，否则本文中使用的用语或措辞应当被广义地解释。例如，术语“包括”、“具有”和“包含”以及它们的派生词意指包括但不限于。单数形式“一”、“一个”和“一种”意在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。此外，如本文所使用的术语“和/或”是指并且涵盖相关联的所列项目中的一个或多个的任何和所有可能的组合。术语“或”是包含性的，从而意味着和/或，除非上下文另有明确指示。措辞“与...相关联”和“与之相关联”及其派生词可能意味着包括、包含在内、与...互连、包含、被包含在内、连接到或与...连接、耦接到或与...耦接、可与...连通、与...协作、交错、并置、靠近、结合到或与...结合、具有、具有...的特性等。此外，虽然本文可描述多个实施例或构造，但是关于一个实施例描述的任何特征、方法、步骤、部件等等同地适用于没有相反地具体陈述的其他实施例。
诸如“第一”、“第二”、“第三”之类的术语在本文中可用于指代各种要素、信息、功能或动作，但这些要素、信息、功能或动作不应受这些术语限制。相反，这些数字形容词用于彼此区分不同的要素、信息、功能或动作。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一要素、信息、功能或动作可被称为第二要素、信息、功能或动作，并且类似地，第二要素、信息、功能或动作可被称为第一要素、信息、功能或动作。
在描述中，术语“轴向”或“轴向地”是指沿燃气涡轮发动机的纵向轴线的方向。术语“径向”或“径向地”是指垂直于燃气涡轮发动机的纵向轴线的方向。术语“下游”或“后”是指沿流动方向的方向。术语“上游”或“前”是指与流动方向相反的方向。
另外，术语“相邻"可能意味着：一个元件相对接近另一元件但不与另一元件接触；或者该元件与另一部分接触，除非上下文另有明确指示。此外，除非另有明确说明，否则措辞“基于”旨在意指“至少部分地基于”。
术语“大约”或“基本上”或者类似术语旨在涵盖处于该尺寸的正常行业制造公差内的值的变化。如果没有行业标准可用，除非另有说明，否则百分之二十的变化将落入这些术语的含义内。
图1图示了燃气涡轮发动机100的示例，其包括沿中心轴线112布置的压缩机部段102、燃烧部段104和涡轮部段106。压缩机部段102包括多个压缩机级114，其中，每个压缩机级114包括一组固定压缩机轮叶116或可调整的引导轮叶以及一组旋转压缩机叶片118。转子134支撑旋转压缩机叶片118，以便在操作期间绕中心轴线112旋转。在一些构造中，单个单件式转子134延伸燃气涡轮发动机100的长度，并且由任一端处的轴承支撑以便旋转。在其他构造中，转子134由附接到彼此的若干个单独的管轴(spool)组装而成，或者可包括经由一个或多个螺栓附接的多个盘部段。
压缩机部段102与入口部段108流体连通，以允许燃气涡轮发动机100将大气空气吸入到压缩机部段102中。在燃气涡轮发动机100的操作期间，压缩机部段102吸入大气空气并压缩该空气，以用于输送到燃烧部段104。所示的压缩机部段102是一种压缩机部段102的示例，而其他布置结构和设计也是可能的。
在所示构造中，燃烧部段104包括多个单独的燃烧器120，其各自操作以将燃料流与来自压缩机部段102的压缩空气混合，并且燃烧该空气-燃料混合物，以产生高温、高压燃烧气体或排气122的流。当然，燃烧部段104的许多其他布置结构也是可能的。
涡轮部段106包括多个涡轮级124，其中，每个涡轮级124包括若干个固定涡轮轮叶126以及若干个旋转涡轮叶片128。涡轮级124被布置成在涡轮入口130处接收来自燃烧部段104的排气122，并且使该气体膨胀，以将热能和压力能转换成旋转功或机械功。涡轮部段106被连接到压缩机部段102，以驱动压缩机部段102。对于用于发电或用作原动机的燃气涡轮发动机100，涡轮部段106还被连接到发电机、泵或待驱动的其他装置。如同压缩机部段102一样，涡轮部段106的其他设计和布置结构也是可能的。
排气部分110位于涡轮部段106的下游，并且布置成接收来自涡轮部段106中的最终涡轮级124的膨胀的排气122的流。排气部分110被布置成高效地引导排气122远离涡轮部段106，以确保涡轮部段106的高效操作。在排气部分110中许多变型和设计差异是可能的。如此，所示的排气部分110只是那些变型的一个示例。
控制系统132被耦接到燃气涡轮发动机100，并且操作以监测各种操作参数，并控制燃气涡轮发动机100的各种操作。在优选的构造中，控制系统132通常是基于微处理器的，并且包括用于收集、分析和存储数据的存储器装置和数据存储装置。另外，控制系统132向各种装置提供输出数据，所述各种装置包括监视器、打印机、指示器等，所述装置允许用户与控制系统132通过接口连接，以提供输入或调整。在发电系统的示例中，用户可输入功率输出设定点，并且控制系统132可调整各种控制输入，来以高效的方式实现该功率输出。
控制系统132可控制各种操作参数，包括但不限于可变入口引导轮叶位置、燃料流率和压力、发动机速度、阀位置、发电机负载和发电机励磁。当然，其他应用可具有更少或更多的可控装置。控制系统132还监测各种参数，以确保燃气涡轮发动机100适当地操作。被监测的一些参数可包括入口空气温度、压缩机出口温度和压力、燃烧器出口温度、燃料流率、发电机功率输出、轴承温度等。这些测量中的许多为用户显示，并被记录下来以便在需要后续回顾的情况下用于这样的回顾。
图2图示了用于与图1中所示的燃气涡轮发动机100一起使用的环段组件200的示意性周向剖面图。环段组件200包括周向组装的多个环段300。环段组件200与该多个旋转涡轮叶片128(图2中未示出)的末梢相邻设置，而在其间具有间隙。
该多个旋转涡轮叶片128绕中心轴线112沿旋转方向202旋转。在图2中所示的构造中，该多个旋转涡轮叶片128的旋转方向202从入口部段108观察为逆时针方向。在其他构造中，该多个旋转涡轮叶片128的旋转方向202从入口部段108观察可为顺时针方向。
在图2中所示的构造中，环段组件200具有总共24个环段300。在其他构造中，环段组件200可具有另一数量的环段300。
图3图示了图2中所示的环段300的透视图。环段300具有相对于旋转方向202的前匹配面302和与前匹配面302相对的后匹配面304。一旦它们被组装在环段组件200中，一个环段300的前匹配面302就面对相邻环段300的后匹配面304。环段300具有相对于工作流体310的方向的上游侧面306和下游侧面308。工作流体310包括图1中所示的排气122。
弧形主体312在前匹配面302和后匹配面304之间以及在上游侧面306和下游侧面308之间延伸。弧形主体312具有面对工作流体310的第一表面314以及与该第一表面314相对的第二表面316。弧形主体312的周向长度被限定在前匹配面302和后匹配面304之间。弧形主体312的厚度被限定在第一表面314和第二表面316之间。
第一表面314包括弧形表面318和倒角表面320。弧形表面318从后匹配面304朝向前匹配面302延伸，并且具有在法向于中心轴线112的剖平面中截取的弧形剖面。弧形表面318可以是具有轮廓的。例如，弧形表面318可包括隆起和谷，以形成波状表面。具有轮廓的弧形表面318在热状态下比在冷状态下变得更平坦，以改善对环段300和旋转涡轮叶片128之间的末梢空隙的控制。具有轮廓的弧形表面318还改善了环段300的空气动力性能。
倒角表面320从前匹配面302朝向后匹配面304延伸。在图3中所示的构造中，倒角表面320具有在剖平面中截取的非弧形剖面。在其他构造中，根据燃气涡轮发动机100的性能要求需要，倒角表面320可包括其他形状。
倒角表面320包括前边缘322和后边缘324。前边缘322与前匹配面302相交。后边缘324与弧形表面318连接。倒角表面320从前边缘322延伸到后边缘324。后边缘324被布置在前匹配面302和后匹配面304之间，并且位于弧形主体312的周向长度的5-30％之间。在图3中所示的构造中，倒角表面320导致在前匹配面302处测量的限定在第一表面314和第二表面316之间的第一厚度，并且导致在后边缘324处测量的限定在第一表面314和第二表面316之间的第二厚度，其中该第一厚度介于弧形主体312的厚度的80-98％之间。该第二厚度与弧形主体312的厚度相同。在其他构造中，根据燃气涡轮发动机100的性能要求需要，倒角表面320可具有不同的尺寸和/或几何形状。
涂层326被施加于包括弧形表面318和倒角表面320的第一表面314。该涂层326也被施加于前匹配面302和上游侧面306。涂层326还被施加于后匹配面304(图5中示出)。在其他构造中，根据燃气涡轮发动机100的性能要求需要，涂层326可被施加于其他位置。涂层326可包括一层结合涂层、一层或多层热障涂层以及一层耐磨涂层。涂层326可利用高断裂韧性材料制成，以提高其强度和韧性。该高断裂韧性材料可包括氧化钇部分稳定的氧化锆等。涂层326的孔隙率可小于10％，或小于8％，或小于5％。较小的孔隙率导致较高的断裂韧性。所述孔隙率是涂层326的体积中的孔隙空间的百分率。其被定义为孔隙或孔空间的体积除以涂层326的总体积的比率。在一些构造中，涂层326可包括表面工程，例如加工槽，其有效地增加了包含该表面工程的体积中的孔隙率。
图4图示了图3中所示的环段300的一部分，其更好地图示了倒角表面320。前边缘322包括前圆角402，其具有介于弧形主体312的厚度的2-50％之间的半径。在其他构造中，根据燃气涡轮发动机100的性能要求需要，前圆角402可具有其他尺寸的半径。
图5图示了具有两个相邻的图3中所示的环段300的环段组件200的一部分的示意图。前匹配面302面向周向分流(flow component)502，该周向分流502是由于旋转涡轮叶片128的旋转而周向流动的工作流体310的一部分。一个环段300的前匹配面302与相邻环段300的后匹配面304相邻。匹配面间隙504存在于相邻的环段组件200的前匹配面302和后匹配面304之间。
环段300包括设置在弧形主体312内的前冷却通道506。该前冷却通道506与前匹配面302相交，以限定前冷却孔510。冷却流508在前冷却通道506内流动，并且通过前冷却孔510离开环段300。前冷却通道506相对于前匹配面302成锐角布置。在其他构造中，前冷却通道506可垂直于前匹配面302。前冷却通道506可以是设置在弧形主体312内的多个前冷却通道506中的一个。前冷却孔510可以是设置在前匹配面302处的多个前冷却孔510中的一个。该多个前冷却通道506中的每个前冷却通道506通过该多个前冷却孔510中的相应前冷却孔510离开环段300。
环段300包括设置在弧形主体312内的后冷却通道512。该后冷却通道512与后匹配面304相交，以限定后冷却孔514。冷却流508在后冷却通道512内流动，并且通过后冷却孔514离开环段300。后冷却通道512相对于后匹配面304成锐角布置。在其他构造中，后冷却通道512可垂直于后匹配面304。后冷却通道512可以是设置在弧形主体312内的多个冷却通道512中的一个。后冷却孔514可以是设置在后匹配面304处的多个后冷却孔514中的一个。该多个冷却通道512中的每个后冷却通道512通过该多个后冷却孔514中的相应后冷却孔514离开环段300。
倒角表面320相对于前匹配面302具有锐角。倒角表面320的该锐角等于后冷却通道512的所述锐角。相等的量被定义为等于或小于5度。在其他构造中，倒角表面320的锐角可不同于后冷却通道512的锐角。不同的量被定义为多于5度。
环段300具有设置在前匹配面302处的前滑槽516和设置在后匹配面304处的后滑槽518。密封件520被设置到相邻环段300的前滑槽516和后滑槽518中。
后匹配面304与弧形表面318相交，从而形成后匹配面边缘522。该后匹配面边缘522包括后圆角524。涂层326被施加于包括后圆角524的后匹配面304。前凹部526被限定在前匹配面302处。后凹部528被限定在后匹配面304处。
在燃气涡轮发动机100的操作期间，参考图2至图5，周向分流502沿与旋转涡轮叶片128的旋转方向202相同的方向流动，并且具有与工作流体310相似的高温。周向分流502流动到前匹配面302，并且撞击倒角表面320和前边缘322。倒角表面320和前边缘322将沿倒角表面320流动到弧形表面318的周向分流502朝向环段组件200中的相邻环段300的前匹配面302引导。与没有倒角表面320的环段300相比，周向分流502被转移到匹配面间隙504中并且在匹配面间隙504中循环。如此，前匹配面302经历比后匹配面304更高的温度。倒角表面320减少周向分流502进入到匹配面间隙504中的循环，并且因此，减少前边缘322处的热传递。倒角表面320还减小了流过燃气涡轮发动机100的磨料颗粒的入射角。前边缘322处的前圆角402改善了对前边缘322的保护，以使其免受周向分流502的撞击的影响。前边缘322的前圆角402和后匹配面边缘522的后圆角524还允许相应地在前边缘322处和后匹配面边缘522处在周围施加涂层326，以减少前边缘322处和后匹配面边缘522处的涂层326的损失。
涂层326被施加于环段300的一部分，例如施加于包括弧形表面318和倒角表面320的第一表面314，施加于前匹配面302，施加于后匹配面304，施加于上游侧面306或者施加于整个环段300。涂层326具有高密度和高断裂韧性。更致密和更高断裂韧性的涂层326减小了环段300上的温度上升，并且减少了来自环段300的碎屑和/或散裂。前凹部526和后凹部528保护前匹配面302和后匹配面304处的涂层326免受损伤。
从前冷却通道506和后冷却通道512离开的冷却流508可清理匹配面间隙504，以减少或防止后匹配面304吸收周向分流502。后冷却通道512具有等于相邻环段300的倒角表面320的锐角的锐角，使得离开后冷却通道512的冷却流508为相邻环段300的倒角表面320提供膜冷却效果。从后冷却通道512离开的冷却流508还进一步改善了对前边缘322的保护，以使其免受周向分流502的撞击的影响。成角度的后冷却通道512减小了冷却流508到前匹配面302上的涂层326上的入射角，以减小涂层326由于冷却流508的冲击而损伤的风险。
尽管已详细地描述了本公开的示例性实施例，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离本公开的按照其最广泛形式的精神和范围的情况下，可进行本文公开的各种改变、替换、变型和改进。
本申请中的任何描述都不应被解读为暗示任何特定的元件、步骤、动作或功能是必要的要素，它们必须被包含在权利要求范围内：专利主题的范围仅由允许的权利要求限定。此外，这些权利要求中没有一个旨在引用装置加功能的权利要求构造，除非确切的用语“用于...的装置”后跟分词。
附图标记列表
100 燃气涡轮发动机
102 压缩机部段
104 燃烧部段
106 涡轮部段
108 入口部段
110 排气部分
112 中心轴线
114 压缩机级
116 固定压缩机轮叶
118 旋转压缩机叶片
120 燃烧器
122 排气
124 涡轮级
126 固定涡轮轮叶
128 旋转涡轮叶片
130 涡轮入口
132 控制系统
134 转子
200 环段组件
202 旋转方向
300 环段
302 前匹配面
304 后匹配面
306 上游侧面
308 下游侧面
310 工作流体
312 弧形主体
314 第一表面
316 第二表面
318 弧形表面
320 倒角表面
322 前边缘
324 后边缘
326 涂层
402 前圆角
502 周向分流
504 匹配面间隙
506 前冷却通道
508 冷却流
510 前冷却孔
512 后冷却通道
514 后冷却孔
516 前滑槽
518 后滑槽
520 密封件
522 后匹配面边缘
524 后圆角
526 前凹部
528 后凹部

Claims (11)

1.一种环段(300)，包括：
相对于燃气涡轮发动机(100)的工作流体(310)的周向分流(502)的前匹配面(302)；
与所述前匹配面(302)相对的后匹配面(304)；
在所述前匹配面(302)和所述后匹配面(304)之间延伸的弧形主体(312)，所述弧形主体(312)具有面对所述工作流体(310)的第一表面(314)和与所述第一表面(314)相对的第二表面(316)，所述第一表面(314)包括：
从所述后匹配面(304)朝向所述前匹配面(302)延伸的弧形表面(318)，所述弧形表面(318)具有在法向于所述燃气涡轮发动机(100)的中心轴线的剖平面中截取的弧形剖面；以及
从所述前匹配面(302)朝向所述后匹配面(304)延伸的倒角表面(320)，所述倒角表面(320)具有在所述剖平面中截取的非弧形剖面。
2.根据权利要求1所述的环段(300)，其中，所述倒角表面(320)从前边缘(322)延伸到后边缘(324)，并且其中，所述前边缘(322)与所述前匹配面(302)相交，并且所述后边缘(324)连接所述弧形表面(318)。
3.根据权利要求2所述的环段(300)，其中，所述弧形主体(312)限定周向长度，所述周向长度限定在所述前匹配面(302)到所述后匹配面(304)之间，并且其中，所述后边缘(324)位于所述周向长度的5-30％之间。
4.根据权利要求2所述的环段(300)，其中，所述倒角表面(320)限定：在所述前边缘(322)处测量的限定在所述第一表面(314)和所述第二表面(316)之间的第一厚度；以及在所述后边缘(324)处测量的限定在所述第一表面(314)和所述第二表面(316)之间的第二厚度，并且其中，所述第一厚度介于所述第二厚度的80-98％之间。
5.根据权利要求2所述的环段(300)，其中，所述前边缘(322)包括前圆角(402)。
6.根据权利要求5所述的环段(300)，其中，所述前圆角(402)的半径在所述第二厚度的2-50％之间。
7.根据权利要求1所述的环段(300)，还包括施加于所述第一表面(314)和所述前匹配面(302)的涂层(326)，其中，所述涂层(326)具有小于10％的孔隙率。
8.根据权利要求1所述的环段(300)，其中，所述环段(300)是周向布置以限定环段组件(200)的多个环段(300)中的一个，并且其中，所述多个环段(300)中的每个环段(300)的所述前匹配面(302)定位成与所述多个环段(300)中的相邻环段(300)的所述后匹配面(304)相对，以环绕所述燃气涡轮发动机(100)的中心轴线。
9.根据权利要求1所述的环段(300)，还包括设置在所述弧形主体(312)内的前冷却通道(506)，其中，所述前冷却通道(506)相对于所述前匹配面(302)限定锐角。
10.根据权利要求1所述的环段(300)，还包括设置在所述弧形主体(312)内的后冷却通道(512)，其中，所述后冷却通道(512)相对于所述后匹配面(304)限定锐角。
11.根据权利要求10所述的环段(300)，其中，所述倒角表面(320)相对于所述前匹配面(302)限定锐角，并且其中，所述倒角表面(320)的所述锐角等于所述后冷却通道(512)的所述锐角。
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