CN117980586A - 轮辋式转子涡轮密封和冷却布置 - Google Patents

Abstract

一种组件，其可以包括轮辋式转子涡轮，该轮辋式转子涡轮具有：轮毂，适于安装或连接到旋转轴；轮辋式转子，该轮辋式转子具有限定至少一个冷却通道的冷却环；以及多个叶片，多个叶片中的每个叶片都与轮辋式转子相接触。定子轮叶组件位于轮辋式转子涡轮的上游，并且具有：外护罩，限定主流路，该主流路与轮辋式转子涡轮的多个叶片对准并配置成将热气体朝向轮辋式转子涡轮的多个叶片引导；以及主流路中的轮叶。冷却导叶组件具有：内护罩，限定冷却流路，与轮辋式转子涡轮的冷却环对准并配置成将冷却气体朝向轮辋式转子涡轮的冷却环引导；以及冷却流路中的轮叶。定子轮叶组件的外护罩在径向上位于冷却导叶组件的内护罩的内侧，并且其中，在定子轮叶组件的外护罩与冷却导叶组件的内护罩之间限定有周向间隙。

Description

轮辋式转子涡轮密封和冷却布置

相关申请的交叉引证

本申请要求于2021年提交的美国专利申请第63/292,199号和于2021年提交的美国专利申请第63/247,070号的优先权，这两个申请的内容通过引证并入本文。

技术领域

本公开涉及燃气轮机轮辋式转子涡轮机械，其中叶片离心力由外部旋转护罩保持。特别地，本公开涉及在非设计运转条件下二次流的密封和二次流的被动管理或主动管理。

背景技术

移动应用需要紧凑、重量轻、体积小的动力源。此外，由于包括全球变暖问题、化石燃料可用性和环境影响、原油价格等在内的多种因素，动力源的效率正成为任何运输行业关注的焦点。对于运输行业，尤其是可靠性至关重要的航空运输，涡轮被认为能提供最佳解决方案之一。在涡轮中，一个常见的原理是涡轮入口温度越高，涡轮的效率就越高。认为回收型布雷顿循环比简单布雷顿循环提供更高的效率。

增加回收型布雷顿循环的温度的挑战在于涡轮本身，其中，常见的合金需要大量冷却以能承受高气体温度。这对于难以实现膜冷却的小型涡轮(＜1MW)来说更具挑战性并且显著降低循环效率。已经尝试将陶瓷(例如氮化硅和碳化硅)用于燃气涡轮，这是因为这些材料可以经受高温，但是由于它们的脆性，使它们表现出可靠性的问题。已经做出尝试生产包含在轮辋式转子中的陶瓷涡轮，诸如美国专利第4,017,209号，但是这种尝试没有提出用于一些材料(诸如复合材料)的可行的冷却解决方案，该复合材料轮辋式转子受到碳聚合物复合材料的玻璃化转变或碳碳复合材料的氧化的限制。在这种特殊情况下，冷却空气经过在超过1200℃下运转的细长叶片，这意味着空气不可避免地被预热，因此，除非使用大质量流量，否则空气不能对最高运行温度在250℃至350℃范围内的复合材料轮辋式转子进行任何有意义的冷却，从而使得这种方法不适合高效应用。这些尝试也受到纯轴流式涡轮设计的限制，纯轴流式涡轮设计并未充分利用可以用于无轮毂设计的轮辋式转子，该轮辋式转子允许相反的径向、轴向或混合流动构造，这些构造通过将热气体保持在涡轮叶轮的一个单侧上来优化整套发动机的温度分布，因此使结构和热回路分离开。

此外，当考虑轮辋式转子机械时，将轮辋式转子的移位与刚性轮毂的移位相匹配是重大挑战。轮辋式转子还需要与热燃烧气体隔热，其中陶瓷由于其低传导性和耐高温性而成为候选选择。一些现有技术的涡轮由高温工作流体(例如，蒸汽、气体等)的流动驱动来发电，高温工作流体被引导越过和/或通过涡轮内的一系列级和部件(例如，交替的固定和旋转翼型/机斗/叶片)。这些部件和级可以相对于彼此非常接近(例如，小间隙)，以便减少通过系统的工作流体泄漏并提高涡轮效率。

在一些系统中，工作流体可以容纳在流路内，并且可以通过使加压冷却流体(例如，压缩机空气)围绕流路经过来减少泄漏，流路由一组密封件包含。加压冷却流体直接泄漏到流路中和/或工作流体直接泄漏到涡轮的冷却流体中可能会降低涡轮效率以及部件和涡轮的寿命。由于工作流体在运行过程中的高温，部件(例如，定子、叶片、壳体等)可能经历温度的显著升高，通常在数百摄氏度的温度范围内升高，并引起热膨胀，这可能需要部件之间存在间隙，而这些间隙可能导致泄漏。因此，一些系统在分段的静态涡轮部件(例如，定子壳、护罩、喷嘴、气路部件等)之间具有密封件。在大多数系统中，这些密封件远离工作流体的流路，以减少/限制密封件暴露于工作流体的热极限。然而，这些位置可能需要额外的吹扫空气来冷却段间斜槽区域。一些其他系统包括更靠近气体路径的密封件。因此，这些密封件需要主动表面冷却，以在热方面承受密封表面附近的热工作流体流的影响。这些密封件可能会限制涡轮的设计和运行，因为需要大量的冷却剂流入涡轮系统并随后泄漏到流路中，从而降低涡轮的效率。

因此，需要一种紧凑的涡轮，其可以在高空气温度下运行，同时减少热工作流体与较冷冷却流体之间的泄漏。为了在动力应用中获得最大的效率和排放效益，这种涡轮需要与轮辋式转子陶瓷涡轮机械一起使用，以允许高燃烧温度，从而获得高循环效率。

发明内容

在第一方面，提供了一种组件，包括：轮辋式转子涡轮，该轮辋式转子涡轮具有适于安装或连接到旋转轴的轮毂、具有限定至少一个冷却通道的冷却环的轮辋式转子以及多个叶片，多个叶片中的每个叶片都与轮辋式转子相接触；定子轮叶组件，位于轮辋式转子涡轮的上游，该定子轮叶组件至少具有外护罩和位于主流路中的轮叶，该外护罩限定与轮辋式转子涡轮的多个叶片对准并配置成将热气体朝向轮辋式转子涡轮的多个叶片引导的主流路；以及冷却导叶组件，其至少具有内护罩和位于冷却流路中的轮叶，该内护罩限定与轮辋式转子涡轮的冷却环对准并配置成将冷却气体朝向轮辋式转子涡轮的冷却环引导的冷却流路；其中，定子轮叶组件的外护罩在径向上位于冷却导叶组件的内护罩的内侧，并且其中，在定子轮叶组件的外护罩与冷却导叶组件的内护罩之间限定有周向间隙。

进一步，根据第一方面，例如，冷却导叶组件包括外护罩，冷却流路限定在冷却导叶组件的内护罩与外护罩之间。

更进一步，根据第一方面，例如，冷却流路的上游部分相对于轮辋式转子的旋转轴线在径向上定向。

更进一步，根据第一方面，例如，冷却流路的下游部分相对于轮辋式转子的旋转轴线以截锥形定向。

更进一步，根据第一方面，例如，冷却流路的下游部分相对于轮辋式转子的旋转轴线成范围介于10度与40度之间的角度并且包括端点值。

更进一步，根据第一方面，例如，冷却流路中的第一组轮叶被定向成使得冷却空气能够轴向或部分轴向地流动。

更进一步，根据第一方面，例如，在第一组轮叶之间限定有节流喉部。

更进一步，根据第一方面，例如，第一组轮叶的出口角度相对于轴向方向介于70度与85度之间并且包括端点值。

更进一步，根据第一方面，例如，冷却流路中的第二组轮叶位于第一组轮叶的上游并且被定向成使得冷却空气能够径向和切向地流动。

更进一步，根据第一方面，例如，冷却导叶组件的外护罩的突出端限定邻近轮辋式转子表面的外护罩唇形密封件。

更进一步，根据第一方面，例如，冷却导叶组件的内护罩的突出端限定邻近轮辋式转子表面的内护罩唇形密封件。

更进一步，根据第一方面，例如，内护罩唇形密封件具有一表面，该表面的角度大致对应于叶片与轮毂之间的滑动接触部的角度。

更进一步，根据第一方面，例如，在间隙中存在绝缘材料。

更进一步，根据第一方面，例如，绝缘材料是冷却导叶组件的内护罩上的热障涂层和/或定子轮叶组件的外护罩上的热障涂层。

更进一步，根据第一方面，例如，在轮辋式转子与周围结构之间可以存在刷式密封件。

更进一步，根据第一方面，例如，刷式密封件安装到该周围结构。

更进一步，根据第一方面，例如，在轮辋式转子与周围结构之间可以存在迷宫式密封件。

更进一步，根据第一方面，例如，迷宫式密封件安装到该周围结构，迷宫式密封件与轮辋式转子的截锥形表面相对，截锥形表面的表面角度大致对应于叶片与轮毂之间的滑动接触部的角度。

更进一步，根据第一方面，例如，多个叶片中的每个叶片都通过与轮毂的滑动接触部操作性地连接到轮毂，以使得叶片与轮毂之间至少能够发声径向移动，从而使叶片抵靠轮辋式转子以受压的方式加载。

更进一步，根据第一方面，例如，滑动接触部由轮毂与叶片之间的互补的滑动表面限定。

更进一步，根据第一方面，例如，互补的滑动表面处于范围介于15度至75度之间的角度并且包括端点值，该角度是由互补的滑动表面与旋转轴线在旋转轴线所在的径向-轴向平面中形成的。

更进一步，根据第一方面，例如，叶片是陶瓷叶片。

根据本公开的第二方面，提供了一种轮辋式转子涡轮组件，包括：轮毂，适于安装或连接到旋转轴；轮辋式转子；以及多个叶片，多个叶片中的每个叶片都与轮辋式转子相接触，多个叶片中的每个叶片都通过与轮毂的滑动接触部操作性地连接到轮毂，以使得叶片与轮毂之间至少能够发声径向移动，从而使叶片抵靠轮辋式转子以受压的方式加载，其中至少一个密封线位于多个叶片中的相邻叶片的相对表面之间的间隙中。

进一步，根据第二方面，例如，相对的表面由叶片的平台限定，使得间隙位于多个叶片中的相邻叶片的平台之间。

更进一步，根据第二方面，例如，在相对的表面中的至少一个表面中限定有通道，密封线接收在该通道中。

更进一步，根据第二方面，例如，相对的表面中的每个表面都限定多个通道中的一个通道，密封线接收在一对通道中。

更进一步，根据第二方面，例如，通道的尺寸比密封线的尺寸大。

更进一步，根据第二方面，例如，在相对的表面与径向向内的轮毂保持特征部之间限定有腔室，密封线接收在该腔室中。

更进一步，根据第二方面，例如，在相对的表面中的一个表面中限定有相对于径向的倾斜表面，该倾斜表面是腔室的一部分。

更进一步，根据第二方面，例如，在相对的表面中的另一表面中限定有径向表面，该径向表面是腔室的一部分。

更进一步，根据第二方面，例如，轮毂保持特征部限定用于接收密封线的通道。

更进一步，根据第二方面，例如，密封线具有U形形状，其中U形形状的腿部位于多个叶片中的一个叶片的两个相对间隙中。

更进一步，根据第二方面，例如，设置有多个密封线，该多个密封线通过周向环互连。

更进一步，根据第二方面，例如，周向环位于轮毂中的通道中。

更进一步，根据第二方面，例如，轮毂中的通道位于轮毂的后密封表面中。

更进一步，根据第二方面，例如，轮毂中的通道是截锥形表面的一部分。

更进一步，根据第二方面，例如，截锥形表面的角度与滑动接触部的角度相同。

更进一步，根据第二方面，例如，周向环位于叶片平台的表面中的通道中。

更进一步，根据第二方面，例如，叶片平台的表面的角度范围介于0度与等于滑动接触部的角度的值之间。

更进一步，根据第二方面，例如，周向环是波浪形的，以能够收缩和膨胀。

更进一步，根据第二方面，例如，周向环是柔性的。

更进一步，根据第二方面，例如，周向环具有至少一个互锁特征部。

更进一步，根据第二方面，例如，周向环具有至少一个切口。

更进一步，根据第二方面，例如，至少一个密封线位于叶片与轮毂之间。

更进一步，根据第二方面，例如，至少一个密封线在径向上位于叶片根部的内侧。

更进一步，根据第二方面，例如，轮毂或叶片密封表面中的任一者以滑动接触部的角度倾斜，以允许在运转期间在所有叶片位置处密封。

更进一步，根据第二方面，例如，多个密封线中的一个密封线可以位于每对相邻的叶片之间。

更进一步，根据第二方面，例如，密封线由选自包括金属、预成型陶瓷、由陶瓷织物制成的柔性纺织或编织绳、氧化铝和碳化硅在内的组的材料制成。

更进一步，根据第二方面，例如，滑动接触部由轮毂与叶片之间互补的滑动表面限定。

更进一步，根据第二方面，例如，互补的滑动表面的角度范围介于15度至75度之间并且包括端点值，该角度是由互补的滑动表面与旋转轴线在旋转轴线所在的径向-轴向平面中形成的。

更进一步，根据第二方面，例如，叶片是陶瓷叶片。

附图说明

图1是根据本公开的使用轮辋式转子、在根部下方具有滑动平面的陶瓷叶片、匹配的滑动平面轮毂和密封锥形特征部的轮辋式转子涡轮的立体断面图；

图1A是图1中轮辋式转子涡轮的放大断面图，示出了叶片与轮毂之间的以与叶片根部滑动平面角度匹配的角度形成的密封锥间隙；

图2是图1中的轮辋式转子涡轮的叶片结构的一组详细视图，示出了在旋转和运转条件下放大的3个复合叶片结构角度和叶片平台间隙；

图3是叶片平台间隙的实施方式的放大特写视图，该间隙成形为台阶状，以提供径向或部分径向密封间隙，该密封间隙消除或减少运转时叶片向外径向移位的影响；

图4是根据本公开的另一个实施方式的轮辋式转子涡轮的立体断面图，该轮辋式转子涡轮包括围封在每个叶片或叶片部段之间的腔体中的叶片到叶片密封线；

图4A是图4中的实施方式的轮辋式转子涡轮的特写断面图，示出了两个相邻叶片之间的密封线和线腔体；

图5是根据本公开的另一个实施方式的轮辋式转子涡轮的立体断面图，该轮辋式转子涡轮包括密封线，该密封线通过离心力楔入径向切割的叶片平台与成角度切割的相邻叶片平台之间，其中线通过轮毂上的保持特征部保持以防止在不旋转时朝向旋转轴线落下；

图5A是图5中的轮辋式转子涡轮的特写断面图，详细示出了叶片切割角度和轮毂上的保持特征部；

图6是轮辋式转子涡轮的立体断面图，该轮辋式转子涡轮包括周向轮毂到叶片密封线，其中周向密封线在离心载荷下保持与轮毂和每个单独叶片的接触压力；

图6A是图6中的轮辋式转子涡轮的特写断面图，示出了线位于由叶片下平台和轮毂形成的腔体内；

图7是由附接到每个叶片到叶片密封线的连续周向轮毂到叶片密封线构成的线组件的立体图；

图7A是轮辋式转子涡轮内的图7中的线组件的一组特写视图，其中在图中叶片被移除，示出了解决运行下的热膨胀和结构膨胀的不同方面，诸如周向线中的波浪状弹簧特征部、成角度的切割或钩形特征部；

图8是轮辋式转子涡轮级区段的立体断面图，示出了静态部件、喷嘴导叶和冷却导叶以及旋转的轮辋式转子涡轮。在该实施方式中，紧凑的冷却导叶具有径向或轴向(或部分径向-轴向)的静态翼型，从而以切向速度吸入空气，并减少轮辋式转子冷却系统中旋转冷却通道内的进入损失；

图8A是图8中的轮辋式转子涡轮级区段的断面图，示出了其中具有紧凑的冷却定子轮叶，以在冷却液到达轮辋式转子涡轮之前使压力损失和向冷却液传递的热最小化的实施方式；

图9是根据本公开的另一个实施方式的具有构成一个涡轮级的冷却和主流定子的轮辋式转子涡轮的立体断面图，对于更高的膨胀压力比，可以重复该涡轮级；图10是图9中的轮辋式转子涡轮的断面图，示出了冷却定子的径向-轴向角度的引入；

图10A是图10中的轮辋式转子涡轮的特写视图，详细示出了冷却导叶如何与喷嘴导叶隔绝并且具有密封件以限制从冷却通道到主脉流或轮辋式转子腔体的泄漏，其中可以使用耐磨涂层来进一步改进密封性能；

图11是具有图10中的元件的轮辋式转子涡轮级的断面图，其中增加了高速刷式密封件以减少轮辋式转子周围流动的泄漏，其中刷子骑跨在轮辋式转子的外表面上，该外表面由耐磨涂层保护免受磨损；

图12是具有图11中的元件的轮辋式转子涡轮级的断面图，其中用由多个齿构成的迷宫式密封件代替了刷式密封件；

图13是来自图10中的轮辋式转子涡轮的部件的紧凑配置的断面图，该轮辋式转子涡轮封装有轴向或成角度的刷式密封件，该刷式密封件骑跨在冷却环前部的延伸金属唇缘上，从而提供高性能密封并保持轮缘腔体中的压力接近主脉流的出口压力，从而减少轮辋式转子顶部的风阻损失；

图14是冷却导叶和轮辋式转子冷却环的冷却层的展开的叶片到叶片的断面图，其中翼型成形为在期望的运转条件下具有声波喉部，从而允许出口速度为超音速并且流动的切向速度匹配或超过冷却环速度，从而减少旋转框架内的温度损失和压力损失；

图15是轮辋式转子涡轮实施方式的断面图，其中轮辋式转子腔体内的风阻产生的热量通过加压冷却流的平流、涡轮壳体中的传导以及从壳体向周围冷却液的对流而部分地去除；

图16是示出了具有主动轮辋式转子冷却系统的轮辋式转子涡轮的气流顺序的框图，通过降低冷却要求和最大化性能，该主动轮辋式转子冷却系统在大范围的涡轮运转条件下产生最佳的系统效率；

图17是根据本公开的方面的图16所示出的主动轮辋式转子冷却系统的一部分的立体断面图，其中被致动的冷却环导叶允许翼型枢转并调节在进入冷却环之前给予冷却流体的涡流喷射的程度；

图17A是图17中的主动轮辋式转子冷却系统部分的断面图，示出了附加特征部，诸如用于进一步控制的数据测量位置；

图18是示出了控制策略的框图，该控制策略允许涡轮发动机控制主动轮辋式转子涡轮冷却系统以最佳地拟合期望的运转条件；

图19是轮辋式转子涡轮的立体断面图，示出了集成到冷却环中的平衡通道，以提供在运转前使转子平衡的方法；

图19A是图19中的轮辋式转子涡轮的断面图，示出了添加到平衡通道中以进行转子平衡的线质量；以及

图20是冷却环通道的展开视图，其中平衡通道可以在入口、出口或中间被堵塞，以防止平衡线在运转期间移动。

具体实施方式

本公开解决了功能性轮辋式转子涡轮的挑战，其中在第一方面，叶片到轮毂和叶片到叶片的间隙结合了用于轮辋式转子涡轮部件的创新几何结构，以减少、控制或消除主热工作流脉与轮毂腔体之间的泄漏，从而在适用的情况下将空气动力学效率和冷却性能提高到可持续的温度。在第二方面，外部旋转护罩冷却系统包括创新的几何结构，以用于改进密封性能、减少来自热部件的热传递以及适当定向的冷却流。下面的描述解释了本公开的实施方式，但不限于这些具体实施方式。

本公开涉及可以具有反向结构架构的燃气轮机旋转叶轮的详细实施方式。现有技术的涡轮叶轮具有附接到轮毂的翼型叶片，其中轮毂保持叶片，从而在轮毂和叶片两者中产生高拉伸应力。反向架构使用旋转的外部护罩，其中叶片在其稍部处接触，从而在叶片中产生主要是压缩的载荷。离心载荷被传递到外部旋转护罩，该外部旋转护罩具有通常包括高强度(例如主要在周向方向上定向)纤维的结构，作为提供显著拉伸强度的可能性之一。这可以称为轮辋式转子、复合材料箍或结构性护罩。由于压缩载荷的好处，这种架构主要应用于易碎材料，诸如陶瓷，因为易碎材料具有高于金属的耐温能力，但是这种架构也适用于金属叶片，以便在不影响空气动力学效率的情况下降低成本和涡轮重量或增加运转稍部速度。这种架构在文献中被称为轮辋式转子涡轮叶轮(RRT)、压缩结构陶瓷涡轮(CSCT)和由内向外陶瓷涡轮(ICT)。

参考附图并且更具体地参考图1，示出了根据本公开的多个方面的轮辋式转子涡轮组件100。图1中的轮辋式转子涡轮叶轮是燃气涡轮发动机或其他涡轮机器的一个部件。热气体流通过旋转的轮辋式转子涡轮叶轮100膨胀，轮辋式转子涡轮叶轮从热气体中吸取能量以将能量转换成机械轴动力。在不同的可能性中，在需要的情况下，这种动力可以通过齿轮箱传递给压缩机、发电机、螺旋桨或风机或其他机械负载。轮辋式转子涡轮叶轮100可以与同一轴上或在多线轴涡轮发动机布置中的不同轴上的其他一个或多个轮辋式转子涡轮叶轮或其他类型的涡轮叶轮结合使用。可以在每个轮辋式转子涡轮叶轮的上游使用导流轮叶或入口导流轮叶来加速切向流动，以便转子将气体压力转化为切向动量，该切向动量可以通过轮辋式转子涡轮叶轮100转化为机械动力。为了一致性，本文使用“轮辋式转子涡轮”或“轮辋式转子涡轮叶轮”来描述图1至图16中的实施方式，因为所示组件可能是轮辋式转子涡轮机器的一部分，而图中没有涡轮发动机的其他部件，以便将重点放在轮辋式转子涡轮叶轮100上。

环状环绕结构可以包括轮缘101，也称为外轮缘、外结构环、连续环，或者也称为轮辋式转子，尽管轮辋式转子可以包括如上文和下文所表示的其他环状部件。在轮辋式转子涡轮中，轮缘101的直径范围通常可以从5cm至80cm，然而直径可以更大或更小。轮缘101可以由不同的材料制成。在一实施方式中，轮缘101由复合材料制成，该复合材料是聚合物基体中的纤维。为了使运转速度最大化、使重量最小化并提供结构刚性，纤维可以是碳纤维，作为其中一种选择。例如，碳纤维可以是高模量和/或高强度等级。纤维的一部分(例如，大部分)可以主要在切向上定向(纤维的长度沿着周向)，以使复合材料轮缘101的切向特性最大化。与碳纤维具有适当相容性的轻质基体可以用于提供高速运转所需的性能(例如，对于400m/s至600m/s或更高的轮缘切向速度，每分钟转速为但不限于130000RPM)。具有耐高温性的聚合物基体是优选的，该聚合物基体来自聚合物家族，诸如氰酸酯、聚酰亚胺或邻苯二甲腈，但是根据使用条件也可以使用其他聚合物。作为其他可能性，轮缘101可以由陶瓷基复合材料(CMC)、金属基复合材料(MMC)等制成。

作为轮辋式转子涡轮100的环绕环形结构的另一部分，冷却环102可以整体地连接到轮缘101。冷却环102可以在径向上位于复合材料轮缘101的内侧。冷却环102可以包括风冷翅片阵列和/或非导电材料(如下所述)空气循环通道等。被称为热障103的低传导性层或涂层可以整体连接到冷却环102(如果存在)或复合材料轮缘101。热障103是环形的，并且在径向上位于复合材料轮缘101和冷却环102的内侧。在一实施方式中，轮辋式转子涡轮100的环绕环形结构从径向向外到径向向内包括轮缘101、冷却环102和热障103。在一些其他实施方式中，冷却环102可以不具有翅片，或者可以设置有其他冷却特征部。

在轮辋式转子涡轮100中，冷却环102和热障103在多个涡轮叶片104与复合材料轮缘101之间限定了结构绝缘层。这种架构可以允许叶片104使用额定用于高温用途的陶瓷材料。叶片104在由复合材料轮缘101保持时主要承受压缩载荷，该复合材料轮缘承受拉伸应力中的离心载荷。叶片104与复合材料轮缘101之间的结构绝缘必须抵抗高压缩应力，同时提供高热梯度。热障103的内侧或热侧在升高的温度下与叶片104接触，并且外侧或冷侧必须低于或接近复合材料最高工作温度，热和冷仅用作相对术语。为了提供高热梯度，结构绝缘层可以具有产生径向热通量的呈风冷翅片阵列形式的冷却环102，并且热障103可以是施加在叶片104与冷却环102之间的低传导性层或涂层。热障103必须在压缩中坚固，以将离心载荷从叶片104传递到冷却环102，并且足够顺应以跟随冷却环102的结构膨胀和热膨胀。

同时参考图1、图3、图4和图5，轮辋式转子涡轮100的叶片104均可以包括内护罩部分104A和叶片根部104B，内护罩部分可以被称为叶片平台或下平台。叶片根部104B连接到轮毂105(也称为圆盘或盘)并且连接到弹簧质量推动器111或其他叶片偏压部件。轮毂105可以连接到轴(诸如输出轴)的一部分或者可以是轴的一部分。各个叶片104由轮毂105保持，以便自由地径向移动，以跟随轮辋式转子涡轮100在旋转时的外护罩(即，轮缘101、冷却环102、热障103)的径向膨胀。叶片104在其稍部与外护罩保持径向接触。轮辋式转子涡轮100在旋转时保持其完整性，并通过使叶片104与轮毂105保持接触而将动力传递给连接到轮毂105的涡轮驱动轴。轮辋式转子涡轮100可以保持适当的刚性，该刚性是通过迫使叶片104沿着叶片根部104B与轮毂槽105B的表面105A之间的滑动平面123(或一个或多个滑动表面)移动而实现的。使用“平面”这一表述是因为表面123在图中示出了线性路径，但是一个或多个表面123可以被视为形成截锥、分布在截锥上的平坦部段或角形部段。参考滑动接触部的角度，其作为表示叶片的移动方向的方式。在所描绘的轮辋式转子涡轮100中，叶片根部104B和轮毂槽105A在垂直于滑动平面123的平面中限定v形切割形状，作为其他配置之一。燕尾形根部、矩形根部、圆形根部、冷杉树形或其他垂直于滑动平面的根部形状被认为是在功能上的替代物。每个叶片的滑动平面123都与旋转轴线129(即，轮辋式转子涡轮100的旋转轴线，对于200也是如此)成角度121，这引起预选轴向叶片基于径向移位而移动。滑动平面角度121的最小值可以基于轮毂105的材料与叶片104之间的静摩擦系数来确定，以确保叶片104在速度逐渐下降时不会卡住。大角度减少了在动态振动下保持高刚性所需的静摩擦力。因此，根据材料和刚性需要，角度121的值在15度至75度之间是可能的，35度的预期值在静摩擦力上提供了足够的余量，以避免在转速逐渐下降时停止，同时确保静摩擦力足以避免由于不平衡力而引起的滑动。

为了使叶片根部104B与滑动平面123保持接触，可以在叶片104上(诸如在叶片根部104B的正面上)施加轴向力。该轴向力由与叶片根部104接触并且与保持件124(诸如螺母)或连接到轮毂105的邻接表面接触的弹簧质量推动器111产生。弹簧质量推动器111施加弹簧效应或类似的偏压力，从而在叶片根部104B上产生轴向力。为了在保持接触的同时允许叶片104的轴向相对位置和运动，弹簧质量推动器111可以包括径向切口，该径向切口在每个叶片上都形成单独的梁式弹簧，这些梁式弹簧从公共弹簧质量中心环突出。当轮辋式转子涡轮100开始旋转时，叶片104开始轴向移动，从而减小弹簧预载。弹簧可以被安装成使得梁式弹簧稍微向后弯曲，从而在高速旋转期间增加施加在叶片根部104B上的轴向力。弹簧质量推动器111可以具有径向非均匀区段以改变其刚度和弯曲点位置。弹簧质量推动器还可以包括连续的表面，以减少相同部件或单独部件中在高转速下的阻力或风阻损失。弹簧质量保持器111可以由轮毂特征部(诸如槽口、压配合部或切向地具有更高强度和刚性的另一部分)径向地保持，以减少根部处的各个梁应力。在弹簧质量由相邻部分充分支撑的情况下，可以独立地切割每个指状部，以形成不连续的中心环，从而减少下区段中的切向应力。

同时参考图1、图3、图4和图5，在涡轮主脉流中，热流气体从前部或入口114流经轮辋式转子涡轮100到达后部或出口115，其中入口114处的静压可以高于出口115处的静压，以便驱动流动动量，并且通过空气动力学叶片104有效地吸取动力。位于主脉流的径向内侧并且位于轮毂105与涡轮入口导叶(未示出，在轮辋式转子涡轮100的上游)之间的前轮毂腔体130可以通过压缩空气(称为轮毂冷却流)保持比主脉流稍高的静压，以避免或减少热流气体泄漏到前轮毂腔体130中。这种泄漏将减少热脉流质量流量，从而直接降低轮辋式转子涡轮100的动力和效率。以类似的方式，位于主脉流径向内侧并且位于轮毂105与跟随涡轮级入口导叶或排气扩散器的跟随内表面134之间的尾轮毂腔体131可以通过轮毂冷却压缩空气保持在主脉流尾部压力115之上，以避免或减少泄漏。前轮毂腔体130与尾轮毂腔体131之间或前轮毂腔体130与涡轮出口区域115之间的压力差可能引起过多的冷却空气从前向后流动，如果空气可以通过叶片104与轮毂105之间的开放区域自由地穿过两个腔体之间的话。用于轮毂冷却空气的加压空气需要传递到压缩机的功，压缩机可以通过轴或外部地连接到轮辋式转子涡轮100。因此，过多的冷却流量会引起更高的压缩机功，从而降低涡轮的动力输出和效率。

参考图1，为了限制或控制从轮毂前腔体130通过到出口区域115、131的空气冷却流的实施方式可以在叶片平台104A的尾部分和轮毂105中的任一者或两者上的截锥表面之间引入叶片与轮毂之间的密封间隙112。密封间隙112的尺寸可以被定义为截锥表面与相对的表面之间的最小距离，它取决于可接受的制造公差和所需的冷却流量，通常在10μm至200μm之间。在其中轮毂105的材料必须保持低于叶片104的温度的情况下，可以确定设计间隙的大小，以便在两个腔体(前腔体130与后腔体131)之间设置轮毂冷却空气质量流量，从而有效地控制冷却性能并使轮毂105保持低于其最高温度。在如图1A所示的轴向-径向平面的断面视图上，密封间隙112相对于滑动平面123的角度121被设置为角度122。该角度122允许叶片104沿着滑动平面123移动，同时将密封间隙保持在设计值。通过将截头锥角122设置为与滑动平面角121相同的值(例如，±5度)，可以使标称密封间隙保持恒定。为了应对热变形和结构变形或通过设计改变不同运转条件下的密封间隙，可以将截头锥角122设计成与滑动平面角121不同。实际上，由于在发动机启动时通常速度斜坡比温度斜坡快，叶片104通常首先向外移动，并且当轮毂105和叶片104变热时，叶片104将沿着滑动平面123向下移动。因此，使用比滑动平面角121更小的用于密封截头锥角122的角度将引起冷却流随着部件加热而增加。

为了进一步使轮毂105隔绝传导和/或对流和/或辐射，作为另一个实施方式，热障涂层可以施加在轮毂105的暴露于表面下方的叶片平台104A和根部104B的外径向表面上的所有表面或选定表面上。轮毂槽105B可以被涂覆以减少叶片根部104B与轮毂槽底部表面105A之间的传导式热传递。热障可以包括各种层(这些层例如是环形的)，诸如粘合涂层、顶部涂层和低摩擦涂层。热障的厚度被选择为提供足够的隔热，同时限制粘接部处的应力。因此，热障的密度、热导率和抗压强度是提供足够的轮辋式转子涡轮100性能的重要特征。顶部涂层可以是具有不同基材和混合物的陶瓷顶部涂层。在一变型中，顶部涂层是钇稳定氧化锆(YSZ)。在另一变型中，顶部涂层可以是钇铝石榴石(YAG)。在一实施方式中，顶部涂层的厚度为100μm至1000μm并且包括端点值，但是顶部涂层的厚度也可以在该范围之外。顶部涂层的孔隙率可以介于10％与40％之间并且包括端点值。在顶部涂层是YSZ涂层的情况下，密度的范围可以介于4.2g/cc与5.5g/cc之间并且包括端点值，而YAG顶部涂层的密度范围比YSZ涂层的密度范围低25％，介于3.2g/cc与4.2g/cc之间并且包括端点值。适用于该位置的性能为约1W/Km的热导率、至少100MPa的机械抗压强度和开裂/剥落前0.5％的最小应变，以限制热传导并抵抗机械应力。为了改善顶部涂层与轮毂105的基材之间的粘附性和/或增加耐腐蚀性，可以施加粘合涂层，例如MCrAlY(镍/钴铬铝氧化钇)、NiAl(镍铝)或其他混合物的粘合涂层。粘合涂层的厚度范围可以为50μm至150μm并且包括端点值。所施加的粘合涂层可以具有5％至15％的孔隙率并且包括端点值，以提供抗应变性，从而更好地匹配顶部涂层相对于轮毂105的热伸长率，并增加顶部涂层的附着力。用于粘合涂层和/或顶部涂层的涂料可以通过不同的方法施加，例如空气等离子喷涂(APS)、高速氧燃料(HVOF)或物理气相沉积(PVD)，以提供多孔材料层。粘合涂层和/或顶部涂层中的层的结构被布置成提供足够的压缩阻力，以应对与叶片根部104A在滑动平面123上的接触压力相关联的压缩载荷。为了确保足够的组装公差，可以在涂覆过程之后研磨热障涂层，以获得适当的表面粗糙度，并且在正确的滑动平面123角度121处获得最终的轮毂槽表面105B。涂料可以包含低摩擦干润滑剂，直接在顶部涂层混合物(例如，氮化硼)中，或作为顶部涂层上的额外涂层施加。叶片根部104A与轮毂105之间的有效摩擦系数的减小可以在滑动平面角度121的选择中提供额外的设计灵活性，或者对于给定的设计增加防止夹紧的安全裕度。

除了叶片104与轮毂105之间可能的泄漏之外，两个连续叶片104之间的任何开口都可能会对轮辋式转子涡轮100的性能不利。如图2所示，叶片下平台104A可以具有通过三个角度的组合形成的平台侧表面104C、104D：(1)顶视图或轴向切割角150，其可以与叶片交错角153相同或密切相关，介于0度至45度之间；(2)叶片下张角152，介于0度至25度之间，针对空气动力学性能进行选择；(3)叶片平台前视侧的角度151，其可以是0度(平行)或可以由叶片数量(360除以叶片数量)给出。考虑到制造和组装公差，切向叶片到叶片平台间隙154的尺寸被确定为防止平台之间在组装和任何运转条件下的接触，以避免可能引起叶片损坏的局部应力。在热浸泡的情况下，当叶片104仍然是热的时，轮辋式转子涡轮100的旋转停止，热浸泡中的叶片到叶片平台间隙154C从其组装尺寸154B减小。在相反的情况下，在高速运转时，运转中的叶片到叶片平台间隙154A可以显著增加，其可以在周向尺寸上加倍。在轮毂冷却流在叶片平台104A下方流动的情况下，较大的间隙尺寸将引起较大的冷却流损失，从而增加压缩机负载和动力需求。可能存在叶片平台腔体155中的压力低于主脉流113压力的情况，从而驱动热在叶片104之间流动。在这两种情况下，减小运转中的平台间隙154A的尺寸对于最大化涡轮级效率是重要的。图2中的叶片被描绘成具有均匀的空气动力学轮廓和简化的叶片平台104A，然而，在最先进的应力分析之后，可以引入结构肋或增加平台厚度。此外，最先进的空气动力学优化也可能引起轮毂到稍部轮廓变化的实现，通常称为叶片扭曲。这些轮廓的径向堆叠也可以被调整以最小化叶片中的应力并确保叶片稍部处足够或均匀的压力分布。

参考图3，为了最小化叶片到叶片平台间隙154在组装、运转和热浸泡之间改变尺寸的影响，两个叶片平台平面侧104C、104D(即，相邻叶片104彼此面对的表面)可以具有形成径向或径向切向叶片到叶片间隙157的匹配表面。在这些匹配表面完全沿着切向轴线的情况下，由于所有叶片的径向移动都是相同的，叶片到叶片间隙157将在组装时和在每种运转条件下保持恒定。为了减少叶片在平台延伸区域104F、104G下方中的拉伸应力并改进制造加工，匹配表面可以设置成与切向轴线成角度156，优选地介于10度与30度之间并且包括端点值。

如图4和图4A所示，为了防止或减少叶片平台104A之间泄漏的实施方式可以包括位于相邻叶片平台104A之间的密封线107，无论是用于所有平台104A之间的间隙，还是用于选定的平台104A(即，一个或多个)之间的间隙。在该实施方式中，线107被捕获在稍微过大的线腔室108中，其中运转中的平台间隙154A可以介于密封线107直径的25％至50％之间，然而运转中的平台间隙还可以更大或更小。线腔室108可以限定在相邻叶片平台104A的相对表面中，使得密封线107被容纳在一对这样的腔室108中，然而还认为相邻叶片平台104A的相对表面中仅一个表面配备有腔室108。过大尺寸是可选的，但是可以确保在离心载荷下，密封线107在两个相邻的叶片平台104A上施加压力，从而防止或减少主脉流113与叶片平台腔体155之间的泄漏。由密封线107在离心载荷下施加的压力还可以增加叶片组件的刚性、增加其固有频率、减少疲劳应力和/或增加涡轮发动机保养间隔。密封线107可以由高温金属材料制成。在叶片104由陶瓷制成且密封线107暴露于超过金属线所适宜的最大温度的温度的情况下，可以使用预成型陶瓷线或由陶瓷织物制成的柔性纺织或编织绳，即，可以使用氧化铝、碳化硅或其他高温纱线。线的几何形状不限于圆形截面(例如，通过挤压形成)，因为其他几何形状(诸如正方形、三角形)被认为是功能性替代方案。此外，沿着线具有变化的截面轮廓的非挤压形状可以改善密封或组装。密封线107可以通过折叠或卷起由圆形或平坦材料冲压而成的薄片来形成。密封线的截面可以不是连续的，与其截面的变化相结合以允许附接到提供密封线定位特征部的叶片或轮毂。密封线的一段或整个可以包括弹簧特征部，该弹簧特征部在两个相邻的叶片上或在轮毂与叶片之间施加偏压，以支持组装步骤或在整个运转过程中保持特定的力。

由于叶片平台104A中的运转应力可能由于密封线腔室108的切口而局部(特别是在下方的平台延伸区域104E处)增加，密封线107可以放置在多部分密封线腔室109中，其中轮毂保持特征部120防止密封线107朝向旋转轴线离开，轮毂保持特征部120径向向内定位(可选地具有通道)，并且叶片平台104A形成腔室109的顶部。如图5和图5A所示，为了简化叶片几何结构，一个叶片平台104A侧可以保持为平坦表面，并且另一个叶片平台104A侧可以由成角度的倒角或类似的成角度的表面(即，不是径向的)形成，从而将密封线107有效地楔入相邻的叶片平台104A之间。

参考图6和图6A，叶片到叶片密封线107可以与叶片到轮毂周向密封线118互补地安装，并且这可以适用于特征是具有密封线107的所有实施方式，诸如例如图4和图5所示的实施方式。叶片到轮毂线118可以被称为连接环、线环等，通过在叶片后密封表面116和轮毂后密封表面117上施加密封压力，可以有助于防止或减少前轮毂腔体130与后轮毂腔体131之间的泄漏流。该密封压力在运转中由作用在周向密封线118上的离心力产生。为了使得叶片104能够在滑动平面123上移动并使得周向密封线118能够跟随叶片移动，轮毂后密封表面117可以限定与滑动平面角度121相同角度的截头锥表面。叶片平台104A上的相对表面可以设置为介于0度与滑动平面121的角度之间的角度116并在旋转时保持足够的压力，以实现两个表面之间的密封作用。

参考图7和图7A，叶片到叶片密封线107可以通过在每个线交叉点119处与叶片到轮毂周向密封线118钎焊或焊接来连接，或者通过模制、锻造、冲压、切割加工或增材制造而形成单件。这种组件可以变平并卷起以形成最终的圆形组件133，类似于单侧鼠笼。这种预组装可以有助于将密封系统组装到轮辋式转子涡轮100中并且可以减轻对叶片到叶片线107的下方支撑的需要，以防止叶片线在轮辋式转子涡轮100不旋转时朝向旋转轴下落，因此不需要封闭型线腔室108或轮毂线保持特征部120，或者只需要部分封闭或支撑特征部。为了支持叶片104和轮毂105在运转时的半径变化，叶片到轮毂周向线118的材料可以被选择为具有足够的弹性强度来保持所有条件并保持在切向位置125。线118可以被设计成在每个叶片之间具有柔性区域126(例如，如所示的波浪形几何形状)，该柔性区域通过实现弹性或塑性变形而允许顺应性。线118可以具有径向或角度切口132以避免线118中的拉伸载荷，或者可以在每个叶片之间具有一个切口以提供叶片到叶片密封线107跟随每个叶片平台104A的能力，而不会在交叉点119处产生应力。切口内可以存在具有小切向间隙128的互锁特征部，以允许切向伸长，同时最小化由切口产生的密封间隙。仍然在图8中，可以观察到密封线107可能不是直的，且密封线107的自由稍部根据待密封的间隙弯曲或形成径向向内的形状。

参考图8和图8A，叶片到叶片密封线140可以通过将其前区段封装在由叶片下平台104A、弹簧推动器142A、142B和/或面罩141形成的腔体内而保持在其位置。面罩可以作为辐射罩存在于轮毂105的弹簧142A、142B组件与安装在轮辋式转子涡轮100前部的热部件之间。在不需要弹簧推动器106、142A、142B的独立指状部来补偿制造可变性的情况下，面罩141还可以直接用作弹簧推动器。弹簧推动器可以具有不同的长度，例如，短弹簧推动器142A可以径向支撑叶片到叶片密封线140，其中长弹簧推动器142B可以轴向保持叶片到叶片密封线140。如果各个线密封件存在安装挑战，则密封线140可以具有如所示出的U形并且其每个腿部位于两个相邻的叶片到叶片密封腔体之间或相邻叶片平台104A之间的间隙之间。这种布置与每个叶片需要一根线的方法相比提供了一半的线数。

同时参考图9至图13，示示了轮辋式转子涡轮级，并且可以包括轮辋式转子涡轮200、喷嘴导叶209(NGV，可以被称为主流定子，或入口导叶IGV)的组件和冷却导叶组件233。轮辋式转子涡轮200具有与上述轮辋式转子涡轮100类似的布置，其具有轮缘205、冷却环206、热障涂层207和翼型叶片208。以上对轮辋式转子涡轮100中这种部件的布置的描述适用于轮辋式转子涡轮200，特别是叶片208与轮毂之间的滑动布置，因为针对轮辋式转子涡轮100描述的一些或所有部件可以在轮辋式转子涡轮200中找到。喷嘴导叶209形成翼型以使涡轮发动机热气体加速并产生气体动量，该气体动量通过轮辋式转子涡轮200的叶片208转换成可用的机械扭矩，其中热气体从主脉流涡轮级入口230流向主脉流轮辋式转子涡轮出口231。具有轮叶209的组件可以被描述为位于轮辋式转子涡轮200(或100)上游的定子轮叶组件并且可以说是静态的，因为当轮辋式转子涡轮100或200旋转时定子轮叶组件不旋转。定子轮叶组件具有外护罩217，该外护罩限定了例如用于主脉流的主流路，该主流路与轮辋式转子涡轮100或200的多个叶片208对准并配置成将热气体朝向轮辋式转子涡轮100或200的多个叶片208引导。如所示出的，也可以存在内护罩，使得主流路可以是环形的或管状的。轮叶209可以在主流路中。

图9至图13所示的轮辋式转子涡轮200可能需要冷却空气流过冷却环206，以将轮缘205保持在其最高工作温度下，并且通过向冷却环206的内表面添加热障涂层207可以实现改善的绝缘性能。在该实施方式中，来自压缩空气源的冷却气流被朝向冷却环206的通道引导，压缩空气源可以是附接到涡轮轴或独立轴的压缩机，或者可以是外部压缩机。由于有利于使冷却流以相对较低的温度进入冷却环206以降低轮缘205的温度，因此必须尽可能地减少诸如叶片208或喷嘴导叶209的任何热部件与轮辋式转子冷却空气之间的直接和间接热传递。使冷却空气流过位于主流喷嘴导叶209的组件的径向外侧的冷却导叶组件233，允许从主脉流径向外侧的冷却空气注入位置或区段234注入新鲜冷却空气(不限于径向流入口，因为注入可以在入口处具有轴向分量)。由于该一个或多个注入点位于主脉流的外部，所以空气冷却器热交换器可以整体形成在冷却空气注入区段234之前的空气冷却流动回路中，以降低进入冷却环206的冷却空气的温度，从而有效地降低所需的冷却质量流量并提高涡轮发动机的动力和效率。

冷却导叶组件233可以被描述为具有内护罩217，该内护罩限定与轮辋式转子涡轮200(或100)的冷却环206对准并配置成将冷却气体朝向轮辋式转子涡轮200或100的冷却环206引导的冷却流路。在冷却流路中可以具有轮叶。

仍然同时参考图9至图13，由于轮辋式转子涡轮200在高转速下运转，并且冷却环206需要空气在其通道内流动，因此从静态框架或结构(即，冷却导叶组件233)流入到旋转框架(即，轮辋式转子冷却环206)中的空气必须切向加速。因此，冷却导叶组件233可以具有冷却导叶213、上护罩214和下护罩216，该冷却导叶、该上护罩和该下护罩可以制造成一个部件或多个部件。切向速度可以通过冷却导叶213施加给冷却空气，冷却导叶可以是一系列切向堆叠的翼型，其入口主要是径向或轴向的，并且其出口在期望的切向角处，以用于冷却空气以有限的压力损失流入到冷却环206的通道中。冷却导叶213可以主要提供径向和切向流动以易于制造，如由径向冷却导叶213B(称为第二组、作为一种可能性)所描绘的，和/或可以包括轴向或部分轴向流动，如由图10和图10A中的径向-轴向冷却导叶213A(称为第一组、作为一种可能性)所描绘的。旋转轴线与冷却轮叶流动出口之间的角度215优选地但不限于介于10度与40度之间并且包括端点值。因为冷却导叶组件233是环形的，所以可以说冷却流路是环形的，并且在一变型中，出口具有截头锥形几何结构。由于轮辋式转子冷却环206内的流动主要是轴向和切向的(没有显著的径向分量)，在冷却导叶213之前236或之后，流动中可能需要部分被引导的曲面。冷却导叶213可以以将径向入口结合在完全或部分轴向出口上的方式弯曲。为了适应有角度的流动，冷却环206可以具有减少入口压力损失的有角度的入口220(即，入口220的一个或多个表面可以是截锥形的)。径向冷却叶片213B或径向-轴向叶片213A的紧凑性可以提供保持绝缘间隙227的能力。绝缘间隙227的目的是避免热喷嘴导叶209与被冷却的冷却导叶下护罩216之间的传导式热传递，因此减少在进入轮辋式转子涡轮200的冷却环206之前传递给冷却空气的热量。该绝缘间隙227还具有流动脉动阻尼特性，因此减小了冷却流与主流压力振荡之间的压差，从而降低了冷却要求。热喷嘴导叶209与被冷却的冷却导叶下护罩216之间的对流和辐射热传递可以通过限制下护罩216的暴露面积和/或通过在绝缘间隙227中插入绝缘材料来进一步减少。诸如编织陶瓷纤维之类的顺应性绝缘材料或诸如YTSZ陶瓷涂层之类的热障涂层可以施加在喷嘴导叶209的外护罩217的外表面或导叶下护罩216的内表面中的一者或两者上。绝缘间隙227在组装时可以有意地大于运转时的期望厚度，以允许喷嘴导叶209的径向热膨胀大于由于较高的运转温度而引起的冷却导叶213的热膨胀中的径向热膨胀。

参考图10，冷却导叶外护罩214和内护罩217可以朝向轮辋式转子涡轮冷却环206延伸，以形成唇形密封件218、219，从而减少冷却流的泄漏。可以添加外护罩唇形密封件219以使冷却环206与外护罩214之间的运转间隙最小化，从而减少来自冷却流混合平面237(由冷却导叶213的出口和冷却环206限定的腔体)和轮缘前腔体239的流量泄漏。由于冷却流混合平面237与轮缘前腔体239之间的压差可能较大，在冷却环206上形成迷宫式密封件的径向重复唇形密封件可以有利于降低泄漏率。可以增加冷却导叶内护罩唇形密封件218，以减小冷却环206与内护罩216之间的运转间隙，从而限制流量从冷却流混合平面237泄漏到喷嘴导叶209与轮辋式转子叶片208之间的主脉流区段238。主流喷嘴导叶217的外护罩也可以延伸到转子的热障涂层207下方，以形成密封叠层，从而提高密封效率并减少冷却损失以及主流进入。冷却流混合平面237处的压力可以被设计成与主脉流238中的压力紧密匹配，从而减少穿过唇形密封件218的流量。由于叶片经过和冷却通道引起的这些区域中的压力的振荡性质，保持较小唇形密封运转间隙以减少流动泄漏并避免热流进入冷却环206仍然是有益的。为了进一步减小运转间隙，考虑到组装公差和运转瞬态，可以在冷却导叶唇形密封件218、219处施加耐磨材料环或涂层228。唇形密封件218、219或它们的涂层228可以以与主要由叶片到轮毂滑动平面决定的轮辋式转子涡轮叶片移动相匹配的角度加工，以有助于在启动和非设计条件下保持较小的间隙。

同时参考图11、图12和图13，冷却导叶外护罩唇形密封件219可以结合刷式密封组件241使用或由刷式密封组件代替。刷式密封组件241可以包括壳体221、刷毛222阵列和刷毛保持环223，刷毛222阵列紧密地堆积以形成密封表面。为了防止在轮缘205的材料中产生磨损，可以将耐磨涂层施加到其外表面，如图11中轮辋式转子涡轮刷式密封件的径向实施方式所示。在这种配置中，轮缘前腔体239保持比轮缘后腔体240更高的压力。由于轮缘205的外表面风阻引起的空气动力学损失在这些升高的速度下可能具有较大的相对重要性，因此降低外周表面上的密度并因此降低压力可以表现出风阻动力损失和发热的显著降低。为了减少暴露于前腔体239B的较高压力的表面，刷式密封组件241的轴线可以不同地定向，即径向或轴向或在两者之间的某处，以使得刷毛222能够骑跨在冷却环206的延伸部分上。冷却环延伸部分可以在轴径向刷式密封组件240B的径向外侧226，如图13所描绘。刷式密封件安装角度225可以可选地设置在冷却叶片出口角度215的10度以内，以用于冷却轮叶组件233和刷式密封组件241的紧凑封装。根据所需轴向延伸部(未示出)的长度，具有轴向或径向-轴向延伸部和径向刷式密封件的冷却环206是可能的。由于轮缘205和冷却环206的周边或切向速度可以达到500m/s并且高于金属刷式密封件的最大推荐速度范围，因此可以使用替代的刷毛材料，诸如芳纶纤维(例如)，作为预期材料中的其他材料的实例。在其中轮缘205由受基体玻璃化转变温度限制的复合材料制成的配置中，冷却空气可以在150℃以下离开冷却导叶213，以适当地冷却轮缘205，并且该温度也将为芳纶纤维刷式密封件提供适当的低温环境。刷式密封组件241可以由迷宫式密封件代替，该迷宫式密封件可以具有骑跨在轮辋式转子205的外表面上的一个或多个齿。轮辋式转子与齿的内直径之间的间隙275被设计成控制较高压力前轮缘腔体239A与后腔体239B之间的冷却泄漏率。齿可以平行于轮缘表面或者可以处于轮缘密封角274，以在所有运转条件下匹配轮辋式转子的径向-轴向移动。轮缘表面可以说是截头锥形的。这种径向-轴向移动主要由轮辋式转子载荷下的径向膨胀与叶片脚部处的滑动平面角之间的关系决定。通常，该角度可以被设置为叶片滑动平面角度273(图12)，然而由于静态部件相对于转子的热相关移动，该角度可以适于最佳覆盖选定的运转条件并且可以从叶片滑动平面角度273修改高达10度。轮辋式转子的这种成角度的切割也可以被实现为用于其他密封方法，诸如在非标称运转条件下(非设计操作)用于优化密封的刷式密封。换句话说，图12描绘了与滑动平面成相同角度的轮辋式转子切口，以当叶片在脚部滑动平面上向上滑动时，为多个操作点保持小的受控间隙，从而降低整体冷却要求。在本文的一些情况下，表述“大致对应”表示可能存在轻微的变化。

如图14中的冷却流通道的平面断面图所示，冷却导叶213可以被设计成通过节流喉部264和超音速膨胀267使冷却流以超音速的方式加速。通过将超音速冷却导叶213B的出口流角270的值设计为介于70度与85度之间的值(相对于与旋转轴线对准的轴向方向)并且包括端点值，该配置可以允许冷却流切向速度与冷却环206的切向速度(U)268相匹配。即使使用亚音速或轻度跨音速热流叶片208，使用超音速冷却系统也可以是有益的，这是因为冷却流与主脉流热气体之间的声速差异很大。实际上，如果可用的冷却上游压力足够，则使流体以超音速加速可以通过表面摩擦减少转子上所需的功(减少风阻或阻力)并且可以通过降低传递到冷却环206和轮缘205表面上的冷却流的静态温度来改进冷却性能。冷却环翅片206B可以以角度266定向，以使流体在旋转框架内沿与旋转方向(U)相反的方向切向地加速，从而产生额外的推力并提高系统效率。

参考图15，由结构旋转轮缘205上的表面摩擦阻力(风阻)产生的热量可以将足够的热能257传递到轮缘腔体239中，以熔化、氧化、削弱或损坏轮缘205。为了避免这种可能导致轮辋式转子涡轮200叶轮在运行中发生故障的事件，从轮缘205及其周围环境吸取热量对于轮辋式转子涡轮200的安全运行是至关重要的。平流可以是吸取热量的主要手段，在这种情况下，这是通过填充腔体外部的轮缘腔体239的空气的运动来传输热能。新鲜空气可以通过冷却导叶唇形密封件219注入轮缘腔体239中，然后可以通过流入主脉流轮辋式转子涡轮出口231而离开腔体239。在其中将这种空气注入到主脉流中可能会由于主脉流整体温度的下降而降低循环效率的情况下，这种冷却空气可能被喷向外部环境(未示出)。替代地，该冷却空气可以用于冷却接下来的涡轮级入口导向轮叶或接下来的涡轮级叶轮，其可以是轮辋式转子涡轮或标准涡轮(未示出)。作为改善从轮缘205的表面及其周围环境吸取热的手段，周围壳体260可以通过对流和辐射的组合来进行热吸取。为此，周围壳体260可以通过经由连接的壳体的传导262和/或通过其一个或多个外表面261上的对流和辐射来冷却。壳体外表面261上的对流可以由强制外部空气提供，例如在壳体表面上推动冷却空气的低压风扇，这可以不需要增压空气，因为增压空气在主脉流的外部。对壳体外部冷却使用非增压空气可以净降低涡轮发动机压缩机的动力需求并因此提高系统的能量转换效率。

参考图16，通过集成主动轮辋式转子冷却系统247，包括轮辋式转子涡轮200的涡轮发动机可以提供显著的性能增益(即，效率和功率输出的增加)。考虑到具有最佳冷却流和性能的标称设计条件(“根据设计”)，在非标称条件(诸如变化的转子转速、环境压力、环境温度或燃料流量(“非设计”))下运转将产生大范围的运转条件，其中将有利于最小化轮辋式转子涡轮200的冷却流，而不会有过热或损坏轮缘200的风险。主动轮辋式转子冷却系统可以具有空气冷却器热交换器251、被致动的空气阀252和被致动的可变几何形状冷却导叶组件229，以向冷却环206和轮缘腔体239两者供应处于足够压力和温度下的冷却空气。空气冷却器热交换器251用于通过吸取热量并将其传递给二次流体(未示出)或者直接与强制环境空气交换来降低冷却空气温度，二次流体可以是液体，如水、油或燃料。被致动的空气阀252可以部分关闭以在冷却回路中产生压降，从而对于给定的压缩机出口压力有效地降低轮辋式转子冷却流。在离开冷却导叶组件229的压力低于主脉流压力的情况下，或者是由致动空气阀252的关闭或者是运转条件的变化引起的，冷却环206可能吸入冷却流和热气体的混合物，这可能导致轮缘205的过热和轮辋式转子涡轮200的潜在故障。为了避免这种情况，可以使用被致动的可变几何结构冷却导叶229，通过改变其导叶的角度来调节给予冷却空气的动量。这种移动导致导叶出口静压的变化，并且因此可以确保在大范围的条件下保持冷却流与主脉流之间可接受的冷却空气泄漏246，并避免在冷却流中吸入热气体。可以存在其他标准涡轮发动机部件，诸如燃烧器248、涡轮发动机空气压缩机253、回热器254。

图17和图17A中示出了被致动的可变几何形状冷却导叶229的实施方式。在这种配置中，轮辋式转子涡轮200的冷却环206被供给流经被致动的可变几何形状冷却导叶229的冷却空气。冷却空气从周向冷却空气注入位置234径向流动，并在由向空气施加切向速度的枢转冷却导叶201引导之后变为轴向并朝向冷却环206流动。被致动的可变几何形状冷却导叶229的出口可以是部分轴径向的，可以在喷嘴导叶209与冷却导叶下护罩203之间具有绝缘间隙，和/或可以具有如先前在图10、图11或图13中描绘的密封部件，其中一些或全部密封部件可以存在于图17的实施方式中。每个枢转冷却导叶201都可以具有旋转移动轴线210，并且可以连接到位于冷却导叶下护罩203后方的控制臂245。每个控制臂245都可以组装在控制环202中的槽内，其中控制环202角位置的给定变化在控制臂245上产生力，并且使得每个枢转冷却导叶201围绕其轴线210旋转给定角位置。枢转冷却导叶201的角位置与两个相邻轮叶之间的导叶喉部272的尺寸直接相关。因此，关闭导叶导致喉部变小，而通过使导叶旋转打开导叶引起喉部尺寸变大。较小的开口可以引起喉部和轮叶出口处的速度增加和静压降低。线性气动致动器211或其他机电部件可以对控制环202的角位置进行控制。因此，作为一个可能的实施方式，单个角度的致动可以引起所有导叶201的移动。气动致动器211的线性移动可以通过经由控制杆直接作用于一个控制臂245上来转换为控制环202的角位置，或者通过控制杆具有在控制环(未示出)内滑动的其自己的控制臂。这里描述的几何结构类似于可变几何结构涡轮增压器(VGT)或可变喷嘴涡轮(VNT)，其他几何结构(诸如移动/滑动环可变几何结构涡轮增压器、可变流量涡轮增压器(VFT))可以提供相同的功能，并且出于性能、封装或成本原因，可以在主动轮辋式转子涡轮冷却系统中互换使用。

为了评估、监测和控制主动轮辋式转子冷却系统247和轮辋式转子涡轮200的结构和材料完整性的状态，专用冷却控制系统279可以在数字涡轮发动机控制器中实现。控制器可以包括具有一个或多个处理器的处理单元，以及通信地联接到处理单元的非暂时性计算机可读存储器，并且包括可由处理单元执行的用于操作系统279的计算机可读程序指令。控制系统279的输出可以是到空气阀致动器和冷却导叶致动器的电气或气动控制信号284、285。一组测量的或估计的运转条件287可以在算法中用于向空气阀252和冷却导叶201产生前馈位置需求282、283，该空气阀和冷却导叶将在轮辋式转子冷却环206内提供所需的冷却流量和压力。运转条件287可以包括一个或多个发动机线轴速度、发动机燃料流量、发动机空气流量、环境温度和压力以及其他相关条件。前馈需求282、283可以通过一组校准图或校准多变量模型280来计算。这种图或模型的校准最初可以通过数值模拟来完成，并且最终的校准可以通过在相关条件下的实验测试来进行。此外，控制系统可以使用与轮辋式转子涡轮相关的压力和温度的测量结果288来计算对前馈需求的反馈校正，以提供校正后的位置需求282、283。在冷却导叶229的出口处在冷却导叶内护罩唇形密封件218的两侧之间获得的密封压差242可以提供关键信息，以使通过唇形密封件218的泄漏最小化，同时避免引入热流。为了监测外轮缘205的表面热状况，可以用热电偶或其他空气温度传感器来测量轮缘腔体243中的空气温度。为了评估轮缘205在其内表面的温度，可以利用热电偶或其他空气温度传感器测量冷却环206的出口温度244，并且可以通过在发动机控制器内编程的相关性将该出口温度转换为实际的轮缘温度。与轮辋式转子涡轮相关的测量288可以被馈送到设置控制器或PID(比例积分微分)控制器，以通过限制温度或压力与期望条件的偏差来调整校正的位置需求282、283。可以基于发动机模式286来计算期望的温度和压力条件。在航空应用中，可以在起飞或紧急情况下提高温度极限，以使发动机的功率输出最大化。类似地，温度极限可以在巡航段期间降低，以增加轮辋式转子涡轮200部件的寿命。在其中轮辋式转子涡轮仪表未安装或不起作用的情况下，主动轮辋式转子冷却系统247的控制逻辑可以仅依赖于前馈需求280的信号而被设置为开环控制。就冷却系统247的运转而言，冷却流空气阀252的打开或关闭将分别增加或减少流经冷却环206的冷却质量流，从而直接影响吸取的热量并因此影响轮缘205的温度。枢转冷却导叶201的关闭对于调节密封件处的静压是必要的，以避免吸入热流或冷却空气的过度泄漏。由角度变化引起的切向速度的变化也有助于通过控制归因于静态部件(冷却导叶组件229)与旋转部件(冷却环206)之间的方向变化的压力损失来控制冷却环206内的质量流量。这种控制系统将允许涡轮发动机在设计条件下运转而没有过冷，同时当需要更高的燃料流量和涡轮温度时(例如，对于单发动机不工作(OEI)飞行条件)，提供在具有增加冷却的过动力情况下运转的可能性。其他条件(诸如在部分负荷条件下，其中可以表现出高涡轮温度，但是低压缩机压力)将驱动不足的冷却流，如果不足的冷却流没有被主动轮辋式转子冷却系统247调节的话。

同时参考图19、图19A和图20，示出了轮辋式转子涡轮转子300，其由外轮缘301、冷却环302、热障涂层303、连接到轮毂组件305的多个涡轮叶片304组成，该轮毂组件将系统保持在位并将机械动力传递到轴。相对于部件301、302、303和/或304，轮辋式转子涡轮300可以类似于上述轮辋式转子涡轮100和200，并且可以使用相对于涡轮100和/或200描述的一些实施方式。高温气体流过叶片304排以在叶片304上产生升力。为了将结构轮缘301保持在其最大运转温度内，冷却空气流过冷却环302。在该实施方式中，冷却环302包括一组翅片310、下表面311和上表面312，从而形成空气流动冷却通道313。冷却通道313的数量优选为叶片304计数的倍数，通常每个叶片3个或更多个冷却通道，然而这是可选的。所描绘的空气通道313是与冷却环表面相切的平面上的线性通道，然后被包裹在该表面上，并且冷却通道几何结构的变化可以包括曲率，即不同于其出口轴向流动角度的入口轴向流动角度。冷却环302可以通过诸如增材制造(AM)或电火花加工(EDM)等制造工艺制成为单个部件，或者制成为各个部件的组件。

涡轮转子需要精确的平衡，以减少施加到转子轴和涡轮轴承的不平衡力。轮辋式转子涡轮具有特殊的平衡影响，因为转子质量的较大部分位于由具有冷却环302和热障涂层303的轮缘301构成的外护罩内。因此，由于组装公差和制造公差，大部分不平衡可能来自外护罩并且在逻辑上应该直接在外护罩内被校正。这种平衡可以通过添加或移除外罩内的材料来实现。由于外护罩的高切向速度，其所有部件在运转时都会承受很大的应力，并且必须仔细分析不平衡质量的影响。该实施方式展示了在一个或多个冷却通道302内插入平衡质量314，将该冷却通道313转换成平衡通道315，从而有效地形成部分入口冷却环。为了确保冷却系统的均匀性能，每个叶片304的固定数量的冷却通道313可以被转换成平衡通道315。对于所描绘的实例，每个转子叶片304存在六个冷却通道313，并且其中一个冷却通道被转换成平衡通道315。转换哪个冷却通道的选择取决于冷却环的结构和热负荷，并且由于通过冷却环翅片310的最大压缩载荷和热传导通常在与外护罩304A接触的叶片稍部处，所以平衡通道位置优选地在两个相邻叶片304之间的中心处。为了确保在所选平衡通道315未被平衡质量314填充或未完全阻塞的情况下没有流经过所选平衡通道315，在制造冷却环302时或在进行转子平衡时，可以在每个专用平衡通道315中放置平衡通道阻塞物316。平衡通道阻塞物316的位置可以位于入口316A处、出口316C处或中间位置316B处。中心阻塞特征部可以允许在两个平衡平面上完成平衡，轮辋式转子的每个面上一个平衡，这可能是厚盘的高质量平衡所需要的，因此这取决于外护罩轴向厚度与其半径之间的最终比率。为了适应平衡质量314的形状并减少对热性能的影响，围绕翅片310B的平衡通道315可以具有减小或变化的厚度，以使平衡通道的总宽度最小化。这种已适应的平衡通道还可以包括：平衡质量314保持特征部，诸如待插入螺钉的螺纹、可以闭合的可变形壁、留下比运转位置半径更小的孔口的部分阻塞物316D(在运转中使用g场来防止其滑出通道外)；或确保平衡质量在达到平衡后不能离开通道的其他类似方法。

除了在平衡通道315内插入平衡质量以外，还可以使用材料去除方法。已适应的平衡通道(未示出)可以从较小的柱形通道开始，可以对该通道钻削以去除材料。

在其中轮辋式转子涡轮300不被设计成在外护罩内适应这种方法的情况下，可以在轮毂组件305内增加或移除平衡质量。然而，这种方法可以提供平衡的轮辋式转子涡轮组件，但具有用不平衡轮毂补偿的不平衡外护罩，这可能在转子本身内产生显著的不平衡力。这些力将从护外罩通过叶片传递到轮毂并且可能导致部件过早失效。

本公开描述了覆盖轮辋式转子组件100的不同部件的许多实施方式。不同的实施方式可以以任何适当的方式组合。

Claims (22)

1.一种组件，包括：

轮辋式转子涡轮，具有：

轮毂，适于安装或连接到旋转轴，

轮辋式转子，所述轮辋式转子具有限定至少一个冷却通道的冷却环，以及

多个叶片，所述多个叶片中的每个叶片与所述轮辋式转子相接触；

定子轮叶组件，位于所述轮辋式转子涡轮的上游，所述定子轮叶组件至少具有：

外护罩，限定主流路，所述主流路与所述轮辋式转子涡轮的所述多个叶片对准并配置成将热气体朝向所述轮辋式转子涡轮的所述多个叶片引导，以及

所述主流路中的轮叶；以及

冷却导叶组件，所述冷却导叶组件至少具有：

内护罩，限定冷却流路，所述冷却流路与所述轮辋式转子涡轮的所述冷却环对准并配置成将冷却气体朝向所述轮辋式转子涡轮的所述冷却环引导，以及

所述冷却流路中的轮叶；

其中，所述定子轮叶组件的外护罩在径向上位于所述冷却导叶组件的内护罩的内侧，并且其中，在所述定子轮叶组件的外护罩与所述冷却导叶组件的内护罩之间限定有周向间隙。

2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述冷却导叶组件包括外护罩，所述冷却流路限定在所述冷却导叶组件的内护罩与外护罩之间。

3.根据权利要求2所述的组件，其中，所述冷却流路的上游部分相对于所述轮辋式转子的旋转轴线在径向上定向。

4.根据权利要求2和3中任一项所述的组件，其中，所述冷却流路的下游部分相对于所述轮辋式转子的旋转轴线以截锥形定向。

5.根据权利要求4所述的组件，其中，所述冷却流路的所述下游部分相对于所述轮辋式转子的旋转轴线成介于10度与40度之间的角度并且包括端点值。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的组件，其中，所述冷却流路中的第一组轮叶被定向成使得冷却空气能够轴向或部分轴向地流动。

7.根据权利要求6所述的组件，其中，在所述第一组轮叶之间限定有节流喉部。

8.根据权利要求6或权利要求7所述的组件，其中，所述第一组轮叶的出口角度相对于轴向方向介于70度与85度之间并且包括端点值。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的组件，其中，所述冷却流路中的第二组轮叶位于所述第一组轮叶的上游并且被定向成使得冷却空气能够径向和切向地流动。

10.根据权利要求2至9中任一项所述的组件，其中，所述冷却导叶组件的外护罩的突出端限定邻近所述轮辋式转子的表面的外护罩唇形密封件。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的组件，其中，所述冷却导叶组件的内护罩的突出端限定邻近所述轮辋式转子的表面的内护罩唇形密封件。

12.根据权利要求11所述的组件，其中，所述内护罩唇形密封件具有一表面，该表面的角度大致对应于所述叶片与所述轮毂之间的滑动接触部的角度。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的组件，其中，在所述间隙中存在绝缘材料。

14.根据权利要求13所述的组件，其中，所述绝缘材料是所述冷却导叶组件的内护罩上的热障涂层和/或所述定子轮叶组件的外护罩上的热障涂层。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的组件，还包括位于所述轮辋式转子与周围结构之间的刷式密封件。

16.根据权利要求15所述的组件，其中，所述刷式密封件安装到所述周围结构。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的组件，还包括位于所述轮辋式转子与周围结构之间的迷宫式密封件。

18.根据权利要求17所述的组件，其中，所述迷宫式密封件安装到所述周围结构，所述迷宫式密封件与所述轮辋式转子的截锥形表面相对，所述截锥形表面的表面角度大致对应于所述叶片与所述轮毂之间的滑动接触部的角度。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的组件，其中，所述多个叶片中的每个叶片都通过与所述轮毂的滑动接触部操作性地连接到所述轮毂，以使得所述叶片与所述轮毂之间至少能够发生径向移动，从而使所述叶片抵靠所述轮辋式转子以受压的方式加载。

20.根据权利要求1至19任一项所述的轮辋式转子涡轮组件，其中，所述滑动接触部由所述轮毂与所述叶片之间互补的滑动表面限定。

21.根据权利要求20所述的轮辋式转子涡轮组件，其中，所述互补的滑动表面处于范围介于15度至75度之间的角度并且包括端点值，该角度是由所述互补的滑动表面与所述旋转轴线在所述旋转轴线所在的径向-轴向平面中形成的。

22.根据权利要求1至28中任一项所述的轮辋式转子涡轮组件，其中，所述叶片是陶瓷叶片。