CN1670349A - 具有旁通回路的燃气涡轮机部件 - Google Patents

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Abstract

一种燃气涡轮机部件(52)具有一个环状突缘臂(61)、一块装在其上的支撑板(71)及在两者之间制出的旁通回路(72)。该旁通回路(72)包括在突缘臂(61)或支撑板(71)两者之一上制出的一条或多条沟道。当使用多于一条的沟道时，在各沟道之间应设有至少一条连接槽(80)。至少有一条进口通道(82)应延伸通过突缘臂(61)以便在液流上与最前面的沟道(74)连通至少有一条出口槽(88)应在突缘臂(61)和支撑板(71)之间制出以便在液流上与最后一条沟道(76)连通。

Description

具有旁通回路的燃气涡轮机部件
技术领域
本发明总的涉及燃气涡轮机，尤其涉及该发动机中旁通回路的密封件。
背景技术
燃气涡轮机中的压缩机将加压的空气提供给燃烧器，使空气在其内与燃料混合并点燃以便产生灼热的燃气。该燃气向下游流动到一个或多个涡轮内，从其中可提取能量以驱动压缩机并提供有效的功如驱动飞行中的航空器。航空器发动机通常都有设在燃烧器出口处的固定的涡轮喷嘴，用来将燃气输送到设在其下游的第一级涡轮转子内。涡轮转子将燃气导向，使涡轮叶片能够作功。
由于上述部件被曝晒在燃烧过程所产生的酷热中，某些部件如燃烧器衬里、涡轮转子叶片和喷嘴都被冷却以便满足预期寿命的要求。这种冷却通常是用压缩机输出中分流出的较冷的空气来完成的。通常的做法是在固定的涡轮喷嘴和第一级涡轮转子之间设置一个外部前密封件，用来密封为冷却目的而被放出的压缩机排出空气和涡轮流动路径内的灼热燃气中。传统的外部前密封件为一由旋转件和固定件构成的旋转的迷宫式密封件，这两零件一般都位在发动机纵轴线周围的圆周上。固定件包括一个环状突缘，定子元件就安装在其上。定子元件正常由蜂窝材料制成。旋转件具有多个沿径向伸到定子元件内的细的齿状突起。每一个突起的外周都可在定子元件的微小容隙内旋转，从而在冷却用空气和涡轮流动路径内灼热燃气之间造成密封。
在发动机运转时，由于质量和受灼热燃气曝晒程序的不同，某些发动机结构不会像其他结构加热得那么快。这个作用就会在许多发动机部件内造成径向的热梯度，如在固定件内，环状突缘就不会像其他部分加热得那么快。在固定件内的热梯度能使热应力增高并在定子元件和旋转的凿状突起之间造成不合适的间隙。为了减少突缘的热梯度，已知可设置突缘旁通回路使为冷却目的而从压缩机输出中分流出的某些空气从分路内流动通过。虽然该空气比灼热的燃气流冷，但它仍有足够的热度可使突缘较快地加热，这样便可造成较小的热梯度。传统的旁通回路使用的是沿着突缘和定子元件支撑板的周边间隔开的一系列分散的分路。这种分散的分路布置只能使突缘不均匀地加热，需要费事的机加工，并使用许多能造成应力集中的小的圆角半径。
因此需要有一种能使突缘较均匀地加热并可较简单地机加工的旁通回路。
发明概述
本发明可满足上述需求，在某一个实施例中所提供的是一个在环状突缘臂的内表面内制出而具有旁通回路的燃气涡轮机部件。该旁通回路包括一条在径向上为内的表面内制出的沟道。至少有一条沿径向延伸通过突缘臂的进口通道和至少有一条在径向上为内的表面内制出的出口槽在液流上与该沟道连通。
在另一个实施例中，本发明所提供的燃气涡轮机部件包括一个环状突缘臂，该突缘臂具有一个径向上的内表面和一个装在其上的环状支撑板，该支撑板具有一个径向上的外表面。旁通回路包括一条在支撑板的径向上外表面内制出的沟道。至少有一条沿径向延伸通过突缘臂的进口通道和至少有一条在径向上外表面内制出的出口槽在液流上与该沟道连通。
在又一个实施例中，燃气涡轮机部件包括一个环状突缘臂，该突缘臂具有一个径向上内表面、一个径向上外表面、一个前缘、和一个形成后端面的后端。在径向上的内表面内制有第一和第二沟道，第二沟道在轴向上与第一沟道间隔开。在径向上的内表面内还制有多条连接槽；每一条连接槽都沿轴向在第一和第二沟道之间延伸。有多条进口通道沿径向通过突缘从径向上外表面延伸到第一沟道。在径向上的内表面内还制有多条出口槽，每一条出口槽都沿轴向从第二沟道延伸到后端面。
在参考附图阅读下面的详细说明和所附的权利要求后当可更容易地理解本发明及其相对于现有技术的优点。
附图说明
在说明书的总结部分内将具体指出和清楚地请求保护本发明的主题。但本发明最好结合附图参阅下面的说明来理解。在附图中：
图1为一燃气涡轮机的概略的纵向剖视图。
图2为图1中燃气涡轮机的高压涡轮段的部分剖视图。
图3为一放大的部分剖视图(图4中沿3-3线切开)较详细地示出图2中高压涡轮段在外部前密封件。
图4为图3中在外部前密封件的突缘臂的径向上外表面的部分的径向平面视图。
图5为图3中在外部前密封件的突缘臂的从后向前看去的端视图。
图6为一放大的部分剖视图(图7中沿6-6线切开)示出高压涡轮段使用的在外部前密封件的第二个实施例。
图7为图6中在外部前密封件的支撑板的径向上外表面的部分的径向平面视图。
图8为图6中在外部前密封件的支撑板的从后向前看去的端视图。
本发明的详细说明
参阅附图，其中同一标号指各图中相同的元件。图1概略地示出一个示范的涡轮风扇的燃气涡轮机10。虽然涡轮风机在本行业中已普遍为人熟知，但简要地描述该发动机10的总体设计及其各部件之间的关系将可有助于对下面要说明的本发明的理解。另外，应该指出，涡轮风机只是用来作为一个例子；本发明并不限于涡轮风机而能用在范围广阔的各种发动机型式和其他用途上。
发动机10包括风扇14、增压器16、高压压缩机18、燃烧器20、高压涡轮22和低压涡轮24等部件，这些部件环绕一条纵向中心轴线12串联地设置并能被轴向流动的气流连通。高压涡轮22可驱动地被连接到具有第一转子轴26的高压压缩机18上，而低压涡轮24可驱动地被连接到具有第二转子轴28的增压器16和风扇14上。风扇14具有多个装在环状盘32上而沿径向伸出的风扇叶片30上，其中圆盘32和叶片30都可环绕发动机10的纵向中心轴线旋转。
在发动机10运转时，周围空气34进入发动机的入口，周围空气34的第一部分即主要燃气流36流动通过风扇14、增压器16和高压压缩机18，接续被这些部件加压。主要燃气流36然后进入燃烧器，在那里加压空气与燃料混合并燃烧，从而提供高能量的灼热的燃烧气体流。高能燃气流流动通过高压涡轮22，在那里它被膨胀并被抽出能量来驱动高压压缩机18，然后进入低压涡轮24，在那里它被进一步膨胀并被抽出能量来驱动风扇14和增压器16。周围空气34的第二部分即辅助的或旁路的空气流38流动通过风扇14和风扇出口导叶40，然后通过一个环状风道42离开发动机42，其中辅助空气流38提供相当大的一部分发动机推力。
参阅图2，其中示出高压涡轮22的部分视图。高压涡轮22包括一个涡轮喷嘴组合件44和一个位在其后或下游的第一级涡轮转子(未在图2中示出)。涡轮喷嘴组合件44和涡轮转子在轴向上间隔开，从而在它们之间(即在涡轮转子的紧前面)形成一个前轮空腔45。该前轮空腔45在液流上与涡轮流动路径连通，灼热的燃烧气体流动通过该流动路径。
涡轮喷嘴组合件44包括一个内喷嘴支承46，其上装有多个沿圆周邻接的喷嘴弓形体48。这些弓形体48集合形成一个完整的360°组合件。第一弓形体48都有两个或更多的在圆周上间隔开的导叶50(有一个在图2中示出)，燃烧气体就在其上流过。导叶50被这样设计使能将燃烧气体最优地导引到第一级涡轮转子上。内喷嘴支承46为一合适地支承在发动机10内的固定件并具有一个基本为圆锥的形状。喷嘴弓形体48被装在内喷嘴支承46的轴向和径向的远端上。涡轮喷嘴组合件44还包括一个固定件52，该固定件52被固紧在内喷嘴支承46靠近其轴向和径向的远端制出的一个向内延伸的突缘53上。虽然图中所示为一分开的零件，但该固定件52也可与内喷嘴支承46制成一个整体。内喷嘴支承46和固定件52形成一个位在它们之间的沿轴向的小室54。
固定件52为一大致成环状的结构，它有一个外突缘56、一个内突缘58、和一个在径向上设置在外突缘56和内突缘58之间的导引器60。外突缘56是在一个突缘臂61上制出，突缘臂61呈环状并形成一个沿轴向延伸、基本上为圆筒形的表面。如同图2中箭头A所示，冷却用空气(典型地为从压缩机18分流来的空气)流动通过在内喷嘴支承46上制出的一系列空气孔62进入到小室54内。导引器60将其中一些空气加速并将它导引到与位在涡轮喷嘴组合件44后面的涡轮转子成切线方向。导引器60典型地具有设置在圆周上的导叶阵列，能够控制空气流的切线速率和方向使它基本上与涡轮转子上的相等。
发动机10还包括一个环状旋转件64，它被固定得可随着涡轮转子旋转。旋转件64与固定件52接触，形成一个外部前密封件66用来密封从压缩机输出中为冷却目的而分流出来的空气使它与涡轮流动路径内的灼热燃气隔离。最好这个前外密封66是一个旋转迷宫式的密封，它包括在旋转件64上连结着的、或整体制出的多个瘦小的齿状突起68。这些突起68为沿径向朝外向突缘臂61伸出的环状件。该迷宫式密封66还包括一个连结在突缘臂61上的环状定子元件70，它被设置在齿状突起68的径向之外并在圆周上包围齿状突起68。
现在转到图3，可见定子元件70的径向外表面是通过一块环状支撑板71安装在突缘臂61上。定子元件70的径向内表面是层叠结构。每一齿状突起68在轴向上都与定子元件70的一个相应的叠层对准。所谓“在轴向上对准”，意思是说，每一齿状突起68在轴向上都位在相应叠层的前边和后边之间。每一突起68都是在定子元件70上相应内圆周的微小的公差内旋转，从而可在冷却用空气和涡轮流动路径内灼热燃气之间作出密封。定子元件70最好由蜂窝材料制成，以便在运转时减少摩擦力及由此而产生的热。虽然图2所示为三个突起68，但应注意本发明并不限于三个，多于或少于三个突起都可使用。
参阅图3-5，其中示出的旁通回路72可供空气从小室54流动到前轮空腔45，从而可使突缘臂61和外突缘56较快地加热，这样便可减少其热梯度。通过旁通回路72的空气流还能清洗前轮空腔45，从而可防止灼热燃气吸入。在所示实施例中，该旁通回路72具有在突缘臂61的径向内表面78上制出的第一和第二沟道74和76，支撑板71就装在这个表面78上。第一和第二沟道74和76都环绕突缘臂61的整个圆周延伸，从而形成连续的环状沟道。沟道74和76在轴向上互相间隔开，第一沟道74位在突缘臂61的前端附近，而第二沟道76位在突缘臂61的后端附近。旁通回路72还包括多条在径向内表面78上制出的并在突缘臂61的圆周上等距间隔开的连接槽80。连接槽80沿轴向在第一和第二沟道74和76之间延伸使空气可从第一沟道74流到第二沟道76。
旁通回路72还包括设在突缘臂61的圆周上等距间隔开的多条进口通道82。每条进口通道82都沿径向通过突缘臂61从突缘臂61的径向外表面86上制出的进入口84延伸到第一沟道74。这样进口通道82就在小室54和第一沟道74之间建立起液流的连通。进口通道也可不沿径向，只要它能在小室54和第一沟道74之间建立起液流的连通即可。进口通道82的数目和大小应被这样选定使它能起显著作用以便将通过旁通回路72的空气流控制到所需的数量。还有多条在突缘臂61的径向内表面78上制出并在圆周上等距间隔开的出口槽88。每一条出口槽88都沿轴向从第二沟道76延伸到突缘臂61的后端以便在突缘臂61的后端面92上形成一个输出口90。这样出口槽88就可通过第二沟道76和连接槽80与第一沟道74在液流上连通。虽然出口槽88以及连接槽80都能基本上与中心轴线12平行，但最好与圆周方向成斜角以便缩小流动转弯损失并使空腔清洗空气预打旋，这样可以减少空腔的空气阻力和空气的绝对温度。
应该注意到本发明并不限于使用两条环状沟道。环状沟道和相应配套的连接槽的数目还可增加。另外，旁通回路也可被设计成只用一条环状沟道。在这情况下，在突缘臂上可制出多条进口通道以便在液流上与该单一的环状沟道连通。在突缘臂上可制出多条出口槽使它从单一的环状沟道延伸到突缘臂的后端。在这实施例中，连接槽可不再需要。
旁通回路的这种构形相对于传统的旁通回路而言可以简化机加工。明确地说，两条圆周上的沟道74和76可用车床加工出，而斜交的连接槽80和出口槽88可用球铣床铣出。这样可以提供一个较大的圆角半径从而可减少突缘臂61内的应力集中。连接槽80和出口槽88所形成的圆角半径一般可大于槽的深度。在有一个实施例中，槽内的圆角半径约比槽深大出3-4倍。在旁通回路72被机加工后，可将支撑板78装到径向内表面78上，这样便可覆盖第一和第二沟道74和76、连接槽80和出口槽88。
在发动机运转时，空气通过进入口84进入到旁通回路72内。该空气通过进口通道82流动到第一沟道74内，然后通过连接槽80从第一沟道74流动到第二沟道76内，然后离开旁通回路72流入到出口槽内，再通过输出口90进入到前轮空腔45内。这种旁通回路72的几何形状可使较热的空气得到较均匀的分布，从而可将突缘臂61和外突缘56均匀地加热。
参阅图6-8，其中示出旁通回路72的另一个实施例。在这实施例中，旁通回路172具有的第一和第二沟道174和176是在支撑板171的径向外表面179上制出，该表面179被装在突缘臂161上。第一和第二沟道174和176都在支撑板171的整个圆周上延伸，从而形成连续的环状沟道。沟道174和176在轴向上互相间隔开，第一沟道174位在支撑板171的前端附近，而第二沟道176位在支撑板171的后端附近。该旁通回路172还包括在支撑板171的径向外表面179上制并在圆周上等距间隔开的多条连接槽180。该连接槽180基本上沿轴向在第一和第二沟道174和176之间延伸使空气能从第一沟道174流动到第二沟道176。
旁通回路172还包括多条在突缘臂161的圆周上等距间隔开的进口通道182。每一条进口通道182都从在突缘臂161的径向外表面186上制出的进入口184沿径向通过突缘臂161延伸到第一沟道174。还有多条在支撑板171的径向外表面179上制出并在圆周上等距间隔开的出口槽188。每一条出口槽188都从第二沟道176沿轴向延伸到支撑板171的后端以便在支撑板171的后端面上形成输出口190。这样出口槽188便可通过第二沟道176和连接槽180与第一沟道174在液流上连通。如同第一实施例，应该注意到本实施例并不限于两个环状沟道。环状沟道和相应配套的连接槽的数目也可增加。另外，旁通外路可被设计成只有一条单一的环状沟道。
虽然上面说明了本发明的具体实施例，但显然本行业的行家能据此作出各种修改而并不背离如所附权利要求书中限定的本发明的精神实质和范围。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮机部件(52)，包括：
一个具有一径向内表面(78)的环状突缘臂(61)；
在所说径向内表面(78)上制出的一第一沟道(74)；
至少一条穿过所说突缘臂(61)与所说第一沟道(74)成液流连通的进口通道(82)；及
至少一条在所说径向内表面(78)上制出与所说第一沟道(74)成液流连通的出口槽(88)。
2.权利要求1的部件(52)，其特征在于，还包括：
在所说径向内表面(78)上制出的第二沟道(76)，所说第二沟道(76)沿轴向与所说第一沟道(74)间隔开；及
至少有一条在所说径向内表面(78)上制出并在所说第一和第二沟道(74、76)之间延伸的连接槽(80)，其中所说出口槽(88)从所说第二沟道(76)沿轴向延伸。
3.权利要求2的部件(52)，其特征在于，所说第一和第二沟道(74、76)绕所说突缘臂(61)的整个圆周延伸。
4.权利要求2的部件(52)，其特征在于，所说第一沟道(74)处在所说第二沟道(76)之前。
5.权利要求2的部件(52)，其特征在于，所说连接槽(80)和所说出口槽(88)相对于圆周方向倾斜。
6.权利要求2的部件(52)，其特征在于，所说连接槽(80)和所说出口槽(88)分别限定一个深度和比深度大的圆角半径。
7.一种燃气涡轮机构，包括：
一个具有径向内表面的环状突缘臂(161)；
一个装在所说径向内表面上的环状支撑板(171)，所说支撑板(171)有一径向外表面(179)；
一条在所说径向外表面(179)上制出的第一沟道(174)；
至少有一条穿过所说突缘臂(161)与所说第一沟道(174)成液流连通的入口通道(182)；及
至少有一条在所说径向外表面(179)上制出与所说第一沟道(174)成液流连通的出口槽(188)。
8.权利要求7的部件，其特征在于，还包括
一条在所说径向外表面(179)上制出的第二沟道(176)，所说第二沟道(176)沿轴向与所说第一沟道(174)间隔开；及
至少一条在所说径向外表面(179)上制出并在所说第一和第二通道(174、176)之间延伸的连接槽(180)，其中所说出口槽(188)从所说第二沟道(176)沿轴向延伸。
9.权利要求8的部件，其特征在于，所说第一和第二沟道(174、176)绕所说支撑板(171)的整个圆周延伸。
10.权利要求8的部件，其特征在于，所说第一部件(174)处在所说第二沟道(176)之前。
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