CN1743646A - 用于冷却燃气涡轮发动机的转子组件的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

提供了一种装配燃气涡轮发动机(10)的转子组件的方法。该方法包括：提供包括翼型(60)、缘板(62)、叶柄(64)和燕尾(66)在内的第一转子叶片(40)，其中翼型从缘板中径向向外延伸，叶柄从缘板中径向向内延伸，而燕尾从叶柄中延伸出来；在叶柄的一部分内形成凹部(160)；利用燕尾将第一转子叶片连接到转子轴上；以及将第二转子叶片连接到转子轴上，使得在第一和第二转子叶片的叶柄之间形成了叶柄腔(128)，这样在工作期间，冷却空气可通过凹部进入到叶柄腔中并使其加压。

Description

用于冷却燃气涡轮发动机的转子组件的方法和装置
技术领域
本发明大体上涉及燃气涡轮发动机，更具体地涉及用于冷却燃气涡轮发动机的转子组件的方法和装置。
背景技术
至少一些已知的转子组件包括至少一排周向间隔的转子叶片。各转子叶片包括翼型，其包括在前缘和后缘处连接在一起的压力面和吸力面。各翼型从转子叶片的缘板(plateform)朝向叶尖径向向外地延伸，并且还包括燕尾，其从在缘板和燕尾之间延伸的叶柄中径向向内地延伸。燕尾用于将转子组件中的转子叶片与转子轮盘或转子卷轴相连。至少一些已知的叶片是中空的，使得至少部分地由翼型、缘板、叶柄和燕尾限定了内部的冷却腔。
在工作期间，因为叶片的翼型部分暴露在比燕尾部分更高的温度下，因此在翼型和缘板之间和/或在叶柄和缘板之间的界面处可能会形成温度梯度。随着时间的流逝，由这种温度梯度引起的热应力可能会诱发对叶片缘板的压缩热应力。此外，随着时间的流逝，缘板的增大工作温度可能导致缘板氧化、缘板破裂，和/或缘板的蠕动变形，这可能会缩短转子叶片的使用寿命。
为了便于减少高温在缘板区域中的影响，至少一些已知的成排转子叶片与转子轮盘相连，使得在相邻的叶片缘板之间形成了预定的间隙。该间隙使冷却空气泄漏，使其在缘板区域的附近循环。然而在已知的转子叶片中，这种间隙只能为转子叶片缘板提供有限的冷却。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种用于装配燃气涡轮发动机的转子组件的方法。该方法包括提供第一转子叶片，其包括翼型、缘板、叶柄和燕尾，其中翼型从缘板中径向向外延伸，叶柄从缘板中径向向内延伸，而燕尾从叶柄中延伸，在叶柄的一部分内形成凹部，利用燕尾将第一转子叶片连接到转子轴上，并将第二转子叶片连接到转子轴上，使得在第一和第二转子叶片的叶柄之间形成了叶柄腔，这样，在工作期间，冷却空气可通过凹部进入到叶柄腔中并使其加压。
在另一实施例中，提供了一种用于燃气涡轮发动机的转子叶片。该转子叶片包括缘板、从缘板中径向向外延伸的翼型、从缘板中径向向内延伸的叶柄，以及从叶柄中径向向内延伸的燕尾，其中叶柄的至少一部分是凹入的，以便于在发动机的工作期间增大提供给形成于所述叶柄附近的叶柄腔内的冷却空气的压力。
在又一实施例中，提供了一种燃气涡轮发动机的转子组件。该转子组件包括转子轴，以及多个周向隔开的与转子轴相连的转子叶片，其中各转子叶片均包括从缘板中径向向外延伸的翼型、从缘板中径向向内延伸的叶柄，以及从叶柄中延伸出来以将转子叶片连接到转子轴上的燕尾，各叶柄均包括一对相对的侧壁，其在上游侧壁和下游侧壁之间轴向地延伸，所述多个转子叶片是周向隔开的，从而在各对相邻的转子叶片之间形成了叶柄腔，转子叶片的叶柄的上游侧壁的至少一部分是凹入的，从而可在发动机的工作期间使叶柄腔加压。
附图说明
图1是燃气涡轮发动机的示意图；
图2是可用于图1所示燃气涡轮发动机中的转子叶片的放大透视图；
图3是图2所示转子叶片从其下方看去的放大的透视图；和
图4是显示了在连接到图1所示燃气涡轮发动机中时图2所示的转子叶片和其它的转子叶片之间的周向间隙的相对定位的正视图。
各幅图中的标号含义如下：10燃气涡轮发动机；12压缩机；14涡轮；16发电机；18轴；20燃烧室；22燃料；28燃气；30纵向轴线；40转子叶片；42侧面；48缘板间隙；60翼型；62缘板；64叶柄；66燕尾；70侧壁；72侧壁；74前缘；76后缘；78叶根；80叶尖；84腔；90裙边；92裙边；94压力面边缘；96吸力面边缘；120侧壁；124侧壁；126侧壁；128叶柄腔；130假翼(angel wing)；132假翼；134假翼；160部分；170槽
具体实施方式
图1是与发电机16相连的示例性燃气涡轮发动机10的示意图。在该示例性实施例中，燃气涡轮发动机10包括压缩机12、涡轮14，以及布置在一根整体式转子轴18上的发电机16。在另一实施例中，轴18分成多个轴段，其中各轴段都与相邻的轴段相连而形成了轴18。压缩机12为燃烧室20提供压缩空气，空气在燃烧室中与提供到其中的燃料22混合。在一个实施例中，发动机10是可从美国南卡罗来纳州Greenville的通用电气公司中买到的7FA+e型燃气涡轮发动机。
在工作中，空气流经压缩机12，并将压缩后的空气提供给燃烧室20。来自燃烧室20的燃气28推动涡轮14。涡轮14使轴18、压缩机12和发电机16围绕纵向轴线30旋转。
图2是可用于燃气涡轮发动机10(图1所示)中的转子叶片40从其第一侧面42看去的放大透视图。图3是转子叶片40从其下面看去的放大透视图。图4是正视图，显示了在将叶片40连接到转子组件如涡轮14(图1所示)中时在周向相邻的转子叶片40之间所形成的周向间隙的相对定位。在该示例性实施例中，叶片40已被改进成包括了本文所介绍的特征。更具体地说，当将转子叶片40连接到转子组件中时，在周向相邻的转子叶片40之间形成了预定的缘板间隙48。
当连接到转子组件中时，各转子叶片40都与转子轮盘(未示出)相连，而转子轮盘可旋转地与转子轴如轴18(图1所示)相连。在另一实施例中，叶片40安装在转子卷轴(未示出)中。在该示例性实施例中，周向相邻的叶片40是相同的，各叶片从转子轮盘中径向向外延伸，并包括翼型60、缘板62、叶柄64以及燕尾66。在该示例性实施例中，翼型60、缘板62、叶柄64和燕尾66一起称为叶片。
各翼型60包括第一侧壁70和第二侧壁72。第一侧壁70是凸出的，形成了翼型60的吸力面，而第二侧壁72是凹入的，形成了翼型60的压力面。侧壁70和72在翼型60的前缘74和轴向隔开的后缘76处连接在一起。更具体地说，翼型后缘76与翼型前缘74弦向地分隔开，并且位于其下游。
第一侧壁70和第二侧壁72分别纵向地或径向向外地从位于缘板62附近的叶根78处横跨式延伸到叶尖80。叶尖80限定了内部冷却腔84的径向外边界，该内部冷却腔84形成于叶片40中。更具体地说，内部冷却腔84限界在翼型60内的侧壁70和72之间，并穿过缘板62和叶柄64而延伸到燕尾66中。
缘板62在翼型60和叶柄64之间延伸，使得各翼型60均从各相应的缘板62中径向向外地延伸。叶柄64从缘板62中径向向内地延伸到燕尾66处，而燕尾66从叶柄64中径向向内地延伸，从而便于将转子叶片40和44固定到转子轮盘中。缘板62还包括上游侧面或裙边90以及下游侧面或裙边92，它们与压力面边缘94和相反的吸力面边缘96连接在一起。当将转子叶片40连接到转子组件中时，在相邻的转子叶片缘板62之间形成了缘板间隙48，故称为缘板间隙。
叶柄64包括大致凹入的侧壁120和大致凸出的侧壁(未示出)，它们在叶柄64的上游侧壁124处和下游侧壁(未示出)处相连在一起。因此，叶柄侧壁120相对于上游侧壁124和下游侧壁126是凹入的，这样，当将叶片40连接到转子组件中时，在相邻转子叶片的叶柄64之间就形成了叶柄腔128。
在该示例性实施例中，前假翼130和后假翼132均从相应的叶柄侧面124和126中向外延伸，以便于密封形成于转子组件中的前、后假翼的缓冲腔(未示出)。另外，前下方假翼134也从叶柄侧壁124处向外延伸，以便于叶片40和转子轮盘之间的密封。更具体地说，前下方假翼134从叶柄64中在燕尾66和前假翼130之间向外延伸。
为了便于增大叶柄腔128中的压力，在该示例性实施例中，可以改进叶柄侧壁124，以使其包括从前下方假翼134处径向向内而形成的凹入部分或扇形部分160。凹入部分160的尺寸和方位设置成允许有预定量的冷却气流进入到叶柄腔中。在该示例性实施例中，凹入部分160基本上平行于纵向轴线30。因此，当将相邻的转子叶片40连接到转子组件中时，凹入部分160可使额外的冷却气流进入到叶柄腔128中，以便于增大叶柄腔128中的工作压力。同样，凹入部分160也便于利用缘板间隙48来保持用于冷却缘板的足够的回流余量(back flow margin)。
通常来说，在发动机的工作期间，叶片压力面42总是在比转子叶片吸力面44更高的温度下工作。通过叶柄侧壁的凹入部分160而进入到叶柄腔128中的冷却空气促进了在叶柄腔128中保持足够的回流余量，使得叶柄腔128中的至少一部分冷却空气可以通过缘板底切吹洗槽170和缘板间隙48而被引导。当冷却空气受压而向外穿过槽170和缘板间隙48时，缘板62就被对流式冷却，从而促进了缘板62的工作温度的降低，并因此也降低了在缘板62中引发的热应力。
上述转子叶片提供了一种用于提供冷却空气以便于降低转子叶片缘板的工作温度的成本效率合算且可靠的方法。更具体地说，通过冷却气流，便于降低在缘板内引发的热应力，并且便于降低缘板的工作温度。因此，还便于降低缘板的氧化，缘板的破裂以及缘板的蠕动变形。结果，转子叶片的冷却回路便于延长转子组件的使用寿命，并以成本效率合算且可靠的方式提高了燃气涡轮发动机的工作效率。
上面已经详细地介绍了转子叶片和转子组件的示例性实施例。转子叶片并不局限于这里所介绍的特定实施例，相反，各转子叶片的部件可单独地和独立于这里所介绍的其它部件地来使用。举例来说，各转子叶片的冷却回路部件也可结合其它的转子叶片来使用，并不仅限于用这里介绍的转子叶片40来实施。相反，可以结合许多其它的叶片和冷却回路结构来实现和使用本发明。
虽然已经针对各种特定实施例来介绍了本发明，然而本领域的技术人员应当理解，在不脱离权利要求的精神和范围的条件下，可通过修改来实施本发明。

Claims (10)

1.一种用于装配燃气涡轮发动机(10)的转子组件的方法，所述的方法包括：
提供包括翼型(60)、缘板(62)、叶柄(64)和燕尾(66)在内的第一转子叶片(40)，其中所述翼型从所述缘板中径向向外延伸，所述叶柄从所述缘板中径向向内延伸，而所述燕尾从所述叶柄中延伸出来；
在所述叶柄的一部分内形成凹部(160)；
利用所述燕尾将所述第一转子叶片连接到转子轴(18)上；和
将第二转子叶片连接到所述转子轴上，使得在所述第一和第二转子叶片的叶柄之间形成了叶柄腔(128)，这样，在工作期间，冷却空气可通过所述凹部进入到所述叶柄腔中并使其加压。
2.根据权利要求1所述所述的方法，其特征在于，所述将第二转子叶片连接到转子轴上包括，将所述第二转子叶片连接到所述转子轴上，使得在所述第一和第二转子叶片的缘板之间形成了预定的缘板间隙(48)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将第一转子叶片连接到转子轴上还包括，将所述第一转子叶片连接到所述转子轴上，使得在工作期间，冷却空气可从所述叶柄腔中通过形成在至少一部分缘板内的吹洗槽(170)而被引导。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将第一转子叶片连接到转子轴上还包括，将所述第一转子叶片连接到所述转子轴上，使得在工作期间，所述叶柄腔通过经凹入部分进入到所述叶柄腔中的气流而被加压，所述凹入部分从假翼(134)中径向向外地形成，所述假翼从所述转子叶片叶柄的上游侧面(124)中向外延伸。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将第一转子叶片连接到转子轴上还包括，将所述第一转子叶片连接到所述转子轴上，使得在工作期间，所述叶柄腔通过经形成于所述假翼和燕尾之间的凹入部分进入到所述叶柄腔中的气流而被加压。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将第一转子叶片连接到转子轴上还包括，将所述第一转子叶片连接到所述转子轴上，使得在工作期间，所述叶柄腔通过经形成于所述叶柄压力面中的凹入部分进入到所述叶柄腔中的气流而被加压。
7.一种用于改进燃气涡轮发动机(10)的转子叶片(40)的方法，其中所述叶片包括翼型(60)、缘板(62)、叶柄(64)和燕尾(66)，所述翼型从所述缘板中径向向外延伸，所述叶柄从所述缘板中径向向内延伸，而所述燕尾从所述叶柄中延伸出来，所述方法包括：
在限定了所述叶柄的侧壁(124)的至少上游部分中形成凹部(160)；和
在所述缘板的至少一部分内形成吹洗槽(170)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在侧壁的至少一部分上游部分中形成凹部包括，将所述凹部的尺寸制成为使得在发动机的工作期间可在所述叶柄腔内保持预定的回流余量。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在侧壁的至少一部分上游部分中形成凹部包括，将所述凹部形成为使得在将所述叶片安装到所述转子上时，所述凹部定向成基本上平行于所述转子轴的纵向轴线(30)。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述缘板的至少一部分径向内表面中形成吹洗槽。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20060308