專利名稱：具有氣體流的增強(qiáng)抑制特征的定子-轉(zhuǎn)子組件及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通過政府支持根據(jù)由能源部提供的合同號DE-FC26-05NT42643做出。政府在本發(fā)明中具有 定權(quán)益。本發(fā)明總體涉及渦輪機(jī)的改善，諸如渦輪發(fā)動機(jī)。更具體地，本發(fā)明涉及用于減少進(jìn)入燃?xì)鉁u輪機(jī)的定子-轉(zhuǎn)子組件內(nèi)選定區(qū)域的氣體(例如熱氣體)流的方法和物品。
背景技術(shù)：
大部分渦輪發(fā)動機(jī)的典型設(shè)計在本領(lǐng)域是公知的。它們包括用于壓縮與燃料混合的空氣的壓縮機(jī)。燃料-空氣混合物在附接的燃燒器中點燃，以產(chǎn)生燃燒氣體。在現(xiàn)代發(fā)動機(jī)中可在大約1100到2000°C范圍內(nèi)的熱的加壓氣體被允許通過渦輪噴嘴膨脹，噴嘴引導(dǎo)流使附接的高壓渦輪旋轉(zhuǎn)。渦輪常與轉(zhuǎn)子軸聯(lián)接，以驅(qū)動壓縮機(jī)。核心氣體然后離開高壓渦輪，從而向下游提供能量。該能量呈由附接的低壓渦輪級提取的附加旋轉(zhuǎn)能的形式，和/或呈通過排放噴嘴的推力的形式。在典型的情況下，通過將熱的燃燒氣體沖擊在一個或更多葉片轉(zhuǎn)子組件上，燃燒器內(nèi)產(chǎn)生的熱能被轉(zhuǎn)換成渦輪機(jī)內(nèi)的機(jī)械能。(本領(lǐng)域技術(shù)人員理解用詞“葉片”常為用于航空渦輪機(jī)的詞匯的一部分，而用詞“輪葉”典型地在描述用于陸基渦輪機(jī)的相同類型部件時使用。)轉(zhuǎn)子組件常包括至少ー排周向隔開的轉(zhuǎn)子葉片。各轉(zhuǎn)子葉片均包括翼型件，翼型件包括壓カ側(cè)和吸カ側(cè)。各翼型件均從轉(zhuǎn)子葉片平臺徑向向外延伸。各轉(zhuǎn)子葉片還均包括燕尾榫，燕尾榫從柄部徑向向內(nèi)延伸，柄部在平臺和燕尾榫之間延伸。燕尾榫用于在轉(zhuǎn)子組件內(nèi)將轉(zhuǎn)子葉片安裝到轉(zhuǎn)子盤或軸筒上。轉(zhuǎn)子形成定子-轉(zhuǎn)子組件的一部分。轉(zhuǎn)子組件上轉(zhuǎn)子葉片的排以及定子組件上定子導(dǎo)葉的排交錯跨越用于使燃燒氣體“工作”的軸向定向的流徑而延伸。離開定子元件的導(dǎo)葉的熱燃燒氣體的射流作用在渦輪葉片上，并導(dǎo)致渦輪葉輪在大約3000-15000rpm的速度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，其取決于發(fā)動機(jī)的類型。(再一次，在平行術(shù)語學(xué)中，定子元件，即當(dāng)渦輪以高速旋轉(zhuǎn)時保持靜止的元件，在本領(lǐng)域中也可稱為“噴嘴組件”。)如以下描述的圖中所繪，在定子元件和葉片或輪葉之間的界面處的開ロ可允許熱的核心氣體離開熱氣體路徑并進(jìn)入渦輪發(fā)動機(jī)的葉輪空間。為了限制熱氣體的此泄漏，葉片結(jié)構(gòu)典型地包括軸向突出的天使翼密封件。根據(jù)ー種典型設(shè)計，天使翼與從鄰近定子元件即噴嘴延伸的突出的節(jié)段或“阻礙件”協(xié)作。天使翼與阻礙件重疊(或近乎重疊)，但彼此不接觸，從而限制氣體流。當(dāng)使用此類密封件時，在噴嘴和渦輪葉片的鄰近區(qū)域之間，例如在鄰近天使翼-阻礙件突出之間的界面處保留間隙。間隙的存在是可以理解的，即，在靜止和旋轉(zhuǎn)部件的匯合處需要間隔。然而，該間隙仍然提供了可允許熱的核心氣體離開熱氣體路徑進(jìn)入渦輪發(fā)動機(jī)的葉輪空間區(qū)域的路徑。通過此通路的熱氣體的泄漏由于多種原因而是不利的。首先，來自工作氣體流的熱氣體損失導(dǎo)致從渦輪發(fā)動機(jī)可獲取的能量上的相應(yīng)損失。第二，熱氣體進(jìn)入渦輪機(jī)葉輪空間以及其他空腔的吸入會損壞未設(shè)計用于長時間暴露于此類溫度下的部件，諸如噴嘴結(jié)構(gòu)支架和轉(zhuǎn)子葉輪。過去已經(jīng)嘗試使來自工作氣體流的熱氣體的泄漏最小化。這些嘗試有時包括使用冷卻劑空氣，即“吹掃空氣”，如美國專利5，224，822中所述(Lenehan等)。在ー種典型設(shè)計中，空氣可轉(zhuǎn)向或從壓縮機(jī)“泄放”，并用作用于渦輪機(jī)冷卻回路的高壓冷卻空氣。因此，冷卻劑空氣是輔助 流動回路的一部分，輔助流動回路可總體被引導(dǎo)穿過葉輪空間空腔和其他內(nèi)部區(qū)域。在ー個特殊實例中，冷卻劑空氣可排放至轉(zhuǎn)子/定子界面。以這種方式，冷卻劑空氣可起作用以將某些發(fā)動機(jī)部件的溫度維持在可接受極限以下。此外，當(dāng)冷卻劑空氣被從葉輪空間區(qū)域引入之前所述的其中ー個間隙中時，其可用于附加的特定功能。進(jìn)入間隙的冷卻劑空氣的此逆流提供了對于離開該間隙并進(jìn)入葉輪空間區(qū)域的熱氣體的不期望的流動提供了附加的阻礙。雖然來自輔助流動回路的冷卻劑空氣由于上述原因而是非常有益的，但也有與其使用相關(guān)的缺點。例如，為了高壓冷卻以及空腔吹掃空氣從壓縮機(jī)吸取空氣消耗了來自渦輪的功，并且在發(fā)動機(jī)性能方面會非常浪費。此外，在一些發(fā)動機(jī)構(gòu)造中，壓縮機(jī)系統(tǒng)在至少ー些發(fā)動機(jī)功率設(shè)定期間可能不能以足夠的壓カ提供吹掃空氣。因此，熱氣體仍然將被吸入葉輪空間空腔。用于使來自燃?xì)鉁u輪機(jī)的工作氣體流的熱氣體的泄漏最小化的另ー項技術(shù)在美國專利6，481，959 (Morris等)中進(jìn)行了描述。此專利描述了補(bǔ)充空氣冷卻系統(tǒng)的使用，以抑制熱氣體進(jìn)入渦輪盤空腔的各種周向區(qū)域的吸入，例如，間隙和葉輪空間區(qū)域。Morris等的專利中的系統(tǒng)包括多個吸氣抑制動態(tài)射流孔ロ，其位于渦輪噴嘴的后緣的下側(cè)上。盡管在Morris等的專利中描述的概念可能適合于ー些情形，但也有與其相關(guān)的缺點。例如，空氣冷卻系統(tǒng)可能需要空氣從壓縮機(jī)轉(zhuǎn)向，并且這會危及發(fā)動機(jī)性能，如之前所提及的那樣。此外，似乎在該系統(tǒng)中使用的空氣射流必須產(chǎn)生大于移動進(jìn)入間隙以及葉輪空間的熱氣體的氣流動量，以便抑制此類移動。此類系統(tǒng)將顯得需要復(fù)雜的設(shè)計，尤其是如果冷卻空氣的量需要被最小化的話。由于此討論，應(yīng)該明顯的是，用于減少從熱氣體流動路徑進(jìn)入渦輪發(fā)動機(jī)或其它類型的渦輪機(jī)內(nèi)不期望的區(qū)域的新的、相對簡單的技術(shù)在本領(lǐng)域?qū)⑹鞘軞g迎的。此外，減少典型地需要用來減少熱氣體泄漏的冷卻和空腔吹掃空氣流本身將具有其他重要的益處。例如，更高的核心空氣流量將是可能的，從而增加在熱氣體流動路徑中可獲得的能量。設(shè)計用來達(dá)成這些目標(biāo)的任何創(chuàng)新必須依然遵守對于渦輪發(fā)動機(jī)或其他類型渦輪機(jī)的主要設(shè)計要求。通常，必須保持總體發(fā)動機(jī)效率和整體性。對發(fā)動機(jī)或發(fā)動機(jī)內(nèi)的具體特征的任何改變必須不干擾或負(fù)面地影響總體熱氣體和冷卻劑空氣流場。此外，所設(shè)想的改善不應(yīng)涉及制造步驟或這些步驟上的改變，它們是耗時而不經(jīng)濟(jì)的。另外，改善應(yīng)適于發(fā)動機(jī)構(gòu)造上的不同設(shè)計，例如不同類型的定子-轉(zhuǎn)子組件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實施例涉及定子-轉(zhuǎn)子組件，其包括具有后緣的至少ー個周向端壁，后緣包括空腔圖案。在一些實施例中，定子-轉(zhuǎn)子組件包括定子的表面和轉(zhuǎn)子的表面之間的至少ー個界面區(qū)域。這些表面由間隙隔開。定子是包括內(nèi)周向端壁和外周向端壁的噴嘴或?qū)~；且各端壁相對于熱氣體流動路徑均包括至少ー個前緣和ー個后緣。內(nèi)周向端壁的后緣包括空腔圖案，空腔能夠妨礙熱氣體進(jìn)入鄰接定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙的葉輪空間區(qū)域。另ー個實施例涉及渦輪機(jī)。渦輪機(jī)包括至少ー個定子-轉(zhuǎn)子組件，具有界面區(qū)域，界面區(qū)域帶有被至少ー個間隙隔開的表面，如上文所述。在至少ー個端壁上的后緣包括空腔圖案，空腔能夠妨礙熱氣體進(jìn)入葉輪空間區(qū)域，如上文所述以及以下進(jìn)ー步細(xì)節(jié)描述的那樣。ー個另外的實施例涉及ー種用于限制穿過渦輪機(jī)中定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙的熱氣體的流的方法。如本文所述，定子是包括內(nèi)周向端壁和外周向端壁的噴嘴或?qū)~；且各端壁相對于氣體流動路徑均包括至少ー個前緣和ー個后緣。該方法包括在定子部件的內(nèi)端壁的后緣的至少一部分上形成空腔的圖案的步驟?？涨痪哂凶阋苑恋K熱空氣進(jìn)入鄰接定子和 轉(zhuǎn)子之間的空隙的葉輪空間區(qū)域的形狀和尺寸。


圖I是燃?xì)鉁u輪機(jī)的一部分的橫截面的示意性圖示。圖2是圖I的橫截渦輪部分的放大視圖。圖3是圖I的橫截渦輪部分的另ー放大視圖。圖4是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的定子-轉(zhuǎn)子組件的一部分的端壁區(qū)域的透視圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的定子-轉(zhuǎn)子組件的一部分的端壁區(qū)域的另一透視圖。圖6是包括空腔的端壁表面的部分側(cè)正視圖。圖7是端壁表面內(nèi)的空腔的頂視透視圖。圖8是包括空腔的端壁表面的另一部分側(cè)正視圖。圖9是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的端壁表面內(nèi)的空腔的另ー頂視透視圖。圖10是根據(jù)本發(fā)明的其他實施例的端壁表面內(nèi)的空腔的頂視透視圖。圖11是根據(jù)本發(fā)明的另外實施例的端壁表面內(nèi)的空腔的頂視透視圖。圖12是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的定子-轉(zhuǎn)子組件的一部分的更改后端壁區(qū)域的透視圖。圖13是根據(jù)本發(fā)明實施例的更改后端壁區(qū)域的另一透視圖。圖14是定子-轉(zhuǎn)子組件的ー個區(qū)域中用于熱氣體流、吹掃流以及流干渉的數(shù)字預(yù)測的計算機(jī)輔助模型的描繪。
具體實施例方式圖I是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的一部分的示意性圖示，總體用數(shù)字10標(biāo)示。發(fā)動機(jī)包括軸向隔開的轉(zhuǎn)子葉輪12和間隔件14，通過多個周向隔開、軸向延伸的螺栓16彼此連接。渦輪機(jī)包括具有噴嘴的不同的級，例如第一級噴嘴18和第二級噴嘴20，其包括多個周向隔開的定子葉片。多個轉(zhuǎn)子葉片或輪葉位于噴嘴之間并隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，分別圖示了第一和第二級轉(zhuǎn)子葉片22和24。
各轉(zhuǎn)子葉片，例如葉片22，均包括安裝在柄部25上的翼型件23，柄部包括平臺26。(在此沒有具體描述轉(zhuǎn)子葉片的ー些其他詳細(xì)特征，但可在不同的來源例如美國專利6，506，016 (Wang)中找到，其通過引用結(jié)合在本文中。)柄部25包括燕尾榫27，用于與形成在轉(zhuǎn)子葉輪12上的對應(yīng)燕尾榫槽連接。葉片或輪葉22包括軸向突出的天使翼33，34，50和90 (有時稱為“天使翼密封件”)，如圖I中描繪。天使翼典型地與葉片整體鋳造。如之前所述的，它們通常處于與“陸地”或阻礙件36和64相対的位置，阻礙件分別從鄰近的噴嘴20和18突出。作為ー個示例，阻礙件64顯示為相對于天使翼90處于相對、重疊的位置。此類型的渦輪機(jī)中的熱氣體路徑總體由箭頭38指示。應(yīng)該理解的是這些圖中所述的表面和其他特征有時根據(jù)熱氣體流的方向提及。例如，特征的“前”緣常指與熱氣體發(fā)生初始接觸的區(qū)域，而“后”緣指下游區(qū)域。
圖2是圖I中所繪的發(fā)動機(jī)的一部分的放大視圖，且重點在特征為第一級噴嘴(定子)18和第一級轉(zhuǎn)子葉片22的總體區(qū)域。(該區(qū)域可稱為“定子-轉(zhuǎn)子組件”，在圖中標(biāo)示為元件21)。噴嘴18包括阻礙件58和徑向面60，以及下阻礙件面62。從圖2很明顯的是噴嘴18和葉片22的ー些部分在界面區(qū)域92中彼此面對。面對的表面由至少ー個間隙隔開(此處示出了兩個間隙，如以下所述)。因此，上間隙76通常位于下阻礙件面62和天使翼末梢74之間。下間隙77通常位于阻礙件64的下表面69和天使翼90的末梢91之間。在此實例中，間隙76和77總體限定緩沖空腔80，并提供了軸向間隙78和渦輪發(fā)動機(jī)的“內(nèi)部”區(qū)域例如葉輪空間區(qū)域82之間的通路。用語“界面區(qū)域”在本文用來描述具有受限尺寸的總體區(qū)域，其包括間隙76和77，以及噴嘴18和葉片22的周圍部分。為了總體圖示的目的，圖2中界面區(qū)域92顯示為由虛線邊界線94和96為界。界面區(qū)域的確切邊界將部分地隨定子-轉(zhuǎn)子組件的特定設(shè)計而變化。其中限定典型界面區(qū)域的一個示例性方式將取決于轉(zhuǎn)子葉片22的長度(圖2中視為“高度”)。因此，如果熱氣體路徑38內(nèi)的葉片22的高度被示出為“H”，界面區(qū)域(上邊界線94)可估計為從平臺26延伸直至高度H的大約10%。在定子-轉(zhuǎn)子組件的“內(nèi)部”區(qū)域方面(即對于下邊界線96)，界面區(qū)域可估計為在最內(nèi)部阻礙件即下天使翼90的最下面部分以下延伸相同的長度(H的大約10% )。(邊界線96因而將總是跨越葉輪空間區(qū)域82延伸，以包括定子上的最低阻礙件，即圖2中的阻礙件64。)界面區(qū)域?？杀环Q為“流限制”區(qū)域。根據(jù)正常的發(fā)動機(jī)操作，燃燒氣體沿著熱氣體路徑38被引入發(fā)動機(jī)，向后流過定子-轉(zhuǎn)子組件21，繼續(xù)穿過發(fā)動機(jī)中的其他定子-轉(zhuǎn)子組件。(技術(shù)上，燃燒氣體在此階段應(yīng)該被稱為“后燃燒”。此外，應(yīng)該理解的是“熱氣體”常為氣體的混合物。雖然該混合物常由后燃燒氣體占主導(dǎo)，但其也可包括各種冷卻劑噴射以及冷卻劑流，例如來自噴嘴18和/或來自冷卻劑空氣流98，如下文所述。)當(dāng)熱氣體流進(jìn)入軸向間隙78時，熱氣體流的一部分(虛線箭頭37)可能通過上間隙76選出并流入緩沖空腔80。(在可能非常罕見的ー些極端情況下，熱氣體可繼續(xù)移動穿過下間隙77并進(jìn)入葉輪空間區(qū)域82。)如上所述，由箭頭98所示的冷卻劑空氣常從壓縮機(jī)(未示出)泄放，并被從發(fā)動機(jī)的內(nèi)部區(qū)域(例如葉輪空間82)引入緩沖空腔80，以抵消熱氣體的泄漏。之前描述了有時存在于此類氣體流徑系統(tǒng)中的不足。
圖3是圖I和圖2中為特征的端壁區(qū)域100的放大視圖。表面102可認(rèn)為是第一級噴嘴18的“平臺”，但在此處引為內(nèi)周向端壁104的頂面。表面102的后緣部分106常終止并形成具有徑向面60的相對尖銳的后緣108，如圖中所示。(如本領(lǐng)域技術(shù)人員理解的，此區(qū)域可設(shè)有ー個或更多保護(hù)性涂層)。圖4是非常類似于圖3中所示的端壁區(qū)域的另ー個視圖，并呈現(xiàn)了常規(guī)定子-轉(zhuǎn)子組件的一部分。圖4取自描繪端壁104的上表面區(qū)域102和106的透視圖。該圖也描繪了由表面106和徑向面60的匯合處形成的沿噴嘴18的寬度尺寸110延伸的相對尖銳的后緣108?？雌饋泶思怃J后緣促進(jìn)了剪切層的形成，其源自熱氣體路徑中高速流與葉輪空間中相對低速流的相互作用。剪切層可能是不穩(wěn)定的，從而導(dǎo)致進(jìn)出葉輪空間區(qū)域的大流量波動。(應(yīng)該理解的是，在本發(fā)明的一些實施例中，空腔也可放置在旋轉(zhuǎn)部件的周向端壁上，例如，在有時也稱為“葉片平臺”的位置。這些部件也可認(rèn)為是渦輪機(jī)中定子-轉(zhuǎn)子組件的一部分)。
繼續(xù)參考圖4 (以及圖5，如下所述)，后緣108的至少一部分設(shè)有空腔圖案?？涨荒軌蜃璧K熱氣體進(jìn)入鄰接定子18和轉(zhuǎn)子葉片22之間的間隙的葉輪空間區(qū)域82。盡管發(fā)明人并不希望限于對于此現(xiàn)象的任何特定理論，但似乎由空腔的存在導(dǎo)致的更改的邊緣表面抑制了否則將在溝槽空腔上、端壁104的后部(圖4)形成的剪切層不穩(wěn)定性。以此方式，似乎大的流量波動可分成較小(且較弱)的剪切層，其對于進(jìn)入葉輪空間區(qū)域的氣體流具有較少的影響。此類不穩(wěn)定性的抑制似乎在此特定區(qū)域中尤其明顯，在此處在端壁上高速下的熱氣體的流動以相對高的角度發(fā)生，而不是垂直于間隙76發(fā)生。如文中所用，用詞“空腔”意味著包括各種凹陷、凹ロ、通道、凹槽、凹窩、坑或任何其他類型的離散下陷孔。在一些優(yōu)選實施例中，各空腔均具有彎曲的內(nèi)表面。如下文所述，空腔可具有沿至少ー個尺寸漸縮的深度。圖5描繪了類似于圖4中的邊緣部分106的后緣120。后緣120包括端壁表面130內(nèi)的空腔圖案122，每個都呈部分圓錐形。各圓錐形(其也可表征為“凹槽”)的深度和彎曲程度可極大地變化，如以下討論的那樣。在一些優(yōu)選實施例中，空腔122的深度是漸縮的。例如，漸縮可從位于端壁126的后部或“尾”部最靠近間隙的相對寬的開ロ 124延伸至相對窄的頂部部分128，其常與表面130齊平。頂部部分在開ロ 124的上游(相對于氣流38)，并沿著端壁126的表面130進(jìn)ー步延伸?？涨怀?雖然不總是)相對于以下討論的長度尺寸彼此平行。此外，在大多數(shù)實施例中，空腔可認(rèn)為是相對于熱氣流的方向延長的。圖6是其中一個空腔122(圖5)的橫截面圖示，但意圖提供關(guān)于對于不同形狀的各種空腔可能的深度的引導(dǎo)。在圖6中，深度“D”代表端壁126內(nèi)空腔的深度。該深度可以變化相當(dāng)大，與最優(yōu)深度的選擇相關(guān)的因素包括空腔上氣流的類型和速度(以ー個或更多流)；氣流應(yīng)該被限制或以其它方式擾亂的程度；空腔位于其上的定子和/或轉(zhuǎn)子表面的形狀和尺寸；空腔形成的方式；以及局部定子-轉(zhuǎn)子間隙區(qū)域的尺寸。典型地(盡管并非總是)，與航空渦輪機(jī)中的那些空腔相比，空腔的絕對深度對于用于陸基渦輪機(jī)中的噴嘴/定子將更大?？涨簧疃菵常為圖5中所示的端壁深度(“EWD”)的大約10%到大約80%的范圍。在一些優(yōu)選實施例中，深度為端壁深度的大約20%到大約50%，而在其它優(yōu)選實施例中，深度為端壁深度(“EWD”)的大約30%到大約70%?？涨坏膶挾仍谄渥顚挸叽缣帲槠渖疃鹊拇蠹s50%到大約200% ;且在一些實例中，為其深度的大約100%到大約150%。在一些實例中，對于陸基渦輪機(jī)空腔深度的典型范圍將在大約Imm到大約3mm的范圍內(nèi)。在航空渦輪機(jī)的情況下，該范圍可常在大約0. 2mm到大約1_的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠基于上述因素以及流體流量研究、排放系數(shù)測試、計算流體動力學(xué)預(yù)測等對于給定的情況選擇最適合的空腔深度。對于空腔寬度典型的范圍為大約Imm到大約10mm。圖7示出了沿著大致 與熱氣體的路徑38對齊的平面空腔122的另ー個透視圖。該圖意圖提供關(guān)于從空腔開ロ 124到空腔的“上游”端132延伸的空腔的期望長度“L”的指引。通常，該空腔將具有在端壁長度(“EWL”)134的大約50%到大約200%范圍內(nèi)的長度，如圖中所示。在ー些具體實施例中，該長度將為端壁長度的大約25%到大約100%。在一些實例中，在陸基渦輪機(jī)的情況下，對于空腔的長度將為大約5_到大約20_，而在航空潤輪機(jī)的情況下為大約2. 5mm到大約10mm。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠基于上述對于空腔深度的因素選擇對于空腔最適合的長度。通常，空腔的上游端132與端壁表面136齊平。如上所述，空腔將以各種形狀存在，例如如圖8中所示。該圖是類似于圖6的橫截面視圖。在圖8中，空腔140具有相對平坦的底表面142。側(cè)壁144可如圖所示為傾斜的，并且傾斜角度也可以變化。(空腔的深度也可變化，如圖6的實施例中一祥。)此外，示出為相對尖鋭的表面邊緣146可備選地被稍微倒圓。上面指出的因素將影響特定形狀。此外，可提供空腔形狀的非限制示例。例如，圖9描繪了空腔150，其中內(nèi)部區(qū)域152可通常呈正方形或矩形的形狀。備選地，內(nèi)部區(qū)域可為“碗”形，具有彎曲的底部表面154。在每ー實例中，空腔均終止于壁156，其可為傾斜的或垂直的。換言之，空腔的深度不和其它實施例中ー樣下降(從邊緣157延伸)至與端壁表面158齊平的點。圖10中所繪的空腔160可為圓形凹槽的形狀。如其它實施例中一祥，空腔的深度、長度和寬度可變化相當(dāng)大。此外，內(nèi)端部162可漸縮直至表面164 ;或者可以終止于壁中，如圖9中所示。端部顯示為呈三角形，但其它形狀也是可能的。在對于此形狀的一些優(yōu)選實施例中，寬度“w”在端部162后保持恒定。(這與圖5中所繪的錐形形狀形成對比，其中寬度遠(yuǎn)離端壁邊緣逐漸變窄。)圖11中所繪的空腔170可具有大致正方形、“擴(kuò)散器”形狀，且端部172與表面174齊平。空腔的內(nèi)側(cè)表面176可呈內(nèi)圓角的形狀，如圖中所示。再一次，如其它實施例中一祥，整體尺寸可以變化。關(guān)于空腔位置，可參考圖4，其中還沒有結(jié)合空腔。對于本發(fā)明的實施例，空腔可沿后緣的整個周向長度110結(jié)合。備選地，空腔可僅結(jié)合到邊緣的一部分中，或者沿著邊緣選定的區(qū)域中?？涨蛔钸m合的布置可經(jīng)驗性地和/或通過建模以沒有不必要的努力而確定。以上所述的因素和技術(shù)，例如流動系數(shù)測試，將在此方面提供引導(dǎo)。圖12提供了一種類型的空腔180的圖案的圖示，空腔沿著端壁184的后緣182的整個尺寸而結(jié)合。此外，空腔可能彼此接觸，例如，其中各空腔的邊緣與鄰近空腔的邊緣接觸。備選地，取決于它們的形狀，以及本文指出的其它因素，空腔可彼此隔開。間隔的程度因而可根據(jù)許多那些相同因素而變化，當(dāng)然包括空腔的形狀。如參考圖5的非限制性圖示一祥，空腔之間的間隔“a”可具有典型空腔的寬度“b”的大約10%到大約100%的長度。空腔間隔可以是一致的或不一致的。此外，空腔之間的實際邊界區(qū)域不需要為相對平坦的脊部，S卩，導(dǎo)致各空腔之間非常離散的邊界。參考圖13，其為圖12中所繪的空腔的放大視圖。在此實施例中，各空腔192之間的側(cè)壁190(即后緣處或其附近)和鄰近空腔的側(cè)壁混成了一體。與圖5中所繪的更加離散的空腔邊界相比，此“連續(xù)的”特征在某些實施例中可能是有利的。盡管許多主要的實施例指向在定子-轉(zhuǎn)子組件的靜止部分上使用用于端壁部分的空腔，但空腔也可用在其中一些旋轉(zhuǎn)部件上?？梢砸赃@種方式更改各種類型的轉(zhuǎn)子，例如，無護(hù)罩轉(zhuǎn)子；以及那些具有附接護(hù)罩的轉(zhuǎn)子。在每種情況下，如之前所述的空腔對于更改此類部件的內(nèi)端壁都可以是非常有用的。本發(fā)明的另ー個實施例指向渦輪機(jī)，其包括至少ー個定子-轉(zhuǎn)子組件，如以上描述的那些。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)(例如渦 輪噴氣引擎、渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)、陸基發(fā)電渦輪機(jī)以及船舶推進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī))代表了渦輪機(jī)的示例。其他類型在本領(lǐng)域也是公知的。非限制性示例包括大范圍的泵和壓縮機(jī)，其有時也結(jié)合流體(氣體或液體)流穿過的定子-轉(zhuǎn)子組件。在許多這些其它渦輪機(jī)設(shè)計中，用于減少從流動路徑進(jìn)入機(jī)械的其它區(qū)域的新技術(shù)將具有相當(dāng)大的興趣。因此，任何這些渦輪機(jī)中的定子-轉(zhuǎn)子組件都可包括如此公開中所述的空腔圖案。本發(fā)明的又另ー個實施例指向用于限制通過渦輪機(jī)中定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙的氣體(例如熱氣體)流的方法。該方法包括在定子部件的內(nèi)端壁的后緣的至少一部分上形成空腔圖案的步驟。(定子可為噴嘴或?qū)~，取決于定子-轉(zhuǎn)子組件的預(yù)期用途。)空腔具有足以阻礙熱氣體進(jìn)入鄰接定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙的葉輪空間區(qū)域的形狀和尺寸。(熟悉渦輪機(jī)的各種類型的本領(lǐng)域技術(shù)人員理解典型地存在大量的定子-轉(zhuǎn)子組件，且各組件均包括本文所述的更改的端壁。)該方法也可用于在組件中旋轉(zhuǎn)部件的選定區(qū)域上形成空腔。空腔可通過多種方法形成。非限制性示例包括機(jī)加工方法，例如各種銑削技術(shù)。其它機(jī)加工エ藝可能包括放電加工(EDM)和電化學(xué)加工(ECM)。在一些情況中，空腔可在特定部件的鋳造期間形成，例如，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子或噴嘴的熔模鑄造。作為ー個示例，熔模鑄造表面可設(shè)有陽特征的選定圖案，例如，“丘墩”、圓頂、金字塔、銷或任何其他類型的突出物或干擾物。(在美國專利申請10/841，366 (R. Bunker等人；公布為美國專利7，302，990)中描述了用于向各種表面提供這些特征的其中ー些方法，該申請通過引用而結(jié)合在本文中。)陽特征的形狀將由空腔的期望形狀決定，其會與陽特征相反。因此，在除去模具后，零件將包括選定的空腔圖案。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠輕易確定用于在指定表面上形成空腔最適合的技術(shù)(或技術(shù)的組合)。示例生成了計算機(jī)模型來模擬熱氣體流動路徑和冷卻劑吹掃流之間的相互作用。對于上游導(dǎo)葉，模型基于定子-轉(zhuǎn)子組件的葉輪空間空腔區(qū)域。(此區(qū)域類似于圖2中的總體區(qū)域，其共同由葉輪空間區(qū)域82、緩沖空腔80、上間隙76以及軸向間隙78指示。)計算機(jī)模型部分地基于周期性范圍上的瞬時定子-轉(zhuǎn)子滑動網(wǎng)格模擬，使用不穩(wěn)定雷諾平均納維爾-斯托克斯(URANS)湍流模型。使用被動標(biāo)量標(biāo)出了熱氣體流動路徑。該被動標(biāo)量模擬了在流動路徑入ロ處開始的蹤跡氣體(tracing gas)。標(biāo)量濃度“C = I”代表了 100%的熱氣體;而“。=0”代表了100%的冷卻劑吹掃流。圖14是對于定子-轉(zhuǎn)子組件的選定區(qū)域中熱氣體流、吹掃流以及流相互作用的數(shù)字預(yù)測的計算機(jī)輔助模型的描繪。左方的“基準(zhǔn)線”圖示代表了沒有被更改的定子-轉(zhuǎn)子端壁。右方的圖示代表根據(jù)此發(fā)明的實施例的更改的端壁，具有與圖5中描繪的類似的一系列均勻間隔的空腔。繼續(xù)參看圖14，緩沖空腔中較淡的灰度輪廓水平線代表高含量的熱氣體。較淡灰色輪廓和實黑色區(qū)域之間的邊界提供了當(dāng)采用更改的端壁時與沒有更改的情形相比緩沖空腔內(nèi)的明顯較小區(qū)域如何暴露于熱氣體的圖示。對于每個圖的數(shù)據(jù)都基于空腔吹掃流的恒定數(shù)量。數(shù)據(jù)顯示當(dāng)端壁被更改時吸入緩沖腔的熱氣體的水平明顯降低，如圖14的兩個圖示中標(biāo)量濃度水平所示。
本發(fā)明通過具體實施例和示例進(jìn)行了描述。然而，應(yīng)該理解的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員會想到各種更改、適應(yīng)以及備選方式，而不脫離所要求保護(hù)的發(fā)明性概念的精神和范圍。上述所有專利、文獻(xiàn)以及文本都通過弓I用結(jié)合在本文中。
權(quán)利要求
1.ー種定子-轉(zhuǎn)子組件，包括具有后緣的至少ー個周向端壁，所述后緣包括空腔圖案。
2.ー種定子-轉(zhuǎn)子組件，包括定子的表面和轉(zhuǎn)子的表面之間的至少ー個界面區(qū)域，所述表面由間隙隔開， 其中，所述定子是包括內(nèi)周向端壁和外周向端壁的噴嘴或?qū)~；且相對于熱氣體流動路徑各端壁均包括至少ー個前緣和ー個后緣；以及 其中，所述內(nèi)周向端壁的后緣包括空腔圖案，所述空腔能夠阻礙熱氣體進(jìn)入鄰接所述定子和所述轉(zhuǎn)子之間的所述間隙的葉輪空間區(qū)域。
3.如權(quán)利要求2所述的組件，其特征在于，所述空腔具有彎曲的內(nèi)表面。
4.如權(quán)利要求2所述的組件，其特征在干，所述空腔具有沿所述空腔的至少ー個尺寸 漸縮的深度。
5.如權(quán)利要求2所述的組件，其特征在于，所述空腔呈部分圓錐體的形狀。
6.如權(quán)利要求5所述的組件，其特征在于，各部分圓錐體均具有最靠近所述間隙的基部尺寸，所述基部尺寸寬于最遠(yuǎn)離所述間隙的所述圓錐體的相對端。
7.如權(quán)利要求2所述的組件，其特征在于，所述圖案包括均勻間隔的空腔的陣列。
8.如權(quán)利要求2所述的組件，其特征在于，所述圖案包括不均勻間隔的空腔的陣列。
9.如權(quán)利要求2所述的組件，其特征在于，所述空腔具有在所述內(nèi)周向端壁的所述深度的大約10%到大約80%范圍內(nèi)的平均深度。
10.如權(quán)利要求2所述的組件，其特征在于，所述空腔沿所述后緣定位，并且大體彼此平行。
11.如權(quán)利要求10所述的組件，其特征在于，各空腔的邊緣與鄰近空腔的邊緣接觸。
12.如權(quán)利要求10所述的組件，其特征在于，各空腔與鄰近空腔隔開。
13.如權(quán)利要求2所述的組件，其特征在于，所述定子表面和轉(zhuǎn)子表面之間的所述界面區(qū)域是流限制區(qū)域，其限制從所述渦輪發(fā)動機(jī)的所述熱氣體流動路徑穿過所述間隙到達(dá)所述定子-轉(zhuǎn)子組件的葉輪空間區(qū)域的氣體的流。
14.ー種定子-轉(zhuǎn)子組件，包括定子的表面和轉(zhuǎn)子的表面之間的至少ー個界面區(qū)域，所述表面由間隙隔開， 其中，所述轉(zhuǎn)子是包括內(nèi)周向端壁和外周向端壁的輪葉或葉片；且相對于熱氣體流動路徑各端壁均包括至少ー個前緣和ー個后緣；以及 其中，所述內(nèi)周向端壁的后緣包括空腔圖案，所述空腔能夠阻礙熱氣體進(jìn)入鄰接所述定子和所述轉(zhuǎn)子之間的所述間隙的葉輪空間區(qū)域。
15.ー種燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，包括根據(jù)權(quán)利要求I所述的定子-轉(zhuǎn)子組件。
16.一種渦輪機(jī)，包括至少ー個定子-轉(zhuǎn)子組件，其中所述定子-轉(zhuǎn)子組件包括所述定子的表面和所述轉(zhuǎn)子的表面之間的至少ー個界面區(qū)域，所述表面由至少ー個間隙隔開， 其中，所述定子是包括內(nèi)周向端壁和外周向端壁的噴嘴或?qū)~；且相對于熱氣體流動路徑各端壁均包括至少ー個前緣和ー個后緣；以及 其中，各噴嘴或?qū)~的所述內(nèi)周向端壁的后緣包括空腔圖案，所述空腔能夠阻礙熱氣體進(jìn)入鄰接所述定子和所述轉(zhuǎn)子之間的所述間隙的葉輪空間區(qū)域。
17.一種限制穿過渦輪機(jī)中的定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙的熱氣體的流的方法， 其中，所述定子是包括內(nèi)周向端壁和外周向端壁的噴嘴或?qū)~；且相對于氣體流動路徑各端壁均包括至少ー個前緣和ー個后緣；以及 其中，所述方法包括在定子部件的所述內(nèi)端壁的所述后緣的至少一部分上形成空腔圖案的步驟； 其中，所述空腔具有足以阻礙熱氣體進(jìn)入鄰接所述定子和所述轉(zhuǎn)子之間的所述間隙的葉輪空間區(qū)域的形狀和尺寸。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述空腔由選自包括銑削技術(shù)、放電加工(EDM)、電化學(xué)加工(ECM)和鑄造的組的至少ー種技術(shù)形成。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有氣體流的增強(qiáng)抑制特征的定子-轉(zhuǎn)子組件及相關(guān)方法，具體而言，描述了一種定子-轉(zhuǎn)子組件，包括定子的表面和轉(zhuǎn)子的表面之間的至少一個界面區(qū)域和間隙。定子是包括周向端壁的噴嘴或?qū)~。相對于熱氣體流動路徑各端壁均包括至少一個前緣和一個后緣。至少其中一個端壁的后緣包括空腔圖案，該空腔能夠阻礙熱氣體進(jìn)入鄰接定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙的葉輪空間區(qū)域?？涨灰部尚纬稍谵D(zhuǎn)子的不同部分上。定子-轉(zhuǎn)子組件可結(jié)合到各種渦輪機(jī)中，如燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。還描述了相關(guān)的方法。
文檔編號F01D11/00GK102733863SQ201210028489
公開日2012年10月17日 申請日期2012年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月31日
發(fā)明者C·布拉薩, G·A·勒德斯馬, G·M·拉斯科夫斯基, R·S·班克 申請人:通用電氣公司