用于輪空間吹掃空氣的控制的渦輪動葉的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的實施例大體上涉及旋轉(zhuǎn)機(jī)器，并且更具體地涉及燃?xì)鉁u輪中的輪空間吹掃空氣的控制。在一個實施例中，本發(fā)明提供了一種渦輪動葉(40)，其包括：平臺部分(42)；從平臺部分(42)沿徑向向外延伸的翼型件(50)；從平臺部分(42)沿徑向向內(nèi)延伸的柄部分(60)；從柄部分(60)的面(62)沿軸向延伸的天使翼(70)；以及沿天使翼(70)的長度設(shè)置的多個空隙(110)，多個空隙(110)中的各個沿徑向延伸穿過天使翼(70)。
【專利說明】
用于輪空間吹掃空氣的控制的渦輪動葉
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明的實施例大體上涉及旋轉(zhuǎn)機(jī)器，并且更具體地涉及燃?xì)鉁u輪中的輪空間吹掃空氣的控制。
【背景技術(shù)】
[0002]如本領(lǐng)域中已知的，燃?xì)鉁u輪使用轉(zhuǎn)子組件的輪/盤上的成排的動葉，其與定子/噴嘴組件上的成排的靜止靜葉交錯。這些交錯排沿轉(zhuǎn)子和定子軸向地延伸，并且在燃燒氣體流過其時允許燃燒氣體轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子。
[0003]旋轉(zhuǎn)動葉與靜止噴嘴之間的界面處的軸向/徑向開口可允許熱燃燒氣體離開熱氣體路徑，并且沿徑向進(jìn)入動葉排之間的插進(jìn)式輪空間。為了限制熱氣體的此類侵入，動葉結(jié)構(gòu)典型地使用沿軸向突出的天使翼，其與從相鄰定子或噴嘴沿軸向延伸的阻擋部件協(xié)作。這些天使翼和阻擋部件重疊，但不接觸，并且用于限制熱氣體侵入到輪空間中。
[0004]此外，冷空氣或〃吹掃氣體〃通常引入到動葉排之間的輪空間中。該吹掃空氣用于冷卻輪空間內(nèi)的構(gòu)件和空間，以及動葉的徑向內(nèi)側(cè)的其它區(qū)域，并且提供冷卻空氣的逆流以進(jìn)一步限制熱氣體侵入到輪空間中。因此，天使翼密封件進(jìn)一步設(shè)計成限制吹掃空氣逸出到熱氣體流動路徑中。
[0005]然而，大多數(shù)燃?xì)鉁u輪呈現(xiàn)出顯著量的吹掃空氣逸出到熱氣體流動路徑中。例如，該吹掃空氣逸出可在第一級和第二級輪空間處為0.1%到3.0%之間。較冷的吹掃空氣與熱氣體流動路徑的隨后混合導(dǎo)致大混合損失，不但因為溫差，而且因為吹掃空氣和熱氣體的流動方向或渦流的差異。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在一個實施例中，本發(fā)明提供了一種渦輪動葉，其包括:平臺部分;從平臺部分沿徑向向外延伸的翼型件;從平臺部分沿徑向向內(nèi)延伸的柄部分;從柄部分的面沿軸向延伸的天使翼；以及沿天使翼的長度設(shè)置的多個空隙，多個空隙中的各個沿徑向延伸穿過天使翼。
[0007]在另一個實施例中，本發(fā)明提供了一種燃?xì)鉁u輪，其包括:擴(kuò)散器；以及擴(kuò)散器附近的末級渦輪動葉，末級渦輪動葉包括:從平臺部分沿徑向向外延伸的翼型件;從平臺部分沿徑向向內(nèi)延伸的柄部分；以及從柄部分的面沿軸向延伸的天使翼，天使翼包括沿天使翼的長度設(shè)置的多個空隙，多個空隙中的各個沿徑向延伸穿過天使翼。
[0008]在又一個實施例中，本發(fā)明提供了一種渦輪動葉，其包括:天使翼；以及沿天使翼的長度的多個空隙，其中多個空隙中的各個包括凹面，其沿徑向延伸穿過天使翼并且關(guān)于渦輪動葉的縱軸線和渦輪動葉的旋轉(zhuǎn)方向兩者成角。
[0009]技術(shù)方案1.一種渦輪動葉，包括:
平臺部分；
從所述平臺部分沿徑向向外延伸的翼型件； 從所述平臺部分沿徑向向內(nèi)延伸的柄部分；
從所述柄部分的面沿軸向延伸的天使翼；以及
沿所述天使翼的長度設(shè)置的多個空隙，所述多個空隙中的各個沿徑向延伸穿過所述天使翼。
[0010]技術(shù)方案2.根據(jù)技術(shù)方案I所述的渦輪動葉，其特征在于，在操作狀態(tài)中，所述多個空隙適于改變所述天使翼與所述平臺部分之間的吹掃空氣的渦流速度。
[0011]技術(shù)方案3.根據(jù)技術(shù)方案2所述的渦輪動葉，其特征在于，所述渦輪動葉還包括: 從所述平臺部分沿軸向延伸的平臺唇部。
[0012]技術(shù)方案4.根據(jù)技術(shù)方案3所述的渦輪動葉，其特征在于，所述吹掃空氣設(shè)置在所述天使翼與所述平臺唇部之間。
[0013]技術(shù)方案5.根據(jù)技術(shù)方案I所述的渦輪動葉，其特征在于，所述多個空隙中的至少一個包括矩形截面形狀。
[0014]技術(shù)方案6.根據(jù)技術(shù)方案I所述的渦輪動葉，其特征在于，所述多個空隙中的至少一個包括凹面。
[0015]技術(shù)方案7.根據(jù)技術(shù)方案6所述的渦輪動葉，其特征在于，所述凹面沿軸向成角。
[0016]技術(shù)方案8.根據(jù)技術(shù)方案6所述的渦輪動葉，其特征在于，所述凹面關(guān)于所述渦輪動葉的旋轉(zhuǎn)方向成角。
[0017]技術(shù)方案9.根據(jù)技術(shù)方案I所述的渦輪動葉，其特征在于，所述多個空隙沿所述天使翼的長度非均勻地分布。
[0018]技術(shù)方案10.—種燃?xì)鉁u輪，包括:
擴(kuò)散器；以及
所述擴(kuò)散器附近的末級渦輪動葉，所述末級渦輪動葉包括:
從平臺部分沿徑向向外延伸的翼型件；
從所述平臺部分沿徑向向內(nèi)延伸的柄部分;以及
從所述柄部分的面沿軸向延伸的天使翼，所述天使翼包括沿所述天使翼的長度設(shè)置的多個空隙，所述多個空隙中的各個沿徑向延伸穿過所述天使翼。
[0019]技術(shù)方案11.根據(jù)技術(shù)方案10所述的燃?xì)鉁u輪，其特征在于，在操作狀態(tài)中，所述多個空隙適于增大所述擴(kuò)散器的入口處的總壓力(Pt)波峰。
[0020]技術(shù)方案12.根據(jù)技術(shù)方案11所述的燃?xì)鉁u輪，其特征在于，所述多個空隙適于增大所述擴(kuò)散器的所述入口的內(nèi)半徑附近的Pt。
[0021]技術(shù)方案13.根據(jù)技術(shù)方案10所述的燃?xì)鉁u輪，其特征在于，在操作狀態(tài)中，所述多個空隙適于減小所述擴(kuò)散器的所述入口處的渦流波峰。
[0022]技術(shù)方案14.根據(jù)技術(shù)方案13所述的燃?xì)鉁u輪，其特征在于，在操作狀態(tài)中，所述多個空隙適于減小所述擴(kuò)散器的所述入口的內(nèi)半徑附近的渦流波峰。
[0023]技術(shù)方案15.根據(jù)技術(shù)方案10所述的燃?xì)鉁u輪，其特征在于，所述多個空隙中的至少一個包括矩形截面形狀。
[0024]技術(shù)方案16.根據(jù)技術(shù)方案10所述的燃?xì)鉁u輪，其特征在于，所述多個空隙中的至少一個包括凹面。
[0025]技術(shù)方案17.根據(jù)技術(shù)方案16所述的燃?xì)鉁u輪，其特征在于，所述凹面沿軸向成角。
[0026]技術(shù)方案18.根據(jù)技術(shù)方案16所述的燃?xì)鉁u輪，其特征在于，所述凹面關(guān)于所述渦輪動葉的旋轉(zhuǎn)方向成角。
[0027]技術(shù)方案19.根據(jù)技術(shù)方案10所述的燃?xì)鉁u輪，其特征在于，所述多個空隙沿所述天使翼均勾分布。
[0028]技術(shù)方案20.—種渦輪動葉，包括:
天使翼；以及
沿所述天使翼的長度的多個空隙，
其中所述多個空隙中的各個包括凹面，其沿徑向延伸穿過所述天使翼并且關(guān)于所述渦輪動葉的縱軸線和所述渦輪動葉的旋轉(zhuǎn)方向兩者成角。
【附圖說明】
[0029]本發(fā)明的這些及其它特征將從結(jié)合附圖進(jìn)行的本發(fā)明的各種方面的以下詳細(xì)描述更容易理解到，該附圖描繪了本發(fā)明的各種實施例，在該附圖中:
圖1示出了已知渦輪的一部分的示意性截面圖；
圖2示出了已知渦輪動葉的透視圖；
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的渦輪動葉的一部分的透視圖；
圖4示出了圖3的渦輪動葉的一部分的沿軸向向內(nèi)看的視圖；
圖5示出了圖3的渦輪動葉的一部分的沿徑向向下看的視圖；
圖6示出了已知渦輪動葉中的吹掃空氣流的示意圖；
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的渦輪動葉中的吹掃空氣流的示意圖；
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的末級渦輪動葉和擴(kuò)散器的示意圖；
圖9示出了用于已知渦輪和根據(jù)本發(fā)明的實施例的渦輪的擴(kuò)散器入口平面處的渦流波峰曲線的圖表;以及
圖10示出了用于已知渦輪和根據(jù)本發(fā)明的實施例的渦輪的擴(kuò)散器入口平面處的總壓力波峰曲線的圖表。
[0030]注意的是，本發(fā)明的附圖并未按比例。附圖旨在僅描繪本發(fā)明的典型方面，并且因此不應(yīng)當(dāng)看作是限制本發(fā)明的范圍。在附圖中，相似的標(biāo)記在附圖間表示相似的元件。
[0031]部件列表 10燃?xì)鉁u輪 20第一級噴嘴 22第二級噴嘴 26輪空間
28熱氣體流動路徑 30噴嘴表面 32阻擋部件 40渦輪動葉 42大致平面平臺 44平臺唇部 50翼型件 52前緣 54后緣 60柄部分 62面 70天使翼 72天使翼密封件 74天使翼密封件 80吹掃空氣 82區(qū)域 83區(qū)域 95熱氣體 110空隙
IlOA沿徑向向外的開口 IlOB沿徑向向內(nèi)的開口 112凸面 114凹面
140末級動葉(LSB)
195熱氣體
300擴(kuò)散器
310擴(kuò)散器入口平面
320支柱。
【具體實施方式】
[0032]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖，圖1示出了包括設(shè)置在第一級噴嘴20與第二級噴嘴22之間的動葉40的燃?xì)鉁u輪10的一部分的示意性截面圖。動葉40從沿軸向延伸的轉(zhuǎn)子(未示出)沿徑向向外延伸，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到的。動葉40包括大致平面的平臺42、從平臺42沿徑向向外延伸的翼型件，以及從平臺42沿徑向向內(nèi)延伸的柄部分60。
[0033]柄部分60包括朝第一級噴嘴20沿軸向向外延伸的一對天使翼密封件70，72，以及朝第二級噴嘴22沿軸向向外延伸的天使翼密封件74。應(yīng)當(dāng)理解的是，不同數(shù)量和布置的天使翼密封件是可能的，并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本文中所述的天使翼密封件的數(shù)量和布置僅出于圖示的目的來提供。
[0034]如可在圖1中看到的，噴嘴表面30和阻擋部件32從第一級噴嘴20沿軸向延伸，并且分別從天使翼密封件70和72中的各個沿徑向向外設(shè)置。就此而言，噴嘴表面30與天使翼密封件70重疊，但不接觸天使翼密封件70，并且阻擋部件32與天使翼密封件72重疊，但不接觸天使翼密封件72。關(guān)于第二級噴嘴22的阻擋部件32和天使翼密封件74示出了類似的布置。在圖1中所示的布置中，在渦輪的操作期間，一定量的吹掃空氣可設(shè)置在例如噴嘴表面30、天使翼密封件70和平臺唇部44之間，從而限制了吹掃空氣逸出到熱氣體流動路徑28中和熱氣體從熱氣體流動路徑28侵入到輪空間26中兩者。
[0035]雖然圖1示出了設(shè)置在第一級噴嘴20與第二級噴嘴22之間的動葉40，使得動葉40代表第一級動葉，但這僅是出于圖示和闡釋的目的。本文中所述的本發(fā)明的原理和實施例可在實現(xiàn)相似結(jié)果的預(yù)期下應(yīng)用于渦輪中的任何級的動葉。
[0036]圖2示出了動葉40的一部分的透視圖。如可看到的，翼型件50包括前緣52和后緣54。柄部分60包括設(shè)置在天使翼70與平臺唇部44之間的相比后緣54更接近前緣52的面62。
[0037]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的渦輪動葉40的一部分的透視圖。如可在圖3中看到的，多個空隙110沿徑向延伸穿過天使翼70 ο如圖3中所示，多個空隙110沿天使翼70沿軸向向內(nèi)設(shè)置，相比天使翼邊沿74更接近面62。多個空隙110中的各個在圖4中示出，其具有矩形截面形狀(即，沿徑向向內(nèi)看的矩形形狀)，但這既不是必要的也不是基本的。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到的，任何數(shù)量的截面形狀可被使用，并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0038]如圖3中所示，多個空隙110沿天使翼70的長度大致均勻地設(shè)置。然而，注意的是，這既不是必要的也不是基本的。根據(jù)本發(fā)明的其它實施例，多個空隙110可沿天使翼70的長度不均勻地設(shè)置，使得空隙在天使翼70的一個端部處比在另一個端部處更多，朝天使翼70的中部更多，或任何其它構(gòu)造。
[0039]圖4示出了穿過天使翼70截取的渦輪動葉40的一部分的沿軸向向內(nèi)看的截面圖。如可在圖4中看到的，并且根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，空隙110包括形成穿過天使翼70的彎曲或弓形通路的凸面112和凹面114。就是說，空隙110遵循從沿徑向向外的開口 IlOA沿凸面112和凹面114至沿徑向向內(nèi)的開口 11OB的路徑。沿徑向向內(nèi)的開口 11OB由此設(shè)置成相比沿徑向向外的開口 IlOA更接近天使翼70的端部70A。
[0040]穿過天使翼70的空隙110的該彎曲或弓形形狀增大天使翼70與平臺唇部44之間的吹掃空氣的渦流速度。如將在下面更詳細(xì)闡釋的，這產(chǎn)生限制熱氣體侵入到輪空間26中(圖1)的幕簾效應(yīng)，同時減少了從輪空間26逸出的吹掃空氣量。
[0041]圖5示出了渦輪動葉40的一部分的沿徑向向下看的視圖?？煽吹礁鱾€空隙110的凹面114。此外，如圖4中所示，凹面114也沿軸向成角。就是說，凹面114關(guān)于渦輪動葉40的縱軸線Rl和旋轉(zhuǎn)方向R兩者成角。因此，空隙110的形狀在它們沿徑向向外穿過天使翼70時，將渦流給予吹掃氣體，將吹掃氣體沿軸向朝天使翼邊沿74和沿側(cè)向朝天使翼70的端部70A引導(dǎo)。
[0042]圖6示出了已知渦輪動葉中的吹掃空氣流的示意圖。吹掃空氣80示為集中，并且在更接近面62的區(qū)域82中具有較高的渦流速度。相比之下，圖7為示出根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的空隙110(圖5)對吹掃空氣80的影響的示意圖。在此處，相比于圖6，其中吹掃空氣80集中并且呈現(xiàn)出較高的渦流速度的區(qū)域83與面62距離更遠(yuǎn)。這實際上在區(qū)域83處產(chǎn)生了幕簾效應(yīng)，限制了熱氣體95從熱氣體流動路徑28侵入，同時減少了從輪空間26逸出到熱氣體流動路徑28中的吹掃空氣80的量。
[0043]使用本發(fā)明的實施例實現(xiàn)的渦輪效率的提高可歸因于一定數(shù)量的因素。首先，如上文提到的，渦流速度的增大減少了吹掃空氣逸出到熱氣體流動路徑28中，渦流的增加減少了可歸因于這樣逸出的任何吹掃空氣的混合損失，并且由根據(jù)本發(fā)明的空隙引起的幕簾效應(yīng)減少或防止了熱氣體侵入到輪空間26中。這些中的各個有助于觀察到的提高的效率。
[0044]此外，所需的吹掃空氣的總量出于至少兩個原因減少。首先，泄漏的吹掃空氣的減少必然地減少必須替換的吹掃空氣，這對渦輪效率具有直接的有利影響。第二，熱氣體侵入到輪空間26中的減少降低輪空間26內(nèi)的溫度升高，以及通過引入附加吹掃空氣來降低溫度的伴隨需要。對所需的總吹掃空氣的這些減少中的各種減少了對其它系統(tǒng)構(gòu)件的需求，如，吹掃空氣從其提供的壓縮機(jī)。
[0045]盡管上文提到了天使翼中的空隙改變輪空間內(nèi)和特別是早先的級的渦輪動葉附近的輪空間內(nèi)的吹掃空氣的渦流速度的能力，但應(yīng)當(dāng)注意，此類天使翼空隙可用于具有關(guān)于吹掃空氣渦流速度和角的類似變化的任何級的渦輪動葉上。實際上，
【申請人】注意到了在天使翼邊沿空隙用于末級動葉(LSB)中時的非常有利的結(jié)果。
[0046]擴(kuò)散器入口的內(nèi)半徑區(qū)域處的總壓力(Pt)和渦流曲線中的波峰是熱氣流與離開LSB附近的輪空間的吹掃空氣的渦流之間的失配的結(jié)果。
【申請人】發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的天使翼空隙能夠既增大接近內(nèi)半徑的擴(kuò)散器入口處的Pt波峰，同時又減小相同位置處或附近的渦流波峰。這些中的各個改進(jìn)了擴(kuò)散器性能。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)天使翼空隙使離開LSB輪空間的吹掃空氣的渦流角改變I到3度，同時還使Pt波峰增大15%到30%。
[0047]圖8示出了擴(kuò)散器300附近的LSB140的示意圖。熱氣體195在擴(kuò)散器入口平面310處進(jìn)入擴(kuò)散器300，并且朝支柱320經(jīng)過。根據(jù)本發(fā)明的實施例的空隙在吹掃空氣與熱氣體195組合時減少了吹掃空氣的渦流失配，在熱氣體195進(jìn)入支柱320時防止熱氣體195的分離。同時，空隙增大了Pt波峰。
[0048]圖9示出了隨擴(kuò)散器入口平面高度變化的渦流波峰的圖表。曲線A表示根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有天使翼空隙的渦輪的渦流波峰曲線。曲線B表示本領(lǐng)域中已知的具有天使翼的渦輪的渦流波峰曲線。曲線A呈現(xiàn)出擴(kuò)散器入口平面的徑向向內(nèi)位置處的渦流波峰的顯著減小。
[0049]圖10示出了隨擴(kuò)散器入口平面高度變化的Pt波峰的圖表。曲線A表示根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有天使翼空隙的渦輪的Pt波峰曲線。曲線B表示本領(lǐng)域中已知的具有天使翼的渦輪的Pt波峰曲線。曲線A呈現(xiàn)出擴(kuò)散器入口平面的徑向向內(nèi)位置處的Pt波峰的增大。
[0050]如本文中使用的，單數(shù)形式〃一〃、〃一個〃和〃該〃旨在也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文清楚地另外指示。還將理解的是，用語〃包括〃和/或〃包含〃在用于本說明書中時表示敘述的特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或構(gòu)件的存在，但并未排除存在或添加一個或更多個其它特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、構(gòu)件和/或它們的組合。
[0051]該書面的描述使用實例以公開本發(fā)明(包括最佳模式)，并且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明(包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)并且執(zhí)行任何相關(guān)或并入的方法)。本發(fā)明的可專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實例。如果這些其它實例具有不與權(quán)利要求的字面語言不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果這些其它實例包括與權(quán)利要求的字面語言無顯著差別的等同結(jié)構(gòu)元件，則這些其它實例意圖在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種禍輪動葉(40)，包括: 平臺部分(42); 從所述平臺部分(42)沿徑向向外延伸的翼型件(50); 從所述平臺部分(42)沿徑向向內(nèi)延伸的柄部分(60); 從所述柄部分(60)的面(62)沿軸向延伸的天使翼(70);以及 沿所述天使翼(70)的長度設(shè)置的多個空隙(110)，所述多個空隙(110)中的各個沿徑向延伸穿過所述天使翼(70)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪動葉，其特征在于，在操作狀態(tài)中，所述多個空隙(110)適于改變所述天使翼(70)與所述平臺部分(42)之間的吹掃空氣(80)的渦流速度。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪動葉，其特征在于，所述渦輪動葉還包括: 從所述平臺部分(42)沿軸向延伸的平臺唇部(44)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪動葉，其特征在于，所述吹掃空氣(80)設(shè)置在所述天使翼(70)與所述平臺唇部(44)之間。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪動葉，其特征在于，所述多個空隙(110)中的至少一個包括矩形截面形狀。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪動葉，其特征在于，所述多個空隙(110)中的至少一個包括凹面(114)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪動葉，其特征在于，所述凹面(114)沿軸向成角。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的渦輪動葉，其特征在于，所述凹面(114)關(guān)于所述渦輪動葉(40)的旋轉(zhuǎn)方向成角。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪動葉，其特征在于，所述多個空隙(110)沿所述天使翼(70)的長度非均勻地分布。10.一種燃?xì)鉁u輪(40)，包括: 擴(kuò)散器(300);以及 所述擴(kuò)散器(300)附近的末級渦輪動葉(140)，所述末級渦輪動葉(140)包括: 從平臺部分(42)沿徑向向外延伸的翼型件(50); 從所述平臺部分(42)沿徑向向內(nèi)延伸的柄部分(60);以及 從所述柄部分(60)的面(62)沿軸向延伸的天使翼(70)，所述天使翼(70)包括沿所述天使翼(70)的長度設(shè)置的多個空隙(110)，所述多個空隙中的各個沿徑向延伸穿過所述天使翼。
【文檔編號】F01D9/02GK105822354SQ201610042608
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年1月22日
【發(fā)明人】R.舒罕, S.K.鮑米克, C.L.英格拉姆
【申請人】通用電氣公司