用于輪空間吹掃空氣的控制的渦輪葉片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的實施例大體上涉及旋轉(zhuǎn)機器，并且更具體地涉及燃氣輪機中的輪空間吹掃空氣的控制。在一個實施例中，本發(fā)明提供了一種渦輪葉片(40)，包括：平臺(42)部分；從平臺(42)部分沿徑向向外延伸的翼型件(50)；從平臺(42)部分沿軸向延伸的平臺唇部(44)；以及沿平臺唇部(44)的表面設(shè)置的多個空隙(110)。
【專利說明】
用于輪空間吹掃空氣的控制的渦輪葉片
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明的實施例大體上涉及旋轉(zhuǎn)機器，并且更具體地涉及燃氣輪機中的輪空間吹掃空氣的控制。
【背景技術(shù)】
[0002]如本領(lǐng)域中已知那樣，燃氣輪機采用轉(zhuǎn)子組件的輪/盤上的成排的葉片，其在定子/噴嘴組件上與成排的靜止導(dǎo)葉交錯。這些交錯排沿轉(zhuǎn)子和定子軸向地延伸，且在燃燒氣體流過其間時允許燃燒氣體轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子。
[0003]旋轉(zhuǎn)葉片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流出熱氣體通路，且沿徑向進入葉片排之間的介入的輪空間中。為了限制熱氣體的這樣侵入，葉片結(jié)構(gòu)典型地使用沿軸向突出的天使翼(angel wing)，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，且用于限制熱氣體侵入輪空間中。
[0004]此外，冷空氣或〃吹掃空氣〃常常引入葉片排之間的輪空間中。該吹掃空氣用于冷卻輪空間內(nèi)的構(gòu)件和空間，以及葉片的徑向內(nèi)側(cè)的其它區(qū)域，且提供冷卻空氣的逆流來進一步限制熱氣體侵入輪空間中。因此，天使翼密封件進一步設(shè)計成限制吹掃空氣散逸到熱氣體流動通路中。
[0005]然而，大多數(shù)燃氣輪機呈現(xiàn)出大量吹掃空氣散逸到熱氣體流動通路中。例如，在第一和第二級輪空間處散逸的該吹掃空氣可在0.1%到3.0%之間。較冷的吹掃空氣與熱氣體流動通路的隨后混合導(dǎo)致較大的混合損失，不但因為溫差，而且因為吹掃空氣和熱氣體的流動方向或旋流(swirl)的差異。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在一個實施例中，本發(fā)明提供了一種渦輪葉片，包括:平臺部分;從平臺部分沿徑向向外延伸的翼型件;從平臺部分沿軸向延伸的平臺唇部；以及沿平臺唇部的表面設(shè)置的多個空隙。
[0007]在另一個實施例中，本發(fā)明提供了一種渦輪葉片，包括:平臺部分;從平臺部分沿徑向向外延伸的翼型件;從平臺部分沿軸向延伸的平臺唇部；以及沿平臺唇部的表面設(shè)置的多個空隙，多個空隙中的每一個均沿徑向延伸穿過平臺唇部的本體。
[0008]本發(fā)明的第一技術(shù)方案提供了一種渦輪葉片，包括:平臺部分;從平臺部分沿徑向向外延伸的翼型件;從平臺部分沿軸向延伸的平臺唇部；以及沿平臺唇部的表面設(shè)置的多個空隙。
[0009]本發(fā)明的第二技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，還包括: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至少一個天使翼。
[0010]本發(fā)明的第三技術(shù)方案是在第二技術(shù)方案中，在操作狀態(tài)中，多個空隙適于改變平臺唇部與至少一個天使翼之間的吹掃空氣的旋流速度。
[0011]本發(fā)明的第四技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，多個空隙沿平臺唇部的遠端設(shè)置。
[0012]本發(fā)明的第五技術(shù)方案是在第四技術(shù)方案中，平臺唇部的遠端是朝翼型件成角的。
[0013]本發(fā)明的第六技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，多個空隙中的至少一個是沿軸向成角的。
[0014]本發(fā)明的第七技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，多個空隙沿平臺唇部的表面非均勻地設(shè)置。
[0015]本發(fā)明的第八技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，多個空隙集中在更靠近翼型件的前面。
[0016]本發(fā)明的第九技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，多個空隙集中在更靠近翼型件的后面。
[0017]本發(fā)明的第十技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，多個空隙中的每一個均具有矩形的截面形狀。
[0018]本發(fā)明的第十一技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，多個空隙中的每一個均具有梯形截面形狀。
[0019]本發(fā)明的第十二技術(shù)方案提供了一種渦輪葉片，包括:平臺部分;從平臺部分沿徑向向外延伸的翼型件;從平臺部分沿軸向延伸的平臺唇部；以及沿平臺唇部的表面設(shè)置的多個空隙，多個空隙中的每一個均沿徑向延伸穿過平臺唇部的本體。
[0020]本發(fā)明的第十三技術(shù)方案是在第十二技術(shù)方案中，還包括: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至少一個天使翼。
[0021]本發(fā)明的第十四技術(shù)方案是在第十三技術(shù)方案中，在操作狀態(tài)中，多個空隙適于改變平臺唇部與至少一個天使翼之間的吹掃空氣的旋流速度。
[0022]本發(fā)明的第十五技術(shù)方案是在第十二技術(shù)方案中，多個空隙沿平臺唇部的長度非均勻地設(shè)置。
[0023]本發(fā)明的第十六技術(shù)方案是在第十五技術(shù)方案中，多個空隙集中在更靠近翼型件的前面。
[0024]本發(fā)明的第十七技術(shù)方案是在第十五技術(shù)方案中，多個空隙集中在更靠近翼型件的后面。
[0025]本發(fā)明的第十八技術(shù)方案是在第十二技術(shù)方案中，多個空隙中的每一個為矩形截面形狀。
[0026]本發(fā)明的第十九技術(shù)方案是在第十二技術(shù)方案中，多個空隙中的每一個為卵形截面形狀。
[0027]本發(fā)明的第二十技術(shù)方案是在第十二技術(shù)方案中，多個空隙包括不同大小的空隙。
【附圖說明】
[0028]本發(fā)明的這些及其它特征將從下面結(jié)合描繪本發(fā)明的各種實施例的附圖的本發(fā)明的各種方面的詳細描述中更容易理解，在附圖中:
圖1示出了已知渦輪的一部分的示意性截面視圖；
圖2示出了已知渦輪葉片的透視圖； 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的渦輪葉片的一部分的截面?zhèn)纫晥D；
圖4示出了圖3的渦輪葉片的一部分的透視圖；
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的渦輪葉片的一部分的透視圖；
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例的渦輪葉片的一部分的透視圖；
圖7-13示出了根據(jù)本發(fā)明的又一些實施例的渦輪葉片的透視圖；
圖14示出了關(guān)于典型渦輪葉片的吹掃空氣流的示意圖；
圖15示出了關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的實施例的渦輪葉片的吹掃空氣流的示意圖；
圖16示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的末級渦輪葉片和擴散器的示意圖；
圖17示出了對于已知渦輪和根據(jù)本發(fā)明的實施例的渦輪的擴散器入口平面處的旋流尖峰輪廓的圖表；
圖18示出了對于已知渦輪和根據(jù)本發(fā)明的實施例的渦輪的擴散器入口平面處的總壓力尖峰的圖表;以及
圖19示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的汽輪機葉片的示意性截面?zhèn)纫晥D。
[0029]應(yīng)注意本發(fā)明的附圖并未按比例繪制。附圖旨在僅繪出本發(fā)明的典型方面，且因此不應(yīng)當(dāng)看作是限制本發(fā)明的范圍。在附圖中，相似的標號表示附圖間的相似元件。
[0030]零件列表 10燃氣輪機 20第一級噴嘴 22第二級噴嘴 26輪空間
28流動通路 30噴嘴表面
32阻擋部件 40后級葉片(LSB)
42平臺
44平臺唇部 45弓形面 46本體 48遠端 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
195熱氣體
210空隙
310空隙
410空隙
510空隙
610矩形空隙
710偏菱形空隙
850擴散器
860擴散器入口平面
870支柱
910空隙
940汽輪機葉片
944平臺唇部
950翼型件
960柄
990盤。
【具體實施方式】
[0031]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之間的葉片40的燃氣輪機10的一部分的示意性截面視圖。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到那樣，葉片40從沿軸向延伸的轉(zhuǎn)子(未示出)沿徑向向外延伸。葉片40包括基本平坦的平臺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。
[0032]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)目和布置的天使翼密封件是可能的，且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。本文所述的天使翼密封件的數(shù)目和布置僅通過圖示的目的來提供。
[0033]如圖1中可見，噴嘴表面30和阻擋部件32從第一級噴嘴20沿軸向延伸，且分別從天使翼密封件70和72沿徑向向外設(shè)置。因此，噴嘴表面30重疊但不接觸天使翼密封件70，且阻擋部件32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，一定量的吹掃空氣例如可設(shè)置在噴嘴表面30、天使翼密封件70和平臺唇部44之間，由此限制了吹掃空氣散逸到熱氣體流動通路28中和來自熱氣體通路28的熱氣體侵入輪空間26中。
[0034]盡管圖1示出了設(shè)置在第一級噴嘴20與第二級噴嘴22之間的葉片40，使得葉片40代表第一級葉片，但這僅是為了圖示和闡釋的目的。本文所述的本發(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葉片。
[0035]圖2示出了葉片40的一部分的透視圖。如可看見的，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更靠近前緣52的面62。
[0036]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的渦輪葉片40的一部分的截面?zhèn)纫晥D。如圖3中可見，平臺唇部44的遠端48朝翼型件50沿徑向向外成角。
[0037]圖4示出了圖3的葉片40的透視圖。多個空隙110沿平臺唇部44的遠端48提供。如圖4中所示，空隙110基本為梯形，但這不是必需或根本的。還可采用具有其它形狀的空隙，例如，包括矩形、偏菱形或弓形。
[0038]例如，圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的葉片40的透視圖。這里，平臺唇部44從平臺沿軸向延伸(S卩，如圖3和4中所示，遠端并未朝翼型件50成角)。空隙210在弓形通路中延伸穿過平臺唇部44，使得鄰近空隙210的平臺唇部44的其余部分包括弓形面45。
[0039]圖6中所示的本發(fā)明的實施例示出了葉片40的透視圖。如圖3和4中所示，這里，平臺唇部44包括成角的遠端48。然而，空隙310形成在平臺唇部44的本體46中，而非在其遠端48處。如上文所指出的，空隙310可采用任何數(shù)目的形狀，例如包括矩形、梯形、偏菱形、弓形等。
[0040]圖7-9示出了本發(fā)明的其它實施例的透視圖。在圖7中，空隙410為橢圓形，且相對于葉片40的徑向軸線成角。
[0041]在圖8中，采用了不同大小的橢圓形空隙510，其中空隙大小沿平臺唇部44從更靠近凹形后面的一端朝翼型件50的凸形前面增大。在此實施例中，空隙510對平臺唇部44與天使翼70之間的吹掃空氣的效果將大體上在鄰近較大空隙處更顯著。例如，這可為期望的，其中吹掃空氣的損失或熱氣體的侵入在較大的空隙的區(qū)域中更大。
[0042]在圖9中，采用了不同大小的橢圓形空隙510，其中空隙大小沿平臺唇部44從更靠近凹形后面的一端朝翼型件50的凸形前面減小。如將從以上論述認識到的那樣，例如，此實施例可為期望的，其中吹掃空氣的損失或熱氣體的侵入在較大空隙的區(qū)域中更大。
[0043]圖10-13示出了按照本發(fā)明的各種實施例的渦輪葉片40的透視圖。在圖10-13的各個實施例中，空隙沿平臺唇部44不均勻地設(shè)置。
[0044]在圖10中，多個基本矩形的空隙610沿平臺唇部44設(shè)置成相比翼型件50的凹形后面更靠近凸形前面。
[0045]在圖11中，空隙集中的區(qū)域與圖10中的相反，其中多個基本矩形的空隙610沿平臺唇部44設(shè)置成相比翼型件50的凸形前面更靠近凹形后面。
[0046]圖12和13示出了分別類似于圖10和11的那些實施例的實施例，其中空隙710為偏菱形，而非基本矩形。例如，偏菱形710的使用可用于朝翼型件50的凸形前面或凹形后面引導(dǎo)吹掃空氣。
[0047]圖14示出了典型渦輪葉片中的吹掃空氣流的示意圖。吹掃空氣80示為是集中的，且在區(qū)域82中具有更高的旋流速度，其中大量散逸的吹掃空氣84進入熱氣體流動通路28中。在更靠近面62的區(qū)域82中具有更高的旋流速度的吹掃空氣80的集中允許了熱氣體95侵入輪空間26中。
[0048]相反，圖15示出了根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的空隙110對吹掃空氣80的影響。如圖15中可見，相比于圖14，吹掃空氣80集中且呈現(xiàn)出更高的旋流速度的區(qū)域83與面62間隔更遠且朝平臺唇部44的遠端。這實際上產(chǎn)生了幕簾效應(yīng)，限制了熱氣體95從熱氣體通路28侵入，同時減少了從輪空間26散逸到熱氣體流動通路28中的吹掃空氣的量。
[0049]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)目的因素。首先，如上文所指出的，旋流速度的增大減少了吹掃空氣進入熱氣體流動通路28中的散逸，旋流角的變化減少了歸因于這樣散逸的任何吹掃空氣的混合損失，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95侵入輪空間26中。這些中的每一個有助于觀察到提高的效率。
[0050]此外，所需的吹掃空氣的總量出于至少兩個原因減少。首先，散逸的吹掃空氣的減少必要地減少必須替換的吹掃空氣。第二，侵入輪空間26中的熱氣體95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每一個減少了對其它系統(tǒng)構(gòu)件的需求，諸如提供吹掃空氣的壓縮機。
[0051]盡管上文提到了平臺唇部空隙的能力以改變輪空間內(nèi)且特別是鄰近較早的級的渦輪葉片的輪空間內(nèi)的吹掃空氣的旋流速度，但應(yīng)當(dāng)注意的是，此平臺唇部空隙可用于帶有對吹掃空氣旋流速度和角有類似改變的任何級的渦輪葉片上。實際上，
【申請人】注意到了在平臺唇部空隙用于末級葉片(LSB)時的非常有益的結(jié)果。
[0052]擴散器入口的內(nèi)半徑區(qū)域處的總壓力(Pt)和旋流輪廓中的尖峰是熱氣流與流出鄰近LSB的輪空間的吹掃空氣的旋流之間的失配的結(jié)果。
【申請人】發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的各種實施例的平臺唇部空隙能夠既增大接近內(nèi)半徑的擴散器入口處的Pt尖峰，同時又減小在相同位置處或其附近的旋流尖峰。這些中的每一個改善了擴散器性能。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)平臺唇部空隙將流出LSB輪空間的吹掃空氣的旋流角改變I到3度，同時將Pt尖峰增大了 15%到30%。
[0053]圖16示出了鄰近擴散器850的LSB40的示意圖。熱氣體195在擴散器入口平面860處進入擴散器850，且朝支柱870經(jīng)過。根據(jù)本發(fā)明的實施例的平臺唇部空隙在吹掃空氣與熱氣體195組合時減少了吹掃空氣的旋流失配，在熱氣體195進入支柱870時防止其分離。同時，此平臺唇部空隙增大Pt尖峰。
[0054]圖17示出了隨擴散器入口平面高度變化的旋流尖峰的圖表。輪廓A表示對于具有根據(jù)本發(fā)明的實施例的平臺唇部空隙的渦輪的旋流尖峰輪廓。輪廓B表示對于具有本領(lǐng)域中已知的平臺唇部的渦輪的旋流尖峰輪廓。輪廓A呈現(xiàn)出在擴散器入口平面的徑向向內(nèi)位置處的旋流尖峰的明顯減小。
[0055]圖18示出了隨擴散器入口平面高度變化的Pt尖峰的圖表。輪廓A表示對于具有根據(jù)本發(fā)明的實施例的平臺唇部空隙的渦輪的Pt旋流尖峰輪廓。輪廓B表示對于具有本領(lǐng)域中已知的平臺唇部的渦輪的Pt旋流尖峰輪廓。輪廓A呈現(xiàn)出在擴散器入口平面的徑向向內(nèi)位置處的Pt尖峰增大。
[0056]上文所述的空隙的操作原理還可應(yīng)用于汽輪機的操作。例如，圖19示出了具有翼型件950和附連到盤990上的柄960的汽輪機葉片940的示意性截面視圖。提供了平臺唇部944的放大視圖，沿該平臺唇部944，空隙910(以虛線示出)可與上文在圖3-5，12和13中示出的空隙類似地配置。
[0057]采用諸如本文所述的那些的本發(fā)明的實施例的汽輪機將典型地例如取決于采用特征處的泄漏流和級來實現(xiàn)0.1%到0.5%之間的效率的改善。
[0058]如本文中所使用的，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出。還將理解的是，用語〃包括(comprises) 〃和/或〃包括(comprising) 〃在用于此說明書中時表示指出的特征、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/或其組合。
[0059]本書面描述使用了實例來公開包括最佳模式的發(fā)明，且使本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)，且執(zhí)行任何相關(guān)或并入的方法。本發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要求限定，且可包括本領(lǐng)域的技術(shù)人員想到的其它實例。如果這些其它實例具有并非不同于權(quán)利要求的書面語言的結(jié)構(gòu)元件，或如果這些其它實例包括與權(quán)利要求的書面語言無實質(zhì)差別的等同結(jié)構(gòu)元件，則這些其它實例將在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種渦輪葉片(40)，包括: 平臺(42)部分； 從所述平臺(42)部分沿徑向向外延伸的翼型件(50); 從所述平臺(42)部分沿軸向延伸的平臺唇部(44);以及 沿所述平臺唇部(44)的表面設(shè)置的多個空隙(110)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，還包括: 從所述平臺(42)部分沿徑向向內(nèi)延伸的柄部分(60);以及 從所述柄部分(60)的面(62)沿軸向延伸的至少一個天使翼(70)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪葉片，其特征在于，在操作狀態(tài)中，所述多個空隙(110)適于改變所述平臺唇部(44)與所述至少一個天使翼(70)之間的吹掃空氣(80)的旋流速度。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，所述多個空隙(110)沿所述平臺唇部(44)的遠端設(shè)置。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪葉片，其特征在于，所述平臺唇部(44)的所述遠端是朝所述翼型件(50)成角的。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，所述多個空隙(110)中的至少一個沿是軸向成角的。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，所述多個空隙(110)沿所述平臺唇部(44)的所述表面非均勻地設(shè)置。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，所述多個空隙(110)集中在更靠近所述翼型件(50)的前面。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，所述多個空隙(110)集中在更靠近所述翼型件(50)的后面。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪葉片，其特征在于，所述多個空隙(110)中的每一個均具有選自由以下組成的集合的形狀:矩形的截面形狀和梯形的截面形狀。
【文檔編號】F01D5/14GK105822352SQ201610042591
【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
【申請人】通用電氣公司