[發明專利]穿孔的渦輪機輪葉末梢蓋

無效

• 申請號: 201010236514.9
• 申請日: 2010-07-15
• 公開（公告）號: CN101956573A
• 公開（公告）日: 2011-01-26
• 發明（設計）人: X·劉;J·A·科特羅尼奧;J·E·斯萊普斯基;Z·錫蘭;H·R·米斯特里
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: F01D5/20
• 分類號: F01D5/20
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 嚴志軍;譚祐祥

技術領域

本發明一般地涉及用于渦輪發動機的渦輪機葉片，且更具體地涉及用于渦輪機葉片的末梢護罩。

背景技術

渦輪機葉片是成連續級的旋轉翼型件狀部件，其設計成將來自工作流體(如氣體或蒸汽)的熱能轉換成使轉子旋轉的機械功。渦輪機的性能可通過密封葉片末梢的外邊緣以防止工作氣體逸出工作流徑進入葉片末梢和渦輪機的外殼之間的間隙而被提高。用于密封渦輪機葉片末梢和渦輪機殼體之間的間隙的常見的方法是通過葉片末梢護罩。護罩不僅可以增強渦輪機性能，也可以用作振動阻尼器，尤其是對于大的、徑向長度的渦輪機葉片。護罩充當提高葉片的固有頻率的機構，并且又由于固有頻率下葉片延長的共振時間而使得失效最小化。

圖1中所示為典型的帶護罩(也稱為渦輪機輪葉蓋或末梢蓋)的渦輪機葉片。渦輪機葉片10包括翼型件段11和護罩12。護罩12可結合到翼型件11上制造。翼型件還包含前緣15和后緣16，其通常垂直于護罩12延伸。護罩12具有厚度并具有側壁17，其可被切削以形成當鄰近渦輪機葉片存在時的互鎖機構。互鎖機構沿兩個支承面13出現，此處鄰近的渦輪機葉片(未示出)接觸在擴罩12上。是渦輪機葉片護罩12在支承面13處的互鎖產生用于降低振動，以及用于密封渦輪機氣路內的工作流體的手段。典型的渦輪機葉片護罩的另一個特征可為刀口末梢密封件(齒密封件)14。根據葉片護罩的大小，可使用一個或多個末梢密封件。這些密封件彼此平行延伸，典型地垂直于發動機軸線，并從護罩12向外延伸。這些密封件的目的是接合渦輪機殼體(未示出)的護罩塊以進一步最小化葉片末梢周圍的泄漏，并降低輪葉末梢摩擦殼體情況下的機械沖擊。末梢泄漏使工作流體轉向，工作流體否則將在主流徑中流動并在渦輪機葉片上做功。末梢泄漏還可進一步導致升高的梢渦(votex)大小和強度，這會滲入位于葉片下游的主蒸汽流徑，提高背壓，并從而降低級的效率。然而，需要在末梢密封件和殼體護罩之間提供間隙以解決熱膨脹和旋轉不對稱的問題。完全覆蓋的渦輪機葉片末梢由于降低的梢渦大小、強度和末梢泄漏而比未覆蓋的輪葉末梢具有更好的空氣動力學性能。

雖然護罩的目的是密封流徑內的工作流體以及提供抑制振動的手段，但護罩也有其缺點。護罩概念的一個缺點是護罩增加至渦輪機葉片的重量。在運行過程中，渦輪機葉片在圓盤上繞發動機軸線18旋轉。典型的工業應用包括速度高達3600轉每分鐘的圓盤。葉片通過葉片根部和圓盤之間的互鎖切口保持在圓盤中。當渦輪機葉片旋轉時，離心力使得葉片在此連接點處在渦輪機圓盤上向外施加負載。圓盤以及因而葉片根部(其將葉片保持在圓盤中)上的負載的量是葉片重量的函數。就是說，對于給定的每分鐘轉數，葉片越重，在葉片根部和圓盤之間的交界面上發現的負載和應力越大。葉片根部和圓盤上的過多負載會降低各部件的總壽命。護罩的另一缺點是葉片護罩的蠕變卷曲(creep?curling)。取決于護罩的厚度，護罩邊緣可在其末端處“卷曲”起來并在護罩和葉片末梢之間的圓角中引入嚴重的彎曲應力。護罩由于因為氣壓負載及離心力負載引起的護罩邊緣上的彎曲負載而卷曲。護罩的卷曲類似于懸梁由于在梁的自由端處的負載的彎曲。對此卷曲現象的業內已知解決方法是均勻地增加護罩的截面厚度，這將導致更具剛性和更能抗卷曲的護罩。簡單地均勻增加護罩厚度的缺點是由此附加的材料增加到護罩上的附加的重量。

如上所述，為了防止末梢蓋摩擦渦輪機殼體壁，并進一步降低末梢泄漏，可在末梢蓋的頂部上放置一個或幾個密封齒。根據對48英寸低壓渦輪的最后級輪葉的最近的計算流體動力學(CFD)分析，增加密封齒可降低級效率約0.5％，因為增加的輪葉末梢體積會導致梢渦更深地滲入主流。

因此，限制對于渦輪機葉片的末梢泄漏，而同時提供增強的級效率將是所期望的。

發明內容

根據本發明的第一方面，提供了一種用于渦輪發動機的葉片，其包括根部、末梢、前緣、后緣以及相對的壓力側壁和吸力側壁，壓力側壁和吸力側壁大致沿渦輪發動機的內殼體內的徑向軸線延伸。葉片包括在末梢蓋壓力側壁和末梢蓋吸力側壁之間延伸的末梢蓋。末梢蓋上的頂部表面在末梢蓋壓力側壁和末梢蓋吸力側壁之間延伸。

頂部表面構造成允許葉片以到渦輪發動機的殼體的護罩的有限間隙而旋轉。末梢蓋的厚度從頂部表面延伸至葉片的末梢。在末梢的基本上全部頂部表面上提供多個凹陷。凹陷伸入末梢蓋的厚度并且適于限制末梢蓋和渦輪發動機的殼體的護罩之間的泄漏流。