[發明專利]用于氣體溫度控制的渦輪機槳葉平臺成形及相關方法

有效

• 申請號: 201210417450.1
• 申請日: 2012-10-26
• 公開（公告）號: CN103075197A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: C.L.英格拉姆
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: F01D5/14
• 分類號: F01D5/14;F01D11/08
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 肖日松;譚祐祥

背景技術

本發明大體涉及旋轉式機器，確切地說，涉及在燃氣渦輪機槳葉上的前部天使翼型(angel?wing)密封件處對前葉輪空間腔凈化流和燃燒氣體流進行控制。

典型渦輪發動機包括用于對與燃料混合的空氣進行壓縮的壓縮機。燃料空氣混合物在燃燒室內點燃，以產生在約1100℃到2000℃范圍內的加壓熱燃燒氣體，該燃燒氣體膨脹通過渦輪機噴嘴，該噴嘴將流引導到高壓和低壓渦輪機級，從而提供額外的旋轉能以，例如，驅動發電機。

具體而言，燃燒室內產生的熱能轉換成渦輪機內的機械能，方法是使熱燃燒氣體撞擊一個或多個裝有葉片的轉子組件。每個轉子組件通常包括至少一排周向隔開的轉子葉片或槳葉。每片槳葉包括徑向向外延伸的翼型，該翼型具有壓力側和吸入側。每片槳葉還包括從柄徑向向內延伸的鳩尾榫，其中該柄在平臺與鳩尾榫之間延伸。該鳩尾榫用于將槳葉安裝到轉子盤或葉輪。

如所屬領域已知，可以將轉子組件視作定子-轉子組件的一部分。轉子組件的葉輪或盤上的多排槳葉以及定子或噴嘴組件上的多排定子輪葉交替地延伸穿過燃燒氣體的軸向定向的流路。離開定子或噴嘴的輪葉的熱燃燒氣體射流作用于槳葉上，并且致使渦輪機葉輪(和轉子)在約3000到15000rpm的速度范圍內進行旋轉，其中速度具體取決于發動機類型。

如下文所述附圖所示，位于每級上的固定噴嘴與可旋轉槳葉之間的接合處的軸向/徑向開口可以允許熱燃燒氣體離開熱氣路徑，并且進入位于槳葉徑向向內位置的渦輪發動機的較冷葉輪空間。為了限制這種熱氣滲漏，葉片結構通常包括軸向突出的天使翼型密封件。根據典型設計，天使翼型與從相鄰定子或噴嘴元件延伸的突出段或“阻隔件”配合。天使翼型與阻隔件重疊(或者，幾乎重疊)，但并不接觸彼此，這樣就可限制氣流。對于限制將熱氣不當吸入位于天使翼型密封件的徑向向內位置的葉輪空間而言，由這些配合的特征形成的曲徑密封件的效果較為關鍵。

如上文提及，出于多種原因，熱氣通過這種路徑滲漏到葉輪空間是不利的。首先，來自工作氣流的熱氣的損失導致效率損失，從而導致輸出損失。其次，將熱氣吸入到渦輪機葉輪空間以及其他腔中可能損壞一些部件，這些部件并未針對長期暴露于此類溫度下而設計。

一種用于減少來自工作氣流的熱氣滲漏的公認技術涉及使用冷卻空氣，即“凈化空氣”，如第5,224,822號美國專利(利內翰(Lenehan)等人)所述。在典型設計中，空氣可以從壓縮機中轉移或“放出”，并且用作渦輪機冷卻回路的高壓冷卻空氣。因此，冷卻空氣是次級流回路的一部分，該次級流回路可以大體穿過葉輪空間腔以及其他內側轉子區域。在將這種冷卻空氣從葉輪空間區域引導到前述天使翼型間隙中的一個間隙中時，該冷卻空氣可以產生額外的特定功能。進入該間隙的冷卻空氣的合成逆流提供額外的屏障，以防熱氣的多余流通過間隙并且進入葉輪空間區域。

盡管來自次級流回路的冷卻空氣出于上述原因是非常有利的，但也存在與該冷卻空氣用途關聯的缺點。例如，提取來自壓縮機的空氣以用于高壓冷卻和腔凈化空氣消耗了渦輪機的功，并且就發動機性能而言，可能成本相當高。此外，在一些發動機配置中，壓縮機系統在至少一些發動機功率設置過程中可能無法在足夠壓力下提供凈化空氣。因此，熱氣仍可能會被吸入葉輪空間腔中。

如上所述的天使翼型用于在一排槳葉和相鄰固定噴嘴的上游側與下游側上形成密封件。具體而言，天使翼型密封件旨在防止熱燃燒氣體進入位于天使翼型密封件的徑向向內位置的較冷葉輪空間腔，并且同時防止或最小化葉輪空間腔中的冷卻空氣排出到熱氣流。因此，相對于天使翼型密封件接合處而言，人們不斷致力于了解熱燃燒氣體流和葉輪空間冷卻或凈化空氣這二者的流型。此外，也擔心相鄰槳葉的平臺之間的間隙，因為這是用于熱燃燒氣體進入的另一潛在途徑。

例如，已確定的是，即使天使翼型密封件較為有效并且防止熱燃燒氣體進入葉輪空間，但燃燒氣體流渦流撞擊在密封件表面上和/或撞擊在相鄰槳葉表面上可能損壞槳葉，因而縮短槳葉使用壽命。類似地，熱氣體進入相鄰槳葉的平臺之間的間隙可導致位于槳葉之間的平臺斜面邊緣和密封件熱降解。

本發明旨在提供獨特的槳葉平臺幾何形狀，以便在天使翼型接合處和/或在相鄰槳葉的平臺邊緣或斜面之間的大體軸向定位的間隙中更好地控制次級冷卻空氣流，從而也控制燃燒氣體流，使得槳葉的使用壽命延長。

發明內容