[發明專利]用于前腔流控制的渦輪機槳葉角翼特征以及相關方法

有效

• 申請號: 201210418116.8
• 申請日: 2012-10-26
• 公開（公告）號: CN103075200A
• 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;F01D11/10
• 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

技術領域

本發明大體涉及回轉式機械，確切地說，涉及在燃氣渦輪機槳葉上的引導角翼密封件(at?the?leading?angel?wing?seals)處對前葉輪空間腔(forward?wheel?space?cavity)凈化流和燃燒氣體流進行控制。

背景技術

典型的渦輪發動機包括壓縮機，用于壓縮與燃料混合的空氣。燃料-空氣混合物在燃燒室內點燃，以生成在約1100℃到2000℃范圍內的熱加壓燃燒氣體。所述燃燒氣體膨脹通過渦輪機噴嘴，所述噴嘴將所述(氣體)流引導到高壓和低壓渦輪機級，從而提供額外的旋轉能，以便，例如，驅動發電機。

具體而言，燃燒室內產生的熱能通過以下方式轉換成渦輪機內的機械能：使熱燃燒氣體撞擊一個或多個有葉片的轉子組件。每個轉子組件通常包括至少一行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片，所述翼片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，所述柄在平臺與鳩尾榫之間延伸。鳩尾榫用來將槳葉安裝到轉子盤或葉輪。

如所屬領域已知，轉子組件可被視為定子-轉子組件的一部分。轉子組件的葉輪或盤上的多行槳葉(buckets)，以及定子或噴嘴組件上的多行定子輪葉(stator?vanes)，交替延伸穿過針對燃燒氣體軸向定向的流路。離開定子或噴嘴的輪葉的熱燃燒氣體射流作用在槳葉上，并使渦輪機葉輪(和轉子)在約3000到15000rpm的速度范圍內旋轉，具體取決于發動機的類型。

如下圖所示，位于固定噴嘴與每級的可旋轉槳葉之間的接口處的軸向/徑向開口可讓熱燃燒氣體排出熱氣路徑，并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角翼密封件。根據典型設計，角翼與從相鄰的定子或噴嘴元件延伸的突出段、或“阻隔件(discouragers)”配合。角翼與阻隔件重疊(或幾乎重疊)，但彼此并不接觸，從而限制氣流。對于限制將熱氣不當吸入位于角翼密封件的徑向向內位置的葉輪空間而言，由這些配合特征形成的曲徑密封件(labyrinth?seal)的效果/有效性較為關鍵。

如上文所擔示的，由于多種原因，熱氣通過這種路徑滲入葉輪空間較為不利。首先，來自工作燃氣蒸汽流(working?gas?stream)的熱氣的損耗會導致效率降低，從而減少輸出。其次，將熱氣吸入渦輪機葉輪空間和其他腔中可能會損壞一些部件，因這些部件并未針對長期暴露于此類溫度進行設計。

用于減少來自工作燃氣蒸汽流的熱氣滲漏的一種公知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，空氣可從壓縮機中轉移或“放出(bled)”，并用作用于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，所述次級流回路可通常穿過葉輪空間腔以及其他內側轉子區域。當從葉輪空間區域被引導到先前所述的其中一個角翼間隙中時，這種冷卻空氣可起到額外的特定作用。由進入所述間隙的冷卻空氣所形成的逆流，可為不期望的熱氣流過所述間隙、并進入葉輪空間區域提供額外的屏障。

雖然由于上述原因，來自次級流回路的冷卻空氣非常有利，但也存在與該冷卻空氣用途相關的缺點。例如，針對高壓冷卻和腔凈化空氣從壓縮機提取空氣會消耗渦輪機的功，而且就發動機性能而言，可能要付出較大代價。此外，在一些發動機配置中，在至少某些發動機功率設置期間，壓縮機系統可能無法提供處于足夠壓力的凈化空氣。因此，熱氣仍被吸入葉輪空間腔中。

如上所述的角翼用來在一行槳葉和相鄰的固定噴嘴的上游側和下游側形成密封。具體而言，角翼密封件意圖防止熱燃燒氣體進入位于角翼密封件的徑向向內位置的較冷葉輪空間腔，同時防止或最小化葉輪空間腔中的冷卻空氣逸出到熱氣流。因此，針對角翼密封件接口，人們不斷努力來理解其熱燃燒氣體流和葉輪空間冷卻、或凈化空氣的流動型式(flow?patterns)。

例如，已經確定的是，即使角翼密封件較為有效、且可防止熱燃燒氣體進入葉輪空間，但燃燒氣體流渦流撞擊密封件的表面可損壞密封件、并縮短槳葉的使用壽命。

本發明旨在提供獨特的角翼密封件和/或槳葉平臺幾何形狀，以更好地控制角翼接口處的次級凈化空氣流，從而也以延長角翼密封件及因此槳葉本身的使用壽命的方式來控制所述接口處的燃燒氣體流。

發明內容