燃气涡轮中的流路边界和转子组件的制作方法

文档序号:10508071
燃气涡轮中的流路边界和转子组件的制作方法
【专利摘要】一种燃气涡轮,其包括具有转子组件的流路,该转子组件包括:第一转子叶轮,其支持第一转子叶片,该第一转子叶片具有平台,该平台限定流路的内边界的第一轴向区段;第二转子叶轮,其支持第二转子叶片,该第二转子叶片具有平台,该平台限定流路的内边界的第二轴向区段;和环形填充件,其包括外侧表面,该外侧表面限定在流路的内边界的第一轴向区段和第二轴向区段之间存在的流路的内边界的第三轴向区段的至少一部分。第一转子叶轮可包括轴向连接件,该轴向连接件用于轴向地接合在第一转子叶片的径向最内面上形成的匹配表面和在环形填充件的径向最内面上形成的匹配表面。
【专利说明】
燃气涡轮中的流路边界和转子组件
技术领域
[0001]本发明大体上涉及燃气涡轮发动机(或“燃气涡轮”),且更具体而言,但是不作为限制,涉及燃气涡轮内的流路边界组件。
【背景技术】
[0002]燃气涡轮广泛地用在诸如发电的领域中。常规的燃气涡轮例如包括压缩机、燃烧器、和涡轮。燃气涡轮还可包括转子,该转子具有在压缩机和涡轮区段中安装到转子叶轮的各种转子叶片。各转子叶片包括翼型件和翼型件基部处的内侧壁或平台,压缩空气或流体在该翼型件上流动,内侧壁或平台限定用于穿过其的空气或流体流的径向边界。在某些涡轮发动机结构中,叶片被装入在转子叶轮上形成的槽中。叶片必须固持在槽中,以在涡轮此种期间防止叶片的任何径向或轴向移动。通常,叶片上的燕尾件支座和叶轮中的互补燕尾槽用于防止径向移动。固持系统可用于确保旋转叶片保持联接到转子。然而,在这个意义上,这些固持系统包括复杂的布置,生产和维护成本可能快速地逐步上涨。
[0003]此外,相邻叶片之间的通道需要平滑的表面,以用于形成环的径向内边界,以便在操作期间保证穿过该级的清洁空气流。叶片或转子叶轮适应该表面不是优选的,且通常提供所谓的“环形填充件”以桥接相邻转子叶片之间的间隙。已知提供具有用于将它们可移除地附接至转子盘的特征的此种环形填充件。因此,环形填充件通常由相对轻质的材料制成,且在损坏的情况下,可以与叶片独立地替换。作为旋转构件,更轻质的填充件在发动机操作期间将具有更低的内力,且还降低传递到转子盘的力。此外,更小的构件质量在降低发动机总重量方面也是有益的,且从而对提高发动机效率有贡献。然而,环形填充件必须仍是可靠的构件,以满足操作需要,且在各种操作极限下正确地起作用。
[0004]存在用于安装环形填充件的多种方法。然而,如将理解的,存在很多竞争和可变的设计考虑,这使得优化是持续的目标。例如,接合特征必须能耐受相当大的磨损和腐蚀,包括由与发动机流路相关的摩擦和热循环引起的极端的机械和热应力。此外,在发动机操作期间,环形间隙的周围距离可由于振动、叶片的扭曲、和相邻叶片之间的相对移动而变化。在极限下,环形填充件可能经历转子叶片之间的力和相对移动,这可能降低转子叶轮的寿命且使得在组件的寿命周期期间的定期检查成为必要。另外,转子叶轮的常规制造过程限制了用于连接件的构造类型。如将理解的,在转子叶轮上需要附加特征或重量引起控制构件内的应力的设计和制造考虑,且增加复杂性的任何特征制造起来可能成本过高。
[0005]因此,用于环形填充件和转子叶片组件的改进的固持设备和组件在本领域中将是合乎需要的。例如,防止叶片和/或环形填充件构件相对于转子叶轮和其他支持结构的轴向移动的轴向固持设备将是有利的。另外,提供叶片、环形填充件和/或其他相关构件的有效且有成本效益的替换,且减少或消除替换转子叶轮和其他支持结构的需要的固持设备将是合乎需要的。

【发明内容】

[0006]本申请因此描述了一种燃气涡轮,其包括具有转子组件的流路,该转子组件包括:第一转子叶轮,其支持第一转子叶片,该第一转子叶片组件包括平台,该平台限定流路的内边界的第一轴向区段;第二转子叶轮,其支持第二转子叶片,该第二转子叶片包括平台,该平台限定流路的内边界的第二轴向区段;和环形填充件,其包括外侧表面,该外侧表面限定在流路的内边界的第一轴向区段第二轴向区段之间存在的流路的内边界的第三轴向区段的至少一部分。第一转子叶轮可包括轴向连接件,该轴向连接件用于轴向地接合在第一转子叶片的径向最内面上形成的匹配表面和在环形填充件的径向最内面上形成的匹配表面。
[0007]技术方案I: 一种燃气涡轮,其包括具有转子组件的流路,所述转子组件包括:
[0008]第一转子叶轮,其支持第一转子叶片,所述第一转子叶片包括平台,所述平台限定所述流路的内边界的第一轴向区段;
[0009]第二转子叶轮,其支持第二转子叶片,所述第二转子叶片包括平台,所述平台限定所述流路的内边界的第二轴向区段;和
[0010]环形填充件,其包括外侧表面,所述外侧表面限定在所述流路的内边界的第一轴向区段和第二轴向区段之间存在的所述流路的内边界的第三轴向区段的至少一部分;
[0011]其中,所述第一转子叶轮包括轴向连接件,所述轴向连接件用于轴向地接合在所述第一转子叶片的径向最内面上形成的匹配表面;且
[0012]其中,内侧旋转结构包括周向连接件,所述周向连接件用于周向地接合在所述环形填充件的径向最内面上形成的匹配表面。
[0013]技术方案2:根据技术方案I所述的燃气涡轮,其中,所述轴向连接件包括轴向燕尾槽;且
[0014]其中,所述第一转子叶片上的匹配表面包括构造成用于可滑动地接合所述轴向燕尾槽的轴向地伸长的燕尾件。
[0015]技术方案3:根据技术方案2所述的燃气涡轮,其中,所述周向连接件包括从所述转子叶轮的边沿凸出的周向燕尾件;且
[0016]其中,所述环形填充件的匹配表面包括构造成用于可滑动地接合所述周向燕尾件的周向地伸长的燕尾槽。
[0017]技术方案4:根据技术方案3所述的燃气涡轮,其中,所述轴向连接件的轴向燕尾件和燕尾槽包括多个对应的压力面,以用于防止它们之间的相对径向移动。
[0018]技术方案5:根据技术方案3所述的燃气涡轮,其中,所述周向连接件的周向燕尾件和燕尾槽包括多个对应的压力面,以用于防止它们之间的相对径向移动。
[0019]技术方案6:根据技术方案I所述的燃气涡轮,其中,所述轴向连接件包括从所述转子叶轮的边沿凸出的轴向燕尾件;且
[0020]其中,所述第一转子叶片上的匹配表面包括构造成用于可滑动地接合所述轴向燕尾件的轴向地伸长的燕尾槽。
[0021]技术方案7:根据技术方案I所述的燃气涡轮,其中,所述周向连接件包括周向燕尾槽;且
[0022]其中,所述环形填充件的匹配表面包括构造成用于可滑动地接合所述周向燕尾槽的周向地伸长的燕尾件。
[0023]技术方案8:根据技术方案7所述的燃气涡轮,其中,所述轴向连接件的轴向燕尾件和燕尾槽包括多个对应的压力面,以用于防止它们之间的相对径向移动;且
[0024]其中,所述周向连接件的周向燕尾件和燕尾槽包括多个对应的压力面,以用于防止它们之间的相对径向运动。
[0025]技术方案9:根据技术方案3所述的燃气涡轮,其中,相对于在所述燃气涡轮的操作期间穿过所述流路的工作流体的预期流动方向,所述第一轴向区段包括上游轴向区段且所述第二轴向区段包括所述流路的内边界的下游轴向区段,且所述第三轴向区段包括配置在它们之间的所述流路的内边界的中间轴向区段。
[0026]技术方案10:根据技术方案9所述的燃气涡轮,其中,所述燃气涡轮包括可操作地连结到涡轮的压缩机,且所述流路包括压缩机流路;且
[0027]其中,所述环形填充件包括旋转的整体地形成的构件。
[0028]技术方案11:根据技术方案3所述的燃气涡轮,其中,相对于在所述燃气涡轮的操作期间穿过所述流路的工作流体的预期流动方向,所述第一轴向区段包括下游轴向区段且所述第二轴向区段包括所述流路的内边界的上游轴向区段,且所述第三轴向区段包括配置在它们之间的所述流路的内边界的中间轴向区段。
[0029]技术方案12:根据技术方案11所述的燃气涡轮,其中,所述燃气涡轮包括可操作地连结到涡轮的压缩机;且
[0030]其中,所述流路包括涡轮流路。
[0031]技术方案13:根据技术方案3所述的燃气涡轮,其中,所述内边界的第三轴向区段跨越在所述流路的第一轴向区段和第二轴向区段的内边界之间;且
[0032]其中,所述环形填充件的外侧表面包括在所述流路的第一和第二轴向区段之间的内边界过渡。
[0033]技术方案14:根据技术方案13所述的燃气涡轮,其中,所述流路的内边界的第三轴向区段限定在所述第一转子叶片的平台的后缘与所述第二转子叶片的平台的前缘之间;
[0034]其中,所述环形填充件的外侧表面构造成以便桥接所述第三轴向区段的基本上全部;且
[0035]其中,所述环形填充件的外侧表面的内边界过渡包括在所述第一和第二转子叶片的平台的表面轮廓之间径向地过渡的平滑的空气动力构造。
[0036]技术方案15:根据技术方案13所述的燃气涡轮,其中,所述环形填充件包括悬伸臂。
[0037]技术方案16:根据技术方案15所述的燃气涡轮,其中,所述悬伸臂构造成以便相对于所述环形填充件的燕尾槽的前方端部的轴向位置向前轴向地悬臂。
[0038]技术方案17:根据技术方案15所述的燃气涡轮,其中,所述悬伸臂构造成以便相对于所述环形填充件的柄的前方端部的轴向位置向前轴向地悬臂;且
[0039]其中,所述悬伸臂向前延伸一段距离,以便将所述环形填充件的前缘合乎需要地定位在所述第一转子叶片的平台的后缘附近。
[0040]技术方案18:根据技术方案3所述的燃气涡轮,其中,所述周向燕尾件和所述周向燕尾槽包括在它们之间的压力面上的一个或更多个应力分散特征。
[0041]技术方案19:根据技术方案18所述的燃气涡轮,其中,所述应力分散特征包括配置在所述周向燕尾件上的斜面边缘。
[0042]技术方案20:根据技术方案18所述的燃气涡轮,其中,所述应力分散特征包括相对于所述燃气涡轮的中心线成角度的压力面。
[0043]技术方案21:根据技术方案18所述的燃气涡轮,其中,所述应力分散特征包括回切口,所述回切口具有配置在所述周向燕尾槽上的弯曲外形。
[0044]在结合附图和所附权利要求阅读以下详细说明之后,本申请的这些和其他特征将变得显而易见。
【附图说明】
[0045]通过仔细地研究本发明的示范实施例的结合附图作出的以下更详细的描述,将更完整地理解和懂得本发明的这些和其他特征,在附图中:
[0046]图1是示范涡轮发动机的示意图,在该示范涡轮发动机中可使用根据本申请的实施例的叶片组件;
[0047]图2是图1的燃烧涡轮发动机的压缩机区段的截面图;
[0048]图3是图1的燃烧涡轮发动机的涡轮区段的截面图;
[0049]图4是根据常规设计的示范转子叶轮和叶片组件的分解透视图;
[0050]图5是具有根据常规设计的静止环形填充件的燃气涡轮流路的横截面图;
[0051]图6是安装在根据本发明的示范实施例的转子叶片的邻近排之间的环形填充件的透视图;
[0052]图7是根据本发明的示范实施例的转子叶片和环形填充件的透视图;
[0053]图8是根据本发明示范实施例的环形填充件的透视图;
[0054]图9是图8的环形填充件的备选透视图;
[0055]图10是图8的环形填充件的侧视图;
[0056]图11是根据本发明示范实施例的包括燕尾槽的转子叶轮的透视图;
[0057]图12是根据本发明示范实施例的由叶片燕尾件和环形填充件燕尾件接合的燕尾槽的透视侧面剖视图;
[0058]图13是比较根据本发明的示范实施例的两个转子叶片和环形填充件组件的侧视图;
[0059]图14是具有根据本发明的备选实施例的备选轴向固持特征的转子叶片和环形填充件的侧视图;
[0060]图15是图14的燕尾槽的俯视图;
[0061]图16是图14的环形填充件的侧视图;
[0062]图17是具有根据本发明备选实施例的备选固持特征的转子叶片和环形填充件的侧视图;
[0063]图18是具有根据本发明示范实施例的备选附接构造的转子叶片和环形填充件的侧视图;
[0064]图19是用于根据本发明示范实施例的环形填充件的附接构造的侧视图;
[0065]图20是用于根据本发明备选实施例的环形填充件的附接构造的透视图。
【具体实施方式】
[0066]本发明的方面和优势在以下说明中阐述,或者可从说明而变得明显,或可通过本发明的实践而习得。现在将详细地参考本发明的现有实施例,其一个或更多个示例在附图中例示。详细说明使用数字标记来指示图中的特征。图中或说明中的相同或相似的标记可用于指示本发明的实施例的相同或相似的部分。如应理解的,各示例是作为本发明的解释而非本发明的限制来提供的。实际上,对本领域技术人员而言将是显而易见的是,可在本发明中作出修改和变形,而不脱离其范围和精神。例如,作为一个实施例的一部分描述或说明的特征可用在另一实施例上,以产生又一实施例。因此,意图本发明覆盖落入所附权利要求和它们的等同物的范围内的此种修改和变形。应明白的是在本文中提到的范围和限制包括处于规定限制内的所有子范围,包括这些限制本身,除非另有说明。此外,已选择某些用语以描述本发明及其构件子系统和部分。在可能的范围内,已基于技术领域通用的用语来选择这些用语。仍然,将明白的是,此种用语通常得到不同的解释。例如,在此可称为单个构件的可在其他地方称为由多个构件组成,或者,在此可称为包括多个构件的可在其他地方称为单个构件。在理解本发明的范围时,应不仅注意所使用的特定用语,而是也要注意【附图说明】和上下文,以及结构,构造,功能,和/或所参照和说明的构件的用途,包括用语与若干图相关的方式,当然,以及用语在所附权利要求中的精确用法。此外,当与某类涡轮发动机相关地提出以下示例时,本发明的技术还可应用于其他类型的涡轮发动机,如相关技术领域的技术人员将理解的。
[0067]鉴于涡轮发动机操作的特性,可能贯穿本申请使用若干描述用语,以解释发动机和/或包含在其内的若干子系统或构件的功能,且可证实在本部分的开始限定这些用语是有益的。因此,这些用语和它们的定义如下,除非另有陈述。用语“前方”和“后方”在不具有其他特殊性的情况下指与燃气涡轮的定向相对的方向。即,“前方”指发动机的前方或压缩机端,且“后方”指发动机的后方或涡轮端。将理解的是,这些用语中的各个可用来指示移动或发动机内的相对位置。用语“下游”和“上游”用于指示在指定管道内相对于移动通过其的流动的大体方向的位置。(将理解的是,这些用语参照相对于在正常操作期间的预期流动的方向,该预期流动对于本领域技术人员应明显是显而易见的)。用语“下游”指流体流过指定管道的方向,而“上游”指与其相反的方向。因此,例如,通过涡轮发动机的工作流体的主流(其如穿过压缩机移动的空气,且然后变为燃烧器内和远处的燃烧气体)可描述为朝压缩机的上游或前方端部在上游位置处开始且朝涡轮的下游或后方端部在下游位置处终止。关于描述在普通类型燃烧器内的流动方向,如在下面更详细地讨论的,将理解的是,压缩机排放空气通常穿过冲击端口进入燃烧器,冲击端口朝燃烧器的后方端部集中(相对于燃烧器纵向轴线和限定前方/后方区别的前述压缩机/涡轮定位)。一旦在燃烧器中,则压缩空气被围绕内部室形成的流动环朝燃烧器的前方端部引导,在此空气流进入内部室,且从而反转其流动方向,朝燃烧器的后方端部行进。在另一上下文中,流动通过冷却通道的冷却剂可以以相同的方式处理。
[0068]此外,鉴于压缩机和发动机关于中心共同轴线的构造,以及对许多燃烧器类型而言共通的圆柱形构造,可在本文中使用描述相对于轴线的位置的用语。在此方面,将理解的是,用语“径向”指垂直于轴线的移动或位置。与此相关,可能需要描述距中心轴线的相对距离。在这种情况下,如果第一构件比第二构件更靠近中心轴线,则第一构件将描述为在第二构件的“径向内部”或“内侧”。另一方面,如果第一构件比第二构件距中心轴线更远,则第一构件在本文中将描述为在第二构件的“径向外部”或“外侧”。另外,如将理解的,用语“轴向”指平行于轴线的移动或位置。最后,用语“周向”指环绕轴线的移动或位置。如所提到的,虽然这些用语可相对于延伸穿过发动机的压缩机和涡轮区段的公共中心轴线地使用,但这些用语也可相对于发动机的其他构件或子系统地使用。例如,在圆柱形燃烧器的情况下(其对于许多燃气涡轮机器而言是共通的),给予这些用语相对含义的轴线是延伸穿过横截面形状的中心的纵向中心轴线,该横截面形状最初是圆柱形的,但在其靠近涡轮时过渡为更环形的外形。然而,除非另有说明,否则这些用语的使用应理解为相对于燃气涡轮的中心轴线和前方和后方方向(它们分别对应于机器的压缩机和涡轮端)。应进一步理解的是,当此种用语用于描述特定构件时,假定构件构造成处于燃气涡轮内的组装状态。
[0069]图1是燃气涡轮10的示意图。通常,燃气涡轮通过从加压热气体流提取能量而操作,该加压热气体流是通过燃料在压缩空气流中的燃烧而产生的。如图1所例示的,燃气涡轮10可构造为具有轴向压缩机11,该轴向压缩机11通过共同的轴或转子而机械地联接于下游涡轮区段(或“涡轮”)12,且燃烧器13位于压缩机11与涡轮12之间。虽然图1示出了燃气涡轮的工业发电应用,但应明白的是,在本文中描述的本发明可用在所有类型的燃烧涡轮发动机中,包括例如用在飞行器、船只、和机车系统中的那些发动机。另外,虽然在本文中描述的流路组件是在燃烧涡轮的上下文中描述的,但其也可用在其他涡轮机系统中,诸如,例如蒸汽涡轮,水力涡轮、或独立压缩机。
[0070]图2例示了可用在图1的燃气涡轮10中的示范多级轴向压缩机11的视图。如图所示,压缩机11可包括多个级。各级可包括由一排压缩机定子叶片15跟着的一排压缩机转子叶片14。因此,级可包括绕中心轴旋转的一排压缩机转子叶片14,后面跟着在操作期间保持静止的一排压缩机定子叶片15。
[0071]图3例示了可用在图1的燃气涡轮中的示范涡轮12的局部视图。涡轮12可包括多个级,级中的各个包括在操作期间围绕轴旋转的多个转子叶片16,和保持静止的多个喷嘴或定子叶片17。定子叶片17通常与彼此周向地间隔且围绕旋转轴线固定。转子叶片16可安装在转子叶轮上以用于围绕轴旋转。将理解的是,定子叶片17和转子叶片16位于涡轮12的热气体路径中。通过热气通道的热气体的流动方向由箭头指出。如本领域技术人员将理解的,涡轮12可具有比图3中例示的数目更多或在某些情况下更少的级。各附加级可包括由一排转子叶片16跟着的一排定子叶片17。
[0072]注意,如在本文中使用的,在不具有其他特殊性的情况下对“转子叶片”的参照是对压缩机11或涡轮12的旋转叶片的参照,其可包括压缩机转子叶片14和涡轮转子叶片16 二者。在不具有其他特殊性的情况下对“定子叶片”是对压缩机11或涡轮12的静止叶片的参照,其可包括压缩机定子叶片15和涡轮定子叶片17 二者。最后,用语“叶片”在本文中可用于广泛地指任何类型的叶片。因此,在不具有其他特殊性的情况下,用语“叶片”可用于包含地指所有类型的燃气涡轮叶片,包括压缩机转子叶片14、压缩机定子叶片15,涡轮转子叶片
16、和涡轮定子叶片18。还应明白的是,本申请不限于仅仅与压缩机流路相关的组件,而是其还可在涡轮流路内具有相同的应用。
[0073]在一个操作示例中,压缩机转子叶片14在轴向压缩机11内的旋转可压缩空气流。在燃烧器13中,当压缩空气与燃料混合且点燃时,可释放能量。来自燃烧器13的所得的热气体流(其可指发动机的工作流体)然后被引导到转子叶片16上。工作流体流然后可引起转子叶片16绕轴的旋转。以此方式,工作流体流的能量被变换为旋转叶片的机械能,且由于转子叶片和轴之间的连接而被变换为旋转轴的机械能。轴的机械能然后可用于驱动压缩机转子叶片14的旋转,使得产生所需的压缩空气供应以用于燃烧器,且还用于驱动例如发电机以产生电力。
[0074]作为背景,图4和5提供根据常规设计的转子和流路边界组件的示范构造。如将理解的,图4是示范转子叶轮和转子叶片组件的分解透视图,而图5是根据常规设计的包括静止环形填充件19的流路的更详细的横截面图。如图所示,压缩机的转子20例如可包括多个转子叶轮22。多个转子叶片14可绕各转子叶轮22以环形阵列的形式配置。转子叶片14中的各个可包括翼型件23,以及根部部分(或“根部”)24,转子叶片14通过根部部分24附接到转子叶轮22的。如在图5中更清晰地示出的,根部24可包括在最内径向表面上形成的连接件或燕尾件25。连接件或燕尾件25可构造成用于安装在对应的匹配表面或燕尾槽26中或上。燕尾槽26例如可轴向地定向且以规则的周向间隔穿过转子叶轮22的周缘或边沿27而形成。如下面关于另一类型的叶片构造(见图6)讨论的,根部24还可包括柄43,柄43在连接件或燕尾件25和平台28之间延伸。平台28配置在翼型件23和根部24的接合处。将理解的是,翼型件23是转子叶片14的活动构件,其在压缩机的情况下通过转子叶轮22的旋转而穿过流路驱动工作流体流。转子叶片14的翼型件23可包括凹入的压力侧面30和周向地或侧面地相反的凸起的吸力侧面31,它们分别在翼型件23的相反的前缘和尾缘32,33之间轴向地延伸。压力侧30和吸力侧面31还沿径向方向从平台28延伸到在外末梢34。如图4所示,在外末梢34可位于限定出穿过压缩机的流路的外边界35的周围静止结构附近。如将理解的,平台28可构造成限定流路的内边界36的轴向区段。
[0075]在压缩机11和涡轮12内,一排定子叶片15可位于定位至各侧的一排转子叶片14之间。排中的定子叶片15中的各个可构造成从与流路的外边界35的连接处径向向内地延伸。定子叶片15可包括用于与穿过压缩机11的工作流体流相互作用的翼型件37,且如所例示的,静止环形填充件19可连接在翼型件37的内侧末梢38处,以合乎需要地配置在环形腔39内。如将理解的,环形腔39指在转子叶片14的相邻排之间形成的内径向间隙。更具体而言,两个邻近排的转子叶片14可在它们之间限定周向的延伸的环形间隙,如在本文中使用的,其是环形腔39。如上所例示的,环形腔39可相对于环绕它的结构和通往流路的平面来描述。因此,沿着上游间隙面,环形腔39可在该方向上由转子叶片14的根部24限定,且同样地,沿下游间隙面到它的那一侧由转子叶片14的根部24限定。环形腔39的内侧基底可以由连接转子叶片14的邻近排的转子叶轮22的旋转交叉结构限定,如图4所示。其他构造也是可能的,因为内侧基底还可由转子叶轮22的边沿27限定,如在下面更详细地讨论的。如果没有图4的静止环形填充件,那么环形腔39可通往流路,其可称为外侧上限(outboard ceiling)。如在本文中使用的,外侧上限可相对于参考平面来限定,该参考平面接近环绕的平台28的表面轮廓的延续部分。即,参考平面可在在其各侧上在转子叶片14的平台28之间延伸且与它们近似共面。根据常规设计,静止填充件19可位于环形腔39内且包括侧壁,侧壁在环形填充件的各侧与平台一起基本上形成穿过压缩机11轴向区段的流路的内边界36。根据常规设计,静止环形填充件19可形成密封(未示出),其中旋转结构围绕该密封定位,以便防止跨过叶片级的泄漏。
[0076]图6和7是根据本发明示范实施例的处于安装位置的转子叶片14和旋转环形填充件47的示意图。还参照图8到10,其提供了根据优选实施例的环形填充件47的若干更近的视图,且参照图10和11,它们提供了可用于合乎需要地配置的转子叶片14和环形填充件47的示范燕尾件连接件,环形填充件47可定位在转子叶片14的排之间。如将理解的,转子叶片14可描述为包括相对于穿过流路的工作流体流的上游排和下游排。上游转子叶片14可包括平台28,平台28限定流路的内边界36的上游轴向区段。类似地,下游转子叶片14可包括平台28,平台28限定流路的内边界36的下游轴向区段。环形填充件47如图所示,可定位在上游和下游转子叶片14之间,且可包括外侧平面和/或轮廓表面48,该轮廓表面48限定流路的内边界36的轴向区段的至少一部分,该至少一部分存在于流路的由上游和下游转子叶片14的平台28限定的那些部分之间或桥接那些部分。
[0077]环形填充件47的外侧表面48可构造成实现在由流路的第一和第二轴向区段限定的内边界36之间的内边界过渡。根据优选实施例,环形填充件47的外侧表面48的内边界过渡可包括在上游和下游转子叶片14的平台28的表面轮廓之间过渡的平滑空气动力构造。该空气动力过渡可对应于上游转子叶片14平台28的后缘表面轮廓与下游转子叶片14平台28的前缘表面轮廓之间的径向过渡。如在图8到10中更清楚地描述的,环形填充件47可包括在外侧表面48与匹配的表面之间延伸的柄部(“填充件柄”)52,其可包括填充件燕尾件51,该填充件燕尾件51构造成接合在转子叶轮22中形成的轴向地接合的连接件或燕尾槽26,如结合图11和12更详细地讨论的。
[0078]根据某实施例,环形填充件47可构造成包括悬伸臂57。如所例示的,悬伸臂57可包括轴向悬臂区段,该轴向悬臂区段延伸超过填充件燕尾件51的轴向界限。尽管其他构造是可能的,但悬伸臂57可朝下游转子叶片14的平台28向后延伸。即,悬伸臂57可向后延伸一段距离,以将环形填充件47的后缘期望地定位为接近下游转子叶片14的平台28的前缘。通过以此方式构造,将理解的是,环形填充件47的外侧表面48可描述为包括悬臂轴向区段和未悬臂轴向区段。根据优选实施例,悬臂轴向区段与未悬臂轴向区段的比率可在大约0.3至
0.6之间。
[0079]如在图11和12中最清楚地示出的,本发明包括转子叶轮22,该转子叶轮22具有用来将转子叶片14和环形填充件47连接到其的轴向连接件。例如,转子叶轮22可具有连接件,该连接件轴向地接合且共同地支持和固连环形填充件47和与环形填充件47的上游侧邻近的转子叶片14二者。根据优选实施例,该布置可用在压缩机11的流路内。根据另一示例,转子叶轮22可包括连接件,该连接件轴向地接合且共同地支持和固连环形填充件47和定位在环形填充件47的正下游的转子叶片14二者。根据优选实施例,该布置可用在涡轮12的流路内。通过这样构造,将理解的是,环形填充件47是旋转构件,且还沿与相邻的转子叶片14公共的连接轴线受到支持。虽然为相邻的构件,然而根据优选实施例,转子叶片14和环形填充件47构造为相对于彼此分开的,非整体地形成的构件。
[0080]连接环形填充件47和转子叶片14二者的轴向连接件可形成在转子叶轮22的边沿上。转子叶片14的匹配表面可形成在转子叶片14的径向最内面上。类似地,环形填充件47的匹配表面可形成在环形填充件47的径向最内面上。根据优选实施例,连接件包括轴向地定向的燕尾槽26。在此种情况下,转子叶片14和环形填充件47中的各个上的匹配表面可构造为轴向地伸长的燕尾件25,该燕尾件25用于可滑动地接合燕尾槽26。如将理解的,燕尾槽26可在形成在前方轴向面59上的成形燕尾件开口与转子叶轮22的后方轴向面61之间延伸。燕尾槽26可形成到转子叶轮22的边沿27中。燕尾件25和燕尾槽26可构造成包括多个对应的压力面64,压力面64防止它们之间的相对径向移动,从而在操作期间固连和支持转子叶片14和环形填充件47。更具体而言,转子叶片14的燕尾件25的横截面和环形填充件47可如此构造以对应于在转子叶轮22的轴向面59,61上形成的成形燕尾件25开口。上游转子叶片14的燕尾件25和环形填充件47在安装时可包括公共轴线。根据备选实施例,在转子叶片14/环形填充件47和转子叶轮22之间的轴向地定向的连接件可颠倒,使得轴向地定向的燕尾件限定在转子叶轮22上,且轴向地定向的燕尾槽26形成在转子叶片14/环形填充件47上。更具体而言,燕尾件可形成以便从边沿27径向地凸出,且在转子叶轮22的轴向面59,61之间轴向地延伸。在此种情况下,如将理解的,转子叶片14和环形填充件47二者的匹配表面可构造为轴向地伸长的燕尾槽,该燕尾槽构造成可滑动地接合在转子叶轮22的边沿27上形成的燕尾件。
[0081]图12是根据本发明示范实施例的由叶片燕尾件25和环形填充件47燕尾件25接合的燕尾槽26的透视侧剖视图。如将理解的,燕尾槽26可包括与转子叶轮22的厚度对应的轴向长度。根据优选实施例,转子叶片14的燕尾件25可具有至少超过燕尾槽26的轴向长度的一半的轴向长度。环形填充件47的燕尾件25可包括如下轴向长度,其可近似与转子叶轮22的燕尾槽26的轴向长度和转子叶片14的燕尾件25的轴向长度之间的差值一致。根据优选的实施例,转子叶片14的燕尾件25可构造为包括占燕尾槽26的轴向长度的至少70 %的轴向长度。
[0082]如已提到的,上游和下游转子叶片14之间的距离可称为在它们之间形成的环形腔39的轴向间隙宽度。上游间隙面(其例如可由上游转子叶片14的根部24限定)和下游间隙面(其例如可由下游转子叶片14的根部24限定)可形成环形腔39的各轴向侧,且因此,轴向间隙宽度可为这些构件之间的距离。环形腔39的内侧基底可由转子叶轮22的边沿限定,且环形腔39的外侧上限可由参考平面限定,该参考平面在上游和下游转子叶片14的平台28之间延伸且与它们近似共面。根据某优选实施例,环形填充件47的外侧表面48构造成与环形腔39的外侧上限近似共面。备选地,环形腔39可描述为包括围绕流路周向地延伸的轴向间隙宽度,其中该轴向间隙宽度限定在上游转子叶片14的平台28的后缘和下游转子叶片14的平台28的前缘之间。在该情况下,环形填充件47的外侧表面48可如此构造以桥接环形腔39的基本上全部的轴向间隙宽度。环形填充件47的外侧表面48可包括前缘,该前缘基本上抵接上游转子叶片14的平台28的后缘。环形填充件47的外侧表面48还可包括后缘,该后缘与下游转子叶片14的平台28的前缘处于接近、间隔的关系。该接近、间隔的关系可基于在燃气涡轮的操作期间穿过其的工作流体的有限吸入。
[0083]如在图7至11中进一步示出的,公开了提供环形填充件47和转子叶片14组件的有效且可靠的轴向固持的特征,同时根据某优选实施例,这些特征还提供对跨过叶片排的泄漏流的阻力。根据示范实施例,根据本发明的轴向固持件可包括径向凸出,例如侧缘(skirt)53,该侧缘53径向地凸出,以便与从转子叶轮22的边沿27突出的阻挡表面或径向台阶69径向地重叠。如在本文中使用的,例如,侧缘53可与阻挡结构径向地重叠,如果侧缘53构造成以便包括内侧边缘,该内侧边缘位于阻挡结构的外侧边缘的径向内侧。如所例示的,侧缘53可构造在环形填充件47的前缘处,以便包括与环形填充件47的前方面55相反的轴向地定向的后方面或接触表面54。径向台阶69可形成为使得一旦环形填充件47沿燕尾槽26滑动以达到期望或安装位置,则在其与侧缘53之间的径向重叠阻止环形填充件47的轴向移动。安装位置可为期望的轴向位置,使得环形填充件47的构件相对于周围的结构达到期望的空间关系,诸如,例如环形填充件47的后缘从下游转子叶片14的平台28的前缘偏移期望距离的位置。
[0084]根据优选的实施例,径向台阶69可从转子叶轮22的边沿27径向地突出,且朝燕尾槽26的后方端部定位。尽管其他构造也是可能的,但如图中所示,径向台阶69可构造成使得一端邻近转子叶轮22的后方轴向面61。如所例示的,径向台阶69可从转子叶轮22的边沿27凸出,通过如此构造,可限定轴向定向的面或接触表面70,这意味着与环形填充件47的对应的径向地重叠的表面即前述后方面或接触面54抵触。根据优选实施例,在图11中最清楚地例示的,一对径向台阶69可围绕燕尾槽26周向地间隔。以此方式,环形填充件47的侧缘53的接触面54可在燕尾槽26的各侧上接触径向台阶69。如将理解的,这通常在更大的表面面积上扩展径向台阶69和侧缘53的接触面54之间的接触面积,因此,可改善界面的可靠性和耐久性。如将理解的,在提供可靠的连接的同时,固持特征阻碍跨过叶片排的泄漏。具体而言,一旦形成界面,则侧缘53/台阶69组件可阻挡潜在的泄漏通道。而且,如将理解的,该连接可构造成填充内侧或平台下区域中的更多,使得在操作期间通常灌入这些区域的高压流体具有更受限的泄漏流路。
[0085]图13是示出根据本发明示范实施例的两个转子叶片14和环形填充件47组件的侧面示意侧视图。如将理解的,转子叶片14和环形填充件47组件可通过各自的相对轴向长度来描述。例如,转子叶片14的根部的轴向长度可限定根部长度(图13中的“U”),且环形填充件47的外侧表面48的轴向长度可限定填充件长度(图13中的“L2”)。虽然其他构造是可能的,但根据优选实施例,转子叶片14和环形填充件47可构造成使得填充件长度与根部长度的比率在大约0.3至0.7之间。更优选地,填充件长度与根部长度的比率可为大约0.5。根据另一优选实施例,转子叶片14和环形填充件47可构造成使得填充件长度与根部长度的比率在大约0.4至0.8之间。更优选地,填充件长度与根部长度的比率包括大约0.6。
[0086]图14是根据本发明备选实施例的具有备选轴向固持特征的转子叶片14和环形填充件47的侧视图。还参照图15和16,还分别地提供燕尾槽26的俯视图和图14的环形填充件47的侧视图。如所例示的,根据示范实施例,环形填充件47可包括伸长的径向凸出小块(nub)或筋72,小块或筋72在横截面形状方面与在燕尾槽26的基底74中形成的轴向地延伸的匹配沟槽73—致。如所例示的,在优选的实施例中,匹配沟槽73具有基本上恒定的横截面形状,其从转子叶轮22的前方轴向面59伸长且在位于转子叶轮22的后方部分内的终止面75处终止。根据优选的实施例,沟槽73的终止面75位于转子叶轮22的后方轴向面61附近。如将理解的,环形填充件47上的筋72可构造成包括接触面76,该接触面76形成为以便与沟槽73的终止面75径向地重叠且与其进行接触。因此,终止面75和接触面76可协作,以便一旦环形填充件47沿燕尾槽26滑动以达到期望或安装位置,则阻止环形填充件47的继续的向后轴向移动。根据优选的实施例,筋72从环形填充件47的燕尾件25的最内表面径向向内地突出。如所例示的,筋72可朝燕尾件25的前方端部定位。尽管其他构造也是可能的,但如图所示,筋72可构造成使得前方端部定位成邻近环形填充件47的燕尾件25的前方面。筋72的后方端部或接触面76可构造成位于环形填充件47的燕尾件25的轴向中点附近。
[0087]此外,图14到16的组合的转子叶片/环形填充件组件可通过额外的常规锁定机构而相对于轴向地向前的移动得到固持。以此方式,可使得组件相对于向前或向后的轴向移动固定。而且,根据备选实施例,诸如当环形填充件47位于转子叶片14的上游处,而非图中规定的下游侧时,转子叶片/环形填充件组件的构造可颠倒,使得环形填充件47从向后方向可滑动地接合,且筋72/沟槽73组件一旦接合则会限制在向前轴向方向上的进一步轴向移动。如将理解的,在该情况下,其他常规锁定机构将构造为防止组合的组件的向后轴向移动。
[0088]图17是根据本发明示范实施例的具有备选的轴向固持特征的转子叶片24和环形填充件47的侧视图。如所例示的,环形填充件47的孔口91和销92构造可用作限制转子叶片14在向前和向后的轴向方向二者上的轴向移动的一种方式。如图所示,孔口91可制成径向地延伸穿过环形填充件47,环形填充件47共用与转子叶片14相同的轴向地接合的燕尾槽26。孔口91还可延伸到转子叶轮22的边沿27中。一旦接合,则如将理解的,销92与转子叶轮22以如下方式机械地对接:以便相对于向前或向后方向上的轴向移动来固持叶片14/环形填充件47。
[0089]图18是根据示范实施例的具有备选附接构造的转子叶片14和环形填充件47的侧视图。还分别参照图19和20,图18的构造的侧视图和透视图提供了根据其他实施例的当前的额外方面。与已讨论的其他实施例一样,环形填充件47可位于邻近排的转子叶片14之间。而且,转子叶轮22的边沿27可包括轴向连接件,该轴向连接件用于接合在转子叶片14的径向最内面上形成的匹配表面。然而,在该情况下,环形填充件47可通过连接件而连接到转子叶轮22,该连接件不以与转子叶片14的连接件相同的方式定向。按照这些实施例,如所例示的,转子叶轮22的边沿27可包括周向连接件,该周向连接件用于周向地接合在环形填充件47的径向最内面上形成的匹配表面。更具体而言,如前所述,转子叶片14的轴向连接件可包括轴向地定向的燕尾槽26,且转子叶片14上的对应的匹配表面是构造成可滑动地接合燕尾槽26的轴向地伸长的燕尾件25。然而,在环形填充件47的情况下,可形成包括围绕转子叶轮22的边沿27形成的周向燕尾件81的周向连接件,如所例示的,且环形填充件47的匹配表面可构造为与燕尾件81对应的周向地定向的燕尾槽82。燕尾槽82可构造成用于可滑动地接合叶轮燕尾件81。根据另一例子,转子叶轮22可构造为以便包括周向燕尾槽,且环形填充件47可构造为以便包括燕尾件。
[0090]此外,根据优选实施例,如在图20中最清楚地示出的,悬伸臂57可形成在外侧表面48的前缘上。悬伸臂57可包括延伸超过燕尾槽82的轴向界限的轴向悬臂区段。根据优选实施例,悬伸臂57还可描述为延伸超过环形填充件47的柄52的轴向界限,如所例示的。尽管其他构造也是可能的,但悬伸臂57可朝上游转子叶片14的平台28向前延伸。即,悬伸臂57可向前延伸一段距离,以将环形填充件47的前缘合乎需要地定位在上游转子叶片14的平台28的后缘附近。如图19和20中还示出的,后方侧缘77可定位在外侧表面48的后方边缘处。如所例示的,后方侧缘77可沿环形填充件47的后缘径向向内地延伸,且因此,可限定面朝后的侧缘面78。
[0091 ]根据本发明,环形填充件47和转子叶轮22之间的燕尾件附接几何结构可包括改善连接性能的若干特征。首先,可包括多于一个的压力面64,这例如可以通过多叉“树”构造来实现。此外,压力面64可成角度,以便防止邻接构件内的集中应力。因此,压力面64的角度相对于发动机旋转中心线可在0°和90°之间变化。例如,根据优选实施方式,如在图18和19中例示的,压力面64可以以近似45°成角度。根据另一优选实施例,如图20中所例示的,压力面相对于发动机旋转中心线可为近似0°。如在图20中还例示的,用于分散应力的其他特征可并入燕尾件连接件的几何结构内。如将理解的,应力集中的减小可使转子叶轮22和环形填充件47的寿命跨度最大化,而不消极地影响性能。因此,根据一个实施例,形成在转子叶轮22上的燕尾件81可包括如图20中所示的斜面转角85。根据另一实施例,回切口(backcut)86可形成在填充件燕尾槽86的转角处,以便在更大面积上分散在其他情况下将集中在该位置处的应力。材料可使用任何合适的工艺来移除,诸如磨削或铣削工艺等。如将理解的,这些特征还可与在本文中公开的其他实施例一起使用。
[0092]如本领域技术人员将理解的,以上与若干示范实施例相关地描述的许多变化的特征和构造可进一步选择性地应用,以形成本发明的其他可能的实施例。出于简洁和考虑本领域技术人员的能力,在本文中不详细地讨论各可能的重复,然而由以下的若干权利要求包含的所有的组合和可能的实施例意图为本申请的一部分。此外,根据本申请的若干示范实施例的以上描述,本领域技术人员将认识到改进、变化和修改。本领域内的此种改进、变化和修改还意图由所附权利要求覆盖。而且,应明白的是,前述仅与本申请的所描述的实施例相关,且可在本文中作出许多变化和修改,而不脱离由下面的权利要求及其等同物限定的本申请的精神和范围。
【主权项】
1.一种燃气涡轮,其包括具有转子组件的流路,所述转子组件包括: 第一转子叶轮,其支持第一转子叶片,所述第一转子叶片包括平台,所述平台限定所述流路的内边界的第一轴向区段; 第二转子叶轮,其支持第二转子叶片,所述第二转子叶片包括平台,所述平台限定所述流路的内边界的第二轴向区段;和 环形填充件,其包括外侧表面,所述外侧表面限定在所述流路的内边界的第一轴向区段和第二轴向区段之间存在的所述流路的内边界的第三轴向区段的至少一部分; 其中,所述第一转子叶轮包括轴向连接件,所述轴向连接件用于轴向地接合在所述第一转子叶片的径向最内面上形成的匹配表面;且 其中,内侧旋转结构包括周向连接件,所述周向连接件用于周向地接合在所述环形填充件的径向最内面上形成的匹配表面。2.根据权利要求1所述的燃气涡轮,其中,所述轴向连接件包括轴向燕尾槽;且 其中,所述第一转子叶片上的匹配表面包括构造成用于可滑动地接合所述轴向燕尾槽的轴向地伸长的燕尾件。3.根据权利要求2所述的燃气涡轮,其中,所述周向连接件包括从所述转子叶轮的边沿凸出的周向燕尾件;且 其中,所述环形填充件的匹配表面包括构造成用于可滑动地接合所述周向燕尾件的周向地伸长的燕尾槽。4.根据权利要求3所述的燃气涡轮,其中,所述轴向连接件的轴向燕尾件和燕尾槽包括多个对应的压力面,以用于防止它们之间的相对径向移动。5.根据权利要求3所述的燃气涡轮,其中,所述周向连接件的周向燕尾件和燕尾槽包括多个对应的压力面,以用于防止它们之间的相对径向移动。6.根据权利要求1所述的燃气涡轮,其中,所述轴向连接件包括从所述转子叶轮的边沿凸出的轴向燕尾件;且 其中,所述第一转子叶片上的匹配表面包括构造成用于可滑动地接合所述轴向燕尾件的轴向地伸长的燕尾槽。7.根据权利要求1所述的燃气涡轮,其中,所述周向连接件包括周向燕尾槽;且 其中,所述环形填充件的匹配表面包括构造成用于可滑动地接合所述周向燕尾槽的周向地伸长的燕尾件。8.根据权利要求7所述的燃气涡轮,其中,所述轴向连接件的轴向燕尾件和燕尾槽包括多个对应的压力面,以用于防止它们之间的相对径向移动;且 其中,所述周向连接件的周向燕尾件和燕尾槽包括多个对应的压力面,以用于防止它们之间的相对径向运动。9.根据权利要求3所述的燃气涡轮,其中,相对于在所述燃气涡轮的操作期间穿过所述流路的工作流体的预期流动方向,所述第一轴向区段包括上游轴向区段且所述第二轴向区段包括所述流路的内边界的下游轴向区段,且所述第三轴向区段包括配置在它们之间的所述流路的内边界的中间轴向区段。10.根据权利要求9所述的燃气涡轮,其中,所述燃气涡轮包括可操作地连结到涡轮的压缩机,且所述流路包括压缩机流路;且 其中,所述环形填充件包括旋转的整体地形成的构件。
【文档编号】F01D11/00GK105863742SQ201511036306
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年12月31日
【发明人】M·J·希利, J·P·拉蒂默
【申请人】通用电气公司
再多了解一些
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