专利名称：包括风挡的涡轮叶片组件的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种涡轮风挡(气流调节器，damper)，更具体地涉及一种用于调节涡轮叶片组件周围的气流的涡轮风挡。
背景技术：
公知燃气轮机(“GTE”)包括安装在驱动轴上的涡轮转子组件的一个或多个级。 每个涡轮转子组件包括围绕涡轮转子沿径向向外并彼此沿周向隔开地延伸的多个涡轮叶片。GTE点燃空气/燃料的混合物以产生流过涡轮叶片的高温压缩气流，这使涡轮叶片旋转涡轮转子组件。来自各涡轮转子组件的旋转能量可被传递至驱动轴，以为负载例如发电机、 压缩机或泵提供动力。涡轮叶片通常包括从涡轮叶片平台的相对侧延伸出的根部结构和翼型件。公知涡轮转子包括用于接纳各涡轮叶片的槽。各槽的形状可类似于各对应的涡轮叶片的根部结构的形状。当多个涡轮叶片被装配到涡轮转子上时，可在相邻的涡轮叶片的涡轮平台之间和 /或下方形成平台下方腔室。高温压缩气体通过相邻的涡轮叶片平台之间的间隙进入平台下方腔室可导致涡轮叶片由于过热而过早疲劳。已知用于调节涡轮转子组件周围的压缩气流的各种系统和构件。已知某些系统利用定位在涡轮叶片之间的风挡来调节涡轮转子组件内的气流。此外，已知使用可动元件来桥接相邻的涡轮叶片平台之间的间隙。在某些情况下，还已知利用与可动元件相结合的风挡。Athans等人的美国专利No. 7，097，429( “ ‘ 429专利”)中描述了包括定位在相邻的涡轮叶片之间以调节涡轮转子级周围的气体流量的密封体的系统的一个实例。‘429 专利公开了一种包括多个涡轮叶片的转子盘。各涡轮叶片包括翼型件、平台和柄部。柄部可向下延伸到多叶形榫槽，以将涡轮叶片安装在转子盘上。密封体定位在柄部之间并在相邻的涡轮叶片的平台下方。密封体包括布置在密封体的前端处的扩大的密封板。该扩大的板叠盖相邻的柄部的前表面以提供密封。该密封体还通过布置在一对轴向凸部或柄舌上方的矩形头部在后端处密封。该扩大的板包括用于在操作期间定量供应柄部之间的少量吹扫空气的小入口。尽管'429专利的系统公开了在相邻的涡轮叶片的柄部之间使用密封体，但其存在某些缺点。例如，‘4 专利的密封体公开了在后端上具有小头部，该小头部可能易于漏气。此外，‘4 专利的密封体不容许在涡轮柄部的前表面处的扩大的密封板的外缘周围调节冷却气流。
发明内容
—方面，本发明涉及一种用于燃气涡轮发动机的涡轮转子组件的风挡。该风挡可包括前板。该风挡还可包括后板，该后板与前板相比具有较大的表面积。该后板可包括用于调节通过后板的气流的至少一个孔口。该风挡还可包括连接前板和后板的纵向结构。
另一方面，本发明涉及一种调节涡轮转子组件内的第一气流和第二气流的方法， 其中该涡轮转子组件包括一对涡轮叶片和安装在该涡轮转子上的风挡。该方法可包括容许第一量的第一气流流经风挡的前板并进入在该对涡轮叶片与涡轮转子的外周缘之间形成的平台下方腔室。该方法还可包括调节离开平台下方腔室的第一气流的第二量，使得在平台下方腔室中产生正压，从而抑制第二气流进入平台下方腔室。
图1是根据本发明的安装在固定不动的支承结构上的GTE的示意图；图2是包括示例性涡轮风挡的图1的GTE的部分涡轮转子组件的示意图；图3是图2的涡轮转子组件的一对相邻的涡轮叶片的局部截面图；图4是从涡轮转子组件的前表面沿涡轮转子的拉刀角(broach angle)向后方看到的、带有另一涡轮叶片的图2的涡轮转子组件的示意图；图5是从涡轮转子组件的后表面沿涡轮转子的旋转轴线向前方看到的、带有另外两个涡轮叶片的图2的涡轮转子组件的示意图；图6是与涡轮转子组件分离的图2的示例性涡轮风挡的示意图；图7是图6的示例性涡轮风挡从相对侧的示意图。
具体实施例方式图1示出了安装在固定不动的支承结构12上的GTE 10。GTE 10可具有多个区段， 包括例如压缩机区段14、燃烧室区段16和涡轮区段18。GTE 10还可包括附接至压缩机区段14的进气管道20和附接至涡轮区段18的排气集气箱22。在GTE 10工作期间，压缩机区段14可经进气管道20将空气吸入GTE 10并在压缩空气的至少一部分进入燃烧室区段16以进行燃烧之前压缩空气。剩余的压缩空气的至少一部分(下文称为“冷气流”)可用于非燃烧目的(例如，冷却GTE 100的一个或多个区段)并且可例如通过壁(未示出)与用于燃烧目的的压缩空气部分分隔开地行进通过GTE 10。用于燃烧的压缩空气部分可与燃料混合，并且空气/燃料混合物可在燃烧室区段16中被点燃。燃烧室区段16由此产生的燃烧气体(下文称为“热气流”)可被发送经过涡轮区段18，以使附接至驱动轴沈的一个或多个涡轮转子组件24(其中一个在图2中部分地示出)旋转，从而提供旋转动力。在经过涡轮区段18之后，燃烧室区段16所产生的热气流可在被排入大气之前被引入排气集气箱22。进气管道20、压缩机区段14、燃烧室区段16、涡轮区段18和排气集气箱22可沿GTE 10的纵向轴线观对准。与气流有关的术语“热”和 “冷”的使用仅旨在表示“热气流”的温度总体上高于“冷气流”的温度。涡轮转子组件M可旋转驱动轴沈，该驱动轴沈可将旋转动力传递给负载(未示出)，例如，发电机、压缩机或泵。多个涡轮转子组件M可沿纵向轴线观在驱动轴26上轴向对准以形成多个涡轮级。例如，涡轮区段18可包括四个涡轮级。各涡轮转子组件M可被安装在共用驱动轴沈上，或各涡轮转子组件M可被安装在不同的同轴驱动轴(未示出) 上。如图2-5所示，涡轮转子组件M可包括各种构件，包括例如涡轮转子30、涡轮叶片32、密封元件34和风挡36。图2示出了涡轮叶片32、密封元件34和风挡36在涡轮转子30上的相对位置。图3示出了形成在相邻的涡轮叶片32之间的空间的局部截面图和密封元件34的运动。图4示出了包括定位在一对涡轮叶片32之间的风挡36的涡轮转子组件M的前侧。图4还示出了风挡36可露出间隙82以便将前板76的外缘84周围的冷气流46接收到平台下方腔室60中。图5示出了包括三个涡轮叶片32以及风挡36的涡轮转子组件M的后侧。图5还示出了风挡36可限制后板78的外缘86周围的冷气流46，但可允许一小部分冷气流46经后板78的一个或多个孔口 118离开平台下方腔室60。尽管图2中仅部分地示出涡轮转子组件M带有单个涡轮叶片32、单个密封元件 34和单个风挡36，但可以设想，各涡轮转子组件M可包括围绕涡轮转子30周向地定位的多个涡轮叶片32、多个密封件34和多个风挡36。涡轮转子30可包括前表面38、后表面 40 (在图5中示出)和周向外缘42。涡轮转子30还可包括贯穿涡轮转子30延伸的多个槽 58，其中各槽58可构造成固定对应的涡轮叶片32。基于本说明书的目的，称为“前”的元件可在对应的称为“后”的元件的上游。即， 例如，GTE 10内的典型热气流将在经过“后”元件之前经过“前”元件。通过箭头44表示的热气流和通过箭头46表示的冷气流可沿从前至后的方向经涡轮转子组件M流经涡轮区段 18。如上所述，热气流44通常可通过壁(未示出)与冷气流46分隔开。各涡轮叶片32可包括从涡轮平台50向上延伸的翼型件48。此外，各涡轮叶片32 还可包括从涡轮平台50向下延伸的根部结构52。根部结构52可包括柄部53和下部55。 根部结构52的下部55可具有包括沿径向彼此隔开的一系列突起的形状以便被接纳在涡轮转子30的以类似的方式成形的槽58中。如图2所示，根部结构52可具有杉树式形状。涡轮叶片32的根部结构52可包括前表面M和后表面56 (在图5中示出)。当一对涡轮叶片32安装在涡轮转子30的相邻的槽58中时，可在相邻的根部结构52的柄部53之间、相邻的涡轮平台50下方和涡轮转子30的周向外缘42上方形成平台下方腔室60 (在图3的截面图中最佳地示出)。此外，如图2所示，平台下方腔室60可包括邻近涡轮转子30的前表面38的前端61和邻近涡轮转子30的后表面40的后端63。如图3所示，每个涡轮叶片32可包括压力侧62和吸力侧64。S卩，压力侧62可位于涡轮叶片32的包括总体上凹陷的翼形表面65的一侧上，而吸力侧64可位于涡轮叶片32 的包括总体上凸起的翼形表面67(在图5中最佳地示出)的一侧上。各涡轮叶片32可包括沿涡轮平台50的压力侧斜面66。压力侧凹座68可伸入压力侧斜面66，以收容密封元件 ；34并引导其运动。同样，各涡轮叶片32可包括沿涡轮平台50的吸力侧斜面70。吸力侧凹座72可伸入吸力侧斜面70，以在工作期间接纳密封元件34的一部分。例如，在GTE 10的工作期间，密封元件34可在离心力作用下从压力侧凹座68内的第一位置(用虚线示出) 移至至少部分地在压力侧凹座68和吸力侧凹座72各者内的第二位置(用实线示出)，以桥接分隔相邻的涡轮叶片32的斜面66、70的间隙74。S卩，密封元件34可用于调节通过平台下方腔室60与在涡轮平台50外侧的热气流44的流路75之间的间隙74的气流44、46。 在图2所示的示例性实施例中，密封元件34可为大致细长柱形的销密封件。然而，密封元件；34可具有足以调节通过间隙74的气流44、46的任何形状或尺寸。如图2中最好地示出的，风挡36可定位在涡轮转子30上，以进一步调节气流44、 46。可以设想，风挡36可定位在涡轮转子30的周向外缘42附近和相邻的根部结构52之间。风挡36可包括通过纵向结构80连接至后板78的前板76。当风挡36安装在涡轮转子30上时，前板76可定位在涡轮转子30的前表面38附近，而后板78可定位在涡轮转子30 的后表面40附近。如图4中最佳地示出的，前板76的尺寸可设计为容许冷气流46流经在相邻的涡轮叶片32的前表面M与前板76的外缘84之间形成的间隙82，由此容许一部分冷气流46进入平台下方腔室60的前端61。相反，如图5中最佳地示出的，后板78可大于 (即，具有较大的表面积)前板76并包括比前板76的外缘84更多地向外延伸的外缘86。 风挡36可限制在后板78的外缘86周围流动的冷气流46，因为后板78可包括抵靠在相邻的涡轮叶片32的后表面56上的表面88 (在图7中示出)。因此，后板78可大致完全覆盖平台下方腔室的后端63。因此，风挡36可容许冷气体46经平台下方腔室60的前端61进入同时基本上抑制冷气体46经平台下方腔室60的后端63流出，由此致使平台下方腔室60 内的压力增加。风挡36可通过前板76和后板78中的一者上的偏压元件例如利用压配合保持在转子30上就位。如图6中最佳地示出的，前板76可包括沿前板76的下部92的远端延伸的偏压唇缘90。偏压唇缘90可趋于沿朝向后板78的方向迫压前板76的下部92。当风挡 36被安装在涡轮转子30上时，偏压唇缘90可用于通过将前板76压靠在涡轮转子30的前表面38上同时抵靠涡轮转子30的后表面40和抵靠相邻的根部结构52的后表面56拉拽后板78来保持风挡36。可以设想，前板76的下部92可具有逐渐变小的厚度，以提高前板 76的偏压作用和减小风挡36上的结构应力。前落座表面94可从前板76的上部96向内纵向延伸。类似地，后落座表面98可从后板78的上部100向内纵向延伸。前落座表面94和后落座表面98可成形为与涡轮平台50的下侧几何形状102匹配，使得在GTE 10工作期间，风挡36的由于离心力的径向向外移动可被与涡轮平台50的下侧几何形状102(在图5中最佳地示出)接触的前落座表面 94和后落座表面98限制。例如，前落座表面94和后落座表面98可呈楔形，以与相邻的涡轮平台50的下侧几何形状102所形成的总体楔形几何形状相对应。如图6和图7中最佳地示出的，风挡36的纵向结构80可包括中间壁104和至少一个加强结构元件。例如，纵向结构80可包括外部结构元件106和内部结构元件108，以增加风挡36的结构刚性。因此，在一个示例性实施例中，纵向结构80的截面可大致呈I型。 纵向结构80可包括凹部110，该凹部例如贯穿内部结构元件108和中间壁104延伸以有助于前板76的偏压特性。此外，凹部110可定位在前板76附近，这可增加前板76所容许的偏压运动范围。此外，纵向结构80可包括容许气体经过的一个或多个通道。尽管在中间壁 104内邻近后板78示出单个通道112，但在纵向结构80内的通道112可具有任何数量或取向。还可以设想，纵向结构80可包括一个或多个支腿以止靠在涡轮转子30的周向外缘42 上。例如，纵向结构80可包括前支腿114(在图6中最佳地示出)和后支腿116(在图7中最佳地示出)，其中平台下方腔室60内的气流可在前、后支腿114、116之间的纵向结构80 下方自由流动。如上所述，后板78的尺寸可设计为基本上限制冷气流46经由后端63离开平台下方腔室60，这可致使平台下方腔室60内的压力增加。如图6所示，还可以设想，后板78可包括一个或多个孔口 118，以允许平台下方腔室60内的冷气流46的一部分以被调节的方式流经后板78，以例如冷却GTE 10的下游构件。可采用足以调节流到GTE 10的下游构件的冷气流46的任何数量或取向的孔口 118。可以设想，后壁78可包括居中地定位在通道112附近的单个孔口 118。或者，如图5所示，可采用贯穿后板78的多个孔口 118以调节冷气流 46。可以设想，涡轮转子30的每个槽58可包括拉刀角。即，当每个槽58跨周向外缘 42从涡轮转子30的前表面38延伸至涡轮转子30的后表面40时，每个槽58可沿周向相对于前、后表面38、40成一角度。例如，涡轮转子30的各个槽58的拉刀角可沿周向成介于0 度到25度之间的角度。在一个示例性实施例中，槽58可包括12度拉刀角。可以设想，各涡轮叶片32和风挡36可包括与其在涡轮转子30内对应的槽58相匹配的拉刀角。S卩，涡轮叶片32的每个根部结构52可相对于根部结构52的前表面M成一角度，以与其对应的槽58的拉刀角相协作。此外，风挡36可通过使纵向结构80相对于前板76和后板78各者成拉刀角的角度而具有拉刀角。尽管在图6和图7的示例性实施例中描述和示出了风挡36，但可以设想，也可采用风挡36的其它构型。例如，风挡36的前板76可包括一个或多个通道(未示出)，以便进一步调节进入平台下方腔室60的冷气流46。此外，风挡36可在没有密封元件34的情况下使用，或者可与不同类型的密封元件34 —起使用。工业实用性所公开的涡轮转子组件可应用于任何旋转动力系统，例如，GTE0现将描述装配涡轮转子组件对(即，包括涡轮转子30、涡轮叶片32、密封元件34和风挡36)的过程和调节流经涡轮转子组件M的气流44、46的过程。在涡轮转子组件M的装配过程中，例如可通过压配合将每个风挡36附接在涡轮转子30上。为了将风挡36定位在涡轮转子30上，可沿远离后板78的方向暂时地迫压前板76的偏压唇缘90，以提供用于将风挡36的前、后板76、78配合在周向外缘42上的足够的间隙。一旦风挡36在槽58之一之间适当地定位在涡轮转子30上，涡轮转子30就可被夹置在前板76与后板78之间。涡轮叶片32可例如沿从前至后的方向可滑动地安装在涡轮转子30的槽58内。如图4所示，第一涡轮叶片32A可以可滑动地安装在涡轮转子30的通向风挡36之一的一侧 (例如，吸力侧)的第一槽58A内。密封元件34 (在图3中示出)可例如在安装第二涡轮叶片32B之前定位在第一涡轮叶片32A的压力侧凹座68内。第二涡轮叶片32B可以可滑动地安装在第二槽58B内。如图4所示，风挡36的前板76可提供足够的间隙，以容许第一涡轮叶片32A和第二涡轮叶片32B经过风挡36滑入第一槽58A和第二槽58B内。代替在安装涡轮叶片32之前安装所有风挡36，还可以设想，可在安装相邻的第一涡轮叶片32A和第二涡轮叶片32B的过程之间将风挡36安装在涡轮转子30上。可重复将涡轮叶片32、密封元件34和风挡36安装在涡轮转子30上以形成涡轮转子组件M的过程，直到涡轮转子30 上的所有槽58均被涡轮叶片32占据。一旦涡轮转子组件M被完全安装并且GTE 10准备好开始工作，涡轮转子组件M 就可帮助调节通过涡轮区段18的气流44、46。在工作期间，撞击涡轮叶片32的热气流44 可使涡轮转子组件M旋转。如上所述，涡轮转子组件M的旋转所引起的离心力趋于使密封元件34从第一位置(用虚线示出)向外移至第二位置(用实线示出)，在第二位置处，密封元件34可横跨间隙74并限制热气体44流经该间隙。此外，冷气流46可流经根部结构52的前表面54，流经在风挡36的前板76的外缘84与相邻的根部结构52的前表面M之间形成的间隙82，并流入平台下方腔室60的前端61。被容许进入平台下方腔室60的冷气流46可趋于使平台下方腔室60内的压力增加至高于平台下方腔室60外部(例如，流路75)的压力，因为后板78的表面88可趋于抵靠在根部结构52的后表面56上，以限制冷气流46离开平台下方腔室60的后端63。S卩，冷气流46在平台下方腔室60的后端63处比在平台下方腔室60的前端61处受到更多限制。 因此，与平台下方腔室60外部的较低压力相比，平台下方腔室60中产生的正压差可趋于抑制热气流44经间隙74进入平台下方腔室60。由于气流趋于从压力较高的区域移至压力较低的区域，因此平台下方腔室60内处于较高压力的冷气流46可趋于抑制热气流44经间隙 74进入。此外，风挡36可例如通过一个或多个后板孔口 118调节流向GTE 10的下游构件的冷气流46。为了维持平台下方腔室60内的正压，可以设想，在平台下方腔室60的前端 61处的间隙82可比在平台下方腔室60的后端63处的孔口 118受到更少限制。通过采用在平台下方腔室60内形成正压以抑制热气体44进入的风挡36，所公开的构型可降低热气流44导致例如涡轮平台50附近的涡轮叶片32的过早疲劳的可能性。此外，结合地使用密封元件34和风挡36可进一步限制热气体44经间隙74流入平台下方腔室60，由此进一步降低热气流44损坏涡轮叶片32的可能性。对本领域的技术人员来说将显而易见的是，可以在不脱离本发明的范围的情况下对所公开的涡轮叶片组件作出各种改型和变型。根据本说明书和本文所公开的系统的实施，该涡轮叶片组件的其它实施例对于本领域的技术人员来说将是显而易见的。本说明书和示例仅为示例性的，本发明的真实范围通过以下权利要求和它们的等同方案指出。
权利要求
1.一种用于燃气涡轮发动机(10)的涡轮转子组件04)的风挡(36)，包括前板(76)；后板(78)，该后板与所述前板相比具有较大的表面积，所述后板包括用于调节穿过所述后板的气流的至少一个孔口(118)；以及连接所述前板和所述后板的纵向结构(80)。
2.根据权利要求1所述的风挡，其特征在于，所述前板包括构造成将所述风挡固定在所述涡轮转子组件的涡轮转子(30)上的偏压元件(90)。
3.根据权利要求1所述的风挡，其特征在于，所述纵向结构包括邻近所述前板的凹部 (110)，以容许增加所述前板的下部(9 的旋转。
4.根据权利要求1所述的风挡，其特征在于，所述风挡包括从所述前板朝所述纵向结构的中心向内延伸的第一落座表面(94)和从所述后板朝所述纵向结构的所述中心向内延伸的第二落座表面(98)。
5.根据权利要求1所述的风挡，其特征在于，所述后板与所述前板相比更加远离所述纵向结构向外延伸。
6.根据权利要求1所述的风挡，其特征在于，所述纵向结构包括构造成容许气流通过的通道(112)。
7.一种调节涡轮转子组件04)内的第一气流06)和第二气流04)的方法，所述涡轮转子组件包括安装在涡轮转子(30)上的一对涡轮叶片(3 和风挡(36)，所述方法包括容许第一量的所述第一气流进入在所述一对涡轮叶片与所述涡轮转子的外周缘G2) 之间形成的平台下方腔室(60)；以及调节所述第一气流离开所述平台下方腔室的第二量，使得在所述平台下方腔室中产生正压，从而抑制所述第二气流进入所述平台下方腔室。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，容许所述第一量的所述第一气流进入所述平台下方腔室包括容许所述第一量的所述第一气流经过所述一对涡轮叶片中的至少一个的前表面(54)与所述风挡的前板的外缘(84)之间的间隙(82)。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，调节所述第一气流离开所述平台下方腔室的所述第二量包括基本上限制所述第一气流经过所述风挡的后板(78)的外缘(86)周围。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，调节所述第一气流离开所述平台下方腔室的所述第二量还包括容许所述第二量的所述第一气流穿过所述风挡的所述后板中的孔口(118)。
全文摘要
本发明公开了一种用于燃气涡轮发动机(10)的涡轮转子组件(24)的风挡(36)。该风挡可具有前板(76)。该风挡还可具有后板(78)，该后板的表面积大于所述前板的表面积。该后板可包括用于调节穿过后板的气流的至少一个孔口(118)。该风挡还可具有连接前板和后板的纵向结构(80)。
文档编号F01D5/30GK102317579SQ200980156849
公开日2012年1月11日 申请日期2009年12月18日 优先权日2008年12月19日
发明者H·D·基姆, Y·W·基姆, Y·康 申请人:索拉透平公司