专利名称：用于涡轮发动机的方法和设备的制作方法
技术领域：
本文所述的实施例主要涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言，涉及用于在燃气 涡轮发动机内进行密封的方法和设备。
背景技术：
至少一些已知的燃气涡轮发动机包括多个旋转的涡轮轮叶或叶片，其引导高温燃 烧气流通过燃气涡轮发动机。已知的叶片通常联接在燃气涡轮发动机内的转子上。燃烧气 体内的热能通过叶片转换成旋转动能，其中，叶片将旋转能从叶片传递到转子。这些已知叶 片中的至少一些可能承受高温环境，而冷却此类叶片可延长它们的使用寿命。具体而言，为 了控制叶片的工作温度，至少一些已知的燃气涡轮发动机经由空气冷却系统将冷却空气引 向叶片。更具体而言，在至少一些已知的燃气涡轮发动机中，将压缩机排放空气引导到限 定在转子内的至少一个空气管路中，且随后经由从转子空气管路延伸的多个管路引导至叶 片。当冷却空气流经叶片时，叶片得以冷却，并且用过的冷却空气然后从叶片排出到燃烧气 流中。已知的叶片空气冷却系统中至少一些进入限定在叶片与转子之间的腔中。更具体 而言，此类腔至少部分地由转子上的燕尾槽以及一排周向叶片的下侧部分所限定。此类腔 通过叶片燕尾表面与转子燕尾表面之间的表面接触至少部分地密封。此类腔的至少一部分 还通过将包括例如铝材料的物质喷涂在叶片和/或转子燕尾表面上而得以密封。其它用于 密封空气供给腔的设计还包括独特形状的C形密封件、端板和/或跨过多个叶片的盖板。在至少一些已知的腔内，冷却空气的一部分在将该空气引导到叶片中之前经由叶 片和/或转子燕尾表面的未密封部分从该腔泄漏到与燃烧气流连通的转子_定子吹洗腔 中。由于冷却空气由压缩机供给，故此类泄漏可降低燃气涡轮发动机的效率并且可导致压 缩机的尺寸加大。此类尺寸加大通常增加了投资成本和运行成本。
发明内容
本简要描述用来以简化形式介绍选择以下在详细描述中进一步描述的概念。本简 要描述既非旨在确定主张权利的主题的关键特征或实质特征，也非意图用来帮助确定主张 权利的主题的范围。在一方面，提供了一种用于密封燃气涡轮发动机的方法。该方法包括将涡轮叶片 联接在转子叶轮上并且在其间形成界面区。冷却空气通道限定在转子叶轮的一部分中，以 及冷却空气歧管限定在涡轮叶片的一部分中。该方法还包括将密封管插入冷却空气通道的 至少一部分内。该方法进一步包括使冷却空气通道、密封管和冷却空气歧管成流动连通地 联接，用以至少部分地限定涡轮叶片冷却系统。该方法还包括运行燃气涡轮发动机使得转 子叶轮和涡轮叶片旋转，从而在密封管上引起压力用以充分地减小从涡轮叶片冷却系统经 由界面区排出的空气流量。在另一方面，提供了一种供涡轮叶片使用的涡轮叶片冷却系统。该系统包括限定在转子叶轮的一部分中的冷却空气通道。该系统还包括限定在转子叶片的一部分中的冷却 空气歧管。冷却空气歧管与冷却空气通道成流动连通地联接。该系统进一步包括延伸通过 转子叶轮的该至少一部分并延伸到涡轮叶片的该至少一部分的密封管组件。
在另一方面，提供了一种燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机包括涡轮部段，其包 括联接在转子叶轮的一部分上的至少一个涡轮叶片。该发动机还包括经由冷却空气流动通 路与涡轮部段成流动连通地联接的压缩机部段。冷却空气流动通路包括与冷却空气流动通 路成流动连通地联接的涡轮叶片冷却系统的至少一部分。该涡轮叶片冷却系统包括限定在 转子叶轮的该部分中的冷却空气通道。该系统还包括限定在转子叶片的一部分中的冷却空 气歧管。冷却空气歧管与冷却空气通道成流动连通地联接。该系统进一步包括延伸通过转 子叶轮的该部分并延伸到涡轮叶片的该部分的密封管组件。
通过参考以下结合附图的描述，可更好地理解本文所述的实施例。
图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图2是图1所示并沿着区域2所截取的燃气涡轮发动机的一部分的放大截面图3是可供图2中所示的燃气涡轮发动机使用的涡轮叶片冷却系统的一部分的示意图4是图3中所示并沿着区域4所截取的涡轮叶片冷却系统的放大截面图；以及
图5是组装图1中所示的燃气涡轮发动机的示例性方法的流程图。
零件清单
100燃气涡轮发动机
102压缩机部段
104燃烧器
106燃料喷嘴组件
108涡轮部段
110转子
112冷却空气流动通路的第--部分
114冷却空气流动通路
116冷却空气流动通路的第二二部分
118冷却空气流空气
119压缩空气流
120转子叶轮
122间隔孔
124冷却空气流动通路的第三^部分
126冷却空气流部分
130毂部段
132轮盘部段
134缘边部段
140燕尾部段
150涡轮叶片200涡轮叶片冷却系统202冷却空气通道203叶片冷却空气流204冷却空气歧管206冷却空气歧管的第一(轴向)部分208冷却空气歧管的第二(肘形)部分210界面区212 腔220冷却空气通道的径向内通道222径向内壁D1第一直径224冷却空气通道的径向外通道226径向外壁D2第二直径228支承突出部分230密封管组件231密封管232密封管的径向内部234密封管的径向中间部分236第一密封装置238密封管的径向外部240燕尾部段的径向内表面242第二密封装置244燕尾部段的径向外表面250空气供给毛细管254流量计量装置260 板262毛细管的径向内部300示例性方法302限定或加工冷却空气通道304限定(即铸造和/或加工)冷却空气歧管306插入密封管308成流动连通地联接310成流动连通地联接312联接至少一个密封装置314旋转转子叶轮
具体实施例方式图1是示例性燃气涡轮发动机100的示意图。发动机100包括压缩机102和多个燃 烧器104。各燃烧器104均包括燃料喷嘴组件106。在示例性实施例中，发动机100还包括涡 轮108和共用的压缩机/涡轮转子110 (有时称为转子110)。在一个实施例中，发动机100 为MS9001E型发动机，有时称为9E型发动机，可从南卡罗来纳州格林维尔市(Greenville， South Carolina)的通用电气公司商购获得。图2是燃气涡轮发动机的一部分且沿着区域2 (在图1中示出)所截取的放大截 面图。压缩机102限定在压缩机102与涡轮108之间延伸的冷却空气流动通路114的第 一部分112。转子110限定冷却空气流动通路114的第二部分116。第二部分116与第一 部分112成流动连通地延伸。在该示例性实施例中，冷却空气流118朝向涡轮108引导远 离压缩空气流119。此外，在示例性实施例中，多个转子叶轮120联接在涡轮108内的转子 110上。各转子叶轮120均通过间隔孔122与相邻的转子叶轮120沿轴向分离。各间隔孔 122和一个转子叶轮120结合地限定从第二部分116成流动连通地延伸的冷却空气流动通 路114的第三部分124。冷却空气流部分126经由第三部分124引导远离冷却空气流动通 路114的第二部分116。冷却空气流动通路114还包括与冷却空气流动通路114的第三部 分124成流动连通地联接的涡轮叶片冷却系统200。在运行中，压缩机102通过涡轮108经由转子110而旋转。压缩机102将压缩空气流 119引向燃烧器104。冷却空气流118分别经由冷却空气流动通路114的冷却空气流动通路 第一部分112和第二部分116从压缩空气流119引向涡轮108。冷却空气流部分126经由冷 却空气流动通路第三部分124引导远离冷却空气流118并将其引向涡轮叶片冷却系统200。图3是可供燃气涡轮发动机100使用并沿着区域3 ( 二者均在图2中示出)所截 取的叶片冷却系统200的一部分的示意图。在示例性实施例中，转子叶轮120是使用锻造 方法制造的转子110的整体部分。作为备选，转子叶轮120和转子110分开进行制造并使 用任何能使叶片冷却系统200如本文所述起作用的方法联接在一起。转子叶轮120包括毂 部段130和轮盘部段132，该轮盘部段132与转子叶轮120整体形成并处在毂部段130的径 向外部。转子叶轮120还包括与转子叶轮120整体形成并处在轮盘部段132径向外部的涡 轮叶片附接部或缘边部段134。如上所述，转子110限定冷却空气流动通路114的第二部分116。冷却空气流动通 路114的第三部分124从第二部分116成流动连通地延伸。冷却空气流部分126经由冷却 空气流动通路114的第三部分124引导远离第二部分116。冷却空气流动通路114还包括 涡轮叶片冷却系统200。叶片冷却系统200与冷却空气流动通路114的第三部分124成流 动连通地联接。在该示例性实施例中，涡轮叶片冷却系统200限定在转子叶轮120的缘边部段134 内和涡轮叶片150的燕尾部段140内。作为备选，涡轮叶片冷却系统200限定在涡轮发动 机100中任何能使涡轮叶片冷却系统200如本文所述起作用的部分内。而且，在示例性实施 例中，涡轮叶片冷却系统200包括冷却空气通道202，其通过包括在锻造的缘边部段134内 加工通道202的方法限定在缘边部段134内。冷却空气通道202能将叶片冷却空气流203 从冷却空气流部分126引导到涡轮叶片冷却系统200中。此外，在示例性实施例中，涡轮叶片冷却系统200包括冷却空气歧管204，其限定
6在涡轮叶片150的一部分中，且更具体而言是限定在燕尾部段140内。此外，在示例性实施 例中，冷却空气歧管204包括第一或轴向部分206，其大体平行于涡轮发动机100的轴向中 心线(未示出)延伸。作为备选，冷却空气歧管204的轴向部分206具有任何能使涡轮叶 片冷却系统200如本文所述起作用的取向。而且，在示例性实施例中，冷却空气歧管204包 括第二或肘形部分208，其能使冷却空气歧管204连通地联接到冷却空气通道202。在一些实施例中，涡轮叶片冷却系统200形成在新构成的涡轮发动机100中。作 为备选，在一些实施例中，涡轮叶片冷却系统200被改装到已有的涡轮发动机100中。具体 而言，在一些实施例中，燕尾部段140和缘边部段134形成限定腔212的界面区210。图4是沿着区域4(在图3中示出)所截取的涡轮叶片冷却系统200的放大截面 图。在示例性实施例中，冷却空气通道202包括由径向内壁222所限定的径向内通道220。 而且，在示例性实施例中，径向内通道220成大体圆柱形并具有第一直径Dp作为备选，径 向内通道220可具有任何能使叶片冷却系统200如本文所述起作用的形状。进一步而言， 在示例性实施例中，冷却空气通道202还包括由径向外壁226所限定的径向外通道224。在 示例性实施例中，径向外通道224在形状上成大体圆柱形并具有第二直径D2。作为备选，径 向外通道224可具有任何能使叶片冷却系统200如本文所述起作用的形状。第二直径D2大 于第一直径D1，其中，径向内壁222和径向外壁226协同限定了支承突出部分(ledge) 228。在示例性实施例中，涡轮叶片冷却系统200还包括密封管组件230，其包括在界面 区210处插入冷却空气通道202的至少一部分中的密封管231。密封管231包括径向内部 段232，其具有与径向内通道220的第一直径D1和形状大体相似的尺寸和形状。这样，密封 管231与径向内通道220形成紧配合。径向内部段232从支承突出部分228沿径向向内延 伸到径向内通道220中。密封管231还包括径向中间部分234，其具有与径向外通道224的 第二直径D2和形状大体相似的尺寸和形状。这样，密封管231与径向外通道224形成紧配
I=I ο而且，在示例性实施例中，径向中间部分234抵接在支承突出部分228的至少一部 分上定位，并且密封管组件230包括抵接在支承突出部分228上定位的第一密封装置236。 第一密封装置236与径向中间部分234和径向外壁226相协作用以充分地密封以免可能从 冷却空气通道202渗漏到腔212中的潜在空气泄漏。在示例性实施例中，第一密封装置236 为密封环。作为备选，第一密封装置236可为任何类型的密封件，例如，能使涡轮叶片冷却 系统200如本文所述起作用的管形密封件。进一步而言，在示例性实施例中，密封管231还包括径向外部238，其从径向中间 部分234向外延伸到燕尾部段140的径向内表面240。更具体而言，径向外部238与径向 内表面240形成摩擦配合。而且，在示例性实施例中，密封管230包括抵接在燕尾部段140 的径向外表面244上定位的第二密封装置242。具体而言，装置242邻近在其中密封管231 接触燕尾部段140径向内表面240的部位。第二密封装置242与径向外部238和径向外表 面244相协作用以充分地密封并防止流动渗漏到腔212中。在示例性实施例中，第二密封 装置242可为任何类型的密封件，例如，能使密封管组件230和涡轮叶片冷却系统200如本 文所述起作用的密封环。在示例性实施例中，与转子110(在图1、图2和图3中示出)的 旋转相关并作用在密封管231上的离心力形成有助于第二密封装置242的密封作用的迫压 力。
密封管231跨过腔212延伸并且能使冷却空气通道202与冷却空气歧管204联接。 密封管231通过与径向内表面222和径向外表面226紧配合而至少部分地支承就位。进一 步而言，在示例性实施例中，密封管231具有大体圆柱形，其有利于减少经过管231的泄漏， 同时增加通过密封管231的空气流。而且，在示例性实施例中，涡轮叶片冷却系统200包括多个空气供给毛细管250， 其与冷却空气歧管202的轴向部分206成流动连通地联接。毛细管250延伸穿过涡轮叶片 150的各部分。至少一个流量计量装置254定位在各个毛细管内，以有利于能将预定的冷却 空气流引导到各个涡轮叶片150。在现有涡轮发动机100的改装期间，板260可联接(即， 钎焊)到燕尾部段140的径向内表面240上，以有利于防止在冷却空气歧管202的轴向部 分206与腔212之间经由放弃就位的毛细管250的径向内部262而成流动连通。图5是密封燃气涡轮发动机100 (在图1中示出)的示例性方法300的流程图。在 示例性实施例中，在转子叶轮120(在图3中示出)的一部分如转子叶轮缘边部段134(在 图4中示出)中限定302(即，加工)冷却空气通道202(在图4中示出)。然后在涡轮叶片 150 (在图4中示出)的一部分中限定304 (即，铸造和/或加工)冷却空气歧管204 (在图 4中示出)。将密封管231 (在图4中示出)插入306冷却空气通道202的至少一部分内， 使得密封管231取向成接触涡轮叶片附接部(或转子叶轮缘边部段134)的至少一部分以 及燕尾部段140的至少一部分。冷却空气通道202、密封管231和冷却空气歧管204由于将 涡轮叶片150联接到转子叶轮缘边部段134上而流动连通在一起，从而至少部分地限定涡 轮叶片冷却系统200 (在图2、图3和图4中示出)，包括形成界面区210 (在图3和图4中 示出)。将冷却空气通道202与冷却空气源如冷却空气流部分126和/或压缩机102成流 动连通地联接310。将至少一个密封装置236和/或242 ( 二者均在图4中示出)联接312 到密封管231、缘边部段134和/或燕尾部段140中的至少一个上。旋转314转子110 (在 图1和图2中示出)，包括二者均联接在一起的缘边部段134和燕尾部段140，以形成作用 在密封管231上的离心力，此类离心力随后形成有利于第二密封装置242的密封作用的迫 压力，从而显著减少经界面区210从涡轮叶片冷却系统200排出的空气流。本文描述了有利于密封燃气涡轮发动机的方法和设备的示例性实施例。具体而 言，嵌在涡轮叶片冷却系统内的密封管组件，二者均如本文所述有利于将充足的冷却空气 流量引导到涡轮叶片同时减少冷却空气从相关的冷却空气流泄漏到此类涡轮叶片。具体而 言，如本文所述为密封管组件的密封构件选择圆柱形和圆形形状有利于缩短在其中可能经 历潜在空气泄漏的密封表面的长度，同时有利于比大多数其它几何形状成比例放大的空气 流表面积。而且，具体而言，作用在密封管上与燃气涡轮发动机的旋转相关的离心力的使用 形成有利于密封管组件的密封作用的迫压力。本文所述的方法和系统并不局限于本文所述的特定实施例。例如，各系统的构件 和/或各方法的步骤均可与本文所述的其它构件和/或步骤独立和分开地使用和/或实 施。另外，各个构件和/或步骤还可供其它组件装置和方法使用和/或实施。尽管已通过各种特定实施例描述了本发明，但本领域技术人员应该认识到的是， 本发明可通过在权利要求的精神和范围内的改型来实施。
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权利要求
一种供涡轮叶片(150)使用的涡轮叶片冷却系统(200)，所述涡轮叶片冷却系统包括冷却空气通道(202)，其限定在转子叶轮(120)的一部分中；限定在涡轮叶片的一部分中的冷却空气歧管(204)，所述冷却空气歧管与所述冷却空气通道成流动连通地联接；以及密封管组件(230)，其延伸穿过所述转子叶轮的至少一部分并延伸到所述涡轮叶片的至少一部分。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片冷却系统(200)，其特征在于，所述密封管组件 (230)的至少一部分插入限定在缘边部段(134)内的冷却空气通道(202)的至少一部分中。
3.根据权利要求2所述的涡轮叶片冷却系统(200)，其特征在于，所述涡轮叶片冷却系 统(200)还包括限定在燕尾部段(140)内的所述冷却空气歧管(204)，所述冷却空气歧管与 所述密封管组件(230)成流动连通地联接。
4.根据权利要求3所述的涡轮叶片冷却系统(200)，其特征在于，所述密封管组件 (230)在所述冷却空气通道(202)与所述冷却空气歧管(204)之间延伸。
5.根据权利要求1所述的涡轮叶片冷却系统(200)，其特征在于，所述密封管组件(230)包括至少一个密封装置(236/242)，所述至少一个密封装置(236/242)联接在密封管(231)上并且联接在燕尾部段(140)和缘边部段(134)中的至少一个上。
6.根据权利要求1所述的涡轮叶片冷却系统(200)，其特征在于，所述涡轮叶片冷却系 统(200)还包括联接在燕尾部段(140)的至少一部分上的板(260)。
7.根据权利要求1所述的涡轮叶片冷却系统(200)，其特征在于，所述涡轮叶片冷却系 统(200)还包括插入至少一个叶片冷却通道(250)中的至少一个流量控制装置(254)。
8.一种燃气涡轮发动机(100)，包括涡轮部段(108)，其包括联接在转子叶轮(120)的一部分上的至少一个涡轮叶片 (150)；压缩机部段(102)，其经由冷却空气流动通路(114)与所述涡轮部段成流动连通地联 接，所述冷却空气流动通路(114)包括与所述冷却空气流动通路成流动连通地联接的涡轮 叶片冷却系统(200)的至少一部分，所述涡轮叶片冷却系统包括 冷却空气通道(202)，其限定在所述转子叶轮的所述一部分中； 冷却空气歧管(204)，其限定在所述涡轮叶片的一部分中，所述冷却空气歧管与所述冷 却空气通道成流动连通地联接；以及密封管组件(230)，其延伸穿过所述转子叶轮的所述一部分并延伸到所述涡轮叶片的 所述一部分。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机(100)，其特征在于，所述至少一个涡轮叶片 (150)的至少一部分包括燕尾部段(140)，其中，所述冷却空气歧管(204)限定在所述燕尾 部段内。
10.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机(100)，其特征在于，所述转子叶轮(120) 的至少一部分包括缘边部段(134)，其中，所述冷却空气通道(202)限定在所述缘边部段 内。
全文摘要
本发明涉及用于涡轮发动机的方法和设备。具体而言，提供了一种供涡轮叶片(150)使用的涡轮叶片冷却系统(200)。该涡轮叶片冷却系统包括限定在转子叶轮(120)的一部分中的冷却空气通道(202)。该涡轮叶片冷却系统还包括限定在转子叶片的一部分中的冷却空气歧管(204)。冷却空气歧管与冷却空气通道成流动连通地联接。该涡轮叶片冷却系统还包括密封管组件(230)，其延伸穿过转子叶轮的该至少一部分并延伸到涡轮叶片的该至少一部分。
文档编号F01D11/00GK101881185SQ20101017683
公开日2010年11月10日 申请日期2010年5月7日 优先权日2009年5月7日
发明者I·D·威尔逊 申请人:通用电气公司