本公开的领域一般涉及旋转机械(rotary machine)，更具体地，涉及一种与旋转机械一起使用的泄漏流动导叶组件(leakage flow guide vane assembly)。
背景技术：
至少一些已知的旋转机械，包括但不限于一些已知的蒸汽涡轮，将来自流体源的工作流体通过外壳入口并沿着环形蒸汽路径引导。通常，涡轮级(turbine stages)定位在主流体路径(primary fluid path)内，使得工作流体流过后续涡轮级的固定叶片(fixed blades)和旋转的静叶(rotary vanes)。限定在静止部件和旋转部件之间的轴向间隙(axial gaps)有利于旋转部件的旋转。
在至少一些已知的旋转机械中，主流体路径中的高压工作流体可能泄漏到轴向间隙中并被引导到下游并被排回到主流体路径中。然而，由于主流体路径中的工作流体被静止部件和旋转部件偏转，工作流体的泄漏流以与在主流体路径中流动的工作流体不同的角度或切向速度进入主流体路径。因此，泄漏流可能以比主流体路径中的工作流体更大的入射角冲击下游旋转部件，从而在旋转机械中产生效率损失。随着时间的推移，这种损失可能会增加运营费用和燃料成本。
技术实现要素：
在一个方面，提供了一种叶片(blade)。该叶片包括翼型件(airfoil)、联接到翼型件的径向内端(radially inner end)的静止部分(stationary portion)和联接到静止部分的泄漏流动导叶组件泄漏流动导叶组件包括限定在其中的多个通道(passages)。所述多个通道被定向成引起流过通道的工作流体的旋流速度(swirl velocity)。
其中，所述泄漏流动导叶组件包括从第一端部轴向地延伸到相对的自由的第二端部的多个导叶，其中，所述第一端部联接到所述静止部分的下游端部。
其中，每个导叶包括从所述静止部分的底部表面径向地向外延伸的第一部分和相对于所述第一部分周向地延伸(extends circumferentially)的第二部分。
其中，所述多个导叶中的至少一个导叶的所述第二部分相对于所述至少一个导叶的所述第一部分以预定角度周向地延伸并且与相邻导叶的所述第一部分在径向方向上重叠(overlaps)。
其中，每个导叶通过焊接过程(welding process)、硬钎焊过程(brazing process)和粘合过程(bonding process)中的至少一种联接到所述静止部分。
其中，每个导叶使用增材制造过程(additive manufacturing process)和机加工过程(machining process)中的至少一种与固定叶片(fixed blade)一体地(integrally)形成。
其中，所述泄漏流动导叶组件包括主体(body)，所述主体包括穿过其限定的多个孔(apertures)，所述多个孔限定所述多个通道。
其中，所述多个孔以预定的径向角度延伸穿过所述主体。
其中，所述多个孔包括大体蜂窝形(honeycomb-shaped)的孔阵列(array of apertures)。
其中，所述泄漏流动导叶组件包括从第一端部基本上径向地延伸到相对的自由的第二端部的多个导叶，其中，所述第一端部联接到所述静止部分的底部表面(bottom surface)。
其中，所述多个导叶中的每一个相对于轴向中心线轴线以预定角度定位。
在另一方面，提供了一种旋转机械。该旋转机械包括转子(rotor)和围绕转子周向地延伸的叶片。叶片包括：翼型件；静止部分，其联接到翼型件的径向内端并且在静止部分和转子之间限定泄漏流动路径(leakage flow path)；以及泄漏流动导叶组件，其联接到静止部分并且位于泄漏流动路径中。泄漏流动导叶组件包括限定在其中的多个通道。所述多个通道被定向成引起流过通道的工作流体的旋流速度。
其中，所述泄漏流动导叶组件包括从第一端部轴向地延伸到相对的自由的第二端部的多个导叶，其中，所述第一端部联接到所述静止部分的下游端部(downstream end)。
其中，每个导叶包括从所述静止部分的底部表面径向地向外延伸的第一部分和相对于所述第一部分周向地延伸的第二部分。
其中，所述多个导叶中的至少一个导叶的所述第二部分相对于所述至少一个导叶的所述第一部分以预定角度周向地延伸并且与相邻导叶的所述第一部分在径向方向上重叠。
其中，所述泄漏流动导叶组件包括主体，所述主体包括相对于径向方向以预定角度穿过其限定的多个孔，所述多个孔限定所述多个通道。
其中，所述泄漏流动导叶组件包括从第一端部基本上径向地延伸到相对的自由的第二端部的多个导叶，其中，所述第一端部联接到所述静止部分的底部表面，所述多个导叶定位成相对于所述旋转机械的轴向中心线轴线成预定角度。
在另一方面，提供了一种组装(assembling)旋转机械的方法。该方法包括将叶片联接到(coupling)旋转机械的壳体(casing)的隔板(diaphragm)和将转子联接到壳体。转子包括位于叶片附近和下游的至少一个涡轮级。此外，该方法还包括形成主流动路径，该主流动路径在壳体内并与壳体的入口流动连通(in flow communication with)。该方法还包括将泄漏流动导叶组件联接到与所述至少一个涡轮级相邻的叶片。泄漏流动导叶组件被定位在限定在转子和叶片之间的泄漏流动路径中，用于在通过泄漏流动路径的工作流体中引起旋流速度。
所述组装旋转机械的方法还包括在所述叶片组件和所述至少一个涡轮级之间限定轴向间隙。
其中，将所述泄漏流动导叶组件联接到邻近所述至少一个涡轮级的所述叶片包括将多个导叶联接到所述叶片的静止部分，其中，所述多个导叶延伸进入所述泄漏流动路径。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，在所有图中相同的标记表示相同的部件，在附图中：图1是示例性旋转机械的示意图；
图2是联接到图1所示的旋转机械的固定叶片的示例性径向泄漏流动导叶组件的示意性截面图；
图3是图2所示的固定叶片的示意性透视图，并且包括径向泄漏流动导叶组件；
图4是联接到图2所示的固定叶片的替代泄漏流动导叶组件的示意性局部透视图；
图5是联接到图1所示的旋转机械的固定叶片的示例性轴向泄漏流动导叶组件的示意性截面图；
图6是图5所示的固定叶片的示意性透视图，并且包括轴向泄漏流动导叶组件；
图7是图5所示并且径向地向外看的固定叶片的示意性仰视图，并且包括轴向泄漏流动导叶组件；和
图8是组装图1的旋转机械的示例性方法的流程图。
除非另外指明，否则本文中所提供的附图意图说明本发明的实施例的特征。这些特征被认为适用于包括本发明的一个或多个实施例的广泛多种系统。因此，附图并不意图包括实践本文中所公开的实施例所需的所属领域的技术人员已知的所有常规特征。
具体实施方式
本说明书所述的实施例包括旋转机械的固定叶片(fixed blade)或喷嘴(nozzle)，其包括联接到旋转机械的壳体的泄漏流动导叶组件。更具体地，固定叶片或喷嘴包括多个导叶或导槽(guide slots)，其引起蒸汽泄漏流的切向或旋流速度，该切向或旋流速度基本上类似于主流动路径中的蒸汽流的切向或旋流速度。导叶或导槽联接到固定叶片或喷嘴的下游部分，并且相对于泄漏流以预定角度定向以引起切向或旋流速度。导叶或导槽可以联接到固定叶片或与固定叶片一体地形成。结果，当蒸汽泄漏流被引导回到主流动路径中时，泄漏流的入射角(angle of incidence)基本上类似于在转子叶片的前缘处的主蒸汽流的入射角。
除非另有指示，否则本文中所使用的估计性语言，例如“一般来说”、“大体上”和“约”，指示如此修饰的术语可能仅适用于所属领域的技术人员所能认可的某一近似程度，而非适用于某一绝对或完美程度。估计性语言可应用于修饰可能在允许范围内变化的任何定量表示而不改变其相关的基本功能。因此，由例如“约”、“大约”和“大体上(substantially)”的用语修饰的值不限于指定的确切值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量所述值的仪器的精度。在此处以及贯穿本说明书和权利要求，可识别范围限制。除非上下文或语言另有指示，否则此类范围可进行组合和/或互换，且包括其中含有的所有子范围。
另外，除非另有指示，否则“第一”、“第二”等用语在本文中仅用作标记，而并非旨在将次序、位置或层次要求施加于这些用语所指的物件。此外，举例来说，提及“第二”项并不需要或排除例如“第一”或更低编号的项或“第三”或更高编号的项的存在。
图1是示例性旋转机械10的示意图。应当注意，本说明书所述的设备、系统和方法不限于任何一种特定类型的旋转机械。本领域普通技术人员将理解，本说明书所述的设备、系统和方法可以与任何旋转机械一起使用，所述旋转机械包括例如但不限于具有使这样的设备、系统和方法能够如本说明书进一步描述那样操作的任何合适的配置的蒸汽涡轮或燃气涡轮发动机。
在示例性实施例中，旋转机械10是单流蒸汽涡轮(single-flow steam turbine)。或者，旋转机械10是任何类型的蒸汽涡轮，例如但不限于低压蒸汽涡轮、相对流高压和中压蒸汽涡轮组合(opposed-flow high-pressure and intermediate-pressure steam turbine combination)、或双流(double-flow)蒸汽涡轮。此外，如上所述，本公开不限于仅在蒸汽涡轮中使用，而是可以用于其它涡轮系统，例如燃气涡轮发动机。
在示例性实施例中，旋转机械10包括多个涡轮级12。每个涡轮级12包括联接到转子16的多个周向间隔的转子叶片14。应该指出的是，如本文所用，术语“联接(couple)”不限于部件之间的直接机械连接、电气连接和/或通信连接，而是也可包括多个部件之间的间接机械连接、电气连接和/或通信连接。转子叶片14从转子16径向地向外延伸。多个转子叶片14可以包括任何合适数量的转子叶片14，其使得旋转机械10能够如本说明书所述地操作。转子16由轴承(未示出)支撑在转子16的相对端部18和20处。
壳体22围绕多个涡轮级12。多个隔板24联接到壳体22，使得每个相应的隔板24在每个相应的涡轮级12的上游。每个隔板24包括多个周向地间隔开的固定叶片26(即喷嘴)。固定叶片26为大体翼型的并且从壳体22径向地向内延伸。旋转机械10还包括高压(HP)蒸汽入口28和低压(LP)蒸汽排出口30。转子16可围绕中心线轴线32旋转。
在操作期间，高压和高温蒸汽40从诸如锅炉(boiler)(未示出)的蒸汽源通过HP蒸汽入口28引导到入口34中。从入口28蒸汽40被向下游引导通过壳体22，在壳体22处遇到涡轮级12。当蒸汽40冲击转子叶片14时，其引起转子16围绕中心线轴线32的旋转。因此，蒸汽40的热能由涡轮级12转换为机械旋转能。蒸汽40在LP蒸汽排出口30处离开壳体22。蒸汽40然后被引导到锅炉，在那里它被再加热，和/或引导到系统的其它部件，例如低压涡轮部段或冷凝器(未示出)。
图2是联接到固定叶片26的示例性径向泄漏流动导叶组件200的示意性剖视图。图3是包括径向泄漏流动导叶组件200的固定叶片26的示意性透视图。在示例性实施例中，每个转子叶片14包括翼型件36和根部38。每个根部38以任何合适的方式联接到转子16，使得转子叶片14与转子16一起旋转。此外，旋转机械10包括围绕转子16周向地延伸的静止部分42。例如但不限于，在示例性实施例中，静止部分42是隔板24的内环，其以任何合适的方式联接到每个固定叶片26的翼型件44的径向内端，使得静止部分42相对于转子16保持静止。
转子叶片翼型件36和固定叶片翼型件44被定位在蒸汽40的主流动路径46内。此外，泄漏流动路径径48大体上限定在静止部分42和转子16之间。在示例性实施例中，密封组件50在静止部分42和转子16之间和/或在静止部分42和转子16之间联接到转子16。在示例性实施例中，密封组件50是迷宫密封件(labyrinth seal)。或者，密封组件50可以是允许旋转机械10如本说明书所述操作的任何类型的密封组件，例如但不限于可磨损的密封组件。
在示例性实施例中，径向泄漏流动导叶组件200包括多个导叶202，多个导叶202沿着旋转机械10的中心线轴线32基本上轴向地延伸并且在它们之间限定多个通道203。特别地，每个导叶202从第一端部204延伸到相对的自由的第二端部(opposite free second end)206。第一端部204联接到静止部分42的下游端部52。导叶202以任何合适的方式联接到静止部分42，例如但不限于通过焊接、硬钎焊、粘合和/或有助于将导叶202联接到静止部分42的任何其它机械联接过程。或者，导叶202与静止部分42一体地形成，例如通过增材制造过程或机加工过程。在示例性实施例中，多个导叶202围绕转子16周向地间隔开。在示例性实施例中，多个固定叶片26被定位成彼此周向地相邻，使得静止部分42协作以在转子16周围形成基本上连续的环。
在示例性实施例中，每个导叶202的尺寸和形状基本上相同。导叶202形成为薄板，并且具有大体矩形的横截面形状。或者，导叶202可以具有非矩形横截面形状，例如但不限于翼型横截面形状或使导叶202能够如本说明书所述地操作的任何其他横截面形状。在示例性实施例中，导叶202包括第一部分208，第一部分208从静止部分42的底部表面54大体上径向向外延伸预定距离。导叶202还包括相对于第一部分208周向地延伸的第二部分210。特别地，第二部分210相对于第一部分208以角度α大体上周向地延伸。在示例性实施例中，角度α具有预定的值，以确保流过泄漏流动路径48的蒸汽40离开泄漏流动路径48，并且以与穿过固定叶片26的蒸汽40基本上相似的切向流速返回到主流动路径46。
在一些实施例中，导叶202周向地重叠，使得相应导叶202的第一部分208由相邻导叶202的第二部分210在径向方向上重叠或覆盖。在备选实施例中，导向件叶片202周向地间隔开，使得相邻的导叶202不重叠。在示例性实施例中，基于旋转机械10的具体操作参数预定导叶202的数量和第二部分210延伸的角度α。
在操作中，高压蒸汽40被引导到主流动路径46中。蒸汽40加压主流动路径46并且引起转子16的旋转。特别地，蒸汽40具有使蒸汽40能够冲击转子叶片并使转子16旋转的基本上轴向的速度。此外，当蒸汽40被引导通过固定叶片26时，固定叶片26在蒸汽流40上产生旋流速度。在示例性实施例中，转子叶片翼型件36和固定叶片翼型件44的角度是预定的，以有利于提高旋转机械10的效率。
蒸汽40的一部分从主流动路径46流动到泄漏流动路径48。在蒸汽40泄漏到泄漏流动路径48中之后，蒸汽40被引向导叶组件200。蒸汽40穿过导叶组件200，在那里，它以基本上类似于主流动路径46中的蒸汽40的旋流速度被引导到主流动路径46中，并且离开每个固定叶片翼型件44。特别地，泄漏流动路径48中的蒸汽40在第一部分208处在大体上径向方向上进入限定在导叶202之间的通道203。当蒸汽40流过导叶组件200时，其通过导叶202的第二部分210在大体上周向方向上转向。然后，泄漏流动路径48中的蒸汽40通过限定在相邻的固定叶片26和转子叶片14各自的静止部分42和根部38之间的间隙56被引导回主流动路径46。这有助于引起离开泄漏流动路径48的蒸汽40的切向或旋流速度，并且通过减少下游转子叶片14上的蒸汽泄漏流的冲角损失(incidence loss)来提高旋转机械10的整体效率，从而有助于降低相关联的燃料成本。
图4是联接到固定叶片26的备选的径向泄漏流动导叶组件300的示意性局部透视图。在示例性实施例中，径向泄漏流动导叶组件300被示出为具有一部分剖面。如图所示，径向泄漏流动导叶组件300包括主体302，主体302包括限定通道305的穿过其中限定的多个孔(apertures)或导槽(guide slots)304。主体302通常是矩形棱柱(rectangular-shaped prism)，其基本上沿旋转机械10的中心线轴线32轴向地延伸。特别地，主体302从第一端部306延伸到相对的自由的第二端部308。第一端部306联接到静止部分42的下游端部52。主体302以任何合适的方式联接到静止部分42，例如但不限于通过焊接、硬钎焊、粘合和/或有助于将主体302联接到静止部分42的任何其它机械联接过程。或者，主体302可以与静止部分42一体地形成，例如，通过增材制造过程或机加工过程。在示例性实施例中，多个导槽304围绕转子16周向地间隔开。多个固定叶片26被定位成彼此周向地相邻，使得静止部分42协作以在转子16周围形成基本上连续的环。
在示例性实施例中，每个导槽304的尺寸和形状基本上相同。相应的导槽304形成为从外表面310到内表面312基本上径向地延伸通过主体302的孔。在示例性实施例中，导槽304是矩形的。或者，导槽304可以是允许径向泄漏流动导叶组件300如本说明书所述地操作的任何形状。例如且无限制地，在一个实施例中，导槽304可以具有大体圆形的横截面形状，并且在另一个实施例中，导槽304可以具有多边形的横截面形状，并且形成导槽304的大体蜂窝形的阵列。
在示例性实施例中，每个相应的导槽304相对于径向方向314以角度β大体上周向地延伸。角度β具有预定的值，以确保流过泄漏流动路径48的蒸汽40离开泄漏流动路径48，并且以与穿过固定叶片26的蒸汽40基本上相似的切向流速返回到主流动路径46。
在一些实施例中，导槽304周向地重叠，使得相应导槽304的第一部分316由相邻导槽304的第二部分318在径向方向上重叠或覆盖。在备选实施例中，导槽304可以周向地间隔开，使得相邻的导槽304不重叠。在示例性实施例中，基于旋转机械10的具体操作参数预定导叶202的数量和导槽304延伸的角度β。
图5是联接到固定叶片26的轴向泄漏流动导叶组件400的示例性实施例的示意性剖视图。图6是包括轴向泄漏流动导叶组件400的固定叶片26的示意性透视图。图7是固定叶片26的示意性仰视图，其被径向地向外观察并且包括轴向泄漏流动导叶组件400。在示例性实施例中，轴向泄漏流动导叶组件400包括多个导叶402，其从静止部分42的底部表面54基本上径向地延伸并且沿着静止部分42的后部部分58定位。多个导叶402在它们之间限定多个通道403。特别地，导叶402从第一端部404延伸到相对的自由的第二端部406。第一端部404联接到静止部分42的底部表面54。导叶402以任何合适的方式联接到静止部分42，例如但不限于通过焊接、硬钎焊、粘合和/或使导叶402能够联接到静止部分42的的任何其它机械联接过程。或者，导叶402可以与静止部分42一体地形成，例如，通过增材制造过程或机加工过程。在示例性实施例中，多个导叶402围绕转子16周向地间隔开，使得多个固定叶片26被定位成彼此周向地相邻，使得静止部分42协作以形成围绕转子16的基本上连续的环。
在示例性实施例中，每个导叶402的尺寸和形状基本上相同。相应的导叶402形成为薄板，并且具有大体矩形的横截面形状。或者，导叶402可以具有非矩形横截面形状，例如但不限于翼型横截面形状或使导叶402能够如本说明书所述地操作的任何其他横截面形状。在示例性实施例中，导叶402相对于旋转机械10的中心线轴线32以角度θ定位，如图7最佳地示出。在示例性实施例中，角度θ具有预定的值，以确保流过泄漏流动路径48的蒸汽40离开泄漏流动路径48，并且以与穿过固定叶片26的蒸汽40基本上相似的切向流速返回到主流动路径46。
在一些实施例中，导叶402轴向地重叠，使得相对于蒸汽40通过泄漏流动路径48流动，相应导叶402的上游部分或第一部分408在轴向方向上重叠或覆盖相邻的导叶402的下游部分或第二部分210。在备选实施例中，导叶402可以周向地间隔开，使得相邻的导叶402不重叠。在示例性实施例中，导叶402的数量和导叶402所定位的角度θ基于旋转机械10的具体操作参数而预定。
在操作中，高压蒸汽40被引导到主流动路径46中。蒸汽40加压主流动路径46并且引起转子16的旋转。特别地，蒸汽40具有基本上轴向的速度并且冲击转子叶片14，从而导致转子16的旋转。此外，蒸汽40被引导通过固定叶片26，这有助于在蒸汽40的流动上产生切向或旋流速度。在示例性实施例中，转子叶片14的翼型件36和固定叶片26的翼型件44的角度是预定的，以有利于提高旋转机10的效率。
蒸汽40的一部分从主流动路径46流动到泄漏流动路径48。在蒸汽40泄漏到泄漏流动路径48中之后，蒸汽40被引向导叶组件400。蒸汽40穿过导叶组件400，在那里，它以基本上类似于主流动路径46中的蒸汽40的旋流速度被引导到间隙56和主流动路径46中，并且从固定叶片26的翼型件44离开。特别地，泄漏流动路径48中的蒸汽40在第一部分408处基本上轴向地进入限定在导叶402之间的通道403。流过导叶组件400的蒸汽40通过相对于中心线轴线32以角度θ定向的导叶402大体上周向地转向。泄漏流动路径48中的蒸汽40通过间隙56被引导回主流动路径46。这有助于引起离开泄漏流动路径48的蒸汽40的旋流速度，并且通过减少下游转子叶片14上的蒸汽泄漏流的冲角损失来提高旋转机械10的整体效率，从而有助于降低相关联的燃料成本。
组装诸如旋转机械10的旋转机械的示例性方法500在图8的流程图中示出。还参考图1-7，在示例性实施例中，方法500包括将固定叶片26联接502到壳体22中的诸如隔板24的隔板。转子16联接504到壳体22，并且包括位于固定叶片26附近和下游的(adjacent to and downstream form fixed blade)至少一个涡轮级12。所述至少一个涡轮级12包括联接到转子16以随其旋转的至少一个转子叶片14。在示例性实施例中，间隙56限定在固定叶片26和转子叶片14之间。蒸汽入口，例如蒸汽入口28，流动连通地联接506到壳体22。方法500还包括形成508在壳体22内用于蒸汽40并且与蒸汽入口28流动连通的主流动路径46。方法500还包括形成在壳体22内用于蒸汽40并且与主流动路径46流动连通的泄漏流动路径48。特别地，泄漏流动路径48形成于固定叶片26的静止部分42和转子16之间。
在示例性实施例中，方法500还包括将诸如导叶组件200、300和400的泄漏流动导叶组件联接510到邻近下游转子叶片14的固定叶片26。每个导叶组件包括例如多个导叶202和402或导槽302，其被定向成引起基本上类似于在主流动路径46中的蒸汽40的切向速度或旋流速度。
在本说明书中详细描述了用于旋转机械的包括泄漏流动导叶组件的固定叶片和组装旋转机械的方法的示例性实施例。这些实施例包括优于已知旋转机械的优点，因为当旋转机械操作时，本发明的机器引起蒸汽泄漏流的切向速度或旋流速度，其基本上类似于主流动路径中的蒸汽流的切向速度或旋流速度。旋转机械的固定叶片或喷嘴包括多个导叶或导槽，所述导叶或导槽被定向成引起泄漏流的切向或旋流速度，使得当泄漏流被引导回到主流动路径时，泄漏流的入射角基本上类似于在转子叶片的前缘处的主蒸汽流。这些实施例包括另外的优点，即离开泄漏流动路径的蒸汽的旋流速度通过减少在下游转子叶片上的蒸汽泄漏流的冲角损失来提高旋转机械的整体效率，从而有助于降低相关的燃料成本。
上述泄漏流动导叶组件和方法不限于本说明书所述的具体实施例，相反，设备的部件和/或方法的步骤可以相对于本说明书所述的其它部件和/或步骤独立地和单独地使用。例如，示例性实施例可以结合许多其它旋转机械来实现和使用。
尽管本发明的各种实施例的具体特征可能在某些图式中展示而未在其它图式中展示，但这仅仅是为了方便起见。根据本发明的原理，图式的任何特征可结合任何其它图式的任何特征被引用和/或要求保护。
本书面描述用示例来公开包括最佳模式的各实施例，且还使本领域技术人员能实施各实施例，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包括在内的方法。本公开的可专利范围由所附权利要求所限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它实例具有与权利要求书的字面语言相同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，那么这种其它实例意图在权利要求书的范围内。