轮缘密封装置的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年8月22日提交的美国临时申请号62/548,649的优先权，其内容通过引用整体地结合于本文中。

本发明涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言，涉及用于燃气涡轮发动机中的涡轮叶片的轮缘密封装置。

背景技术：

在工业燃气涡轮发动机中，产生热压缩气体。燃烧系统从压缩机接收空气，并且通过混合在燃料中并燃烧混合物将其提升到高能级，其后燃烧器的产物膨胀通过涡轮。热气流通过涡轮并膨胀以产生机械功，该机械功用于驱动发电机来发电。所述涡轮通常包括多级定子轮叶和转子叶片，以将来自该热气流的能量转换成驱动发动机的转子轴的机械能。涡轮入口温度受限于涡轮部件的材料属性和冷却能力。这对于上游级涡轮轮叶和叶片尤其重要，因为这些翼型件暴露于系统中最热的气流。

涡轮部段和压缩机部段两者都具有固定或非旋转的部件，例如轮叶，其与例如叶片之类的可旋转部件协作，以便压缩热工作气体并使之膨胀。机器内的许多部件必须通过冷却流体来冷却，以防止部件过热。

所述涡轮部段通常包括交替成排的涡轮轮叶和涡轮叶片。这些轮叶和叶片各自从相应的平台突出，这些平台在组装时形成轮叶和叶片环。这些轮叶和叶片环各自具有轮缘，这些轮缘大致彼此相对，并且在它们之间至少部分地限定冷却腔。

鉴于现代发动机中实施的高压比和高发动机点火温度，例如翼型件（例如，涡轮部段内的固定轮叶和旋转叶片）之类的某些部件必须用冷却流体（例如，从压缩机部段中的压缩机排出的空气）来冷却，以防止部件过热。冷却空气通过部分地位于叶片环和轮叶环之间的腔的流动可冷却相邻的部件。

将热工作气体从热气路径吸入到机器中的包含冷却流体的盘腔中例如通过产生较高的盘和叶片根部温度而降低发动机的性能和效率。例如通过轮缘密封件将工作气体从该热气路径吸入到该盘腔中也可能会减少该盘腔中和周围的部件的使用寿命和/或造成这些部件的故障。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种用于涡轮发动机的密封装置。该密封装置包括不可旋转的轮叶组件，该轮叶组件包括轮叶。该轮叶包括径向内部轮叶平台和径向外部轮叶平台。该径向内部轮叶平台具有径向面向外的表面、径向面向内的表面、前部部分和后部部分。该轮叶还包括翼型件，其包括压力侧表面和相对的吸力侧表面，该压力侧表面和该吸力侧表面大致从该翼型件的前缘轴向延伸到后缘，并且从内径基部径向延伸到外径末端。该翼型件位于该径向内部轮叶平台和该径向外部轮叶平台之间并且联接到二者。该密封装置还包括轮缘密封特征部。该轮缘密封特征部包括前轮缘密封腿，其包括压力侧突出部和吸力侧突出部。每个突出部都位于该径向内部轮叶平台的径向面向内的表面的周向边缘处，并且从该轮叶的翼型件径向向内延伸。该轮缘密封特征部还包括后轮缘密封腿，其沿该径向内部轮叶平台的径向面向内的表面的长度周向地从该径向内部轮叶平台的压力侧延伸到吸力侧。该后轮缘密封腿在该径向内部轮叶平台的后端处从该轮叶的翼型件径向向内延伸。冲击板覆盖该径向内部轮叶平台的径向面向内的表面，并且轴向向后延伸直至该后轮缘密封腿。轮缘密封围护结构（rimsealcontainmentstructure）位于该冲击板的径向内部。该轮缘密封围护结构包括盖部分，其在该径向内部轮叶平台的后部部分之上轴向延伸直至该后轮缘密封腿。该轮缘密封围护结构还包括腿部分，其从该盖部分径向向内延伸，并且轴向地位于该盖部分的前边缘和后边缘之间。该腿部分在该压力侧突出部和该吸力侧突出部之间沿周向方向延伸，使得环密封围护结构的腿部分、该压力侧突出部和该吸力侧突出部相结合形成该前轮缘密封腿。该前轮缘密封腿、该径向内部轮叶平台的径向面向内的表面和该后轮缘密封腿限定轮缘腔。冷却腔被限定在该轮缘密封围护结构和该冲击板之间，该冷却腔轴向向后延伸直至该后轮缘密封腿，以为该径向内部轮叶平台的后部部分58提供冷却。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于燃气涡轮发动机的涡轮级。该涡轮级包括绕轴线限定的轮叶组件。该轮叶组件包括径向内部轮叶平台和径向外部轮叶平台。该径向内部轮叶平台具有径向面向外的表面、径向面向内的表面、前部部分和后部部分。翼型件在该径向内部轮叶平台和该径向外部轮叶平台之间延伸。该涡轮级还包括轮缘密封特征部。该轮缘密封特征部包括前轮缘密封腿，其包括压力侧突出部和吸力侧突出部。每个突出部都位于该径向内部轮叶平台的径向面向内的表面的周向边缘处，并且从该轮叶的翼型件径向向内延伸。该轮缘密封特征部还包括后轮缘密封腿，其沿该径向内部轮叶平台的径向面向内的表面的长度周向地从该径向内部轮叶平台的压力侧延伸到吸力侧。该后轮缘密封腿在该径向内部轮叶平台的后端处从该轮叶的翼型件径向向内延伸。冲击板覆盖该径向内部轮叶平台的径向面向内的表面，并且轴向向后延伸直至该后轮缘密封腿。轮缘密封围护结构位于该冲击板的径向内部。该轮缘密封围护结构包括盖部分，其在该径向内部轮叶平台的后部部分之上轴向延伸直至该后轮缘密封腿。该轮缘密封围护结构还包括腿部分，其从该盖部分径向向内延伸，并且轴向地位于该盖部分的前边缘和后边缘之间。该腿部分在该压力侧突出部和该吸力侧突出部之间沿周向方向延伸，使得环密封围护结构的腿部分、该压力侧突出部和该吸力侧突出部相结合形成该前轮缘密封腿。该前轮缘密封腿、该径向内部轮叶平台的径向面向内的表面和该后轮缘密封腿限定轮缘腔。冷却腔被限定在该轮缘密封围护结构和该冲击板之间，该冷却腔轴向向后延伸直至该后轮缘密封腿，以为该径向内部轮叶平台的后部部分58提供冷却。该涡轮级还包括设置在该轮叶组件的轴向下游的叶片组件。该叶片组件包括叶片平台，该叶片平台包括天使翼延伸部，该天使翼延伸部具有沿上游方向突出的远端，该远端与该径向内部轮叶平台的后部部分径向向内隔开。

参考下面的附图、说明书和权利要求，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。

附图说明

借助于附图更详细地示出了本发明。附图示出了优选的构造并且不限制本发明的范围。

图1是包括本发明的示例性实施例的轮缘密封组件的涡轮发动机的一部分的侧视图；

图2是图1的一部分的详细视图；

图3是在轮叶/叶片上就位的本发明的示例性实施例的轮缘密封组件的沿径向向外方向的透视图；

图4是本发明的示例性实施例的轮缘密封组件的侧视图；

图5是在轮叶/叶片上就位的本发明的示例性实施例的轮缘密封组件的沿径向向外方向的透视图；

图6是在轮叶/叶片上就位的本发明的示例性实施例的轮缘密封组件的沿径向向外方向的透视图；

图7是在轮叶/叶片上就位的本发明的示例性实施例的轮缘密封组件的沿径向向外方向的详细透视图；

图8是本发明的示例性实施例的轮缘密封组件的沿切线方向观察的剖面侧视图；

图9是在添加本发明的示例性实施例的轮缘密封组件之前的轮叶铸造和加工几何构型的透视图；

图10是本发明的示例性实施例的轮缘密封围护结构的透视图；

图11是本发明的示例性实施例的冲击板的透视图；

图12是根据本发明的第二变体的轮缘密封组件的沿切线方向观察的剖面侧视图；

图13和图14是图12中所示的轮缘密封组件的透视图。

具体实施方式

在下面对优选实施例的详细描述中，参考了形成本文的一部分的附图，并且在附图中，作为图示而非作为限制示出了其中可实践本发明的特定实施例。要理解的是，可利用其他实施例，并且可作出改变，而不脱离本发明的精神和范围。

广义地，本发明的实施例提供了一种用于涡轮发动机的轮缘密封装置，该轮缘密封装置包括轮叶组件，该轮叶组件包括径向内部轮叶平台、径向外部轮叶平台和翼型件。该径向内部轮叶平台包括沿径向面向内的表面的轮缘密封特征部，该轮缘密封特征部具有：前轮缘密封腿，其包括压力侧突出部和吸力侧突出部；以及后轮缘密封腿，其覆盖该内部轮叶平台的径向面向内的表面的后缘端。冲击板覆盖该径向内部轮叶平台的后部部分，并且轮缘密封围护结构覆盖该冲击板与径向向内的前轮缘密封腿之间的区域，并覆盖该径向内部轮叶平台的后部部分。

燃气涡轮发动机可包括压缩机部段、燃烧器和涡轮部段。该压缩机部段压缩环境空气。该燃烧器将压缩空气与燃料结合并点燃混合物，从而产生燃烧产物，该燃烧产物包括形成工作流体的热气体。该工作流体行进到涡轮部段。在该涡轮部段内是周向成排的轮叶和叶片，这些叶片被耦接到转子。每对成排的轮叶和叶片形成涡轮部段中的一级。该涡轮部段包括固定的涡轮壳体，该涡轮壳体收容轮叶、叶片和转子。燃气涡轮机的叶片从燃烧系统接收高温气体，以便产生轴旋转的机械功。

特别是在涡轮发动机的较早级中，轮叶和叶片会遇到高温。这些轮叶和叶片各自从相应的平台突出，这些平台在组装时形成轮叶和叶片环。这些轮叶和叶片环各自具有轮缘，这些轮缘大致彼此相对，并且在它们之间至少部分地限定冷却腔。轮叶延伸到形成在转子叶片的两级之间的轮缘腔中。

在本说明书中，术语“径向”及其派生词以及术语“轴向”及其派生词是相对于旋转轴线或发动机轴线a限定的，如图1中所描绘的。术语“前”（或“上游”）和“后”（或“下游”）是相对于工作热气流体的流动方向限定的，该流动方向大致沿轴向方向。

图1和图2图示了燃气涡轮发动机的涡轮级中的已知类型的涡轮轮叶10。轮叶10的组件包括径向内部轮叶平台12和径向外部轮叶平台30。翼型件28在径向内部轮叶平台12和径向外部轮叶平台30之间沿径向方向翼展向延伸，从而在翼型件28的相对端处联接到平台12、30。翼型件28包括压力侧表面44（前）和相对的吸力侧表面46（后）。压力侧表面44和吸力侧表面46大致从轮叶翼型件28的前缘48轴向延伸到后缘50，并且从内径（id）或基部52径向延伸到外径（od）或末端54。

径向内部轮叶平台或id轮叶平台12包括径向面向外的表面56，该表面56连接到轮叶翼型件28的id基部52并且限定了工作热气体流动路径32的内径边界。id轮叶平台12还包括径向面向内的表面26。id轮叶平台12包括前部部分60和后部部分58，该后部部分58部分地在轮叶翼型件28的基部52的下游延伸。id轮叶平台12的后部部分58在下面进一步详细描述。

可旋转叶片38被示出为位于轮叶10的轴向下游或后部。叶片38包括叶片平台40。叶片平台40包括天使翼（angelwing）延伸部42，该天使翼延伸部42具有沿上游或向前方向突出的远端。叶片38的叶片平台40的天使翼延伸部42的一部分可与id轮叶平台12的后部部分58重叠，使得天使翼延伸部42的上游远端从id轮叶平台12的后部部分58径向向内定位。

轮缘腔22在id轮叶平台12的后部部分58处从id轮叶平台12径向向内形成。来自相邻叶片平台40的天使翼延伸部42位于轮缘腔22的径向内部。id轮叶平台12的径向面向内的表面26在id轮叶平台12的后部部分58处包括轮缘密封特征部14。该轮缘密封特征部14与叶片平台40的天使翼延伸部42相互作用，来密封轮缘腔22，以减少泄漏，并改善发动机性能。

上述轮缘密封特征部14提出了冷却上的挑战，这是因为它占据了轮叶id平台12的后端上的空间，在那里没有供应冷却剂。由于在后缘50的上游发生的冷却，轮叶翼型件28的后缘50的温度通常高于前缘48。这提出了冷却id轮叶平台12的后部部分58的挑战。id轮叶平台12的后部部分58可包括冷却腔25，该冷却腔25可供应有冷却剂，该冷却剂例如来自翼型件28的后部冷却通道（未示出）。如图2中所示，照常规，密封盖（containmentcap）18可被焊接或钎接到id轮叶平台12，以覆盖冷却腔25。然后，允许接收在冷却腔25中的冷却剂经由多孔冲击板16径向向外流动冲击在轮叶id平台12的后侧上，该多孔冲击板16可被焊接或钎接到该轮叶id平台12。然而，在轮缘密封特征部14就位的情况下，在轮缘密封特征部14自身之上没有冷却通道。冷却孔可从冷却腔到平台钻入到id轮叶平台12的后端中。然而，这些冷却孔可能会降低涡轮发动机的效率。本发明的实施例利用处于适当位置的修改的轮缘密封特征部14为id轮叶平台12的后部部分58提供冷却。常规的轮缘密封特征部14包括前轮缘密封腿24和后轮缘密封腿66，其延伸从压力侧44到吸力侧46的长度完全铸造到轮叶10中。

在图1和图2中所示的构造中，密封盖18覆盖id轮叶平台12的处于前轮缘密封腿24后方的径向面向内的表面26。前轮缘密封腿24后部的部分未被密封盖18或冲击板16覆盖。为了解决这个问题，实施例示出了密封盖18和轮缘密封件现在是一体的。

参考图3至图14图示了本发明的示例性实施例。如图所示，修改的轮缘密封特征部14包括前轮缘密封腿24，其包括压力侧突出部62和吸力侧突出部64（例如，参见图5和图9）。这里提及的术语“突出部”是不覆盖所附接的基部的全长（沿周向方向测量）的部件。突出部62、64可例如通过铸造与id轮叶平台12一体地形成。突出部62、64位于相同的轴向位置处，其中每个突出部62、64都位于id轮叶平台12的径向面向内的表面26的周向边缘处。每个突出部62、64都从轮叶的翼型件28径向向内延伸。此外，还设置了后轮缘密封腿66，其沿id轮叶平台12的径向面向内的表面26的长度（沿周向方向）从平台12的压力侧延伸到吸力侧。后轮缘密封腿66在id轮叶平台12的后端处从轮叶的翼型件28径向向内延伸。冲击板16覆盖id轮叶平台的径向面向内的表面26，并且轴向向后延伸直至后轮缘密封腿66。

根据本发明的各方面，轮缘密封围护结构20位于冲击板16的径向内部。该轮缘密封围护结构20包括盖部分18和腿部分68。该盖部分18在id轮叶平台12的后部部分58之上轴向延伸直至后轮缘密封腿66。该腿部分68从盖部分18径向向内延伸，并且轴向定位在盖部分18的前边缘72和后边缘74之间。腿部分68在压力侧突出部62和吸力侧突出部64之间沿周向方向延伸。由此，轮缘密封围护结构20的腿部分68、压力侧突出部62和吸力侧突出部64相结合形成前轮缘密封腿24。该前轮缘密封腿24、id轮叶平台12的径向面向内的表面26和后轮缘密封腿66限定了近似u形的腔22，该腔22可被称为“轮缘腔”。冷却腔25被限定在轮缘密封围护结构20和冲击板16之间。该冷却腔25轴向向后延伸直至后轮缘密封腿66，以向id轮叶平台12的后部部分58提供冷却。

在图3-11中所示的第一组变体中，轮缘密封围护结构20的盖部分18被成形为近似地大致匹配id轮叶平台12的径向面向内的表面26的从其压力侧延伸到吸力侧的侧面的外部几何构型，从而覆盖在从冲击板16径向向内的空间之上。轮缘密封围护结构20可通过焊接或钎接来附接到id轮叶平台12。焊接/钎接接头通常设置在轮缘密封围护结构20周围，包括设置在与突出部62、64的界面处，以防止泄漏。冷却腔25形成在冲击板16和轮缘密封围护结构20之间。

在一个实施例中，如图3-5中所示，轮缘密封围护结构20包括盖部分18，其从后轮缘密封腿66向前延伸，以覆盖id轮叶平台12的径向面向内的表面26的后部部分58。该盖部分18可包括处于恒定径向水平处的平坦表面。腿部分68从盖部分18径向向内延伸，并且进一步在前轮缘密封腿24的压力侧突出部62和吸力侧突出部64之间周向延伸。在这种情况下，腿部分68可例如通过焊接或钎接来联接到盖部分18。图5示出了在轮缘密封围护结构20的组件附接之前的径向面向内的表面26。图3和图4示出了组装有盖部分18和腿部分68的轮缘密封围护结构20。腿部分68的径向范围可对应于突出部62、64的径向延伸。

在另一个实施例中，如图6-10中所示，轮缘密封围护结构20由单块片材构造成单件。该片材包括位于第一径向水平处的第一部分90，其被构造为盖部分18。该片材还包括从第一部分90径向向内弯曲的第二部分92。该第二部分92限定腿部分。第二部分92可轴向地位于盖部分18的前边缘72与后边缘74之间，并且与压力侧突出部62和吸力侧突出部64轴向共置。腿部分68的径向范围可对应于突出部62、64的径向延伸。图6-8示出了组装到id轮叶平台12的轮缘密封围护结构20，图9示出了在冲击板16和轮缘密封围护结构20组装之前的id轮叶平台12的径向向内的表面，并且图10示出了在组装之前的单独的轮缘密封围护结构20。如图11中所示的冲击板16可沿id轮叶平台12的径向面向内的表面26的后部部分58放置在空间内。

在第二变体中，如图12-14中所示，轮缘密封围护结构20的盖部分18的前边缘72和后边缘74被相应地接收在形成在径向内部轮叶平台12上的第一和第二周向延伸的槽82、84中。槽82、84可从id轮叶平台12的压力侧一直延伸到吸力侧。槽82、84被构造成在操作期间固定轮缘密封围护结构20的径向位置。在所示示例中，轮缘密封围护结构20由单片金属形成，该单片金属具有限定盖部分18的第一部分以及从该第一部分径向向内弯曲以限定腿部分68的第二部分，这类似于图8和图10中所示的前述实施例。在替代实施例（未示出）中，类似于图3和图4中所示的前述实施例，盖部分18和腿部分68可分开形成并随后联接。

轮缘密封围护结构20可通过焊接或钎接来附接到id轮叶平台12。焊接或钎接接头通常设置在轮缘密封围护结构20周围，包括设置在与突出部62、64的界面处，以防止泄漏。将轮缘密封围护结构20组装在槽82、84内确保了焊接或钎接接头处于压缩状态而非处于张紧状态，这降低了焊接/钎接失效的风险。此外，在焊接/钎接附接失效的情况下，将轮缘密封围护结构20约束在槽82、84内防止了轮缘密封围护结构20与轮叶的完全分离。轮缘密封围护结构20可通过如下方式来组装在轮叶上，即：使轮缘密封围护结构20从id轮叶平台12的压力侧切向滑动到吸力侧，或者反之亦然。槽82、84和轮缘密封围护结构20可被切割到相同的半径，以确保容易组装。

在上述所有实施例中，轮缘密封围护结构20为id轮叶平台12的径向面向内的表面26的覆盖id轮叶平台12的后部部分58的大部分（如果不是全部）区域的大区域提供了密封能力。限定在轮缘密封围护结构20和冲击板16之间的冷却腔25可与翼型件28的内腔或冷却通道连通，以从该内腔或冷却通道接收冷却流体。来自冷却腔25的冷却流体可经由冲击板16冲击在id轮叶平台12的后侧上，以提供对id轮叶平台12的有效冷却。

轮缘密封特征部14还允许轮叶和叶片的在不抬起覆盖件的情况下的轴向拆卸。上述实施例显示了用于对轮缘密封特征部14上方的id轮叶平台12进行更有效的后侧冷却的方法。这导致局部热侧温度降低，部件寿命增加，冷却空气消耗减少并且性能提高。通过将密封盖18与轮缘密封特征部14整合，将更好的冷却提供给id轮叶平台12的后部部分58，同时维持轮缘密封特征部14的性能。

用于涡轮发动机的密封装置可包括围绕转子盘74的多个轮叶10和相邻叶片的组件。轮缘密封围护结构20与轮缘密封特征部14相结合允许进一步冷却id轮叶平台12的冷却不足的后部部分58。可需要较少的附加孔来冷却该特定区域，并且可需要使用较少的冷却剂，从而使得能够提高效率。

虽然已详细地描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将理解，可根据本公开的整体教导来形成那些细节的各种修改和替代方案。因此，所公开的特定装置仅意在是说明性的，并且不限制本发明的范围，本发明的范围将由所附权利要求及其任何和所有等同形式的全部范围给出。