渦輪機轉子盤以及相關方法
2023-06-17 00:17:11 3
專利名稱：渦輪機轉子盤以及相關方法
技術領域：
本發明總體上涉及渦輪機技術，具體而言，涉及渦輪機槳葉平臺的冷卻。
背景技術：
為所有高技術燃氣渦輪機所共有的一個問題是槳葉平臺端壁因高溫和大溫度梯度而損壞。此損壞可表現為氧化、破碎、開裂、彎曲或釋放的形式。處理此問題的推薦的解決方案採用以下方案中任一者:針對槳葉平臺的內表面進行冷卻強化，所述槳葉平臺沿徑向位於槳葉翼型與槳葉柄之間；在端壁之內建立對流冷卻通道；及/或添加局部薄膜冷卻(local film cooling)。先前嘗試解決此問題的代表性實例可在美國公開申請案第2005/0095128號以及美國專利第6，309，175號、第5,630, 703號、第5，388, 962號、第4，111，603號與第3，897，171號中找到。仍需要提供更有效的冷卻布置以便採用槳葉柄空腔內的已有的跨柄漏流來冷卻槳葉平臺。
發明內容
根據一個第一示例性但非限制性方面，本發明提供一種渦輪機轉子盤，其包括:環繞所述轉子盤的徑向外部圓周的一排槳葉，每片槳葉具有翼型、平臺、柄以及安裝部分，所述安裝部分容納於在所述轉子盤中形成的徑向狹槽中，以使位於相鄰安裝部分之間的轉子盤柱以及位於相鄰柄之間的柄空腔分離相鄰徑向狹槽中的相鄰槳葉，沿徑向向所述轉子盤柱外以及沿徑向向相鄰平臺內，所述柄空腔大體上用至少一個分立熱力插塞來填充。根據另一個示例性但非限制性方面，提供了一種用於燃氣渦輪發動機的轉子槳葉組件，其包括:緊固到所述燃氣渦輪發動機轉子盤的至少一對相鄰槳葉，每片槳葉包括平臺，所述平臺包括徑向外表面以及徑向內表面；從所述平臺沿徑向向外延伸的翼型；從所述平臺沿徑向向內延伸的柄，其中形成的所述柄具有形成內部柄空腔的凹陷表面；從所述柄沿徑向向內延伸的楔形榫；並且其中插塞容納在位於所述一對相鄰槳葉之間的所述內部柄空腔中，大體上填充所述柄空腔，同時在所述插塞的徑向外部部分與所述平臺的所述徑向內表面之間建立第一冷卻空氣流動路徑。根據又一個示例性實施例，提供了一種對安裝在轉子葉輪上的渦輪機槳葉的平臺部分的下側進行冷卻的方法，其中每片槳葉包括翼型、平臺、柄以及適合容納在轉子葉輪中的配合狹槽中的安裝部分，並且其中相鄰槳葉的相鄰柄形成由相鄰槳葉的平臺的所述下側進行部分界定的柄空腔，所述方法包括:用至少一個熱力插塞大體上填充所述柄空腔；以及對熱力插塞進行定形以弓I導跨柄漏流空氣的主要部分沿所述平臺的所述下側流動。現在將結合下文所確認的附圖來詳細描述本發明。
圖1為已知渦輪機槳葉的局部端視圖，圖示了柄空腔以及用於冷卻槳葉平臺的跨柄漏流的流動；圖2為圖示各自相鄰槳葉的相鄰柄空腔的簡化側視圖，也圖示了跨柄漏流，該視圖大致在由圖1中的線2-2指示的平面上獲得；圖3為類似於圖2的局部端視圖，但圖示了根據本發明的一個示例性但非限制性實施例的位於柄空腔內的適當位置處的熱力插塞；圖4為類似於圖2的簡化側視圖，但圖示了根據本發明的一個示例性但非限制性實施例的位於適當位置的熱力插塞，該熱力插塞大體上填充了相鄰柄空腔；圖5為具有根據本發明的一個示例性但非限制性實施例的熱力插塞的一對槳葉的示意性軸向端視圖，所述熱力插塞安裝在相鄰柄空腔之間；圖6為沿徑向穿過圖5中的熱力插塞作截面圖的示意性側視圖，並且圖示了用於沿軸向保持熱力插塞的蓋板；圖7為沿圖5中的線7-7所截得的截面；圖8為具有根據本發明的另一個示例性但非限制性實施例的分裂熱力插塞的一對槳葉的示意性軸向端視圖，所述分裂熱力插塞安裝在相鄰柄空腔之間；圖9為穿過圖8中的熱力插塞作截面圖的示意性側視圖，並且圖示了用於沿軸向保持分裂熱力插塞的一體式蓋板；以及圖10為沿圖8中的線10-10所截得的截面。
具體實施例方式圖1所示為適合於連接到轉子盤的典型轉子葉片或槳葉10，該轉子盤由位於可旋轉地連接或固定到渦輪機轉子或軸的葉輪上的柱12來表示。多個葉片或槳葉10是相同的，並且每一個都包括翼型14、平臺16、柄18以及楔形榫20。柄18從平臺16沿徑向向內延伸至楔形榫20，並且楔形榫20從柄18沿徑向向內延伸並容納於在轉子盤中形成的配合狹槽之內。柱12在相鄰狹槽之間沿徑向凸出，從而形成相鄰狹槽中的每一個的一側。槳葉通常沿軸向裝入狹槽中以形成完整的環繞盤或葉輪的圓周而環狀排列的槳葉。環狀排列的槳葉通常沿軸向位於相鄰的固定多排葉片或噴嘴22之間(或沿軸向之間)。從圖7可最佳地了解到，每個翼型14包括第一或壓力側24以及第二或吸入側26。兩側24、26在前緣28以及沿軸向隔開的後緣30處連結在一起。具體而言，翼型後緣30在翼弦方向上隔開並且在翼型前緣28的下遊。第一和第二側24和26分別從平臺16沿縱向或沿徑向向外延伸至徑向外部頂端(未圖示)。繼續參閱圖7，平臺16還具有壓力側邊緣32以及相對的吸入側邊緣34。當轉子葉片10在轉子組件之內連接時，間隙36在相鄰轉子葉片平臺16之間界定，並且因此間隙36被稱為平臺間隙。所述間隙通常由阻尼器銷或密封件38來閉合(參看圖5)。回到圖1，柄18包括大體上凹陷的空腔側壁40、上遊側壁邊緣42以及下遊側壁邊緣44。因此，柄空腔側壁40分別相對於上遊和下遊側壁邊緣42和44凹入，因而當槳葉10在轉子組件之內連接時，柄空腔46(參看圖1和圖5)在相鄰轉子葉片柄之間界定。為方便起見，柄空腔的參考標號46包括每片槳葉的柄空腔以及由相鄰槳葉形成的組合空腔。在示例性的實施例中，為了便於增加柄空腔46內的壓力，位於槳葉前端處的柄側壁邊緣42可包括內部和外部天使翼密封件48、50，該內部和外部天使翼密封件48、50抑制熱燃燒氣體沿密封件50的徑向向內進入葉輪空間區域。用流動箭頭52表示的凹入或內凹部分沿與楔形榫20沿徑向相鄰的內部天使翼50的徑向向內形成，容許跨柄漏流空氣流入空腔46中以冷卻空腔，具體而言，冷卻平臺16的下側54。從圖1和圖2可了解到，在位置52處的入口與側壁邊緣44處的出口之間沒有界定流動路徑的情況下，在位置52處進入空腔46中的氣流是低速的，且極度無序的，其中在它與相鄰槳葉的側壁邊緣之間存在間隙。所述間隙由(例如)位於柄空腔側壁邊緣42、44的一側或兩側的密封銷(未圖示)來進行部分密封。另外，在平臺與盤柱之間不存在任何輻射屏蔽的情況下，流過平臺16的下側54的氣流的溫度增加還很可能使盤柱12變熱。圖3至圖7圖示了本發明的一個示例性但非限制性實施例，其中熱力插塞56大體上填充了相鄰槳葉之間的柄空腔46。插塞56優選為不允許空氣從中通過的輕質金屬或金屬泡沫。插塞56具有大致為矩形的結構，該結構具有適合與空腔46的形狀大體上匹配的四側。插塞56可構造為空心、自承殼體或填充有金屬蜂窩等加強結構的空心殼體。所述插塞意圖填充大部分柄空腔46並引導大部分存在的跨柄漏流流向平臺16，從而產生較高速度以及對平臺下側的更有效的冷卻。所述插塞還充當平臺與柱之間的輻射屏蔽物。另外，氣流的一小部分將被沿插塞56的徑向向內方向輸送，因而還用於為盤柱的徑向外端提供一些冷卻。根據圖3中的流動箭頭可明顯看到此流動路徑。在圖4中可最佳地看到，插塞徑向外表面可形成有溝道或凹口 58以便在插塞與平臺下側之間提供分立、界限分明的流動路徑。轉到圖6，分離蓋板60可緊固在柄空腔的一側，安置於分別在平臺和盤柱中形成的凹槽或槽口 62、64中，以便在安裝之後保持插塞以避免其沿軸向向後移出空腔。在這點上，位於插塞56的一端的徑向向內薄片66阻止插塞沿軸向在相反或安裝方向上移動(如圖6中所示，向右)。可採用墊片或隔片68來確保插塞56不在插塞與蓋板之間的間隙中沿軸向向蓋板移動。在此布置下，插塞可在槳葉裝入至盤上之後從前側安裝至相鄰槳葉之間的柄空腔46中。如上文所述，隨後會使用蓋板60來將插塞56固持在適當的位置。在其他應用中，可從槳葉的後側插入插塞，在插入插塞之後，同樣將蓋板安裝在所述後側上。在此布置中，插塞將專用冷卻空氣而非跨柄漏流引導至平臺的下側。跨柄漏流和專用冷卻流均可稱為「冷卻流」。圖8至圖10圖示了另一個示例性但非限制性實施例，在該實施中，一對相鄰槳葉70,72中的每一個在槳葉的上遊和下遊側均形成有一體式蓋板74、76以及78、80，如圖10所清晰顯不的。在此情況下，熱力插塞分裂成一對並排式插塞82、84，並排式插塞82、84在槳葉裝載到盤中之前放入相應柄空腔中。因此，一體式蓋板74、76以及78、80能防止柄空腔之內的插塞的任何軸向移動，但墊片或隔片(未圖示)可在安裝和/或移除期間按照需要安裝在槳葉與插塞之間，從而避免柄空腔之內的插塞的任何推撞或粘合。儘管本發明已結合目前被認為是最具實用性且最優選的實施例進行了描述，但應了解，本發明不限於所揭示的實施例，相反，而是旨在涵蓋包括在所附權利要求書的精神和範圍之內的各種修改和等效布置。
權利要求
1.一種渦輪機轉子盤，包括: 環繞所述轉子盤的徑向外部圓周進行緊固的一排槳葉，每片槳葉具有翼型、平臺、柄以及安裝部分，所述安裝部分容納在形成於所述轉子盤內的徑向狹槽中，以使相鄰徑向狹槽中的相鄰槳葉被位於相鄰安裝部分之間的轉子盤柱以及形成於相鄰柄之間的柄空腔在所述轉子盤柱徑向向外以及相鄰平臺沿徑向向內分開，所述柄空腔大體上用至少一個分立熱力插塞來填充。
2.根據權利要求1所述的渦輪機轉子盤，其中所述至少一個分立熱力插塞包括自承式空心體。
3.根據權利要求2所述的渦輪機轉子盤，其中所述空心體填充有蜂窩結構。
4.根據權利要求1所述的渦輪機轉子盤，其中所述至少一個分立熱力插塞包括一對並排式插塞。
5.根據權利要求1所述的渦輪機轉子盤，其中所述至少一個分立熱力插塞成形為沿所述相鄰平臺的下側和/或沿所述轉子盤柱的上表面引導冷卻流。
6.根據權利要求1所述的渦輪機轉子盤，其中所述至少一個分立熱力插塞在其一個大體軸向定向末端形成有軸向保持片。
7.根據權利要求6所述的渦輪機轉子盤，其中所述至少一個分立熱力插塞沿其徑向外端形成有流道。
8.根據權利要求6所述的渦輪機轉子盤，其中所述至少一個分立熱力插塞由蓋板沿軸向保持在所述空腔中。
9.根據權利要求4所述的渦輪機轉子盤，其中所述並排式插塞由與所述相鄰槳葉形成為一體的蓋板沿徑向保持在所述空腔中。
10.一種燃氣渦輪發動機的轉子槳葉組件，包括: 緊固到所述燃氣渦輪發動機的轉子盤的至少一對相鄰槳葉，每片槳葉包括平臺，所述平臺包括徑向外表面和徑向內表面； 從所述平臺沿徑向向外延伸的翼型； 從所述平臺沿徑向向內延伸的柄，其中所述柄形成有凹陷表面，所述凹陷表面形成內部柄空腔； 從所述柄沿徑向向內延伸的楔形榫；並且其中 插塞容納在位於所述一對相鄰槳葉之間的所述內部柄空腔中，大體上填充所述柄空腔，同時在所述插塞的徑向外部部分與所述平臺的所述徑向內表面之間建立第一冷卻空氣流動路徑。
11.根據權利要求10所述的轉子槳葉組件，其中所述插塞包括空心金屬體。
12.根據權利要求11所述的轉子槳葉組件，其中所述空心金屬體填充有加強結構。
13.根據權利要求10所述的轉子槳葉組件，其中所述插塞包括一對並排式熱力插塞。
14.根據權利要求10所述的轉子槳葉組件，其中所述插塞成形為以沿所述平臺的下側以及在所述一對相鄰槳葉的所述楔形榫之間延伸的轉子盤柱的徑向外表面建立第二冷卻空氣流動路徑。
15.根據權利要求10所述的轉子槳葉組件，其中所述插塞在其一個軸向定向末端形成有保持片。
16.根據權利要求10所述的轉子槳葉組件，其中所述插塞沿其徑向外端形成有流道。
17.根據權利要求10所述的轉子槳葉組件，其中所述插塞由應用於所述轉子盤的蓋板沿軸向保持在所述空腔中。
18.根據權利要求13所述的轉子槳葉組件，其中所述並排式熱力插塞由與所述槳葉以及相鄰槳葉形成為一體的蓋板沿軸向保持在所述空腔以及相鄰槳葉中的相鄰空腔中。
19.一種對安裝在轉子葉輪上的渦輪機槳葉的平臺部分的下側進行冷卻的方法，其中每片槳葉包括翼型、平臺、柄以及經設置以容納在所述轉子葉輪中的配合狹槽中的安裝部分，並且其中相鄰槳葉的相鄰柄形成由相鄰槳葉的平臺的所述下側部分限定的柄空腔，所述方法包括: 用至少一個熱力插塞大體上填充所述柄空腔；以及 對所述熱力插塞進行成形以沿所述平臺的所述下側引導冷卻流。
20.根據權利要求19所述的方法，其中對所述熱力插塞進行成形以沿所述平臺的所述下側引導冷卻流的步驟進一步包括對所述熱力插塞進行定形以沿徑向向所述熱力插塞內引導冷卻流，以便冷卻所述轉子葉輪 中的相鄰配合狹槽之間的盤柱。
全文摘要
本發明公開一種渦輪機轉子盤。所述渦輪機轉子盤包括環繞所述轉子盤的徑向外部圓周進行緊固的一排槳葉，每片槳葉具有翼型、平臺、柄以及安裝部分，所述安裝部分容納於在所述轉子盤中成形的徑向狹槽中，以使相鄰徑向狹槽中的相鄰槳葉被位於相鄰安裝部分之間的轉子盤柱以及位於相鄰柄之間的柄空腔在所述轉子盤柱徑向向外以及所述相鄰平臺徑向向內分開。所述柄空腔大體上填充有至少一個分立熱力插塞。
文檔編號F01D5/18GK103089324SQ20121041711
公開日2013年5月8日 申請日期2012年10月26日 優先權日2011年10月28日
發明者J.J.巴特基維奇 申請人:通用電氣公司