[发明专利]用于前腔流控制的涡轮机桨叶角翼特征以及相关方法

说明书

技术领域

本发明大体涉及回转式机械，确切地说，涉及在燃气涡轮机桨叶上的引导角翼密封件(at the leading angel wing seals)处对前叶轮空间腔(forward wheel space cavity)净化流和燃烧气体流进行控制。

背景技术

典型的涡轮发动机包括压缩机，用于压缩与燃料混合的空气。燃料-空气混合物在燃烧室内点燃，以生成在约1100℃到2000℃范围内的热加压燃烧气体。所述燃烧气体膨胀通过涡轮机喷嘴，所述喷嘴将所述(气体)流引导到高压和低压涡轮机级，从而提供额外的旋转能，以便，例如，驱动发电机。

具体而言，燃烧室内产生的热能通过以下方式转换成涡轮机内的机械能：使热燃烧气体撞击一个或多个有叶片的转子组件。每个转子组件通常包括至少一行周向隔开的转子叶片或桨叶。每片桨叶包括径向向外延伸的翼片，所述翼片具有压力侧和吸入侧。每片桨叶还包括从柄径向向内延伸的鸠尾榫，所述柄在平台与鸠尾榫之间延伸。鸠尾榫用来将桨叶安装到转子盘或叶轮。

如所属领域已知，转子组件可被视为定子-转子组件的一部分。转子组件的叶轮或盘上的多行桨叶(buckets)，以及定子或喷嘴组件上的多行定子轮叶(stator vanes)，交替延伸穿过针对燃烧气体轴向定向的流路。离开定子或喷嘴的轮叶的热燃烧气体射流作用在桨叶上，并使涡轮机叶轮(和转子)在约3000到15000rpm的速度范围内旋转，具体取决于发动机的类型。

如下图所示，位于固定喷嘴与每级的可旋转桨叶之间的接口处的轴向/径向开口可让热燃烧气体排出热气路径，并进入位于桨叶径向向内位置的涡轮发动机的较冷叶轮空间。为了限制这种热气渗漏，叶片结构通常包括轴向突出的角翼密封件。根据典型设计，角翼与从相邻的定子或喷嘴元件延伸的突出段、或“阻隔件(discouragers)”配合。角翼与阻隔件重叠(或几乎重叠)，但彼此并不接触，从而限制气流。对于限制将热气不当吸入位于角翼密封件的径向向内位置的叶轮空间而言，由这些配合特征形成的曲径密封件(labyrinth seal)的效果/有效性较为关键。

如上文所担示的，由于多种原因，热气通过这种路径渗入叶轮空间较为不利。首先，来自工作燃气蒸汽流(working gas stream)的热气的损耗会导致效率降低，从而减少输出。其次，将热气吸入涡轮机叶轮空间和其他腔中可能会损坏一些部件，因这些部件并未针对长期暴露于此类温度进行设计。

用于减少来自工作燃气蒸汽流的热气渗漏的一种公知技术涉及使用冷却空气，即，“净化空气”，如第5,224,822号美国专利(利内翰(Lenehan)等人)所述。在典型设计中，空气可从压缩机中转移或“放出(bled)”，并用作用于涡轮机冷却回路的高压冷却空气。因此，冷却空气是次级流回路的一部分，所述次级流回路可通常穿过叶轮空间腔以及其他内侧转子区域。当从叶轮空间区域被引导到先前所述的其中一个角翼间隙中时，这种冷却空气可起到额外的特定作用。由进入所述间隙的冷却空气所形成的逆流，可为不期望的热气流过所述间隙、并进入叶轮空间区域提供额外的屏障。

虽然由于上述原因，来自次级流回路的冷却空气非常有利，但也存在与该冷却空气用途相关的缺点。例如，针对高压冷却和腔净化空气从压缩机提取空气会消耗涡轮机的功，而且就发动机性能而言，可能要付出较大代价。此外，在一些发动机配置中，在至少某些发动机功率设置期间，压缩机系统可能无法提供处于足够压力的净化空气。因此，热气仍被吸入叶轮空间腔中。

如上所述的角翼用来在一行桨叶和相邻的固定喷嘴的上游侧和下游侧形成密封。具体而言，角翼密封件意图防止热燃烧气体进入位于角翼密封件的径向向内位置的较冷叶轮空间腔，同时防止或最小化叶轮空间腔中的冷却空气逸出到热气流。因此，针对角翼密封件接口，人们不断努力来理解其热燃烧气体流和叶轮空间冷却、或净化空气的流动型式(flow patterns)。

例如，已经确定的是，即使角翼密封件较为有效、且可防止热燃烧气体进入叶轮空间，但燃烧气体流涡流撞击密封件的表面可损坏密封件、并缩短桨叶的使用寿命。

本发明旨在提供独特的角翼密封件和/或桨叶平台几何形状，以更好地控制角翼接口处的次级净化空气流，从而也以延长角翼密封件及因此桨叶本身的使用寿命的方式来控制所述接口处的燃烧气体流。

发明内容