[发明专利]涡轮装置和冷却位于涡轮叶片尖端的覆环的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种涡轮装置，其具有转子和环绕转子的定子，以在转 子与定子之间形成热且加压的燃烧气体的流路，转子包括朝向定子沿基 本径向延伸通过该流路的涡轮叶片，该涡轮叶片具有位于它们尖端处的 覆环。此外，本发明涉及一种在转子转动时冷却位于转子的涡轮叶片尖 端处的覆环的方法。

背景技术

在燃气涡轮叶片径向外端的覆环被用于密封涡轮叶片的尖端与环绕 涡轮叶片的涡轮定子之间的空隙。通过该措施来减少通过尖端与定子之 间空隙的泄漏流。覆环通常沿转子的周向和转子的轴向延伸，并且是沿 涡轮叶片的基本长度，特别是沿涡轮叶片整个轴向长度(即，在定子内 壁的大面积上)延伸。为了提高覆环的密封能力，可具有一个或多个密 封肋，有时也称为翅片，密封肋从覆环的平台部朝定子内壁延伸。

如同涡轮叶片的其他部分那样，因为覆环被暴露在流经定子与转子 之间流路的热且加压的燃烧气体下，所以人们想要充分冷却覆环以延长 其寿命。在US2007/071593A1中描述了一种冷却装置，其中，空气从定 子中的孔吹出朝向覆环的平台，以便实现对覆环的冲击冷却。

EP1083299A2描述了一种带定子和转子的燃气涡轮，涡轮叶片从转 子朝定子延伸。在涡轮叶片的径向外尖端处，覆环定位为面对定子内壁 处的蜂窝密封结构。冷却空气在蜂窝密封结构的上游直接从定子壁中的 开口直接吹出进入覆环与定子壁之间的空隙。

发明内容

相比现有技术，本发明的一个目的是提供一种改进的涡轮装置，其 包括定子和转子，转子的涡轮叶片从转子朝定子基本径向延伸，并在它 们的尖端处具有覆环。此外，本发明的第二个目的是提供一种在转子转 动时冷却位于转子涡轮叶片尖端处的覆环的方法。

根据权利要求1所述的涡轮装置解决了第一个目的。根据权利要求8 所述的覆环冷却方法解决了第二个目的。从属权利要求包含本发明的进 一步改进。

创造性的涡轮装置包括转子和环绕转子的定子，以在转子与定子之 间形成热且加压的燃烧气体的流路。转子限定了径向和周向，并包括涡 轮叶片，该涡轮叶片朝向定子沿径向延伸通过该流路，并且该涡轮叶片 具有位于它们尖端处的覆环。定子包括壁部，当转子转动时，覆环沿该 壁部运动。至少一个超声速喷嘴位于壁部内并连接到冷却流体供应器。 超声速喷嘴被定位成朝向覆环提供超声速冷却流体流。此外，超声速喷 嘴朝着周向相对于径向成角度，以这种取向使得超声速冷却流体流具有 平行于覆环运动方向的流动分量。超声速喷嘴可由会聚-发散式喷嘴截面 来简单地实现。

采用该装置，朝向覆环的流将有极高的速度。该流会与通过覆环与 壁部之间的径向空隙的重叠泄漏流混合。该泄漏流在周向上的速度低于 超声速喷嘴形成的超声速流。因此，通过混合泄漏流与超声速流，超声 速流会增加混合物的周向速度，其会在覆环的旋转参考系中导致较低的 相对速度，由此增加覆环冷却的冷却效率。与其相反，在现有技术的冷 却装置中，覆环的相对圆周速度和覆环与定子之间空隙中气体的相对圆 周速度都高。所以在这种装置中，气体与覆环之间的摩擦高，由此增加 了气体温度。该气体温度的增加降低了从覆环散热的能力。

冷却流体供应器可为燃气涡轮压缩机，该燃气涡轮压缩机还向燃烧 系统供应燃烧空气。这样，冷却流体就是来自压缩机的压缩空气。因此 没有必要提供另外的冷却流体供应器。

密封件优选位于壁部中，覆环沿该壁部运动。该密封件为部分平坦 或完全平坦的，且超声速喷嘴位于平密封件中，如果该密封件只为部分 平坦的，那么该超声速喷嘴就位于其平坦部分中。相比非平密封件，这 样的平密封件(部分)降低了超声速流与壁部之间的摩擦。

特别地，壁部中的密封件可包括平坦部和蜂窝部，其中，蜂窝部位 于平坦部的上游。通过该配置，可增加超声速喷嘴上游的密封效率，而 基本不增加超声速流与壁部之间的摩擦。