[发明专利]用于气体温度控制的涡轮机桨叶平台成形及相关方法

说明书

背景技术

本发明大体涉及旋转式机器，确切地说，涉及在燃气涡轮机桨叶上的前部天使翼型(angel wing)密封件处对前叶轮空间腔净化流和燃烧气体流进行控制。

典型涡轮发动机包括用于对与燃料混合的空气进行压缩的压缩机。燃料空气混合物在燃烧室内点燃，以产生在约1100℃到2000℃范围内的加压热燃烧气体，该燃烧气体膨胀通过涡轮机喷嘴，该喷嘴将流引导到高压和低压涡轮机级，从而提供额外的旋转能以，例如，驱动发电机。

具体而言，燃烧室内产生的热能转换成涡轮机内的机械能，方法是使热燃烧气体撞击一个或多个装有叶片的转子组件。每个转子组件通常包括至少一排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型，该翼型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，其中该柄在平台与鸠尾榫之间延伸。该鸠尾榫用于将桨叶安装到转子盘或叶轮。

如所属领域已知，可以将转子组件视作定子-转子组件的一部分。转子组件的叶轮或盘上的多排桨叶以及定子或喷嘴组件上的多排定子轮叶交替地延伸穿过燃烧气体的轴向定向的流路。离开定子或喷嘴的轮叶的热燃烧气体射流作用于桨叶上，并且致使涡轮机叶轮(和转子)在约3000到15000rpm的速度范围内进行旋转，其中速度具体取决于发动机类型。

如下文所述附图所示，位于每级上的固定喷嘴与可旋转桨叶之间的接合处的轴向/径向开口可以允许热燃烧气体离开热气路径，并且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天使翼型密封件。根据典型设计，天使翼型与从相邻定子或喷嘴元件延伸的突出段或“阻隔件”配合。天使翼型与阻隔件重叠(或者，几乎重叠)，但并不接触彼此，这样就可限制气流。对于限制将热气不当吸入位于天使翼型密封件的径向向内位置的叶轮空间而言，由这些配合的特征形成的曲径密封件的效果较为关键。

如上文提及，出于多种原因，热气通过这种路径渗漏到叶轮空间是不利的。首先，来自工作气流的热气的损失导致效率损失，从而导致输出损失。其次，将热气吸入到涡轮机叶轮空间以及其他腔中可能损坏一些部件，这些部件并未针对长期暴露于此类温度下而设计。

一种用于减少来自工作气流的热气渗漏的公认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，空气可以从压缩机中转移或“放出”，并且用作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，该次级流回路可以大体穿过叶轮空间腔以及其他内侧转子区域。在将这种冷却空气从叶轮空间区域引导到前述天使翼型间隙中的一个间隙中时，该冷却空气可以产生额外的特定功能。进入该间隙的冷却空气的合成逆流提供额外的屏障，以防热气的多余流通过间隙并且进入叶轮空间区域。

尽管来自次级流回路的冷却空气出于上述原因是非常有利的，但也存在与该冷却空气用途关联的缺点。例如，提取来自压缩机的空气以用于高压冷却和腔净化空气消耗了涡轮机的功，并且就发动机性能而言，可能成本相当高。此外，在一些发动机配置中，压缩机系统在至少一些发动机功率设置过程中可能无法在足够压力下提供净化空气。因此，热气仍可能会被吸入叶轮空间腔中。

如上所述的天使翼型用于在一排桨叶和相邻固定喷嘴的上游侧与下游侧上形成密封件。具体而言，天使翼型密封件旨在防止热燃烧气体进入位于天使翼型密封件的径向向内位置的较冷叶轮空间腔，并且同时防止或最小化叶轮空间腔中的冷却空气排出到热气流。因此，相对于天使翼型密封件接合处而言，人们不断致力于了解热燃烧气体流和叶轮空间冷却或净化空气这二者的流型。此外，也担心相邻桨叶的平台之间的间隙，因为这是用于热燃烧气体进入的另一潜在途径。

例如，已确定的是，即使天使翼型密封件较为有效并且防止热燃烧气体进入叶轮空间，但燃烧气体流涡流撞击在密封件表面上和/或撞击在相邻桨叶表面上可能损坏桨叶，因而缩短桨叶使用寿命。类似地，热气体进入相邻桨叶的平台之间的间隙可导致位于桨叶之间的平台斜面边缘和密封件热降解。

本发明旨在提供独特的桨叶平台几何形状，以便在天使翼型接合处和/或在相邻桨叶的平台边缘或斜面之间的大体轴向定位的间隙中更好地控制次级冷却空气流，从而也控制燃烧气体流，使得桨叶的使用寿命延长。

发明内容