專利名稱：渦輪機槳葉平臺前緣以及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及旋轉(zhuǎn)式機器，確切地說，涉及在燃?xì)鉁u輪機槳葉上的前部天使翼(angel wing)密封件處對前葉輪空間腔凈化流和燃燒氣體流進(jìn)行控制。
背景技術(shù)：
一種典型渦輪發(fā)動機包括用于對與燃料混合的空氣進(jìn)行壓縮的壓縮機。燃料空氣混合物在燃燒室內(nèi)點燃以產(chǎn)生在約iioo°c到2ooo°c范圍內(nèi)的加壓熱燃燒氣體，該燃燒氣體膨脹通過渦輪機噴嘴，該噴嘴將流引導(dǎo)到高壓和低壓渦輪機級，從而提供額外的旋轉(zhuǎn)能以，例如，驅(qū)動發(fā)電機。具體而言，燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的熱能通過使熱燃燒氣體撞擊一個或多個裝有葉片的轉(zhuǎn)子組件來轉(zhuǎn)換成渦輪機內(nèi)的機械能。每個轉(zhuǎn)子組件通常包括至少一排周向隔開的轉(zhuǎn)子葉片或槳葉。每片槳葉包括徑向向外延伸的翼型，該翼型具有壓力側(cè)和吸入側(cè)。每片槳葉還包括從柄徑向向內(nèi)延伸的鳩尾榫，其中該柄在平臺與鳩尾榫之間延伸。該鳩尾榫用于將槳葉安裝到轉(zhuǎn)子盤或葉輪。如所屬領(lǐng)域已知，可以將轉(zhuǎn)子組件視作定子-轉(zhuǎn)子組件的一部分。轉(zhuǎn)子組件的葉輪或盤上的多排槳葉以及定子或噴嘴組件上的多排定子輪葉交替地延伸穿過燃燒氣體的軸向定向的流路。離開定子或噴嘴的輪葉的熱燃燒氣體射流作用于槳葉上，并且致使渦輪機葉輪(和轉(zhuǎn)子)在約3000到15000rpm的速度范圍內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，其中速度具體取決于發(fā)動機類型。如下文所述附圖所示，位于每級上的固定噴嘴與可旋轉(zhuǎn)槳葉之間接合處的軸向/徑向開口可以允許熱燃燒氣體排出熱氣路徑，并且進(jìn)入位于槳葉徑向向內(nèi)位置的渦輪發(fā)動機的較冷葉輪空間。為了限制這種熱氣滲漏，葉片結(jié)構(gòu)通常包括軸向突出的天使翼密封件。根據(jù)典型設(shè)計，天使翼與延伸自鄰近定子或噴嘴元件的突出段或“阻隔件”配合。天使翼與阻隔件重疊(或者，幾乎重疊)，但并不接觸彼此，因而可以限制氣流。對于限制將熱氣不當(dāng)吸入位于天使翼密封件的徑向向內(nèi)位置處的葉輪空間而言，由這些配合的特征形成的曲徑密封件(labyrinth seal)的效果較為關(guān)鍵。如上文提及，出于多種原因，熱氣通過這種路徑滲漏到葉輪空間是不利的。首先，來自工作氣流的熱氣的損失導(dǎo)致效率損失，從而導(dǎo)致輸出損失。其次，將熱氣吸入到渦輪機葉輪空間以及其他腔中可能損壞一些部件，這些部件并未針對長期暴露于此類溫度下而設(shè)計?！N用于減少來自工作氣流的熱氣滲漏的公認(rèn)技術(shù)涉及使用冷卻空氣，即“凈化空氣”，如第5，224，822號美國專利(利內(nèi)翰(Lenehan)等人)所述。在典型設(shè)計中，空氣可以從壓縮機中轉(zhuǎn)移或“放出”，并且用作渦輪機冷卻回路的高壓冷卻空氣。因此，冷卻空氣是次級流回路的一部分，該次級流回路可以大體穿過葉輪空間腔以及其他內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)子區(qū)域。在將這種冷卻空氣從葉輪空間區(qū)域引導(dǎo)到前述天使翼間隙中的一個間隙中時，該冷卻空氣可以產(chǎn)生額外的特定功能。進(jìn)入該間隙的冷卻空氣的產(chǎn)生的逆流提供一種額外屏障，以防熱氣的不需要的流通過間隙并且進(jìn)入葉輪空間區(qū)域。盡管來自次級流回路的冷卻空氣出于上述原因是非常有利的，但也存在與該冷卻空氣用途關(guān)聯(lián)的缺點。例如，提取來自壓縮機的空氣以用于高壓冷卻空氣和腔凈化空氣消耗了渦輪機的功，并且就發(fā)動機性能而言，可能成本相當(dāng)大。此外，在一些發(fā)動機配置中，壓縮機系統(tǒng)在至少一些發(fā)動機功率設(shè)置過程中可能無法在足夠壓力下提供凈化空氣。因此，熱氣仍可能會被吸入葉輪空間腔中。如上所述的天使翼用于在一排槳葉和鄰近固定噴嘴的上游側(cè)與下游側(cè)處形成密封件。具體而言，天使翼密封件旨在防止熱燃燒氣體進(jìn)入位于天使翼密封件的徑向向內(nèi)位置的較冷葉輪空間腔，并且同時防止或最小化葉輪空間腔中的冷卻空氣排出到熱氣流。因此，關(guān)于天使翼密封件接合處，人們不斷致力于了解熱燃燒氣體流和葉輪空間冷卻或凈化空氣這二者的流型。例如，已確定的是，即使天使翼密封件較為有效并且防止熱燃燒氣體進(jìn)入葉輪空間，但燃燒氣體流渦流撞擊在密封件表面上可能損壞密封件并且縮短槳葉使用壽命。本發(fā)明旨在提供獨特的天使翼密封件和/或槳葉平臺幾何形狀，以便在天使翼接合處更好地控制次級凈化空氣的流，從而也在該接合處控制燃燒氣體的流，使得天使翼密封件以及槳葉本身的使用壽命延長。

發(fā)明內(nèi)容
在一個示例性但非限制性實施例中，本發(fā)明提供一種渦輪機槳葉，所述渦輪機槳葉包括平臺以及從所述平臺徑向向外延伸的翼型；其中所述平臺的前緣由連續(xù)曲線周向限定，從而形成至少一個軸向延伸的突起以及相鄰凹處，所述軸向延伸的突起鄰近所述翼型的前緣定位。在另一方面，本發(fā)明提供一種渦輪機轉(zhuǎn)子葉輪，所述渦輪機轉(zhuǎn)子葉輪包括盤，多片槳葉圍繞所述盤的徑向外圍安裝，每片槳葉形成有平臺以及從所述平臺徑向向外延伸的翼型；其中所述多片槳葉中的每片槳葉的所述平臺的前緣由連續(xù)曲線限定，從而形成至少一個軸向延伸的突起以及相鄰凹處，所述至少一個軸向延伸的突起大體鄰近所述翼型的前緣定位，以使所述多片槳葉的所述連續(xù)曲線組合以形成在所述軸向延伸的突起與所述相鄰凹處中的相應(yīng)突起與凹處之間交替的周向連續(xù)曲線。在另一方面，本發(fā)明提供一種沿定位于渦輪機槳葉平臺前緣的徑向向內(nèi)位置處的天使翼密封法蘭而對次級凈化空氣流進(jìn)行控制的方法，所述方法包括沿所述平臺前緣識別(identify)峰值燃燒氣體靜壓力區(qū)域，在所述區(qū)域中，熱燃燒氣體渦流撞擊在所述天使翼密封法蘭上；以及對所述平臺前緣進(jìn)行定形，以便大體阻止所述燃燒氣體渦流在該區(qū)域中撞擊在所述天使翼密封法蘭上。現(xiàn)將結(jié)合以下附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明。


圖1是渦輪機的一部分的截面的局部示意圖；圖2是渦輪機葉片的放大透視圖；以及圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性但非限制性實施例的渦輪機槳葉對的透視圖，其中示出了扇形(scalloped)平臺前緣；圖4是圖3所示槳葉對的平面示意圖；以及圖5是圖3和圖4所示槳葉對的局部剖視端視圖。
具體實施例方式圖1示意性地示出燃?xì)鉁u輪機的一部分，所述燃?xì)鉁u輪機通常標(biāo)記為10，其包括轉(zhuǎn)子11，所述轉(zhuǎn)子具有軸向隔開的轉(zhuǎn)子葉輪12以及隔板(spacer) 14，所述轉(zhuǎn)子葉輪和隔板通過多個周向隔開、軸向延伸的螺栓16彼此接合。渦輪機10包括具有噴嘴的多個級，所述噴嘴例如，具有多片周向隔開的固定轉(zhuǎn)子葉片的第一級噴嘴18和第二級噴嘴20。位于這些噴嘴之間并且與轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子葉輪12 —起旋轉(zhuǎn)的是多片轉(zhuǎn)子葉片，例如，分別為第一和第二級轉(zhuǎn)子葉片或槳葉22和24。參考圖2，每片槳葉(例如，圖1所示槳葉22)包括具有前緣28和后緣30的翼型26，所述翼型安裝在柄32上，所述柄包括平臺34和柄袋(shank pocket) 36，所述柄袋具有一體式蓋板38、40。鳩尾榫42適于與形成于轉(zhuǎn)子葉輪12(圖1)上的大體對應(yīng)的鳩尾榫槽連接。槳葉22通常是一體鑄造的，并且包括軸向突出的天使翼密封件44、46和48、50。密封件46、48和50與形成于鄰近噴嘴上的著陸區(qū)(land) 52 (參見圖1)配合，以便限制流經(jīng)熱氣路徑的熱氣的吸入，所述熱氣路徑通常由箭頭39 (圖1)表示，從而避免熱氣流入葉輪空間41。此處特別關(guān)注的是，位于槳葉的前緣端部上的上部或徑向外部天使翼密封件46。具體而言，天使翼46包括具有上翻邊緣55的縱向延伸的翼或密封法蘭54。槳葉平臺前緣56軸向延伸超過蓋板38，朝鄰近噴嘴18延伸。密封法蘭54的上翻邊緣55非常接近噴嘴18的表面58，從而形成彎曲或蛇形的徑向間隙60，如天使翼密封法蘭44、46以及鄰近噴嘴表面58所限定，在該間隙中，燃燒氣體與凈化空氣相遇(參見圖1)。此外，密封法蘭54的上翻邊緣55以及平臺34的邊緣56形成所謂的“溝槽腔”62，在所述溝槽腔中，從葉輪空間逸出的較冷凈化空氣與熱燃燒氣體交接。如下文進(jìn)一步所述，通過維持溝槽腔62內(nèi)的較冷溫度，天使翼密封件的使用壽命以及槳葉本身的使用壽命均可以延長。就此而言，轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子葉輪和槳葉的旋轉(zhuǎn)使得葉輪空間凈化空氣(次級流)在徑向向外方向上產(chǎn)生自然的抽吸行為，從而形成屏障以防止高溫燃燒氣體(初級流)進(jìn)入。同時，CFD分析顯示，所謂的“頭波”的強度，即槳葉翼型26的前緣28處的高壓燃燒氣體的強度，就控制溝槽腔處的初級和次級流而言是相當(dāng)大的。換言之，試圖穿過天使翼間隙60的高溫高壓燃燒氣體在平臺邊緣56、鄰近槳葉的前緣28處最強。因此，在葉輪旋轉(zhuǎn)期間，高壓燃燒氣體流的周向波動模型圍繞轉(zhuǎn)子葉輪的外圍建立，其中峰值壓力大體鄰近各片槳葉前緣28。為了解決頭波現(xiàn)象，至少一定程度上阻止熱燃燒氣體到達(dá)天使翼密封法蘭54，平臺前緣56在周向方向上成扇形。具體而言且如在圖3到圖5中清楚地看出，一對槳葉64、66以并排關(guān)系布置并且包括具有各自的前緣和后緣72、74和76、78的翼型68、70。槳葉64還形成有平臺80、支撐內(nèi)部和外部天使翼密封法蘭84、86的柄82，以及鳩尾榫88。類似地，槳葉66形成有平臺90、支撐天使翼密封法蘭94、96的柄92，以及鳩尾榫98。類似的天使翼密封件設(shè)在槳葉的后側(cè)上，但這并不是此處的關(guān)注點。盡管槳葉64、66所示為單個翼型槳葉，但應(yīng)了解，兩個翼型可以一體形成于一片槳葉中，所示為“成對件(doublet)”。在示例性但非限制性實施例中，槳葉的平臺前緣100(為了方便起見，并排槳葉的多個平臺前緣將以單數(shù)形式表示，例如，平臺前緣100)定形為包括波形或扇形配置，所述波形或扇形配置由連續(xù)曲線限定，從而形成與凹處104交替的大體軸向定向的突起102。突起102在軸向上游方向上延伸，鄰近槳葉前緣72、76，從而阻止處于頭波處的熱燃燒氣體流進(jìn)入溝槽腔106。該連續(xù)曲線沿相鄰槳葉延伸，跨接相鄰槳葉的大體平行的相鄰斜面108、110之間延伸的軸向間隙107。因此，對于每片槳葉，所示實施例包括一個突起102和一個凹處104，這樣，突起和凹處的周向長度尺寸均大體為平臺前緣的周向長度尺寸的一半。突起102的軸向長度尺寸小于并排天使翼密封法蘭84、94的相應(yīng)軸向長度尺寸。對于所謂的“成對件”，即每片槳葉包含兩個翼型，每片槳葉存在有兩個突起和兩個凹處，其中所述突起和凹處的周向長度尺寸相應(yīng)調(diào)整。因此，將了解，突起102根據(jù)燃燒氣體頭波限定的最強槳距向靜壓力進(jìn)行定位。如能夠了解的那樣，突起102阻止熱燃燒氣體渦流直接撞擊在天使翼密封法蘭84、94上，由此沿密封法蘭降低溫度。周向位于突起102之間的交替凹處104中的燃燒壓力由從葉輪空間進(jìn)入斜面間隙107的較冷凈化空氣充分抵消?？蛇x地，一個或多個局部凈化空氣孔106 (僅在圖3和4中圖示)可以定位于突起102內(nèi)，這樣，抽吸自葉輪空間的凈化空氣傾向于將熱燃燒氣體渦流推離突起102的表面，并且也由此使平臺邊緣的與溫度相關(guān)的劣化最小化。因此，通過識別問題區(qū)域以及在那些區(qū)域中針對選擇性應(yīng)用以修補幾何形狀為目標(biāo)，研發(fā)了經(jīng)修改的次級流模型，該次級流模型增強并延長了天使翼密封件、平臺邊緣以及槳葉本身的使用壽命。盡管本發(fā)明已結(jié)合目前被認(rèn)為是最具實用性且最優(yōu)選的實施例進(jìn)行了描述，但應(yīng)了解，本發(fā)明不限于所披露的實施例，而是旨在涵蓋所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的各種修改和等效配置。
權(quán)利要求
1.一種渦輪機槳葉，所述渦輪機槳葉包括平臺以及從所述平臺徑向向外延伸的翼型；其中所述平臺的前緣由連續(xù)曲線周向限定，從而形成至少一個軸向延伸的突起以及相鄰凹處，所述軸向延伸的突起鄰近所述翼型的前緣定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機槳葉，其中所述平臺進(jìn)一步由后緣以及將所述平臺的所述前緣連接到所述平臺的所述后緣的一對斜面限定；以及其中所述一對斜面之間存在一個軸向延伸的突起以及一個凹處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機槳葉，進(jìn)一步包括徑向內(nèi)部安裝部分和柄，所述平臺徑向定位于所述柄與所述翼型之間；至少一個軸向延伸的天使翼密封法蘭位于所述柄的前緣端部上，從而沿所述柄的所述前緣形成周向延伸的溝槽腔，所述溝槽腔徑向位于所述平臺的所述前緣的下側(cè)與所述天使翼密封法蘭之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機槳葉，包括延伸穿過所述至少一個軸向延伸的突起的至少一個凈化空氣孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪機槳葉，其中所述至少一個軸向延伸的突起的軸向長度尺寸小于所述天使翼密封法蘭的相應(yīng)軸向長度尺寸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機槳葉，其中所述軸向延伸的突起和所述相鄰凹處的每一個的周向長度均大體等于所述平臺的所述前緣的周向長度。
7.一種渦輪機轉(zhuǎn)子葉輪，所述渦輪機轉(zhuǎn)子葉輪包括: 盤，多片槳葉圍繞 所述盤的徑向向外的外圍安裝，每片槳葉形成有平臺以及從所述平臺徑向向外延伸的翼型； 其中所述多片槳葉中的每片槳葉的所述平臺的前緣由連續(xù)曲線限定，從而形成至少一個軸向延伸的突起以及相鄰凹處，所述至少一個軸向延伸的突起大體鄰近所述翼型的前緣定位，以使所述多片槳葉的所述連續(xù)曲線組合，從而形成在所述軸向延伸的突起與所述相鄰凹處中的相應(yīng)突起與凹處之間交替的周向連續(xù)曲線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的渦輪機轉(zhuǎn)子葉輪，其中所述平臺進(jìn)一步由后緣以及將所述平臺的所述前緣連接到所述平臺的所述后緣的一對斜面限定；以及其中所述一對斜面之間存在一個軸向延伸的突起以及一個凹處。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的渦輪機轉(zhuǎn)子葉輪，其包括大體徑向延伸穿過所述至少一個軸向延伸的突起的至少一個冷卻孔。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的渦輪機轉(zhuǎn)子葉輪，其中每片槳葉進(jìn)一步包括徑向內(nèi)部安裝部分和柄，所述平臺徑向定位于所述柄與所述翼型之間；以及至少一個軸向延伸的天使翼密封法蘭位于所述柄的前端上，從而沿所述柄的所述前端形成周向延伸的溝槽腔，所述溝槽腔徑向位于所述平臺的所述前緣的下側(cè)與所述天使翼密封法蘭之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的渦輪機轉(zhuǎn)子葉輪，其中所述至少一個軸向延伸的突起的軸向長度尺寸小于所述天使翼密封法蘭的相應(yīng)軸向長度尺寸。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的渦輪機轉(zhuǎn)子葉輪，其中所述軸向延伸的突起和所述相鄰凹處的每一個的周向長度均大體等于所述平臺的所述前緣的周向長度。
13.一種用于控制沿定位于渦輪機槳葉平臺前緣的徑向向內(nèi)位置處的天使翼密封法蘭流動的次級凈化空氣流的方法，所述方法包括: (a)識別沿著所述平臺前緣的峰值燃燒氣體靜壓力區(qū)域，在所述區(qū)域中，熱燃燒氣體渦流撞擊在所述天使翼密封法蘭上；以及 (b)對所述平臺前緣進(jìn)行定形，以便大體阻止所述燃燒氣體渦流在所述區(qū)域中撞擊在所述天使翼密封法蘭上。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中步驟(b)包括對所述平臺的所述前緣進(jìn)行定形以具有連續(xù)曲線，從而限定至少一個軸向突起和至少一個相鄰軸向凹處，所述至少一個軸向突起定位于所述峰值燃燒氣體靜壓力區(qū)域。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述渦輪機槳葉包括具有前緣和后緣的翼型，所述峰值燃燒氣體靜壓力區(qū)域接近所述翼型的所述前緣定位。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中多片所述渦輪機槳葉裝載到渦輪機轉(zhuǎn)子的盤上，所有所述平臺的前緣組合以形成軸向突起和軸向凹圍繞所述盤交替的連續(xù)波狀扇形配置。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中多片所述渦輪機槳葉裝載到渦輪機轉(zhuǎn)子的盤上，所有所述渦輪機槳葉的前緣組合以提供軸向突起和軸向凹處圍繞所述盤交替的連續(xù)波狀扇形配置。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中步驟(b)包括在所述至少一個軸向突起中形成一個或多個凈化空氣孔。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中步驟(b)包括在所述至少一個軸向突起中形成一個或多個凈化空氣孔。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中步驟(b)包括在所述交替的軸向突起中的每個軸向突起中形成一個或多 個凈化空氣孔。
全文摘要
本發(fā)明公開一種渦輪機槳葉。所述渦輪機槳葉包括平臺和翼型。平臺前部的前緣由連續(xù)曲線周向限定，從而形成至少一個軸向延伸的突起以及相鄰凹處，所述軸向延伸的突起鄰近所述翼型的前緣定位。
文檔編號F01D5/18GK103075198SQ20121041774
公開日2013年5月1日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月26日
發(fā)明者C.L.英格拉姆 申請人:通用電氣公司