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1、(10)申请公布号 CN 103075199 A(43)申请公布日 2013.05.01CN103075199A*CN103075199A*(21)申请号 201210418029.2(22)申请日 2012.10.2613/282097 2011.10.26 USF01D 5/14(2006.01)F01D 11/00(2006.01)(71)申请人通用电气公司地址美国纽约州(72)发明人 C.L.英格拉姆(74)专利代理机构中国专利代理(香港)有限公司 72001代理人李强 严志军(54) 发明名称涡轮机桨叶及相关的控制方法(57) 摘要本发明公开一种涡轮机桨叶。所述涡轮机桨叶包括径向内部。
2、安装部分、位于所述安装部分的径向向外位置处的柄、径向外部翼型以及径向位于所述柄与所述翼型之间的大体平整的平台。至少一个轴向延伸的天使翼型密封法兰成形于所述柄的前缘，以沿着所述柄的所述前缘形成周向延伸的沟槽腔，所述沟槽腔径向位于所述平台前缘的下侧与所述天使翼型密封法兰之间。多个大体径向延伸的净化空气孔成形于所述天使翼型密封法兰中，经改造以将涡轮机转子叶轮空间腔与所述沟槽腔进行流体连通，并且由此将净化空气供应到所述天使翼型密封法兰的所述外表面。(30)优先权数据(51)Int.Cl.权利要求书2页 说明书4页 附图4页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书4。
3、页 附图4页(10)申请公布号 CN 103075199 ACN 103075199 A1/2页21.一种涡轮机桨叶，其包括径向内部安装部分、位于所述安装部分的径向向外位置处的柄、径向外部翼型以及径向位于所述柄与所述翼型之间的大体平整的平台；至少一个轴向延伸的天使翼型密封法兰，其位于所述柄的前缘，以沿着所述柄的所述前缘形成周向延伸的沟槽腔，所述沟槽腔径向位于平台前缘的下侧与所述天使翼型密封法兰之间；以及多个大体径向延伸的净化空气孔，其成形于所述天使翼型密封法兰中，经设置以将涡轮机转子叶轮空间腔与所述沟槽腔进行流体连通，并且由此将净化空气供应到所述天使翼型密封法兰的所述外表面。2.根据权利要求1。
4、所述的涡轮机桨叶，其中所述多个大体径向延伸的净化空气孔具有紧邻所述天使翼型密封法兰与所述柄之间接合处定位的出口。3.根据权利要求1所述的涡轮机桨叶，其中所述多个大体径向延伸的净化空气孔朝所述柄轴向倾斜。4.根据权利要求3所述的涡轮机桨叶，其中所述多个大体径向延伸的净化空气孔在周向方向上倾斜。5.根据权利要求1所述的涡轮机桨叶，其中所述多个大体径向延伸的净化空气孔在周向方向上大体均匀地分布。6.根据权利要求2所述的涡轮机桨叶，其中所述多个大体径向延伸的净化空气孔在周向方向上大体均匀地分布。7.根据权利要求1所述的涡轮机桨叶，其中所述多个大体径向延伸的净化空气孔在周向方向上大体不均匀地分布。8.根。
5、据权利要求2所述的涡轮机桨叶，其中所述多个大体径向延伸的净化空气孔在周向方向上大体不均匀地分布。9.根据权利要求2所述的涡轮机桨叶，其中所述多个大体径向延伸的净化空气孔在径向向外方向上朝所述柄倾斜，并且还在周向方向上倾斜。10.根据权利要求1所述的涡轮机桨叶，其中所述平台形成有大体笔直的前缘。11.根据权利要求1所述的涡轮机桨叶，其中所述平台形成有扇形的前缘。12.一种支撑周向成排布置的桨叶的涡轮机叶轮，每片桨叶包括径向内部安装部分、位于所述安装部分的径向向外位置处的柄、至少一个径向外部翼型以及径向位于所述柄与所述翼型之间的大体平整的平台；至少一个轴向延伸的天使翼型密封法兰位于所述柄的前缘，以。
6、沿着所述柄的所述前缘形成周向延伸的沟槽腔，所述沟槽腔径向位于平台前缘的下侧与所述天使翼型密封法兰之间；以及其中多个大体径向延伸的净化空气孔成形于所述天使翼型密封法兰中，经设置以连接涡轮机转子叶轮空间腔与所述沟槽腔。13.根据权利要求12所述的涡轮机叶轮，其中所述多个大体径向延伸的净化空气孔位于紧邻所述天使翼型密封法兰与所述柄之间接合处。14.根据权利要求12所述的涡轮机叶轮，其中所述多个大体径向延伸的净化空气孔朝所述柄轴向倾斜。15.根据权利要求14所述的涡轮机叶轮，其中所述多个净化空气孔在周向方向上倾斜。16.根据权利要求12所述的涡轮机叶轮，其中所述多个冷却孔在周向方向上大体均匀权 利 要。
7、 求 书CN 103075199 A2/2页3地分布。17.根据权利要求12所述的涡轮机叶轮，其中所述多个大体径向延伸的净化空气孔在径向向外方向上朝所述柄轴向倾斜，并且还在周向方向上倾斜。18.根据权利要求12所述的涡轮机叶轮，其中所述平台形成有大体笔直的前缘。19.一种对安装多片桨叶的旋转涡轮盘与邻近喷嘴之间的径向间隙处的次级流进行控制的方法，所述方法包括：将至少一个天使翼型密封件定位于朝所述喷嘴轴向延伸的所述多片桨叶中的每片桨叶的前缘，以在所述天使翼型密封件的径向外侧上的燃烧气体的热流与位于所述至少一个天使翼型密封件的径向向内位置处的轮叶空间中的净化空气之间形成屏障；以及在所述天使翼型密封。
8、件中提供多个开口，以使净化空气能够流入位于所述天使翼型密封法兰的径向向外位置的区域中，从而防止所述燃烧气体撞击在所述天使翼型密封法兰上。20.根据权利要求19所述的方法，其中所述多个开口在径向向外方向上朝所述桨叶轴向倾斜，并且还在周向方向上倾斜。权 利 要 求 书CN 103075199 A1/4页4涡轮机桨叶及相关的控制方法技术领域0001 本发明大体涉及旋转式设备，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。背景技术0002 一种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。
9、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。0003 具体而言，燃烧室内产生的热能通过使热燃烧气体撞击一个或多个装有叶片的转子组件来转换成涡轮机内的机械能。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。0004 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。
10、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。0005 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接合处的轴向/径向开口可以允许热燃烧气体排出热气路径，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天使翼型密封件。根据典型设计，天使翼型与延伸自邻近定子或喷嘴元件的突出段或“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，因而可。
11、以限制气流。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处的叶轮空间而言，由这些配合的特征形成的曲径密封件的效果较为关键。0006 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。0007 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。
12、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一种额外屏障，以防热说 明 书CN 103075199 A2/4页5气的多余流通过间隙并且进入叶轮空间区域。0008 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空气和腔净化空气消耗了涡轮机的功，并且就发动机性能而言，可能成本相当大。此外，在一些发动机配置中，压缩。
13、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。0009 如上所述的天使翼型用于在一排桨叶和邻近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，关于天使翼型密封件接合处，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。0010 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可能损坏密封件并且缩短桨叶使用寿命。
14、。0011 本发明旨在提供独特的天使翼型密封件和/或桨叶平台几何形状，以便在天使翼型接合处更好地控制次级净化空气的流，从而也在该接合处控制燃烧气体的流，使得天使翼型密封件以及桨叶本身的使用寿命延长。发明内容0012 在一个示例性而非限制性实施例中，本发明提供一种涡轮机桨叶，其包括径向内部安装部分、位于所述安装部分的径向向外位置处的柄、径向外部翼型以及径向位于所述柄与所述翼型之间的大体平整的平台；至少一个轴向延伸的天使翼型密封法兰，其位于所述柄的前缘，以沿着所述柄的所述前缘形成周向延伸的沟槽腔，所述沟槽腔径向位于平台前缘的下侧与所述天使翼型密封法兰之间；以及多个大体径向延伸的净化空气孔，其形成于。
15、所述天使翼型密封法兰中，适于将涡轮机转子叶轮空间腔与所述沟槽腔流体连接并且由此将净化空气供应到所述天使翼型密封法兰的外表面。0013 另一方面，本发明提供一种支撑周向成排布置的桨叶的涡轮机叶轮，每片桨叶包括径向内部安装部分、位于所述安装部分的径向向外位置处的柄、至少一个径向外部翼型以及径向位于所述柄与所述翼型之间的大体平整的平台；至少一个轴向延伸的天使翼型密封法兰位于所述柄的前缘，以沿着所述柄的所述前缘形成周向延伸的沟槽腔，所述沟槽腔径向位于平台前缘的下侧与所述天使翼型密封法兰之间，并且其中多个大体径向延伸的净化空气孔形成于所述天使翼型密封法兰中，适于将涡轮机转子叶轮空间腔与所述沟槽腔连接。0。
16、014 另一方面，提供一种对安装多片桨叶的旋转涡轮盘与邻近喷嘴之间径向间隙处的次级流进行控制的方法，所述方法包括：将至少一个天使翼型密封件定位于朝所述喷嘴轴向延伸的所述多片桨叶中的每片桨叶的前缘，以在所述天使翼型密封件的径向外侧上的燃烧气体的热流与位于所述至少一个天使翼型密封件的径向向内位置处的轮叶空间中的净化空气之间形成屏障；以及在所述天使翼型密封件中提供多个开口，以使净化空气能够流入位于所述天使翼型密封件的径向向外位置的区域中，从而防止所述燃烧气体撞击在天使翼型密封法兰上。说 明 书CN 103075199 A3/4页60015 现在将结合以下附图来详细描述本发明。附图说明0016 图1是。
17、涡轮机的一部分的截面的局部示意图；0017 图2是涡轮机叶片的放大透视图；以及0018 图3是根据本发明的一个示例性但非限制性实施例的具有前缘天使翼型密封法兰的一对桨叶的透视图；0019 图4是图3所示具有前缘天使翼型密封法兰的桨叶的局部端视示意图，并且示出了密封法兰处的净化空气燃烧气体涡流。具体实施方式0020 图1示意性地示出燃气涡轮机的一部分，所述燃气涡轮机通常标记为10，其包括转子11，所述转子具有轴向隔开的转子叶轮12以及隔板（spacer）14，所述转子叶轮和隔板通过多个周向隔开、轴向延伸的螺栓16彼此接合。涡轮机10包括具有喷嘴的多个级，所述喷嘴例如，具有多片周向隔开的固定转子叶。
18、片的第一级喷嘴18和第二级喷嘴20。位于这些喷嘴之间并且与转子和转子叶轮12一起旋转的是多片转子叶片，例如，分别为第一和第二级转子叶片或桨叶22和24。0021 参考图2，每片桨叶（例如，图1所示桨叶22）包括具有前缘28和后缘30的翼型26，所述翼型安装在柄32上，所述柄包括平台34和柄袋（shank pocket）36，所述柄袋具有一体式盖板38、40。鸠尾榫42适于与形成于转子叶轮12（图1）上的大体对应的鸠尾榫槽连接。桨叶22通常是一体铸造的，并且包括轴向突出的天使翼型密封件44、46和48、50。密封件46、48和50与形成于邻近喷嘴上的着陆区（land）52（参见图1）配合，以便限。
19、制流经热气路径的热气的吸入，所述热气路径通常由箭头39（图1）表示，从而避免热气流入叶轮空间41。0022 此处特别关注的是，位于桨叶的前缘端部上的上部或径向外部的天使翼型密封件46。具体而言，天使翼型46包括具有上翻边缘55的纵向延伸的翼或密封法兰54。桨叶平台前缘56轴向延伸超过盖板38，朝邻近喷嘴18延伸。密封法兰54的上翻边缘55非常接近喷嘴18的表面58，从而形成弯曲或蛇形的径向间隙60，如天使翼型密封法兰44、46以及邻近喷嘴表面58所界定，在该间隙中，燃烧气体与净化空气相遇（参见图1）。此外，密封法兰54的上翻边缘55以及平台34的边缘56形成所谓的“沟槽腔” 62，在所述沟槽腔。
20、中，从叶轮空间逸出的较冷净化空气与热燃烧气体交接。如下文进一步所述，通过维持沟槽腔62内的较冷温度，天使翼型密封件的使用寿命以及桨叶本身的使用寿命均可以延长。0023 就此而言，转子、转子叶轮和桨叶的旋转使得叶轮空间净化空气（次级流）在径向向外方向上产生自然的抽吸行为，从而形成屏障以防止高温燃烧气体（初级流）进入。同时，CFD分析显示，所谓的“头波”的强度，即桨叶翼型26的前缘28处的高压燃烧气体的压力，就控制沟槽腔处的初级和次级流而言是相当大的。换言之，试图穿过天使翼型间隙60的高温高压燃烧气体在平台边缘56处、邻近桨叶的前缘28时最强。因此，在叶轮旋转期间，高压燃烧气体流的周向波动模型围绕。
21、转子叶轮的圆周建立，其中峰值压力大体邻近各片桨叶的前缘28。说 明 书CN 103075199 A4/4页70024 如上所述，径向外部天使翼型密封法兰54旨在阻碍或至少大体阻止热燃烧气体进入叶轮空间腔，其中注意到，径向外部密封翼法兰54与固定喷嘴表面58非常接近，如在图1中清楚地看出。此处，本发明提供一种对径向外部天使翼型密封法兰54的修改，从而允许来自径向内部涡轮机叶轮空间的净化空气阻止热燃烧气体流撞击密封法兰，由此降低法兰温度并且延长法兰以及桨叶的使用寿命。0025 如在图3中清楚地看出，一对桨叶64、66以并排关系布置并且包括具有各自的前缘和后缘72、74和76、78的翼型68、70。。
22、桨叶64还形成有平台80、在桨叶的前缘处支撑内部和外部天使翼型密封法兰84、86的柄82，以及鸠尾榫88。类似地，桨叶66形成有平台90、支撑天使翼型密封法兰94、96的柄92，以及鸠尾榫98。类似的天使翼型密封件设在桨叶的后侧或后端上，但这并不是此处的关注点。0026 将认识到，桨叶64和66是相同的，因此，下文中仅需要描述一片桨叶。因此，参考桨叶66，在法兰94连接到桨叶柄82的区域中，多个净化空气孔100钻凿或者以其他方式形成于天使翼型密封法兰94中。还参考图4，净化空气孔100有角度地延伸穿过法兰94，从密封法兰94的下侧表面104上的入口102延伸到密封法兰94的外表面与柄82之间接。
23、合处的出口106。出口106的位置经选择以增强上述自然的盘抽吸现象，从而在沿着天使翼型密封法兰94形成的沟槽腔108中形成较冷净化空气流的较强逆时针漩涡或涡流。如图4所示，所得净化空气涡流110足够强，以将反向旋转的热燃烧气体涡流112推离天使翼型密封法兰94。0027 每个桨叶天使翼型密封法兰的净化空气孔100的数量可以变化，并且孔100的模型也可以变化。例如，如果孔100的位置只定位于沿着桨叶平台的大体平直的前缘114、邻近翼型68、70的前缘72、76的那些区域，其中这些区域以标识为具有最高燃烧气体静压力，那么不均匀模型可能与均匀模型等效或者比均匀模型更有效。此外，净化空气孔100朝柄倾。
24、斜，但也可以在周向上倾斜以在净化空气涡流中引发大体切向的漩涡。0028 还将意识到，将净化空气孔并入前缘天使翼型密封法兰是与设计用于在涡轮机的前叶轮空间腔中提供次级流（净化空气流）控制的其他天使翼型或桨叶平台特征一致的。0029 尽管本发明已结合目前被认为是最具实用性且最优选的实施例进行了描述，但应了解，本发明不限于所披露的实施例，而是旨在涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等效配置。说 明 书CN 103075199 A1/4页8图1(现有技术)说 明 书 附 图CN 103075199 A2/4页9图2(现有技术)说 明 书 附 图CN 103075199 A3/4页10图3说 明 书 附 图CN 103075199 A10。