涡轮发动机中的外缘密封组件.pdf

在涡轮发动机中的热气体路径(34)和盘腔(36)之间的密封组件40，包括含有一排轮叶(14A，14B)和内罩(16A，16B)的不可旋转的轮叶组件(12A，12B)，与轮叶组件(18)相邻且包括一排叶片(20)和形成涡轮转子(24)的一部分的涡轮盘(22)的轮叶组件(18)，以及径向位于热气体路径和盘腔之间的环形翼部件(42)。翼部件大体轴向地从叶片组件向轮叶组件延伸且包括从其径向内表面到其径向外表面延伸的多个周向间隔开的流体通道(44)。在发动机运行期间，流体通道实现冷却流体从盘腔到热气体路径的泵送。

权利要求书
1.  一种在涡轮发动机中的热气体路径和盘腔之间的密封组件，包括：
不可旋转的轮叶组件，所述不可旋转的轮叶组件包括一排轮叶和内罩；
可旋转的叶片组件，所述可旋转的叶片组件与所述轮叶组件相邻并且包括一排叶片和形成涡轮转子的一部分的涡轮盘；以及
环形翼部件，所述环形翼部件径向位于所述热气体路径和所述盘腔之间并大体轴向地从所述叶片组件向所述轮叶组件延伸，所述翼部件包括从其径向内表面穿过其径向外表面的多个周向间隔开的流体通道，其中所述流体通道在所述发动机的运行期间，实现冷却流体从所述盘腔向所述热气体路径的泵送。

2.  根据权利要求1所述的密封组件，其中所述流体通道大体径直延伸以在径向方向上穿过所述翼部件。

3.  根据权利要求1所述的密封组件，其中当所述流体通道延伸通过所述翼部件时，所述流体通道是在所述周向方向上弯曲或成角度的中的至少一种。

4.  根据权利要求3所述的密封组件，其中所述流体通道是针对所述涡轮转子的旋转方向弯曲或成角度中的至少一种，以实现从冷却流体从所述盘腔到所述流体通道的汲取。

5.  根据权利要求1所述的密封组件，进一步包括轴向地从所述轮叶组件向所述叶片组件延伸的环形密封部件，所述密封组件包括紧挨着所述翼部件的一部分的密封表面。

6.  根据权利要求5所述的密封组件，其中所述密封部件位于所述翼部件的径向向外处并与所述翼部件重叠。

7.  根据权利要求6所述的密封组件，其中所述翼部件包括紧挨着所述密封部件的所述密封表面的环形径向向外延伸的凸缘。

8.  根据权利要求7所述的密封组件，其中所述密封部件的所述密 封表面包括在所述凸缘和所述密封表面接触情况下牺牲的可磨耗材料。

9.  根据权利要求1所述的密封组件，其中所述流体通道的出口位于接近热气体从所述热气体路径到所述盘腔的摄取的已知区域，使得通过所述出口流出所述流体通道的所述冷却流体迫使所述热气体远离摄取的所述已知区域。

10.  根据权利要求9所述的密封组件，其中摄取的所述已知区域相对于所述热气体通过所述热气体路径的流动方向，在所述叶片组件的上游侧位于所述轮叶组件和所述叶片组件之间。

11.  根据权利要求1所述的密封组件，其中通过所述涡轮转子和所述叶片组件的旋转实现冷却流体从所述盘腔朝向所述热气体路径的所述泵送，以通过迫使所述热气体路径中的热气体远离所述密封组件来限制热气体从所述热气体路径到所述盘腔的摄取。

12.  在涡轮发动机中的热气体路径和盘腔之间的密封组件，包括：
不可旋转的轮叶组件，所述不可旋转的轮叶组件包括一排轮叶和内罩；
可旋转的叶片组件，所述可旋转的叶片组件与所述轮叶组件相邻并且包括一排叶片和形成涡轮转子的一部分的涡轮盘；
环形密封部件，所述环形密封部件从所述轮叶组件向所述叶片组件延伸并包括密封表面；以及
环形翼部件，所述环形翼部件位于所述热气体路径的径向向内处和所述盘腔的径向向外处，所述翼部件大体从所述叶片组件的轴向面对侧向所述轮叶组件轴向延伸，并且包括：
紧挨着所述密封部件的所述密封表面的一部分；以及
从其径向内表面向其径向外表面延伸的多个周向间隔开的流体通道；
其中在所述发动机的运行期间，通过所述涡轮转子和所述叶片组件的旋转通过所述流体通道实现冷却流体从所述盘腔到所述热气体路径的泵送，以通过迫使所述热气体远离所述密封组件限制热气体从 所述热气体路径到所述盘腔的摄取。

13.  根据权利要求12所述的密封组件，其中所述流体通道大体径直延伸以在所述径向方向上穿过所述翼部件。

14.  根据权利要求12所述的密封组件，其中当所述流体通道延伸通过所述翼部件时，所述流体通道是在周向方向上弯曲或成角度中的至少一种。

15.  根据权利要求14所述的密封组件，其中所述流体通道是针对所述涡轮转子的旋转方向弯曲或成角度中的至少一种，以实现冷却流体从所述盘腔到所述流体通道的汲取。

16.  根据权利要求12所述的密封组件，其中所述密封部件位于所述翼部件的径向向外处并与所述翼部件重叠。

17.  根据权利要求12所述的密封组件，其中所述翼部件包括环形径向向外延伸的凸缘，环形径向向外延伸的凸缘包括所述翼部件的紧挨着所述密封部件的所述密封表面的部分。

18.  根据权利要求17所述的密封组件，其中所述密封部件的所述密封表面包括在所述凸缘和所述密封表面接触情况下牺牲的可磨耗材料。

19.  根据权利要求12所述的密封组件，其中所述流体通道的出口位于接近所述热气体从所述热气体路径到所述盘腔的摄取的已知区域，使得通过所述出口流出所述流体通道的所述冷却流体迫使所述热气体远离摄取的所述已知区域。

20.  根据权利要求19所述的密封组件，其中摄取的所述已知区域相对于所述热气体通过所述热气体路径的流动方向，在所述叶片组件的上游侧位于所述轮叶组件和所述叶片组件之间。

说明书涡轮发动机中的外缘密封组件
技术领域
本发明一般而言涉及在涡轮发动机中的外缘密封组件，更具体地，涉及包括环形翼部件的外缘密封组件，该环形翼部件包括用于向热气体路径泵送从盘腔流出的冷却流体的径向延伸的多个流动通道。
背景技术
在诸如燃气涡轮发动机的多级旋转式机器中，流体，例如进气，在压缩机区被压缩并与燃烧区中的燃料混合。在燃烧区点燃气体和燃料的混合物，以创建燃烧气体，该燃烧气体限定被引向发动机的涡轮区内的一个或多个涡轮级的热工作气体，以产生涡轮构件的旋转运动。例如，涡轮区和压缩区都具有与可旋转构件(例如轮叶)合作的固定的或非旋转的构件(例如轮叶)，例如，用于压缩和扩展热工作气体。机器内的许多构件必须通过冷却流体冷却，以防止构件过热。
热工作气体在包括冷却流体的机器中从热气体路径到盘腔的摄取降低了发动机性能和效率，例如，通过产生更高的盘和轮叶根部温度。从热气体路径到盘腔的加工气体的摄取，还可能缩短使用寿命和/或引起盘腔中和周围的构件的故障。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供了在涡轮发动机中的热气体路径和盘腔之间的密封组件。密封组件包括含有一排轮叶和内罩的不可旋转的轮叶组件，与轮叶组件相邻的可旋转的且包括一排叶片和形成涡轮转子的一部分的涡轮盘叶片组件，以及径向位于热气体路径和盘腔之间的环形翼部件。翼部件大体轴向地从叶片组件向轮叶组件延伸，且包括从其径向内表面向其径向外表面延伸的多个周向地间隔开的 流体通道。在发动机运行期间，流体通道完成从盘腔到热气体路径的冷却液的泵送。
根据本发明的第二个方面，提供了涡轮发动机中的热气体路径和盘腔之间的密封组件。密封组件包括含有一排轮叶和内罩的不可旋转的轮叶组件，与轮叶组件相邻的可旋转的且包括一排叶片和形成涡轮转子的一部分的涡轮盘叶片组件，轴向地从轮叶组件向叶片组件延伸且包括密封表面的环形密封部件，以及位于从热气体路径径向向内和从盘腔径向向外的环形翼部件。翼部件大体轴向地从叶片组件的轴向面对侧向轮叶组件延伸，且包括紧挨密封部件的密封表面的一部分。翼部件还包括从其径向内表面向其径向外表面延伸的多个周向间隔开的流体通道，其中在发动机的运行期间，通过流体通道利用涡轮转子和叶片组件的旋转，完成从盘腔向流体通道的冷却流体的泵送，通过迫使热气体远离密封组件以限制从热气体路径到盘腔的热气体摄取。
附图说明
虽然说明书以特别指出并清楚地主张本发明权利要求结束，相信根据以下描述结合附图可以更好地理解本发明，其中相同的标号表示相同的元件，其中：
图1是根据本发明的实施例的包括外缘密封组件的涡轮发动机的一部分的图解截面视图；
图2是从图1中沿线2-2获取的横截面视图；
图3是从图1中沿线3-3获取的横截面视图并示出了在图1所示的外缘密封组件的翼部件中形成的多个流体通道；以及
图4-6是根据本发明的其它实施例的类似图3中视图的外缘密封组件的多个流体通道的视图。
具体实施方式
在以下优选实施例的具体描述中，参考构成说明书一部分的附 图，以说明的方式而不是限制的方式，可以在具体优选实施例中实现本发明。应当理解的是，也可以使用其它实施例，并且所作出的改变并不脱离本发明的精神和范围。
参考图1，图解地示出了涡轮发动机10的一部分，其包括具有悬挂于外部壳(未示出)并附着至相应环形内罩16A，16B的相应排的轮叶14A，14B的上游和下游固定轮叶组件12A，12B，以及包括多个叶片20和形成涡轮转子24的一部分的转子盘结构22的叶片组件18。上游轮叶组件12A和叶片组件18在此可以统称为发动机10的涡轮区26的“级”，对本领域技术人员来说其可以包括多个级是显而易见的。在涡轮区26中的轮叶组件和叶片组件限定发动机10的纵轴LA的轴向方向是相互间隔开的，其中相对于涡轮区26的入口26A和出口26B，图1所示的轮叶组件12A是所示叶片组件18的上游，以及图1所示的轮叶组件12B是所示叶片组件18的下游，见图1。
转子盘结构22可以包括平台28、涡轮盘30、和与在发动机10的运行期间与转子24一起旋转的叶片组件18有关的任何其它结构，例如，根、侧板、杆等。
轮叶14A、14B和叶片20延伸至在涡轮区26中限定的环形热气体路径34。在发动机10的运行期间，包括热燃烧气体的热工作气体HG被引入热气体路径34并流过轮叶14A，14B和叶片20至其余级。工作气体HG的通道通过热气体路径34引起叶片20和对应的叶片组件18的旋转，以提供涡轮转子24的旋转。
仍然参考图1，盘腔36位于热气体路径34的径向向内处。盘腔36轴向地位于上游轮叶组件12A的环形内罩16A和转子盘结构22之间。冷却流体，例如包括压缩机排出空气的净化空气PA，被提供给盘腔36，以冷却内罩16A和转子盘结构22。净化空气PA还提供压力平衡，抵抗流过热气体路径34的工作气体HG的压力，以抵消工作气体HG至盘腔36的摄取。净化空气PA可以从通过转子24形成的冷却通道(未示出)和/或从所期望的其它上游通道(未示出)提供给盘腔36。应当注意到，大体，在其余内罩和对应的相邻转子盘结构之间提 供额外的盘腔(未示出)。还应当注意到，可以在盘腔36中提供除压缩器排出空气外的其它类型的冷却流体，例如，来自外部源的冷却流体或者从发动机10的一部分而不是压缩机提取的空气。
从相应轮叶14A和叶片20径向向内的上游轮叶组件12A和叶片组件19的元件协作，以形成热气体路径34和盘腔36之间的环形密封组件40。如本文所述，环形密封组件40帮助阻止工作气体HG从热气体路径34吸入盘腔36并将净化空气PA的一部分从盘腔36传递出去。应当注意到，可以在内罩和在发动机10中的其余级的相邻转子盘结构之间提供与本文所描述的类似的额外的密封组件40，例如，用于帮助阻止工作气体HG从热气体路径34吸入相应盘腔，并将净化空气PA从盘腔36传递出去。
如图1-3所示，密封组件40包括径向位于热气体路径34和盘腔36之间并大体轴向地从转子盘结构22的轴向面对侧22A向上游轮叶组件12A延伸的环形翼部件42(应当注意到，为清楚起见，在图2中用假想线示出上游轮叶组件12A)。如图1所示，翼部件42可以形成为转子盘结构22的集成部分，或者可以从转子盘结构22分离地形成并附加到其上。当轴向查看时，所示的翼部件42大体在周向方向为弓形形状，见图3。如图1所示，翼部件42优选地与上游轮叶组件12A的内罩16A的下游端16A1重叠。
仍然参考图1-3，翼部件42包括多个周向间隔开的流体通道44。流体通道44通过翼部件42从其径向内表面42A向其径向外表面42B延伸，见图3。如图2所示，流体通道44优选地排列成一个环形排，其中流体通道44的宽度W44(见图3)和相邻流体通道44之间的周向间隔CSP(见图3)可以根据发动机10的具体结构和根据所期望的用于通过流体通道44将净化空气PA排出的结构所改变，正如下面将更具体描述的。尽管图1-3所示的实施例中的流体通道44大体径向直接通过翼部件42延伸，流体通道44可以具有其它结构，例如图4-6所示的这些，其将在下面描述。
如图1所示，密封组件40进一步包括从上游轮叶组件12A的内 罩16A的大致轴向面对表面16A2延伸的环形密封部件50。密封部件50轴向地向叶片组件18的转子盘结构22延伸并位于翼部件42的径向向外且与翼部件42重叠，使得从热气体路径34到盘腔36的热工作气体HG的任何摄取都必须经过弯曲的路径。密封部件50的轴端50A包括紧挨着翼部件42的环形径向向外延伸凸缘54的密封表面52。可以形成密封部件50作为内罩16A的集成部分，或者可以从内罩16A分离地形成并附加到其上。密封表面52可以包括在凸缘54和密封表面52接触时牺牲的磨耗材料。
在发动机10的运行期间，通过热气体路径34的热工作气体HG的通道使得叶片组件18和涡轮转子24以图2和3所示的旋转方向DR进行旋转。
叶片组件18的旋转以及盘腔36和热气体路径34之间的压力差，即盘腔36中的压力大于热气体路径34中的压力，影响通过流体通道44从盘腔36向热气体路径34的净化空气PA的泵送，以通过迫使热工作气体HG远离密封组件40来帮助限制热工作气体HG从热气体路径34吸入盘腔36。由于密封组件40限制热工作气体HG从热气体路径34吸入盘腔36，相应地，密封组件40允许一小部分净化空气PA被提供至盘腔36，从而提高发动机效率。应当注意到，额外的净化空气PA可以经过盘腔36进入密封部件50的密封表面52和翼部件42的凸缘54之间的热气体路径34。
根据本发明的一个方面，流体通道44的出口44A(见图3)定位在接近从热气体路径34到盘腔36的热工作气体HG的摄取IA的已知区域(见图1和3)，使得通过出口44A流出流体通道44的净化空气PA迫使工作气体HG远离摄取IA的已知区域。例如，相对于通过热气体路径34的热工作气体HG的一般流动方向，确定摄取IA的已知区域位于上游轮叶组件12A和在叶片组件18的上游侧18A的叶片组件18之间，见图1。
与试图减小或最小化盘腔36和热气体路径34之间的所有泄漏路径的使用盘腔36和热气体路径34之间的密封的传统习惯相反，发现， 在摄取IA的已知区域的翼部件42中提供本发明的流体通道44，相比于没有包括这种流体通道44的密封组件，具有从热气体路径34到盘腔36的热工作气体的较少摄取的良好的密封结果。认为这种有利结果应归因于从盘腔36向摄取IA的已知区域泵出的净化空气PA的更精确的和可控制的排放。
现参考图4-6，显示了根据其它实施例的相应密封组件140、240、340，其中类似于上面参考图1-3所描述的结构包括相同的附图标记，在图4中增加了100，图5中增加了200，以及图6中增加了300。
在图4和5中，根据这些实施例的相应流体通道144、244是在与涡轮转子(在本实施例中未示出)的旋转方向DR相反的方向成角度的(图4)和弯曲的(图5)。以这种方式使流体通道144，244成角度/弯曲完成了从盘腔136，236到流体通道144，244的净化空气PA的汲取，以此来提高通过流体通道144，244和从热气体路径(在这些实施例中未示出)的净化空气PA的总量。因此，根据这些实施例，相信更小量的净化空气PA能够被提供至盘腔136、236。
在图6中，根据本实施例的流体通道344包括在与涡轮转子(在本实施例中未示出)的旋转方向DR相反的方向成角度的入口部分345A，使得净化空气PA从盘腔336排出至流体通道344，参考图4和5如上所述。然而，在本实施例中，流体通道344的中间部分345B包括弯曲，例如，方向转换，使得流体通道344的出口344A与涡轮转子的旋转方向DR成角度。根据本实施例，这种结构允许净化空气PA以流体方向从流体通道344排出，该流体方向包括与涡轮转子的旋转方向DR在同一个方向的分量。
尽管说明和描述了本发明的具体实施例，显然，对本领域技术人员来说，可以作出各种其它改变和修改而不脱离本发明的精神和范围。因此，其目的在于覆盖所述权利要求中的在本发明范围内的所有这些变化和修改。