渦輪風擋的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種用于燃氣渦輪發動機的渦輪轉子組件(24)的風擋(36)。該風擋包括寬度維度(12)、高度維度(14)和長度維度(10)、以及前板(76)。該風擋還包括后板(78)，該后板沿著寬度維度和高度維度大于前板并且具有包括在高度維度上延伸的兩個支腿(126)的下部(124)。該風擋還包括在長度維度上延伸并且連接前板和后板的縱向結構(80)。
【專利說明】渦輪風擋
【技術領域】
[0001]本公開整體涉及一種渦輪風擋，更具體地，涉及一種用于調節通過渦輪轉子組件的氣流的渦輪風擋。
【背景技術】
[0002]已知燃氣渦輪發動機(“GTE”)包括渦輪機組件，該渦輪機組件具有安裝在驅動軸上的一個或多個渦輪轉子組件。每個渦輪轉子組件包括多個渦輪葉片，這些渦輪葉片徑向地向外延伸并且周向地圍繞渦輪轉子彼此間以一定距離間隔開來。該燃氣渦輪發動機點燃空氣和燃料的混合物以在渦輪葉片上產生高溫壓縮氣流，這導致渦輪葉片使得渦輪轉子組件旋轉。可將來自每個渦輪轉子組件的旋轉動能轉移到驅動軸上以驅動負載，例如，發電機、壓縮機或泵。
[0003]渦輪葉片通常包括根結構和從渦輪葉片平臺的相對面延伸出來的翼面。渦輪轉子包括用于接納每個渦輪葉片的根結構的槽。每個槽的形狀可類似于每個渦輪葉片的根結構的形狀。當將多個渦輪葉片裝配在渦輪轉子上時，可在相鄰渦輪葉片的渦輪平臺之間和下方形成平臺下方腔體。
[0004]位于平臺下方腔體內的、用于調節圍繞渦輪轉子組件的壓縮氣流的部件是已知的。此類部件的一個實例在Athans等人的美國專利號7，097，429( “專利’ 429”)中有所描述。專利’429公開了包括多個渦輪葉片的轉子輪盤。每個渦輪葉片包括翼面、平臺和柄部。該柄部可向下延伸至多葉楔形榫頭以將渦輪葉片安裝到轉子輪盤。密封體位于柄部之間以及相鄰渦輪葉片的平臺下方。該密封體包括設置在密封體前端的加大密封板。該加大板與相鄰渦輪葉片柄的前面的部分重疊來提供密封。該密封體還包括后端，該后端具有設置在一對軸向凸角上方的大體上為矩形的頭部。該后端頭部具有比位于前端的密封板更小的面積。
【發明內容】
[0005]本公開提供一種用于燃氣渦輪發動機的渦輪轉子組件的風擋。該風擋包括寬度維度、高度維度、長度維度和前板。該風擋還包括后板，該后板沿寬度維度和高度維度大于前板并且具有下部，該下部包括在高度維度上延伸的兩個支腿。該風擋還包括在長度維度上延伸并且連接前板和后板的縱向結構。
[0006]本公開還提供一種用于燃氣渦輪發動機的渦輪轉子組件的風擋。該風擋包括寬度維度、高度維度、長度維度和前板。該風擋還包括后板、下部和支腳部，該后板包括沿寬度維度和高度維度比前板更大的面積，該下部包括在高度維度上延伸的兩個支腿，該兩個支腿通過V形間隙彼此分隔開來，該支腳部在寬度維度上延伸遠離該V形間隙，該支腳部位于該后板的最下部。該風擋還包括矩形阻擋件和縱向結構，該矩形阻擋件在長度維度上從后板處向后延伸，該縱向結構在長度維度上延伸并連接前板和后板。該縱向結構具有從前到后增加的寬度。
[0007]本公開還提供一種具有渦輪轉子組件的燃氣渦輪發動機。該渦輪轉子組件包括渦輪轉子和多個渦輪葉片，該渦輪轉子具有多個渦輪葉片槽，該多個渦輪葉片具有翼面、平臺和根結構，每個渦輪葉片的根結構制成被接納在渦輪轉子的對應的渦輪葉片槽內的形狀。渦輪轉子組件還包括形成在渦輪葉片的根結構和渦輪轉子的對應的渦輪葉片槽之間的根-槽間隙，以及形成在轉子的外部徑向表面和相鄰渦輪葉片根結構之間、并且在相鄰渦輪葉片平臺下方的平臺下方腔體。該渦輪轉子組件還包括位于平臺下方腔體中的至少一個腔體內的渦輪風擋。該渦輪風擋包括寬度維度、高度維度和長度維度、前板和后板，該前板被設定尺寸以提供進入平臺下方腔體和根-槽間隙中的向前流動間隙，該后板被設定尺寸以覆蓋平臺下方腔體的一部分和根-槽間隙的一部分。
[0008]本公開還提供一種裝配渦輪轉子組件的方法，該渦輪轉子組件具有:渦輪轉子，該渦輪轉子包括多個軸向延伸的渦輪葉片槽；多個渦輪葉片，每個渦輪葉片具有翼面、平臺和根結構；以及渦輪風擋，具有前板、后板和連接前板和后板的縱向結構。該方法還包括:將多個渦輪葉片的根結構插入到多個渦輪葉片槽中；以及，用多個渦輪風擋覆蓋在根結構和渦輪葉片槽之間的基本上所有后側間隙。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1為包括示例性渦輪風擋的部分渦輪轉子組件的示意圖；
[0010]圖2為從前端角度看的與渦輪轉子組件分離的圖1的示例性渦輪風擋的示意圖；
[0011]圖3為從后端角度看的圖2的示例性渦輪風擋；
[0012]圖4示出圖2和圖3的示例性渦輪風擋的后端視圖；
[0013]圖5為從渦輪轉子組件的前面來看，具有額外的渦輪葉片的圖1的渦輪轉子組件的不意圖；以及
[0014]圖6為從渦輪轉子組件的后面來看，具有額外的渦輪葉片的圖1的渦輪轉子組件的示意圖。
【具體實施方式】
[0015]參照圖1，燃氣渦輪發動機(GTE)可包括渦輪組件，該渦輪組件包括安裝在驅動軸(未示出)上的一個或多個渦輪轉子組件(或渦輪盤組件)24。渦輪轉子組件24可包括例如渦輪轉子或輪盤30、渦輪葉片32、和渦輪風擋36。為了本描述的目的，提及“內部”和“外部”指的是相對于渦輪轉子30的旋轉軸的徑向地內部和徑向地外部位置。并且，術語“前部”指的是穿過GTE的流體流中的上游位置，而“后部”指的是下游位置。多個渦輪轉子組件24可軸向地在驅動軸上對齊以形成GTE的多個渦輪級。圖1示出以大體上從前到后方向呈一角度的視角在渦輪轉子30上的渦輪葉片32和風擋36的相對位置。盡管圖1所示的渦輪轉子組件24具有單個渦輪葉片32和單個風擋36，但應理解每個渦輪轉子組件24包括圍繞渦輪轉子30周向設置的多個渦輪葉片32和多個相關聯的風擋36。
[0016]如圖1所示，渦輪葉片32可包括從平臺50向上延伸的翼面48。翼面48可包括位于一側的凹形翼面表面65和位于相對側的凸形翼面表面67 (圖6)。此外，每個渦輪葉片32還可包括從平臺50向下延伸的根結構52。根結構52具有前面54和后面56 (圖6)。前面54和凹形翼面表面65可大體上朝向對應于渦輪轉子組件24的前部或上游部分的相同方向。后面56和凸形翼面表面67可大體上朝向前面54的相對面，對應于與渦輪轉子組件24的后部或下游部分。根結構52還可包括柄部53和下部55。根結構52的下部55可具有揪樹型形狀，該揪樹型形狀提供在徑向方向上彼此相互間隔開來的一系列凸角。
[0017]渦輪轉子30被配置為接納在相應槽58內徑向間隔開來的多個渦輪葉片32。渦輪轉子30包括前面38、后面40(圖6)和圓周外邊緣42。槽58從前面38到后面40軸向延伸。槽58還被配置為緊密配合于并固定渦輪葉片32的相應根結構52。
[0018]當一對渦輪葉片32安裝在渦輪轉子30的相鄰槽58內時，在相鄰根結構52的柄部53之間、相鄰平臺50的下方并且渦輪轉子30的圓周外邊緣42的上方形成平臺下方腔體60。平臺下方腔體60可包括鄰近渦輪轉子30的前面38的前端61和鄰近渦輪轉子30的后面40 (圖6)的后端63。如下文將描述的，風擋36可位于渦輪轉子30和兩個相鄰的渦輪葉片32之間的平臺下方腔體60內。
[0019]圖2和圖3分別示出從前端和從后端的風擋36的成角度視圖。風擋36包括長度維度10、寬度維度12和高度維度14。風擋36包括通過縱向結構80彼此連接的前板76和后板78。后板78可包括下延伸部124和上延伸部128。矩形阻擋件120可在向后方向上從后板78處延伸。
[0020]參見圖2，前板76可具有輪廓84，輪廓84限定大于縱向結構80的橫截面積但小于后板78所占面積的區域。S卩，前板76的總體寬度和高度可小于后板78的總體寬度和高度。如圖5最清楚地所示，前板76的輪廓84限定一形狀，該形狀具有錐形上部77和大體上直側邊和底部(79，81)。參見圖3，前板76的后面75可包括邊到邊的凹部89和沿著前板76的底部邊緣的寬度延伸的偏壓唇緣90。前板76的前面可包括大體上平整的表面。前支持面94可從前板76的上部77在向后方向上延伸。前支持面94形成楔形以與渦輪葉片32的平臺50的下側幾何結構緊密配合。
[0021]如上所述，后板78可包括上延伸部128和下延伸部124。后板78可比平臺下方腔體60大(即，具有更大的表面區域，該區域具有大體上延伸超過平臺腔體60的后端63的下延伸部124)。后支持面98從后板78的上延伸部128在向前方向上延伸。后支持面98形成楔形，該楔形匯集于近似垂直于后板78的一條線上。后支持面98還具有明顯大于后板78的長度維度。
[0022]后板78的上延伸部128可包括限定上延伸部128的輪廓的外邊緣86，下延伸部124可包括限定下延伸部124的輪廓的外邊緣87。在高度14和寬度12這兩個維度上，外邊緣86和87比前板76的外邊緣84向外延伸更遠。上延伸部128的輪廓可被設置為剛好延伸到平臺50下方的維度。
[0023]如圖4最清楚地所示，后板78的上延伸部128可包括關于高度維度14延伸軸101的非對稱輪廓。具體地，上延伸部可包括第一凸部103和第二凸部105，該第一凸部103具有比第二凸部105的半徑R2大的半徑％。該輪廓還可沿著高度維度14在寬度維度12上減小至上端部130，該上端部可微呈角度以覆蓋在相鄰渦輪葉片32之間呈相似角度的空間或間隙74 (圖1)。
[0024]矩形阻擋件120可位于上延伸部128和下延伸部124之間。阻擋件120可在寬度維度12上從后板78的一側延伸到后板78的相對側并且在向后方向上延伸以形成鰭狀結構。阻擋件120可具有比上延伸部128寬的寬度。應理解，阻擋件120可形成其他形狀并可被省略。
[0025]下延伸部124可包括在高度維度14上延伸的一對相同的支腿126。每個支腿126可在轉子后面40的平面上微呈角度，使得下延伸部124大體上形成V型并且遵循在根結構52和槽58的嚙合界面之間所產生間隙的一半的大致方向。此外，每個支腿126可具有包括凹部127和直部129的輪廓。每個支腿126還可包括在每個支腿126的最下部的支腳107，該支腳107在寬度維度12上向外延伸。此外，每個支腿126可包括直內緣131。
[0026]重新參見圖2和圖3，風擋36的縱向結構80可包括中心壁部104和至少一個增強結構部件。例如，縱向結構80可包括外結構部件106和內結構部件108以為風擋36提供增強的結構剛度。在示例性實施例中，縱向結構80可在橫截面上大體為I型。外結構部件106可包括沿著它的長度大體上固定的寬度，并且內結構部件108可包括在寬度上朝向后板78增加的錐形部段和錐形部段之后的定寬部段。縱向結構80還可包括例如通過內結構部件108和中心壁部104延伸到前板76的后面75內的圓形凹槽110。圓形凹槽110被配置為有助于前板76的偏壓特性。縱向結構80還可包括一個或多個通道(未示出，但總體上在111處標示)，該通道垂直于中心壁部104的縱軸在寬度上延伸穿過中心壁部104。通道111中的一個可與后板78的前面88相對而設置。還可設想到，縱向結構80可包括一個或多個向內延伸的支腳，該支腳在裝配期間位于渦輪轉子30的圓周外邊緣42上。例如，縱向結構80可包括前支腳114 (圖3)和后支腳116(圖2)。
[0027]圖5和圖6示出從前視角(圖5)和后視角(圖6)兩個視角的渦輪轉子組件24的總體結構，包括風擋36。縱向結構80恰好位于轉子30的圓周外邊緣42的上方、位于平臺下方腔體60內并且通過前支腳114和后支腳116鄰接轉子的圓周外邊緣42。
[0028]如圖5所示，風擋36位于一對渦輪葉片32A、32B和轉子30之間。設定前板76的維度使其稍小于平板下方腔體60的前端61，從而在前板76與相鄰的渦輪葉片32A和32B的根結構52之間留出間隙82。同樣地，如上所述，外邊緣84具有包括錐形上部77的輪廓，這使得前板76在接近平臺50的下側處具有遵循根結構52的角度的楔形特征。圖5還示出止于渦輪轉子圓周外邊緣42的下方、根結構52的揪樹構型的第一凸角的上方的前板76的直側邊和底部(79，81)。
[0029]圖6示出位于渦輪葉片32A、32B、32C和轉子30之間的風擋36。后板78與支腿126相結合，覆蓋形成在根結構52和轉子30的槽58的界面處的間隙。該間隙由圖6中的虛線指示。另外，每個支腿126的支腳107幾乎接觸與相鄰風擋36相關聯的相鄰的支腿126。
[0030]阻擋件120在大體上寬度和長度的方向上延伸。阻擋件120可延伸超過后板78的外邊緣，使得阻擋件外邊緣121幾乎接觸與相鄰后板78相關聯的相鄰阻擋件120的第二阻擋件外邊緣121。如上所述，每個渦輪轉子組件24可包括多個渦輪葉片32和設置為周向圍繞渦輪轉子30的多個相關聯的風擋36。由于多個阻擋件120的尺寸和定位，阻擋件120共同形成圍繞轉子30的環。阻擋件120還在大體上向后方向上延伸(在圖2中最清楚地示出)。圖6還示出在阻擋件120之上的上延伸部128，該上延伸部的微呈角度的端部130使其覆蓋相鄰渦輪平臺50之間及其下方的呈類似角度的間隙。上延伸部128的徑向高度低于平臺50的底部。
[0031]工業實用性
[0032]所公開的渦輪轉子組件24可適用于任何旋轉動力系統，例如，燃氣渦輪發動機。現將描述裝配渦輪轉子組件24的過程和調節通過渦輪轉子組件24的氣流44、46的過程。
[0033]在渦輪轉子組件24的裝配期間，每個風擋36可附接至渦輪轉子30上，例如，通過過盈配合。為了將風擋36安置在渦輪轉子30上，可臨時迫使前板76的偏壓唇緣90處于遠離后板78的方向上以為風擋36的前板76和后板78提供足夠的余隙來適配于渦輪轉子30的圓周外邊緣42。一旦將風擋36適當地安置在槽58中其一之中的轉子30上，則可移除前板76上的受力以將風擋36夾固到渦輪轉子30的圓周外邊緣42上。
[0034]渦輪葉片32可滑動地安裝在渦輪轉子30的槽58中，例如，在從前到后的方向上。如圖5所示，第一渦輪葉片32A可滑動地安裝在風擋36的一側的渦輪轉子30的第一槽58A中。第二渦輪葉片32B可滑動地安裝在第二槽58B中。風擋36的前板76可提供足夠的余隙以允許第一渦輪葉片32A和第二渦輪葉片32B經過風擋36滑進第一槽58A和第二槽58B。代替在安裝渦輪葉片32之前安裝所有風擋36，還可設想到，可在安裝相鄰的第一渦輪葉片32A和第二渦輪葉片32B的過程之間將風擋36安裝在渦輪轉子30上。將渦輪葉片32和風擋36安裝在渦輪轉子30上以形成渦輪轉子組件24的過程可被重復進行直到渦輪轉子30上的所有槽58都被渦輪葉片32所占據。
[0035]一旦完全裝配好渦輪轉子組件24并且GTE準備工作，渦輪轉子組件24可幫助調節圖1所示的熱氣流44和冷氣流46。在GTE工作期間，壓縮機部段可通過進氣道將空氣吸進GTE并且在所壓縮空氣的至少一部分進入燃燒室部段以經受燃燒形成熱氣44之前對空氣進行壓縮。剩余壓縮空氣的至少一部分稱作冷氣46，可用于非燃燒目的(例如，用于冷卻GTE的一個或多個部段)并且可行進穿過GTE，與用于燃燒目的的壓縮空氣部分分隔開來。可將熱氣流44發送通過渦輪部段以使一個或多個渦輪轉子組件24旋轉。術語“熱”和“冷”相對于氣流的使用僅用來辨別“熱氣流”通常在溫度或壓力上不同于“冷氣流”。
[0036]如圖1所示，熱氣流44和冷氣流46可在從前到后的方向上流過渦輪轉子組件24。熱氣流44通常可通過壁部(未示出)與冷氣流46分隔開來。
[0037]熱氣流44的至少一部分使一個或多個渦輪轉子組件24旋轉。然而，熱氣44通過間隙74進入平臺下方腔體60可導致渦輪葉片由于過熱而過早疲勞。為幫助避免這種情況，對冷氣流46的至少一部分進行轉移以提供渦輪轉子組件24的平臺下方腔體60和/或槽58內的加壓流體。冷氣流46的一部分還可提供對渦輪轉子組件24的一個或多個部件的冷卻。
[0038]為了幫助維持渦輪葉片平臺50下方并且渦輪轉子組件24的前面和后面之間的區域內的正壓力，可以設想到位于平臺下方腔體60的前端61處的間隙82可不及形成在渦輪轉子組件24后面處的密封體的限流性強。冷氣流46可流過根結構52的前面54，并流過形成在前板76的外邊緣84和相鄰根結構52的前面54之間的間隙82，并且流進平臺下方腔體60的前端61。被允許進入平臺下方腔體60的冷氣流46可很容易將平臺下方腔體60和槽58內的壓力增高到比平臺下方腔體60的外部或槽58的外部更高的壓力。這是由于后板78的前面88覆蓋根結構52和轉子30的槽58之間的界面，限制了冷氣流46從平臺下方腔體60的后端63出來。即，平臺下方腔體60的后端63處的冷氣流46可被限制從平臺50的后端和槽58的后端流出，該限制性大于在渦輪轉子組件24的前端處的限制性。由于氣流易于從較高壓區域移至較低壓區域，因此在渦輪平臺50下方的較高壓下的冷氣流46可易于抑制熱氣流44徑向地內向進入平臺下方腔體60。
[0039]參照圖6，帶有支腳107的支腿126的輪廓可限定一形狀，該形狀直接鄰接與第二風擋36相關聯的另一支腿126的邊緣87。該布置確保沿根結構52和槽58的下部的額外密封。此外，上端部130可具有大體上向外延伸的形狀以提供后面56之間的間隙的額外密封。更具體地說，上延伸部128的上端部130可覆蓋剛好位于平臺50下方的轉子的兩相鄰后面的一部分以實現密封。
[0040]圖6進一步示出風擋36可通過阻擋件120至少部分地限制熱氣流44在大體上徑向方向上向下流動。由于阻擋件120在大體上寬度和長度方向上延伸，因此實現了進一步抑制渦輪轉子組件24的后部區域中的熱氣流和冷氣流間的氣流混合。即，由于阻擋件120的向后延伸部件充當分隔壁，因此阻擋件120大體上抑制了向內的徑向氣流。通過在角度方向上創建至少幾乎連續的分隔壁，阻擋件120進一步抑制了徑向方向上的氣流，這是由于阻擋件120在外邊緣121處與相鄰的阻擋件120對齊并幾乎與其接觸，這就形成圍繞轉子組件的環。
[0041]盡管在圖2和圖3的示例性實施例中描述并示出了風擋36，但可以設想到還可實現其他配置的風擋36。例如，風擋36的前板76可包括用于進一步調節平臺下方腔體60內的冷氣流46的一個或多個通路(未示出)。此外，風擋36可包括更少或更多的延伸部以實現渦輪轉子組件部件之間的額外密封和/或固定。
[0042]對本領域技術人員顯而易見的是，可在不脫離本公開范圍的情況下作出針對所公開渦輪葉片組件的各種修改和變型。對本領域技術人員來說，通過對本說明書和本文所公開系統的實踐的考慮，渦輪葉片組件的其他實施例是顯而易見的。本文旨在將說明書和實例僅視為示例性的，本公開的真實范圍通過以下的權利要求及其等同物指出。
【權利要求】
1.一種用于燃氣渦輪發動機的渦輪轉子組件(24)的風擋(36)，包括: 寬度維度(12)，高度維度(14)和長度維度(10)； 前板(76)； 后板(78)，其沿著所述寬度維度和所述高度維度大于所述前板并且具有包括在所述高度維度上延伸的兩個支腿(126)的下部(124);以及 縱向結構(80)，其在所述長度維度上延伸并且連接所述前板和所述后板。
2.根據權利要求1所述的風擋，其特征在于，所述兩個支腿中的每個支腿通過V形間隙彼此分隔開來。
3.根據權利要求2所述的風擋，其特征在于，所述兩個支腿中的每個支腿包括凹側邊輪廓部(127)。
4.根據權利要求3所述的風擋，其特征在于，所述兩個支腿中的每個支腿包括在所述高度維度上從所述凹側邊輪廓部延伸的直側邊輪廓部(129)。
5.根據權利要求4所述的風擋，其特征在于，所述兩個支腿中的每個支腿包括在所述寬度維度上遠離所述V形間隙延伸的支腳部(107)，所述支腳部位于所述后板的最下部。
6.根據權利要求1所述的風擋，其特征在于，所述后板還包括在所述高度維度上延伸的上部(128)，所述上部具有非對稱構型。
7.根據權利要求1所述的風擋，其特征在于，還包括在所述長度維度上從所述后板處向后延伸的矩形阻擋件(120)。
8.根據權利要求7所述的風擋，其特征在于，所述阻擋件從所述后板的一側延伸到所述后板的相對側。
9.根據權利要求1所述的風擋，其特征在于，所述縱向結構具有從前向后增加的寬度。
10.一種燃氣渦輪發動機,包括: 渦輪轉子組件(24)，所述渦輪轉子組件包括: 渦輪轉子(30)，其具有多個渦輪葉片槽(58)， 多個渦輪葉片(32)，其具有翼面(48)、平臺(50)和根結構(52)，每個渦輪葉片的所述根結構被制成被接納在所述渦輪轉子的相應渦輪葉片槽中的形狀， 根-槽間隙(82)，其形成在所述渦輪葉片的所述根結構和所述渦輪轉子的相應渦輪葉片槽之間，以及 平臺下方腔體(60)，其形成在所述轉子的外徑向表面和相鄰渦輪葉片根結構之間，并且位于相鄰渦輪葉片平臺下方；以及 渦輪風擋(36)，其位于至少一個平臺下方腔體內，所述渦輪風擋包括: 寬度維度(12)，高度維度(14)和長度維度(10)； 前板(76)，其被設定尺寸以提供進入所述平臺下方腔體和所述根-槽間隙中的向前流動間隙； 后板(78)，其被設定尺寸以覆蓋所述平臺下方腔體的一部分和所述根-槽間隙的一部 分。
【文檔編號】F01D25/00GK104334856SQ201380028839
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年5月30日 優先權日:2012年5月31日
【發明者】Q·M·張, T·A·布朗, L·J·福德爾 申請人:索拉透平公司