渦輪風擋的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于燃氣渦輪發動機的渦輪轉子組件(24)的風擋(36)。風擋包括寬度尺寸(12)、高度尺寸(14)和長度尺寸(10)、以及前板(76)和后板(78)。沿寬度尺寸和高度尺寸上后板大于前板，并且包括在高度尺寸上延伸的上部(128)，上部具有非對稱構型。風擋還包括在長度尺寸上延伸的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]本公開一般地涉及一種渦輪風擋，更具體地，涉及用于調節流過渦輪轉子組件氣流的一種渦輪風擋。
【背景技術】
[0002]已知一種燃氣渦輪發動機(“GTE”)包括渦輪組件，該渦輪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沿徑向向外延伸并且圍繞渦輪轉子彼此周向間隔的多個渦輪葉片。GTE點燃空氣和燃料的混合物以產生流過渦輪葉片的高溫壓縮氣流，這使得渦輪葉片旋轉渦輪轉子組件。每個渦輪轉子組件的轉動能量可被傳遞至驅動軸以驅動負載，例如發電機、壓縮機或泵。
[0003]渦輪葉片通常包括根部結構和從渦輪葉片平臺的相對側延伸的翼面。渦輪轉子包括用于容納每個渦輪葉片根部結構的槽。每個槽的形狀可類似于每個渦輪葉片根部結構的形狀。當多個渦輪葉片裝配在渦輪轉子上時，在相鄰渦輪葉片的渦輪平臺之間與下方可形成平臺下側空腔。
[0004]已知位于平臺下側空腔中的部件，該部件用于調節渦輪轉子組件周圍的壓縮氣流。在授予Athans等人的美國專利N0.7097429( “’429專利”)中描述了此類部件的一個實施例。’ 429專利公開了包括多個渦輪葉片的轉子盤。每個渦輪葉片包括翼面、平臺和柄部。柄部可向下延伸到多波瓣燕尾榫以將渦輪葉片安裝到轉子盤。密封件主體位于柄部之間以及相鄰渦輪葉片的平臺下方。密封件主體包括設置在密封件主體前端的增大密封板。增大密封板與相鄰渦輪葉片柄部的前表面部分重疊以提供密封。密封件主體還包括具有大致矩形頭部的后端，該后端設置在一對軸向波瓣的上方。后端頭部的面積小于前端處的密封板。
【發明內容】
[0005]本公開提供用于燃氣渦輪發動機的渦輪轉子組件的風擋。風擋包括寬度尺寸、高度尺寸和長度尺寸、以及前板和后板。沿寬度尺寸和高度尺寸，后板大于前板并且包括在高度尺寸上延伸的上部，上部具有非對稱構型。風擋還包括在長度方向上延伸且連接前板和后板的縱向結構。
[0006]本公開還提供了用于燃氣渦輪發動機的渦輪轉子組件的風擋。風擋包括寬度尺寸、高度尺寸和長度尺寸，以及前板。風擋還包括后板，該后板在寬度和高度尺寸上的面積大于前板的面積；上部，該上部具有相對于在高度尺寸上延伸的后板中軸線偏置的上端；以及在長度尺寸上從后板向后延伸的矩形擋板。風擋還包括在長度尺寸上延伸且連接前板和后板的縱向結構。
[0007]本公開還提供了一種具有渦輪轉子組件的燃氣渦輪發動機。渦輪轉子組件包括具有多個渦輪葉片槽的渦輪轉子，以及具有翼面、平臺和根部結構的多個渦輪葉片，每個渦輪葉片的根部結構成形為被容納在渦輪轉子的相應渦輪葉片槽中。渦輪轉子組件還包括在相鄰渦輪葉片的平臺附近和下方形成的平臺下側間隙，以及在轉子的徑向外表面與相鄰渦輪葉片根部結構之間和在相鄰渦輪葉片平臺下方形成的平臺下側空腔。渦輪轉子組件還包括位于至少其中一個平臺下側空腔中的渦輪風擋，渦輪風擋包括寬度尺寸、高度尺寸和長度尺寸。風擋還包括大小設置成在平臺下側空腔和平臺下側間隙中提供前向流動間隙的前板，以及尺寸設置成覆蓋平臺下側空腔一部分和平臺下側間隙一部分的后板。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1是部分的渦輪轉子組件的示意圖，該渦輪轉子組件包括示例性渦輪風擋；
[0009]圖2是從前端和側向視角觀察的圖1中示例性渦輪風擋的示意圖，該渦輪風擋獨立于渦輪轉子組件；
[0010]圖3是從后端和側向視角觀察的圖2中示例性渦輪風擋；
[0011]圖4示出了圖2的渦輪風擋的側視圖；
[0012]圖5示出了圖2的示例性渦輪風擋的前端視圖；
[0013]圖6示出了圖2的示例性渦輪風擋的后端視圖；
[0014]圖7是從渦輪轉子組件的前表面觀察，具有額外渦輪葉片的圖1渦輪轉子組件的示意圖；以及
[0015]圖8是從渦輪轉子組件的后表面觀察，具有額外渦輪葉片的圖1渦輪轉子組件的示意圖。
【具體實施方式】
[0016]參照圖1，一種燃氣渦輪發動機(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。例如，渦輪轉子組件24可包括渦輪轉子或渦輪盤30、渦輪葉片32和渦輪風擋36。為了便于描述，參照“內側”和“外側”是指相對于渦輪轉子30的旋轉軸線的徑向內側位置和徑向外側位置。同樣，術語“前側”是指流過GTE流體的上游位置，而“后側”是指下游位置。多個渦輪轉子組件24可在驅動軸上軸向對齊以形成GTE的多個渦輪級。圖1示出了從大致前側到后側方向以一定角度觀察渦輪轉子30上渦輪葉片32和風擋36的相對位置。盡管圖1示出了具有單個渦輪葉片32和單個風擋36的渦輪轉子組件24，但應該理解的是，每個渦輪轉子組件24包括圍繞渦輪轉子30周向定位的多個渦輪葉片32和多個相關聯的風擋36。
[0017]如圖1所示，渦輪葉片32可以包括從平臺50向上延伸的翼面48。翼面48可包括一側上的凹形翼面表面65和相對側上的凸形翼面表面67(圖8)。此外，每個渦輪葉片32還可包括從平臺50向下延伸的根部結構52。根部結構52具有前表面54和后表面56 (圖8)。前表面54和凹形翼面表面65可大致面向對應于渦輪轉子組件24前側部分或上游部分的相同方向。后表面56和凸形翼面表面67可大致面向前表面54的背面，對應于渦輪轉子組件24后側部分或下游部分。根部結構52還包括柄部53和下部55。根部結構52的下部55可具有揪樹型形狀，從而提供一系列徑向彼此間隔的波瓣。
[0018]渦輪轉子30配置成容納在相應槽58中徑向間隔開的多個渦輪葉片32。渦輪轉子30包括前表面38、后表面40 (圖8)以及周向外邊緣42。槽58從前表面38軸向延伸到后表面40。槽58還配置成配合并固定渦輪葉片32的相應根部結構52。
[0019]當一對渦輪葉片32安裝在渦輪轉子30的鄰近槽58中時，在相鄰根部結構52的柄部53之間、在相鄰平臺50下方并且在渦輪轉子30的圓周外邊緣42上方形成平臺下側空腔60。平臺下側空腔60可包括鄰近渦輪轉子30的前表面38的前端61，以及鄰近渦輪轉子30的后表面40(圖8)的后端63。如下所述，風擋36可位于渦輪轉子30和兩個相鄰渦輪葉片32之間的平臺下側空腔60中。
[0020]圖2和圖3分別示出了以一定角度從前端和后端觀察的風擋36視圖。風擋36包括長度尺寸10、寬度尺寸12和高度尺寸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可包括下側延伸部124和上側延伸部128。矩形擋板120可從后板78在后側方向上延伸。
[0021]參考圖2，前板76可具有輪廓84，該輪廓84限定的面積大于縱向結構80的橫截面積，但小于后板78所占據的面積。從圖5可以清晰地看出，前板76的整個寬度和高度可小于后板78的整個寬度與高度。前板76的輪廓84限定了具有錐形上部77以及大致筆直的側邊和底部(79，81)的形狀。參考圖3，前板76的后表面75可包括橫向凹部89和沿前板76的下邊緣寬度延伸的偏壓唇緣90。前板76的前表面可包括基本平整的表面。前支承面94可在后側方向上從前板76的上部77延伸。前支承面94定形為楔形以配合渦輪葉片32的平臺50下側幾何形狀。
[0022]如上所述，后板78可包括上側延伸部128和下側延伸部124。后板78可以大于平臺下側空腔60 (即，具有較大的表面積，下側延伸部124延伸到平臺下側空腔60的后端63之外)。后側支承面98在前側方向上從后板78的上側延伸部128延伸。后側支承面98定形為楔形，該楔形收斂在基本垂直于后板78的垂線上。后側支承面98還具有明顯大于后板78的長度尺寸。
[0023]后板78的上側延伸部128可包括限定上側延伸部128輪廓的外邊緣86，并且下側延伸部124可包括限定下側延伸部124輪廓的外邊緣87。如圖5和圖6所示，在高度尺寸14和寬度尺寸12上，外邊緣86、87比前板76的外邊緣輪廓84延伸得更遠。上側延伸部128的輪廓尺寸可設置成正好延伸到平臺50的下方。
[0024]從圖6可以清晰地看出，后板78的上側延伸部128可包括關于后板78的沿高度尺寸延伸的中軸線101不對稱的輪廓。具體地，上側延伸部128可包括與第二側邊134不對稱的第一側邊132，其中，第一側邊132和第二側邊134由中軸線101分開。第一側邊132可包括第一筆直輪廓部分136，并且第二側邊134可包括第二筆直輪廓部分138。第一筆直輪廓部分136沿與第二筆直輪廓部分138在不同位置與中軸線101相交的方向延伸。在圖6中用虛線示出了這些交點。
[0025]后板78的上側延伸部分128還包括沿高度尺寸14在寬度尺寸12上減小到上端130的輪廓，上端130可稍微偏置以覆蓋類似傾斜的平臺下側間隙74 (圖1)，平臺下側間隙74處于相鄰渦輪葉片32之間并且處于相鄰渦輪葉片32的平臺50附近和下方。該上端包括頂表面的筆直輪廓140，該頂表面基本垂直于后板78的中軸線101。此外，上端130包括大致直角輪廓142，該直角輪廓包括在上部128第一側邊132的頂表面。上端130包括鈍角輪廓144，該鈍角輪廓144包括上部128第二側邊134上的頂表面。在具體說明書和權利要求書中所用術語“大致上”、“近似地”、“實際上”或“基本上”旨在允許相關數值或條件的微小變化。這種微小變化都應理解為在±3%的范圍內。
[0026]再次參照圖3和圖4，大致矩形的擋板120可位于上側延伸部128和下側延伸部124之間。擋板120可在寬度尺寸12上從后板78的一側延伸到后板78的相對側，并且在后側方向上延伸以形成翅片狀結構。擋板120的寬度可大于上側延伸部128的寬度。應當理解，擋板120可以是其他形狀，并且可以省略。
[0027]下側延伸部124可包括大致矩形部分126，該大致矩形部分126的寬度大約等于擋板120的寬度。此外，下側延伸部可包括圓整的下角146和大致筆直下部輪廓部分148，下部輪廓部分148基本垂直于后板78的中軸線101并且大致平行于擋板120的寬度尺寸。因此，下側延伸部分124的寬度尺寸大于上側延伸部128的寬度尺寸。
[0028]再次參照圖2至圖4，風擋36的縱向結構80可包括中心壁104和至少一個加強結構元件。例如，縱向結構80可包括外結構元件106和內結構元件108以加強風擋36的結構剛度。在示例性實施方式中，縱向結構80的橫截面可基本上是工字形的。外結構元件106和內結構元件108在它們的長度方向上寬度可基本上恒定。例如，縱向結構80還可包括延伸入前板76的后表面75且穿過內結構元件108和中心壁104的圓整凹口 110。配置該圓整凹口 110以輔助前板76的偏壓特性。可以想到，縱向結構80可包括一個或多個向內延伸的腳部以便在裝配過程中置于渦輪轉子30的周向外邊緣42上。例如，縱向結構80可包括前腳部114和后腳部116(圖4)。
[0029]圖7和圖8從前側視場(圖7)和后側視場(圖8)示出了包括風擋36的渦輪轉子組件24的整體結構。縱向結構80位于平臺下側空腔60中的轉子30的周向外邊緣42的正上方，并通過前腳部114和后腳部116鄰接轉子42的周向外邊緣(圖4)。
[0030]如圖7所示，風擋36位于一對渦輪葉片32A和32B以及轉子30之間。設置前板76的大小使得它稍微小于平臺下側空腔60的前端61，從而在前板76以及相鄰渦輪葉片32A和32B的根部結構52之間留下間隙82。同樣，如上面提到的，外邊緣84的輪廓包括錐形上部77，使前板76具有楔形特征，當前板76接近平臺50的下側時，楔形特征跟隨根部結構52的角度。圖7還示出了前板76的平整側面和底部(79、81)，前板76終止于渦輪轉子42的周向外邊緣下方，但是根部結構52揪樹構型的第一凸出的波瓣上方。
[0031]圖8示出了位于渦輪葉片32A和32B以及轉子30之間的風擋36。后板78連同下側延伸部124，覆蓋形成在根部結構52和轉子30的槽58的界面處的部分間隙。
[0032]擋板120大致在寬度方向和長度方向上延伸。擋板120可延伸到后板78的外邊緣，這樣使得擋板外邊緣121幾乎接觸到與相鄰后板相關的相鄰擋板的第二擋板外邊緣。如上面提到的，每個渦輪轉子組件24可包括圍繞渦輪轉子30周向定位的多個渦輪葉片32和多個相關的風擋36。由于多個擋板120的這個尺寸和位置，多個擋板120 —起圍繞轉子30形成環。擋板120也大致在后側方向上延伸(如圖4中清楚示出)。圖8還示出了擋板120上方的上側延伸部128，上側延伸部128的稍微偏置端130使其能夠覆蓋在相鄰渦輪平臺50之間和下方的類似傾斜的平臺下側間隙74。上側延伸部128的徑向高度略低于平臺50的底部。
[0033]工業實用性
[0034]所公開的渦輪轉子組件24可適用于任意旋轉動力系統,例如,燃氣渦輪發動機。現在對渦輪轉子組件24的裝配過程以及通過渦輪轉子組件24的氣流44、46的調節過程進行詳細說明。
[0035]在渦輪轉子組件24裝配過程中，例如，每個風擋36可通過過盈配合附接到渦輪轉子30。為了在渦輪轉子30上定位風擋36，可以沿遠離后板78的方向暫時迫壓前板76的偏壓唇緣90，以為風擋36的前板76和后板78提供足夠空隙以配合在渦輪轉子30的周向外邊緣42上。一旦風擋36適當地定位在處于其中一個槽58之中的渦輪轉子30上時，可以撤去施加在前板76上的力，從而使風擋36夾持在渦輪轉子30的周向外邊緣42上。
[0036]例如，渦輪葉片32沿從前到后的方向可滑動地安裝在渦輪轉子30的槽58中。如圖所示7，第一渦輪葉片32A可在渦輪轉子30的第一槽58A中滑動地安裝到其中一個風擋36的一側。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可提供足夠空隙從而允許第一渦輪葉片32A和第二渦輪葉片32B經過風擋36滑入第一槽58A和第二槽58B。也可以想到，代替在安裝渦輪葉片32之前安裝所有風擋36，可在安裝相鄰第一渦輪葉片32A和第二渦輪葉片32B之間，將風擋36安裝在渦輪轉子30上。可重復進行將渦輪葉片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，直到渦輪轉子30上的所有槽58由渦輪葉片32占據。
[0037]一旦完全裝配渦輪轉子組件24并且GTE準備運行時，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的運行過程中，在至少一部分壓縮空氣進入燃燒器部分以燃燒形成熱氣流44之前，壓縮機部分可以將空氣通過空氣入口管道抽入GTE中并且壓縮空氣。至少一部分的剩余壓縮空氣(稱為冷氣流46)可用于非燃燒目的(例如冷卻GTE的一個或多個部分)并且可與用于燃燒的壓縮空氣部分分隔開地穿過GTE。可將熱氣流44通過渦輪部分送入以轉動一個或多個渦輪轉子組件24。所使用關于氣流的術語“熱”和“冷”僅是想要標識:相比于“冷氣流”，“熱氣流”通常具有不同溫度或壓力。
[0038]如圖1所示，熱氣流44與冷氣流46可在從前到后的方向上流過渦輪轉子組件24。熱氣流44通常可通過一個壁(未示出)與冷氣流分離。
[0039]至少一部分的熱氣流44轉動一個或多個渦輪轉子組件24。但是，通過間隙74 (圖7)進入平臺下側空腔60的熱氣流44可引起渦輪葉片由于過熱而過早疲勞。為了幫助避免這種情況的發生，使冷氣流46的至少一部分轉向以在渦輪轉子組件24的平臺下側空腔60和/或槽58內部提供加壓流體。部分冷氣流46還可冷卻渦輪轉子組件24的一個或多個部件。
[0040]為了有助于在渦輪葉片平臺50下方并且處于渦輪轉子組件24的前表面和后表面之間的區域中保持正壓力，可以想到，相比于在渦輪轉子組件24的后表面形成的密封件，平臺下側空腔60的前端61處的間隙82可具有較少的限制性。冷氣流46可流過根部結構52的前表面54，流經間隙82并且進入平臺下側空腔60的前端61，間隙82形成于前板76的全部或部分外邊緣84與相鄰根部結構52的前表面54之間。被允許進入平臺下側空腔60的冷氣流46往往可使平臺下側空腔60和槽58中的壓力增大到高于平臺下側空腔60之外或槽58之外的壓力。這是由于后板78的前表面88覆蓋了部分的根部結構52和轉子30的槽58的界面，從而限制冷氣流46離開平臺下側空腔60的后端63。也就是，可在平臺下側空腔60的后端63限制冷氣流46離開平臺50的后端以及槽58的后端，該限制多于在渦輪轉子組件24的前端處的限制。由于氣流趨向于從高壓區向低壓區移動，渦輪平臺50下方的高壓冷氣流46可趨向于抑制徑向向內流入平臺下側空腔60的熱氣流44。
[0041]參照圖8，下側延伸部124的輪廓可限定一種形狀，該形狀沿著部分的根部結構52和槽58提供密封。同樣,上端130可以具有基本上向外延伸的形狀以額外密封后表面56之間的間隙。更具體地，上側延伸部128的上端130可覆蓋平臺50正下方轉子的兩個相鄰后表面的一部分以完成密封。
[0042]圖8還示出了風擋36可通過擋板120在大致徑向方向上至少部分地限制熱氣流44向下流動。因為擋板120大致在寬度尺寸和長度尺寸上延伸，在渦輪轉子組件24的后側區域中進一步抑制熱流和冷流之間的空氣流混合。也就是說，擋板120抑制了大致內向的徑向氣流，原因在于擋板120的后側延伸部件用作分離壁。由于擋板120在外邊緣121處與鄰近擋板120對齊并且幾乎接觸，由此形成了圍繞轉子組件的環，擋板120通過在角度方向上形成了至少幾乎連續的分離壁進一步抑制徑向的氣流。
[0043]雖然在圖1-8的示例性實施方式中描述并示出了風擋36，但是，可以想到也可以實施風擋36的其它構型。例如，風擋36的前板76可包括一個或多個通道(未顯示)以在平臺下側空腔60中進一步調節冷氣流46。此外，風擋36可包括更少或更多延伸部以實現額外密封和/或渦輪轉子組件的部件之間的保持部。
[0044]對于本領域的技術人員而言，顯而易見的是，可對本公開的渦輪葉片組件做出各種修改和變型而不會背離本公開的范圍。通過考慮文中公開系統的說明和實踐，渦輪葉片組件的其他實施方式對于本領域技術人員將是顯而易見的。應當理解，說明書和實施例僅僅是示例性的，本公開的真正范圍通過下面的權利要求書及其等同物表明。
【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: 寬度尺寸(12)、高度尺寸(14)及長度尺寸(10)； 前板(76)； 后板(78)，所述后板(78)沿所述寬度尺寸和高度尺寸大于所述前板，并且具有在所述高度尺寸上延伸的上部(128)，所述上部具有非對稱構型；以及 縱向結構(80)，其在所述長度尺寸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，其中，所述上部的寬度沿所述高度尺寸減小。
3.根據權利要求2所述的風擋，其中，所述上部包括具有頂面的上端(130)，所述頂面形成大致垂直于所述后板的軸線(101)的筆直輪廓(140)。
4.根據權利要求1所述的風擋，還包括:在所述長度尺寸上從所述后板向后延伸的大致成矩形的擋板(120)。
5.根據權利要求4所述的風擋，其中，所述擋板在所述寬度尺寸上延伸得比所述上部更遠。
6.根據權利要求4所述的風擋，其中，所述擋板從所述后板的一側延伸到所述后板的相對側。
7.根據權利要求1所述的風擋，其中，所述后板還包括在所述高度尺寸上延伸的下部(124)，所述下部大致成矩形。
8.根據權利要求7所述的風擋，其中，所述下部包括大致筆直的輪廓部分(148)，所述輪廓部分(148)大致垂直于所述后板的在所述高度尺寸上延伸的中軸線，并且大致平行于在所述長度尺寸上從所述后板向后延伸的擋板的寬度尺寸。
9.根據權利要求8所述的風擋，其中，所述下部的寬度大于所述上部的寬度。
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)，所述渦輪葉片(32)具有翼面(48)、平臺(50)和根部結構(52)，每個渦輪葉片的所述根部結構成形為被容納在所述渦輪轉子的相應渦輪葉片槽中， 平臺下側間隙(74)，形成于相鄰渦輪葉片的所述平臺的附近和下方，以及平臺下側空腔(60)，形成于所述轉子的外徑向表面和相鄰渦輪葉片根部結構之間，并且位于相鄰渦輪葉片平臺下方；以及 渦輪風擋(36)，其位于至少一個所述平臺下側空腔中，所述渦輪風擋包括: 寬度尺寸(12)、高度尺寸(14)及長度尺寸(10)； 前板(76)，大小設置成在所述平臺下側空腔和所述平臺下側間隙中提供前向流動間隙； 后板(78)，大小設置成覆蓋所述平臺下側空腔的一部分和所述平臺下側間隙的一部 分。
【文檔編號】F01D25/00GK104334857SQ201380028844
【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, A·T·邁耶 申請人:索拉透平公司