CN102840144A - 通风压缩机转子及配有所述转子的涡轮发动机 - Google Patents

通风压缩机转子及配有所述转子的涡轮发动机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种通风压缩机转子及配有所述转子的涡轮发动机。所述涡轮发动机包括多个压缩机转子，所述压缩机转子包括通风孔，用以使相邻压缩机转子之间的空间通风。各压缩机转子由具有第一和第二环状面的材料平盘形成。材料的环状脊(circular ridge)从与所述盘的外边缘相邻的所述盘的一个环状面中向外伸出。所述通风孔形成于所述材料的环状脊中。各通风孔为所述材料的环状脊中的凹处，所述凹处具有大体上在所述盘的径向上延伸的纵轴。

Description

通风压缩机转子及配有所述转子的涡轮发动机
技术领域
本发明涉及用于燃气涡轮发动机的压缩机的转子相关技术。
背景技术
发电应用中所使用的燃气涡轮发动机的压缩机部分通常包括彼此邻接的多个盘形压缩机转子。多片压缩机旋转叶片从压缩机转子中每个压缩机转子的外圆周边缘径向向外延伸。每个压缩机转子通常经过成形，从而使环形法兰从所述盘的两个环状面向外延伸，所述环形法兰位于与所述盘的外边缘相邻的位置。
当将多个压缩机盘堆叠在一起以形成燃气涡轮发动机的压缩机部分时，相邻压缩机转子的环形法兰会彼此邻接。这样，在每对相邻的压缩机盘之间形成腔，所述腔位于配对的环形法兰的径向向内的位置。
相邻压缩机盘之间所形成的腔中所残存的空气或气体可用作热绝缘体，从而可在相邻压缩机盘之间形成温度梯度(temperature gradients)。这些温度梯度可在相邻压缩机盘之间产生应力。所述温度梯度还可对连接到压缩机盘和/或压缩机定子轮叶的压缩机旋转叶片之间的叶尖间隙产生负面影响。
在燃气涡轮发动机启动或关闭期间，压缩机部分的各元件之间出现热梯度是不可避免的。相邻压缩机转子盘之间的腔中所残存的空气或气体的隔热效应可延长那些热梯度存在的时间，并会增加压缩机部分的各部件上的应力，从而可能会在更长时间内对转子叶片和/或定子轮叶间隙产生负面影响。
此外，当位于相邻压缩机转子盘之间的腔与从所述腔径向向外的区域之间存在温差时，所述腔与其径向向外的区域之间可能会形成压力梯度。此压力梯度也可对压缩机和涡轮机性能产生负面影响。
发明内容
一方面，本发明提供一种用于涡轮发动机的压缩机转子，所述压缩机转子包括：材料盘，其具有第一和第二环状面；以及环状法兰，其从与所述盘的外边缘相邻的所述第一环状面向外伸出。至少一个通风孔位于所述环状法兰中，所述至少一个通风孔包括所述环状法兰中的凹处，所述凹处具有大体上在所述盘的径向上延伸的纵轴。所述盘还可包括第二环状法兰，其从所述盘的所述第二环状面中向外伸出、并与所述盘的外边缘相邻，其中至少一个通风孔位于所述第二环状法兰中，所述至少一个通风孔包括设于所述第二环状法兰中的凹处，所述凹处具有大体上在所述盘的径向上延伸的纵轴。
所述至少一个通风孔包括形成于所述环状法兰的相对侧上的第一和第二通风孔。所述至少一个通风孔包括多个通风孔。所述多个通风孔大体上对称地沿所述环状法兰的圆周设置；或者，所述多个通风孔大体上不对称地沿所述环状法兰的圆周设置。所述至少一个通风孔的径向内端大于所述至少一个通风孔的径向外端，所述至少一个通风孔的宽度从所述径向内端到所述径向外端逐渐变小。所述至少一个通风孔包括形成于所述环状法兰的外表面上的凹处。所述至少一个通风孔具有半圆形轮廓；或者，具有V形轮廓；或者，具有正方形或矩形轮廓。
所述至少一个通风孔包括穿过所述环状法兰的通道，所述通道从所述环状法兰的径向内表面延伸到所述环状法兰的径向外表面。所述通道的大小沿着所述通道的长度变化。所述第一环状面上的所述环状法兰包括第一环状法兰，所述压缩机转子进一步包括：第二环状法兰，其从与所述盘的外边缘相邻的所述第二环状面中向外伸出；以及位于所述第二环状法兰中的至少一个通风孔，所述至少一个通风孔具有大体上在所述盘的径向上延伸的纵轴。位于所述第一环状法兰中的所述至少一个通风孔也可周向偏离位于所述第二环状法兰中的所述至少一个通风孔。
另一方面，本发明还可提供一种制造用于涡轮发动机的压缩机转子的方法。所述方法包括：形成具有第一和第二环状面的材料盘；以及形成环状法兰，所述环状法兰从与所述盘的外边缘相邻的所述第一环状面中向外伸出。所述方法还包括在所述环状法兰中形成至少一个通风孔，所述至少一个通风孔包括设于所述环状法兰中的凹处，所述凹处具有大体上在所述盘的径向上延伸的纵轴。
所述形成至少一个通风孔的步骤包括在所述环状法兰中形成多个通风孔。所述方法进一步包括在所述环状法兰的圆周上对称地形成所述多个通风孔。所述形成至少一个通风孔的步骤包括形成所述至少一个通风孔，从而使所述至少一个通风孔的径向内端大于径向外端。所述盘的所述第一环状面上的所述环状法兰包括第一环状法兰，其中形成所述盘的步骤进一步包括形成第二环状法兰，所述第二环状法兰从与所述盘的所述外边缘相邻的所述第二环状面中向外伸出，而且所述方法进一步包括在所述第二环状法兰中形成至少一个通风孔，所述至少一个通风孔具有大体上在所述盘的径向上延伸的纵轴。
附图说明
图1为涡轮发动机的压缩机部分的局部截面图；
图2为涡轮发动机的压缩机转子盘的第一实施例的平面图；
图3为图2所示的转子沿着剖面线III-III截得的截面图；
图4为涡轮发动机的压缩机转子盘边缘的一部分的俯视图；
图5为涡轮发动机的压缩机转子盘的一部分的透视图；
图6为涡轮发动机的替代性压缩机转子盘的平面图；
图7为涡轮发动机的另一替代性压缩机转子盘的平面图；
图8为涡轮发动机的替代性压缩机转子盘的一部分的透视图；
图9为涡轮发动机的替代性压缩机转子盘的一部分的透视图；
图10为涡轮发动机的替代性压缩机转子盘的一部分的透视图；
图11为涡轮发动机的替代性压缩机转子盘的一部分的透视图；
图12为涡轮发动机的替代性压缩机转子盘的一部分的透视图；
图13为涡轮发动机的替代性压缩机转子盘的一部分的透视图；
图14为涡轮发动机的替代性压缩机转子盘的一部分的透视图；
图15为涡轮发动机的替代性压缩机转子盘的一部分的透视图；以及
图16为涡轮发动机的替代性压缩机转子盘的一部分的透视图。
元件符号列表：
 参考标号   部件 参考标号  部件
 102   ● 入口 110，112，114  ● 转子盘
 120，122   ● 腔 130，132，134  叶片
 140，142，144   ● 定子轮叶 200  ● 外边缘
 202，204，211   ● 法兰 210  ● 通风孔
具体实施方式
本说明书将参考附图对优选实施例进行详细说明，附图说明本发明的具体实施例。具有不同结构和操作的其他实施例并未脱离本发明的范围。
图1所示为可用于发电设施的一个典型涡轮发动机的压缩机部分。所述压缩机部分包括入口102，用于接收进气流。所述压缩机部分也包括定子轮叶140、142、144和压缩机旋转叶片130、132、134的交替行。所述压缩机旋转叶片130、132、134连接到盘形压缩机转子盘110、112、114的外边缘。
图2和图3所示为未安装压缩机叶片的压缩机转子盘。压缩机转子盘包括环状法兰202，其从与转子的外边缘200相邻的所述转子的第一环状面中向外伸出。压缩机转子也包括第二环状法兰211，其形成于与转子盘的外边缘200相邻的所述盘相对的第二环状面上。此压缩机转子还包括第三环状法兰204，其从所述第一环状面中向外伸出，而且位于第一环状法兰202径向向内的位置。
如图1所示，多片压缩机旋转叶片安装在每个压缩机转子盘的外圆周边缘周围。还如图1所示，多个压缩机转子110、112、114堆叠在一起，从而形成压缩机部分的内部。因此，可在相邻的压缩机盘110、112、114之间形成腔120、122。
相邻压缩机转子盘之间形成的腔有助于在压缩机部分的各元件之间形成热梯度和压力梯度(thermal and pressure gradients)。这些热梯度和压力梯度可对压缩机部分和涡轮发动机的寿命和性能产生负面影响。所述热梯度可在压缩机的元件中产生应力，而且对压缩机旋转叶片130、132、134与定子轮叶140、142、144之间的间隙(clearance)产生负面影响。
为了有助于防止形成热梯度和压力梯度，可在压缩机转子盘的环状法兰202、211中切出一个或多个通风孔(ventilation slots)210。所述通风孔允许空气或气体在相邻压缩机转子盘之间形成的腔与从所述腔径向向外的区域之间来回自由流动。
所述通风孔可采取细长凹处的形式，所述细长凹处在环状法兰202、211中形成或切出。图2所示为通风孔210的纵轴在盘形压缩机转子盘的径向上延伸。图3所示的截面图显示了通风孔210为环状法兰202、211中形成或切出的凹处。图4为压缩机转子盘的外边缘的一部分的俯视图，显示了通风孔210可具有半圆形。
图5为压缩机转子的一部分的透视图，也显示了形成于所述转子的环状法兰202中的通风孔210。通风孔210具有半圆形形状，而且通风孔210的纵轴在盘形转子盘的径向上延伸。
尽管图2中所示的实施例包括两个通风孔210，但替代实施例可只包括单个通风孔，或两个以上通风孔。图6所示为具有四个通风孔210的实施例。图7所示为具有三个通风孔210的另一替代实施例。其他实施例可具有四个以上通风孔。
在图2、图6和图7所示的实施例中，通风孔210大体上对称地位于环状法兰202的圆周的周围。但在替代实施例中，通风孔可不对称地位于压缩机转子盘的圆周的周围。
可形成涡轮发动机的压缩机部分，从而使各压缩机转子盘具有位于环状法兰中的通风孔，所述环状法兰仅在所述转子盘的一个侧面上。当将多个此类压缩机转子盘堆叠在一起时，通风孔将确保，每个相邻的转子盘对之间形成的腔可与从所述腔径向向外的区域之间进行通风。
或者，在转子的堆叠设置中，两个不同类型的压缩机盘可彼此交替。第一类型的压缩机转子可不具有通风孔。第二类型的转子具有位于环状法兰中的通风孔，所述环状法兰位于两个侧面上。这种布置也可确保，每个相邻的转子对之间形成的腔与从所述腔径向向外的区域之间进行通风。
当具有带通风孔的压缩机转子盘的涡轮发动机首次投入运行时，压缩机部分的各部件将全部开始变热。由于通风孔允许空气或气体流入和流出相邻压缩机转子盘之间的腔，因此，不太可能形成压力梯度。此外，如果一个区域变得比另一个区域热，则较热区域中气体的压力将增加，从而导致气体从较热区域流入相邻的较冷(低压)区域。气体从较热区域到较冷区域的这种移动有助于降低压缩机部分的不同区域之间的温度梯度。此外，如上所述，这将有助于降低热导应力。如果不同区域以不同速率冷却，那么在涡轮发动机关闭时也将发生与此相同的过程。
通风孔的数目和大小依据的是，在涡轮发动机启动或关闭期间预期吸入或抽出腔的空气体积。而气流的体积可依据腔的大小、压缩机中腔的位置、预期的腔表面温度以及空气或气体通过压缩机的流路。因此，这些因素全部可影响通风孔的数目和位置。
适当设计的通风孔可降低压缩机的不同部分以及相邻盘之间的瞬时热梯度和压力梯度，从而延长转子寿命。所述通风孔也可通过最小化压缩机内的净化区来提高压缩机效率。与缺少通风孔的压缩机转子相比，提供通风孔还可以提高转子金属温度的可预测性。此外，在启动和关闭时，提供通风孔可降低压缩机的所有元件达到稳态的运行条件所需的时间。
尽管图2到图5所示的通风孔具有细长的半圆形，但通风孔可具有多种其他形状。例如，图8所示为通风孔210仍为圆形的实施例，但其中所述通风孔的径向向内端大于通风孔210的径向向外端。
图9所示为具有正方形或矩形轮廓的通风孔210。图10所示为具有矩形轮廓的通风孔，但其中通风孔210的径向向内端的宽度大于所述通风孔的径向向外端。相反地，图11所示为通风孔210的径向向内端的宽度小于径向向外端的实施例。
图12所示为通风孔210具有V形轮廓的实施例。图13所示为V形通风孔210，其中径向向内端大于径向向外端。相反地，图14所示为V形通风孔210，其中所述V形槽的径向向内端小于径向向外端。
尽管图8到图14说明了各实施例，但通风孔可采取仍允许空气或气体吸入和抽出相邻压缩机转子盘之间形成的腔的任意其他形状。
例如，所述通风孔的形式可为穿过环状法兰从所述法兰的径向内侧到所述法兰的径向外侧的孔、槽或通道。图15所示为圆柱形通风孔210在环状法兰202的内表面与外表面之间钻孔穿过环状法兰202的实施例。图16所示为类似的矩形通风孔210形成于环状法兰202中的另一实施例。
如上所述，某些实施例可具有形成于环状法兰中的通风孔，所述环状法兰形成于压缩机转子的两个侧面上。在这些实施例中，所述通风孔可为彼此在两个侧面上成镜像设置。或者，尽管在两个侧面上设有相同数目的通风孔，但位于压缩机转子的第一侧面上的环状法兰中的通风孔可周向偏离位于所述转子的第二侧面上的环状法兰中的通风孔设置。在其他实施例中，设于压缩机转子的第一侧面上的通风孔数目可大于所述转子的第二侧面。
本说明书中所使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并不在于限制本发明。本说明书中所使用的单数形式“一”、“一个”和“所述”也包括复数形式，除非上下文以其他方式明确指出。应进一步了解，本说明书中所使用的术语“包括”用于说明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。
虽然已结合目前被认为是最具实用性和较佳的实施例说明了本发明，但应了解本发明不限于已公开的实施例，而是应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。

Claims (10)

1.一种用于涡轮发动机的压缩机转子，包括：
材料盘，其具有第一和第二环状面；
环状法兰，其从与所述盘的外边缘相邻的所述第一环状面中向外伸出；以及
位于所述环状法兰中的至少一个通风孔，所述至少一个通风孔具有大体上在所述盘的径向上延伸的纵轴。
2.根据权利要求1所述的压缩机转子，其特征在于，所述至少一个通风孔包括形成于所述环状法兰的相对侧上的第一和第二通风孔。
3.根据权利要求1所述的压缩机转子，其特征在于，所述至少一个通风孔包括多个通风孔。
4.根据权利要求3所述的压缩机转子，其特征在于，所述多个通风孔大体上对称地沿所述环状法兰的圆周设置。
5.根据权利要求1所述的压缩机转子，其特征在于，所述至少一个通风孔的径向内端大于所述至少一个通风孔的径向外端。
6.根据权利要求1所述的压缩机转子，其特征在于，所述至少一个通风孔包括形成于所述环状法兰的外表面上的凹处。
7.根据权利要求1所述的压缩机转子，其特征在于，所述至少一个通风孔包括穿过所述环状法兰的通道，所述通道从所述环状法兰的径向内表面延伸到所述环状法兰的径向外表面。
8.根据权利要求7所述的压缩机转子，其特征在于，所述通道的大小沿着所述通道的长度变化。
9.根据权利要求1所述的压缩机转子，其特征在于，所述第一环状面上的所述环状法兰包括第一环状法兰，所述压缩机转子进一步包括：
第二环状法兰，其从与所述盘的外边缘相邻的所述第二环状面中向外伸出；以及
位于所述第二环状法兰中的至少一个通风孔，所述至少一个通风孔具有大体上在所述盘的径向上延伸的纵轴。
10.根据权利要求9所述的压缩机转子，其特征在于，位于所述第一环状法兰中的所述至少一个通风孔周向偏离位于所述第二环状法兰中的所述至少一个通风孔设置。
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