CN105822353A - 用于轮空间吹扫空气的控制的涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例大体上涉及旋转机器，并且更具体地涉及燃气轮机中的轮空间吹扫空气的控制。在一个实施例中，本发明提供了一种涡轮叶片(40)，包括：平台部分(42)；从平台部分(42)沿径向向外延伸的翼型件(50)；从平台部分(42)沿径向向内延伸的柄部分(60)；从柄部分(60)的面(62)沿轴向延伸的至少一个天使翼(70)，至少一个天使翼(70)包括朝翼型件(50)沿径向向上延伸的天使翼边沿(74)；以及沿天使翼边沿设置的多个空隙(110)。

Description

用于轮空间吹扫空气的控制的涡轮叶片
技术领域
本发明的实施例大体上涉及旋转机器，并且更具体地涉及燃气轮机中的轮空间吹扫空气的控制。
背景技术
如本领域中已知那样，燃气轮机采用转子组件的轮/盘上的成排的叶片，其在定子/喷嘴组件上与成排的静止导叶交错。这些交错排沿转子和定子轴向地延伸，且在燃烧气体流过其间时允许燃烧气体转动转子。
旋转叶片与静止喷嘴之间的界面处的轴向/径向开口可允许热燃烧气体流出热气体通路，且沿径向进入叶片排之间的介入的轮空间中。为了限制热气体的这样侵入，叶片结构典型地使用沿轴向突出的天使翼(angelwing)，其与从相邻定子或喷嘴沿轴向延伸的阻挡部件协作。这些天使翼和阻挡部件重叠，但不接触，且用于限制热气体侵入轮空间中。
此外，冷空气或"吹扫空气"常常引入叶片排之间的轮空间中。该吹扫空气用于冷却轮空间内的构件和空间，以及叶片的径向内侧的其它区域，且提供冷却空气的逆流来进一步限制热气体侵入轮空间中。因此，天使翼密封件进一步设计成限制吹扫空气散逸到热气体流动通路中。
然而，大多数燃气轮机呈现出大量吹扫空气散逸到热气体流动通路中。例如，在第一和第二级轮空间处该吹扫空气散逸可在0.1%到3.0%之间。较冷的吹扫空气与热气体流动通路的随后混合导致较大的混合损失，不但因为温差，而且因为吹扫空气和热气体的流动方向或旋流(swirl)的差异。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供了一种涡轮叶片，包括：平台部分；从平台部分沿径向向外延伸的翼型件；从平台部分沿径向向内延伸的柄部分；从柄部分的面沿轴向延伸的至少一个天使翼，至少一个天使翼包括朝翼型件沿径向向上延伸的天使翼边沿；以及沿天使翼边沿设置的多个空隙。
在另一个实施例中，本发明提供了一种涡轮叶片，包括：平台部分；从平台部分沿径向向外延伸的翼型件；从平台部分沿径向向内延伸的柄部分；从柄部分的面沿轴向延伸的至少一个天使翼，至少一个天使翼包括朝翼型件沿径向向上延伸的天使翼边沿；沿天使翼边沿设置的多个空隙；以及从天使翼边沿朝柄部分的面沿径向向内延伸的多个屏障部件。
在又一个实施例中，本发明提供了一种燃气轮机，包括：从旋转轴沿径向向外延伸的至少一个涡轮叶片，至少一个涡轮叶片包括：从平台沿径向向外延伸的翼型件；从平台部分沿径向向内延伸的柄部分；以及从柄部分的面沿轴向延伸的至少一个天使翼密封件，至少一个天使翼密封件具有朝翼型件沿径向向上延伸的天使翼边沿；以及从至少一个天使翼密封件沿径向向外设置的喷嘴表面，喷嘴表面具有邻近天使翼边沿的沿径向面向内的易蚀的部分，其中，在操作中，天使翼边沿在喷嘴表面的易蚀的部分中侵蚀出凹槽。
在又一个实施例中，本发明提供了一种燃气轮机，包括：扩散器；以及邻近扩散器的末级涡轮叶片，末级涡轮叶片包括：从平台部分沿径向向外延伸的翼型件；从平台部分沿径向向内延伸的柄部分；从柄部分的面沿轴向延伸的至少一个天使翼，至少一个天使翼包括朝翼型件沿径向向上延伸的天使翼边沿；以及沿天使翼边沿设置的多个空隙。
附图说明
本发明的这些及其它特征将从下面结合描绘本发明的各种实施例的附图的本发明的各种方面的详细描述中更容易理解，在附图中：
图1示出了已知涡轮的一部分的示意性截面视图；
图2示出了已知涡轮叶片的透视图；
图3示出了根据本发明的实施例的涡轮叶片的一部分的透视图；
图4示出了图3的涡轮叶片的一部分的沿径向向内的视图；
图5示出了根据本发明的另一个实施例的涡轮叶片的一部分的透视图；
图6示出了根据本发明的又一个实施例的涡轮叶片的一部分的透视图；
图7示出了图6的涡轮叶片的截面侧视图；
图8示出了已知涡轮叶片中的吹扫空气流的示意图；
图9示出了根据本发明的实施例的涡轮叶片中的吹扫空气流的示意图；
图10示出了根据本发明的实施例的末级涡轮叶片和扩散器的示意图；
图11示出了对于已知涡轮和根据本发明的实施例的涡轮的扩散器入口平面处的旋流尖峰轮廓的图表；
图12示出了对于已知涡轮和根据本发明的实施例的涡轮的扩散器入口平面处的总压力尖峰轮廓的图表；以及
图13示出了根据本发明的实施例的汽轮机叶片的示意性截面侧视图。
应注意本发明的附图并未按比例绘制。附图旨在仅绘出本发明的典型方面，且因此不应当看作是限制本发明的范围。在附图中，相似的标号表示附图间的相似元件。
零件列表
10燃气轮机
20第一级喷嘴
22第二级喷嘴
26轮空间
28热气体流动通路
30喷嘴表面
32阻挡部件
40叶片
42平台
44平台唇部
50翼型件
52前缘
54后缘
60柄部分
62面
70天使翼
72天使翼密封件
74天使翼密封件
74A内表面
74B外表面
75柱部件
75A凹面
75B凸面
77屏障部件
78远端
80吹扫空气
82区域
83区域
87区域
95热气体
110空隙
110A第一开口
130喷嘴表面
131凹槽
140末级叶片(LSB)
162面
164间隙
170天使翼密封件
174天使翼边沿
177屏障部件
180吹扫空气
195热气体
210空隙
240汽轮机叶片
250翼型件
260柄
290盘
300扩散器
310入口平面
320支柱。
具体实施方式
现在转到附图，图1示出了包括设置在第一级喷嘴20与第二级喷嘴22之间的叶片40的燃气轮机10的一部分的示意性截面视图。如本领域的技术人员将认识到那样，叶片40从沿轴向延伸的转子(未示出)沿径向向外延伸。叶片40包括基本平坦的平台42、从平台42沿径向向外延伸的翼型件，以及从平台42沿径向向内延伸的柄部分60。
柄部分60包括朝第一级喷嘴20沿轴向向外延伸的一对天使翼密封件70,72，以及朝第二级喷嘴22沿轴向向外延伸的天使翼密封件74。应当理解的是，不同数目和布置的天使翼密封件是可能的，且在本发明的范围内。本文所述的天使翼密封件的数目和布置仅通过图示的目的来提供。
如图1中可见，喷嘴表面30和阻挡部件32从第一级喷嘴20沿轴向延伸，且分别从天使翼密封件70和72沿径向向外设置。因此，喷嘴表面30重叠但不接触天使翼密封件70，且阻挡部件32重叠但不接触天使翼密封件72。关于第二级喷嘴22的阻挡部件32和天使翼密封件74示出了类似的布置。在图1中所示的布置中，在涡轮的操作期间，一定量的吹扫空气例如可设置在喷嘴表面30、天使翼密封件70和平台唇部44之间，由此限制了吹扫空气散逸到热气体流动通路28中和来自热气体通路28的热气体侵入轮空间26中。
如图1中所示，喷嘴表面30和阻挡部件32各自用于限制吹扫空气的散逸和热气体的侵入。在本发明的其它实施例中，类似于阻挡部件32的单独的阻挡部件可设在天使翼密封件70与喷嘴表面30之间以提供此功能。
尽管图1示出了设置在第一级喷嘴20与第二级喷嘴22之间的叶片40，使得叶片40代表第一级叶片，但这仅是为了图示和阐释的目的。本文所述的本发明的原理和实施例可在实现相似结果的预期下应用于涡轮中的任何级的叶片。
图2示出了叶片40的一部分的透视图。如可看见的，翼型件50包括前缘52和后缘54。柄部分60包括设置在天使翼70与平台唇部44之间的相比后缘54更靠近前缘52的面62。
图3示出了根据本发明的实施例的涡轮叶片40的一部分的透视图。如图3中可见，多个空隙110在天使翼70的远端78处沿天使翼边沿74设置。空隙110沿天使翼边沿74间隔开，使得天使翼边沿74的其余部分形成多个柱部件75。如图3中所示，空隙110是沿径向成角的，即，相对于涡轮叶片40的径向轴线(Ar)成角，但这不是必需的或根本的。在本发明的其它实施例中，空隙可基本平行于涡轮叶片的径向轴线。
如图4中最清楚所示，涡轮叶片40的沿径向向内看的视图，柱部件75(和对应的空隙110)包括弓形面。具体而言，柱部件75包括凹面75A(空隙110的凸面)和凸面75B(空隙110的凹面)。因此，空隙110包括设置在沿天使翼边沿74的轴向外表面74B的第二开口110B的侧向的沿天使翼边沿74的轴向内表面74A的第一开口110A。当然，应当理解的是，柱部件和空隙可具有其它形状。例如，柱部件和空隙可包括矩形、梯形或任何其它截面形状。
图5示出了根据本发明的另一个实施例的涡轮叶片40的一部分的透视图。这里，多个障碍部件77从柄部分60沿轴向延伸至多个柱部件75中的每一个。根据一些实施例中，障碍部件77可相对于涡轮叶片40的径向轴线成角，即，相对于涡轮叶片40的旋转方向成正角或负角。类似地，根据一些实施例，障碍部件77可如柱部件75那样包括一个或更多个弓形面，或可包括诸如上面所述的矩形、梯形或任何其它截面形状。
图6示出了根据本发明的另一个实施例的涡轮叶片140的一部分的透视图。这里，连续的天使翼边沿174从天使翼密封件170向上延伸，且多个障碍部件177从边沿174朝向面162但不接触面162延伸，在邻近面162处留下间隙164。
图7示出了根据本发明的实施例的图6的涡轮叶片140相对于喷嘴表面130的截面侧视图。在图7中，喷嘴表面130包括或包含沿至少径向向内的表面的多孔或易蚀的部分，使得天使翼边沿174在喷嘴表面130中切割或磨出凹槽131。喷嘴表面130的多孔或易蚀的部分可包括成"蜂窝"或类似样式的喷嘴表面130的材料，使得多孔或易蚀的部分经历来自天使翼边沿174的磨损或侵蚀。在本发明的其它实施例中，喷嘴表面130的多孔或易蚀的部分可包括或包含比喷嘴表面130的其它(多个)材料更软的材料，使得多孔或易蚀的部分类似地经历来自天使翼边沿174的磨损或侵蚀。
在操作中，吹扫空气180经过进入喷嘴表面130的凹槽131中，且然后朝向面162、在屏障部件177之间向下经过。在涡轮叶片140旋转以提供增加的旋流至吹扫空气180时，吹扫空气180然后在邻近面162处间隙164内沿周向流动。
图8示出了已知的涡轮叶片中的吹扫空气流的示意图。吹扫空气80示为是集中的，且在更接近面62的区域82中具有更高的旋流速度。相比之下，图9为示出根据本发明的各种实施例的空隙110对吹扫空气80的影响的示意图。这里，相比于图8，吹扫空气80集中且呈现出更高的旋流速度的区域83与面62距离更远。这实际上在区域87处产生了幕帘效应，限制了热气体95从热气体通路28侵入，同时减少了吹扫空气80从轮空间26散逸到热气体流动通路28中的吹扫空气80的量。
使用本发明的实施例实现的涡轮效率的提高可归因于一定数目的因素。首先，如上文所指出的，旋流速度的增大减少了吹扫空气进入热气体流动通路28中的散逸，旋流的增大减少了归因于这样散逸的任何吹扫空气的混合损失，且由根据本发明的空隙引起的幕帘效应减少或防止了热气体95侵入轮空间26中。这些中的每一个有助于观察到提高的效率。
此外，所需的吹扫空气的总量出于至少两个原因减少。首先，散逸的吹扫空气的减少必要地减少必须替换的吹扫空气，这对涡轮效率具有直接的有益影响。第二，侵入轮空间26中的热气体95的减少降低轮空间26内的温度升高，以及通过引入附加吹扫空气来降低温度的伴随需要。对所需的总吹扫空气的这些减少中的每一个减少了对其它***构件的需求，诸如提供吹扫空气的压缩机。
尽管上文提到了天使翼边沿空隙的能力以改变轮空间内且特别是邻近较早的级的涡轮叶片的轮空间内的吹扫空气的旋流速度，但应当注意的是，此天使翼边沿空隙可用于带有对吹扫空气旋流速度和角有类似改变的任何级的涡轮叶片上。实际上，申请人注意到了在天使翼边沿空隙用于末级叶片(LSB)时的非常有益的结果。
扩散器入口的内半径区域处的总压力(PT)和旋流轮廓中的尖峰是热气流与流出邻近LSB的轮空间的吹扫空气的旋流之间的失配的结果。申请人发现根据本发明的各种实施例的天使翼边沿空隙能够既增大接近内半径的扩散器入口处的PT尖峰，同时又减小在相同位置处或其附近的旋流尖峰。这些中的每一个改善了扩散器性能。例如，已经发现天使翼边沿空隙将流出LSB轮空间的吹扫空气的旋流角改变1到3度，同时将PT尖峰增大了15%到30%。
图10示出了邻近扩散器300的LSB140的示意图。热气体195在扩散器入口平面310处进入扩散器300，且朝支柱320经过。根据本发明的实施例的空隙在吹扫空气与热气体195组合时减少了吹扫空气的旋流失配，在热气体195进入支柱320时防止其分离。同时，空隙增大PT尖峰。
图11示出了随扩散器入口平面高度变化的旋流尖峰的图表。轮廓A表示对于具有根据本发明的实施例的天使翼边沿空隙的涡轮的旋流尖峰轮廓。轮廓B表示对于具有本领域中已知的天使翼边沿的涡轮的旋流尖峰轮廓。轮廓A呈现出在扩散器入口平面的径向向内位置处的旋流尖峰的明显减小。
图12示出了随扩散器入口平面高度变化的PT尖峰的图表。轮廓A表示对于具有根据本发明的实施例的天使翼边沿空隙的涡轮的PT旋流尖峰轮廓。轮廓B表示对于具有本领域中已知的天使翼边沿的涡轮的PT旋流尖峰轮廓。轮廓A呈现出在扩散器入口平面的径向向内位置处的PT尖峰增大。
上文所述的空隙的操作原理还可应用于汽轮机的操作。例如，图13示出了具有翼型件250和附连到盘290上的柄260的汽轮机叶片240的示意性截面视图。提供了盘290的放大视图，沿该盘290，空隙210(以虚线示出)可与上面的附图中示出的空隙类似地配置。
采用诸如本文所述的那些的本发明的实施例的汽轮机将典型地例如取决于采用特征处的泄漏流和级来实现0.1%到5%之间的效率的改善。
如本文中所使用的，单数形式"一"、"一个"和"该"旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指出。还将理解的是，用语"包括(comprises)"和/或"包括(comprising)"在用于此说明书中时表示指出的特征、整数、步骤、操作、元件和/或构件的存在，但并未排除存在或添加一个或更多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、构件和/或其组合。
本书面描述使用了实例来公开包括最佳模式的发明，且使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或***，且执行任何相关或并入的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果这些其它实例包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则这些其它实例将在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种涡轮叶片(40)，包括：
平台部分(42)；
从所述平台部分(42)沿径向向外延伸的翼型件(50)；
从所述平台部分(42)沿径向向内延伸的柄部分(60)；
从所述柄部分(60)的面(62)沿轴向延伸的至少一个天使翼(70)，所述至少一个天使翼(70)包括朝所述翼型件(50)沿径向向上延伸的天使翼边沿(74)；以及
沿所述天使翼边沿设置的多个空隙(110)。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，在操作状态中，所述多个空隙(110)适于从所述至少一个天使翼(70)沿径向向外改变吹扫空气(80)的旋流速度。
3.根据权利要求2所述的涡轮叶片，其特征在于，还包括：
从所述平台部分(42)沿轴向延伸的平台唇部(44)。
4.根据权利要求3所述的涡轮叶片，其特征在于，所述吹扫空气(80)设置在所述平台唇部(44)与所述至少一个天使翼(70)之间。
5.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述多个空隙(110)中的至少一个包括弓形截面形状。
6.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述多个空隙(110)中的至少一个包括矩形截面形状。
7.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述多个空隙(110)中的至少一个包括梯形截面形状。
8.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述多个空隙(110)中的至少一个是关于所述涡轮叶片(40)的径向轴线成角的。
9.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，所述多个空隙(110)沿所述天使翼边沿(74)非均匀地分布。
10.一种燃气轮机，包括：
从旋转轴沿径向向外延伸的至少一个涡轮叶片(140)，所述至少一个涡轮叶片(140)包括：
从平台(42)沿径向向外延伸的翼型件(50)；
从所述平台部分(42)沿径向向内延伸的柄部分(60)；以及
从所述柄部分(60)的面(162)沿轴向延伸的至少一个天使翼密封件(170)，所述至少一个天使翼密封件(170)具有朝所述翼型件(50)沿径向向上延伸的天使翼边沿(174)；以及
从所述至少一个天使翼密封件(170)沿径向向外设置的喷嘴表面(130)，所述喷嘴表面(130)具有邻近所述天使翼边沿(174)的沿径向面向内的易蚀的部分，
其中，在操作中，所述天使翼边沿(174)在所述喷嘴表面(130)的所述易蚀的部分中侵蚀出凹槽(131)。
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