用于保护根部免于流动路径热气影响的改善的涡轮及刀片的制作方法

1.本公开涉及一种气体涡轮，其能够保护转子组件轮的边缘以免在操作时将热气吸入轮间间隔内。

背景技术：

2.众所周知，气体涡轮是一种能量转换设备，其通常包括用于抽吸和压缩气体的压缩机、用于添加燃料以加热压缩空气的燃烧器(或燃烧机)、包括多个转子组件以用于从热气流动路径中提取功率以及驱动压缩机的高压涡轮、和同样包括多个转子组件并机械连接至负载的低压涡轮等。
3.在低压涡轮的设计中，具体地，通常采取预防手段以减少来自热气流动路径的气体吸入，该气体吸入可能对非热气部件如轮和间隔件具有有害影响。当发动机在部分负载下和/或当发动机部件未制造得完全符合设计要求和/或当一些部件(例如，密封件、吹扫管)在操作中已损坏或磨损时，从热气流动路径吸入气体的现象就可能发生。
4.更具体地，如上所述，典型的低压涡轮包括多个转子组件，每个转子组件的转子轮具有边缘，其上联接多个刀片。
5.每个刀片包括凸楔形榫或根部，被设计为与在转子轮的边缘上获得的一个对应凹槽相匹配。轮通常由比刀片用材价格更低廉的材料制成。
6.在两个相邻并面对的转子轮之间，两个转子构件的两个转子轮之间设置有轮间间隔。
7.从热气流动路径中吸入气体的现象通常发生在部分热气流入轮间间隔时，因此导致轮缘在高于或接近其材料温度限制的情况下操作，轮缘由不太昂贵的材料制成，因此可能遭到损坏，降低轮的使用寿命。这意味着这种现象可能是轮中楔形榫故障(例如，严重变形)从而导致之后刀片脱离的原因。
8.除上述以外，轮间间隔通常被冷却。为此，气体涡轮配备有管道系统，以将来自压缩机的吹扫空气提供到低压涡轮。具体地，吹扫空气被引入到低压涡轮的轮间间隔中。一定程度上，这会降低轮间间隔的整体温度。
9.当吹扫空气量等于或多于轮泵送的空气量时，热气吸入通常得以阻止。如果吹扫空气量小于泵送空气量，泵送效应将使用热气补偿吹扫系统未能提供的部分，热气将从远离轮的地方吸入并在轮附近泵出(再循环)。当发动机以低功率运行时，再循环就可能发生，并且压缩机随之为低压涡轮提供的吹扫空气减少，而低压涡轮仍可能以其最大速度运行。
10.为了减少通过低压气体涡轮的热气流动路径的气体吸入到轮间间隔的现像，现有技术中提出了一些解决方案。
11.具体而言，可以在轮间添加间隔件，这些间隔件可具有轴向覆盖不被轮覆盖的间隔的边缘，这些间隔件的边缘也可以径向延伸到轮的相同外径，以将在轮间间隔空腔上方的轮缘的一部分最小化。尽管间隔件针对热气吸入起到物理屏障的作用，但是间隔件一般不与相邻轮的边缘接触，因此热气可以在间隙内部流动并进入轮间间隔。通过将间隔件边
缘保持锥形，即使各轮具有不同的外径，间隔件也可以给相邻的轮提供保护。
12.因此，提出能够减少任何可能从热气流动路径吸入的气体的改善的涡轮及刀片是有技术意义的。

技术实现要素：

13.上文所述间隔件的改善在于提供了近流动路径密封件(nfps)，该近流动路径密封件能够在热气路径附近推动轮间间隔密封。nfps替代了更传统的间隔件，更好地保护了轮缘免受吸入热气的影响，而吸入热气不仅可能发生在轮腔内部，也可能通过迷宫式密封件进入。从结构来看，nfps是区段(即臂构件)而不是环(如间隔件一般)，因此nfps会在相邻转子构件之间引入泄漏。此外，nfps需要多连接系统，这必然增加解决方案的复杂性，以便使nfps与内部支撑的转子轮接合。如与传统间隔件相比，nfps的确是较小的部件，因此可由更昂贵的材料制成。
14.然而近来，为了提高气体涡轮的功率和效率，热气流动路径的温度增加。为此，来自压缩机的吹扫空气流减少，导致来自热气流动路径的气体吸入风险增高。
15.而且，当低压涡轮以较低速度旋转时，压力变化与减压变化成比例，因为热气流动路径从一个阶段到另一个阶段或从一个转子组件到另一个转子组件具有较低速度的较慢膨胀。同时，如上所述，当低压涡轮以较低速度旋转时，泵送效应减弱。
16.最后，通常通过合适的热电偶监测轮间间隔的温度。然而，由于涡轮布局总是越来越紧凑，热电偶的安装已经变得更为复杂，随之热电偶的可靠性较低。进一步的原因在于，当间隔件或任何其它机械屏障布置在两个转子组件之间时，热电偶安装变得复杂。然后，已安装的热电偶数量往往会减少，这导致对轮缘温度上升和轮缘可能恶化的风险控制减弱。
17.因此，在一个方面，本文公开的主题涉及包括多个转子构件的涡轮，该转子构件被配置为由于流入热气流动路径通道中的热燃气体膨胀而旋转。每个转子构件包括放置在两个面对的转子构件之间的间隔件。该间隔件具有避免来自该热气流动路径通道的吸入气流到达轮间间隔的功能。每个转子构件还包括偏转器，该偏转器布置成靠近对应的间隔件，并被配置为使吸入气流在该间隔件的上表面上方发生偏转。
18.在另一方面，本文公开的主题涉及布置在每个刀片的柄部上的偏转器。
19.在另一方面，本文公开的主题涉及布置在刀片的转子轮的边缘上的偏转器，并且该偏转器能够覆盖间隔件与轮之间的间隙。
20.在另一方面，本文公开了具有上表面的偏转器，该上表面被配置为使可能从热气流动路径通道吸入的气体朝该间隔件的上表面发生偏转。同时，该偏转器可具有下表面，该下表面被配置为允许来自轮间间隔的吹扫空气穿过每个间隔件与转子构件之间的间隙。
21.在另一方面，本文公开了一种刀片，该刀片包括柄部、联接到该柄部的根部，和用于旋转转子构件的翼部，该刀片包括偏转器，该偏转器被配置为使吸入气流发生偏转。
附图说明
22.当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述，将容易地获得对本发明所公开的实施方案及其许多伴随的优点的更全面的理解，这同样变得更好理解，其中：
23.图1示出了气体涡轮的示意图；
24.图2示出了刀片的分解图；
25.图3示出了根据第一实施方案的一种低功率涡轮的局部剖视图；
26.图4示出了根据第一实施方案的低功率涡轮段的部分横截面，其中示出了正常操作条件下的吹扫空气流；
27.图5示出了图4的低功率涡轮的横截面，其中示出了较少气体吸入；
28.图6示出了图4的低功率涡轮的横截面，其中示出了较多气体吸入；并且
29.图7为根据第二实施方案的一种低功率涡轮的局部剖视图。
具体实施方式
30.本文呈现了对气体涡轮的改善。气体涡轮具有许多部件，其中包括低压涡轮。此类低压涡轮由从中心毂辐射并成角度以使空气穿过发动机的许多刀片构成。气体涡轮的一些区域非常热。其它区域温度比较低。已知的问题是因刀片而运动的热气的部分朝中心毂流动，因此导致涡轮损坏并减少涡轮的使用寿命。
31.发明人发现，通过将新型偏转器元件与每个刀片的柄部相对应布置并且插入在刀片本身与布置在每个刀片间的间隔件之间，可以减轻和/或解决这个问题。该偏转器被成形为使任何可能从热气流动路径的吸入的气体朝间隔件的上表面发生偏转。以此，该偏转器保护了涡轮内部部件，并防止了其中的平均温度上升。
32.图1示意性地示出了一种气体涡轮，其完全用参考标号1进行指示。气体涡轮1包括：用于抽吸和压缩气体的压缩机11，该气体被供给于用于添加燃料以加热压缩空气的燃烧器或燃烧机(图中未示出)；包括多个转子组件并用于从热气流动路径中提取功率以及驱动压缩机11的高压涡轮12；连接压缩机11和高压涡轮12的轴13；和同样包括多个转子组件并用于通过另一个轴15驱动例如齿轮箱和离心式压缩机或其他任何负载的低压涡轮14等。
33.另外，气体涡轮1包括吹扫系统16，以向低压涡轮14提供吹扫空气。该吹扫系统通常包括：通过连接管162连接到冷却器163的抽气机161，该冷却器又通过吹扫管164连接到低压涡轮14，以冷却转子组件之间的轮间间隔(见下文)。这具有一定程度上减少轮间间隔间整体温度的效应和功能。
34.还参考图2和图3，低压涡轮14通常包括多个转子构件，在本文中用参考标号2进行指示，该多个转子构件围绕旋转轴线r进行旋转并与轴15联接。
35.更具体而言，每个转子构件2包括转子轮3，其联接到轴15并具有边缘31和围绕边缘31的多个环向间隔的凹楔形榫狭槽或凹槽32。在本实施方案中，每个凹槽32具有三合(fit-three)形状。然而，在一些实施方案中，凹槽可以具有不同形状。
36.每个转子构件2还包括多个刀片4，每个刀片又包括凸楔形榫或根部41，其被设计为沿着插入方向与转子轮31的一个对应的凹槽32相匹配。因此，每个根部41具有与对应凹槽32几乎相同的形状。
37.刀片4的根部41仅具有机械功能，以将刀片4牢固地联接到转子轮3，具体地联接到转子轮31的凹槽32。
38.每个刀片4还包括：平台或柄部42，根部41连接到该平台或柄部；和联接到柄部42的翼部43。翼部43由昂贵材料制成，因为翼部43会经受明显的热应力和机械应力。在翼部43的顶部具有翼部护罩44，其用于将每个刀片4连接到相邻的刀片，以防止刀片4在涡轮旋转
时因翼部43受到各种压力场而弯曲。
39.如上所述，在两个相邻并面对的转子轮之间，两个转子构件2的两个转子轮3之间设置有轮间间隔5。
40.图3还示出了涡轮14定子(图中未示出)的定子间隔件6，该间隔件插入在两个转子构件2和喷嘴6’之间。
41.热气流动路径在热气流动路径通道中流动，该通道用箭头f表示，该通道当然穿过刀片4的翼部43。
42.在两个相邻的刀片4之间布置有间隔件7，其具有作为屏障防止来自热气流动路径通道f的气体吸入到轮间间隔5的功能，气体吸入可能导致轮间间隔5的上侧中的温度上升，从而影响刀片4的根部41的温度。如上所述，根部41上的热应力过大对其操作是有害的。在本实施方案中，间隔件7为锥形。然而，在一些实施方案中，间隔件7可以是圆柱形或具有其它形状，只要其具有限定轮间间隔5和对轮间间隔形成保护的功能。而且，面向定子间隔件6的每个间隔件7的上表面71上具有迷宫式密封件72，其用于降低在间隔件7与定子间隔件6之间流动的气体的速度。
43.仍然参考图3，箭头p示出了来自吹扫系统16的吹扫空气路径。吹扫空气具有降低轮间间隔5的温度以及通过其压力形成压力屏障以阻挡从热气流动路径通道f吸入气体的功能。每个刀片4的柄部42具有在每个刀片4的柄部42上获得的并与间隔件7相对应布置、具体是与其边沿相对应布置的偏转器8，从而被布置成覆盖每个间隔件7与转子构件2之间的间隙73、具体是参考图3的实施方案所示的在间隔件7与转子轮3的边缘31之间的间隙。
44.换句话说，在一些实施方案中，实际为环形的偏转器8具有面向间隔件7的边沿前方的突出边沿，以便相互对应，以闭合间隔件7与转子轮3之间的间隙。实际上，间隔件7也是环形，其边沿面向转子轮3。偏转器8的表面可以使热气发生偏转，下文对此进一步解释。
45.在图3所示的实施方案中，并且特别参考同一张图中所示的放大图框，偏转器8被成形为具有上表面81，旨在使可能从热气流动路径通道f吸入的气体朝间隔件7的上表面71并在迷宫式密封件72上方发生偏转；和下表面82，其旨在允许来自轮间间隔5的吹扫空气穿过每个间隔件7与转子构件2之间的间隙73。
46.在一些实施方案中，偏转器8可以布置在不同位置，并且更具体地，可在转子轮3上获得，并几乎与边缘31对应。
47.通常，每当，例如，来自轮间隔件5的吹扫空气的压力p总体上不足以防止热气进入轮间间隔5时，需要偏转器8能够偏转能够克服间隔件7的机械屏障的来自热气流动路径通道f的任何可能的气体吸入。
48.低压涡轮14和偏转器8的操作如下。
49.当低压涡轮14操作并且转子构件2旋转时，来自压缩机163并由吹扫管164输送的吹扫空气p使轮间间隔5冷却。同时，由于低压涡轮14即转子构件2的旋转速度，泵送效应加上由间隔件7形成的屏障的组合效应防止了来自热气流动路径通道f的气体被吸入轮间间隔5中。而且，偏转器8的动作进一步防止了任何可能的甚至是局部的气体吸入，偏转器一方面由于与间隔件7相对应布置能够通过第一表面81使可能从热气流动路径通道f吸入的局部气体发生偏转，另一方面还允许吹扫空气p穿过间隙73。还由于热气流动路径通道f中的热气流引起的压力场并不总是恒定不变的，因此可能发生局部气体吸入。参考偏转器8，在
一些实施方案中，其与间隔件7相对应布置意味着其能够使热气朝间隔件7的上表面发生偏转。
50.当低压气体涡轮14的旋转速度降低，例如，当低压气体涡轮14以其正常操作速度的50％操作时，偏转器的操作受到特定影响。在这种情况下，泵送效应的保护作用与降低的速度成比例地减弱。
51.具体地，为了更好地描述偏转器8的操作，图4、图5和图6示出了低压涡轮14的一些操作条件。在图4中看到了吹扫空气p的典型流动路径，其中未预见有吸入气体。在这种情况下，来自压缩机11的吹扫空气p穿过轮间间隔5并到达热气流动路径通道f，从而保护轮间间隔5免于热气的高温影响。
52.现在参见图5，其示出了较少气体吸入的现象，其中热气流动路径通道f的部分热气(参见箭头f’)到达间隔件7，具体地，由于有偏转器8，到达上表面71和迷宫式密封件72。在这种情况下，轮间间隔5中的气体吸入至少部分地受到偏转器8和来自压缩机163的吹扫空气p的阻碍，使得吹扫空气能够通过偏转器8的下表面82的形状对从热气流动路径f吸入的气体f’形成对冲。热气到达柄部42，导致其温度上升，从而导致刀片4的根部41存在潜在风险。偏转器8有助于防止来自热气流动路径通道f的热气流的吸入的热气f’可在轮间隔件5中泄漏从而使柄部42变热的可能性。
53.图6示出了在例如低压涡轮为低速的情况下较多气体吸入现象的情况。具体地，示出了第一箭头f”，其表示在刀片4未配备有偏转器8的情况下从热气流动路径通道f吸入的热气，其中明显可见热气到达轮间间隔5并导致柄部42变热，从而导致刀片4的根部41变热，使其发生损坏；并且示出了第二箭头f
”’
，其表示在刀片4配备有偏转器8的情况下从热气流动路径通道f吸入的热气。容易理解的是，在上述后一种情况下，热气被偏转并被阻止到达轮间间隔5。
54.在上述操作条件下，如前所述，低压涡轮14以低速操作，来自轮间间隔5的吹扫空气p不足以与吸入的气体f
”’
形成对冲，因此偏转器8使吸入的气流f
”’
朝间隔件7的上表面71和迷宫式密封件72发生偏转。偏转器8的上表面81从一侧阻挡吸入的气体f
”’
到达轮间间隔5，并如上所述从另一侧经过间隔件7上方使热气发生偏转并离开柄部42，从而使得柄部42本身的温度下降，并因此使刀片4的根部41的温度下降。
55.参考图7，示出了改善的低压涡轮14的第二实施方案。在已描述的图中，相同的参考标号指示已在图3中示出和在上文中描述的相同或对应的部分、元件或部件，并将不再描述这些部分、元件或部件。然而，在这种情况下，间隔件7并非锥形，而是圆柱形。同样，在这种情况下，偏转器8对应于间隔件7被放置在柄部7上或转子轮3的边缘31上。
56.图7还示出了来自压缩机11的吹扫空气p穿过吹扫管164的若干路径。
57.在这种情况下，低功率涡轮14的操作与前述图中公开的操作相同。
58.虽然已经依据各种特定实施方案描述了本发明，但本领域技术人员将明白，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，许多修改、变化和省略是可能的。此外，除非本文另外指明，否则任何过程或方法步骤的顺序或序列可根据另选的实施方案改变或重新排序。
59.已详细参考本公开的实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。通过解释本公开而非限制本公开来提供每个示例。事实上，对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可对本公开进行各种修改和变型。本说明书通篇对“一
个实施方案”或“实施方案”或“一些实施方案”的提及意指结合实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施方案中。因此，在整篇说明书的多处出现的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”或“在一些实施方案中”不一定是指相同的实施方案。此外，在一个或多个实施方案中，特定特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。
60.当介绍各个实施方案的要素时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在意指存在要素中的一个或多个要素。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在是包括性的，并且意指除列出要素外还可以存在附加要素。

技术特征：

1.一种涡轮(14)，所述涡轮包括：多个转子构件(2)，所述多个转子构件被配置为由于流入热气流动路径通道(f)中的热燃气体的膨胀而旋转，其中每个转子构件(2)包括间隔件(7)，所述间隔件布置在两个面对的转子构件(2)之间，所述间隔件被配置为避免来自所述热气流动路径通道(f)的吸入气流(f’,f
”’
)到达轮间间隔(5)；其特征在于，至少一个转子构件(2)包括偏转器(8)，所述偏转器被配置为使所述吸入气流(f’)在所述间隔件(7)的上表面(71)上方发生偏转。2.根据权利要求1所述的涡轮(14)，其中所述偏转器与所述间隔件(7)相对应地进行布置。3.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮(14)，其中每个转子构件(2)包括：转子轮(3)，所述转子轮被配置为围绕旋转轴线旋转并具有外边缘(31)，其中所述偏转器(8)布置在所述转子轮(3)的所述边缘(31)上。4.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮(14)，其中所述偏转器(8)覆盖间隔件与轮(3)之间的间隙(73)。5.根据权利要求1或2中任一项所述的涡轮(14)，其中每个转子构件(2)包括：转子轮(3)，所述转子轮被配置为围绕旋转轴线旋转并具有外边缘(31)和围绕其外边缘(31)的多个环向间隔开的凹槽(32)；和多个刀片(4)，其中每个刀片(4)包括：柄部(42)；根部(41)，所述根部联接到所述柄部(42)并被设计为与所述转子轮(3)的一个对应凹槽(42)相匹配；和用于通过拦截所述热气流动路径(f)来旋转所述转子构件(2)的翼部(43)；其中所述偏转器(8)布置在所述柄部(42)上。6.根据权利要求5所述的涡轮(14)，其中所述偏转器(8)与所述柄部(42)成一体。7.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮(14)，其中所述间隔件(7)具有面向所述吸入热气(f’)的上表面(71)，并且其中所述偏转器(8)具有上表面(81)，所述上表面(81)被配置为使可能从所述热气流动路径(f)吸入的气体朝所述间隔件(7)的所述上表面(71)发生偏转。8.根据权利要求3至7中任一项所述的涡轮(14)，其中在两个相邻的转子轮(3)之间限定轮间间隔(5)，其中在所述涡轮(14)中引入吹扫空气(p)，其中所述吹扫空气(14)穿过所述轮间隔件(5)到达所述热气流动路径通道(f)，并且其中所述偏转器(8)具有下表面(82)，所述下表面被配置为允许来自所述轮间间隔(5)的吹扫空气(p)穿过每个间隔件(7)与所述转子构件(2)之间的间隙(73)。9.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮(14)，其中每个间隔件(7)与相应的转子构件(2)形成间隙(73)，并且所述偏转器(8)与所述间隙(73)相对应地进行布置。10.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮(1)，其中所述涡轮为低压涡轮(14)。11.一种刀片(4)，所述刀片包括：柄部(42)；根部(41)，所述根部联接到所述柄部(42)；和翼部(43)，所述翼部被配置为用于拦截热气流动路径；
其特征在于，所述刀片(4)包括偏转器(8)，所述偏转器被配置为使吸入气流(f’)发生偏转。12.根据权利要求11所述的刀片(4)，所述刀片包括：柄部(42)；根部(41)，所述根部联接到所述柄部(42)并被设计为与所述转子轮(3)的一个对应凹槽(42)相匹配；和用于通过拦截所述热气来旋转所述转子构件(2)的翼部(43)；其中所述偏转器(8)覆盖间隔件与轮(3)之间的间隙。13.根据权利要求11或12中任一项所述的刀片(4)，其中所述偏转器(8)具有上表面(81)，所述上表面被配置为使可能从所述热气流动路径(f)吸入的气体发生偏转。14.根据权利要求11至13中任一项所述的刀片(4)，其中所述偏转器(8)具有下表面(82)，所述下表面被配置为允许吹扫空气(p)流入其中流动着热燃气体的所述热气流动路径通道(f)中。

技术总结

本文公开了一种涡轮(14)，特别是低压涡轮，该涡轮包括：多个转子构件(2)和间隔件，该间隔件用于布置在转子构件之间以避免来自热气流动路径通道(F)的吸入气流到达轮间间隔(5)。转子构件各自包括偏转器(8)。该偏转器与每个间隔件对应地放置，并且该偏转器使吸入气流在该间隔件的上表面上方发生偏转，从而防止其导致刀片(4)的根部变热。其导致刀片(4)的根部变热。其导致刀片(4)的根部变热。