具有用于不同尺寸的障碍物的天使翼的涡轮机轮叶及相关方法

摘要

一种涡轮机轮叶(120)包括翼型件(124)、联接于所述翼型件的柄(126)，以及联接于柄的天使翼(122)，天使翼具有沿轴向延伸的末端(128)，其尺寸确定成与用于不同涡轮机中的多个障碍物(130)密封，各个障碍物具有不同轴向范围。还公开了用于借助于将材料区段附接于沿轴向延伸的末端或除去沿轴向延伸的末端的一部分来修改天使翼密封件以适应不同尺寸的障碍物的各种方法。

说明书

技术领域

本公开大体上涉及用于涡轮机的天使翼密封件，并且更具体地涉及具有构造成与一定数量的不同尺寸的障碍物密封的天使翼的涡轮机轮叶及相关方法。

背景技术

大多数涡轮机的典型设计是本领域中已知的。它们包括用于压缩与燃料混合的空气的压缩机。燃料空气混合物在附接的燃烧器中点燃，以生成燃烧气体。允许热加压气体膨胀穿过涡轮喷嘴，该涡轮喷嘴引导流转向附接的高压涡轮。涡轮通常与转子轴联接以驱动压缩机。核心气体接着离开高压涡轮，在下游提供能量。能量呈由附接的低压涡轮级抽取的附加旋转能的形式，并且/或者呈通过排气喷嘴的推力的形式。

在典型方案中，在燃烧器内产生的热能通过使热燃烧气体撞击到一个或更多个叶片转子组件上来转变成涡轮内的机械能。转子组件通常包括至少一排沿周向间隔开的转子叶片。各个转子叶片包括翼型件，其包括压力侧和吸入侧。各个翼型件从转子叶片平台沿径向向外延伸。各个转子叶片还包括燕尾部，其从在平台与燕尾部之间延伸的柄沿径向向内延伸。燕尾部用于在转子组件内将转子叶片安装于转子盘或卷轴。

转子形成定子转子组件的一部分。转子组件上的成排转子叶片和定子组件上的成排定子导叶交错地延伸穿过沿轴向定向的流动路径，用于使燃烧气体"工作"。离开定子元件的导叶的热燃烧气体的射流作用于涡轮叶片上，并且引起涡轮轮旋转。在涡轮以高速旋转时保持静止的元件也可在本领域中称为涡轮机框架的喷嘴或隔板。

定子元件与叶片或轮叶之间的界面处的开口可允许热核心气体离开热气体路径并且进入涡轮机的轮空间。为了限制热气体的该泄漏，叶片结构典型地包括沿轴向突出的天使翼密封件，其也简称为天使翼。根据典型设计，天使翼与从相邻定子元件(即，喷嘴)延伸的突出节段或"障碍物"协作。天使翼和障碍物重叠(或几乎重叠)，但不接触彼此，因此限制气流。

在使用此类密封件时，间隙保持在喷嘴和涡轮叶片的相邻区域之间的界面处，例如，在相邻天使翼-障碍物凸起之间。间隙(即，空隙)的存在在静止构件和旋转构件的接合部处是必要的，以允许旋转。然而，间隙提供路径，该路径可允许热核心气体离开热气体路径到涡轮机的轮空间区域中。由该通道的热气体的泄漏出于一定数量的原因是不利的。首先，热气体从工作流体流失去引起了能够从涡轮机获得的能量的所得损失。第二，热气体摄入到涡轮轮空间和其它腔中可损坏未设计用于延长地暴露于此类温度的构件，如，喷嘴结构支承件和转子轮。

常规地，大多数涡轮机叶片或轮叶如燃气涡轮中使用的那些设计用于对应的涡轮机框架的特定尺寸的障碍物，并且由于框架的不同几何形状而对于设计用于不同尺寸的障碍物的轮叶而言不为可互换的。例如，图1示出了具有插置有两个不同尺寸的障碍物6,8的相应的天使翼2,4的两个常规轮叶。如所示，由于不同的天使翼和障碍物，故两个轮叶不为可互换的。如上文提到的，当使用不适当尺寸的轮叶时，可产生不同的过盈配合和/或不合乎需要的冷却性能。例如，在天使翼2与障碍物6一起使用的情况下，将不存在重叠；类似地，在天使翼4与障碍物8一起使用的情况下，可存在过多的重叠。因此，新的或附加的铸件必须制造，以便生成特定的叶片或轮叶，其具有特殊尺寸的天使翼2,4以安装在具有不同尺寸的障碍物6,8的不同框架中来以相同设计意图执行。

发明内容

本公开的第一方面提供了一种涡轮机轮叶，其包括翼型件；联接于翼型件的柄；以及联接于柄的天使翼，天使翼具有沿轴向延伸的末端，其尺寸确定成与多个障碍物密封，各个障碍物具有不同轴向范围。

本公开的第二方面提供了一种方法，其包括：修改涡轮机轮叶的天使翼的沿轴向延伸的末端的轴向范围，以适应与具有不同轴向范围的多个障碍物密封。

本公开的第三方面提供了一种方法，其包括：提供涡轮机轮叶，其具有天使翼，该天使翼具有沿轴向延伸的末端，该沿轴向延伸的末端具有第一轴向范围，尺寸确定成与具有不同轴向范围的多个障碍物密封；以及修改天使翼的沿轴向延伸的末端的第一轴向范围，以适应具有小于第一轴向范围的第二特定轴向范围的特定障碍物。

本发明的第四方面涉及一种方法，其包括：从第一涡轮机除去涡轮机轮叶，轮叶具有天使翼，该天使翼尺寸确定成与第一涡轮机的第一障碍物密封，第一障碍物具有第一轴向范围；修改涡轮机轮叶的天使翼的沿轴向延伸的末端的轴向范围，以构造成与具有不同于第一轴向范围的第二轴向范围的第二障碍物密封；以及将涡轮机轮叶安装在具有第二障碍物的第二涡轮机中，天使翼构造成在第二涡轮机的操作期间与第二障碍物密封。

本公开的示范性方面设计成解决本文中所述的问题和/或未论述的其它问题。

附图说明

本公开的这些及其它特征将从连同附图进行的本公开的各种方面的以下详细描述中更容易理解，该附图绘出了本公开的各种实施例，在该附图中：

图1示出了根据现有技术的插置的一对天使翼-障碍物的详细截面视图。

图2示出了根据现有技术的示范性涡轮机的一部分的示意图。

图3示出了根据现有技术的天使翼的截面视图。

图4示出了根据本发明的实施例的包括天使翼的涡轮机轮叶的详细截面视图。

图5示出了根据本发明的实施例的天使翼的详细截面视图。

图6示出了根据本发明的实施例的天使翼的详细截面视图。

图7示出了根据本发明的可选实施例的天使翼的详细截面视图。

注意的是，公开的附图并未按比例。附图旨在仅绘出公开的典型方面，并且因此不应当认作是限制本公开的范围。在附图中，相似的标记表示附图之间的相似元件。

具体实施方式

如上文简述的，本公开提供了涡轮机轮叶和相关方法，其除了别的以外使得设计用于第一涡轮机框架的轮叶能够安装在第二涡轮机框架中，同时满足或改进初始设计意图的性能。

图2为呈燃气涡轮发动机10形式的示范性常规涡轮机的区段的示意图。发动机10包括沿轴向间隔开的转子轮12和间隔物14，它们由多个沿周向间隔开的沿轴向延伸的螺栓16连结于彼此。涡轮包括各种级，其具有喷嘴，例如，第一级喷嘴18和第二级喷嘴20，包括多个沿周向间隔开的定子叶片。多个转子叶片或轮叶在喷嘴之间并且与转子一起旋转，分别示出了第一级转子轮叶22和第二级转子轮叶24。本领域技术人员理解，用语'叶片'通常用于航空涡轮，而用语'轮叶'典型地在描述用于陆基涡轮的相同类型的构件时使用。然而，为了简单起见，用语"轮叶"应当在本文中用于共同表示轮叶或叶片。

各个轮叶(例如，轮叶22)包括安装在柄25上的翼型件23，柄25包括平台26。柄25包括燕尾部27(未详细示出)，用于与形成在转子轮12上的对应的燕尾形槽口连接。

轮叶22包括沿轴向突出的天使翼，例如，33,34,50和90。天使翼典型地与轮叶集成铸造。天使翼大体上在障碍物(例如，36和64)的相对位置，该障碍物分别从相邻的喷嘴20和18突出。作为一个实例，障碍物64示为关于天使翼90在相对的重叠位置。该类型的涡轮中的热气体路径大体上由箭头38指示。应当理解的是，这些图中描述的表面和其它特征有时按照热气流的方向提及。例如，特征的"前"缘通常是指与热气体初始接触的区域，而"后"缘是指下游区域。

参照图3，常规天使翼100可包括天使翼本体102、其远端处的上转部或末端104、相应的上天使翼根部混合部106和下天使翼根部混合部108，以及相应的上本体表面110和下本体表面112。常规地，上表面110和下表面112为线性表面，其分别从上根部混合部106和下根部混合部108延伸至末端104。上表面110可具有围绕转子的旋转轴线同心的拱形表面(未示出)。

图4示出了根据本发明的实施例的包括天使翼122的涡轮机轮叶120的详细截面视图。涡轮机轮叶120可除了别的以外包括翼型件124和联接于翼型件124的柄126。翼型件124可采用适合于其中使用轮叶120的特定类型的涡轮机的任何形式，例如，喷气发动机、压缩机、燃气涡轮、蒸汽涡轮等。天使翼122可由基部部分127联接于柄126。相比于常规天使翼，天使翼122具有尺寸确定成与多个障碍物130密封的沿轴向延伸的末端128，各个障碍物具有不同的轴向范围。如本文中使用的，"轴向范围"是指在涡轮机轮叶120的旋转轴线关于基准点的方向A上的长度，该基准点对于天使翼而言可为柄126，并且对于障碍物而言可为它们从其延伸的涡轮机框架132。在图4中，具有多种不同尺寸(例如，从涡轮机框架132的轴向范围)的多个障碍物130使用幻影线以重叠方式示出。理解的是，各个障碍物130可具有所示的轴向范围中的任一个或另一轴向范围，并且各个障碍物130位于不同涡轮机中。此外，各个障碍物130不需要在关于转子(未示出)的相同径向位置。在任何情况下，沿轴向延伸的末端128构造成与从涡轮机框架132延伸的障碍物130密封，即，从喷嘴和框架的隔板中的一个。涡轮机轮叶120可由用于在其中使用的特定(多种)类型的涡轮机的任何现在已知或以后开发的材料制成。

在一个实施例中，涡轮机轮叶120可以以用以提供沿轴向延伸的末端128的方式产生，沿轴向延伸的末端128构造成与不同尺寸的(多个)障碍物130密封，例如，经由铸造和任何必要的精加工。根据本发明的其它实施例，涡轮机轮叶120的天使翼122的沿轴向延伸的末端的轴向范围可修改(即，从初始状态)，以适应与具有不同轴向范围的一个或更多个障碍物130密封。

图5-6将用于描述可如何提供构造成与不同尺寸的障碍物230,234,330,334密封的具有带轴向范围248,348的沿轴向延伸的末端228,328的天使翼222,322。具体而言，该过程可包括将材料添加至初始天使翼250(图5)或从初始天使翼350除去材料(图6)。在图5和6中，示出了两个障碍物，其关于单个天使翼沿径向定位用于比较目的；在操作中，仅一个障碍物将设有每个天使翼。

图5示出了根据本发明的实施例的过程，其包括添加材料而得出涡轮机轮叶120(图4)，涡轮机轮叶120具有天使翼222，天使翼222具有带轴向范围248的沿轴向延伸的末端228，构造成与不同尺寸的障碍物230,234密封。在该实施例中，涡轮机轮叶120(图4)可在修改初始天使翼250之前从第一涡轮机框架132(仅图4)除去。除去过程可使用任何现在已知或以后开发的技术。第一涡轮机框架可包括障碍物230，其具有障碍物轴向范围232，初始天使翼250最初尺寸确定用于障碍物轴向范围232。

如图5中指出，天使翼222通过将材料添加至初始天使翼250来形成。如图5中所示，沿轴向延伸的末端228包括基础末端252，其具有初始轴向范围254，以及使基础末端252的初始轴向范围254延伸，即，至新的较大轴向范围248的附接材料区段256。附接材料区段256可包括呈以下形式的材料块：金属块、金属涂层和/或陶瓷涂层。在一个实施例中，附接的材料区段256可邻近基础末端252添加至天使翼250的上表面210。然而，理解的是，材料区段256可附接于使基础末端252延伸所需的任何地方，例如，通过在与表面210相对的一侧上将材料添加至基础末端252。在任何情况下，材料区段256可使用适合于使用的材料的任何现在已知或以后开发的技术(例如，焊接、硬钎焊、涂覆等)，并且以要求的任何必要的精整(例如，加工、抛光等)来附接。使用的材料可与初始天使翼250相同，或者可为不同的。在一个实施例中，附接材料区段256可能够例如通过加工或以其它方式分离来除去。除去材料区段256的能力可为有利的，例如，在用于沿轴向延伸的末端228的期望的轴向范围与基础末端252相同的情况下。在一个实施例，沿轴向延伸的末端228具有与没有附接材料区段256(即，在附接材料区段256的附接之前)的基础末端252大致相同的径向高度R(未示出旋转轴线)。

包括天使翼222的涡轮机轮叶120(图4)可如此使用或进一步修改(见图6的论述)。在任何情况下，沿轴向延伸的末端228具有轴向范围248，其适应与具有不同于第一初始障碍物230的障碍物轴向范围232的(多个)障碍物轴向范围236的一个或更多个(多个)障碍物234密封。以该方式，在图5的修改之后，使用天使翼222的涡轮机轮叶120(图4)可安装在具有障碍物234的涡轮机框架132(图4)中，障碍物234具有大于原始设计的障碍物轴向范围232的障碍物轴向范围236，即，使得天使翼222在涡轮机的操作期间与障碍物234操作性地密封。轮叶120的安装可使用任何现在已知或以后开发的过程。理解的是，材料区段256可添加成具有沿轴向延伸的末端228，其适应特定尺寸的障碍物234或一定数量的不同尺寸的障碍物234。多个障碍物234中的各个可在不同涡轮机中，使得使用天使翼222的涡轮机轮叶120可用于不同尺寸的涡轮机中。

转到图6，天使翼322可通过从初始天使翼350除去材料360(幻影)来修改。材料除去可包括适合于使用的材料的任何现在已知或以后开发的技术，例如，加工金属等。天使翼322可由产生(例如，铸造)的初始天使翼350产生，以适应一定数量的不同尺寸的障碍物330,334。更具体而言，尺寸确定成适应与一定数量的不同尺寸的障碍物密封的天使翼350的轴向范围354的初始沿轴向延伸的末端352可使材料除去，以适应具有特定轴向范围336的特定障碍物334。作为备选，初始天使翼350可在涡轮机轮叶(从涡轮机除去)上，具有其上的足够材料以允许除去天使翼350的一些材料，并且安装在另一个不同尺寸的涡轮机中。在任何情况下，取决于轮叶120(图4)和涡轮机框架132(图4)的相对位置，障碍物轴向范围336典型地大于初始障碍物轴向范围332，但不是必要的。使用天使翼322的涡轮机轮叶120(图4)可安装在具有带特定轴向范围336的特定障碍物334的涡轮机框架132(图4)中，使得天使翼322构造成在涡轮机的操作期间与障碍物334密封。如同图5一样，沿轴向延伸的末端328可具有与除去材料之前的初始沿轴向延伸的末端352大致相同的径向高度R。

参照图7，在可选的实施例中，修改还可包括改变沿轴向延伸的末端428的径向范围R_E来将沿轴向延伸的末端构造成与具有第二轴向范围436的第二障碍物434密封。径向范围R_E可通过如本文中所述添加材料356或如本文中所述从沿轴向延伸的末端428除去材料356来改变。在适合的情况下，径向范围R_E的变化也可发生，而没有前述轴向范围修改。

如本文中所述向涡轮机轮叶120提供天使翼和/或如本文所述修改设计用于特定机器的天使翼提供了一定数量的优点。例如，具有添加的材料区段256的修改的涡轮机轮叶120允许了特定涡轮机轮叶与较新的型号或不同尺寸的涡轮机的向后兼容性，因此延长了轮叶的寿命，并且改进了关于安装的性能，而没有修改。此外，该过程增加了灵活性，减少了在系统升级期间产生的废料(例如，由于它们不再配合而必须弃置的轮叶)，并且提供了关于较差配合的轮叶的使用的、改进的性能。此外，如所述提供能够用于一定数量的不同尺寸的涡轮机中的涡轮机轮叶可减少以下需要：许多铸件、用以适应不同涡轮机尺寸的铸件变化、对确定铸件体积的需要，以及对预先确定哪个天使翼需要在铸造之前为特定尺寸的需要。

本文中所述的术语用于仅描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本公开。如本文中使用的，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示。还将理解的是，用语"包括(comprises)"和/或"包含(comprising)"在用于本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/或它们的组合。

以下权利要求中的所有器件或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合如明确要求权利的、其它要求权利的元件执行功能的任何结构、材料或动作。本公开的描述出于图示和描述目的提出，但不旨在为详尽的或限于呈公开的形式的本公开。在不脱离本公开的范围和精神的情况下，许多改型和变型将对本领域技术人员而言为显而易见的。实施例选择和描述成以便最佳地阐释本公开的原理和实际应用，并且使得本领域技术人员能够对于具有各种改型的各种实施例而言，将本公开理解为适于构想的特定使用。