專利名稱：渦輪機(jī)的流道密封和流線化結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種渦輪機(jī)的流道結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有利于沿著流道的流線化流動(dòng)特性和密封，尤其涉及一種蒸汽輪機(jī)的流道結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)用于最小化在蒸汽通路根部區(qū)域的泄漏流(leakage flow)和二次氣體動(dòng)力損失。
背景技術(shù)：
沿著根部界限(radius)通過渦輪機(jī)的流道局部由噴嘴的內(nèi)邊(innerbands)或內(nèi)環(huán)以及在轉(zhuǎn)子的葉片根部沿著平臺(tái)的流動(dòng)表面限定。沿著根部界限流出該流道的任何流體流泄漏旁通葉片，并直接降低了渦輪級(jí)的功率輸出。例如用于蒸汽輪機(jī)低壓部分的典型噴嘴和葉片設(shè)計(jì)包括等于葉片根部直徑的噴嘴根部直徑，這導(dǎo)致在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)工況下，非?？赡艹霈F(xiàn)面向上游的臺(tái)階，這擾亂了流道中的流體流的流線化特性。大的輪隙也增大了泄漏流的轉(zhuǎn)子抽吸效應(yīng)，由此增加了導(dǎo)致進(jìn)一步氣體動(dòng)力損失的徑向入侵流(intrusion flow)。尤其是，由轉(zhuǎn)子抽吸效應(yīng)導(dǎo)致的徑向重入流動(dòng)導(dǎo)致沿著流道的流體流分離，結(jié)果造成氣體動(dòng)力損失。因此，已經(jīng)出現(xiàn)對(duì)渦輪機(jī)根部半徑流道結(jié)構(gòu)的需求，該結(jié)構(gòu)通過最小化流道根部區(qū)域中的泄漏流和二次氣體動(dòng)力損失，并確保流道中的流體流的流線化基本上與流道的老化(degradation)無關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，提供了一流道根部區(qū)域，該區(qū)域基本上最小化流道中的流體流的擾亂，最小化了泄漏流，并有利于流道中的流線化流動(dòng)。尤其是，流道的根部區(qū)域包括噴嘴的內(nèi)邊及在葉片根部處的平臺(tái)的表面。葉片平臺(tái)形成葉片鳩尾榫的一部分。各葉片鳩尾榫包括入口根部側(cè)徑向密封和出口根部側(cè)徑向密封，在平臺(tái)徑向內(nèi)側(cè)并位于相鄰噴嘴上的出口迷宮密封和入口迷宮密封的徑向之下。這些密封減少了流入和流出轉(zhuǎn)子葉輪和相鄰噴嘴之間的輪隙的泄漏流。鳩尾榫一方面與轉(zhuǎn)子葉輪、另一方面與噴嘴之間的輪隙減小，從而降低轉(zhuǎn)子抽吸作用，由此使入侵流返回到流道中。
應(yīng)該明白，結(jié)合的泄漏流在噴嘴與葉片之間流過以進(jìn)入上游輪隙，在該處所述流體流與通過上游密封環(huán)的泄漏流結(jié)合，穿過輪孔到達(dá)下游輪隙。進(jìn)入下游輪隙的泄漏流部分地排出到經(jīng)過出口根部軸向密封的流體流道中。相鄰出口根部軸向密封設(shè)置有出口導(dǎo)流部，該導(dǎo)流部通過減小入侵流的軸向分量而使流道擾動(dòng)最小化，即與其徑向流動(dòng)分量相比，流入流道中的返回泄漏流具有相當(dāng)大的或者主導(dǎo)的軸向流動(dòng)分量。主導(dǎo)的軸向流動(dòng)分量最小化了流道中流體流的擾動(dòng)。隨著密封件的密封能力隨時(shí)間下降，導(dǎo)致更大的入侵流返回流體流道，出口導(dǎo)流部變得更加重要。出口導(dǎo)流部也用來最小化葉片與下一級(jí)噴嘴之間的軸向距離，有利于流道中的流動(dòng)流線。
每個(gè)葉片還具有入口根部界限，該界限沿軸向向上游、并沿徑向向內(nèi)延伸，以便最小化或者消除在從上游噴嘴內(nèi)邊的后緣流出的流體的流道中出現(xiàn)的任何流道入口隆起。這樣使在穩(wěn)態(tài)工況下出現(xiàn)軸向向前面向的臺(tái)階的可能性最小化，這樣的臺(tái)階會(huì)妨礙流道中的流體流。因此在上游側(cè)的葉片入口根部直徑小于下游側(cè)的噴嘴出口根部直徑。類似地，下游噴嘴入口根部圓角位于上游平臺(tái)表面的后緣的徑向內(nèi)側(cè)。這也同樣地避免了在沿著流道流動(dòng)的流體中出現(xiàn)擾動(dòng)，并在葉片出口與噴嘴入口之間提供了一定的耐久性。
另外，在葉片平臺(tái)的前緣設(shè)置有入口根部軸向密封翅片，該翅片使流量系數(shù)額外減小，進(jìn)一步減少了泄漏流。所述軸向密封翅片也減小了噴嘴與葉片之間的軸向距離，以便改善在流道中的流道的流線化特性。
在根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，提供了一種渦輪機(jī)，該渦輪機(jī)包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子在沿著轉(zhuǎn)子軸向間隔開的位置處具有轉(zhuǎn)子葉輪，并且安裝有多個(gè)沿圓周間隔開的葉片，所述轉(zhuǎn)子可繞一軸線旋轉(zhuǎn)；軸向間隔開的噴嘴圓周陣列，所述噴嘴圓周陣列具有沿圓周間隔開的翼片、及位于翼片相對(duì)端的內(nèi)邊和外邊，所述軸向間隔開的葉片和噴嘴陣列形成至少一對(duì)軸向間隔開的渦輪級(jí)，所述葉片具有用于將葉片固定到轉(zhuǎn)子葉輪上的鳩尾榫和沿著葉片的徑向內(nèi)端的平臺(tái)，所述平臺(tái)、翼片、內(nèi)邊和外邊、以及葉片部分地限定出使流體流通過渦輪機(jī)的流道，在一個(gè)轉(zhuǎn)子葉輪安裝突起上的葉片鳩尾榫大體在軸向沿著平臺(tái)的徑向內(nèi)側(cè)的位置朝向一個(gè)噴嘴陣列延伸，所述一個(gè)噴嘴陣列中的噴嘴帶有迷宮密封齒，所述迷宮密封齒與所述突起形成密封，以減少從流道流入所述一個(gè)轉(zhuǎn)子葉輪與所述一個(gè)噴嘴陣列之間的輪隙中的泄漏流。
在根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中，提供了一種用于渦輪機(jī)流道的根部區(qū)域的流道的流線化結(jié)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)子，其可繞一軸線旋轉(zhuǎn)，并且安裝有多個(gè)沿圓周間隔開的葉片；軸向間隔開的噴嘴圓周陣列，其具有沿圓周間隔開的翼片，且在翼片的相對(duì)端的內(nèi)邊和外邊在葉片下游軸向間隔開，所述葉片具有用于將葉片和轉(zhuǎn)子相互固定的鳩尾榫、以及沿著其徑向內(nèi)端的平臺(tái)，所述平臺(tái)和所述內(nèi)邊部分地限定出使流體流通過渦輪機(jī)的流道的根部區(qū)域，所述葉片鳩尾榫包括沿著鳩尾榫下游側(cè)的出口導(dǎo)流部，用于將來自鳩尾榫與噴嘴之間的輪隙的泄漏流沿一個(gè)主導(dǎo)的下游軸向方向引導(dǎo)到所述流道中。
在根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例中，提供了一種渦輪機(jī)，包括轉(zhuǎn)子，其可繞一軸線旋轉(zhuǎn)，并且安裝有多個(gè)沿圓周間隔開的葉片，所述葉片具有沿著其徑向內(nèi)端的平臺(tái)；軸向間隔開的噴嘴圓周陣列，其具有沿圓周間隔開的翼片，在該翼片在其相對(duì)端帶有內(nèi)邊和外邊，所述平臺(tái)、葉片、內(nèi)邊和外邊、及翼片部分地限定出使流體流通過渦輪機(jī)的流道，噴嘴的陣列在葉片的上游軸向間隔開，并且葉片平臺(tái)的前緣位于上游噴嘴陣列的后緣的徑向內(nèi)側(cè)。


圖1是渦輪機(jī)的一部分的局部側(cè)視圖，示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的通過該渦輪機(jī)的帶有改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)的流道的根部區(qū)域；圖2是放大的局部橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照附圖，尤其是圖1，其中示出了渦輪機(jī)12的流道的內(nèi)部或根部區(qū)域，該區(qū)域由箭頭指示，并由附圖標(biāo)記10來大體標(biāo)識(shí)。高能流體，例如蒸汽，沿著流道10并在箭頭方向流動(dòng)。渦輪機(jī)12包括可繞水平軸會(huì)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子14以及多個(gè)軸向間隔開的轉(zhuǎn)子葉輪16，每個(gè)轉(zhuǎn)子葉輪承載多個(gè)沿圓周間隔開的葉片18，所述葉片18在葉片基部處安裝于鳩尾榫20上，以與轉(zhuǎn)子葉輪16形成榫連接。在圖1中還示出了渦輪機(jī)的靜止部件22，其包括軸向間隔開的噴嘴24的陣列。每個(gè)噴嘴24的陣列具有安裝在內(nèi)邊或內(nèi)環(huán)28與外邊或外環(huán)29之間、沿圓周間隔開的靜止翼片(airfoil)26。噴嘴也帶有位于軸向相鄰的葉片18的轉(zhuǎn)子葉輪與鳩尾榫20之間的內(nèi)腹板30。因此，每個(gè)噴嘴24和葉片18的下游陣列形成一個(gè)噴嘴級(jí)，在渦輪機(jī)的渦輪部分中有多個(gè)噴嘴級(jí)。傳統(tǒng)上，密封環(huán)34設(shè)置在靜止部件24，例如內(nèi)腹板30與轉(zhuǎn)子葉輪16之間的轉(zhuǎn)子表面36之間，用于密封靜止部件和旋轉(zhuǎn)部件之間的泄漏流道。密封環(huán)部分34典型地帶有多個(gè)隨時(shí)間老化的迷宮密封齒38。
在圖1中可以看到，流道10的根部區(qū)域包括內(nèi)邊28及在每個(gè)葉片18的基部處的平臺(tái)40。在噴嘴的后緣出口部分與葉片的前緣入口部分之間必須具有間隙，并且在葉片的后緣部分與噴嘴的前緣部分之間也必須具有間隙。在旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件之間的這些間隙為沿著流道10流動(dòng)的流體提供泄漏流道，并且對(duì)流道10的根部區(qū)域中造成氣體動(dòng)力損失。
為了最小化泄漏流和二次氣體動(dòng)力損失，并為了確保沿著流道中的流體流的大體流線化，使之不被泄漏流所擾亂，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例設(shè)置根部密封結(jié)構(gòu)。該根部密封結(jié)構(gòu)在每個(gè)葉片鳩尾榫20上包括入口根部徑向密封突起42和出口根部徑向密封突起44。每個(gè)徑向根部密封由此包括軸向延伸的突起42或44，所述突起與迷宮密封齒和相鄰的靜止部件一起減少了圍繞葉片的泄漏流。特別是，入口側(cè)根部徑向密封突起42與形成在上游噴嘴24的下游側(cè)的迷宮密封齒46一起作用以封堵流入葉片鳩尾榫20與下游內(nèi)腹板30之間的輪隙48的泄漏流，并由此形成入口根部徑向密封，大體以附圖標(biāo)記43指代(圖2)。類似地，在下游噴嘴的上游側(cè)的迷宮密封齒50與出口側(cè)根部徑向突起44一起作用以形成出口側(cè)根部徑向密封，大體以附圖標(biāo)記45指代，用于減少流入鳩尾榫20與下游內(nèi)腹板30之間的輪隙52的泄漏流。如附圖所示，入口側(cè)根部徑向密封43和出口側(cè)根部徑向密封45分別位于流道10的根部區(qū)域的徑向內(nèi)側(cè)?？梢钥吹剑詫m密封齒46和50、出口和入口密封43和45在結(jié)構(gòu)上為環(huán)形。而且，如圖所示，輪隙48和52沿軸向最小化，以減小轉(zhuǎn)子的抽吸作用。轉(zhuǎn)子在軸向上的抽吸作用趨于產(chǎn)生徑向流動(dòng)，該徑向流動(dòng)侵入沿著流道的流體流，并導(dǎo)致不利的氣體動(dòng)力損失。
如圖1所示，泄漏流道包括如箭頭54示出的在上游密封環(huán)34與轉(zhuǎn)子14之間的泄漏流。泄漏流54與在上游噴嘴與下游葉片之間由箭頭56指示的的泄漏流結(jié)合，穿過輪孔58而流入轉(zhuǎn)子葉輪16與內(nèi)腹板30之間的輪隙52。抽吸作用導(dǎo)致該泄漏流的一部分如箭頭60所示徑向向外流入流道10中的流體中。這一徑向向外流動(dòng)導(dǎo)致流道擾動(dòng)或者流道中的流體混亂，其結(jié)果造成氣體動(dòng)力損失。為了最小化這些損失，在每個(gè)葉片的后緣上設(shè)置一出口導(dǎo)流部62。該導(dǎo)流部62包括徑向內(nèi)表面64，其被成形并構(gòu)造成使得徑向向外的泄漏流沿主導(dǎo)的軸向方向進(jìn)入流道10中的流體中，即減小侵入流道10的流動(dòng)的徑向分量。由此最小化徑向向外泄漏流造成的流道擾動(dòng)。而且這一點(diǎn)重要之處還在于，由于密封環(huán)34的能力隨著迷宮密封齒38與轉(zhuǎn)子表面36之間的接觸而隨時(shí)間老化，導(dǎo)致更大的泄漏流，由此產(chǎn)生更大的入侵流。還應(yīng)該看到，鳩尾榫20的導(dǎo)流部62形成環(huán)繞轉(zhuǎn)子軸的環(huán)面，并最小化葉片18的后緣與下一級(jí)噴嘴前緣之間的距離。后者改善了流體在流道10中的流線化特性。
如圖2最佳地示出，在葉片的入口側(cè)上有一朝上游軸向突出的前緣或翅片70，該翅片徑向向內(nèi)沿上游方向展開，以位于上游噴嘴34的內(nèi)邊28的下游邊緣的徑向內(nèi)側(cè)。葉片入口側(cè)根部軸向密封翅片70另外提供減小的流量系數(shù)，這使泄漏流進(jìn)一步減少。翅片70還減小了噴嘴與葉片之間的軸向距離，使流道10中的流體流線化特性得到改善。出口側(cè)界限翅片(radiusfin)74在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，使沿著流道10的流體流中出現(xiàn)向前面向的隆起的可能性最小。由此，應(yīng)該看到，葉片入口根部直徑小于噴嘴出口根部直徑。
類似地，參照?qǐng)D2，噴嘴入口根部界限或前緣76形成軸向朝向上游且徑向向內(nèi)漸縮的表面，該漸縮表面終止于上游葉片的平臺(tái)40的后緣徑向內(nèi)側(cè)。因此，隨著流體流從葉片的后緣過渡到下游內(nèi)部噴嘴邊的前緣，沿著流道10的流體中的流體流線得以保持。
盡管結(jié)合現(xiàn)今被認(rèn)為是最實(shí)用的優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明加以描述，但應(yīng)該明白，本發(fā)明不局限于所公開的實(shí)施例，相反，本發(fā)明旨在覆蓋所附權(quán)利要求的精髓和保護(hù)范圍中所包括的各種變形和等同裝置。
權(quán)利要求
1.一種渦輪機(jī)，包括轉(zhuǎn)子(14)，該轉(zhuǎn)子具有沿著轉(zhuǎn)子軸向間隔開的轉(zhuǎn)子葉輪(16)，并且安裝有多個(gè)沿圓周間隔開的葉片(18)，所述轉(zhuǎn)子可繞一軸線旋轉(zhuǎn)；軸向間隔開的噴嘴(24)圓周陣列，所述噴嘴圓周陣列具有沿圓周間隔開的翼片(26)、以及位于翼片相對(duì)端的內(nèi)邊和外邊(28，29)，所述軸向間隔開的葉片和所述噴嘴陣列形成至少一對(duì)軸向間隔開的渦輪級(jí)；所述葉片具有用于將葉片固定到轉(zhuǎn)子葉輪上的鳩尾榫(20)和沿著葉片的徑向內(nèi)端的平臺(tái)(40)，所述平臺(tái)、所述翼片、所述內(nèi)邊和外邊、以及所述葉片部分地限定出用于流體流過渦輪機(jī)的流道(10)；在一個(gè)所述葉輪安裝突起(42，44)上的葉片鳩尾榫大體在軸向上沿著所述平臺(tái)的徑向向內(nèi)的位置朝一個(gè)所述噴嘴陣列延伸，所述一個(gè)噴嘴陣列中的所述噴嘴帶有迷宮密封齒(46，50)，所述迷宮密封齒與所述突起形成密封，以減少從所述流道流入所述一個(gè)轉(zhuǎn)子葉輪與所述一個(gè)噴嘴陣列之間的輪隙中的泄漏。
2.如權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)，其中，所述突起(42)從鳩尾榫的上游側(cè)伸出，位于迷宮密封齒(46)的徑向之下。
3.如權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)，其中，所述突起(44)從鳩尾榫的下游側(cè)、在迷宮密封齒的徑向向內(nèi)位置處伸出。
4.如權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)，其中，所述突起(42)從鳩尾榫的上游側(cè)伸出，并位于所述一個(gè)噴嘴陣列的迷宮密封齒(46)的徑向之下，第二突起(44)從鳩尾榫的下游側(cè)、在由下游下一級(jí)噴嘴陣列所承載的第二迷宮密封齒(50)的徑向向內(nèi)位置處伸出。
5.一種用于渦輪機(jī)流道的根部區(qū)域的流道流線化結(jié)構(gòu)，包括轉(zhuǎn)子(14)，其可繞一軸線旋轉(zhuǎn)，并且安裝有多個(gè)沿圓周間隔開的葉片(18)；軸向間隔開的噴嘴(24)圓周陣列，其具有沿圓周間隔開的翼片(26)，且在翼片相對(duì)端的內(nèi)邊和外邊(28，29)沿葉片下游軸向間隔開；所述葉片具有用于將葉片和轉(zhuǎn)子相互固定的鳩尾榫(20)、以及沿著其徑向內(nèi)端的平臺(tái)，所述平臺(tái)和所述內(nèi)邊局部限定出使流體流過渦輪機(jī)的流道的根部區(qū)域；所述葉片鳩尾榫包括沿著鳩尾榫下游側(cè)的出口導(dǎo)流部(62)，用于將來自所述鳩尾榫與所述噴嘴之間的輪隙的泄漏流沿一個(gè)主導(dǎo)的下游軸向方向引導(dǎo)到所述流道中。
6.如權(quán)利要求5所述的流道，其中，所述導(dǎo)流部(62)形成為葉片平臺(tái)的下游延伸部，以最小化葉片與噴嘴陣列之間的間隙。
7.如權(quán)利要求6所述的流道，其中，下游噴嘴的前緣(76)位于葉片平臺(tái)的所述下游延伸部的徑向內(nèi)側(cè)。
8.一種渦輪機(jī)，包括轉(zhuǎn)子(14)，其可繞一軸線旋轉(zhuǎn)，并且安裝有多個(gè)沿圓周間隔開的葉片(18)，所述葉片具有沿著其徑向內(nèi)端的平臺(tái)(40)；軸向間隔開的噴嘴(24)圓周陣列，其具有沿圓周間隔開的翼片(26)，在該翼片的相對(duì)端帶有內(nèi)邊和外邊(28，29)，所述平臺(tái)、所述葉片、所述內(nèi)邊和外邊、及所述翼片部分地限定出使流體流過渦輪機(jī)的流道，所述噴嘴陣列在所述葉片的上游軸向間隔開；并且葉片平臺(tái)的前緣(70)位于上游噴嘴陣列的后緣的徑向內(nèi)側(cè)。
9.如權(quán)利要求8所述的渦輪機(jī)，其中，所述葉片的葉片入口根部直徑小于上游噴嘴陣列的噴嘴出口根部直徑。
10.如權(quán)利要求8所述的渦輪機(jī)，其中，所述葉片包括葉片入口側(cè)根部軸向上游密封翅片(70)，該翅片朝向噴嘴上游陣列突出，為流道中的流體提供流線化特性。
全文摘要
通過渦輪機(jī)的流道(10)的根部區(qū)域包括用于使泄漏流和二次氣體動(dòng)力損失最小化的密封結(jié)構(gòu)。入口和出口根部徑向密封(42，44)設(shè)置在上游和下游噴嘴之間，位于流道的根部區(qū)域的徑向內(nèi)側(cè)位置，以最小化徑向泄漏流。為了最小化由于轉(zhuǎn)子抽吸作用流入流道的入侵流以及由此產(chǎn)生的氣體動(dòng)力損失，在各葉片上的出口導(dǎo)流部(62)使流出的徑向流沿一個(gè)主導(dǎo)的軸向方向轉(zhuǎn)向。另外，上游葉片根部界限(74)和噴嘴根部界限(76)為流線型或者漸縮，以使在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)突出到流道中的隆起的可能性最小。附加的入口根部軸向翅片(70)設(shè)置在葉片上，以減小流量系數(shù)，并使泄漏流進(jìn)一步減少。
文檔編號(hào)F02C7/28GK1499044SQ20031010447
公開日2004年5月26日 申請(qǐng)日期2003年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月31日
發(fā)明者艾莉森·C·法雷爾, 道格拉斯·C·霍弗, 諾曼·D·萊思羅普, 小雷蒙德·K·奧弗鮑, 威廉·T·帕里, 肯尼思·J·羅伯特森, J 羅伯特森, D 萊思羅普, T 帕里, 德 K 奧弗鮑, 斯 C 霍弗, 艾莉森 C 法雷爾 申請(qǐng)人:通用電氣公司