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CN107060899A - 带有在转子和定子之间的边缘密封件的燃气涡轮发动机 - Google Patents

带有在转子和定子之间的边缘密封件的燃气涡轮发动机 Download PDF

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CN107060899A
CN107060899A CN201710073805.2A CN201710073805A CN107060899A CN 107060899 A CN107060899 A CN 107060899A CN 201710073805 A CN201710073805 A CN 201710073805A CN 107060899 A CN107060899 A CN 107060899A
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CN
China
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protrusion
thumbpiece
gas
recess
turbine unit
Prior art date
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Pending
Application number
CN201710073805.2A
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English (en)
Inventor
J.R.拉茨拉夫
M.T.霍根
J.J.蒙特戈梅里
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
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Pending legal-status Critical Current

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    • F01D11/001—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between stator blade and rotor
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Abstract

本发明涉及一种带有在转子和定子之间的边缘密封件的燃气涡轮发动机，具体而言一种涉及用于燃气涡轮发动机的边缘密封件的装置包含延伸到缓冲空腔中的翼形件，带有至少一组隆起部，该至少一组隆起部包括延伸到缓冲空腔中的第一隆起部和从翼形件延伸到缓冲空腔中的第二隆起部，其中第一隆起部和第二隆起部轴向地彼此间隔开。

Description

带有在转子和定子之间的边缘密封件的燃气涡轮发动机
背景技术
涡轮发动机并且尤其燃气或燃烧涡轮发动机是旋转式发动机，该旋转式发动机从经过带有多个叶片的风扇、然后通过包括旋转的叶片对和固定的导叶对的一系列压缩机级进入到发动机中、穿过燃烧器、并且然后通过也包括旋转的叶片和固定的导叶的一系列涡轮级的燃烧的气体的流中提取能量。
在运行中，当气体从压缩机级流动到涡轮级时涡轮发动机在愈加更高的温度下运行。用于部件的各种冷却回路排气到主流动通路并且必须提供有处于足够的压力下的冷却空气以阻止在运行期间在其中的热的气体的吸入。
例如，在固定的涡轮喷嘴和旋转的涡轮叶片之间提供有密封件以阻止热的气体吸入或逆流到冷却回路中。改善这些密封件的能力以阻止吸入或逆流提高了发动机性能和效率。
发明内容
在一个方面，实施例涉及一种燃气涡轮发动机，该燃气涡轮发动机包含：转子，该转子具有带有周向地间隔的叶片的至少一个盘形件；定子，该定子具有带有周向地间隔的导叶的至少一个环形件，其中环形件邻近盘形件；凹口，该凹口在盘形件和环形件中的一个中形成以限定缓冲空腔；翼形件，该翼形件从盘形件和环形件中的另一个延伸到凹口中并且限定了穿过缓冲空腔的迷宫式流体通路。包括凹口隆起部的至少一组隆起部从凹口延伸到缓冲空腔中并且翼形件隆起部从翼形件延伸到缓冲空腔中。
在另一方面，实施例涉及一种在燃气涡轮发动机的转子和定子之间的边缘密封件，该边缘密封件包含：凹口，该凹口在转子和定子中的一个中形成以限定缓冲空腔；翼形件，该翼形件从转子和定子中的另一个延伸到凹口中以限定穿过缓冲空腔的迷宫式流体通路；以及至少一组隆起部，该至少一组隆起部包括从凹口延伸到缓冲空腔中的凹口隆起部和从翼形件延伸到缓冲空腔中的翼形件隆起部。
在再另一个方面，实施例涉及一种用于燃气涡轮发动机的边缘密封件，该边缘密封件包含延伸到缓冲空腔中的翼形件，带有至少一组隆起部，该至少一组隆起部包括延伸到缓冲空腔中的第一隆起部和从翼形件延伸到缓冲空腔中的第二隆起部，其中第一隆起部和第二隆起部轴向地彼此间隔开。
实施方案1. 一种燃气涡轮发动机，包含：
转子，该转子具有带有周向地间隔的叶片的至少一个盘形件；
定子，该定子具有带有周向地间隔的导叶的至少一个环形件，其中所述环形件邻近所述盘形件；
凹口，该凹口在所述盘形件和环形件中的一个中形成以限定缓冲空腔；
翼形件，该翼形件从所述盘形件和环形件中的另一个延伸到所述凹口中并且限定穿过所述缓冲空腔的迷宫式流体通路；以及
至少一组隆起部，该至少一组隆起部包括从所述凹口延伸到所述缓冲空腔中的凹口隆起部和从所述翼形件延伸到所述缓冲空腔中的翼形件隆起部。
实施方案2. 根据实施方案1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述翼形件将所述缓冲空腔划分成至少两个部分并且隆起部组在相同的部分中。
实施方案3. 根据实施方案2所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，存在至少两组隆起部，该至少两组隆起部位于不同的部分中。
实施方案4. 根据实施方案1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述凹口隆起部和所述翼形件隆起部轴向地彼此间隔开。
实施方案5. 根据实施方案4所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述凹口隆起部轴向地在所述翼形件隆起部前方。
实施方案6. 根据实施方案4所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，轴向的间隔大于在所述盘形件和环形件之间的轴向的公差。
实施方案7. 根据实施方案1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述隆起部径向地延伸到所述缓冲空腔中。
实施方案8. 根据实施方案7所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，径向的延伸量小于在所述盘形件和所述环形件之间的径向的公差。
实施方案9. 根据实施方案1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述隆起部位于所述凹口和所述翼形件的终端端部处。
实施方案10. 根据实施方案1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述凹口位于所述环形件内并且所述翼形件从所述盘形件延伸。
实施方案11. 一种在燃气涡轮发动机的转子和定子之间的边缘密封件，包含：
凹口，该凹口在所述转子和定子中的一个中形成以限定缓冲空腔；
翼形件，该翼形件从所述转子和定子中的另一个延伸到所述凹口中以限定穿过所述缓冲空腔的迷宫式流体通路；以及
至少一组隆起部，该至少一组隆起部包括从所述凹口延伸到所述缓冲空腔中的凹口隆起部和从所述翼形件延伸到所述缓冲空腔中的翼形件隆起部。
实施方案12. 根据实施方案11所述的边缘密封件，其特征在于，所述翼形件将所述缓冲空腔划分成至少两个部分并且隆起部组在相同的部分中。
实施方案13. 根据实施方案12所述的边缘密封件，其特征在于，存在至少两组隆起部，该至少两组隆起部位于不同的部分中。
实施方案14. 根据实施方案13所述的边缘密封件，其特征在于，所述凹口隆起部和所述翼形件隆起部轴向地彼此间隔开。
实施方案15. 根据实施方案14所述的边缘密封件，其特征在于，所述凹口隆起部轴向地在所述翼形件隆起部前方。
实施方案16. 根据实施方案14所述的边缘密封件，其特征在于，轴向的间隔大于在所述转子和定子之间的轴向的公差。
实施方案17. 根据实施方案16所述的边缘密封件，其特征在于，所述隆起部径向地延伸到所述缓冲空腔中。
实施方案18. 根据实施方案17所述的边缘密封件，其特征在于，径向的延伸量小于在所述转子和所述定子之间的径向的公差。
实施方案19. 根据实施方案18所述的边缘密封件，其特征在于，所述隆起部位于所述凹口和所述翼形件的终端端部处。
实施方案20. 根据实施方案19所述的边缘密封件，其特征在于，所述凹口位于所述定子内并且所述翼形件从所述转子延伸。
实施方案21. 一种用于燃气涡轮发动机的边缘密封件，包含延伸到缓冲空腔中的翼形件，带有至少一组隆起部，该至少一组隆起部包括延伸到所述缓冲空腔中的第一隆起部和从所述翼形件延伸到所述缓冲空腔中的第二隆起部，其中所述第一隆起部和所述第二隆起部轴向地彼此间隔开。
实施方案22. 根据实施方案21所述的边缘密封件，其特征在于，所述翼形件将所述缓冲空腔划分成至少两个部分并且隆起部组在相同的部分中。
实施方案23. 根据实施方案22所述的边缘密封件，其特征在于，存在至少两组隆起部，该至少两组隆起部位于不同的部分中。
实施方案24. 根据实施方案21所述的边缘密封件，其特征在于，所述第一隆起部轴向地在所述第二隆起部前方。
实施方案25. 根据实施方案21所述的边缘密封件，其特征在于，轴向的间隔大于在所述转子和定子之间的轴向的公差。
实施方案26. 根据实施方案25所述的边缘密封件，其特征在于，所述隆起部径向地延伸到所述缓冲空腔中。
实施方案27. 根据实施方案26所述的边缘密封件，其特征在于，径向的延伸量小于在所述转子和所述定子之间的径向的公差。
附图说明
在示图中：
图1是用于航空器的燃气涡轮发动机的横截面示意图。
图2是图1的燃气涡轮发动机的涡轮区段的横截面视图。
图3是图示了布置在上游的定子的通道中的转子翼形件的图2的区段的放大视图。
图4是图3的转子翼形件的第二实施例。
图5是图3的转子翼形件的第三实施例。
图6是图3的转子翼形件的第四实施例。
参考符号列表
10 发动机
12 中心线
14 前方
16 后方
18 风扇区段
20 风扇
22 压缩机区段
24 LP压缩机
26 HP压缩机
28 燃烧区段
30 燃烧器
32 涡轮区段
34 HP涡轮
36 LP涡轮
38 排气区段
40 风扇罩壳
42 风扇叶片
44 核心
46 核心罩壳
48 HP筒管
50 LP筒管
51 转子
52 HP压缩机级
53 盘形件
54 HP压缩机级
56 LP压缩机叶片
58 HP压缩机叶片
60 LP压缩机导叶
61 盘形件
62 HP压缩机导叶
63 定子
64 HP涡轮级
66 LP涡轮级
68 HP涡轮叶片
70 LP涡轮叶片
71 盘形件
72 HP涡轮导叶
73 盘形件
74 LP涡轮导叶
76 加压的周围环境空气
77 放气
78 空气流
80 出口引导导叶组件
82 翼型引导导叶
84 风扇排气侧
100 环形件
102 边缘密封件
104 径向密封件
108 迷宫式流体通路
110 凹口
112 缓冲空腔
114 翼形件
115 终端端部
116 第一组隆起部
117 第二组隆起部
118 凹口隆起部
120 翼形件隆起部
122 第一部分
124 第二部分
208 迷宫式流体通路
210 凹口
212 缓冲空腔
214 翼形件
215 终端端部
216 第一组隆起部
217 第二组隆起部
218 凹口隆起部
220 翼形件隆起部
222 第一部分
224 第二部分
308 迷宫式流体通路
310 凹口
312 缓冲空腔
314 翼形件
315 终端端部
316 第一组隆起部
317 第二组隆起部
318 凹口隆起部
320 翼形件隆起部
322 第一部分
324 第二部分
408 迷宫式流体通路
410 凹口
412 缓冲空腔
414 翼形件
415 终端端部
416 第一组隆起部
417 第二组隆起部
418 凹口隆起部
420 翼形件隆起部
422 第一部分
424 第二部分。
具体实施方式
本发明的描述的实施例针对在燃气涡轮发动机中的涡轮区段的转子和定子部分之间的边缘密封件。为了说明的目的，将关于用于航空器燃气涡轮发动机的涡轮描述本发明。然而将理解的是，本发明不如此被限制并且对于除了涡轮之外的发动机区段且对于非航空器应用(例如另外的移动的应用和非移动的工业的、商业的以及住宅的应用)可具有通常的适用性。
图1是用于航空器的燃气涡轮发动机10的横截面示意图。发动机10具有从前方14延伸到后方16的通常纵向地延伸的轴线或中心线12。发动机10以向下游的连续的流动的关系包括：包括风扇20的风扇区段18；包括增压器或低压(LP)压缩机24和高压(HP)压缩机26的压缩机区段22；包括燃烧器30的燃烧区段28；包括HP涡轮34和LP涡轮36的涡轮区段32；以及排气区段38。
风扇区段18包括围绕风扇20的风扇罩壳40。风扇20包括径向地环绕中心线12布置的多个风扇叶片42。HP压缩机26、燃烧器30以及HP涡轮34形成了发动机10的核心44，该核心44产生燃烧气体。核心44由核心罩壳46围绕，该核心罩壳46能够与风扇罩壳40联结。
共轴地环绕发动机10的中心线12布置的HP轴或筒管48将HP涡轮34驱动地连接到HP压缩机26。LP轴或筒管50(该LP轴或筒管50共轴地环绕发动机10的中心线12布置在更大的直径的环状的HP筒管48内)将LP涡轮36驱动地连接到LP压缩机24和风扇20。
LP压缩机24和HP压缩机26分别包括多个压缩机级52,54，在该多个压缩机级52,54中压缩机叶片56,58组相对于相应的静态的压缩机导叶60,62(也叫喷嘴)组旋转以压缩或增压经过级的流体的流。在单个的压缩机级52,54中，多个压缩机叶片56,58能够成圈地被提供并且能够相对于中心线12从叶片平台径向地向外延伸到叶片顶端，而相应的静态的压缩机导叶60,62定位在旋转的叶片56,58的上游并且邻近该旋转的叶片56,58。注意的是在图1中示出的叶片、导叶和压缩机级的数量仅仅为了说明性的目的被选择，并且其他的数量是可能的。
用于压缩机的级的叶片56,58能够安装到盘形件59上，该盘形件59安装到HP和LP筒管48,50中相应的一个上，其中每个级具有其自己的盘形件59,61。用于压缩机的级的导叶60,62能够以周向的布置安装到核心罩壳46上。
HP涡轮34和LP涡轮36分别包括多个涡轮级64,66，在该多个涡轮级64,66中涡轮叶片68,70组相对于相应的静态的涡轮导叶72,74(也叫喷嘴)组旋转以从经过级的流体的流中提取能量。在单个的涡轮级64,66中，多个涡轮导叶72,74能够成圈地被提供并且能够相对于中心线12径向地向外延伸，而相应的旋转的叶片68,70定位在静态的涡轮导叶72,74下游并且邻近该静态的涡轮导叶72,74并且也能够相对于中心线12从叶片平台径向地向外延伸到叶片顶端。注意的是在图1中示出的叶片、导叶和涡轮级的数量仅仅为了说明性的目的被选择，并且其他的数量是可能的。
用于涡轮的级的叶片68,70能够安装到盘形件71上，该盘形件71安装到HP和LP筒管48,50中相应的一个上，其中每个级具有其自己的盘形件71,73。用于压缩机的级的导叶72,74能够以周向的布置安装到核心罩壳46上。
安装到筒管48,50中任一或二者上并且与该筒管48,50中任一或二者一起旋转的发动机10的部分也单独地或全体地称为转子53。包括安装到核心罩壳46的部分上的发动机10的固定的部分也单独地或全体地称为定子63。
在运行中，离开风扇区段18的空气流被分离从而空气流的一部分被导引到LP压缩机24中，该LP压缩机24然后将加压的周围环境空气76供应到HP压缩机26，该HP压缩机26进一步增压周围环境空气。来自HP压缩机26的增压的空气76在燃烧器30中与燃料混合并且被点燃，从而产生燃烧气体。一些功由HP涡轮34从这些气体中提取，该HP涡轮34驱动HP压缩机26。燃烧气体排放到LP涡轮36中，该LP涡轮36提取附加的功以驱动LP压缩机24，并且废气最终经由排气区段38从发动机10排放。LP涡轮36的驱动驱动LP筒管50以使风扇20和LP压缩机24旋转。
空气流78的剩余的部分绕过LP压缩机24和发动机核心44并且通过固定的导叶排并且更具体地包含多个翼型引导导叶82的出口引导导叶组件80在风扇排气侧84处离开发动机组件10。更特别地，径向地延伸的翼型引导导叶82的周向的排邻近风扇区段18被利用以施行空气流78的一些方向上的控制。
由风扇20供应的周围环境空气中的一些能够绕过发动机核心44并且被用于冷却发动机10的部分(尤其热的部分)和/或用于冷却航空器的其他的方面或向航空器的其他的方面供给功率。在涡轮发动机的背景中，发动机的热的部分通常是燃烧器30以及在燃烧器30下游的部件，尤其涡轮区段32，其中HP涡轮34是最热的部分因为该HP涡轮34直接在燃烧区段28的下游。冷却流体的其他的来源能够(但不限于)是从LP压缩机24或HP压缩机26排放的流体。该流体能够是放气77，该放气77能够包括从LP或HP压缩机24,26抽取的空气，该空气作为用于涡轮区段32的冷却来源绕过燃烧器30。这是常见的发动机构造，不意味着起限制作用。
图2描绘了包括定子63和转子53的涡轮区段32的一部分。虽然在本文中的描述关于涡轮被书写，但应认识到的是在本文中公开的概念能够具有对于压缩机区段同等的应用。转子53包括带有周向地间隔开的叶片68的至少一个盘形件71。转子53能够环绕中心线12旋转，从而叶片68径向地在中心线12周围旋转。
定子63包括带有周向地间隔开的导叶72的至少一个环形件100。环形件100邻近盘形件71并且在转子53和定子63之间形成了边缘密封件102。径向密封件104能够邻近环形件100安装到定子盘形件106上。每个导叶72径向地彼此间隔开以至少部分地限定用于主流空气流M的通路。
主流空气流M以由叶片68驱动的方式在从前方14到后方16的方向上运动。边缘密封件102和径向密封件104能够具有泄漏通路，来自主流空气流M的一些空气流能够在相反于主流空气流M的方向上通过该泄漏通路泄漏，导致了转子53和定子63中的部分的不期望的加热。迷宫式流体通路108在环形件100和盘形件71之间延伸并且被用于抵抗这些部分的加热。
转向图3部分III的放大视图更清楚地详述了迷宫式流体通路108。具有终端端部111的凹口110能够在盘形件71和环形件100中的一个中形成以限定缓冲空腔112。具有终端端部115的翼形件114能够在盘形件71和环形件100中的另一个中形成。在一种示例性的实施例中，凹口110在环形件100中形成并且翼形件114从盘形件71延伸，一起限定了迷宫式流体通路108。
至少一组隆起部116径向地延伸到缓冲空腔112中。每个组116包含从凹口110延伸的第一或凹口隆起部118和从翼形件114延伸的第二或翼形件隆起部120。隆起部118,120的径向延伸量小于在盘形件71和环形件100之间的径向的公差从而在翼形件114和凹口110表面之间留出了适当的空隙。每个隆起部118,120利用大于在盘形件71和环形件100之间的轴向的公差的间隔轴向地彼此间隔开。径向的和轴向的公差被确定以便维持适当的空隙以顾及由于温度变化引起的发动机零件的径向的和轴向的热膨胀。
在图3中图示的一种示例性的实施例中，翼形件114将缓冲空腔112划分成至少两个部分122,124。隆起部116组能够在第一部分122中得到，而第二组隆起部117能够在第二部分124中得到。每个隆起部118,120位于凹口110和翼形件114的终端端部111,115处，其中凹口隆起部118轴向地在翼形件隆起部120前方。翼形件隆起部120在翼形件114的终端端部115处一起创造了T形。
带有隆起部组的边缘密封件的另外的实施例在图4、5和6中设想。第二、第三以及第四实施例类似于第一实施例，因此，相似的零件将利用分别增加了100,200,300的相似的数字标识，其中理解的是第一实施例的相似的零件的描述应用到附加的实施例，除非另外指出。
图4图示了轴向地在凹口隆起部220前方的翼形件隆起部218，其中翼形件隆起部218从翼形件214的跨距中点部分(mid-span portion)226径向地在凹口110的终端端部211之上或之下延伸。
在图5中示出的另一示例性的实施例中，不同于在前两个示例性的实施例中，凹口和翼形件隆起部318,320不形成彼此的镜像图像。相反凹口和翼形件隆起部318,320错开，即第一组隆起部316包括轴向地在凹口隆起部320前方的翼形件隆起部318，并且第二组317包括轴向地在翼形件隆起部318前方的凹口隆起部320。第二组317包括在相应的终端端部311,315处的隆起部318,320二者。
在图6中设想的第四实施例类似于第三实施例，仅仅现在第一组隆起部416包括轴向地在翼形件隆起部420前方的凹口隆起部418。第一组416包括在相应的终端端部411,415处的隆起部418,420二者。第二组隆起部417包括轴向地在凹口隆起部418前方的翼形件隆起部420。应认识到的是隆起部组的另外的布置是可能的并且示例性的实施例仅仅用于说明性目的。
对于在边缘密封件中包括至少一组隆起部的益处包括阻止来自主流流的热气体吸入。隆起部创造附加的空腔用于吸入流的涡旋中断(vortex interruption)并且隆起部组的定位能够为了发动机被优化，其中径向的和轴向的瞬时的空隙的良好的控制贯穿发动机运行被优化。
在本文中描述的构造使在多个运行点处的密封成为可能。这些构造阻止热气体越过缓冲空腔吸入，其中越过缓冲空腔吸入对于转子和定子的部分能够是不利害的。阻止热的气体吸入也允许更少的扫气流和因此改善的比燃料消耗(SFC)。
应认识到的是公开的设计的应用不限于带有风扇和增压器区段的涡轮发动机(turbine engine)，而是也适用于涡轮喷气机和同样涡轮增压发动机(turbo engine)。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机，包含：
转子，该转子具有带有周向地间隔的叶片的至少一个盘形件；
定子，该定子具有带有周向地间隔的导叶的至少一个环形件，其中所述环形件邻近所述盘形件；
凹口，该凹口在所述盘形件和环形件中的一个中形成以限定缓冲空腔；
翼形件，该翼形件从所述盘形件和环形件中的另一个延伸到所述凹口中并且限定穿过所述缓冲空腔的迷宫式流体通路；以及
至少一组隆起部，该至少一组隆起部包括从所述凹口延伸到所述缓冲空腔中的凹口隆起部和从所述翼形件延伸到所述缓冲空腔中的翼形件隆起部。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述翼形件将所述缓冲空腔划分成至少两个部分并且隆起部组在相同的部分中。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，存在至少两组隆起部，该至少两组隆起部位于不同的部分中。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述凹口隆起部和所述翼形件隆起部轴向地彼此间隔开。
5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述凹口隆起部轴向地在所述翼形件隆起部前方。
6.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，轴向的间隔大于在所述盘形件和环形件之间的轴向的公差。
7.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述隆起部径向地延伸到所述缓冲空腔中。
8.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，径向的延伸量小于在所述盘形件和所述环形件之间的径向的公差。
9.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述隆起部位于所述凹口和所述翼形件的终端端部处。
10.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述凹口位于所述环形件内并且所述翼形件从所述盘形件延伸。
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