專利名稱：用于間隙流控制的渦流室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的主題涉及一種用于提供頂部間隙流(tip clearance flow)控制的渦流室。
背景技術(shù)：
一般來說，燃?xì)獍l(fā)動機(jī)渦輪的渦輪級在環(huán)形渦輪殼體中包括一排固定的導(dǎo)葉 (vane)，后面是一排旋轉(zhuǎn)葉片。通過渦輪殼體的流體流在導(dǎo)葉中部分地膨脹，并且被引導(dǎo)朝 向旋轉(zhuǎn)葉片，在旋轉(zhuǎn)葉片處，流體流進(jìn)一步膨脹以產(chǎn)生需要的動力輸出。為了渦輪的安全的 機(jī)械操作起見，在旋轉(zhuǎn)葉片的頂部和渦輪殼體的內(nèi)表面之間存在最小的物理間隙要求。典 型地，渦輪輪葉(bucket)設(shè)有蓋部，以用于獲得更好的氣動和機(jī)械性能。從蓋部突出的板 條(rail)用來最大程度地減小殼體和旋轉(zhuǎn)葉片之間的物理間隙。此間隙要求基于轉(zhuǎn)子動 態(tài)特性及轉(zhuǎn)子和渦輪殼體的熱行為而變化。當(dāng)間隙要求相對高時(shí)，高能量流體流在葉片的頂部和渦輪殼體的內(nèi)表面之間漏 出，而在渦輪操作期間不會產(chǎn)生任何有用的動力。漏出的流體流構(gòu)成頂部間隙損失，并且是 渦輪級的損失的主要原因之一。例如，在一些情況下，頂部間隙損失構(gòu)成渦輪級的總損失的 20H頂部間隙流的量的任何減少都可產(chǎn)生渦輪級的動力和性能的直接收益。典型地， 可通過減小轉(zhuǎn)子頂部和殼體之間的物理間隙來實(shí)現(xiàn)這種減少。但是，這種減少也會提高旋 轉(zhuǎn)構(gòu)件和固定構(gòu)件之間的破壞性摩擦的可能性。另外，渦輪發(fā)動機(jī)性能可取決于用來保護(hù)渦輪構(gòu)件不受存在于熱氣路徑中的高溫 的影響的冷卻和密封空氣的量。冷卻流一般用來冷卻構(gòu)件，以及吹掃通往熱氣路徑的腔體。 也就是說，可通過提供通過空隙的正向(positive)向外的冷卻空氣流來防止熱氣吸入到 例如輪空間(wheelspace)中。一般來說，這些冷卻流從發(fā)動機(jī)的壓縮機(jī)部分中抽取，其中， 任何抽取都是發(fā)動機(jī)的整體性能的損失。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種裝置，并且該裝置包括第一部件，其帶有從其 表面延伸的流轉(zhuǎn)向部件；以及設(shè)置在第一部件附近的第二部件，其中，在第二部件的表面和 流轉(zhuǎn)向部件的遠(yuǎn)端(distal end)之間限定了間隙(clearance gap)，從而使得在第一部件 和第二部件的表面之間形成流體路徑，流體沿著該流體路徑以自上游區(qū)段且通過間隙的方 式流動。第二部件形成為在上游區(qū)段處限定雙渦流室，在雙渦流室中，流體在被容許流過間 隙之前被弓I導(dǎo)成以渦流模式流動。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于提供頂部間隙流控制的渦輪，并且該渦 輪包括可旋轉(zhuǎn)渦輪葉片，其具有從其表面延伸的板條；以及在周邊(perimetrically)包 圍可旋轉(zhuǎn)渦輪葉片的渦輪殼體，其中，在殼體的內(nèi)表面和板條的遠(yuǎn)端之間限定了間隙，從而 使得形成流體路徑，流體沿該流體路徑以自上游區(qū)段且通過間隙的方式流動。渦輪殼體形成為在上游區(qū)段處限定雙渦流室，在雙渦流室中，流體在被容許流過間隙之前被引導(dǎo)成以 渦流模式流動。根據(jù)以下結(jié)合附圖的描述，這些和其它優(yōu)點(diǎn)及特征將變得更加顯而易見。


在權(quán)利要求書中特別指出和明確要求保護(hù)了被視為本發(fā)明的主題。根據(jù)以下結(jié)合 附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述和其它特征及優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，其中圖1和2是渦輪殼體的側(cè)視圖；圖3是帶有輪葉的渦輪殼體的另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖；圖4是渦輪殼體的另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖；圖5是渦輪殼體的另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖；圖6是渦輪殼體的另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖；圖7是渦輪殼體的另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖；圖8是渦輪殼體的另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖；圖9是非軸線對稱渦輪殼體的側(cè)視圖；圖10是高壓填料密封件的側(cè)視圖；圖11是渦輪的輪空間區(qū)域的側(cè)視圖；圖12是帶有突起的渦輪殼體的側(cè)視圖；以及圖13是渦輪的側(cè)視圖。在不具有限制的情況下，詳細(xì)描述通過實(shí)例參照附圖闡述了本發(fā)明的實(shí)施例以及 優(yōu)點(diǎn)和特征。部件列表10 裝置20第一部件21 表面25流轉(zhuǎn)向部件26 遠(yuǎn)端30第二部件A $1 ! ^! (actual clearance gap area)E有效流動區(qū)域31 表面40流體路徑50 流體60上游區(qū)段70，80雙渦流室71凹部分72壁部分75，85雙渦流模式81壁部分
82管狀部分83凹部分90急劇的變向100 突起101 喇叭部(flare)C 二次流體(secondary fluid)105 渦輪110渦輪葉片111 板條112渦輪殼體120非軸線對稱殼體130高壓填料密封件131蜂巢組件140渦輪轉(zhuǎn)子141 噴嘴142第二流轉(zhuǎn)向部件
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的各方面，可在不相應(yīng)地減小轉(zhuǎn)子頂部和殼體之間的物理間隙的情況 下實(shí)現(xiàn)對燃?xì)獍l(fā)動機(jī)渦輪或一些其它類似的裝置中的頂部間隙流的控制。因而，可在不對 渦輪的機(jī)械完整性造成不利影響的情況下改進(jìn)渦輪級性能。參看圖1和2，提供了一種裝置10，并且該裝置10分別包括第一部件20和第二部 件30。第一部件20包括從其表面21延伸的流轉(zhuǎn)向部件25。第二部件30設(shè)置在第一部件 20的附近，其中，在第二部件30的表面31和流轉(zhuǎn)向部件25的遠(yuǎn)端沈之間限定了實(shí)際間隙 區(qū)域A。由此，在第一部件20和第二部件30之間形成流體路徑40，流體50可沿著該流體 路徑40在下游方向上從上游區(qū)段60流過實(shí)際間隙區(qū)域A。第二部件30還形成為在上游區(qū)段60處限定雙渦流室70和80。流體50在被容許 流過實(shí)際間隙區(qū)域A之前被引導(dǎo)成以雙渦流模式75和85流入雙渦流室70和80中。在流 體50被引導(dǎo)成以雙渦流模式75和85流動的情況下，通過實(shí)際間隙區(qū)域A的流體50的有 效流動區(qū)域E減小，從而使得E < A。詳細(xì)來說，第一渦流模式75使流體50流轉(zhuǎn)向朝向第 一部件20。然后第二渦流模式85引導(dǎo)流在流轉(zhuǎn)向部件25之上且在流轉(zhuǎn)向部件25周圍進(jìn) 行相對急劇的變向90，從而防止流體50流過實(shí)際間隙區(qū)域A的全部厚度。在一些情況下， 雙渦流室70和80可構(gòu)造成使得有效流動區(qū)域E明顯沒有實(shí)際間隙區(qū)域A厚。雙渦流室70和80形成為上游渦流室70和下游渦流室80。第二部件30還可形成 為在上游渦流室70和下游渦流室80之間限定突起100。參看圖3-8，上游渦流室70可包括凹部分71或壁部分72和凹部分71的組合，其 中，凹部分71連接到壁部分72的外徑上。下游渦流室80可包括壁部分81和管狀部分82 或凹部分83。突起100可在下游方向θ工上或在上游方向θ 2上成角度。在其它情況下，突起100可包括在其遠(yuǎn)端處的喇叭部101。喇叭部101可以上游方向和下游方向中任一個(gè)或兩 者指向。雖然單獨(dú)示出了圖3-8的實(shí)施例，但是理解到，可按彼此的各種組合來提供各種 實(shí)施例，并且與以上描述的那些構(gòu)造相符的其它構(gòu)造也是可行的?；仡^參看圖1和2，為了實(shí)現(xiàn)有效間隙區(qū)域E的進(jìn)一步減小，第二部件30可形成為 將二次流體C噴射或以別的方式排到流體路徑40中。二次流體C可包括冷卻劑，并且可用 來阻擋連續(xù)的流體50流。在二次流體C是冷卻劑的情況下，將二次流體C噴射到流體路徑 40中還可對本文描述的各種構(gòu)件提供冷卻作用。裝置10可應(yīng)用于在各種應(yīng)用中使用。例如，如圖1和2中所示，裝置10可為例如 燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的渦輪105的構(gòu)件。在此，第一部分20可包括可旋轉(zhuǎn)渦輪葉片110，流轉(zhuǎn)向 部件25可包括連接到渦輪葉片110上的板條111，并且第二部件30可包括構(gòu)造成在周邊包 圍渦輪葉片110和板條111的渦輪殼體112，其中，在渦輪殼體112的內(nèi)表面和板條111的 遠(yuǎn)端之間限定了實(shí)際間隙區(qū)域A。也就是說，提供了一種用于提供頂部間隙流控制的渦輪105，并且該渦輪105包 括可旋轉(zhuǎn)渦輪葉片110，該可旋轉(zhuǎn)渦輪葉片110具有從其表面延伸的板條111 ；和渦輪殼 體112。渦輪殼體112構(gòu)造成在周邊包圍可旋轉(zhuǎn)渦輪葉片110和板條111，其中，在渦輪殼 體112的內(nèi)表面和板條111的遠(yuǎn)端之間限定了實(shí)際間隙區(qū)域A。由此形成了流體路徑40， 流體50可沿著該流體路徑40以自上游區(qū)段60且通過間隙區(qū)域A的方式流動。渦輪殼體 112還形成為在上游區(qū)段60處限定雙渦流室70和80，在雙渦流室70和80中，流體50在 被容許流過間隙區(qū)域A之前被引導(dǎo)成以渦流模式75和85流動。如圖9中所示，第二部件30還可包括非軸線對稱殼體120。如圖10中所示，第一 部件20可包括與蜂巢組件131相對的高壓填料密封件130，突起100和雙渦流室70和80 設(shè)置在該蜂巢組件131附近。如圖11中所示，第一部件20可包括渦輪的輪空間腔體的渦 輪轉(zhuǎn)子140，其中，第二部件30包括帶有突起100的渦輪噴嘴141。在這種情況下，第二部 件30還可包括設(shè)置在流轉(zhuǎn)向部件25的下游的第二流轉(zhuǎn)向部件142。根據(jù)本發(fā)明的其它方面，提供了一種操作渦輪105的方法。該方法包括促使流體 50沿著形成為通過渦輪殼體112的流體路徑40以自上游區(qū)段60且通過實(shí)際間隙區(qū)域A的 方式流動，該實(shí)際間隙區(qū)域A限定在渦輪殼體112和可旋轉(zhuǎn)渦輪葉片110的板條111之間， 渦輪殼體112在周邊包圍可旋轉(zhuǎn)渦輪葉片110。在容許流體50流過實(shí)際間隙區(qū)域A之前， 方法還包括引導(dǎo)流體50在上游區(qū)段60處在雙渦流室70和80中以渦流模式75和85流動。 根據(jù)實(shí)施例，對流體50的引導(dǎo)可包括將流體50引導(dǎo)成流入上游渦流室70中，從該上游渦 流室70中流體50被轉(zhuǎn)向到渦輪葉片110上，并且隨后將流體50引導(dǎo)成流入下游渦流室80 中，從該下游渦流室80中流體50被迫在板條111上相對急劇地變向。另外，方法可包括在 將流體50引導(dǎo)成以渦流模式75和85流動的期間，將二次流體C(例如冷卻流)排入流體 50中。在仿真中，帶有雙渦流室70和80的典型的渦輪級顯示了在相應(yīng)地提高級效率的 情況下有效地減少了對于恒定的物理間隙的間隙流。雙渦流室70和80可應(yīng)用于新的燃?xì)?輪機(jī)或蒸汽輪機(jī)，以及已經(jīng)可用的渦輪。對于可用的渦輪而言，可將雙渦流室70和80提供 為升級期間的服務(wù)包(service package)的一部分。6
可用單個(gè)構(gòu)件或者可通過使用組裝在一起的多個(gè)構(gòu)件制成帶有突起100的雙渦 流室70和80。在圖12中顯示了一個(gè)這樣的組件，其中，突起100可包括組裝在殼體T槽口 中的單獨(dú)的可移除的部件。這在升級發(fā)動機(jī)期間結(jié)合渦流室是特別有用的。一般來說，板 條上的殼體具有管狀形狀，而且在一些情況下，板條可運(yùn)用成抵靠在耐磨的或蜂巢結(jié)構(gòu)上， 其中，允許板條有意地在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的變化的操作條件期間形成凹槽形狀，如圖13中 所示。雖然已經(jīng)結(jié)合僅有限數(shù)量的實(shí)施例來對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述，但是應(yīng)當(dāng)容易地 理解，本發(fā)明不限于這種公開的實(shí)施例。相反，本發(fā)明可修改成結(jié)合此前未描述過但與本發(fā) 明的精神和范圍相當(dāng)?shù)娜魏螖?shù)量的變化、更改、替換或等同布置。另外，雖然已經(jīng)描述了本 發(fā)明的各實(shí)施例，但應(yīng)理解到，本發(fā)明的方面可包括僅一些所描述的實(shí)施例。因此，本發(fā)明 不應(yīng)視為受前述描述的限制，而是僅受所附權(quán)利要求書的范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種裝置(10)，包括第一部件(20)，該第一部件00)帶有從其表面延伸的流轉(zhuǎn)向部件0 ；以及 設(shè)置在所述第一部件OO)的附近的第二部件(30)，其中，在所述第二部件(30)的表 面(31)和所述流轉(zhuǎn)向部件0 的遠(yuǎn)端06)之間限定了間隙區(qū)域A，從而使得在所述第一 和第二部件(20，30)的表面(21，31)之間形成流體路徑(40)，流體(50)沿著所述流體路徑 (40)以自上游區(qū)段(60)且通過所述間隙區(qū)域A的方式流動，所述第二部件(30)形成為在 所述上游區(qū)段(60)處限定雙渦流室(70，80)，在所述雙渦流室(70，80)中，所述流體(50)在被容許流過所述間隙 區(qū)域A之前被引導(dǎo)成以渦流模式(75，85)流動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置(10)，其特征在于，所述雙渦流室(70，80)形成為上游 和下游渦流室，其中，所述第二部件(30)還形成為在所述雙渦流室(70，80)之間限定突起 (100)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(10)，其特征在于，所述上游渦流室包括凹部分(71)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(10)，其特征在于，所述上游渦流室包括壁部分(72)和 連接到所述壁部分(7 的外徑上的凹部分(71)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(10)，其特征在于，所述下游渦流室包括壁部分(81)和 管狀部分(82)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(10)，其特征在于，所述下游渦流室包括凹部分(83)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(10)，其特征在于，所述突起(100)在下游方向上成角度。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(10)，其特征在于，所述突起(100)在上游方向上成角度。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置(10)，其特征在于，所述突起(100)包括在其遠(yuǎn)端處的 喇叭部(101)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置(10)，其特征在于，所述第二部件(30)還形成為將冷 卻流徑向向內(nèi)排入所述流體路徑GO)中。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于間隙流控制的渦流室，具體而言，提供了一種裝置(10)，并且該裝置包括第一部件(20)，其帶有從其表面(21)延伸的流轉(zhuǎn)向部件(25)；以及設(shè)置在第一部件的附近的第二部件(30)，其中，在第二部件的表面(31)和流轉(zhuǎn)向部件的遠(yuǎn)端(26)之間限定了間隙區(qū)域A，從而使得在第一和第二部件(20，30)的表面(21，31)之間形成流體路徑(40)，流體(50)沿著該流體路徑(40)以自上游區(qū)段(60)且通過間隙區(qū)域A的方式流動。第二部件形成為在上游區(qū)段(60)處限定雙渦流室(70，80)，在雙渦流室中，流體在被容許流過間隙區(qū)域A之前被引導(dǎo)成以渦流模式(75，85)流動。
文檔編號F01D9/02GK102042043SQ20101052241
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月14日
發(fā)明者J·約翰, S·K·賈因, S·K·賴 申請人:通用電氣公司