带有密封部件的燃气涡轮定子导叶及其修改方法

文档序号:402898 发布日期:2021-12-17 浏览:4次 >En<

阅读说明:本技术 带有密封部件的燃气涡轮定子导叶及其修改方法 (Gas turbine stator vane with sealing member and method of modifying same ) 是由 G·嘉尔德拉 于 2021-06-15 设计创作,主要内容包括:带有密封部件的燃气涡轮定子导叶及其修改方法。燃气涡轮定子导叶包括具有前方边缘(13a)和后方边缘(13b)的翼型件(13)、连接到翼型件(13)的外端的外平台(14)和连接到翼型件(13)的内端的内平台(15)。内平台(15)在翼型件(13)的前方边缘(13a)处和后方边缘(13b)处分别具有前边缘(15a)和后边缘(15b),并包括在后边缘(15b)处的定子后密封部(19),以及至少一个后密封肋(20),其与内平台(15)成一体并由相邻的后凹槽(21)界定,后凹槽在定子后密封部分(19)中一直沿后边缘(15b)彼此平行延伸,由此在使用中,定子后密封部分(19)响应于仅在至少一个后密封肋(20)处的热膨胀而接触燃气涡轮转子(3)的相应相邻转子部分。(Gas turbine stator vanes with sealing members and methods of modifying the same. The gas turbine stator vane comprises an airfoil (13) having a forward edge (13 a) and an aft edge (13 b), an outer platform (14) connected to an outer end of the airfoil (13), and an inner platform (15) connected to an inner end of the airfoil (13). The inner platform (15) has a leading edge (15 a) and a trailing edge (15 b) at a leading edge (13 a) and a trailing edge (13 b) of the airfoil (13), respectively, and comprises a stator aft seal portion (19) at the trailing edge (15 b), and at least one aft sealing rib (20) integral with the inner platform (15) and bounded by adjacent aft grooves (21) extending parallel to each other in the stator aft seal portion (19) all the way along the trailing edge (15 b), whereby in use the stator aft seal portion (19) contacts a respective adjacent rotor portion of the gas turbine rotor (3) in response to thermal expansion only at the at least one aft sealing rib (20).)

带有密封部件的燃气涡轮定子导叶及其修改方法

相关申请的交叉引用

本专利申请请求享有2020年6月15日提交的欧洲专利申请第20425018.7号的优先权,其全部公开通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种带有密封部件的燃气涡轮定子导叶和用于修改燃气涡轮定子导叶的方法。

背景技术

众所周知,燃气涡轮设有密封系统,其防止由燃烧产生的热气泄漏和到达热气路径之外的构件。事实上,虽然直接面向热气的构件设计成能够承受极高的温度,但其它构件却不是,因为制造成本将会太高。密封系统通常构造成通过定子构件和转子构件之间的窄通路,供应高压下的相对新鲜空气的密封气流。密封气流将热气限制在热气路径内,因此保护将遭受暴露于高温的构件。

为了有效,限定密封系统的转子构件和定子构件需要间隔开很小的距离,以便形成足够窄的通路并在任何操作条件下保持密封条件。然而,围绕热气路径的燃气涡轮构件会经历大的热膨胀,因为它们可能暴露于范围从室温到1000℃以上的温度。因此可能的是,在某些情况下,形成密封系统的定子构件和转子构件彼此接触。尽管需要考虑这种情况,静止部分和旋转部分之间的接触也可能造成损坏,并且在任何情况下都可能造成摩擦,摩擦导致效率损失。已知的解决方案不能有效地满足减少定子部分和转子部分的接触与保持足够窄的通路以在所有操作条件下密封气流的冲突需求。然而,一些产生更令人鼓舞的结果的解决方案成本高昂,因为它们需要需组装、焊接或钎焊的附加构件,诸如刷或蜂窝状密封件。

发明内容

因此,本发明的目的在于提供一种允许克服或至少减轻上述限制的燃气涡轮定子导叶和用于修改燃气涡轮定子导叶的方法。

根据本发明,提供了一种燃气涡轮定子导叶,其包括:

翼型件,其具有前方边缘和后方边缘;

连接到翼型件的外端的外平台,以及连接到翼型件的内端的内平台,其中内平台在翼型件的前方边缘处和后方边缘处分别具有前边缘和后边缘,并且包括:

在后边缘处的定子后密封部分;以及

至少一个后密封肋,其与内平台成一体并由相邻的后凹槽界定,后凹槽在定子后密封部分中一直沿后边缘彼此平行延伸,由此在使用中,定子后密封部分响应于仅在至少一个后密封肋处的热膨胀而接触燃气涡轮转子的相应相邻转子部分。

定子和转子的接触区域因此最小化。因此,在不影响定子后密封部分的密封功能的情况下,摩擦和损坏风险显著降低。密封肋也作为牺牲元件提供,因为其可能由于小接触面积而由磨损部分地侵蚀,并且恰好达到适应热膨胀所需的程度。后密封肋的侵蚀不会显著改变平台的后边缘的整体形状,并且密封效果没有改变。

此外,后密封肋与内平台成一体,并且不需要应用附加的构件。因此与已知的解决方案相比成本更低。

根据本发明的一个方面,至少一个后密封肋的厚度在0.3mm和3mm之间。

根据本发明的一个方面,后凹槽的深度在3mm和20mm之间。

根据本发明的一个方面,后边缘的至少一部分由包络表面限定,并且至少一个后密封肋的远侧边沿位于包络表面中。

根据本发明的一个方面,后边缘的至少一部分由包络表面限定,并且至少一个后密封肋的远侧边沿从包络表面向外突出。

平台的后边缘的形状有利于密封空气作为膜状流的输送,这也有利于热气路径中的转子构件的冷却。

根据本发明的一个方面,包络表面是具有在3mm和15mm之间的曲率半径的回转表面,或包络表面是平坦表面。

根据本发明的一个方面,定子导叶包括由相应成对的相邻的后凹槽限定的多个平行的后密封肋,后凹槽在定子后密封部分中一直沿后边缘彼此平行延伸,由此在使用中,定子后密封部分响应于仅在多个后密封肋处的热膨胀而接触燃气涡轮转子的相邻转子部分。

可相应地实现灵活的设计,以在需要折衷的特殊条件下满足转子和定子之间的接触面积的减小和密封效果的要求。

根据本发明的一个方面,内平台包括:

在前边缘处的定子前密封部分;以及

至少一个前密封肋,其由相邻的前凹槽界定,前凹槽在定子前密封部分中一直沿前边缘彼此平行延伸,由此在使用中,定子前密封部分响应于仅在至少一个前密封肋处的热膨胀而接触燃气涡轮转子的相应相邻转子部分。

根据本发明的一个方面,还提供了一种燃气涡轮,其包括:

转子,其具有多个转子级;

定子,其具有沿轴向方向与转子级交替的多个定子级;

其中定子级中的至少一个包括多个如上限定的定子导叶。

根据本发明的一个方面,燃气涡轮包括在定子级中的至少一个的定子导叶和对应的相邻转子级之间的密封结构,其中密封结构部分地由定子导叶的定子后密封部分限定。

根据本发明的一个方面,密封结构包括转子级中的一个的面向定子级中的至少一个的转子密封部分,并且定子后密封部分构造成响应于仅在至少一个后密封肋处的热膨胀而接触转子密封部分。

根据本发明的一个方面,定子级中的至少一个的相邻定子导叶的后密封肋彼此连结而没有间断。

根据本发明的一个方面,还提供了一种用于修改燃气涡轮定子导叶叶片的方法,定子导叶包括:

翼型件,其具有前方边缘和后方边缘;

连接到翼型件的外端的外平台,以及连接到翼型件的内端的内平台,其中内平台在翼型件的前方边缘处和后方边缘处分别具有前边缘和后边缘;以及

在后边缘处的定子后密封部分;

该方法包括形成相邻的后凹槽,后凹槽在定子后密封部分中一直沿后边缘彼此平行延伸,由此相邻的后凹槽界定与内平台成一体的至少一个后密封肋,并且在使用中,定子后密封部分响应于仅在至少一个后密封肋处的热膨胀而接触燃气涡轮的转子的相应相邻转子部分。

该方法允许调整现有的定子导叶以减少与密封系统的定子构件和转子构件之间相对大的接触面积相关联的限制。

附图说明

现在将参考附图描述本发明,附图示出了本发明的一些非限制性实施例,在附图中:

-图1是燃气涡轮发动机的截面视图;

-图2是包括在图1的燃气涡轮发动机中的根据本发明的实施例的定子导叶的侧视图;

-图3是图2的定子导叶的一部分的放大透视图;

-图4是图2的定子导叶的第一细节的放大截面侧视图;

-图5是图2的定子导叶的第二细节的放大截面侧视图;

-图6是根据本发明的另一个实施例的定子导叶的细节的截面侧视图;

-图7是根据本发明的另一个实施例的定子导叶的细节的截面侧视图;

-图8是根据本发明的另一个实施例的定子导叶的细节的截面侧视图;以及

-图9是根据本发明的实施例的方法的中间步骤中的定子导叶的细节的截面侧视图。

具体实施方式

参考图1,根据本发明的实施例的燃气涡轮发动机由数字1表示并且包括定子2和转子3,转子围绕机器轴线A可旋转地联接到定子2。定子2和转子3形成燃气涡轮发动机1的压缩机区段4和膨胀或涡轮区段5,燃气涡轮发动机进一步包括燃烧器组件7。燃烧器组件7可为如图1的示例中的环形类型,或可为筒环形、筒形或筒仓类型。压缩机区段4向燃烧器组件7供给从外部吸入的气流。燃烧器组件7将来自压缩机区段4的空气与来自燃料供应系统(未示出)的燃料混合以形成被点燃和燃烧的混合物。燃气涡轮发动机1可构造成使用不同类型的燃料,气态燃料和液态两者。涡轮区段5接收并膨胀来自燃烧器组件7的热气流,以提取机械功,机械功传递到外部用户,通常为发电机,在这里未示出。

燃气涡轮发动机1的定子2和转子3具有多个定子级8和转子级10,每个定子级包括成阵列的径向定子导叶11,每个转子级包括成阵列的径向转子叶片12。定子级8和转子级10沿燃气涡轮发动机1的轴向方向交替。

图2和图3示出了涡轮区段5中的定子级8中的一个的定子导叶11。理解的是,相同定子级8的所有定子导叶11具有相同的结构,并且下文中关于图2描述的特征也可根据设计偏好适用于其它定子级8的定子导叶11。

定子导叶11包括具有前方边缘13a和后方边缘13b的翼型件13、连接到翼型件13的外端的外平台14和连接到翼型件13的内端的内平台15。外平台14和内平台15是弯曲的,具体地以围绕与机器轴线A重合的公共轴线延伸的相应同心环形扇区的形式,而翼型件13沿径向方向延伸。在此和在下文中,用语“内”和“外”应相对于外平台14和内平台15的公共轴线进行一般性理解,即作为分别“更接近”和“更远离”公共轴线的意思。

外平台14连接到定子2的导叶载体(未示出),并且在工作位置支承定子导叶11。

内平台15构造成连结相邻定子导叶11的内平台15,使得相同定子级8中的所有定子导叶11的内平台15形成围绕转子3的环,该环向内界定热气路径并提供机械强度。

内平台15分别在翼型件13的前方边缘13a处和后方边缘13b处具有前边缘15a和后边缘15b。

如图4中所示,密封结构16形成为所考虑的定子级8的定子导叶11的内平台15与转子3(特别是沿下游方向的对应的相邻转子级10)之间的空气通路。来自压缩机区段4的高压密封空气通过密封结构16供给到热气路径中,并防止吸入可能对并未预期和设计为暴露于高温的构件造成损坏的热气。在转子侧,密封结构16由与定子导叶11相邻的转子密封部分18限定。在定子侧,密封结构16由每个定子导叶11的内平台15的定子后密封部分19限定。密封结构16包括至少一个后密封肋20,其在定子后密封部分19中与内平台15一体形成,特别是在大热膨胀的情况下预期首先接触相邻转子密封部分18的区域中。后密封肋20由一直沿后边缘15b彼此平行延伸的相邻的后凹槽21界定。由于在后凹槽21处没有材料,故在使用中,定子后密封部分19可响应于仅在后密封肋20处的热膨胀而接触相邻的转子密封部分18。

在一个实施例中,后密封肋20的厚度在0.3mm和3mm之间,并且后凹槽21的深度在3mm和20mm之间。后边缘15b的至少一部分由包络表面限定,例如具有在3mm和15mm之间的曲率半径的回转表面S1,并且至少一个后密封肋20的远侧边沿位于包络表面中。定子级8的相邻定子导叶11的后密封肋20认作是彼此连结而没有间断。

在一个实施例(图5)中,定子导叶8的内平台15还包括在前边缘15a处的定子前密封部分24,以及由相邻的前凹槽26界定的至少一个前密封肋25,前凹槽在定子前密封部分24中一直沿前边缘15a彼此平行延伸。在使用中,定子前密封部分24响应于仅在至少一个前密封肋25处的热膨胀而接触转子3的相应相邻部分。

在图6中所示的一个实施例中,后边缘15b的至少一部分由包络表面(这里也是回转表面S1)限定,并且后密封肋的远侧边沿(这里由20'表示)从包络表面向外突出。

在一个实施例(图7)中,包络表面是平坦表面S2。后密封肋20的远侧边沿可位于包络表面中(如图8中所示),或从其向外突出。

在图8中所示的一个实施例中,内平台15包括由相应成对的相邻的后凹槽21''界定的多个平行的后密封肋20'',后凹槽在定子后密封部分19中一直沿后边缘15b彼此平行延伸。在使用中,定子后密封部分19响应于仅在多个后密封肋20''处的热膨胀而接触转子密封部分18。

根据本发明的定子导叶可通过铸造直接获得或通过修改现有的定子导叶获得。在后一种情况下,通过在内平台15的初始实心定子后密封部分19中形成相邻的后凹槽21(见图9,虚线)来实现修改。凹槽21可通过任何合适的技术(例如机械加工或电腐蚀)形成。

最后清楚的是,在不脱离所附权利要求书的保护范围的情况下,可对所描述和示出的燃气涡轮和方法进行改变和改型。

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