具有非轴对称前向特征结构的涡轮叶片的制作方法

1.本公开的实施方案整体涉及旋转机器，并且更具体地涉及涡轮叶片的前向特征结构，该前向特征结构用于控制涡轮叶片附近的流体流动和温度以减少可能由涡轮叶片结构附近或下方的空间中的温度累积引起的损失。


背景技术：

2.涡轮在转子组件的轮或盘上采用成排的旋转叶片，这些旋转叶片与定子或喷嘴组件上的成排的固定叶片交替。这些交替的排沿着转子和定子轴向延伸，并且在燃烧气体或蒸汽流过其中时允许燃烧气体或蒸汽使转子转动。
3.在旋转叶片和固定喷嘴之间的接口处的轴向开口和/或径向开口可允许热燃烧气体或蒸汽离开主流并径向进入叶片排之间的居间轮空间。在燃气涡轮中，冷却空气或“吹扫空气”通常被引入到叶片排之间的轮空间中。该吹扫空气用于冷却轮空间内的部件和空间以及从叶片径向向内的其他区域，并且提供冷却空气的逆流以进一步限制热气体侵入到轮空间中。然而，由于需要吹扫此类气体或蒸汽，燃烧气体或蒸汽侵入到叶片排之间的轮空间中直接和/或间接地导致涡轮效率降低。


技术实现要素：

4.本公开的各方面提供了一种涡轮叶片，该涡轮叶片包括：平台；翼片，该翼片从平台径向向外延伸并且被构造成延伸到流体流路中，其中该翼片将流体流路的上游部分与流体流路的下游部分分隔开；密封构件，该密封构件从平台朝向邻近平台的固定喷嘴轴向延伸，其中该密封构件将流体流路与轮空间分隔开；以及前向面，该前向面位于平台上并在密封构件和翼片之间，并且轴向地面向流体流路的上游部分，其中该前向面的顶表面的周向轮廓相对于前向面的中心线轴线是非轴对称的。
5.本公开的另外的方面提供了一种涡轮叶片，该涡轮叶片包括：平台；翼片，该翼片从平台径向向外延伸并且被构造成延伸到流体流路中，其中该翼片将流体流路的上游部分与流体流路的下游部分分隔开；密封构件，该密封构件从平台朝向邻近平台的固定喷嘴轴向延伸，其中该密封构件将流体流路与轮空间分隔开；以及前向面，该前向面位于平台上并在密封构件和翼片之间，并且轴向地面向流体流路的上游部分；以及前向轴向面，该前向轴向面位于平台上并且从前向面的顶表面延伸到翼片，其中该前向轴向面的轴向轮廓相对于前向面的中心线轴线是非轴对称的。
6.本公开的另一方面提供了一种涡轮叶片，该涡轮叶片包括：平台；翼片，该翼片从平台径向向外延伸，该翼片被构造成延伸到流体流路中，其中该翼片将流体流路的上游部分与流体流路的下游部分分隔开；密封构件，该密封构件从平台朝向固定喷嘴轴向延伸，其中该密封构件将流体流路与轮空间分隔开；前向面，该前向面位于平台上并在密封构件和翼片之间，并且轴向地面向流体流路的上游部分，其中该前向面的顶表面的周向轮廓相对于前向面的中心线轴线是非轴对称的；以及前向轴向面，该前向轴向面位于平台上并且从
前向面的顶表面延伸到翼片，其中该前向轴向面的轴向轮廓相对于前向面的中心线轴线是非轴对称的。
附图说明
7.从结合描绘本公开的各种实施方案的附图的以下详细描述，将更容易理解本公开的涡轮叶片的这些和其他特征，其中：
8.图1示出了常规涡轮叶片的一部分的示意性剖视图；
9.图2示出了根据本公开的实施方案的涡轮叶片的透视图；
10.图3示出了将具有轴对称前向特征结构的涡轮叶片与具有非轴对称前向特征结构的涡轮叶片进行比较的曲线图；
11.图4示出了根据本公开的实施方案的具有各种非轴对称前向特征结构的多个涡轮叶片的透视图；
12.图5示出了根据本公开的另外的实施方案的涡轮叶片的透视图；并且
13.图6示出了多轴发电厂系统的部分的示意性框图，其中部署了根据本公开的实施方案的涡轮叶片。
14.需注意，本发明的附图未按比例绘制。附图旨在仅描绘涡轮叶片的典型方面及其特征结构，并且因此不应当被视为限制本发明的范围。在附图中，类似的编号表示附图之间的类似的元件。
具体实施方式
15.现在转到附图，图1示出了燃气涡轮10的一部分的示意性剖视图，该燃气涡轮包括设置在两个相邻喷嘴(例如，第一级喷嘴20(有时称为“固定叶片”)和第二级喷嘴22)之间的叶片40。叶片40从轴向延伸的转子(未示出)径向向外延伸，如本领域的技术人员将认识到的。叶片40包括平台42，并且翼片50从平台42径向向外延伸。平台42可具有相对于翼片50径向向内延伸的柄部分60。
16.柄部分60包括朝向第一级喷嘴20轴向向外延伸的一对密封构件70、72(有时称为“天使翼”)和朝向第二级喷嘴22轴向向外延伸的密封构件74。应当理解，密封构件的不同数量和布置是可行的。本文所述的密封构件的数量和布置仅仅是为了说明的目的提供的。
17.如在图1中可见，喷嘴表面30和阻挡构件32从第一级喷嘴20轴向延伸，并且分别从密封构件70和72径向向外设置。这样，喷嘴表面30与密封构件70重叠但不接触，并且阻挡构件32与密封构件72重叠但不接触。相对于第二级喷嘴22的阻挡构件32和密封构件74示出了类似的布置。在图1所示的布置中，在涡轮的操作期间，一定量的吹扫空气可设置在例如喷嘴表面30、密封构件70和平台唇缘44之间，从而既限制吹扫空气逸出到热气体流路28中又限制热气体从热气体流路28侵入到轮空间26中。
18.尽管图1示出叶片40设置在第一级喷嘴20和第二级喷嘴22之间，使得叶片40表示第一级叶片，但这仅仅是为了说明和解释的目的。本文所述的本发明的原理和实施方案可应用于涡轮中任何级的叶片，期望实现类似的结果。
19.图2示出了根据本公开的实施方案的具有非轴对称前向特征结构的涡轮叶片140的一部分的透视图。涡轮叶片140在图2中被描绘为位于第一级喷嘴20和第二级喷嘴22之
间，但涡轮叶片140可位于涡轮机的需要旋转叶片的任何可设想的位置。涡轮叶片140可包括平台142和从平台142径向向外(即，至少部分地沿着径向轴线r)延伸的翼片150。可以看出，翼片150包括前缘152(例如，更靠近第一级喷嘴20)和后缘154(例如，更靠近第二级喷嘴22)。翼片150可延伸到流体流路160中，该流体流路可包括翼片150上游的上游部分160a和翼片150下游的下游部分160b。
20.平台142可包括前向面170，该前向面更靠近前缘152而非后缘154。在这种情况下，翼片150的前缘152可沿轴向(即，沿着轴向轴线z)面向前向面170。前向面170可从密封构件172径向延伸到顶表面174，并且可面向流体流路160的上游部分160a。前向面170的顶表面174(类似于图1的平台唇缘44)将前向面170与平台142的顶面176分隔开。在这种情况下，翼片150可安装在平台142的顶面176上，并且/或者可从平台的顶面径向向外延伸。
21.密封构件172可例如通过由较大的前体结构加工而由平台142形成，并且/或者通过任何已知的或稍后开发的方法来生产。例如，密封构件172和/或平台142的其他不同特征结构可通过铸造和/或增材制造来形成。不管怎样形成，密封构件172都可朝向第一级喷嘴20轴向(即，沿着径向轴线z)延伸。密封构件172还可将上游部分160a内的平台空间178与密封构件172径向下方的其他空间(即，沿着径向轴线r的负方向)分隔开。此类空间可包括例如径向地位于上游部分160a和轮空间182之间的缓冲空间180。附加密封构件184可将缓冲空间180与轮空间182径向分隔开。
22.平台142可包括前向特征结构，该前向特征结构被成形为关于平台142的对应部分的中心线轴线非轴对称。一个此类前向特征结构可包括例如前向面170的顶表面174。前向面170可具有从平台142轴向向外(例如，朝向第一级喷嘴22)延伸的中心线轴线j。涡轮叶片140可不同于常规叶片结构，例如，通过具有相对于中心线轴线j非轴对称的至少一个前向特征结构。术语“非轴对称”是指平台142的任何部分关于中心线轴线j的位置是不对称的。根据一个示例，此类前向特征结构可包括顶表面174的周向轮廓。术语“周向轮廓”可指顶表面174沿其至少部分地相对于周向轴线c延伸的路径。
23.轴对称的周向轮廓可包括例如关于中心线轴线j对称的或相对于该中心线轴线居中的线性路径或弓形路径。此类轮廓可包括例如弓形的、分段限定的线性轮廓和/或关于中心线轴线j对称的沿周向轴线c的其他轮廓。在本公开的实施方案中，顶表面174关于中心线轴线j非轴对称。例如，在图2的示例中，顶表面174包括节结n，该节结更靠近平台142的一个周向端部而非另一个周向端部。如本文所用，术语“节结”可指至少一个凸起部分、凹陷部分、斜坡、凸块、凹槽和/或其他类似的特征结构，该其他类似的特征结构可为与另一个表面区域的轮廓成弓形的和/或非弓形的差异部分。不管形状如何，节结n可更靠近翼片150的压力侧表面ps而非抽吸侧表面ss(如图所示)，反之亦然。
24.应当理解，顶表面174可包括多个节结，例如，更靠近翼片150的抽吸侧表面ss而非压力侧表面ps的若干节结。节结的任何数量或布置是可行的，前提条件是顶表面174的此类节结和/或其他非线性和/或弓形部分关于中心线轴线j不对称。在另外的示例中，顶表面174的每个节结n和/或其他非弓形或非线性部分可具有其自身相对于中心线轴线j为非轴对称的轮廓。如图2所示，节结n在顶表面174内具有非轴对称轮廓和非对称位置两者以示出这两种可能性。
25.节结n和/或顶表面174的关于中心线轴线j非轴对称的其他部分的存在可提供周
向轮廓，该周向轮廓有利于在涡轮叶片140旁边的空间中有效地利用吹扫空气pa并且避免从流体流路160摄取热气体。涡轮叶片140的该属性在平台142的前向面170和顶表面174处提供例如降低的气体温度。降低的气体温度继而减少到邻近涡轮叶片140的空间的总吹扫流量，并因此提高涡轮系统的效率。通过定位在前向面170上，顶表面174的非轴对称部分可在涡轮叶片140中提供优选的热集中，而不显著干扰流体流路160中的工作流体的流动。
26.涡轮叶片140的非轴对称特征结构可仅限于其特征结构中的一个特征结构，例如，前向面170。根据一个示例，平台142可包括前面190，该前面与前向面170轴向相对并且面向流体流路160的下游部分160b。前面190自身可包括与前向面170的顶表面174不同的顶表面192(以虚线显示)。前面190的顶表面192可关于前面190的中心线轴线k轴对称。因此，顶表面192可不含任何节结n，诸如以举例的方式示出于顶表面174中的那些。
27.在另外的示例中，顶表面192可包括一个或多个节结n，但此类节结可通过关于中心线轴线k对称地布置而不同于顶表面174中的那些节结。因此，无论顶表面192如何成形，其均可具有这样的轮廓，该轮廓通过关于其中心线轴线k轴对称而在几何形状上不同于前向面170的顶表面174。
28.图3提供了用于将常规涡轮叶片的前向特征结构(例如，平台唇缘44(图1))的部分与涡轮叶片140(图2)的前向特征结构(例如，顶表面174(图2))的部分进行比较的曲线图。轴线“c”指示顶表面174(或平台唇缘44)从叶片140的一侧到另一侧的周向位置，而轴线“s”指示顶表面174在径向方向r上相对于平台142的顶面176的高度。图3中的间隔“n”表示示例性具体实施中的一个节结“n”的跨度。图3所示且标记为“非轴对称”的曲线图可表示如图2所描绘的顶表面174的一部分。在常规涡轮叶片中，前向面的顶表面(即，平台唇缘44)可以是基本上线性的，并且因此关于中心线轴线j轴对称(如图2所示)。在这种情况下，如图3所绘，常规涡轮叶片的顶表面可相对于平台142相对于其在径向轴线r上的最底部点的平均高度被固定在大约百分之零的高度差处。此类曲线图被标记为“轴对称”。
29.然而，在本发明的涡轮叶片140的实施方案中，节结n将使顶表面174具有沿着轴线s(即，在径向方向r上)比平台142的中值高度小约百分之十的谷。节结n也可使顶表面174在不同的周向位置处具有比平台142在径向方向r上的中值高度大约百分之五的峰。在这种情况下，顶表面174的峰比顶表面174的谷更靠近翼片150定位。根据图3中描绘的示例性曲线图，顶表面174的峰和谷可以在周向上远离翼片150的前缘152(图2)的位置，在示例性曲线图中由标记“le”指示。
30.在另外的示例中，顶表面174的峰和谷可以在相对的位置，或者位于沿周向轴线c的其他位置。还应当理解，另外的具体实施可包括多个峰和多个谷(例如，由顶表面174内的相应节结n形成)。在任何情况下，图3均表明顶表面174可相对于中心线轴线j为非轴对称的。
31.图4描绘了与一个常规涡轮叶片40并排在一起的若干涡轮叶片140，以进一步示出本公开的实施方案之间的差异以及根据本公开的实施方案的涡轮叶片140与常规涡轮叶片40之间的差异。应当理解，图4中的描绘仅用于比较，并且涡轮叶片140的多种构型可不一起部署在一台机器中以及/或者可不与常规涡轮叶片40一起部署。
32.图4描绘了四个不同的涡轮叶片140，每个涡轮叶片具有相应的前向面170，该前向面具有形状明显不同的顶表面174。如图所示，每个顶表面174可具有相应的节结n，该节结
使涡轮叶片140的每个顶表面174相对于前向面170的对应中心线轴线j非轴对称。相比之下，涡轮叶片40没有任何节结n，并且更显著地在其前向面上具有轴对称轮廓。因此应当理解，前向面170的顶表面174可使用任何可设想的形状、轮廓等来形成，使得其具有相对于前向面170的对应中心线轴线j的沿周向轴线c的非轴对称轮廓。还应当理解，如图4所示，翼片150与顶面176相交的位置可基于顶表面174内的节结n的形状、数量和/或位置而变化。
33.图5描绘了具有各种附加特征结构的涡轮叶片140的另外的示例。除非本文特别注明，涡轮叶片140可包括与其他实施方案中讨论的那些特征结构相同或类似的若干特征结构(例如，如图2、图4中所描绘的涡轮叶片140)。图5所示的涡轮叶片140的各种特征结构可与其他实施方案中的那些特征结构一起实现，或者与其他实施方案中的那些特征结构分开实现。在一些具体实施中，平台142可包括从顶面176延伸到前向面170的至少一部分上的前向轴向面194。在一些情况下，前向轴向面194可从翼片150延伸到密封构件172。另外，前向轴向面194可朝向流体流路160的上游部分160a导向。
34.不管怎样呈现，前向轴向面194都可采取轴向定位在翼片150的一部分(例如，前缘152)与密封构件172之间的附加表面和/或凸起区域的形式。前向轴向面194可具有相对于前向面170的中心线轴线j为非轴对称的任何可设想的轴向轮廓。由于前向面170的结构的差异，轴线j被示出为面向与图2中不同的方向。在图5中，前向轴向面194沿着前向面170的一部分基本上轴向地延伸，但沿着前向面170和更靠近翼片150的顶表面174的一部分朝向翼片150的抽吸侧表面ss周向地弯曲。在该构型中，前向轴向面194的轴向轮廓关于前向面170的中心线轴线j不对称，并且因此如本文所述是非轴对称的。此外，前向轴向面194的一个轴向端部可在从前缘152轴向偏移的位置处(例如，在前缘与后缘154之间)接触压力侧表面ss的一部分。
35.前向轴向面194的另外的实施方案可通过关于中心线轴线j非轴对称的任何可设想的轴向轮廓延伸跨过顶面176，并且此类轴向轮廓可包括线性轴向路径和/或非线性轴向路径。无论前向轴向面194的形状和位置如何，前向面170都任选地可以顶表面174为特征，该顶表面具有相对于中心线轴线j也为非轴对称的周向轮廓。在此类情况下，顶表面174中的一个或多个节结n的位置可与平台142上的前向轴向面194的位置重合。还应当理解，前向轴向面194可另选地定位在平台142上，其中顶表面174的特征不在于非轴对称的周向轮廓。然而，类似于本文所述的其他实施方案，涡轮叶片140可包括具有顶表面192的前面190，其中顶表面192的周向轮廓关于前面190的中心线轴线k轴对称。
36.虽然涡轮叶片140的实施方案被描述为定位在第一级喷嘴20和第二级喷嘴22之间，但应当理解，涡轮叶片140可放置在其他级的喷嘴之间并且/或者适应于涡轮机的其他部分。因此，涡轮叶片140能够操作以用于部署在流体流路160内，以降低前向面170和/或前向轴向面194处或附近的气体温度。
37.涡轮叶片140不同于常规旋转叶片结构，例如，通过在平台142的前向的轴向表面上包括前向面170(具体地，顶表面174)和/或前向轴向面194的非轴对称几何形状。具有非轴对称特征结构的前向面170和/或前向轴向面194可与在前向面170的顶表面处的吹扫空气冷却空间(例如，平台空间178和/或缓冲空间180)相邻，从而在平台142的与翼片150相邻的部分和平台142的与密封构件172相邻的部分之间产生更显著的温度差(例如，至少大约200
°
f)。与常规旋转叶片结构相比，此类温度差可以提供工作效率的改进，例如，在使用平
台142的涡轮级中提供至少约0.20％的效率改进。此外，此类温度差可减少冷却平台142的某些热敏区域所需的吹扫空气的量。
38.应当理解，在各种实施方案中，叶片结构140的顶表面174和/或前向轴向面194的许多尺寸、形状、轮廓等可变化，并且可包括本文未具体示出或描述的构型。各种其他翼片参数(例如，壁顶点位置、叶片间距、宽度、各种表面的长度和/或面积之间的纵横比等)也是可行的，并且可进一步影响前向面170的顶表面174和/或前向轴向面194的形状和尺寸。本文给出的此类参数的任何示例值仅是对根据本公开的许多可能实施方案中的若干实施方案的说明。
39.转到图6，示出了多轴联合循环发电厂900的部分的示意图，其中可部署涡轮叶片140。联合循环发电厂900可以包括例如可操作地连接到发电机970的燃气涡轮980。发电机970和燃气涡轮980可通过轴915机械地联接，该轴可将能量从燃气涡轮980的驱动轴(未示出)传递到发电机970。在图6中还示出了可操作地连接到燃气涡轮980和蒸汽涡轮992的热交换器986。热交换器986可经由常规导管(编号省略)流体地连接到燃气涡轮980和蒸汽涡轮992两者。燃气涡轮980和/或蒸汽涡轮992可包括如参考图2、图4和图5和/或本文描述的其他实施方案示出和描述的一个或多个涡轮叶片140。热交换器986可以是常规热回收蒸汽发生器(hrsg)，诸如在常规联合循环动力系统中使用的那些。
40.如在发电领域中已知的，热交换器986可以使用来自燃气涡轮980的热排气与水供应的组合以产生供给到蒸汽涡轮992的蒸汽。蒸汽涡轮992可以任选地联接到第二发电机系统970(经由第二轴915)。应当理解，发电机970和轴915可以具有本领域已知的任何尺寸或类型，并且可以取决于其应用或其连接到的系统而不同。发电机和轴的共同编号是为了清楚起见，并且不一定表明这些发电机或轴是相同的。在另外的实施方案中，单轴联合循环发电厂990可包括经由单个轴915(未示出)联接到燃气涡轮980和蒸汽涡轮992两者的单个发电机970(未示出)。蒸汽涡轮992和/或燃气涡轮980可包括参考图2、图5和图5和/或本文描述的其他实施方案示出和描述的一个或多个涡轮叶片140。
41.本公开的装置和设备不限于任何一个特定的发动机、涡轮、喷气发动机、发电机、发电系统或其他系统，并且可与飞机系统、其他发电系统(例如，联合循环、简单循环)和/或其他系统(例如，核反应堆等)一起使用。此外，本公开的装置可与本文未描述的其他系统一起使用，这些系统可受益于本文所述的装置和设备的提高的效率。
42.在各种实施方案中，被描述为彼此“联接”的部件可以沿着一个或多个接口接合。在一些实施方案中，这些接口可以包括不同部件之间的接合部，并且在其他情况下，这些接口可以包括牢固和/或整体形成的互连。也就是说，在一些情况下，可以同时形成彼此“联接”的部件以限定单个连续构件。然而，在其他实施方案中，这些联接的部件可以形成为单独的构件，并且随后通过已知的工艺(例如，紧固、超声焊接、粘结)接合。
43.如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确地指出。将进一步理解，当在说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在陈述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。
44.本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何相关的或结合的方
法。本发明可申请专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，则此类其他示例预期在权利要求书的范围内。