專利名稱：壓氣機端壁處理的制作方法
技術領域：
本發明涉及到一種燃氣輪機，尤其是涉及到一種改進壓氣機氣流失速特性的方法。
在燃氣輪機發動機中，壓氣機葉片安裝在轉盤上，其葉片的頂端盡可能地靠近端壁。各種不同的密封技術被用于盡量小地減小頂端——端壁間隙和端部摩擦對密封的不利影響。壓氣機轉子葉片頂端——端壁間隙增長，有效地減小壓氣機失速裕度，主要是由于葉片壓力側面與吸氣側之間的泄漏。這種泄漏減小了通過葉片通道的總的流動動量，減小葉片壓力升高的能力，因此減小失速裕度。由于這種泄漏，從葉片根部至頂端的壓力曲線，以相對頂端的總壓力降表示。間隙失速裕度損失增加，或許由于端壁與葉片吸氣側面邊界層的結果，一種情況可能在吸氣側面產生邊界層分離，在該區域產生流動阻塞。
本發明的目的在于通過盡量減小端壁與壓氣機葉片頂端之間的頂端間隙的有害影響，和通過有效地改進葉片端部附近的流動性能來改進壓氣機的失速裕度。
根據本發明，在葉片頂端和壁壁之間具有特殊的空氣動力學結構，其在通道中提供頂端流，這樣可以增加流動動量，并產生混合端壁流的效果。
根據本發明，一屏蔽襯墊圍繞壓氣機葉片安裝在端壁中，該襯墊包括以一定角度傾斜的一端不通的蜂窩狀室。角的一邊在葉片轉動方向上，相對于切向軸線方向，角的第二個邊相對于葉片的徑向(法向)。根據葉片壓力側面的提前量，蜂窩狀室隨壓力側面空氣“充氣”，并且由于葉片與第一室相交，室通到吸氣側面，產生從室放射出的瞬時高速流動噴射。
為了實現上述兩個主要目的，選擇室的合成角度。面對前置葉片壓力側面進行室定向，以便獲得由移動葉片傳遞的空氣動力壓力。這保證室隨空氣充氣，在產生感應壓比的有效噴射中是有效的。而且，沿葉片弦取向，結果使所生成的噴射方向在氣流方向具有一重要分量，該分量增大流動動量。以合成角度來自室的高速噴射，在沒有破壞主流的情況下使最外端壁流有效地混合(沖擊范圍的穩定性)，盡可能小地減小效率損失。在流動方向的噴射分量增大了流動動量，是通過在頂部區域增加總壓的一種情況。
根據本發明，選擇室的尺寸，使所產生的室抽空時間常數是葉片通過時間周期的幾分之一。室的直徑(垂直于室的軸線)是由葉片厚度決定的，室的深度(沿室的軸線)是所述范圍的1-7倍。
本發明的特征是通過激勵端壁附近的流場，提供具有最小壓氣機效率的最好失速裕度特性(處于靜止或轉動)。另一個特征是可以用于改進端壁和升力表面頂端之間的升力特征。例如，在壓氣機靜的部分，具有這些室的襯墊放置在面對靜止葉片頂部的轉鼓上。明的其他好處和性能對于本領域中的技術人員從以下說明中可以清楚看出。


圖1所示為圖8所示典型燃氣輪機發動機的1-1剖面圖；圖2所示為圍繞本發明葉片的屏蔽截面的平面圖3所示為圖2中3-3剖面圖；圖4所示為圖2中4-4剖面圖；圖5所示為所示的兩層屏蔽的分解圖；圖6所示為屏蔽的數個室的視圖；圖7所示為葉片頂部和屏蔽的相鄰層的放大圖；圖8所示為包括有屏蔽的燃氣輪機發動機示意圖。
在圖1中，一組增壓透平葉片10被安裝到帶有殼體16的各自的壓氣機轉盤14上。如圖8所示，葉片和轉盤是燃氣輪機發動機中的典型壓氣機部分的元件。靜子葉片18位于葉片10的上游，以便引導空氣流20。在殼體16中具有一圓形座22，用于安裝包括有多層蜂窩狀室28的環形襯墊24，圖2放大了這些部件。其中，箭頭RT表示葉片轉動方向，箭頭20表示進入壓氣機的空氣流。圖1表示由室28L層構成的襯墊24，將要說明的室以合成角取向，一個角為θ，第二個角為φ。角θ確定了從葉片切線方向即圖2中RT方向的所述室的軸線30的位移。角度φ確定了從法線(徑向)29的室軸線的位移。也許較容易地在圖3中看到，室軸線30的取向使室的孔面對前置的葉片在RT方向運動。室也位于葉片的弦線上。這些性能的重要性將在以下進行說明。
當葉片轉動時，它們經過室28掃描。這樣，室28不同壓力條件作為葉片位置的函數。例如參照一個室36，表示to時圖2中葉片38的葉片位置。室位于葉片高壓側面處，但當葉片在TR方向轉動時，它將在后面的時間t+1時被暴露在低壓側面，在早期to時(葉片位置)室40被壓縮。為了清楚，將觀察到圖3中的箭頭RTc表示沿圖2中線3-3的葉片速度的合成。
參看圖7，若室36那樣，室40在to從高壓側面被初始壓縮，在葉片通過整個室之后向低壓側面提供一空氣41的脈沖或噴射。除了相對葉片或“空氣葉形或升力表面”對室取向外，所述葉片的厚度為α。室的直徑和室的深度或厚度L1至少等于d，最好是d的4倍。該比值是重要的，因為它控制與室的進、排氣相關的時間常數。
在葉片通道方向具有速度分量的瞬時噴射(由于合成角度)在葉片頂端產生激勵流動，該流動產生有效地混合，因此在端壁范圍防止出現任意潛流分離。
θ和φ的大小取瘊于特定壓氣機的設計，但要滿足室正確充氣和流出，在低壓側面的激勵噴射被取向。典型的這些角度值為θ＝34°，φ＝60°。
本發明通過有效地激勵端壁流場盡量減小效率損失，來有效地改進壓氣機的失速裕度。設計實驗也表明室的角度取向使襯墊很好的研磨密封，因為成一定角度的室在沒有損壞葉片的情況下很容易被刮，當葉片頂部具有一相對襯墊的研磨頂部摩擦(在技術中已知)時。
由本發明所提供的流動激勵作用，可以用于燃氣輪機發動機的渦輪部分，通過插入一個圍繞渦輪葉片的類似的蜂窩狀襯墊，但在渦輪葉片轉動時在室的增壓中具有很大的區別。在上述壓氣機實施例中，室首先暴露到葉片的壓力側面，然后是低壓側面，在渦輪中，室首先暴露到低壓側，在室中降低壓力，并且當葉片通過室時，增大的流量進入到室。這樣減小了經過渦輪頂端和端壁之間間隙的泄漏，改進了渦輪效率。
根據上述說明的優點，本領域中的普通的熟練人員有能力整體或部分地進行修改本發明所公開的方案都離不開本發明的范圍和精神。
權利要求
1.一種燃氣輪機發動機，包括有一壓氣機級，該級包括有殼體和壓氣機葉片，其特征是位于殼體和壓氣機葉片頂端之間的襯墊包括有，從葉片頂端的高壓側面獲取壓力空氣流的第一裝置，用于當葉片轉動時在空氣流動方向，穿過葉片向葉片低壓側提供壓力空氣流。
2.根據權利要求1所述燃氣輪機發動機，其特征是所述第一裝置包括一組室，其中每個室相對流動方向下游點的切向方向以一角度和以對一殼體法線大于30°的第二角取向。
3.根據權利要求1所述燃氣輪機發動機，其特征是所述第一裝置包括有一組室，其中每個室以相對與葉片轉動方向相切的線成某一角度，和相對殼體法線大于30°的第二角度向葉片頂端延伸。
4.根據權利要求2所述的燃氣輪機發動機，其特征是所述襯墊包括每片都具有所述室的多層蜂窩片層。
5.根據權利要求2所述燃氣輪機發動機，其特征是在所述的襯墊中包括具有所述室的蜂窩片層。
6.根據權利要求5所述燃氣輪機發動機，其特征是室是直徑基本等于葉片厚度、深度不小于該直徑的多邊形。
7.根據權利要求6所述燃氣輪機發動機，其特征是室是直徑基本等于葉片厚度，深度不小于該直徑的多邊形。
8.根據權利要求6所述燃氣輪機發動機，其特征是所述長度大于所述直徑。
9.根據權利要求7所述燃氣輪機發動機，其特征是所述長度大于所述直徑。
10.一種用于激勵面對端壁翼型頂端的方法，該翼型具有向著端壁的運動，其特征步驟為在端壁和頂端之間安裝一襯墊，該襯墊包括一個用于從葉片頂端的高壓側荻取壓力空氣流的第一裝置，當相對端壁移動時，用于在空氣流動方向穿過葉片間葉片低壓側提供壓力空氣流。
11.根據權利要求10所述方法，其特征是襯墊包括有一組室，其中每個室沿翼型弦并以一定角度向頂端延伸，該角度從正切翼型轉動方向的線大于10°。
12.根據權利要求11所述方法，其特征在于是在所述的襯墊中，包括有一組室，其中每一室以一角度取向，使室軸線有一沿葉弦的分量，并以第二角度取向，該角度對于正交于端壁的葉片大于30°。
13.端壁和能相對端壁轉動的翼型的組合，其特征是一襯墊位于端壁和翼型頂端之間，該襯墊包括有用于從頂端高壓側面荻取壓力空氣流的第一裝置，用于當翼型相對端壁移動時，在空氣流方向穿過頂端向葉片低壓側提供壓力空氣流。
14.端壁和能相對該端壁轉動的翼型的組合，其特征是一襯墊位于端壁和翼型頂端之間，該襯墊包括有一組室，當翼型轉動并處于所述轉動方向合成角度時，每一室暴露翼型高的和低的壓力側面。
15.根據權利要求14所述組合，其特征是襯墊包括有一組室，其中每個室沿確定翼型弦的線并以對翼型相對移動方向正切線大于10度的角度，向頂端延伸，每一室的直徑基本上等于頂端厚度，而且室的深度至少等于室的直徑。
全文摘要
一種燃氣輪機發動機的壓氣機部分，包括有圍繞壓氣機葉片安裝的襯墊，該襯墊包括有位于蜂窩結構中的室。每個室相對葉片頂端處于一合成角，當葉片轉動，頂端經過整個室時，能激勵頂端空氣流，這樣改進了失速裕度。每一室取向在葉弦方向并面對前置的葉片。當葉片轉動時，它通過室進行掃描，并且當葉片通過室時，高壓空氣流在室中從葉片的高壓側面首先被獲取并被釋放到低壓側，在穿過葉片的空氣流動方向產生高速氣流的激勵噴射。
文檔編號F04D27/02GK1133404SQ9512188
公開日1996年10月16日 申請日期1995年12月4日 優先權日1994年12月5日
發明者S·J·卡利德 申請人:聯合工藝公司