[发明专利]通过转子的轴向移动的轴流式压缩机末端空隙控制

说明书

关于联邦资助研究或研发的声明

本发明的研发部分地受到美国能源部的合约号为DEFC26-05NT42644的先进涡轮研发项目的支持。因此，美国政府具有对本发明的某些权力。

技术领域

本发明总体上涉及涡轮发动机，并且更具体地涉及用于减小涡轮发动机中的压缩机翼型件末端与径向相邻部件之间的间隙以便通过减少泄漏来改善涡轮发动机效率的系统。

背景技术

通常，燃气涡轮发动机由定位在涡轮叶片组件上游的燃烧室构成。压缩机由联接至能够绕纵向轴线旋转的盘形件的多个压缩机叶片级构成。每个压缩机叶片级均由绕盘形件的周向径向延伸的多个叶片构成。

压缩机叶片的末端定位成紧密接近涡轮发动机的压缩机壳体的内表面。通常在涡轮发动机的叶片末端与压缩机壳体之间存在间隙，使得叶片能够在不撞击压缩机壳体的情况下旋转。同样地，对于未被遮盖的压缩机静叶而言，通常在静叶末端与内部可旋转的压缩机叶片和盘组件之间存在间隙，使得可旋转的压缩机叶片和盘组件能够在压缩机静叶不与可旋转的压缩机叶片和盘组件接触的情况下旋转。在运行期间，气体经过压缩机叶片和静叶并压缩成具有高温和高压。这些气体还加热压缩机壳体、叶片、静叶以及盘形件，从而使得每个部件均由于热膨胀而膨胀。在涡轮发动机已经以满负荷状态运行一段时间之后，部件达到发生最大热膨胀的最大工况。在这种状态下，理想的是涡轮发动机的叶片末端与压缩机壳体之间的间隙以及压缩机静叶与可旋转的压缩机叶片和盘组件之间的间隙尽可能小，以限制经过翼型件的末端的泄漏。

然而，减小间隙不能通过简单地将部件定位成使得间隙在满负荷条件下最小来实现，这是因为形成间隙的部件的构型必须考虑热重启条件，在该热重启条件下，质量比压缩机叶片和盘组件更小的压缩机壳体和压缩机静叶承载件比压缩机叶片和盘组件冷却得更快。在热重启期间，在壳体开始升温和膨胀之前，盘形件由于离心力而膨胀并且空隙收紧。因此，除非部件已经定位成使得在工况下已经在压缩机叶片与压缩机壳体之间以及在压缩机静叶与可旋转的压缩机叶片和盘组件之间建立了足够的间隙，否则，压缩机翼型件可能撞击压缩机壳体或可旋转的压缩机叶片和盘组件，因为形成压缩机壳体的部件的直径还没有升温和膨胀。压缩机叶片与压缩机壳体或压缩机静叶与可旋转的压缩机叶片和盘组件之间的碰撞通常引起剧烈的翼型件末端摩擦并且可能导致损坏。因此，存在对用于在考虑热启动条件下的必要空隙的同时减小满负荷工况下压缩机叶片末端与压缩机壳体之间以及压缩机静叶与可旋转的压缩机叶片和盘组件之间的间隙的系统的需求。

发明内容

本发明涉及用于减小涡轮发动机的压缩机叶片的末端与径向相邻部件之间的间隙的压缩机翼型件末端空隙优化系统。该涡轮发动机能够包括径向向内的ID流动路径边界和OD流动路径边界，该ID流动路径边界和OD流动路径边界构造成与一个或更多个空隙减小系统配合以使在涡轮发动机运行期间压缩机叶片末端空隙最小，该一个或更多个空隙减小系统构造成轴向移动转子组件以减小末端空隙。ID流动路径边界和向外流动路径边界的构型增强了转子组件的轴向移动的有效性，该轴向移动包括ID流动路径边界的移动。在涡轮发动机的运行期间，转子组件能够轴向地移动以增大涡轮发动机的效率。涡轮发动机中存在间隙，使得在涡轮发动机运行时末端不接触压缩机壳体。在涡轮发动机运行期间减小间隙减少了能够经过压缩机叶片末端而不在叶片上施加载荷的热气的量，从而增大了涡轮发动机的效率。

压缩机翼型件末端空隙优化系统能够包括一个或更多个大致细长的叶片，所述一个或更多个大致细长的叶片具有前缘、后缘、位于第一端部处的末端部段以及根部，该根部在与第一端部大致相反的端部处联接至叶片，以便支撑该叶片并将该叶片联接至转子组件的盘形件。该系统还能够包括一个或更多个大致细长的压缩机静叶，所述一个或更多个大致细长的压缩机静叶附接至固定部件，使得压缩机静叶在涡轮发动机运行期间不随转子组件旋转。该系统包括从压缩机的大致上游端部处延伸至压缩机的大致下游端部处的径向向里的ID流动路径边界，其中，该ID流动路径边界能够部分地由压缩机转子组件构成。该系统还能够包括从压缩机的大致上游端部处延伸至压缩机的大致下游端部处的OD流动路径边界，其中，该OD流动路径边界能够部分地由压缩机壳体构成。该系统能够包括一个或更多个空隙减小系统，该一个或更多个空隙减小系统构造成轴向地移动转子组件以减小大致细长的叶片的末端空隙。