专利名称：集成涡轮机的多个部分的系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种涡轮机，确切地说，涉及集成涡轮机系统的多个部分。
背景技术：
涡轮机系统可包括排气扩压器部分，所述排气扩压器部分在涡轮机部分的下游连接到所述涡轮机部分。此类涡轮机系统可以是燃气涡轮机系统或蒸汽涡轮机系统。具体而言，燃气涡轮机系统燃烧燃料与空气的混合物以产生热燃烧气体，从而驱动一个或多个涡轮机。具体而言，热燃烧气体驱动涡轮机叶片旋转，从而驱动轴旋转一个或多个负载，例如发电机等。排气扩压器部分从涡轮机接纳排气，并逐渐地减小排气的压力和速度。某些涡轮机系统包括针对最佳性能独立设计的涡轮机部分和扩压器部分。遗憾的是，当集成此类系统时，所组合的涡轮机部分和扩压器部分可能不以最佳方式运行。
发明内容
下文概述了与最初提出权利要求的本发明的范围相符的某些实施例。这些实施例的目的并不在于限制本发明的范围，而仅在于概述本发明的可能形式。实际上，本发明可包括与下述实施例类似或不同的各种形式。在第一实施例中，一种系统具有涡轮机，所述涡轮机包括末级动叶部分，所述末级动叶部分具有第一环形外壁，所述第一环形外壁以第一平均角相对于涡轮机的中心线斜置。所述涡轮机还包括扩压器部分，所述扩压器部分具有第二环形外壁，所述第二环形外壁以第二平均角相对于涡轮机的中心线斜置，以增强径向旋动。所述第一平均角大于所述第
二平均角。在第二实施例中，一种系统具有涡轮机，所述涡轮机具有从末级动叶外壁向扩压器部分外壁的外壁过渡段。所述扩压器部分外壁以第二角度远离涡轮机的中心线斜置，所述末级动叶外壁以大于所述第二角度的第一角度远离涡轮机的中心线斜置。在第三实施例中，一种方法包括提供涡轮机的末级动叶部分，该部分从末级动叶部分的第一轴向端向末级动叶部分的第二轴向端以大体恒定的第一角度相对于末级动叶部分的轴向中心线向外斜置。所述方法还包括提供所述涡轮机的扩压器部分，该部分在扩压器部分的第一轴向端处以第二角度相对于所述扩压器部分的轴向中心线向外斜置。所述第一角度大于所述第二角度。所述方法包括将末级动叶部分的第二轴向端附接到扩压器部分的第一轴向端。
在参考附图阅读以下详细说明后，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在附图中，类似的符号代表所有附图中类似的部分，其中图1图示了燃气涡轮机系统的实施例的截面侧视图；图2图示了集成在一起的末级动叶部分和扩压器部分的实施例的侧视图3是在各种运行条件下，可能发生于集成设计的涡轮机系统的实施例中的径向旋动量的曲线图；图4是图2所示扩压器部分的实施例；以及图5是在各种运行条件下，可能出现于集成设计的涡轮机系统中的效率的实施例的图表。
具体实施例方式下文将介绍本发明的一项或多项具体实施例。为了简要介绍这些实施例，说明书中可能不会介绍实际实施方案的所有特征。应了解，在任意工程或设计项目中开发任意此类实际实施方案时，均应当做出与实施方案特定相关的各种决定，以实现开发人员的具体目标，例如，是否要遵守系统相关和业务相关约束，这些限制可能会因实施方案的不同而有所不同。此外，应了解，此类开发可能非常复杂耗时，但无论如何对受益于本发明的一般技术人员而言，此类开发仍是常规的设计、建造和制造操作。在介绍本发明各种实施例的元件时，“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示有一个或多个元件。术语“包括”、“包含”以及“具有”旨在表示包括性含义，且表示除了所列元件夕卜，可能还有其他元件。如下所述，涡轮机系统的某些实施例包括集成设计的末级动叶部分和扩压器部分。例如，所述末级动叶部分可具有相对于涡轮机的中心线斜置的外壁(例如，以第一平均角)。此外，所述扩压器部分可具有相对于涡轮机的中心线斜置的外壁(例如，以第二平均角)。末级动叶部分可与扩压器部分集成设计，以使斜置末级动叶部分的外壁的第一平均角大于斜置扩压器部分的外壁的第二平均角。例如，在某些实施例中，斜置末级动叶部分的外壁的第一平均角可以比斜置扩压器部分的外壁的第二平均角大约2度到15度。因此，至少部分归因于末级动叶部分的外壁的较大平均角，该集成设计的系统可以增大涡轮机系统的径向旋动(radial swirl，或称为“径向旋流”)和效率。现在转向附图，首先参见图1，该示了燃气涡轮发动机100的实施例。燃气涡轮发动机100沿轴向102延伸。径向104表示从燃气涡轮发动机100的轴线向外延伸的方向。此外，周向106表示环绕燃气涡轮发动机100的轴线的旋转方向。燃气涡轮发动机100包括位于燃烧室部分110内的一个或多个燃料喷嘴108。在某些实施例中，燃气涡轮发动机100可包括以环形(例如，周向106)布置设于燃烧室部分110内的多个燃烧室120。此夕卜，每个燃烧室120可包括多个燃料喷嘴108，这些燃料喷嘴附接到环形(例如，周向106)或其他布置中的每个燃烧室120的头端处或附近。空气从进气口部分122进入并由燃气涡轮发动机100的压缩机124压缩。来自压缩机124的压缩空气随后被引入燃烧室部分110中，在该部分中，压缩空气与燃料混合。压缩空气与燃料的混合物通常在燃烧室部分110内燃烧，以产生高温高压的燃烧气体，用于在燃气涡轮发动机100的涡轮机部分130内产生扭矩。如上所述，多个燃烧室120可以环状地(例如，周向106)设置在燃气涡轮发动机100的燃烧室部分110内。每个燃烧室120包括将热燃烧气体从燃烧室120引向燃气涡轮发动机100的涡轮机部分130的过渡段172。具体而言，每个过渡段172通常构成热气体通道，该热气体通道从燃烧室120到涡轮机部分130的喷嘴组件，包括在燃气涡轮发动机100的涡轮机部分130的第一级174内。
如图所示，涡轮机部分130包括三个分离的级或部分174 (即，第一级或部分)、176(8卩，第二级或部分)和178(即，第三级或部分，或末级涡轮机动叶部分)。尽管图示为包括三个级174、176、178，但应了解，在其他实施例中，涡轮机部分130可包括任意数目的级。每个级174、176和178包括连接到转子叶轮182的叶片180，所述转子叶轮以可旋转方式附接到轴184。可了解到，每个涡轮机叶片180可视作涡轮机动叶，或动叶。每个级174、176和178还包括直接设在每组叶片180上游的喷嘴组件186。喷嘴组件186将热燃烧气体引向叶片180，其中热燃烧气体向叶片180施加推动力以使叶片180旋转，从而转动轴184。因此，叶片180和轴184沿周向106旋转。热燃烧气体流过每个级174、176和178，在每个级174、176和178内向叶片180施加推动力。随后，热燃烧气体可以离开燃气涡轮机部分130，并进入燃气涡轮发动机100的排气扩压器部分188中。排气扩压器部分188减小来自燃气涡轮机部分130的排出燃烧气体的流体流的速度，并且还增大排出燃烧气体的静压，以增大燃气涡轮发动机100所做的功。如图所示，排气扩压器部分188具有长度190，该长度是燃气涡轮发动机100的总长度192的一部分。在图示的实施例中，涡轮机部分130的末级涡轮机动叶部分178包括间隙194，该间隙在多个末级涡轮机动叶叶片195 (例如，燃气涡轮机部分130的末级叶片180)的端部与环绕多个末级涡轮机动叶叶片195设置的静止围带196之间。此外，外壁198从静止围带196延伸。支柱200被图示为与外壁198邻接。支柱200用于支撑排气扩压器部分188的结构。末级涡轮机动叶部分178和排气扩压器部分188可以集成设计，以增大燃气涡轮发动机100的径向旋动和效率。具体而言，如下文详细所述，末级涡轮机动叶部分178的外壁可以大于排气扩压器部分188的外壁的角度相对于燃气涡轮发动机100的中心线斜置，以影响来自末级涡轮机动叶部分178和排气扩压器部分188的排出燃烧气体的旋动，从而提高燃气涡轮发动机100的效率。图2图示了集成在一起的末级动叶部分和扩压器部分的实施例的侧视图。图2所示集成系统210包括涡轮机部分212 (例如，图1所示燃气涡轮发动机100的燃气涡轮机部分130)和扩压器部分214 (例如，图1所示的燃气涡轮发动机100的排气扩压器部分188)。如上所述，在某些实施例中，涡轮机部分212和扩压器部分214可以是燃气涡轮发动机(例如，图1所示的燃气涡轮发动机100)的一部分。但在其他实施例中，涡轮机部分212和扩压器部分214可以是其他系统的一部分，例如蒸汽涡轮发动机等。涡轮机部分212包括沿轴向102延伸且平行于涡轮机部分212的中心线的环形平台216以及环形外壳218 (例如，包括环形外壁)。环形外壳218周向106环绕环形平台216以构成流体通道220，流体(例如，图1的排出燃烧气体)可以沿着流体通道220从上游涡轮机部分入口 222流向下游涡轮机部分出口 224。如图所示，环形外壳218相对于环形平台216斜置，因此，环形外壳218相对于涡轮机部分212中心线斜置。此外，尽管环形外壳218图示为以一个角度延伸，但环形外壳218延伸的角度可以不同，且可包括具有不同角度的多个部分，因此，环形外壳218延伸的角度被量化为平均角a 225 (例如，根据每个角度延伸的长度进行加权得出的环形外壳218的不同角度的加权平均值)。例如，在某些实施例中，相对于环形平台216，环形外壳218的平均角a 225可以是约16度到30度、17度到24度，或19度到23度。具体而言，在某些实施例中，相对于环形平台216，因而相对于环形平台216的中心线， 环形外壳218的平均角a 225可以是约16度到25度。相对于流体沿流体通道220的流动方向，涡轮机部分212可以顺序地布置在多个部分上，例如中间级部分226和末级部分228。在每一级上，涡轮机动叶阵列，例如中间级涡轮机动叶230和末级涡轮机动叶232，环绕环形平台216周向106排列。在某些实施例中，末级涡轮机动叶232包括轮毂234，该轮毂连接到环形平台216的径向外部；翼型部分236，该部分具有与流过流体通道220的流体相互作用的翼型，且沿径向104从轮毂234延伸到尖端238。尖端238设于翼型部分236的远端，且邻近环形外壳218的内表面。末级涡轮机动叶232还包括沿轮毂234后侧的后缘240，翼型部分236，以及相对于流体沿流体通道220的流动方向的尖端238。由于每一级的相应涡轮机动叶阵列中的每个涡轮机动叶均大体如上所述形成，因此可因沿流体通道220流动的流体与涡轮机动叶相互作用而从每一级中的涡轮机动叶的旋转中获得机械能。扩压器部分214在中心表面242，即沿轴向102延伸且平行于扩压器部分214的中心线的表面，与环形外壳218的下游扩压器表面244之间，其中所述中心表面可以是环形扩压器中心体的向外表面。应了解，涡轮机部分212的中心线和扩压器部分214的中心线可以是等效的，以便连续的中心线延伸穿过涡轮机部分212和扩压器部分214。应了解，下游扩压器部分244可以相对于中心表面242斜置。此外，尽管扩压器部分244图示为以一个角度延伸，但扩压器部分244延伸的角度可以不同，且可包括具有不同角度的多个部分，因此扩压器部分244延伸的角度被量化成平均角3 245 (例如，根据每个角度延伸的长度进行加权得出的扩压器部分244的不同角度的加权平均值)。例如，在某些实施例中，相对于中心表面242，因而相对于中心表面242的中心线，下游扩压器部分244的平均角P 245可以是约11. 50度到14. 25度、13. 75度到20. 00度，或15. 25度到17. 50度。具体而言，在某些实施例中，相对于中心表面242，下游部分244的平均角P 245可以是约19度。扩压器部分214流体连接到涡轮机部分212，且设于末级涡轮机动叶232的后缘240的下游。因此，随着流体流过并通过末级涡轮机动叶232的后缘240，流体离开涡轮机部分212，并进入扩压器部分214。在扩压器部分214内，流体沿扩压器流动通道246流动，由此调整流体流的条件，以进一步在下游用于 热回收蒸汽发生器(HRSG) 248等中。如图2所示，环形外壳218的下游扩压器部分244的斜面可以相对于尖端238的斜面斜置，尖端的斜面沿尖端238的径向104远端轴向102界定。斜置可能出现于末级涡轮机动叶232的后缘240处，或至少在距末级涡轮机动叶232的后缘240约0. 5个涡轮机动叶弦长TL内。例如，末级涡轮机动叶232的弦长TL可以在尖端238处测量。倾斜的下游扩压器部分244形成相对于倾斜尖端238的平均角0 250。在某些实施例中，平均角0 250可以是约2. 00度到10. 50度、8. 25度到15. 75度，或12. 75度到20. 25度。具体而言，在某些实施例中，平均角0 250可以是约6. 75度。可了解到，平均角0 250是平均角a 225与平均角￠ 245之间的差值，因此，相对于环形平台216的环形外壳218与环形外壳218的扩压器部分244之间的过渡可大致以平均角0 250而不同地斜置。此外，如图2所示，环形外壳218相对于环形平台216的平均角a 225可以大于环形外壳218的下游扩压器部分244相对于中心表面242的平均角P 245。此外，相对于彼此，环形平台216和中心表面242可以形成约零度的角度。应了解，环形外壳218与扩压器部分244之间可设有外壁过渡部分252。在该过渡部分中为从平均角a 225向平均角P 245的外壁过渡段。可了解到，此类过渡可以是单角步长过渡、曲率过渡和/或多角过渡到环形外壳218 (例如，末级动叶外壁)与扩压器部分244(例如，扩压器部分外壁)之间的过渡。应了解，系统210可以是燃气涡轮机或蒸汽涡轮机的一部分。此外，此类系统的构造方法可以是如上所述提供末级部分228和扩压器部分214 ；以及将部分228和214附接在一起以形成集成设计的涡轮机系统。图3图示了在各种运行条件下，可能发生于集成设计的涡轮机系统(例如，图2所示系统210)的实施例中的径向旋动272量的曲线图270。径向旋动272 (轴x)是相对于范围百分数274 (轴y)的度数。范围百分数274表示在中心表面242与环形外壳218的下游扩压器部分244之间的径向104区域的百分数。在某些实施例中，在径向旋动272轴与范围百分数274轴相交处，范围百分数274可为约0%。相反，在范围百分数274轴的相反端，范围百分数274可为约100%。第一曲线276示出了全速全负载(FSFL)条件(例如，100%负载)期间的径向旋动272，而第二曲线278示出了在80%负载条件期间的径向旋动272。此外，第三曲线280示出了在60 %负载条件期间的径向旋动272，且第四曲线282示出了在40 %负载条件期间的径向旋动272。如图所示，曲线276、278、280和282各自遵循低范围百分数274对应于低径向旋动272的类似模式，因而，随着范围百分数274接近最大百分数，曲线276、278、280和282的径向旋动272大体增大。具体而言，曲线276、278、280和282向位置284会聚。在某些实施例中，位置284处的径向旋动272可以是约14度到18度、15度到17度，或16度到19度。具体而言，在某些实施例中，位置284处的径向旋动272可以是约16度。可以了解到，末级涡轮机部分228和扩压器部分214经集成设计的涡轮机系统210 (例如，如上文参照图2所示系统210所述)中的径向旋动272可以大约比末级涡轮机部分228和扩压器部分214单独设计的涡轮机系统中的相应值大20%到40%、30%到50%，或25%到35%。在某些实施例中，集成设计的系统210中的径向旋动272可以大约比单独设计的系统中的相应值大33%。图4图示了图2所示扩压器部分214的实施例。如图所示，扩压器部分214具有长度294。在某些实施例中，扩压器部分214的长度294可以是约12到14m、13到15m，或13至Ij 14m。具体而言，扩压器部分214的长度294可以是约13. 2m。通过集成设计末级涡轮机部分228和扩压器部分214，扩压器部分214的长度294可以大约比单独设计系统中的类似扩压器部分214短25到180cm、20到100cm，或50到80cm。具体而言，扩压器部分214在集成设计的涡轮机系统210中可以比在单独设计系统中短约30cm。这种长度的减小可对应于长度减小约5%到20%、10%到30%，或8%到15%。具体而言，长度的减小可对应于长度减小约10%。此外，扩压器部分214的长度294的减小可能将显著降低生产扩压器部分214的成本。图5图示了可能发生于集成设计的涡轮机系统210中的各种运行条件302可能如何影响效率304的图表300。具体而言，在FSFL和约_30°C下，效率可以用柱条306表示。此外，在FSFL和约-18°C下，效率可以用柱条308表示。此外，在FSFL和ISO条件下(ISO条件是由国际标准组织(International Organization of Standardization)定义的条件)，效率可以用柱条310表示。在约80%负载和ISO条件下，效率可以用柱条312表示。特别是在约60%负载和ISO条件下，效率可以用柱条314表示。此外，在约40%负载和ISO条件下，效率可以用柱条316表示。
就整体而言，柱条306、308、310、312、314和316显示，涡轮机效率304在图示的运行条件302下保持相对稳定。换言之，对于不同的温度和负载，效率304保持在高位。尤其是在低温和低百分数的负载条件下，效率304维持在高位。在某些实施例中，柱条306、308、310、312、314和316的效率304可在从约88 %到94%、90 %到95 %，或82 %到90 %的范围内。可以了解到，图示的柱条306、308、310、312、314和316的效率304可以说明，集成设计的系统的效率可能大约比单独设计的系统高1%到20%、5%到30%，或10%到18%。具体而言，在FSFL和约-30°C下，用柱条306表示的效率可以大约比单独设计系统的效率高1.5%。这种效率的提高可以使得与单独设计的系统相比，集成设计的系统中的功率输出可以增加约5丽。如上所述，当与单独设计的部件相比时，涡轮机系统212的集成设计部件可能具有若干技术优势。具体而言，可以增大径向旋动272。此外，可以减小扩压器部分212的长度294，从而降低与制造扩压器部分212相关的成本。此外，涡轮机系统212的效率304可以在低温和低负载条件下维持在高位。本说明书使用了多个实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的一般技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。
权利要求
1.一种集成涡轮机的多个部分的系统，包括 涡轮机，所述涡轮机包括 末级动叶部分，所述末级动叶部分具有第一环形外壁，所述第一环形外壁以第一平均角相对于所述涡轮机的中心线斜置；以及 扩压器部分，所述扩压器部分具有第二环形外壁，所述第二环形外壁以第二平均角相对于所述涡轮机的所述中心线斜置以改善径向旋动，其中所述第一平均角大于所述第二平均角。
2.根据权利要求1所述的集成涡轮机的多个部分的系统，其中所述第一平均角大约比所述第一平均角大2度到15度。
3.根据权利要求2所述的集成涡轮机的多个部分的系统，其中所述第一平均角大约比所述第二平均角大6. 75度。
4.根据权利要求1所述的集成涡轮机的多个部分的系统，其中所述第一平均角约为17度到30度。
5.根据权利要求4所述的集成涡轮机的多个部分的系统，其中所述第一平均角约为25度。
6.根据权利要求1所述的集成涡轮机的多个部分的系统，其中所述第二平均角约为12度到20度。
7.根据权利要求6所述的集成涡轮机的多个部分的系统，其中所述第二平均角约为19度。
8.根据权利要求1所述的集成涡轮机的多个部分的系统，其中所述涡轮机为燃气涡轮机。
9.根据权利要求1所述的集成涡轮机的多个部分的系统，其中所述涡轮机为蒸汽涡轮机。
10.一种系统,包括 涡轮机，所述涡轮机具有从末级动叶外壁向扩压器部分外壁的外壁过渡段，其中所述末级动叶外壁以第一角度远离所述涡轮机的中心线斜置，所述扩压器部分外壁以第二角度远离所述涡轮机的所述中心线斜置，所述第一角度大于所述第二角度。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一角度大约比所述第二角度大2度到15度。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一角度大约比所述第二角度大6.75度。
13.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一角度约为17度到30度，且所述第二角度约为12度到20度。
14.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一角度约为22度，且所述第二角度约为17度。
15.根据权利要求10所述的系统，其中所述外壁过渡段包括在所述末级动叶外壁与所述扩压器部分外壁之间的曲率过渡。
16.根据权利要求10所述的系统，其中所述外壁过渡段包括在所述末级动叶外壁与所述扩压器部分外壁之间的多角过渡。
17.一种集成涡轮机的多个部分的方法，包括提供涡轮机的末级动叶部分，所述末级动叶部分从所述末级动叶部分的第一轴向端向所述末级动叶部分的第二轴向端以大体恒定的第一角度相对于所述末级动叶部分的轴向中心线向外斜置； 提供所述涡轮机的扩压器部分，所述扩压器部分在所述扩压器部分的第一轴向端以第二角度相对于所述扩压器部分的轴向中心线向外斜置，其中所述第一角度大于所述第二角度；以及 将所述末级动叶部分的所述第二轴向端附接到所述扩压器部分的所述第一轴向端。
18.根据权利要求17所述的集成涡轮机的多个部分的方法，包括提供所述末级动叶部分，所述末级动叶部分以所述大体恒定的第一角度向外斜置，所述第一角度大约比所述扩压器部分向外斜置的所述第二角度大2度到15度。
19.根据权利要求17所述的集成涡轮机的多个部分的方法，包括提供以约17度到30度的所述大体恒定的第一角度向外斜置的所述末级动叶部分，以及提供以约12度到20度的所述第二角度向外斜置的所述扩压器部分。
20.根据权利要求17所述的集成涡轮机的多个部分的方法，包括提供以约22度的所述大体恒定的第一角度向外斜置的所述末级动叶部分，以及提供以约17度的所述第二角度向外斜置的所述扩压器部分。
全文摘要
本发明提供一种用于集成涡轮机的多个部分的系统和方法。在一个系统中，涡轮机包括末级动叶部分，所述末级动叶部分具有第一环形外壁，所述第一环形外壁以第一平均角相对于所述涡轮机的中心线斜置。所述涡轮机还包括扩压器部分，所述扩压器部分具有第二环形外壁，所述第二环形外壁以第二平均角相对于所述涡轮机的所述中心线斜置，以改善径向旋动。所述第一平均角大于所述第二平均角。
文档编号F01D25/30GK103061831SQ201210400869
公开日2013年4月24日 申请日期2012年10月19日 优先权日2011年10月20日
发明者D.D.南达, G.L.塞登, C.A.比勒 申请人:通用电气公司