用于控制二次流和最佳扩散器性能的膨胀喷嘴的制作方法

文档序号:12583292阅读:294来源:国知局
用于控制二次流和最佳扩散器性能的膨胀喷嘴的制作方法与工艺

本申请公开的主题涉及涡轮机,并且更具体地涉及涡轮机的涡轮中的喷嘴末级。



背景技术:

比如为燃气涡轮发动机的涡轮机可以包括压缩机、燃烧器和涡轮。气体在压缩机中被压缩、与燃料混合、然后被供给至燃烧器内,在此使气体/燃料混合物燃烧。高温和高能量排出流体然后被供给至涡轮,在此流体的能量被转换成机械能。在涡轮的末级中,低根部反应可以引起横向于主流方向的二次流。二次流可以负面地影响末级的效率并且导致不希望的局部毂旋流,这负面地影响扩散器的性能。这样,增加根部反应以控制二次流并且减小局部毂旋流将是有益的。



技术实现要素:

以下概括与最初要求保护的发明的范围相称的一些实施例。这些实施例非旨在限制所请求保护的发明的范围,而这些实施例仅旨在提供本发明的可能的形式的概要。事实上,本发明可以包括可以与以下阐述的实施例相似或不同的各种形式。

在第一实施例中,一种布置在涡轮中的涡轮喷嘴,包括:吸入侧,吸入侧在涡轮喷嘴的前缘与涡轮喷嘴的后缘之间沿轴线方向并且横向于涡轮喷嘴的纵向轴线延伸,吸入侧在径向方向上沿着纵向轴线延伸涡轮喷嘴的高度;与吸入侧相对地布置并且在涡轮喷嘴的前缘与涡轮喷嘴的后缘之间沿轴线方向延伸的压力侧,压力侧沿径向方向延伸喷嘴的高度;以及布置在喷嘴的吸入侧上并且相对于吸入侧的其他部分沿横向于径向方向和轴向方向两者的方向突出的凸起。

在第二实施例中,一种系统,包括涡轮,涡轮包括第一环形壁、第二环形壁和喷嘴末级,喷嘴末级包括围绕旋转轴线环形地布置的多个喷嘴。每个喷嘴包括在第一环形壁与第二环形壁之间延伸的高度、前缘、布置在前缘的下游的后缘、沿轴线方向在前缘与后缘之间延伸并且沿径向方向延伸喷嘴的高度的吸入侧、与吸入侧相对地布置并且在喷嘴的前缘与喷嘴的后缘之间沿轴线方向延伸并且沿径向方向延伸喷嘴的高度的压力侧、以及布置在喷嘴的吸入侧上并且沿横向于从旋转轴线延伸的径向平面的方向突出的凸起。

在第三实施例中,一种系统,包括涡轮,涡轮包括第一环形壁、第二环形壁和末级,末级包括围绕旋转轴线环形地布置的多个喷嘴。每个喷嘴包括位于第一环形壁与第二环形壁之间的高度、前缘、布置在前缘的下游的后缘、沿轴线方向在前缘与后缘之间延伸并且沿径向方向延伸喷嘴的高度的吸入侧、与吸入侧相对地布置并且在喷嘴的前缘与喷嘴的后缘之间沿轴线方向延伸并且沿径向方向延伸喷嘴的高度的压力侧、以及位于喷嘴的吸入侧上并且沿横向于从旋转轴线延伸的径向平面的方向突出并且沿轴线方向延伸的凸起,其中,多个喷嘴的每个喷嘴朝向压力侧相对于径向平面形成角度。

附图说明

当参照附图阅读以下详细说明时将能够更好地理解本发明的这些以及其他特征、方面和优点,其中,相同的附图标记在全部附图中代表相同的零件,其中:

图1是根据本发明的各方面的涡轮机的一个实施例的示意图;

图2是根据本发明的各方面的喷嘴的一个实施例的主视透视图;

图3是根据本发明的各方面的在涡轮的级中设计有吸入凸起的部分阵列喷嘴的一个实施例的主视图;

图4是根据本发明的各方面的在涡轮的级中设计有吸入凸起的部分阵列喷嘴的一个实施例的后视图;

图5是根据本发明的各方面的两个相邻喷嘴的俯视截面图;

图6是根据本发明的各方面的由涡轮的级中的相邻喷嘴限定的无量纲喉部分布的曲线表示;

图7是根据本发明的各方面的最大喷嘴厚度除以50%跨距处的最大喷嘴厚度的无量纲分布的曲线表示;

图8是根据本发明的各方面的除以轴向弦长的最大喷嘴厚度的无量纲分布的曲线表示;

图9是根据本发明的各方面的具有吸入侧凸起的喷嘴的截面图;

图10是根据本发明的各方面的相对于径向叠置翼型朝向压力侧倾斜的喷嘴的示意图;以及

图11是根据本发明的各方面的与径向叠置翼型相比具有3度压力侧倾斜的喷嘴的透视图。

具体实施方式

以下将说明本发明的一个或更多个具体实施例。为了提供这些实施例的简明说明,说明书中可以不说明实际实施方式的所有特征。应当理解的是,在任何这些实际实施方式的开发过程中,如在任何工程项目或设计项目中,必须做出许多具体实施方式的决定以实现开发者的特定目标,比如符合系统相关和商业相关的限制,这种限制可能在一个实施方式中不同于另一个实施方式。此外,应当理解的是,这些研制计划可能是复杂和费时的,然而对于受益于本发明的本领域普通技术人员来说其设计、制作和制造是例行工作。

当介绍本发明的各个实施例的元件时,词汇“一种”、“一个”、“该”和“所述”旨在意味着具有一个或更多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”意指是包括在内的并且意味着可能具有除所列元件之外的另外的元件。

在燃气涡轮发动机中燃烧之后,排出流体排出燃烧器并且进入涡轮。低根部反应可以在涡轮的末级中引入强力的二次流(即,横向于主流方向的流),这降低了末级的效率。另外,叶片毂中或周围的二次流可能引入不希望的旋流,其可以表现为在叶片中出口流剖面/轮廓(profile)中的旋流脉冲(swirl spike),这负面地影响扩散器的性能。在吸入侧上具有凸起的喷嘴设计、在末级中实施的朝向压力侧的轻微倾斜以及喉部的靠近毂区域的开口可被用于实现根部反应,由此减少二次流和不希望的旋流。

现在转向附图,图1是涡轮机10(例如燃气涡轮发动机)的一个实施例的示图。图1中示出的涡轮机10包括压缩机12、燃烧器14和涡轮16。空气或一些其他气体在压缩机12中压缩、与燃料混合、供给到燃烧器14内以及然后燃烧。排出流体被供给至涡轮16,在此来自排出流体的能量转换成机械能。涡轮包括多个级18,包括末级20。每个级18可以包括联接至旋转轴的转子和具有环形阵列喷嘴的定子,转子具有围绕旋转轴线26旋转的环形阵列的轴向对准的轮叶或叶片。因此,末级20可以包括末级定子22和末级转子24。为了清晰起见,图1包括具有轴线方向28、径向方向32和圆周方向34的坐标系。另外,示出径向平面30。径向平面30在一个方向中沿轴线方向28(沿着旋转轴线26)延伸,并且然后沿径向方向向外延伸。

图2是喷嘴36的实施例的正面透视图(即大致向下游看)。末级20中的喷嘴36构造成沿径向方向32在第一环形壁40与第二环形壁42之间延伸。每个喷嘴36可以具有翼型类型形状并且可被构造成在排出流体沿轴线方向28大致向下游流动通过涡轮16时与来自燃烧器14的排出流体气动地相互作用。每个喷嘴36具有前缘44、沿轴线方向28布置在前缘44的下游的后缘46、压力侧48和吸入侧50。压力侧48沿轴线方向28在前缘44与后缘46之间、以及沿径向方向32在第一环形壁40与第二环形壁42之间延伸。与压力侧48相反地,吸入侧50沿轴线方向28在前缘44与后缘46之间、以及沿径向方向32在第一环形壁40与第二环形壁42之间延伸。末级20中的喷嘴36配置成使得一个喷嘴36的压力侧48面向相邻喷嘴36的吸入侧50。当排出流体朝向喷嘴36之间的通道38流动并且流过通道38时,排出流体与喷嘴36气动地相互作用使得排出流体以相对于轴线方向28的角动量流动。低根部反应可以在涡轮的轮叶末级20中引入强的二次流和不希望的旋流,降低轮叶末级20的效率和扩散器的性能。填充有具有从吸入侧的下部突出的凸起52的喷嘴36的喷嘴末级24可能激励根部反应,由此减轻二次流和不希望的旋流,喷嘴末级24使喉部在接近毂区域处打开(以及在一些实施例中,朝向压力侧48轻微倾斜)。

图3和图4分别示出部分阵列喷嘴36的正面透视图(即,沿轴线方向28大致面向下游)和背面透视图(即,逆着轴线方向28大致面向上游),部分阵列喷嘴36沿径向方向32在第一环形壁40与第二环形壁42之间延伸,并且在涡轮16的喷嘴末级24中设计有吸入侧凸起52。注意到,喷嘴36之间的通路38的宽度在喷嘴36的底部开始,具有宽度W1。当凸起52沿径向方向32在达到喷嘴36的高度54的20%-40%附近最大时,通道38的宽度W2最小,并且在凸起52塌陷(subside)时通道38的宽度W3、W4向着喷嘴36的顶部变大。

图5是两个相邻喷嘴36的俯视图。注意底部喷嘴36的吸入侧50如何面向顶部喷嘴的压力侧48。轴向弦长(axial chord)56是喷嘴36沿轴线方向的尺寸。级18的两个相邻喷嘴36之间的通道38限定在相邻喷嘴36之间的通道38的最窄区域处测量的喉部Do。流体沿轴线方向28流过通道38。将关于图6更详细地论述Do沿着喷嘴36的高度的上述分布。每个喷嘴36在给定高度处的最大厚度示出为Tmax。将关于图7和图8更详细地论述跨越喷嘴36的高度的Tmax分布。

图6是由末级20中的相邻喷嘴36限定的喉部Do的分布的曲线图58,示出为曲线60。垂直轴线62,x表示沿径向方向32在第一环形壁40与第二环形壁之间的百分比跨距(percent span),或者在径向方向32上沿着喷嘴36的高度54的百分比跨距。即,0%跨距表示第一环形壁40,100%跨距表示第二环形壁42,0%与100%之间的任何点对应于环形壁40、42之间在径向方向32上沿着喷嘴的高度的百分比距离。水平轴线64,y表示两个相邻喷嘴36之间在给定百分比跨距处的最短距离Do除以跨过喷嘴36的整个高度的Do平均值Do,AVG。通过使Do除以Do,AVG使得曲线图58无量纲,因此曲线60在喷嘴级22对于不同的应用而比例增大或缩小时保持相同。可以对于其中水平轴线仅为Do的单个尺寸涡轮做出相似的曲线图。在给定百分比跨距处的Do,/Do,AVG,或y可以利用以下等式找到:(+/-5%公差):

y=-0.0000000877x3+0.000161x2-0.00222x+0.819 (1)

如能够在图6中看到的,当沿径向方向32从第一环形壁40或点66移动时,凸起52使Do保持在平均Do的大约80%。在点68处,大约凸起52的中部,(例如,达到喷嘴的高度54的大约30%),凸起52开始缩入并且Do在第二环形壁42或点70处增大至平均Do的大约1.3倍。该喉部Do分布激励在轮叶末级20中的根部反应,这提高了轮叶末级的效率和扩散器的性能,这可以引起涡轮的动力输出的显著增大。在一些实施例中,可以使动力输出提高1.7MW以上。

图7是与常规设计76的喷嘴相比的如曲线74的Tmax/Tmax在50%跨距处的分布的曲线图72。垂直轴线78,x表示沿径向方向32在第一环形壁40与第二环形壁之间的百分比跨距,或者在径向方向32上沿着喷嘴36的高度54的百分比跨距。水平轴线80,y表示喷嘴36在给定百分比跨距处的最大厚度Tmax除以在50%跨距处的Tmax。Tmax除以50%跨距处的Tmax使得曲线图72是无量纲的,因此曲线74在喷嘴级22对于不同的应用比例增大或比例减小时保持相同。可以对于其中水平轴线仅为Tmax的单个尺寸涡轮做出相似的曲线图。给定百分比跨距处的Tmax/在50%跨距处的Tmax或y可以利用以下方程式建立(+/-5%公差):

y=-0.00000000803x4+0.00000224x3-0.000228x2+0.0104x+0.820

(2)

如在图7中看到的,当从第一环形壁40或点82沿着径向方向32移动时,Tmax从50%跨距处Tmax的大约83%开始,然后快速接近50%跨距处的Tmax。从35%跨距至大约60%跨距,Tmax与50%跨距处的Tmax基本相同。在点84或大约60%跨距处,Tmax与50%跨距处的Tmax偏离(diverge),并且保持大于50%跨距处的Tmax,直到喷嘴22达到第二环形壁42或点86。

图8是与常规设计的喷嘴90相比如曲线88的Tmax/轴向弦长的分布的曲线图86。垂直轴线92,x表示沿径向方向32在第一环形壁40与第二环形壁42之间的百分比跨距,或者在径向方向32上沿着喷嘴36的高度54的百分比跨距。水平轴线94,y表示喷嘴36在给定百分比跨距处的最大厚度Tmax除以喷嘴36的沿轴线方向28的尺寸的轴向弦长56。Tmax除以轴向弦长56使得曲线图86是无量纲的,因此曲线88在喷嘴级22对于不同的应用比例增大或比例减小时保持相同。给定百分比跨距处的Tmax/轴向弦长或y可以利用以下方程式建立(+/-5%公差):

y=-0.00000000318x4+0.000000875x3-0.0000842x2+2.37x+0.322

(3)

如能够在图8中看到的,当从第一环形壁40或点96沿径向方向32移动时,Tmax开始小于常规设计,而当凸起在点98处从常规设计达到其最大扩散度时增大成大于常规设计。从点98至第二环形壁42(点100),Tmax接近常规设计的Tmax。该最大厚度Tmax分布激励在轮叶末级20中的根部反应,这提高了轮叶末级的效率和扩散器的性能,这可以引起涡轮的动力输出的显著增大。在一些实施例中,可以使动力输出提高1.7MW以上。

图9是具有吸入侧50凸起52的喷嘴36的侧面剖视图。图9中的虚线102代表径向叠置喷嘴(即,没有凸起52的相似喷嘴设计)的吸入侧壁102。凸起52从吸入侧50沿横向于径向平面30的方向突出,径向平面30在一个方向上沿径向方向32并且在第二方向上沿轴线方向28从旋转轴线26延伸。距离104表示在凸起52处于其最大突出的沿着喷嘴36的高度54的点处、凸起从没有凸起52的径向叠置喷嘴的假想吸入侧102突出的距离。如可以在图9中看到的,凸起52可以在喷嘴36的高度的大约0-20%之间的位置(即,从第一环形壁40至第二环形壁42的跨距的0-20%)处突出。即,具有凸起52的喷嘴36的轮廓可以在从喷嘴36的底部(即喷嘴36与第一环形壁40相交的位置)到喷嘴36的高度54的大约20%的任何点处从径向叠置喷嘴的假想吸入侧壁102开始发散。例如,凸起52可以在喷嘴36的高度54的大约0%、2%、5%、15%或20%处或者在其之间的任何位置处开始突出。在其他实施例中,凸起可以在喷嘴36的高度54的1%与15%之间、或在喷嘴36的高度54的5%与10%之间开始突出。凸起52可以具有在喷嘴36的高度54的大约0.5%与10%之间的最大突出104(即,与径向叠置喷嘴的吸入侧壁102的最大偏差)。可替代地,最大凸起突出104可以在喷嘴36的高度54的大约0.5%与5.0%之间或1.0%与4.0%之间。凸起52可以在喷嘴36的高度54的大约20%与30%之间达到其最大突出104(即在从第一环形壁40至第二环形壁42的跨距的大约20%与30%之间)。例如,最大凸起突出可以出现在喷嘴36的高度54的大约20%、22%、24%、26%、28%或30%或者其之间的任何位置处。在一些实施例中,凸起52可以在喷嘴36的高度54的大约20%与30%之间、22%与28%之间或23%与27%之间达到其最大突出104。在达到最大凸起突出104时,具有吸入侧凸起52的喷嘴36的轮廓开始与径向叠置喷嘴的吸入侧壁102处会聚。凸起52可以在喷嘴36的高度54的大约50%与60%之间(即,从第一环形壁40至第二环形壁42的跨距的大约50%与60%之间)的点处终止(即,具有吸入侧凸起52的喷嘴36的轮廓与径向叠置喷嘴的吸入侧壁102会聚)。在其他实施例中,凸起52可以在喷嘴36的高度54的大约52%与58%、53%与57%或54%与56%之间的点处终止。即,凸起52可以在喷嘴36的高度54的大约50%、52%、54%、56%、58%或60%的点或其之间的任何位置处终止。在一些实施例中,凸起52可以在轴线方向28上沿着吸入侧50的整个长度从前缘44延伸至后缘46。在其他实施例中,凸起52可以仅沿着吸入侧50的一部分在前缘44与后缘46之间延伸。填充有在吸入侧50上具有凸起52的喷嘴36的末级定子22激励根部反应,这帮助减少二次流和不希望的旋流。所公开技术的实施可以提高末级和扩散器两者的性能,导致涡轮机的输出的实质的受益。在一些实施例中,所公开的技术可以将轮叶末级的性能提高大约200KW或更多,并且可以将扩散器性能提高大约1500KW或更多,用于大约1700KW或更多的总收益。然而,应该理解的是通过所公开的技术的实施获得的收益可以在涡轮机与涡轮机之间存在差异。

在一些实施例中,与径向叠置翼型106相比,喷嘴36可以与压力侧48倾斜或形成角度。图10示出与径向叠置翼型106相比朝向压力侧48成角度的喷嘴36的示意图。即,喷嘴36可以具有从径向平面30朝向压力侧48(即,沿圆周方向34)的倾斜角108。注意到图10并未按比例,并且为了清晰起见,其可以示出比在一些实施例中建立的或大或小的倾角108。注意到,径向叠置翼型106具有沿着径向平面30在径向方向32上延伸的纵向轴线,并且可以与涡轮16的旋转轴线26相交。相比之下,喷嘴36的纵向轴线112可以从径向平面30朝向喷嘴36的压力侧48倾斜角度108。喷嘴的纵向轴线112可以在第一环形壁40上或其附近的点114处与径向平面30相交,并且可以不与涡轮16的旋转轴线26相交。

图11示出与径向叠置翼型106相比具大约有3度压力侧48倾角108的喷嘴36的透视图。即,喷嘴36可以从径向平面30朝向压力侧48(即,沿圆周方向34)倾斜3度。倾角108可以处于0-5度之间的任何位置。在图11示出的实施例中,压力侧48倾角108是3度。然而,应当理解的是倾角108可以是位于0度与5度之间的朝向压力侧48的任何倾斜角度。具有压力侧48倾角108的喷嘴36在穿过级24的流体上施加体积力(body forces),沿径向方向朝向毂推动流体。朝向毂推进流体提高根部反应。因此,具有吸入侧50凸起52和压力侧48倾角108的喷嘴36增强了轮叶末级20中的根部反应,这减少了二次流和旋流,提高了轮叶末级20的效率并且提高了扩散器的性能。

所公开实施例的技术效果在于,布置在涡轮中的涡轮喷嘴包括:在喷嘴的前缘与涡轮喷嘴的后缘之间沿轴线方向并且横向于涡轮喷嘴的纵向轴线延伸的吸入侧,吸入侧在径向方向上沿着纵向轴线延伸喷嘴的高度;与吸入侧相对地布置并且在涡轮喷嘴的前缘与涡轮喷嘴的后缘之间沿轴线方向延伸的压力侧,压力侧沿径向方向延伸喷嘴的高度;以及布置在喷嘴的吸入侧上并且相对于吸入侧的其他部分沿横向于径向方向和轴向方向两者的方向突出的凸起。凸起可以在喷嘴高度的大约0%与20%之间的点处开始,在喷嘴高度的大约20%与40%之间的点处达到其最大宽度,以及在喷嘴高度的大约50%与60%之间的点处终止。凸起可以具有在喷嘴高度的大约0.5%与10.0%之间的最大宽度。另外,当与径向叠置喷嘴相比时,喷嘴可以朝向压力侧倾斜。填充有在吸入侧上具有凸起的喷嘴的末级定子激励根部反应,这帮助减少二次流和不希望的旋流。在一些实施例中,所公开的技术可以将轮叶末级的性能提高大约200KW或更多,并且可以将扩散器性能提高大约1500KW或更多,用于大约1700KW或更多的总收益。然而,应该理解的是通过所公开的技术的实施获得的收益可以在涡轮机与涡轮机之间存在差异。

本说明书利用示例以公开本发明,包括最佳方式,并且还使得本领域技术人员能够实施本发明,包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可获得专利的范围由权利要求限定,并且可以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并非不同于权利要求的字面语言的结构元件,或者这些其他示例包括与权利要求的字面语言无实质性区别的等同结构元件,则这些其他示例旨在落入权利要求的范围内。

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