专利名称：用于低充实度排气扩散器的支板翼型件设计的制作方法
技术领域：
本文描述的主题涉及燃气轮机，并且更具体而言，涉及燃气轮机的扩散器中的支板(strut)翼型件。
背景技术：
燃气轮机发动机包括具有许多设置在轴上的压缩机叶片的压缩机，压缩机叶片和轴构造成限定递减的容积。吸入燃气轮机中的空气流在其传送通过压缩机时被压缩。许多 燃烧器设置在压缩机的下游，在燃烧器中空气和燃料混合，并且燃料被点燃。多级涡轮设置在燃烧器的下游。多级涡轮的第一级由许多设置在压缩机的轴上的涡轮导叶限定。多级涡轮的最终级由许多设置在输出传动轴上的涡轮导叶限定，输出传动轴独立于压缩机的轴而旋转。来自燃烧器的受加热的压缩空气流使多级涡轮转动。多级涡轮的第一级的旋转使压缩机的轴旋转。多级涡轮的最终级的旋转使输出传动轴旋转，这又驱动发电机。扩散器设置在多级涡轮的最终级的后面，并且构造成减慢排气流，以及将动态能量转换成静态升压。扩散器包括许多支板，其包含由支板翼型件包住的支承支板。当燃气轮机发动机在期望的性能范围内运行时，支板使来自多级涡轮的流转向轴向方向。由于材料技术的进步，可减少排气扩散器中的支板的数量。包含10个支板的排气扩散器现在可包含更少的支板。支板的递减的数量造成了困难。具有4至6个支板的排气扩散器往往不具有足够的充实度(solidity)来整直气体流。相反，4至6个支板会扩大旋涡，从而产生更大的气动阻碍以及高马赫数区域的损失。需要这样的支板盖它引导旋涡，使气体流在压力侧上扩散，减小气动阻碍，改进总体性能，或避免产生支板尾流。
发明内容
在一方面，本公开涉及一种用于在排气扩散器中使用的支板翼型件。在一个实施例中，支板翼型件具有弯曲前缘、比前缘具有更小的半径的弯曲后缘，以及连接前缘和后缘的两个表面。当在横截面中观察这个实施例的支板翼型件时，前缘和后缘有所偏移，使得连接前缘与后缘的表面中的一个在从前缘到后缘的距离的超过50 %上是基本线性的，并且第二表面在从前缘到后缘的距离的一部分上渐缩。在另一方面，本公开涉及一种燃气轮机。在一个实施例中，燃气轮机具有附连到转子上的运动叶片、包括支板的排气扩散器，以及支板翼型件。在这个实施例中，排气扩散器承接来自运动叶片的燃烧气体；支板支承转子，并且支板翼型件布置在支板的周围。在这个实施例中，支板翼型件包括本文的描述的任何结构或设计。
图Ia是如本文描述的不对称翼型件的横截面图。
图Ib是来自现有技术的翼型件的横截面图。图2是如本文描述的不对称翼型件的横截面图。图3是燃气轮机发动机的图。图4是包含4个支板的排气扩散器的图。图5描绘了对称支板翼型件的压降。 图6描绘了如本文描述的不对称支板翼型件的压降。图7描绘了现有技术的支板翼型件和本文描述的支板翼型件的一个实施例所导致的压降。图8描绘了现有技术的支板翼型件和本文描述的支板翼型件的一个实施例的性倉泛。图9是如本文描述的支板翼型件的侧视图。图10描绘了在40英寸处的现有技术的支板翼型件上的流扩散。图11描绘了在40英寸处的本文描述的支板翼型件的一个实施例上的流扩散。部件列表I弯曲前缘2弯曲后缘3第一表面4第二表面10涡轮发动机12涡轮壳体14 入口16压缩机18压缩机叶片20 轴22中心线24燃烧器26进入端口28燃料入口30多级涡轮32 第一级34涡轮导叶36最终级38涡轮导叶40输出传动轴42扩散器44来自多级涡轮的流46 流50转动的支板
具体实施例方式在一个实施例中，支板翼型件具有弯曲前缘、比前缘具有更小的半径的弯曲后缘，以及连接前缘和后缘的两个表面。当在横截面中观察这个实施例的支板翼型件时，前缘和后缘有所偏移，使得连接前缘与后缘的表面中的一个在从前缘到后缘的距离的超过50%上是基本线性的，并且第二表面在从前缘到后缘的距离的一部分上渐缩。弯曲边缘大体上，本文描述的支板翼型件的弯曲前缘与弯曲后缘不同大小。典型地，弯曲前缘比弯曲后缘具有更大的半径。虽然在本说明书中使用用语“半径”来区分弯曲前缘和弯曲后缘的大小，但是用语“半径”不意味着前缘和后缘中的所有曲线都是圆形的。虽然在某些实施例中它们可为圆形的，但是前缘和后缘的曲线也可为非圆形的。例如，曲线可为椭圆形的、抛物线形的、不对称的等。如果前缘和后缘的曲线是非圆形的，则应当一致地使用或者长半径或者短半径来比较前缘和后缘的大小。在某些实施例中，当在横截面中观察时，弯曲前缘和弯曲后缘有所偏移。典型地，前缘和后缘有所偏移，使得当画出平分各个弯曲边缘的弦时，在弦的任一侧的横截面的表面积是不同的。连接表面在某些实施例中，连接前缘和后缘的表面中的一个在从前缘到后缘的距离的超过50%上可为基本线性的。在某些实施例中，连接前缘和后缘的表面中的一个在从前缘到后缘的距离的超过55%上可为基本线性的。在某些实施例中，连接前缘和后缘的表面中的一个在从前缘到后缘的距离的超过65%上可为基本线性的。在某些实施例中，连接前缘和后缘的表面中的一个在从前缘到后缘的距离的超过75%上可为基本线性的。在某些实施例中，连接前缘和后缘的表面中的一个在从前缘到后缘的距离的超过85%上可为基本线性的。在某些实施例中，连接前缘和后缘的表面中的一个在从前缘到后缘的距离的超过95%上可为基本线性的。在某些实施例中，可从表面连接前缘处到表面连接后缘处测量从前缘到后缘的距离。在其它实施例中，距离可表示支板翼型件的弦。典型地，弦是平分各个弯曲边缘的纵向线。在一个实施例中，将前缘连接到后缘上的表面在前缘附近基本平行。在一个特定的实施例中，第二表面在从前缘到后缘的距离的至少30%上平行于第一表面。在另一个特定的实施例中，第二表面在从前缘到后缘的距离的至少40%上平行于第一表面。在又一个特定实施例中，第二表面在从前缘到后缘的距离的至少50%上平行于第一表面。在一个实施例中，第二表面在从前缘到后缘的距离的一部分上渐缩。在图Ia中以横截面示出了本文描述的支板翼型件的一个实施例。为了比较，还在图Ib中包括来自现有技术的支板翼型件的横截面图。虽然来自现有技术的支板翼型件是对称的，但是本文描述的支板翼型件是大体不对称的。 在图Ia中描绘的实施例中，当在横截面中观察时，支板翼型件具有弯曲前缘I、弯曲后缘2，以及连接前缘和后缘的两个表面。这些表面中的一个，即第一表面3，在从前缘到后缘的距离的超过50%上是基本线性的。另一个表面，即第二表面4，在从前缘I到后缘2的距离的一部分上渐缩。而且在图Ia中描绘的实施例中，弯曲前缘I和弯曲后缘2是不同大小的。在这个实施例中，弯曲前缘I比弯曲后缘2具有更大的半径。在图2中描绘了本文描述的支板翼型件的另一个实施例。图2示出了支板翼型件的横截面图。在这个实施例中，支板翼型件具有弯曲前缘1，弯曲前缘I比弯曲后缘2具有更大的半径。前缘I和后缘2由下者连接第一表面3，第一表面3在前缘和后缘之间的距离的超过50 %上是基本线性的；以及第二表面4，第二表面4在从前缘到后缘的距离的一部分上渐缩。 在图9中描绘了本文描述的支板翼型件的又一个实施例。图9是支板翼型件的侧视图，并且显示了连接前缘2与后缘3的表面I中的一个。燃气轮机参照图3，大体在10处显示了重型燃气轮机发动机。燃气轮机发动机10具有由外部涡轮壳体12限定的大体环形形状。在燃气轮机发动机10的一端处限定入口 14。入口 14通往压缩机16，压缩机16由设置在壳体12内的许多压缩机叶片18限定。压缩机叶片18设置在沿着壳体12的中心线22延伸的轴20上，压缩机叶片18和轴20构造成限定递减的容积。在入口 14处吸入燃气轮机发动机10中的空气流在其穿过压缩机16时被压缩。许多燃烧器24设置在压缩机16的下游，并且沿轴向定位在轴20的周围。燃烧器24具有预混合室和燃烧室(两者均未显示)。来自压缩机16的空气流通过进入端口 26而被吸入预混合室中。而且，来自燃料入口 28的燃料被输送到预混合室中。这个空气和燃料在预混合室中混合而形成燃料和空气混合物，该混合物流入燃烧室中，混合物如已知的那样在燃烧室中被点燃。多级涡轮30在燃烧器24的下游设置在壳体12内。多级涡轮30的第一级32由设置在轴20上的多个涡轮导叶34限定。多级涡轮30的最终级36由设置在输出传动轴40上的多个涡轮导叶38限定。在输出传动轴40沿轴向对准轴20时，输出传动轴40也沿着壳体12的中心线22延伸，但是输出传动轴40独立于轴20而旋转。来自燃烧器24的受加热的压缩空气流使多级涡轮30转动。多级涡轮30的第一级32的旋转使轴20旋转，这又驱动压缩机16。多级涡轮30的最终级36的旋转使输出传动轴40旋转，这又驱动发电机(未显示)。扩散器42设置在多级涡轮30的最终级36的后面，并且构造成减慢排气流，以及将动态能量转换成静态升压。扩散器42包括许多转动支板50，其包含由气动整流罩(faring)包住的支承支板。当燃气轮机发动机10在设计性能范围内运行时，支板50使来自多级涡轮30的流44转向轴向方向，从而产生流46。支板50沿周向设置在扩散器42的环带内。本文描述的排气扩散器中的支板的数量可为10个或更少。在某些实施例中，排气扩散器包含8个或更少的支板。在某些实施例中，排气扩散器包含6个或更少的支板。在一个实施例中，排气扩散器包含4个支板。在图4中示出了 4个支板的装置，图4描绘了四个支板I。本文描述的支板和支板翼型件可由任何可接收的材料制成，包括本领域中已知的那些。在某些实施例中，用来制造支板或支板翼型件的材料的质量或强度可减少本文公开的燃气轮机中需要的支板的数量。支板翼型件的性能
本文描述的支板翼型件与现有技术中公开的支板翼型件相比提供若干个优点。诸如图Ib中描绘的对称翼型件的现有技术的支板翼型件在具有4至6个支板的排气扩散器中表现尤其不佳，因为支板不具有足够的充实度来整直空气流。相反，现有技术的支板翼型件会扩大旋涡，从而产生较大的气动阻碍以及高马赫数区域的损失。即使是在具有少于10个支板的排气扩散器中，包括具有4至6个支板的那些，本文描述的支板翼型件引导旋涡，并且使流在压力侧上扩散。因而，支板翼型件减小了气动阻碍，改进性能，并且避免有支板尾流产生。实例I——支板翼型件所引起的压力损失图5示出了来自图Ib的、在包含4个支板的排气扩散器中的现有技术的支板翼型件的性能。这个图描绘了现有技术的支板翼型件所导致的速度和压力的变化。图5提供现有技术的支板翼型件所导致的在排气扩散器中的压降的横截面图。该图描绘了大致对应于四个支板的位置的四个大型低压区。相反，图6示出了本文描述的支板翼型件的一个实施例的性能。此图描绘了图Ia中描绘的不对称支板翼型件所导致的速度和压力的变化。图6显示了本文描述的且在图Ia中描绘的支板翼型件的一个实施例所导致的在排气扩散器中的压降的横截面图。大致对应于四个支板翼型件的位置的在图6中的四个低压区比图5中出现的那些更小。实例3——支板翼型件引起的压力损失图7也示出了现有技术的支板翼型件和根据本公开的在图Ia和Ib中描绘的支板翼型件的一个实施例所引起的压力损失的差异。根据图7，图Ia的支板翼型件所导致的压降大体低于图Ib中描绘的现有技术的支板翼型件所导致的压降。实例4——支板翼型件的性能图8示出了图Ia的支板翼型件与图Ib中描绘的现有技术的支板翼型件相比的性能。图8显示了目前描述的支板翼型件的性能是优越的，尤其是从大约20至大约130。性能改进的这个区域对应于排气扩散器中的支板和支板翼型件的位置。实例5——支板翼型件上的流扩散图10示出了在图Ib中描绘的现有技术的支板翼型件上的流扩散，其中支板翼型件的纵向长度为40。图11示出了在本文描述的、也在图Ia和图9中描绘的支板翼型件上的流扩散，其中支板翼型件的纵向长度为40英寸。图9示出了 40英寸的纵向长度5和62英寸的纵向长度4。比较图10与图11，展示了本文描述的支板翼型件的改进的性能图11中的流扩散在支板翼型件上的同一位置处超过0. 9。由于本文描述的支板翼型件的改进的设计的原因，扩散器中存在较高的静压力。虽然结合仅有限数量的实施例来详细描述了本发明，但是应当容易地理解，本发 明不限于这样公开的实施例。相反，可修改本发明，以结合此前未描述但与本发明的精神和范围相当的任何数量的改型、改变、替代或等效布置。另外，虽然描述了本发明的多种实施例，但是将理解，本发明的各方面可包括所描述的实施例中的仅一些。因此，本发明不应视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。
权利要求
1.一种用于在排气扩散器中使用的支板翼型件，包括弯曲前缘⑴；比所述前缘⑴具有更小的半径的弯曲后缘⑵；第一表面⑶；以及第二表面(4)，其中，所述第一表面(3)和所述第二表面⑷连接所述前缘⑴和所述后缘(2)，其中，当在横截面中观察时，所述前缘(I)和所述后缘(2)有所偏移，使得连接所述前缘(I)与所述后缘(2)的所述第一表面(3)在从所述前缘(I)到所述后缘(2)的距离的超过50%上是基本线性的，并且所述第二表面(4)在从所述前缘(I)到所述后缘(2)的距离的一部分上是渐缩的。
2.根据权利要求I所述的支板翼型件，其特征在于，所述第一表面(3)在从所述前缘 (I)到所述后缘⑵的距离的超过55%上是基本线性的。
3.根据权利要求I所述的支板翼型件，其特征在于，所述第一表面(3)在从所述前缘 (I)到所述后缘⑵的距离的超过65%上是基本线性的。
4.根据权利要求I所述的支板翼型件，其特征在于，所述第一表面(3)在从所述前缘 (I)到所述后缘⑵的距离的超过75%上是基本线性的。
5.根据权利要求I所述的支板翼型件，其特征在于，所述第一表面(3)在从所述前缘 (I)到所述后缘⑵的距离的超过85%上是基本线性的。
6.根据权利要求I所述的支板翼型件，其特征在于，所述第一表面(3)在从所述前缘 (I)到所述后缘⑵的距离的超过95%上是基本线性的。
7.根据权利要求I所述的支板翼型件，其特征在于，所述第二表面(4)在所述前缘(I) 附近平行于所述第一表面(3)的部分。
8.根据权利要求7所述的支板翼型件，其特征在于，所述第二表面(4)在从所述前缘(I)到所述后缘(2)的距离的至少50%上平行于所述第一表面(3)。
全文摘要
本发明涉及用于低充实度排气扩散器的支板翼型件设计。本公开涉及用于在排气扩散器中使用的支板翼型件。本文描述的支板翼型件大体是不对称的。该支板翼型件具有弯曲前缘(1)、弯曲后缘(2)和连接前缘(1)和后缘(2)的两个表面(3，4)。本公开还涉及燃气轮机(10)，其包含具有由支板翼型件覆盖的支板(50)的排气扩散器(42)。
文档编号F02C7/20GK102628403SQ20121003115
公开日2012年8月8日 申请日期2012年2月3日 优先权日2011年2月4日
发明者A·I·安萨里, D·D·南达 申请人:通用电气公司