专利名称：涡轮机中的噪声减少及其相关方法
技术领域：
本发明大体涉及涡轮机，且更具体而言，涉及涡轮机中的使得在操作期间减少噪声的叶片布置。
背景技术：
燃气涡轮发动机制造商面对着开发有效地降低噪声的新方法的问题。常见的噪声源之一包括由燃气涡轮发动机内的涡轮机械产生的噪声。涡轮机械噪声由相邻叶片组的相对运动(典型的是在压缩机(包括风扇)和涡轮中存在的那些相邻叶片组的相对运动)产生。例如，压缩机包括多个叶片级，各个级包括可旋转叶片排，且可能包括固定的叶片排。长期以来都认识到在涡轮机中，主噪声源其中之一是在运行期间下游叶片与上游叶片的尾流之间的交互。该尾流交互导致处于上游叶片传送频率以及处于其谐波处的噪声，以及覆盖宽的频谱的宽带噪声。用来降低尾流交互噪声的通常使用的方法之一是增大相邻的叶片组之间的轴向间隔。这种修改提供了空间，以便于尾流在到达下游叶片组之前消散，从而导致较少的噪声。然而，涡轮机中的叶片的增大的间隔会增大机器的轴向长度，导致更大的重量、空气动力性能损失和/或安装与空间要求。因此，需要有一种减少尾流交互噪声的改进的措施。
发明内容
根据本发明的一个示例性实施例，一种设备包括第一叶片组和相对于第一叶片组设置在下游的第二叶片组。第一叶片组包括第一叶片分组，其中第一叶片分组中的各个叶片包括一个或多个第一几何参数。该第一叶片组包括第二叶片分组，其中第二叶片分组中的各个叶片包括不同于该一个或多个第一几何参数的一个或多个第二几何参数。根据本发明的另一个示例性实施例，一种方法包括使第一叶片组相对于第二叶片组旋转，第二叶片组相对于第一叶片组设置在下游。第一叶片组包括第一叶片分组和第二叶片分组。第一叶片分组中的各个叶片包括一个或多个第一几何参数。第二叶片分组中的各个叶片包括与该一个或多个第一几何参数不同的一个或多个第二几何参数。该方法还包括利用第二叶片组撞击由第一叶片分组产生的第一尾流。该方法还包括利用第二叶片组撞击由第二叶片分组产生的第二尾流，使得所感知的尾流激励的波谱含量(spectralcontent)和第二叶片组产生的声信号被改变。
根据本发明的另一示例性实施例，一种方法包括使一个叶片组相对于关于该一个叶片组设置在上游的另一个叶片组旋转。该另一个叶片组包括第一叶片分组和第二叶片分组。第一叶片分组中的各个叶片包括一个或多个第一几何参数。第二叶片分组中的各个叶片包括与该一个或多个第一几何参数不同的一个或多个第二几何参数。该方法还包括用该一个叶片组撞击由第一叶片分组产生的第一尾流。该方法还包括由该一个叶片组撞击由第二叶片分组产生的第二尾流，使得所感知的尾流激励的波谱含量和由该一个叶片组所产生的声信号被改变。
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相同的标号在所有图中表示相同的部件，其中
图1是涡轮机一例如具有根据本发明的一个示例性实施例的示例性叶片布置的燃气涡轮发动机一的图解说明；
图2是根据本发明的一个示例性实施例的涡轮机中的第一叶片组和第二叶片组的二维截面的示意性俯视 图3是根据本发明的一个示例性实施例的涡轮机中的第一叶片组和第二叶片组的二维截面的示意性俯视图；且
图4是根据本发明的一个示例性实施例的涡轮机中的第一叶片组和第二叶片组的二维截面的示意性俯视图。
具体实施例方式如下文详细论述的，本发明的实施例包括一种用于减少诸如涡轮机等的设备中的尾流交互噪声的系统和方法。如本文所用，系统和方法可应用于具有导致不稳定压力的叶片-尾流交互的多种类型的应用中。此外，本文中使用的术语‘不稳定压力’指空气不稳定压力和声以及叶片表面不稳定压力(其也称为‘空气动力学载荷’)。这样的涡轮机应用的非限制性实例包括压缩机、涡轮喷气飞机、涡轮风扇发动机、涡轮轴、涡轮推动发动机、飞行器发动机、燃气涡轮、蒸汽涡轮、风力涡轮或水/水力涡轮。本发明的实施例通过允许设计者有既重新分配又减少由系统发射的声能的自由而是有益的。图1是具有中心线轴线12的示例性燃气涡轮发动机组件10的部分示意图。在该示例性实施例中，发动机组件10包括风扇组件13、增压压缩机14、燃气涡轮发动机16以及联接到风扇组件13和增压压缩机14的低压涡轮28。风扇组件13包括从风扇转子盘15大致径向向外地延伸的多个转子风扇叶片11，以及定位在风扇叶片11下游的多个定子导叶21。燃气涡轮发动机16包括高压压缩机22、燃烧器24以及高压涡轮18。增压压缩机14包括从联接到第一驱动轴31的压缩机转子盘20大致径向地向外延伸的多个转子叶片40。压缩机22通过第二驱动轴29联接到高压涡轮18。发动机组件10还包括进气侧26、发动机排气侧30以及风扇排气侧33。在运行期间，通过进气侧26进入发动机10的空气被风扇组件13压缩。离开风扇组件13的气流分裂，使得气流的一部分35被引导到增压压缩机14，而该气流的剩余部分36绕过增压压缩机14和涡轮发动机16，且通过风扇排气侧33离开发动机10。旁路气流部分36流过定子导叶21，并且与定子导叶21相互作用，从而在定子导叶表面上以及在周围气流中产生作为声波辐射的不稳定压力。该多个转子叶片40对压缩气流部分35进行压缩，并且将其输送向燃气涡轮发动机16。气流部分35由高压压缩机22进一步压缩，并且被输送到燃烧器24。来自燃烧器24的气流部分35驱动旋转的涡轮18和28，并且通过发动机排气侧30离开发动机10。在一个实施例中，压缩机或涡轮级可沿着轴向方向设置。在另一实施例中，压缩机或涡轮级沿着径向方向设置。在又一实施例中，压缩机或涡轮级可沿着径向方向和轴向方向二者设置。此处应当注意，虽然本文中公开了燃气涡轮发动机组件，但示例性系统和方法可应用于具有导致不稳定压力的叶片-尾流交互的各种类型的应用。图2是位于风扇11中(例如在图1的涡轮机系统10中)的示例性第一叶片组42和第二叶片组44的示意图。如图所示，第二叶片组44设置在第一叶片组42下游。在其它实施例中，第一叶片组42以及第二叶片组44可位于增压器14、压缩机22或涡轮18，28中。在一个实施例中，第一叶片组42包括可旋转叶片，而第二叶片组44包括固定叶片。在另一实施例中，第一叶片组42包括固定叶片，而第二叶片组44包括可旋转叶片。在又一实施例中，第一叶片组42和第二叶片组44两者都包括可旋转且相反地旋转的叶片。在所示的实施例中，第一叶片组42包括第一叶片分组46和第二叶片分组48。应当注意，在其它实施例中，第一叶片组42可包括不止两个叶片分组。第二叶片分组48设置成沿着周向方向50和轴向方向52相对于第一叶片分组46有所偏移。在所示的实施例中，第一叶片分组46中的各个叶片包括多个第一几何参数。该多个第一几何参数包括第一叶片分组46中的各个叶片的弧面(camber)54、交错(stagger) 56、弦58、叶片厚度60以及后缘弧面角62 (图3中示出)。第二叶片分组48中的各个叶片包括与第一几何参数不同的多个对应的第二几何参数。该多个第二几何参数包括第一叶片分组46中的各个叶片的弧面64、交错66、弦68、叶片厚度70以及后缘弧面角72(图3中示出)。此处应当注意，第一和第二几何参数可另外包括第一叶片分组46和第二叶片分组48的扫掠和二面角。第一和第二几何参数可取决于应用而有所不同。在一个实施例中，第二叶片分组48的弦68可相对于第一叶片分组46的弦58有所不同。在另一实施例中，被称为第二叶片分组48的交错66的相对于轴向方向的“倾角”可相对于第一叶片分组46的交错56有所不同。在又一实施例中，被称为第二叶片分组48的弧面64的“叶片曲率”可相对于第一叶片分组46的弧面54有所不同。在又一示例性实施例中，第二叶片分组48的叶片厚度70可相对于第一叶片分组46的叶片厚度60有所不同。在又一示例性实施例中，第二叶片分组48的后缘弧面角72(图3中示出)可相对于第一叶片分组46的后缘弧面角62有所不同。如之前已讨论过的，涡轮机中的不稳定压力的主要源头之一是相对于彼此运动的第二叶片组44与第一叶片组42的尾流之间的交互。如充分理解的那样，尾流定义为以叶片的空气动力拖曳为迹象的翼型后的动量减小的区域。在图2的所示的实施例中，如果第一叶片组42相对于第二叶片组44旋转，则第一叶片分组46散出由第二叶片组44撞击的第一尾流74。此外，第二叶片分组48散出由第二叶片组44撞击的第二尾流76。然而，如果第二叶片分组48设置成沿着周向方向50和轴向方向52相对于第一叶片分组46偏移，则与第二叶片组44的尾流交互将发生在不同的且非均匀地分布的瞬间时刻。换句话说，第一叶片分组46和第二叶片分组48最优地隔开，使得由第二叶片组44感知的尾流激励的波谱含量和由这样的交互产生的声波改变，以产生较少的总体噪声，如下文所述。此处应当注意，在所示的实施例中，与(其中)在整个第一叶片组42具有相同的几何参数时由第二叶片组44所感知的尾流激励的波谱含量和由这样的交互产生的声波的情景相比，由第二叶片组44所感知的尾流激励的波谱含量以及由这样的交互产生的声波改变。在另一实施例中，第一叶片分组46和第二叶片分组48可最优地隔开，以便减少第二叶片组44上的不稳定表面压力载荷。此外，第一叶片分组46和第二叶片分组48的对应的几何参数的不同还改变由第二叶片组44所感知的尾流激励的波谱含量，以产生较少的总体噪声。此处还应当注意，来自第二叶片组44的声信号是来自第一叶片组42的所有尾流的结果。在一些实施例中，第二叶片组44相对于第一叶片组42反向旋转。图3是涡轮机系统10中的示例性第一叶片组42和第二叶片组44的示意图。第二叶片组44设置在第一叶片组42下游。在所示的示例性实施例中，第二叶片分组48的后缘弧面角72可相对于第一叶片分组46的后缘弧面角62有所变化。此处应当注意，第一和第二叶片分组46，48的后缘弧面角的差别有助于有略微不同的气流离开角78，80，使得下游叶片排前缘处的尾流到达时间非均匀地分布，且由交互产生的声波比较不一致地辐射，以便产生较少的总体噪声。图4是类似于图2的实施例的示例性第一叶片组42和第二叶片组44的示意图。如图所示，第二叶片组44设置在第一叶片组42下游。在所示的实施例中，第一叶片组42包括固定叶片，而第二叶片组44包括可旋转叶片。如果第二叶片组44相对于第一叶片组42旋转，则第一叶片分组46散出由第二叶片组44撞击的第一尾流90。此外，第二叶片分组48散出由第二叶片组44撞击的第二尾流91。然而，如果第二叶片分组48设置成沿着周向方向50和轴向方向52相对于第一叶片分组46偏移，则与第二叶片组44的尾流交互将发生在不同的且非均匀地分布的瞬间时刻。换句话说，第一叶片分组46与第二叶片分组48最优地隔开，使得由第二叶片组44所感知的尾流激励的波谱含量以及由这种交互产生的声信号92改变，以便产生较少的总体噪声。此外，第一叶片分组46和第二叶片分组48的对应的几何参数的不同还改变了由第二叶片组44所感知的尾流激励的波谱含量，以便产生较少的总体噪声。本文所论述的用于减少涡轮机械中的不稳定压力的多种实施例因而提供了便利和高效的手段来减少相对于彼此运动的叶片组之间的尾流交互引起的空气动力噪声和/或空气动力学载荷。该技术在上游叶片组中的叶片之间提供了非均匀间隔，导致降低了不稳定叶片载荷，其也导致减少的噪声信号和/或以减少峰值噪声信号的方式叠加的噪声场。换句话说，噪声减少可通过以非均匀的方式改变由上游叶片排产生的尾流的间隔、以便重新分配下游叶片排所感知的尾流激励的波谱含量来实现。这具有减少/重新分配下游翼型上的不稳定载荷的波谱含量的效果，从而降低了翼型结构响应和/或所产生的噪声。几何参数的不同也有助于总体噪声减少。此外，技术人员将认识到来自不同的实施例的各种特征的可互换性。例如，第一叶片组可包括关于一个实施例描述的第三叶片分组，其可包括相对于关于另一实施例描述的第一叶片分组和第二叶片分组的弧面、交错、弦、叶片厚度以及后缘弧面角中的至少一个的几何变化。类似地，所描述的各种特征以及各个特征的其它已知的等效物可由本领域普通技术人员混合和匹配，以便根据本公开的原理构建另外的系统和技术。虽然在本文中示出和描述了本发明的仅某些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，将理解，所附的权利要求意图覆盖落入本发明的真实精神内的所有这样的修改和改变。
权利要求
1.一种设备，包括 第一叶片组，其包括 第一叶片分组，其中所述第一叶片分组中的各个叶片包括一个或多个第一几何参数；和 第二叶片分组，其中所述第二叶片分组中的各个叶片包括与所述一个或多个第一几何参数不同的一个或多个第二几何参数；和 相对于所述第一叶片组设置在下游的第二叶片组。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二叶片分组设置成沿着周向方向和轴向方向相对于所述第一叶片分组有所偏移。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一叶片组包括多个可旋转叶片，且所述第二叶片组包括多个固定叶片。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一叶片组包括多个固定叶片，且所述第二叶片组包括多个可旋转叶片。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一叶片组能够相对于所述第二叶片组反向旋转。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述一个或多个第一几何参数包括弧面、交错、弦、叶片厚度、后缘弧面角、叶片扫掠以及叶片二面角中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述一个或多个第二几何参数包括弧面、交错、弦、叶片厚度、后缘弧面角、叶片扫掠以及叶片二面角中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括涡轮机。
9.一种方法，包括 使第一叶片组相对于第二叶片组旋转，所述第二叶片组相对于所述第一叶片组设置在下游，其中所述第一叶片组包括第一叶片分组和第二叶片分组；其中所述第一叶片分组中的各个叶片包括一个或多个第一几何参数；其中所述第二叶片分组中的各个叶片包括与所述一个或多个第一几何参数不同的一个或多个第二几何参数； 用所述第二叶片组撞击所述第一叶片分组产生的第一尾流；以及 用所述第二叶片组撞击所述第二叶片分组产生的第二尾流，使得所感知的尾流激励的波谱含量和所述第二叶片组产生的声信号被改变。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述一个或多个第一几何参数包括弧面、交错、弦、叶片厚度、后缘弧面角、叶片扫掠以及叶片二面角中的至少一个。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述一个或多个第二几何参数包括弧面、交错、弦、叶片厚度和后缘弧面角、叶片扫掠以及叶片二面角中的至少一个。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括使所述第二叶片组相对于所述第一叶片组反向旋转。
13.—种方法,包括 使一个叶片组相对于另一个叶片组旋转，所述另一个叶片组相对于所述一个叶片组设置在上游，其中，所述另一个叶片组包括第一叶片分组和第二叶片分组；其中所述第一叶片分组中的各个叶片包括一个或多个第一几何参数；其中所述第二叶片分组中的各个叶片包括与所述一个或多个第一几何参数不同的一个或多个第二几何参数；用所述一个叶片组撞击所述第一叶片分组产生的第一尾流；以及用所述一个叶片组撞击所述第二叶片分组产生的第二尾流，使得所感知的尾流激励的波谱含量和所述一个叶片组产生的声信号被改变。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述一个或多个第一几何参数包括所述第一叶片分组中的各个叶片的弧面、交错、弦、叶片厚度、后缘弧面角、叶片扫掠以及叶片二面角中的至少一个。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述一个或多个第二几何参数包括所述第二叶片分组中的各个叶片的弧面、交错、弦、叶片厚度、后缘弧面角、叶片扫掠以及叶片二面角中的至少一个。
全文摘要
本发明涉及涡轮机中的噪声减少及其相关方法。一种设备包括第一叶片组和相对于第一叶片组设置在下游的第二叶片组。第一叶片组包括第一叶片分组，其中第一叶片分组中的各个叶片包括一个或多个第一几何参数。第二叶片组包括第二叶片分组，其中第二叶片分组中的各个叶片包括与该一个或多个第一几何参数不同的一个或多个第二几何参数。
文档编号F02C9/00GK103032105SQ20121036797
公开日2013年4月10日 申请日期2012年9月27日 优先权日2011年9月28日
发明者K.拉马克里什南, T.H.伍德 申请人:通用电气公司