用于强迫涡轮机的毗邻的有叶片元件的流场的耦合的结构和方法以及含有其的涡轮机的制作方法
【专利说明】用于强迫涡轮机的毗邻的有叶片元件的流场的耦合的结构和方法以及含有其的涡轮机
[0001]相关申请数据
[0002]本申请是于2013年I月23日提交的并且名称为“Methods for Forced Couplingof Rotor-Stator Pairs and Turbomachines Incorporating the Same，，的序列号为61/755,747的美国临时专利申请(其以其整体通过引用并入本文)的非临时申请。
发明领域
[0003]本发明大体上涉及涡轮机械的领域。具体地，本发明涉及用于强迫涡轮机的毗邻的有叶片元件的流场的耦合的结构和方法，以及含有其的涡轮机。
[0004]背景
[0005]涡轮机械包括压缩机、泵、和涡轮，其通常包括经常地被定位为紧邻于彼此的多行有叶片元件，其在使用期间形成用于工作流体的通路。经常地，在这些毗邻的行之间具有经常地以非常高的速度的相对运动。示例包括一行旋转叶轮叶片，该旋转叶轮叶片联接至定位为毗邻于联接至定子的一行静态的扩散器或喷嘴叶片或轮叶的转子。常规的涡轮机设计要求有叶片元件的这些毗邻的行之间的最小缝隙以最小化和避免形成这些行的结构例如转子叶片和定子轮叶之间的不想要的相互作用。这些不想要的相互作用包括噪声和振动的产生，已知振动使转子叶片和/或扩散器轮叶破裂或断裂。
[0006]本公开的概述
[0007]在一个实施中，本公开涉及一种涡轮机。涡轮机包括第一有叶片元件，其具有包含多个第一叶片的第一叶片区；第二有叶片元件，其具有包含至少一个第二叶片的第二叶片区，其中第二叶片区毗邻于第一叶片区定位；以及紧密耦合导流装置(CCFG)，其被设计和配置为在使用期间把第一有叶片元件的流场与第二有叶片元件的流场紧密地耦合。
[0008]在另一个实施中，本公开涉及一种涡轮机。涡轮机包括第一叶片行，其定位为毗邻于第二叶片行；以及紧密耦合导流装置(CCFG)，其接近第一叶片行和第二叶片行中的至少一个定位，CCFG被设计和配置为把第一叶片行的流场与第二叶片行的流场紧密地耦合。
[0009]附图简述
[0010]为了图示本发明的目的，附图示出本发明的一个或多个实施方案的方面。然而，应当理解，本发明不限于在附图中示出的精确的布置和机构，在附图中:
[0011]图1是图示了包括一个或多个用于增强涡轮机的毗邻的有叶片元件之间的流场的耦合的紧密耦合导流装置(CCFG)的根据本发明制造的涡轮机的高水平框图；
[0012]图2是图示了包括CCFG的祸轮机械的上下文特征的示意图；
[0013]图3是以具有CCFG的低坚固性板扩散器的形式的示例性的有叶片元件；
[0014]图4是以具有CCFG和一行串列式下游叶片的低坚固性板扩散器的形式的示例性的有叶片元件；
[0015]图5是具有以被控制轮廓的表面的形式的示例性的CCFG的叶片的侧视图；
[0016]图6是在图5中示出的叶片的透视图；
[0017]图7是在图5-6中示出的叶片的前视横截面图；
[0018]图8是在图5-7中示出的叶片的前视横截面图；
[0019]图9是在图5-8中示出的叶片的前视横截面图；
[0020]图10是在图5-9中示出的叶片的前视横截面图；
[0021]图11是具有以扭曲的被控制轮廓的表面的形式的可选择的CCFG的叶片的俯视图；
[0022]图12是在图11中示出的叶片的侧视图；
[0023]图13是具有在图11-12中示出的带有扭曲的被控制轮廓的表面的叶片的示例性的有叶片元件的透视图；
[0024]图14是以具有多个叶片和多个CCFG的扩散器的形式的示例性的有叶片元件的透视图；
[0025]图15是在图14中示出的有叶片元件的另一个透视图；
[0026]图16是与另一个以叶轮的形式的有叶片元件组合的在图14-15中示出的有叶片元件的透视图；
[0027]图17是不具有成锥形的毂表面的示例性的有叶片元件的透视图；
[0028]图18是具有带有包括在叶片的压力侧上的有倒角的表面的CCFG的叶片的示例性的有叶片元件的透视图；
[0029]图19是具有带有包括在叶片的吸入侧上的有倒角的表面的CCFG的叶片的示例性的有叶片元件的透视图；
[0030]图20是具有带有包括前边缘和后边缘(每个具有在顶部和底部上被圆角划界的笔直的中部部分)的CCFG的叶片的示例性的有叶片元件的透视图；
[0031]图21是具有带有包括可选择的被控制轮廓的表面的CCFG的叶片的示例性的有叶片元件的透视图；
[0032]图22是具有带有延伸到扩散器通路中的CCFG的叶轮叶片的示例性的径向压缩机/泵的透视图；
[0033]图23是在图22中示出的叶轮叶片CCFG的近视图；并且
[0034]图24是具有带有包括从叶片的后边缘沿着护罩表面延伸的肋部的CCFG的叶片的示例性的有叶片元件的透视图。
[0035]详细描述
[0036]现在参照附图，图1图示了根据本发明制造的并且包括第一有叶片元件104和紧邻的第二有叶片元件108的涡轮机100。涡轮机100可以是适合于实施本发明的特征和方面的任何类型的涡轮机，包括但不限于压缩机、涡轮、泵、风扇等等，与涡轮机的类别无关，即，与涡轮机是离心机、轴向机、混流机、任何其他类别的机器、还是其任何组合无关。如将从阅读该整个的公开内容中对于本领域的技术人员变得明显的，第一有叶片元件104和第二有叶片元件108中的每个可以是旋转元件(例如，离心式叶轮、离心诱导器、轴向压缩机轮子、轴向涡轮轮子、风扇、泵轮等等)或静态的元件(例如，扩散器、喷嘴、导流装置等等)。
[0037]如在下文详细地描述的，本发明的某些方面涉及把在本文中和在所附的权利要求中被称为“紧密耦合导流装置”(CCFG)的特征加入至大体上位于毗邻的有叶片元件(例如图1的有叶片元件104和108)之间和/或与毗邻的有叶片元件中的一个或二者重叠的CCFG区(在此为CCFG区112)，以有意地紧密地耦合这些有叶片元件的流场。在可选择的实施方案中CCFG区可以也位于更上游和/或更下游处，使得其不延伸入在有叶片元件104和108之间延伸的空间110中。如也在下文详细地描述的，这样的CCFG可以包括被特定地设计和配置为增强毗邻的叶片区的流场的耦合而不导致不想要的效应(例如不想要的流动、压力和/或振动干扰)的结构。注意，虽然图1图示了涡轮机100作为仅具有单对的毗邻的有叶片元件104和108，但是在其他的实施方案中讨论的涡轮机可以具有两对或更多对毗邻的有叶片元件，并且毗邻的配对中的某些或全部可以用本发明的CCFG增强。在图示具体的CCFG之前，首先介绍一点背景以向阅读者提供本发明的方面的详细的理解。
[0038]在常规的涡轮机设计中，被广泛地接受的是最小的无轮叶空间必须被保持在毗邻的叶片区之间以避免叶片区之间的不想要的相互作用。可导致压力场破坏扭曲的这样的相互作用的示例被包括在Japikse, D.的1980年的AGARD CP-282中的“The Influenceof Diffuser Inlet Pressure Fields on the Range and Durability of CentrifugalCompressor Stages”的研宄中。实际上，对控制这样的振动的需要已经是如此大的，致使祸轮机设计界已经强烈地集中于保持这种分离是足够的并且始终如一地考虑把每个元件设计为分离的实体，而没有紧密地耦合两个元件的期望。这种看法的一个后果是良好的阶段具有转子和定子之间的几乎没有空气动力学耦合的共有的观念，意味着几乎没有至完全没有从一个元件至其他元件的反馈，使得没有一个元件对其他元件具有显著的影响。
[0039]然而本发明的发明人已经从广泛的研宄和测试发现这样的常规的想法是不正确的并且使用更复杂的设计方法，结构和特征可以被加入至传统上无轮叶的空间(其在本文中被称为“耦合避免地带”)，以有意地增加毗邻的流场的耦合。除了多种其他的益处以外，这种紧密耦合还可以导致增加的机器性能，包括从压缩机或泵转子的更大的功输入，从涡轮转子的更大的功输出，和在叶轮内的流动的更大的相对扩散。借助于现代计算机计算方法(例如计算流体动力学和有限元分析)，这种高度耦合三维问题可以被特征化并且紧密耦合特征可以被设计。本文描述的紧密耦合特征(再次地在本文中和在所附的权利要求中被称为CCFG)为涡轮机械设计者提供多个自由度以开发复杂的结构以有意地增加流场的耦合，导致改进的机器性能而不产生叶片区之间的不想要的相互作用和这些相互作用的任何消极影响，例如性能的降低、振动和噪声。如将在下文的各种实施例中图示的，本公开的CCFG可以部分地或整个地位于相应的耦合避免地带内和/或被定位为与上游和/或下游叶片区重叠以实现期望的流场耦合。
[0040]在常规的涡轮机设计中，如上文提出的无轮叶空间或耦合避免地带的最小的大小可以根据机器的类型和大小而变化。对于径向流动压缩机和泵，最小的大小通常在约1.08 ( r3/r2 ( 1.15的范围内，其中r3是从机器中心线至轮叶的前边缘的半径并且r2是至叶轮或转子后边缘的半径。对于轴向流动机器，最小耦合避免地带通常在约1/4C至1/2C的范围内，其中C是有关的叶片的弦长度。对于混流机器，适用的度量可以是径向流动度量(r3/r2)或轴向流动度量(1/4C至1/2C)，这取决于机器的配置。如在下文更充分地描述的，CCFG可以延伸到或完全地位于