專利名稱：用于通過流體發(fā)生渦流的增強(qiáng)渦輪尾流混合的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，且更特別地涉及用于重新分配任務(wù)、重新設(shè)計(jì)和/或操縱冷卻劑噴射孔的使用以增強(qiáng)燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片或?qū)~尾流的混合以降低HPT/ LPT (高壓渦輪/低壓渦輪)相互作用損失以改善渦輪機(jī)的熱耐久性的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
渦輪葉片/導(dǎo)葉尾流與渦輪葉片/導(dǎo)葉沖擊波系統(tǒng)相互作用，且如果不是完全混合的話，與下游葉片/導(dǎo)葉相互作用。此過程產(chǎn)生更高的損失，并且常要求HPT和LPT之間額外的軸向間距以完全混合尾流。除了尾流混合的空氣性能益處之外，其益處還可擴(kuò)展至包括熱效應(yīng)。從薄膜冷卻的渦輪導(dǎo)葉和葉片離開的尾流除了壓力虧損之外還有溫度虧損。 翼型件(導(dǎo)葉或葉片)的尾流中的低動(dòng)量流體向下游遷移，并且被下游的翼型件攝入和旋轉(zhuǎn)。圖13的左側(cè)圖示了尾流遷移。圖13的右側(cè)圖示了流體在下游葉片列中的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致低動(dòng)量流體在翼型件的吸力側(cè)積聚，同時(shí)尾流外的較高動(dòng)量流體向鄰近翼型件的壓力側(cè)移動(dòng)。由于與尾流外的流體相比尾流流體較冷，因此在下游翼型件列的通道中發(fā)生熱隔離，此處進(jìn)入尾流中的冷卻劑不能到達(dá)壓力側(cè)。結(jié)果，下游翼型件的壓力側(cè)比鄰近的吸力側(cè)熱，這導(dǎo)致壓力側(cè)的過熱。此外，上游翼型件的尾流還引入次級(jí)流，如果尾流具有比周圍流低的速度，則該次級(jí)流常稱作“滑移”速度，或“負(fù)向”射流，如果尾流具有比周圍流高的速度，則稱為“正向”射流。圖14中圖示的速度三角描繪了負(fù)向和正向射流。ASME J. Eng. Power第92卷 pp. 359-370 的 Kerrebrock, J. L.和 Mikolajczak, Α. A.在 1970 年發(fā)表的"Intra-Stator Transport of Rotor Wakes and Its Effect on CompressorPerformance，，中描述了艮口便流體溫度處處相同，當(dāng)流向下游遷移時(shí)，此次級(jí)流導(dǎo)致流體跨越翼型件通道輸送，這又導(dǎo)致跨越該通道的溫度梯度。圖1是描繪渦輪葉片14的后緣12附近但不在后緣12中的流體噴射元件10的放置和操作的透視圖解，該流體噴射元件10在本領(lǐng)域公知用于增強(qiáng)隨渦輪葉片14的后緣12 的尾流的混合。至少一個(gè)流體發(fā)生的渦流16操作以增強(qiáng)隨渦輪葉片14的后緣12的尾流 22的混合。流體發(fā)生的渦流16經(jīng)由結(jié)合在渦輪葉片14的后緣12附近的一個(gè)或多個(gè)流體噴射元件M而發(fā)生。各流體噴射元件M構(gòu)造成將諸如空氣流的流體沈噴入渦輪葉片14 的后緣區(qū)域，以增強(qiáng)渦輪葉片14的后緣12后的尾流的混合。尾流的該增強(qiáng)混合導(dǎo)致更寬的尾流22。圖2圖示了以上-下視角查看的具有本領(lǐng)域中已知的倒圓型后緣冷卻方案的典型的渦輪葉片30，其中陰影區(qū)域32是金屬而中空區(qū)域34是冷卻劑流通路。渦輪葉片30包括具有直內(nèi)壁的后緣槽36。圖3圖示了泄放槽后緣冷卻方案，其具有包括后緣槽的較薄后緣，后緣槽帶有直的內(nèi)壁38。盡管流體噴射元件/冷卻孔和槽已經(jīng)在現(xiàn)有技術(shù)中被采用來提供空氣動(dòng)力學(xué)性能益處以及渦輪葉片/導(dǎo)葉的冷卻，但此類技術(shù)還未成功地解決對(duì)于超音速的導(dǎo)葉/葉片由尾流和沖擊相互作用導(dǎo)致的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)損耗，以及當(dāng)葉片/導(dǎo)葉為亞音速時(shí)由于尾流相互作用導(dǎo)致的非穩(wěn)態(tài)損耗。此外，其中導(dǎo)葉被大量冷卻(例如，薄膜和后緣冷卻)以確保在高溫環(huán)境中的耐久性的高溫渦輪可導(dǎo)致非穩(wěn)態(tài)熱尾流隔離效應(yīng)(thermal wake segregation)，該效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致對(duì)下游葉片/導(dǎo)葉的端壁(例如平臺(tái)和葉片/導(dǎo)葉末梢)的不期望的加熱。由冷尾流結(jié)合熱的燃燒后氣體導(dǎo)致大的溫度梯度，這導(dǎo)致熱尾流遷移效應(yīng)。鑒于以上所述，將會(huì)有利的是提供一種系統(tǒng)和方法來降低整體壓力梯度和整體溫度梯度。該系統(tǒng)和方法應(yīng)經(jīng)由上游葉片列的熱尾流的混合重新調(diào)節(jié)進(jìn)入下游翼型件列的流，以通過減少下游葉片列內(nèi)的熱隔離效應(yīng)而降低相鄰下游葉片列的熱負(fù)載。圖16用單一草示了速度尾流和熱尾流的混合。引入兩個(gè)參數(shù)來測量尾流混合。第一個(gè)參數(shù)是尾流速度比(WVR)，其在本文中定義為尾流區(qū)域中的速度積分與自由流區(qū)域中的速度積分的比率。另一個(gè)參數(shù)是尾流溫度比(WTR)，其定義為尾流區(qū)域中的質(zhì)量加權(quán)溫度積分與自由流區(qū)域中的質(zhì)量加權(quán)溫度積分的比率。

發(fā)明內(nèi)容
簡而言之，根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，高溫渦輪葉片或?qū)~包括大致弓形的后緣，該后緣包括設(shè)置在其中并構(gòu)造成降低由于尾流和/或沖擊相互作用所導(dǎo)致的空氣動(dòng)力學(xué)損耗的一個(gè)或多個(gè)流體噴射結(jié)構(gòu)，該一個(gè)或多個(gè)流體噴射結(jié)構(gòu)還構(gòu)造成將熱尾流隔離效應(yīng)降低至期望水平。根據(jù)另一實(shí)施例，高壓渦輪(HPT)葉片或?qū)~包括小圓齒狀后緣，該后緣包括設(shè)置在后緣的壓力側(cè)、吸力側(cè)或壓力側(cè)和吸力側(cè)兩者上并構(gòu)造成增強(qiáng)經(jīng)由HPT葉片或?qū)~生成的尾流的混合的一個(gè)或多個(gè)V字形，使得由于對(duì)應(yīng)的尾流和/或沖擊相互作用導(dǎo)致的空氣動(dòng)力學(xué)損耗被降低至期望水平，并且進(jìn)一步使得對(duì)應(yīng)的熱尾流隔離效應(yīng)被降低至期望水平。根據(jù)又另一個(gè)實(shí)施例，高壓渦輪(HPT)葉片或?qū)~包括小圓齒狀的后緣，該后緣包括設(shè)置在其中并構(gòu)造成將流體噴射到期望的后緣區(qū)域中的一個(gè)或多個(gè)流體噴射結(jié)構(gòu)，其中噴射的流體與小圓齒狀后緣通道流體流相互作用以產(chǎn)生來自噴射的流體和通道流體流的相互作用的流向速度，從而增強(qiáng)經(jīng)由HPT葉片或?qū)~產(chǎn)生的尾流的混合，使得由于尾流和/或沖擊相互作用導(dǎo)致的空氣動(dòng)力學(xué)損耗被降低至期望水平，并且還使得熱流隔離效應(yīng)被降低至期望水平。根據(jù)又另一個(gè)實(shí)施例，高壓渦輪(HPT)尾流混合系統(tǒng)包括預(yù)先存在的HPT葉片或?qū)~，該葉片或?qū)~包括設(shè)置在其中位于HPT葉片或?qū)~的后緣外的一個(gè)或多個(gè)冷卻孔， 其中該預(yù)先存在的HPT葉片或?qū)~重新配套一個(gè)或多個(gè)幾何形狀元件，使得從該一個(gè)或多個(gè)冷卻孔噴射的流體被經(jīng)由該一個(gè)或多個(gè)幾何形狀元件操縱，從而降低由于尾流和沖擊相互作用導(dǎo)致的空氣動(dòng)力學(xué)損耗，并進(jìn)一步將熱尾流隔離效應(yīng)降低至期望水平。根據(jù)又另一個(gè)實(shí)施例，高壓渦輪(HPT)尾流混合系統(tǒng)包括預(yù)先存在的HPT葉片或?qū)~，該葉片或?qū)~包括大致弓形的后緣，并且還包括設(shè)置在其中的一個(gè)或多個(gè)冷卻槽或孔，其中該預(yù)先存在的HPT葉片或?qū)~重新配套設(shè)置在該大致弓形的后緣中的一個(gè)或多個(gè)流體噴射元件，使得從該一個(gè)或多個(gè)流體噴射元件噴射的流體與流經(jīng)該一個(gè)或多個(gè)冷卻槽或孔的流體相互作用，以降低由于尾流和沖擊相互作用導(dǎo)致的空氣動(dòng)力學(xué)損耗，且進(jìn)一步將熱尾流隔離效應(yīng)降低至期望水平。


當(dāng)參考附圖閱讀以下具體實(shí)施方式
時(shí)，本發(fā)明的這些和其它特征、方面以及優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，其中貫穿附圖，相似的標(biāo)號(hào)代表相似的部件，其中圖1是描繪渦輪葉片的后緣附近但不在后緣中的流體噴射元件的放置和操作的透視圖解，該流體噴射元件在本領(lǐng)域公知用于增強(qiáng)隨渦輪葉片的后緣的尾流的混合；圖2圖示了已知的渦輪葉片，其包括以上-下視角查看的倒圓的后緣，其中陰影區(qū)域是金屬，而中空區(qū)域是冷卻劑流通路。圖3圖示了常用在功率發(fā)生渦輪機(jī)中的已知的厚后緣冷卻方案，其包括具有直內(nèi)壁的后緣槽；圖4圖示了用于渦輪葉片或?qū)~的后緣槽，其中內(nèi)槽壁的其中一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是小圓齒狀的；圖5是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例在圖4中描繪的渦輪葉片或?qū)~的端視圖；圖6是根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例在圖4中描繪的渦輪葉片或?qū)~的端視圖；圖7是圖示根據(jù)一個(gè)實(shí)施例用于渦輪葉片或?qū)~的小圓齒狀后緣的透視圖；圖8圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例用于高壓渦輪葉片或?qū)~的V字形后緣；圖9是圖示可采用本發(fā)明的各種實(shí)施例的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的簡化示意圖；圖10是橫截視圖，其描繪根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的渦輪葉片的后緣中的流體噴射元件的放置和操作，以降低由于尾流和/或沖擊相互作用導(dǎo)致的空氣動(dòng)力學(xué)損耗，并將熱尾流隔離效應(yīng)降低至期望水平。圖11是橫截視圖，其描繪根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的渦輪葉片的后緣中的流體噴射元件的放置和操作，以降低由于尾流和/或沖擊相互作用導(dǎo)致的空氣動(dòng)力學(xué)損耗， 并將熱尾流隔離效應(yīng)降低至期望水平；圖12是橫截視圖，其描繪根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的渦輪葉片的后緣中的流體噴射元件的放置和操作，以降低由于尾流和/或沖擊相互作用導(dǎo)致的空氣動(dòng)力學(xué)損耗， 并將熱尾流隔離效應(yīng)降低至期望水平；圖13圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例導(dǎo)致低動(dòng)量流體在翼型件的吸力側(cè)附近積聚，同時(shí)尾流外的高動(dòng)量流體向鄰近翼型件的壓力側(cè)移動(dòng)的下游葉片列中的尾流遷移和流體的轉(zhuǎn)向；圖14圖示了速度三角，顯示了引入次級(jí)流的上游翼型件的尾流，如果尾流具有比周圍流低的速度，則該次級(jí)流常稱作“滑移”速度，或“負(fù)向，，射流，或者如果尾流具有比周圍流高的速度，則稱為“正向”射流；圖15圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例基于上游葉片列的熱尾流的混合的尾流溫度比和翼型件表面溫度差的相互關(guān)系，以通過降低下游葉片列內(nèi)的熱隔離效應(yīng)減小鄰近下游葉片列的熱負(fù)荷；圖16用單一草示了速度尾流和熱尾流的混合；圖17圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例設(shè)置在渦輪葉片或?qū)~的后緣中的流體噴射槽；
圖18圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例設(shè)置在渦輪葉片或?qū)~的后緣中的流體噴射孔；圖19圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例渦輪葉片或?qū)~的吸力側(cè)上的V字形后緣；圖20圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例渦輪葉片或?qū)~的壓力側(cè)上的V字形后緣；圖21圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例渦輪葉片或?qū)~的壓力側(cè)后緣上的冷卻槽；以及圖22是圖21中描繪的渦輪葉片或?qū)~的橫截頂視圖。盡管以上標(biāo)識(shí)的附形描述了備選實(shí)施例，但是如在討論中指出的，也考慮了本發(fā)明的其他實(shí)施例。在所有情況下，此公開均通過描述而非限制的方式說明本發(fā)明的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員可設(shè)想落入本發(fā)明的原理的范圍和精神內(nèi)的許多其它的改型和實(shí)施
例。
零部件列表
(10)流體噴射元件
(12)渦輪葉片的后緣
(14)渦輪葉片
(16)流體產(chǎn)生的渦流
(22)尾流
(26)流體
(30)渦輪葉片
(32)金屬
(34)冷卻劑流通路
(36)后緣槽
(38)后緣槽內(nèi)壁
(40)后緣槽
(42)HPT葉片/導(dǎo)葉
(44)后緣小圓齒狀槽內(nèi)壁
(50) HPT葉片小圓齒狀后緣
(60) HPT葉片V字形后緣
(100)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)
(124)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)HPT
(128)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)LPT
(200)流體噴射元件
(202)流體噴射孔
(204)流體噴射孔
(210)流體噴射元件
(212)流體噴射孔
(220)流體噴射元件
(222)流體噴射孔
(300)渦輪葉片/導(dǎo)葉
(304)壓力側(cè)后緣
具體實(shí)施例方式根據(jù)諸如圖10-12和17-18中描繪的那些在本文中進(jìn)一步詳細(xì)描述的特定實(shí)施例，在高壓渦輪(HPT)葉片或?qū)~的大致弓形的厚后緣中設(shè)置了冷卻孔尾流混合元件，以提供后緣尾流混合方案。不同于平行于主流道噴射流體的常規(guī)后緣尾流混合方案，這些實(shí)施例有利地以相對(duì)于該主流道的槳距角和/或偏航角噴射流體，從而產(chǎn)生本文進(jìn)一步詳細(xì)描述的期望的流向渦流。根據(jù)諸如圖4-8和19-20中描繪的那些在本文中進(jìn)一步詳細(xì)描述的其他實(shí)施例， 在高壓渦輪葉片或?qū)~的壓力側(cè)、吸力側(cè)或壓力側(cè)和吸力側(cè)兩者上設(shè)置V字形后緣，以提供壓力側(cè)泄放槽后緣尾流混合方案。根據(jù)又其他的實(shí)施例，放置諸如圖10-12和21-22中描繪的那些在本文進(jìn)一步詳細(xì)描述的流體噴射元件/結(jié)構(gòu)，從而以相對(duì)于對(duì)應(yīng)的渦輪葉片壁預(yù)定的角度噴射流體，以便與小圓齒狀的后緣槽壁(諸如圖4-8中所描繪的)通道流相互作用，并從此噴射的流以及小圓齒狀槽通道流的相互作用產(chǎn)生流向渦流。調(diào)整該流向渦流生成和強(qiáng)度以與對(duì)應(yīng)的尾流相互作用，尾流例如但不限于后緣尾流，并使得其混合，從而到其與下游行進(jìn)沖擊以及發(fā)動(dòng)機(jī)部件相互作用時(shí)減小其速度缺陷。用于產(chǎn)生流向渦流的這些流體技術(shù)起作用以增強(qiáng)尾流混合并導(dǎo)致尾流的快速耗散。發(fā)生在高壓渦輪葉片/導(dǎo)葉14處的尾流的快速耗散降低了否則將在這些尾流與相鄰低壓渦輪(LPT)葉片/導(dǎo)葉以及它們對(duì)應(yīng)的流結(jié)構(gòu)相互作用時(shí)發(fā)生的空氣動(dòng)力學(xué)損耗。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，適合于實(shí)現(xiàn)本文所述原理的渦流的流體產(chǎn)生使用穩(wěn)定噴出而實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)實(shí)施例可采用脈動(dòng)噴出。又另一個(gè)實(shí)施例采用穩(wěn)定噴出和脈動(dòng)噴出兩者來實(shí)現(xiàn)期望的流向渦流。一些實(shí)施例可進(jìn)一步采用增強(qiáng)此類渦流的產(chǎn)生的幾何形狀特征。幾何形狀特征基于期望的應(yīng)用，并且可包括但不限于孔、槽和它們的不同幾何形狀組合。一對(duì)噴射孔例如可在尺寸和噴射的定向方面進(jìn)行調(diào)整以產(chǎn)生期望的或需要的特征，包括但不限于強(qiáng)度、持續(xù)性以及頻率(如果采用了非穩(wěn)定噴出)。適合用來實(shí)現(xiàn)本文所述原理的用于渦流的流體產(chǎn)生的一個(gè)實(shí)施例通過改變已經(jīng)用來主動(dòng)冷卻HPT和/或LPT渦輪葉片表面的孔和/或槽來實(shí)現(xiàn)，從而獲得期望的流向渦流。此類實(shí)施例利用現(xiàn)有的冷卻基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，需要最少的再設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)期望的渦流。用于根據(jù)本文所述的原理促進(jìn)尾流混合的手段不限于簡單的后緣方向噴射。它們可擴(kuò)展至用附加的幾何特征工作，這些特征導(dǎo)致局部渦流的形成以增強(qiáng)尾流混合。這些特征可包括但不限于諸如圖4-8中描繪的小圓齒狀后緣。圖4圖示了用于HPT渦輪葉片或?qū)~42的后緣槽40，其中內(nèi)槽壁44的其中一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例是小圓齒狀的。圖5是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例在圖4中描繪的渦輪葉片或?qū)~42的端視圖。圖6是根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例在圖4中描繪的渦輪葉片或?qū)~42的端視圖。小圓齒狀內(nèi)槽壁44操作以在使用1)僅流體噴射元件/結(jié)構(gòu)或冷卻孔，2)僅使用葉片 /導(dǎo)葉平臺(tái)或拱起的變化，或幻使用流體噴射元件/結(jié)構(gòu)結(jié)合具有直內(nèi)壁的后緣槽可獲得的尾流混合之外而進(jìn)一步增強(qiáng)經(jīng)由渦輪葉片42產(chǎn)生的尾流的混合。圖7是圖示根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例用于高壓渦輪(HPT)葉片或?qū)~的小圓齒狀后緣50 的透視圖。圖8圖示了根據(jù)又另一個(gè)實(shí)施例用于高壓渦輪葉片或?qū)~的V字形后緣60。如本文所用，V字形310限定為三角形鋸齒狀平面變化，其或者如在圖20中所示的用在高壓渦輪葉片或?qū)~的壓力側(cè)304上，如圖19中所示的用在吸力側(cè)上，或者用在壓力側(cè)和吸力側(cè)兩者之上，該高壓渦輪葉片或?qū)~諸如但不限于如圖3中所描繪的葉片。比方說例如圖21和22中描繪的具有尖銳的壓力側(cè)和吸力側(cè)后緣304，306以及壓力側(cè)冷卻槽302的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片/導(dǎo)葉300可構(gòu)造成使得下唇或上唇或兩側(cè)均可采用V 字形或小圓齒狀表面或兩者的組合，其中冷卻通道302以幾何形狀特征對(duì)齊，使得流向渦流的產(chǎn)生被最大化的方式對(duì)齊。圖21是圖示適合用于用在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中的渦輪葉片 /導(dǎo)葉300的后緣部分，此處后緣304，306比用于功率發(fā)生機(jī)械的后緣薄。流向渦流因而經(jīng)由設(shè)置在諸如圖17和18中所描繪的后緣(TE)上的一個(gè)或多個(gè)流體噴射元件400，402產(chǎn)生，圖17和18分別圖示了流體噴射槽400和流體噴射孔402，且流體噴射元件可與高壓渦輪(HPT)或低壓渦輪(LPT)葉片的一個(gè)或多個(gè)幾何形狀特征一體結(jié)合，使得局部渦流增強(qiáng)在使用已知技術(shù)可獲得的尾流混合之外增強(qiáng)尾流混合。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，各流體噴射元件構(gòu)造成將諸如空氣流的流體噴入對(duì)應(yīng)HPT或LPT渦輪葉片的后緣區(qū)域，從而與對(duì)應(yīng)的通道流體流相互作用，并由噴射流體流和通道流體流的相互作用產(chǎn)生流向渦流，以增強(qiáng)(HP或LP)渦輪葉片的后緣后的尾流的混合。渦輪葉片的后緣后增強(qiáng)的尾流混合降低了 HPT/LPT相互作用損耗和/或使得能夠縮短燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中HPT和LPT 部件之間的軸向間隙。更具體而言，利用渦流的產(chǎn)生，已經(jīng)描述了用來減小總的壓力梯度和總的溫度梯度兩者的系統(tǒng)和方法實(shí)施例。這重新調(diào)節(jié)了進(jìn)入下游翼型件列的流。上游葉片列的熱尾流的混合有利于通過降低下游葉片列內(nèi)的熱隔離效應(yīng)而降低相鄰下游葉片列的熱負(fù)荷。此效應(yīng)通過圖15中所示的圖表而更詳細(xì)地圖示，該圖描繪了尾流溫度比和翼型件表面溫度差的相互關(guān)系，其中該圖表中的尾流溫度比限定為尾流區(qū)域中的總溫度除以尾流之外的流區(qū)域中的總溫度。在認(rèn)識(shí)到在空氣動(dòng)力學(xué)性能和系統(tǒng)/熱要求之間將需要折衷的情況下，用于空氣動(dòng)力學(xué)性能的現(xiàn)有技術(shù)可進(jìn)行修改以實(shí)施本文所述的原理。因此，用于空氣動(dòng)力學(xué)性能的現(xiàn)有技術(shù)可進(jìn)行修改以實(shí)施本文所述的原理，只要可以同時(shí)達(dá)成空氣動(dòng)力學(xué)性能和系統(tǒng)/ 熱要求。圖9是圖示可采用本發(fā)明的各種實(shí)施例的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)100的一部分橫截面視圖的簡化示意圖。可見到燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)100包括與對(duì)應(yīng)的LPT 1 相互作用的HPT 124。圖10是橫截視圖，其描繪根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的HP或LP渦輪葉片14的大致弓形的后緣12中的流體噴射元件200的放置和操作，以降低由于尾流和/或沖擊相互作用導(dǎo)致的空氣動(dòng)力學(xué)損耗，并進(jìn)一步將熱尾流隔離效應(yīng)降低至期望水平。流體噴射元件200 包括一對(duì)流體噴射孔202，204，該流體噴射孔構(gòu)造成根據(jù)本文所述的原理將諸如空氣的期望流體26噴入葉片14的后緣的壓力側(cè)和吸力側(cè)兩者。圖11是橫截視圖，其描繪根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的HP或LP渦輪葉片14的大致弓形的后緣12中的流體噴射元件210的放置和操作，以降低由于尾流和/或沖擊相互作用導(dǎo)致的空氣動(dòng)力學(xué)損耗，并進(jìn)一步將熱尾流隔離效應(yīng)降低至期望水平。形成流體噴射元件210的一部分的流體噴射孔212構(gòu)造成根據(jù)本文所述的原理將諸如空氣的期望流體沈噴入葉片14的后緣12的末梢部分。圖12是橫截視圖，其描繪根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的HP或LP渦輪葉片14的大致弓形的后緣12中的流體噴射元件220的放置和操作，以降低由于尾流和/或沖擊相互作用導(dǎo)致的空氣動(dòng)力學(xué)損耗，并進(jìn)一步將熱尾流隔離效應(yīng)降低至期望水平。形成流體噴射元件220的一部分的流體噴射孔222構(gòu)造成根據(jù)本文所述的原理將諸如空氣的期望流體沈噴入葉片14的后緣12的壓力側(cè)或吸力側(cè)。本文所述的實(shí)施例有利地降低了由于尾流和沖擊相互作用導(dǎo)致的空氣動(dòng)力學(xué)損耗。這些損耗包括對(duì)于超音速導(dǎo)葉/葉片的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)損耗以及當(dāng)葉片/導(dǎo)葉是亞音速時(shí)由于尾流相互作用所導(dǎo)致的非穩(wěn)態(tài)損耗。本文所述的實(shí)施例還有利地降低了非穩(wěn)態(tài)熱尾流隔離效應(yīng)，該效應(yīng)導(dǎo)致由導(dǎo)致熱尾流遷移效應(yīng)的冷尾流和熱燃燒后氣體造成的下游葉片的端壁的不期望的加熱。本文所述的原理可輕易地用于選擇性地混合經(jīng)由HP或LP燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片產(chǎn)生的尾流，其中該選擇基于HPT和/或LPT葉片或?qū)~的類型，并使得由于尾流和/或沖擊相互作用引起的對(duì)應(yīng)的空氣動(dòng)力學(xué)損耗降低至期望水平，且進(jìn)一步基于一個(gè)或多個(gè)下游渦輪葉片或?qū)~空氣動(dòng)力學(xué)要求和熱要求使得對(duì)應(yīng)的熱尾流隔離效應(yīng)降低至期望的水平。盡管本文僅說明并描述了本發(fā)明的某些特征，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到許多改型和改變。因此應(yīng)該理解的是，所附權(quán)利要求書意圖覆蓋落入本發(fā)明真實(shí)精神之內(nèi)的所有此類變更和改變。
權(quán)利要求
1.一種高壓渦輪(HPT)葉片(14)或?qū)~(14)，包括包括后緣冷卻孔O02)“204)的布置的大致弓形的后緣(12)，所述后緣冷卻孔構(gòu)造為流體噴射元件，以將流體從該處以相對(duì)于主流的一個(gè)或多個(gè)角度噴射，從而產(chǎn)生使尾流混合的渦流，使得由于所述尾流和沖擊相互作用導(dǎo)致的空氣動(dòng)力學(xué)損耗降低至期望水平，并且進(jìn)一步使得熱尾流隔離效應(yīng)降低至期望水平。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HPT葉片或?qū)~(14)，其特征在于，至少一個(gè)流體噴射元件 (202), (204)構(gòu)造成將流體噴射在所述后緣(1 的壓力側(cè)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HPT葉片或?qū)~(14)，其特征在于，至少一個(gè)流體噴射元件 (202), (204)構(gòu)造成將流體噴射在所述后緣(12)的吸力側(cè)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HPT葉片或?qū)~(14)，其特征在于，至少一個(gè)流體噴射元件 (202)構(gòu)造成將流體噴射在所述后緣(1 的所述壓力側(cè)上，且至少一個(gè)不同的流體噴射元件(204)構(gòu)造成將流體噴射在所述后緣(1 的所述吸力側(cè)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HPT葉片或?qū)~(14)，其特征在于，一個(gè)或多個(gè)流體噴射元件(20 構(gòu)造成以流體流的預(yù)先確定的固定速度噴射所述流體，同時(shí)通過不同的噴射元件 (204)以流體的脈動(dòng)噴射噴射所述流體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HPT葉片或?qū)~(14)，其特征在于，各噴射元件(202)，(204) 還在尺寸和相對(duì)于其對(duì)應(yīng)的渦輪葉片或?qū)~(14)的定向方面構(gòu)造成使得所述一個(gè)或多個(gè)噴射元件002)，(204)產(chǎn)生流向渦流，所述流向渦流具有包括期望的渦流強(qiáng)度、期望的渦流持久性以及期望的渦流頻率的至少其中一個(gè)的特性。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的HPT葉片或?qū)~(14)，其特征在于，所述葉片或?qū)~還包括一個(gè)或多個(gè)渦輪葉片或?qū)~幾何形狀元件000)，其中所述一個(gè)或多個(gè)幾何形狀元件 (200)結(jié)合所述一個(gè)或多個(gè)流體噴射元件一起構(gòu)造成使經(jīng)由所述HPT渦輪葉片或?qū)~(14) 產(chǎn)生的所述尾流混合。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的HPT葉片或?qū)~(14)，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)幾何形狀元件(200)包括一個(gè)或多個(gè)流體通道。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的HPT渦輪葉片或?qū)~(14)，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)幾何形狀元件選自小圓齒狀后緣，V字形后緣，后緣冷卻槽以及它們的組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的HPT葉片或?qū)~(14)，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)幾何形狀元件(200)包括后緣槽，其中該槽的至少一個(gè)內(nèi)壁在所述槽的展向方向上是小圓齒狀的。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于通過流體發(fā)生的渦流的增強(qiáng)的渦輪機(jī)尾流混合的系統(tǒng)和方法，具體而言，涉及一種包括大致弓形的后緣(12)的高壓渦輪(HPT)葉片(14)，該后緣包括設(shè)置在其中的一個(gè)或多個(gè)流體噴射元件(202)，(204)。各流體噴射元件(202)，(204)將諸如空氣的流體噴入該HPT葉片或?qū)~(14)的期望后緣區(qū)域，以增強(qiáng)經(jīng)由該HPT葉片或?qū)~產(chǎn)生(14)的尾流。該增強(qiáng)的混合降低了HPT/LPT相互作用損耗和/或燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中HPT和LPT部件之間的軸向間隙。相互作用損耗包括導(dǎo)致下游葉片/導(dǎo)葉的端壁(平面和葉片/導(dǎo)葉末梢)的不期望加熱的非穩(wěn)態(tài)熱尾流隔離效應(yīng)，且還包括超音速和亞音速的空氣動(dòng)力學(xué)損耗。
文檔編號(hào)F01D5/18GK102330571SQ20111015698
公開日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者A·古普塔, 姚吉先 申請(qǐng)人:通用電氣公司