專利名稱：渦輪機(jī)的渦輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪機(jī)，確切地說，涉及具有翼型喉道分布的渦輪機(jī)，所述翼型喉道分布在流體流中生成尖端強(qiáng)壓力輪廓線。
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)等渦輪機(jī)可包括壓縮機(jī)、燃燒室和渦輪。壓縮機(jī)壓縮入口氣體，并且燃燒室將壓縮的入口氣體與燃料一起燃燒以生成高溫流體。這些高溫流體被導(dǎo)入渦輪，在渦輪中高溫流體的能量被轉(zhuǎn)化為可用于生成能量以及/或者發(fā)電的機(jī)械能。渦輪經(jīng)形成以構(gòu)成供高溫流體通過的環(huán)形通路。渦輪中的能量轉(zhuǎn)換可通過沿著通路設(shè)置的一系列葉片級(jí)和噴嘴級(jí)實(shí)現(xiàn)。在選擇徑向喉道分布來(lái)獲得平坦渦輪出口輪廓時(shí)，末級(jí)根部區(qū)域的氣動(dòng)特性通常受到限制。具體而言，根部聚攏可能相對(duì)低級(jí)，因此可能導(dǎo)致根部區(qū)域的性能受到損害。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供渦輪機(jī)的渦輪，并且所述渦輪包括:構(gòu)成流體流的通路的相對(duì)端壁和沿著通路軸向布置的多個(gè)交錯(cuò)葉片級(jí)和噴嘴級(jí)。多個(gè)葉片級(jí)包括通路下游端的末級(jí)葉片級(jí)以及末級(jí)葉片級(jí)上游的次末級(jí)葉片級(jí)。多個(gè)噴嘴級(jí)包括末級(jí)葉片級(jí)與次末級(jí)葉片級(jí)之間的末級(jí)噴嘴級(jí)以及次末級(jí)葉片級(jí)上游的次末級(jí)噴嘴級(jí)。次末級(jí)葉片級(jí)和次末級(jí)噴嘴級(jí)中的至少一者包括氣動(dòng)元件，其經(jīng)配置與流體流相互作用，并且界定喉道分布以在流體流中生成尖端強(qiáng)壓力輪廓線。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供渦輪機(jī)的渦輪，并且所述渦輪包括:構(gòu)成流體流的通路的相對(duì)端壁和沿著通路軸向布置的多個(gè)交錯(cuò)葉片級(jí)和噴嘴級(jí)。多個(gè)葉片級(jí)包括通路下游端的末級(jí)葉片級(jí)以及末級(jí)葉片級(jí)上游的次末級(jí)葉片級(jí)。多個(gè)噴嘴級(jí)包括末級(jí)葉片級(jí)與次末級(jí)葉片級(jí)之間的末級(jí)噴嘴級(jí)以及次末級(jí)葉片級(jí)上游的次末級(jí)噴嘴級(jí)。次末級(jí)葉片級(jí)包括氣動(dòng)元件，其經(jīng)配置與流體流相互作用，并且界定喉道分布以在流體流中生成尖端強(qiáng)壓力輪廓線。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供渦輪機(jī)，并且所述渦輪機(jī)包括:壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)壓縮入口氣體從而生成壓縮的入口氣體；燃燒室，所述燃燒室將壓縮的入口氣體與燃料一起燃燒以生成流體流；以及渦輪，所述渦輪能接納流體流，并且包括:構(gòu)成流體流的通路的相對(duì)端壁和沿著通路軸向布置的多個(gè)交錯(cuò)葉片級(jí)和噴嘴級(jí)。多個(gè)葉片級(jí)包括沿著通路依次設(shè)置的次末級(jí)葉片級(jí)和末級(jí)葉片級(jí)。多個(gè)噴嘴級(jí)包括沿著通路依次設(shè)置的次末級(jí)噴嘴級(jí)和末級(jí)噴嘴級(jí)。次末級(jí)葉片級(jí)和次末級(jí)噴嘴級(jí)中的至少一者包括氣動(dòng)元件，其經(jīng)配置與流體流相互作用，并且界定喉道分布以在流體流中生成尖端強(qiáng)壓力輪廓線。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供渦輪機(jī)的渦輪，并且所述渦輪包括:構(gòu)成流體流的通路的相對(duì)端壁和沿著通路軸向布置的多個(gè)交錯(cuò)葉片級(jí)和噴嘴級(jí)。多個(gè)葉片級(jí)包括通路下游端的末級(jí)葉片級(jí)以及末級(jí)葉片級(jí)上游的次末級(jí)葉片級(jí)，并且所述多個(gè)噴嘴級(jí)包括末級(jí)葉片級(jí)與次末級(jí)葉片級(jí)之間的末級(jí)噴嘴級(jí)以及次末級(jí)葉片級(jí)上游的次末級(jí)噴嘴級(jí)。末級(jí)葉片級(jí)和末級(jí)噴嘴級(jí)包括氣動(dòng)元件，其經(jīng)配置以獲得大體上平坦的出口壓力輪廓線。通過以下結(jié)合附圖進(jìn)行的說明可以更加清楚地了解這些和其他優(yōu)點(diǎn)以及特征。


本專利申請(qǐng)文件中的權(quán)利要求書特別指出并明確主張了本發(fā)明。通過以下結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)說明可以清楚地了解本發(fā)明的上述和其他特征以及優(yōu)點(diǎn)，在附圖中:圖1是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的示意圖；以及圖2是圖1的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪內(nèi)部的側(cè)面。
具體實(shí)施方式
通過參考附圖以實(shí)例方式介紹本發(fā)明的各實(shí)施例以及優(yōu)點(diǎn)和特征。
具體實(shí)施例方式參見圖1和圖2，根據(jù)本發(fā)明的各方面，渦輪機(jī)10可為，例如，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)11。這樣，渦輪機(jī)10可包括壓縮機(jī)12、燃燒室13和渦輪14。壓縮機(jī)12壓縮入口氣體，并且燃燒室13將壓縮的入口氣體與燃料一起燃燒以生成高溫流體。這些高溫流體被導(dǎo)入渦輪14，在所述渦輪中高溫流體的能量被轉(zhuǎn)化為可用于生成能量以及/或者發(fā)電的機(jī)械能。渦輪14包括第一環(huán)形端壁201以及第二環(huán)形端壁202，所述第二環(huán)形端壁202圍繞第一環(huán)形端壁201設(shè)置以構(gòu)成環(huán)形通路203。環(huán)形通路203從靠近燃燒室13的其上游部分延伸到遠(yuǎn)離燃燒室13的其下游部分。即，高溫流體從燃燒室13輸出，并且從上游部分沿通路203通過渦輪14到達(dá)下游部分。在渦輪的部分20處，渦輪14包括多個(gè)交錯(cuò)的葉片和噴嘴級(jí)。葉片級(jí)可包括:末級(jí)葉片級(jí)21，其可設(shè)置于靠近通路203的軸向下游端；次末級(jí)葉片級(jí)23，其可設(shè)置于末級(jí)葉片級(jí)21的上游；以及一個(gè)或多個(gè)上游葉片級(jí)25，其可設(shè)置于次末級(jí)葉片級(jí)23的上游。噴嘴級(jí)可包括:末級(jí)噴嘴級(jí)22，其可軸向設(shè)置于末級(jí)葉片級(jí)21與次末級(jí)葉片級(jí)23之間；次末級(jí)噴嘴級(jí)24，其可設(shè)置于次末級(jí)葉片級(jí)23的上游；以及一個(gè)或多個(gè)上游噴嘴級(jí)26，其可設(shè)置于一個(gè)或多個(gè)上游葉片級(jí)25的上游。末級(jí)葉片級(jí)21包括第一類型氣動(dòng)元件的環(huán)形陣列(以下稱“葉片”)，設(shè)置所述葉片使得各葉片從通路203的一端到另一端以及在第一端壁201與第二端壁202之間是可延伸的。次末級(jí)葉片級(jí)23與一個(gè)或多個(gè)上游葉片級(jí)25的配置類似。末級(jí)噴嘴級(jí)22包括第二類型氣動(dòng)元件的環(huán)形陣列(以下稱“噴嘴”)，提供所述噴嘴，使得各噴嘴在通路203從的一端到另一端以及在第一端壁201與第二端壁202之間是可延伸的。次末級(jí)噴嘴級(jí)24與一個(gè)或多個(gè)上游噴嘴級(jí)26的配置類似。所述葉片和噴嘴中的每一個(gè)可包括翼片形狀，該翼片形狀包括前緣、與前緣相對(duì)的后緣、在前緣與后緣之間延伸的壓力側(cè)，以及與壓力側(cè)相對(duì)的在前緣與后緣之間延伸的吸入側(cè)。所述葉片和噴嘴中的每一個(gè)如此設(shè)置使得在給定的級(jí)內(nèi)，所述葉片和噴嘴中的任何一個(gè)的壓力側(cè)分別地朝向相鄰一個(gè)的吸力側(cè)。通過此配置，隨著高溫流體流流過通路203，高溫流體以氣動(dòng)方式與葉片和噴嘴相互作用，并且被迫以相對(duì)于渦輪14的中心線的角動(dòng)量流動(dòng)，使得末級(jí)葉片級(jí)21、次末級(jí)葉片級(jí)23以及一個(gè)或多個(gè)上游葉片級(jí)25圍繞該中心線旋轉(zhuǎn)。
通常，喉道定義為在給定級(jí)，相鄰噴嘴或葉片之間的最窄的區(qū)域。另外，徑向喉道分布表示在給定級(jí)內(nèi)各種跨度(即，徑向)位置上相鄰噴嘴或葉片的喉道測(cè)量。通常，在選擇徑向喉道分布以獲得平坦渦輪出口輪廓時(shí)，靠近第一端壁201的末級(jí)葉片級(jí)21的葉片的根部區(qū)域中的氣動(dòng)特性通常受到限制。具體而言，葉根聚攏可能相對(duì)較低，并且因此根部區(qū)域的葉片級(jí)性能可能受到損害。然而，根據(jù)某一方面，末級(jí)葉片級(jí)21的入口輪廓可經(jīng)偏離成為尖端強(qiáng)，使得末級(jí)葉片級(jí)21處的葉片設(shè)計(jì)空間打開以在沒有損失根部區(qū)域的氣動(dòng)特性的情況下獲得大體上平坦的出口壓力輪廓線。這將通過選擇次末級(jí)葉片級(jí)23和次末級(jí)噴嘴級(jí)24中的至少一者的相鄰氣動(dòng)元件的徑向喉道分布來(lái)獲得，使得徑向功分布生成離開次末級(jí)葉片級(jí)23和次末級(jí)噴嘴級(jí)24的尖端強(qiáng)總壓力輪廓線。在這種情況下，隨著流體流繼續(xù)朝向末級(jí)葉片級(jí)21和末級(jí)噴嘴級(jí)22前進(jìn)，流體流被次末級(jí)葉片級(jí)23和次末級(jí)噴嘴級(jí)24調(diào)節(jié)?？梢岳斫獾氖牵M管徑向喉道分布的選擇與次末級(jí)葉片級(jí)23和/或次末級(jí)噴嘴級(jí)24相關(guān)，但為了簡(jiǎn)潔清晰起見，僅詳細(xì)描述次末級(jí)葉片級(jí)23的徑向喉道分布選擇。當(dāng)如在此描述的被選擇時(shí)，徑向喉道分布是呈現(xiàn)無(wú)量綱的相對(duì)出口角分布的圓周平均的輪廓，所述相對(duì)出口角分布的范圍從位于或靠近第一端壁201處1.00到1.05之間到位于或靠近第二端壁202處0.95到1.00之間。該相對(duì)強(qiáng)的強(qiáng)迫渦旋方案開放了末級(jí)噴嘴級(jí)22以及末級(jí)葉片級(jí)21的設(shè)計(jì)空間，在此處對(duì)擴(kuò)壓器的平坦渦輪出口總壓輪廓作為目標(biāo)借此改進(jìn)對(duì)于給定平坦出口總壓分布目標(biāo)的至少末級(jí)葉片級(jí)21的級(jí)性能。從渦輪14下游的到擴(kuò)壓器的平坦入口輪廓可被選擇用于到熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)系統(tǒng)的擴(kuò)壓器復(fù)原和最小峰值速度。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，末級(jí)噴嘴級(jí)22的相鄰噴嘴可經(jīng)布置以呈現(xiàn)以下示例性無(wú)量綱特征:
TOO1.29+10%
92.21.26 + 10%
76.01.16 + 10%
58.41.04+10%
38.60.90+10%
14.80.73+10%
070 0.61 + 10%根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，末級(jí)葉片級(jí)21的相鄰葉片可經(jīng)布置以呈現(xiàn)以下示例性無(wú)量綱特征:
權(quán)利要求
1.種渦輪機(jī)的渦輪，包括: 相對(duì)端壁，其界定流體流的通路；以及 多個(gè)交錯(cuò)的葉片級(jí)和噴嘴級(jí)，其沿著所述通路軸向布置， 所述的多個(gè)所述葉片級(jí)包括位于所述通路下游端的末級(jí)葉片級(jí)以及位于所述末級(jí)葉片級(jí)上游的次末級(jí)葉片級(jí)， 所述的多個(gè)所述噴嘴級(jí)包括位于所述末級(jí)葉片級(jí)和所述次末級(jí)葉片級(jí)之間的末級(jí)噴嘴級(jí)以及位于所述次末級(jí)葉片級(jí)上游的次末級(jí)噴嘴級(jí)，以及 所述次末級(jí)葉片級(jí)和所述次末級(jí)噴嘴級(jí)中的至少一者包括氣動(dòng)元件，所述氣動(dòng)元件經(jīng)配置與所述流體流相互作用，并且界定喉道分布以在所述流體流中生成尖端強(qiáng)壓力輪廓線。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪，其中所述流體流包括燃燒生成的高溫流體流。
3.據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪，其中所述多個(gè)葉片級(jí)中的每個(gè)葉片級(jí)包括葉片的環(huán)形陣列，所述葉片的環(huán)形陣列延伸穿過所述相對(duì)端壁之間的所述通路。
4.據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪，其中所述多個(gè)噴嘴級(jí)的每個(gè)噴嘴級(jí)包括噴嘴的環(huán)形陣列，所述噴嘴的環(huán)形陣列延伸穿過所述相對(duì)端壁之間的所述通路。
5.據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪，其中至少所述次末級(jí)葉片級(jí)的所述氣動(dòng)元件包括相鄰氣動(dòng)元件，所述相鄰氣動(dòng)元件具有無(wú)量綱的徑向喉道分布，所述徑向喉道分布獲得尖端強(qiáng)壓力輪廓線。
6.權(quán)利要求1所述的渦輪，其中所述末級(jí)葉片級(jí)和所述末級(jí)噴嘴級(jí)中的至少一者包括相鄰氣動(dòng)元件，所述相鄰氣動(dòng)元件具有無(wú)量綱的徑向喉道分布，所述徑向喉道分布獲得大體上平坦的出口壓力輪廓線。
7.種渦輪機(jī)的渦輪，包括: 相對(duì)端壁，其界定流體流的通路；以及 多個(gè)交錯(cuò)的葉片級(jí)和噴嘴級(jí)，其沿著所述通路軸向布置， 所述多個(gè)葉片級(jí)包括位于所述通路下游端的末級(jí)葉片級(jí)以及位于所述末級(jí)葉片級(jí)上游的次末級(jí)葉片級(jí)， 所述多個(gè)噴嘴級(jí)包括位于所述末級(jí)葉片級(jí)和所述次末級(jí)葉片級(jí)之間的末級(jí)噴嘴級(jí)以及位于所述次末級(jí)葉片級(jí)上游的次末級(jí)噴嘴級(jí)，以及 所述次末級(jí)葉片級(jí)包括氣動(dòng)元件，所述氣動(dòng)元件經(jīng)配置與所述流體流相互作用，并且界定喉道分布在所述流體流中生成尖端強(qiáng)壓力輪廓線。
8.據(jù)權(quán)利要求7所述的渦輪，其中所述流體流包括燃燒生成的高溫流體流。
9.據(jù)權(quán)利要求7所述的渦輪，其中所述多個(gè)葉片級(jí)的每個(gè)葉片級(jí)包括葉片的環(huán)形陣列，所述葉片的環(huán)形陣列延伸穿過所述相對(duì)端壁之間的所述通路。
10.據(jù)權(quán)利要求7所述的渦輪，其中所述多個(gè)噴嘴級(jí)的每個(gè)噴嘴級(jí)包括噴嘴的環(huán)形陣列，所述噴嘴的環(huán)形陣列延伸穿過所述相對(duì)端壁之間的所述通路。
11.據(jù)權(quán)利要求7所述的渦輪，其中至少所述次末級(jí)葉片級(jí)的所述氣動(dòng)元件包括相鄰氣動(dòng)元件，所述相鄰氣動(dòng)元件具有無(wú)量綱的徑向喉道分布，所述徑向喉道分布獲得尖端強(qiáng)壓力輪廓線。
12.權(quán)利要求7所述的渦輪，其中所述末級(jí)葉片級(jí)和所述末級(jí)噴嘴級(jí)中的至少一者包括相鄰氣動(dòng)元件，所述相鄰氣動(dòng)元件具有無(wú)量綱的徑向喉道分布，所述徑向喉道分布獲得大體上平坦的出口壓力輪廓線。
13.種潤(rùn)輪機(jī),包括: 壓縮機(jī)，其壓縮入口氣體以產(chǎn)生壓縮的入口氣體； 燃燒室，其將所述壓縮的入口氣體與燃料一起燃燒以產(chǎn)生流體流；以及渦輪，其接納所述流體流，并且包括界定所述流體流的通路的相對(duì)端壁和沿著所述通路軸向布置的多個(gè)交錯(cuò)的葉片級(jí)和噴嘴級(jí)， 所述多個(gè)葉片級(jí)包括沿著所述通路依次設(shè)置的次末級(jí)葉片級(jí)和末級(jí)葉片級(jí)， 所述多個(gè)噴嘴級(jí)包括沿著所述通路依次設(shè)置的次末級(jí)噴嘴級(jí)和末級(jí)噴嘴級(jí)，以及所述次末級(jí)葉片級(jí)和所述次末級(jí)噴嘴級(jí)中的至少一者包括氣動(dòng)元件，所述氣動(dòng)元件經(jīng)配置與所述流體流相互作用，并且界定喉道分布在所述流體流中生成尖端強(qiáng)壓力輪廓線。
14.據(jù)權(quán)利要求13所述的渦輪機(jī)，其中所述流體流包括在所述燃燒室內(nèi)燃燒生成的高溫流體流。
15.據(jù)權(quán)利要求13所述的渦輪機(jī)，其中所述多個(gè)葉片級(jí)的每個(gè)葉片級(jí)包括葉片的環(huán)形陣列，所述葉片的環(huán)形陣列延伸穿過所述相對(duì)端壁之間的所述通路。
16.據(jù)權(quán)利要求13所述的渦輪機(jī)，其中所述多個(gè)噴嘴級(jí)的每個(gè)噴嘴級(jí)包括噴嘴的環(huán)形陣列，所述噴嘴的環(huán)形陣列延伸穿過所述相對(duì)端壁之間的所述通路。
17.據(jù)權(quán)利要求13所述的渦輪機(jī)，其中至少所述次末級(jí)葉片級(jí)的所述氣動(dòng)元件包括相鄰氣動(dòng)元件，所述相鄰氣動(dòng)元件具有無(wú)量綱的徑向喉道分布，所述徑向喉道分布獲得尖端強(qiáng)壓力輪廓線。
18.據(jù)權(quán)利要求13所述的渦輪機(jī)，其中所述末級(jí)葉片級(jí)和所述末級(jí)噴嘴級(jí)中的至少一者包括相鄰氣動(dòng)元件，所述相鄰氣動(dòng)元件具有無(wú)量綱的徑向喉道分布，所述徑向喉道分布獲得大體上平坦的出口壓力輪廓線。
19.種渦輪機(jī)的渦輪，包括: 相對(duì)端壁，其界定流體流的通路；以及 沿著所述通路軸向布置的多個(gè)交錯(cuò)的葉片級(jí)和噴嘴級(jí)， 所述多個(gè)葉片級(jí)包括位于所述通路下游端的末級(jí)葉片級(jí)以及位于所述末級(jí)葉片級(jí)上游的次末級(jí)葉片級(jí)， 所述多個(gè)噴嘴級(jí)包括位于所述末級(jí)葉片級(jí)與所述次末級(jí)葉片級(jí)之間的末級(jí)噴嘴級(jí)以及位于所述次末級(jí)葉片級(jí)上游的次末級(jí)噴嘴級(jí)，以及 所述末級(jí)葉片級(jí)和所述末級(jí)噴嘴級(jí)包括氣動(dòng)元件，所述氣動(dòng)元件經(jīng)配置以獲得大體上平坦的出口壓力輪廓線。
20.據(jù)權(quán)利要求19所述的渦輪，其中所述次末級(jí)葉片級(jí)和所述次末級(jí)噴嘴級(jí)經(jīng)配置以生成尖端強(qiáng)壓力輪廓線。
全文摘要
本發(fā)明提供一種渦輪機(jī)的渦輪。所述渦輪包括界定流體流的通路的相對(duì)端壁和沿著所述通路軸向布置的多個(gè)交錯(cuò)葉片級(jí)和噴嘴級(jí)。所述多個(gè)葉片級(jí)包括位于所述通路下游端的末級(jí)葉片級(jí)以及位于所述末級(jí)葉片級(jí)上游的次末級(jí)葉片級(jí)。所述多個(gè)噴嘴級(jí)包括位于所述末級(jí)葉片級(jí)與所述次末級(jí)葉片級(jí)之間的末級(jí)噴嘴級(jí)以及位于所述次末級(jí)葉片級(jí)上游的次末級(jí)噴嘴級(jí)。所述次末級(jí)葉片級(jí)和所述次末級(jí)噴嘴級(jí)中的至少一者包括氣動(dòng)元件，所述氣動(dòng)元件經(jīng)配置與所述流體流相互作用，并且界定喉道分布，在所述流體流中生成尖端強(qiáng)壓力輪廓線。
文檔編號(hào)F01D5/14GK103089318SQ20121041737
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者P.K.史密斯, T.W.范德普特, C.A.比勒, G.L.賽登 申請(qǐng)人:通用電氣公司