CN103089318B - 涡轮机的涡轮 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡轮机的涡轮。所述涡轮包括：界定流体流的通路的相对端壁和沿着所述通路轴向布置的多个交错叶片级和喷嘴级。所述多个叶片级包括位于所述通路下游端的末级叶片级以及位于所述末级叶片级上游的次末级叶片级。所述多个喷嘴级包括位于所述末级叶片级与所述次末级叶片级之间的末级喷嘴级以及位于所述次末级叶片级上游的次末级喷嘴级。所述次末级叶片级和所述次末级喷嘴级中的至少一者包括气动元件，所述气动元件经配置与所述流体流相互作用，并且界定喉道分布，在所述流体流中生成尖端强压力轮廓线。

Description

涡轮机的涡轮

技术领域

本发明涉及涡轮机，确切地说，涉及具有翼型喉道分布的涡轮机，所述翼型喉道分布在流体流中生成尖端强压力轮廓线。

背景技术

燃气涡轮发动机等涡轮机可包括压缩机、燃烧室和涡轮。压缩机压缩入口气体，并且燃烧室将压缩的入口气体与燃料一起燃烧以生成高温流体。这些高温流体被导入涡轮，在涡轮中高温流体的能量被转化为可用于生成能量以及/或者发电的机械能。涡轮经形成以构成供高温流体通过的环形通路。

涡轮中的能量转换可通过沿着通路设置的一系列叶片级和喷嘴级实现。在选择径向喉道分布来获得平坦涡轮出口轮廓时，末级根部区域的气动特性通常受到限制。具体而言，根部聚拢可能相对低级，因此可能导致根部区域的性能受到损害。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供涡轮机的涡轮，并且所述涡轮包括：构成流体流的通路的相对端壁和沿着通路轴向布置的多个交错叶片级和喷嘴级。多个叶片级包括通路下游端的末级叶片级以及末级叶片级上游的次末级叶片级。多个喷嘴级包括末级叶片级与次末级叶片级之间的末级喷嘴级以及次末级叶片级上游的次末级喷嘴级。次末级叶片级和次末级喷嘴级中的至少一者包括气动元件，其经配置与流体流相互作用，并且界定喉道分布以在流体流中生成尖端强压力轮廓线。

根据本发明的另一方面，提供涡轮机的涡轮，并且所述涡轮包括：构成流体流的通路的相对端壁和沿着通路轴向布置的多个交错叶片级和喷嘴级。多个叶片级包括通路下游端的末级叶片级以及末级叶片级上游的次末级叶片级。多个喷嘴级包括末级叶片级与次末级叶片级之间的末级喷嘴级以及次末级叶片级上游的次末级喷嘴级。次末级叶片级包括气动元件，其经配置与流体流相互作用，并且界定喉道分布以在流体流中生成尖端强压力轮廓线。

根据本发明的另一个方面，提供涡轮机，并且所述涡轮机包括：压缩机，所述压缩机压缩入口气体从而生成压缩的入口气体；燃烧室，所述燃烧室将压缩的入口气体与燃料一起燃烧以生成流体流；以及涡轮，所述涡轮能接纳流体流，并且包括：构成流体流的通路的相对端壁和沿着通路轴向布置的多个交错叶片级和喷嘴级。多个叶片级包括沿着通路依次设置的次末级叶片级和末级叶片级。多个喷嘴级包括沿着通路依次设置的次末级喷嘴级和末级喷嘴级。次末级叶片级和次末级喷嘴级中的至少一者包括气动元件，其经配置与流体流相互作用，并且界定喉道分布以在流体流中生成尖端强压力轮廓线。

根据本发明的又一方面，提供涡轮机的涡轮，并且所述涡轮包括：构成流体流的通路的相对端壁和沿着通路轴向布置的多个交错叶片级和喷嘴级。多个叶片级包括通路下游端的末级叶片级以及末级叶片级上游的次末级叶片级，并且所述多个喷嘴级包括末级叶片级与次末级叶片级之间的末级喷嘴级以及次末级叶片级上游的次末级喷嘴级。末级叶片级和末级喷嘴级包括气动元件，其经配置以获得大体上平坦的出口压力轮廓线。

通过以下结合附图进行的说明可以更加清楚地了解这些和其他优点以及特征。

附图说明

本专利申请文件中的权利要求书特别指出并明确主张了本发明。通过以下结合附图进行的详细说明可以清楚地了解本发明的上述和其他特征以及优点，在附图中：

图1是燃气涡轮发动机的示意图；以及

图2是图1的燃气涡轮发动机的涡轮内部的侧面。

具体实施方式通过参考附图以实例方式介绍本发明的各实施例以及优点和特征。

具体实施方式

参见图1和图2，根据本发明的各方面，涡轮机10可为，例如，燃气涡轮发动机11。这样，涡轮机10可包括压缩机12、燃烧室13和涡轮14。压缩机12压缩入口气体，并且燃烧室13将压缩的入口气体与燃料一起燃烧以生成高温流体。这些高温流体被导入涡轮14，在所述涡轮中高温流体的能量被转化为可用于生成能量以及/或者发电的机械能。

涡轮14包括第一环形端壁201以及第二环形端壁202，所述第二环形端壁202围绕第一环形端壁201设置以构成环形通路203。环形通路203从靠近燃烧室13的其上游部分延伸到远离燃烧室13的其下游部分。即，高温流体从燃烧室13输出，并且从上游部分沿通路203通过涡轮14到达下游部分。

在涡轮的部分20处，涡轮14包括多个交错的叶片和喷嘴级。叶片级可包括：末级叶片级21，其可设置于靠近通路203的轴向下游端；次末级叶片级23，其可设置于末级叶片级21的上游；以及一个或多个上游叶片级25，其可设置于次末级叶片级23的上游。喷嘴级可包括：末级喷嘴级22，其可轴向设置于末级叶片级21与次末级叶片级23之间；次末级喷嘴级24，其可设置于次末级叶片级23的上游；以及一个或多个上游喷嘴级26，其可设置于一个或多个上游叶片级25的上游。

末级叶片级21包括第一类型气动元件的环形阵列(以下称“叶片”)，设置所述叶片使得各叶片从通路203的一端到另一端以及在第一端壁201与第二端壁202之间是可延伸的。次末级叶片级23与一个或多个上游叶片级25的配置类似。末级喷嘴级22包括第二类型气动元件的环形阵列(以下称“喷嘴”)，提供所述喷嘴，使得各喷嘴在通路203从的一端到另一端以及在第一端壁201与第二端壁202之间是可延伸的。次末级喷嘴级24与一个或多个上游喷嘴级26的配置类似。

所述叶片和喷嘴中的每一个可包括翼片形状，该翼片形状包括前缘、与前缘相对的后缘、在前缘与后缘之间延伸的压力侧，以及与压力侧相对的在前缘与后缘之间延伸的吸入侧。所述叶片和喷嘴中的每一个如此设置使得在给定的级内，所述叶片和喷嘴中的任何一个的压力侧分别地朝向相邻一个的吸力侧。通过此配置，随着高温流体流流过通路203，高温流体以气动方式与叶片和喷嘴相互作用，并且被迫以相对于涡轮14的中心线的角动量流动，使得末级叶片级21、次末级叶片级23以及一个或多个上游叶片级25围绕该中心线旋转。

通常，喉道定义为在给定级，相邻喷嘴或叶片之间的最窄的区域。另外，径向喉道分布表示在给定级内各种跨度(即，径向)位置上相邻喷嘴或叶片的喉道测量。通常，在选择径向喉道分布以获得平坦涡轮出口轮廓时，靠近第一端壁201的末级叶片级21的叶片的根部区域中的气动特性通常受到限制。具体而言，叶根聚拢可能相对较低，并且因此根部区域的叶片级性能可能受到损害。然而，根据某一方面，末级叶片级21的入口轮廓可经偏离成为尖端强，使得末级叶片级21处的叶片设计空间打开以在没有损失根部区域的气动特性的情况下获得大体上平坦的出口压力轮廓线。

这将通过选择次末级叶片级23和次末级喷嘴级24中的至少一者的相邻气动元件的径向喉道分布来获得，使得径向功分布生成离开次末级叶片级23和次末级喷嘴级24的尖端强总压力轮廓线。在这种情况下，随着流体流继续朝向末级叶片级21和末级喷嘴级22前进，流体流被次末级叶片级23和次末级喷嘴级24调节。可以理解的是，尽管径向喉道分布的选择与次末级叶片级23和/或次末级喷嘴级24相关，但为了简洁清晰起见，仅详细描述次末级叶片级23的径向喉道分布选择。

当如在此描述的被选择时，径向喉道分布是呈现无量纲的相对出口角分布的圆周平均的轮廓，所述相对出口角分布的范围从位于或靠近第一端壁201处1.00到1.05之间到位于或靠近第二端壁202处0.95到1.00之间。该相对强的强迫涡旋方案开放了末级喷嘴级22以及末级叶片级21的设计空间，在此处对扩压器的平坦涡轮出口总压轮廓作为目标借此改进对于给定平坦出口总压分布目标的至少末级叶片级21的级性能。从涡轮14下游的到扩压器的平坦入口轮廓可被选择用于到热回收蒸汽发生器(HRSG)***的扩压器复原和最小峰值速度。

根据本发明的实施例，末级喷嘴级22的相邻喷嘴可经布置以呈现以下示例性无量纲特征：

跨度	喉道
		100	1.29±10％
92.2	1.26±10％
		76.0	1.16±10％
58.4	1.04±10％
		38.6	0.90±10％
14.8	0.73±10％
		0.0	0.61±10％

根据本发明的实施例，末级叶片级21的相邻叶片可经布置以呈现以下示例性无量纲特征：

跨度	喉道
		100	1.13±10％
91.9	1.12±10％

75.7	1.09±10％
		58.3	1.06±10％
38.7	0.98±10％
		15.1	0.85±10％宽度
0.0	0.76±10％宽度

根据本发明的实施例，次末级喷嘴级24的相邻喷嘴可经布置以呈现以下示例性无量纲特征：

跨度	喉道
		100	1.20±10％
90.0	1.16±10％
		70.0	1.08±10％
50.0	1.00±10％
		30.0	0.92±10％
10.0	0.84±10％
		0.0	0.81±10％

根据本发明的实施例，次末级叶片级23的相邻叶片可经布置以呈现以下示例性无量纲特征：

跨度

喉道

100	1.18±10％
		90.0	1.15±10％
70.0	1.08±10％
		50.0	1.01±10％
30.0	0.93±10％
		10.0	0.85±10％
0.0	0.80±10％

尽管仅结合有限数量的实施例来详细描述本发明，但应理解，本发明并不限于所揭示的此类实施例。相反，本发明可经修改以涵盖之前并未描述、但与本发明的精神和范围相符合的任意数量的变化、更改、替换或等效布置。此外，尽管已描述本发明的各种实施例，但应理解，本发明的各方面可仅包括所述实施例中的一些实施例。因此，本发明不应视为受前述说明限制，而是仅受所附权利要求书的范围限制。

Claims (19)

1.一种涡轮机的涡轮，包括：

相对的第一端壁和第二端壁，其界定流体流的通路；以及

多个交错的叶片级和喷嘴级，其沿着所述通路轴向布置，

所述的多个所述叶片级包括位于所述通路下游端的末级叶片级以及位于所述末级叶片级上游的次末级叶片级，

所述的多个所述喷嘴级包括位于所述末级叶片级和所述次末级叶片级之间的末级喷嘴级以及位于所述次末级叶片级上游的次末级喷嘴级，以及

所述次末级叶片级和所述次末级喷嘴级中的至少一者包括气动元件，所述气动元件经配置与所述流体流相互作用，并且界定为径向喉道分布的喉道分布，所述径向喉道分布是呈现无量纲的相对出口角分布的圆周平均轮廓，所述相对出口角分布的范围从位于第一端壁处1.00到1.05之间到位于第二端壁处0.95到1.00之间。

2.根据权利要求1所述的涡轮，其中所述流体流包括燃烧生成的高温流体流。

3.根据权利要求1所述的涡轮，其中所述多个叶片级中的每个叶片级包括叶片的环形阵列，所述叶片的环形阵列延伸穿过所述相对的第一端壁和第二端壁之间的所述通路。

4.根据权利要求1所述的涡轮，其中所述多个喷嘴级的每个喷嘴级包括喷嘴的环形阵列，所述喷嘴的环形阵列延伸穿过所述相对的第一端壁和第二端壁之间的所述通路。

5.根据权利要求1所述的涡轮，其中至少所述次末级叶片级的所述气动元件包括相邻气动元件。

6.根据权利要求1所述的涡轮，其中所述末级叶片级和所述末级喷嘴级中的至少一者包括相邻气动元件。

7.一种涡轮机的涡轮，包括：

相对的第一端壁和第二端壁，其界定流体流的通路；以及

多个交错的叶片级和喷嘴级，其沿着所述通路轴向布置，

所述多个叶片级包括位于所述通路下游端的末级叶片级以及位于所述末级叶片级上游的次末级叶片级，

所述多个喷嘴级包括位于所述末级叶片级和所述次末级叶片级之间的末级喷嘴级以及位于所述次末级叶片级上游的次末级喷嘴级，以及

所述次末级叶片级包括气动元件，所述气动元件经配置与所述流体流相互作用，并且界定为径向喉道分布的喉道分布，所述径向喉道分布是呈现无量纲的相对出口角分布的圆周平均轮廓，所述相对出口角分布的范围从位于第一端壁处1.00到1.05之间到位于第二端壁处0.95到1.00之间。

8.根据权利要求7所述的涡轮，其中所述流体流包括燃烧生成的高温流体流。

9.根据权利要求7所述的涡轮，其中所述多个叶片级的每个叶片级包括叶片的环形阵列，所述叶片的环形阵列延伸穿过所述相对的第一端壁和第二端壁之间的所述通路。

10.根据权利要求7所述的涡轮，其中所述多个喷嘴级的每个喷嘴级包括喷嘴的环形阵列，所述喷嘴的环形阵列延伸穿过所述相对的第一端壁和第二端壁之间的所述通路。

11.根据权利要求7所述的涡轮，其中至少所述次末级叶片级的所述气动元件包括相邻气动元件。

12.根据权利要求7所述的涡轮，其中所述末级叶片级和所述末级喷嘴级中的至少一者包括相邻气动元件。

13.一种涡轮机，包括：

压缩机，其压缩入口气体以产生压缩的入口气体；

燃烧室，其将所述压缩的入口气体与燃料一起燃烧以产生流体流；以及

涡轮，其接纳所述流体流，并且包括界定所述流体流的通路的相对的第一端壁、第二端壁和沿着所述通路轴向布置的多个交错的叶片级和喷嘴级，

所述多个叶片级包括沿着所述通路依次设置的次末级叶片级和末级叶片级，

所述多个喷嘴级包括沿着所述通路依次设置的次末级喷嘴级和末级喷嘴级，以及

所述次末级叶片级和所述次末级喷嘴级中的至少一者包括气动元件，所述气动元件经配置与所述流体流相互作用，并且界定为径向喉道分布的喉道分布，所述径向喉道分布是呈现无量纲的相对出口角分布的圆周平均轮廓，所述相对出口角分布的范围从位于第一端壁处1.00到1.05之间到位于第二端壁处0.95到1.00之间。

14.根据权利要求13所述的涡轮机，其中所述流体流包括在所述燃烧室内燃烧生成的高温流体流。

15.根据权利要求13所述的涡轮机，其中所述多个叶片级的每个叶片级包括叶片的环形阵列，所述叶片的环形阵列延伸穿过所述相对的第一端壁和第二端壁之间的所述通路。

16.根据权利要求13所述的涡轮机，其中所述多个喷嘴级的每个喷嘴级包括喷嘴的环形阵列，所述喷嘴的环形阵列延伸穿过所述相对的第一端壁和第二端壁之间的所述通路。

17.根据权利要求13所述的涡轮机，其中至少所述次末级叶片级的所述气动元件包括相邻气动元件。

18.根据权利要求13所述的涡轮机，其中所述末级叶片级和所述末级喷嘴级中的至少一者包括相邻气动元件。

19.一种涡轮机的涡轮，包括：

相对的第一端壁和第二端壁，其界定流体流的通路；以及

沿着所述通路轴向布置的多个交错的叶片级和喷嘴级，

所述多个叶片级包括位于所述通路下游端的末级叶片级以及位于所述末级叶片级上游的次末级叶片级，

所述多个喷嘴级包括位于所述末级叶片级与所述次末级叶片级之间的末级喷嘴级以及位于所述次末级叶片级上游的次末级喷嘴级，以及

所述末级叶片级和所述末级喷嘴级包括气动元件，所述气动元件配置以界定为径向喉道分布的喉道分布，所述径向喉道分布是呈现无量纲的相对出口角分布的圆周平均轮廓，所述相对出口角分布的范围从位于第一端壁处1.00到1.05之间到位于第二端壁处0.95到1.00之间。