CN108729952A - 多涡轮轮叶框架 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种涡轮轮叶框架设备，包括：环形内带，所述环形内带围绕中心线轴线设置，并限定内流动路径表面；环形外带，所述环形外带围绕所述环形内带，并限定外流动路径表面；以及轴流翼型形状轮叶的阵列，其设置在所述内流动路径表面和外流动路径表面之间，其中，所述轮叶具有至少三种不同的翼弦尺寸。

Description

多涡轮轮叶框架

技术领域

本发明一般涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及这些发动机中的静止翼型框架。

背景技术

燃气涡轮发动机包括呈串流连通的压缩机、燃烧器和高压涡轮。高压涡轮机械联接至压缩机，此三个部件限定涡轮机械核心。核心以已知方式可操作以生成热的加压燃烧气体流，从而操作发动机并做有用功，例如提供推进力或机械功。

一种形式的燃气涡轮发动机已知为涡扇，其在核心中加入低压***，所述低压***包括位于高压涡轮下游的低压涡轮。低压涡轮以机械方式驱动风扇，用于产生推力。

涡扇可以包括称作涡轮中心框架的流动路径部件，涡轮中心框架包括被直的非旋转气动整流罩围绕的多个结构元件。涡轮中心框架提供这样的功能：既提供结构支撑，容纳油和冷却流管道，又将从高压涡轮排放的流以适当的流动条件引导到下游低压涡轮。在常规的涡扇架构中，涡轮中心框架之后通常是低压涡轮的第一级的喷嘴轮叶。这些轮叶使流动转向，以为低压涡轮的第一级的转子提供适当的流入条件。

涡轮中心框架加上单独的第一级低压涡轮喷嘴的现有配置的一个问题是其很重、很大、很复杂。一种解决方案是将涡轮中心框架和第一级低压涡轮喷嘴的功能组合到称作涡轮轮叶框架的单个部件中。在此解决方案中，高压涡轮和低压涡轮之间的流动路径部件中的结构元件被转向翼型件围绕，该转向翼型件将从高压涡轮排出的流直接引导到下游的第一级低压涡轮转子中。不再需要低压涡轮转子上游的单独轮叶排，使得发动机长度和重量减少，并降低了复杂性。与涡轮轮叶框架构思关联的一个问题是气动整流罩要求的流动转向通常很大，数量级为50到80度，使得流动易于分离，导致严重的性能损失。高转向也会导致局部的高速度，可能造成压缩冲击，这可能损失下游部件的性能。

发明内容

此问题通过具有定子轮叶排的多涡轮轮叶框架解决，所述定子轮叶排包括转向轮叶翼型件。涡轮轮叶框架既用于提供结构支撑的功能，又用于提供将从高压涡轮排放的流以适当的流动条件引导到下游低压涡轮的功能，使得不需要单独的涡轮喷嘴。

根据本文中描述的技术的一个方面，一种涡轮轮叶框架设备，包括：环形内带，所述环形内带围绕中心线轴线设置，并限定内流动路径表面；环形外带，所述环形外带围绕所述环形内带，并限定外流动路径表面；以及轴流翼型形状轮叶的阵列，其设置在所述内流动路径表面和外流动路径表面之间，其中，所述轮叶具有至少三种不同的翼弦尺寸。

技术方案1.一种涡轮轮叶框架设备，包括：

环形内带，所述环形内带围绕中心线轴线设置，并限定内流动路径表面；

环形外带，所述环形外带围绕所述环形内带，并限定外流动路径表面；以及

轴流翼型形状轮叶的阵列，其设置在所述内流动路径表面和外流动路径表面之间，其中，所述轮叶具有至少三种不同的翼弦尺寸。

技术方案2.根据技术方案1所述的设备，其中，所述轮叶围绕所述设备的周界以重复组布置。

技术方案3.根据技术方案2所述的设备，其中，每一组中的轮叶具有级联翼弦长度。

技术方案4.根据技术方案1所述的设备，其中，所述轮叶的阵列包括：

多个第一轮叶，所述多个第一轮叶具有第一厚度比；以及

多个第二轮叶，所述多个第二轮叶具有比所述第一厚度比小的第二厚度比。

技术方案5.根据技术方案4所述的设备，其中，所述第一轮叶的厚度比近似为30％到40％。

技术方案6.根据技术方案4所述的设备，其中，所述第二轮叶的厚度比近似为10％。

技术方案7.根据技术方案4所述的设备，其中，所述第二轮叶的翼弦尺寸为所述第一轮叶的翼弦尺寸的50％或低于50％。

技术方案8.根据技术方案4所述的设备，其中，所述第二轮叶的翼展尺寸比所述第一轮叶的翼展尺寸小。

技术方案9.根据技术方案8所述的设备，其中，所述第二轮叶的翼展尺寸为所述第一轮叶的翼展尺寸50％或低于50％。

技术方案10.根据技术方案8所述的设备，其中，所述第二轮叶从所述内流动路径表面和外流动路径表面两者延伸。

技术方案11.根据技术方案4所述的设备，其中，一个或多个所述第一轮叶在其中限定中空内腔。

技术方案12.根据技术方案11所述的设备，其还包括通过所述中空内腔的至少一个维修管。

技术方案13.根据技术方案1所述的设备，其中，所述轮叶中的至少一些包括从其通过的槽。

技术方案14.根据技术方案1所述的设备，其中，所述轮叶中的一些配置为单个翼型件，所述轮叶中的一些配置为若干对串联翼型件。

技术方案15.根据技术方案1所述的设备，其还包括：

第一涡轮，所述第一涡轮包括承载第一涡轮叶片的阵列的第一转子盘，所述第一涡轮叶片的阵列设置在所述涡轮轮叶框架的上游；以及

第二涡轮，所述第二涡轮包括承载第二涡轮叶片的阵列的第二转子盘，所述第二涡轮叶片的阵列设置在所述涡轮框架的下游。

技术方案16.根据技术方案15所述的设备，其中，所述第二转子盘定位在紧接所述涡轮轮叶框架的下游，在两者之间不***涡轮喷嘴。

技术方案17.根据技术方案1所述的设备，其中，所述轮叶配置成使从其通过的流体流在切线方向上转向至少50°的角。

技术方案18.根据技术方案17所述的设备，其中，所述轮叶配置成使从其通过的流体流在切线方向上转向50°到70°的角。

技术方案19.根据技术方案1所述的设备，其中，所述内流动路径表面和外流动路径表面中的至少一个不是回转体。

技术方案20.根据技术方案19所述的设备，其中，所述内流动路径表面和外流动路径表面中的至少一个包括至少一个凸曲率区域和至少一个凹曲率区域。

技术方案21.根据技术方案19所述的设备，其中，所述内流动路径表面和外流动路径表面中的至少一个包括在相邻的轮叶之间周向设置的谷部。

技术方案22.根据技术方案21所述的设备，其中，所述内流动路径表面和外流动路径表面中的至少一个包括邻近所述轮叶之一周向设置的峰部。

技术方案23.根据技术方案22所述的设备，其中，所述内流动路径表面和外流动路径表面中的至少一个包括在所述峰部和所述谷部之间周向设置的过渡部分。

技术方案24.一种涡轮轮叶框架设备，包括：

环形内带，所述环形内带围绕中心线轴线设置，并限定内流动路径表面；

环形外带，所述环形外带围绕所述环形内带，并限定外流动路径表面；以及

轴流翼型形状轮叶的阵列，其设置在所述内流动路径表面和外流动路径表面之间，其中，所述轮叶中的一些配置为单翼型件，所述轮叶中的一些配置为若干对串联翼型件。

技术方案25.根据技术方案24所述的设备，其中，所述轮叶围绕所述设备的周界以重复组布置。

技术方案26.根据技术方案24所述的设备，其中，所述轮叶的阵列包括：

多个第一轮叶，所述多个第一轮叶具有第一厚度比；以及

多个第二轮叶，所述多个第二轮叶具有比所述第一厚度比小的第二厚度比。

技术方案27.根据技术方案26所述的设备，其中，一个或多个所述第一轮叶在其中限定中空内腔。

技术方案28.根据技术方案24所述的设备，其中，所述轮叶配置成使从其通过的流体流在切线方向上转向至少50°的角。

技术方案29.根据技术方案24所述的设备，其中，所述内流动路径表面和外流动路径表面中的至少一个不是回转体，并且包括至少一个凸曲率区域和至少一个凹曲率区域。

附图说明

然而，可参考以下结合附图做出的描述最佳理解本发明，在附图中：

图1是结合有涡轮轮叶框架的燃气涡轮发动机的半剖面示意图；

图2是涡轮轮叶框架连同一对涡轮转子的一部分的部分截面侧视图；

图3是沿图2的3-3线截取的视图；

图4是沿图3的4-4线截取的视图；

图5是替代性涡轮轮叶框架的一部分的截面图；

图6是涡轮轮叶框架连同一对涡轮转子的一部分的部分截面侧视图；

图7是沿图6的7-7线截取的视图；

图8是沿图7的8-8线截取的视图；

图9是替代性涡轮轮叶框架的一部分的截面图；

图10是替代性涡轮轮叶框架的一部分的截面图；

图11是沿图10的11-11线截取的视图；

图12是沿图10的12-12线截取的视图；

图13是沿图10的13-13线截取的视图；以及

图14是图10的涡轮轮叶框架的前部主视图。

具体实施方式

参照附图，其中，相同的附图标记指示各幅图中的相同元件，图1描绘了示范性燃气涡轮发动机10。尽管图示的实例为高涵道涡扇发动机，但本发明的主要原理也适用于其它类型的发动机，例如低涵道涡扇发动机、涡轮喷气式发动机、涡轮螺旋浆发动机等等。发动机10具有纵向中心线或轴线11和围绕轴线11同心和沿轴线11同轴设置的外静止环形核心壳体12。

注意，本文中使用的术语“轴向”和“纵向”均指与中心线轴线11平行的方向，而“径向”指与轴向方向垂直的方向，“切线”或“周向”指与轴向和径向方向互相垂直的方向。本文中使用的术语“前向”或“前部”指在通过或围绕部件的气流中相对上游的位置，术语“后”或“后部”指在通过或围绕部件的气流中相对下游的位置。这种流动方向由图1中的箭头“F”表示。这些方向性术语只出于描述方便使用，不要求由此描述的结构的特定定向。

发动机10具有以串流关系布置的风扇14、升压器16、压缩机18、燃烧器20、高压涡轮或“HPT”22和低压涡轮或“LPT”24。操作中，来自压缩机18的加压空气与燃烧器20中的燃料混合且被点燃，进而产生燃烧气体。高压涡轮22从这些气体提取一些功，通过外轴28驱动压缩机18。燃烧气体然后流入低压涡轮24中，低压涡轮24通过内轴26驱动风扇14和升压器16。内轴26和外轴28可旋转地安装于轴承30中，轴承30本身安装于风扇框架32和涡轮后框架34中。

发动机10包括设置在高压涡轮22和低压涡轮24之间的涡轮轮叶框架36。涡轮轮叶框架36的目的是重新引导离开高压涡轮22的流动，并以适当的流动条件(例如压力、速度、切向速度)将其传送至低压涡轮24的入口。

图2、图3和图4说明涡轮轮叶框架36以及高压涡轮22和低压涡轮24的一部分示范性实施例。

HPT 22位于紧靠涡轮轮叶框架36的上游，HPT 22包括承载涡轮叶片40的阵列的转子盘38。每个涡轮叶片40从根部42延伸到尖端44，并包括在前缘46和后缘48接合的相对的凹侧和凸侧。通过HPT 22的流动路径由内壁50和外肩部52界定。

LPT 24位于紧靠涡轮轮叶框架36的下游，其包括承载涡轮叶片56的阵列的转子盘54。每个涡轮叶片56从根部58延伸到尖端60，并包括在前缘62和后缘64处接合的相对的凹侧和凸侧。通过LPT 24的流动路径由内壁66和外肩部68界定。

涡轮轮叶框架36包括环形内带70和环形外带74，环形内带70限定环形内流动路径表面72，环形外带74围绕内带70并限定环形外流动路径表面76。在图示的实例中，外带74可以与图1中所示的核心壳体12是一个整体部分。

静止翼型形状转向轮叶(或简称“轮叶”)的阵列在内带70和外带74之间延伸。在图示的实例中，轮叶有三种不同的配置，分别称作第一轮叶78、第二轮叶80和第三轮叶82。转向轮叶的一个完整阵列包括围绕涡轮轮叶框架36的周界的第一、第二和第三轮叶的重复模式。要理解，此配置只是例子，重复模式的轮叶数量和其特定气动配置可以改变以适应症特定的应用。在下面将更详细地描述每个分立轮叶配置的结构方面。

第一轮叶78、第二轮叶80和第三轮叶82配置成在切线方向使流动产生由发动机10的气动设计要求的特定程度的转向。此切向流动转向示意性示于图4中，其中，第一流动矢量84显示于涡轮轮叶框架36的入口，第二流动矢量88显示于涡轮轮叶框架36的出口。第一流动矢量84和第二流动矢量88之间的角度θ表征流动转向的程度。涡轮轮叶框架36配置成产生高度的流动转向，在本文中限定使流动转向至少50°的角，并优选转向50°到70°的角。

每个第一轮叶78从内流动路径表面72处的根部90延伸到外流动路径表面76处的尖端92，并包括在前缘98和后缘100处接合到凸吸力侧96的凹压力侧94。

每个第一轮叶78具有翼展(或翼展尺寸)“S1”(图3)，其定义为从根部90到尖端92的径向距离。取决于第一轮叶78的特定设计，其翼展S1在不同的轴向位置可以不同。出于参考目的，相关测量为在前缘98处的翼展为S1。每个第一轮叶78具有翼弦(或翼弦尺寸)“C1”(图4)，其定义为连接前缘98和后缘100的假想直线的长度。取决于第一轮叶78的特定设计，其翼弦C1沿翼展S1的不同位置可以不同。出于本发明的目的，有关的测量为在根部90或尖端92翼弦为C1。

每个第一轮叶78具有厚度“T1”，其定义为压力侧94和吸力侧96之间的距离(参见图4)。第一轮叶78的“厚度比”定义为最大厚度值T1除以翼弦长度，表示为百分比。

除了用作气动转向元件之外，第一轮叶78被确定大小并配置成支撑在发动机运行过程中施加到涡轮轮叶框架36上的结构载荷。第一轮叶78还被确定大小以用作如下面描述的贯通元件。为了提供这些功能，第一轮叶78可以具有在流动转向目的要求的之上的相当大的厚度。例如，第一轮叶78的厚度可以为大约30％到40％。

第一轮叶78中的至少一些可以包括中空内腔102。此内腔102的功能是允许一个或多个维修管从其中通过。“维修管”包括这样的结构件，例如用来在涡轮轮叶框架36的内侧区域(例如油槽104)和涡轮轮叶框架36的外侧区域之间传输流体(例如油、燃料、放气等)的管线、管道或其它管路。示范性维修管106示意性地示于图2中。

可选地，第一轮叶78中的至少一些可以包括槽形配置。此变形示于图5中，其中，第一轮叶78显示有槽107，槽设置在其后半部分，穿过轮叶厚度将压力侧94和吸力侧96互连。运行中，槽107使气流在压力侧94和吸力侧96之间通过。槽可以允许有更激烈的流动转向，同时避免不期望的效果，例如流动分离。

每个第二轮叶80从内流动路径表面72处的根部108延伸到外流动路径表面76处的尖端110，并包括在前缘116和后缘118接合到凸吸力侧114的凹压力侧112。

每个第二轮叶80具有翼展(或翼展尺寸)“S2”(图3)，其定义为从根部108到尖端的110的径向距离。取决于第二轮叶80的特定设计，其翼展S2在不同的轴向位置可以不同。出于参考目的，有关测量为在前缘116翼展为S2。每个第二轮叶80具有翼弦(或翼弦尺寸)“C2”(图4)，其定义为连接前缘116和后缘118的假想直线的长度。取决于第二轮叶80的特定设计，其翼弦C2在沿翼展S2的不同位置可以不同。出于本发明的目的，相关测量为在根部108或尖端110翼弦为C1。每个第二轮叶80具有厚度“T2”(图4)，其定义为压力侧112和吸力侧114之间的距离。第二轮叶80的“厚度比”定义为最大厚度值T2除以翼弦长度，表示为百分比。

第二轮叶80的翼展S2和/或翼弦C2可以是小于第一轮叶78的对应翼展S1和翼弦C1的整体的一部分。这可以称作“部分翼展”和/或“部分翼弦”轮叶。例如，翼展S2可以等于或小于翼展S1。优选地，为了降低阻塞和摩擦损失，翼展S2为翼展S1的50％或低于50％。举另一实例，翼弦C2可以等于或小于翼弦C1。优选地，为了降低阻塞和摩擦损失，翼弦C2为翼弦C1的50％或低于50％。在第二轮叶80是部分翼展轮叶的情况下，其可以从内带70或者从外带74或者从两者延伸。

第二轮叶80的厚度应当尽可能小，以符合结构、热和气动弹性因素。通常，第二轮叶80的厚度比可以小于第一轮叶78的厚度比。举一个实例，第二轮叶80可以具有大约为10％的厚度比。

每个第三轮叶82从内流动路径表面72处的根部120延伸到外流动路径表面76处的尖端122，并包括在前缘128和后缘130接合到凸吸力侧126的凹压力侧124。

每个第三轮叶82具有翼展(或翼展尺寸)“S3”(图3)，其定义为从根部120到尖端122的径向距离。取决于第三轮叶82的特定设计，其翼展S3在不同的轴向位置可以不同。出于参考目的，有关测量为在前缘128翼展为S3。每个第三轮叶82具有翼弦(或翼弦尺寸)“C3”(图4)，其定义为连接前缘128和后缘130的假想直线的长度。取决于第三轮叶82的特定设计，其翼弦C3在沿翼展S3的不同位置可以不同。出于本发明的目的，有关的测量为在根部120或尖端122翼弦为C3。每个第三轮叶82具有厚度“T3”(图4)，其定义为压力侧124和吸力侧126之间的距离。第三轮叶82的“厚度比”定义为最大厚度值T3除以翼弦长度，表示为百分比。

第三轮叶82的翼展S3和/或翼弦C3可以是小于第一轮叶78的对应翼展S1和翼弦C1整体的一部分。这些可以称作“部分翼展”和/或“部分翼弦”轮叶。例如，翼展S3可以等于或小于翼展S1。优选地，为了降低阻塞和摩擦损失，翼展S3为翼展S1的50％或低于50％。举另一实例，翼弦C2可以等于或小于翼弦C1。优选地，为了降低阻塞和摩擦损失，翼弦C3为翼弦C1的50％或低于50％。在第三轮叶82是部分翼展轮叶的情况下，其可以从内带70或者从外带74或者从两者延伸。

第三轮叶82的厚度应当尽可能的小，以符合结构、热和气动弹性因素。通常，第三轮叶82的厚度比可以小于第一轮叶78的厚度比。举一个实例，第三轮叶82可以具有大约为10％的厚度比。

轮叶可以配置有可变翼弦，即轮叶的相关翼弦长度可以相互不同(即翼弦可以在轮叶之间变化)。在一个实施例中，轮叶的阵列内的个别轮叶可以具有至少三种不同的翼弦长度。例如，在图4中，翼弦长度C1、C2和C3全部不同。如在图示的实例中所示，轮叶可以以“级联”布置配置，第一轮叶78的翼弦最大，第二轮叶80(最靠近相邻的第一轮叶78的吸力侧96)的翼弦比第一轮叶78的翼弦小，第三轮叶82(最靠近相邻的第一轮叶78的压力侧94)的翼弦最小。多个轮叶可以被优先确定尺寸，以实现期望的流动转向，同时最小化流动阻塞和摩擦损失。可以用任何数目的轮叶或轮叶组实现可变或级联翼弦长度的相似布置。而且，围绕涡轮轮叶框架36的圆周，轮叶的布置不要求是均匀的。

图6、图7和图8说明涡轮轮叶框架136以及高压涡轮22和低压涡轮24的一部分的替代性实施例。

涡轮轮叶框架136包括环形内带170和环形外带174，环形内带170限定环形内流动路径表面172，环形外带174围绕内带170并限定环形外流动路径表面176。

静止翼型形状转向轮叶(或者简称“轮叶”)的阵列在内带170和外带174之间延伸。在图示的实例中，轮叶有两种不同的配置，分别称作第一轮叶178和第二轮叶180。转向轮叶的一个完整阵列包括围绕涡轮轮叶框架136的周界的第一和第二轮叶的重复模式。在下面将更详细地描述每个分立轮叶配置的结构方面。

类似于上面描述的涡轮轮叶框架36，第一轮叶178和第二轮叶180配置成在切线方向上产生由发动机10的气动设计所要求的一定程度的流动转向。涡轮轮叶框架136配置成产生如上面限定的高程度的流动转向。

每个第一轮叶178从内流动路径表面172处的根部190延伸到外流动路径表面176处的尖端192，并包括在前缘198和后缘200接合到凸吸力侧196的凹压力侧194。

每个第一轮叶178具有翼展(或翼展尺寸)“S4”(图7)，其定义为从根部190到尖端192的径向距离。取决于第一轮叶178的特定设计，其翼展S4在不同的轴向位置可以不同。出于参考目的，相关测量为在前缘198翼展为S4。每个第一轮叶178具有翼弦(或翼弦尺寸)“C4”(图8)。取决于第一轮叶178的特定设计，其翼弦C4沿翼展S1的不同位置可以不同。出于本发明的目的，有关的测量为在根部190或尖端192翼弦为C4。

每个第一轮叶178具有厚度“T4”，其定义为在压力侧194和吸力侧196之间的距离(参见图8)。除了用作气动转向元件之外，第一轮叶178被确定大小并配置成支撑在发动机运行过程中施加到涡轮轮叶框架136上的结构载荷。第一轮叶178还被确定大小以用作如下面描述的贯通元件。为了提供这些功能，第一轮叶178可以具有在流动转向目的要求的之上的相当大的厚度。例如，第一轮叶178的厚度可以为大约30％到40％。

第一轮叶178中的至少一些可以包括中空内腔202。此内腔202的功能是允许一个或多个维修管从其中通过，如在上面对第一轮叶78描述的。示范性维修管206示意性地示于图6中。

每个第二轮叶180包括以串联布置相互紧邻定位的一对翼型件，本文称作“前翼型件”182和“后翼型件”184。本文中使用的术语“串联”指在轴向方向上一个物体至少部分地位于另一个物体之前的两个物体。串联关系的一个关键特征就是两个物体在切线方向重叠。例如，在图8可见看到，轴线185(代表单个切线位置)可既通过前翼型件182也通过后翼型件184绘制。对于高转向高载荷的轮叶，串联配置相对于单翼型件配置提高了边界层控制。流动分离的风险得以缓解，原因是新的边界层在两个串联翼型件的后翼型件184上生长，而在单翼型件配置中，沿轮叶表面的压力上升可能足够大使得在朝轮叶后缘局部流动分离。总之，在特定的流动条件下，串联轮叶的构思可因此带来气动性能好处。

每个前翼型件182从内流动路径表面172处的根部208延伸到外流动路径表面176处的尖端210，并包括在前缘216和后缘218接合到凸吸力侧214的凹压力侧212。

每个前翼型件182具有翼弦(或翼弦尺寸)“C5”(图8)。取决于前翼型件182的特定设计，其翼弦C5在沿其翼展的不同位置可以不同。出于本发明的目的，有关的测量为在根部208或尖端210翼弦为C5。每个前翼型件182具有厚度“T5”(图8)，其定义为压力侧212和吸力侧214之间的距离。

每个后翼型件184从内流动路径表面172处的根部220延伸到外流动路径表面176处的尖端222，并包括在前缘228和后缘230接合到凸吸力侧226的凹压力侧224。

每个后翼型件184具有翼弦(或翼弦尺寸)“C6”(图8)。取决于后翼型件184的特定设计，其翼弦C6在沿其翼展的不同位置可以不同。出于本发明的目的，相关的测量为在根部220或尖端222翼弦为C6。每个后翼型件184具有厚度“T6”(图8)，其定义为压力侧224和吸力侧226之间的距离。

前翼型件182和后翼型件184的厚度应当尽可能小，以符合结构、热和气动弹性因素。通常，前翼型件182和后翼型件184的厚度比可以小于第一轮叶178的厚度比。举一个实例，前翼型件182和后翼型件184可以具有大约10％的厚度比。

通常，前、后翼型件182和184的翼弦C5和C6应小于第一轮叶178的翼弦C4。前翼型件182和后翼型件184可以有各种配置。例如，翼弦C5和C6可以彼此相等或不同。而且，前、后翼型件182和184可以在流向或轴向方向上重叠或不重叠。图8说明前、后翼型件182和184在流向或轴向方向上重叠的配置。图9说明在流向或轴向方向上不重叠的替代性配置。

从图1-9中可见，内、外流动路径表面被描绘为旋转体(即轴对称结构)。可选地，内流动路径表面或外流动路径表面或其两者可以包括非轴对称的表面外形。更具体地，内流动路径表面或外流动路径表面任一者或其两者可以具有通过应用3-D计算流体力学(“CFD”)软件确定的峰部和谷部组合的表面外形。这可以称作“3-D航空”设计。

例如，图10-14说明涡轮轮叶框架336的替代性实施例。涡轮轮叶框架336包括环形内带370和环形外带374，环形内带370限定环形内流动路径表面372，环形外带374围绕内带370并限定环形外流动路径表面376。

静止翼型形状转向轮叶(或者简称“轮叶”)的阵列在内带370和外带374之间延伸。在图示的实例中，轮叶有三种不同的配置，分别称作第一轮叶378、第二轮叶380和第三轮叶382。转向轮叶的一个完整阵列包括围绕涡轮轮叶框架336的周界的第一、第二和第三轮叶的重复模式。轮叶的结构方面可以与上面描述的任一轮叶实施例相同。

在图示的实例中，内带370包括非轴对称表面外形，其包括相比标称轴对称外形(由虚线图示)相对更向主流动路径突出的一个或多个区域以及相比标称轴对称外形远离主流动路径凹陷的一个或多个区域。这些区域可以分别称作“峰部”(在箭头384处示出)和“谷部”(在箭头386处示出)。峰部384代表从轴线11测量的内带370的相对较大半径的区域(图1)。具有相对较大半径的区域将具有通过轮叶的较小的流动面积，因此有较高的速度。谷部386代表从轴线11测量的内带370的相对较小半径的区域。具有相对较小半径的区域将具有通过轮叶的较大的流动面积，因此有较小的速度。描述此流动路径轮廓的另一种方式是内带370(或外带374)具有合并凸曲率和凹曲率区域的表面外形。注意，3-D轮廓可以在轴向和切线方向合并凸和/或凹曲线。

3-D轮廓可以根据需要改变以适应特定的应用。在一个实例中，在图11-14可见，内带370可以包括用于局部速度减缓的谷部386，即降低局部流体速度以避免例如局部超音速流动的效果，该效果可能导致涡轮轮叶框架336下游的压缩冲击和高流动损失。拿第一轮叶378之一作为实例，谷部386可以设置在第一轮叶378的压力侧394和相邻的第三轮叶382的吸力侧314之间，大约在两个翼型件之间的周向中间位置。这在图13和图14中可见。此谷部386提供局部速度释放。

继续此实例，峰部384可以邻近第一轮叶378的压力侧394设置(与第一轮叶378的根部相交)。这在图11和图14中可见。峰部384的存在可以用来部分地或者完全抵消谷部386的存在，目的是保持第一轮叶378和第三轮叶382之间的预定总流动面积。

谷部386和峰部384可以由过渡部分390平滑地互连，过渡部分390在周向上设置在谷部386和峰部384之间，径向穿过公称型面(nominal profile)。这在图12和图14中可见。

关于第一轮叶378、第二轮叶380、第三轮叶382中的每一个，可以使用谷部、峰部和过渡部分的相似轮廓模式。

本文中描述的涡轮轮叶框架包括不同的各个翼弦和浆距的转向轮叶(与现有技术描述的恒定翼弦相反)。具有最大翼型件厚度的这些轮叶中的最大的轮叶可以用来容纳结构和管道部件，而较短的转向轮叶可以用作气动元件以更高效地使流动转向，给第一级低压涡轮转子提供最优流入，所述最优流入由总压力、总温度、马赫数和流动角的高度一致性表征。轮叶可以包括高度三维化的几何设计，用于降低润湿表面，提高吸力侧坚固性。

本文中描述的涡轮框架设备相对现有技术具有若干优点。具体地，本文中描述的特征用来降低气动损失，提高涡轮轮叶框架出口的流动一致性，因此使部件和***性能受益。

前面已经描述了涡轮轮叶框架设备。在本说明书中所公开的所有特征(包括任何所附权利要求书、摘要和附图)和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可按任何组合形式组合，所述特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合除外。

除非明确指出，否则本说明书中公开的每个特征(包括任何权利要求、摘要和附图)可以被提供相同、等同或相似目的的替代性特征取代。因此，除非另外指出，否则公开的每个特征只是等同或相似的特征的通用系列中的一个实例。

本发明并不限于任何前述实施例的任何细节。本发明扩展到本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和附图)中所公开的特征的任何新颖特征或新颖组合，或到如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖步骤或任何新颖组合。

Claims (10)

1.一种涡轮轮叶框架设备，包括：

环形内带，所述环形内带围绕中心线轴线设置，并限定内流动路径表面；

环形外带，所述环形外带围绕所述环形内带，并限定外流动路径表面；以及

轴流翼型形状轮叶的阵列，其设置在所述内流动路径表面和外流动路径表面之间，其中，所述轮叶具有至少三种不同的翼弦尺寸。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述轮叶围绕所述设备的周界以重复组布置。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，每一组中的轮叶具有级联翼弦长度。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述轮叶的阵列包括：

多个第一轮叶，所述多个第一轮叶具有第一厚度比；以及

多个第二轮叶，所述多个第二轮叶具有比所述第一厚度比小的第二厚度比。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述第一轮叶的厚度比近似为30％到40％。

6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述轮叶中的一些配置为单个翼型件，所述轮叶中的一些配置为若干对串联翼型件。

7.根据权利要求1所述的设备，其还包括：

第一涡轮，所述第一涡轮包括承载第一涡轮叶片的阵列的第一转子盘，所述第一涡轮叶片的阵列设置在所述涡轮轮叶框架的上游；以及

第二涡轮，所述第二涡轮包括承载第二涡轮叶片的阵列的第二转子盘，所述第二涡轮叶片的阵列设置在所述涡轮框架的下游。

8.一种涡轮轮叶框架设备，包括：

环形内带，所述环形内带围绕中心线轴线设置，并限定内流动路径表面；

环形外带，所述环形外带围绕所述环形内带，并限定外流动路径表面；以及

轴流翼型形状轮叶的阵列，其设置在所述内流动路径表面和外流动路径表面之间，其中，所述轮叶中的一些配置为单翼型件，所述轮叶中的一些配置为若干对串联翼型件。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述轮叶围绕所述设备的周界以重复组布置。

10.根据权利要求8所述的设备，其中，所述轮叶的阵列包括：

多个第一轮叶，所述多个第一轮叶具有第一厚度比；以及

多个第二轮叶，所述多个第二轮叶具有比所述第一厚度比小的第二厚度比。