CN112943383A - 带有具有曲线形后缘的翼片的涡轮机喷嘴 - Google Patents

带有具有曲线形后缘的翼片的涡轮机喷嘴 Download PDF

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CN112943383A CN202011305547.4A CN202011305547A CN112943383A CN 112943383 A CN112943383 A CN 112943383A CN 202011305547 A CN202011305547 A CN 202011305547A CN 112943383 A CN112943383 A CN 112943383A
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Abstract

本发明题为“带有具有曲线形后缘的翼片的涡轮机喷嘴”。本发明公开了一种涡轮机(10)，该涡轮机限定轴向方向(A)、垂直于轴向方向(A)的径向方向(R)和围绕轴向方向(A)同心地延伸的周向方向(C)。涡轮机(10)包括喷嘴(202)，该喷嘴具有内部平台(208)、外部平台(210)和翼片(212)。翼片(212)包括前缘(218)、前缘(218)下游的后缘(220)、压力侧表面(224)和与压力侧表面(224)相反的抽吸侧表面(226)。后缘(220)在轴向‑径向平面中与外部平台(210)正交，并且后缘(220)在轴向‑径向平面中相对于内部平台倾斜。

Description

带有具有曲线形后缘的翼片的涡轮机喷嘴
技术领域
本公开整体涉及涡轮机。更具体地讲，本公开涉及用于涡轮机的定子叶片。
背景技术
气体涡轮引擎通常包括压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。压缩机区段逐渐增加进入气体涡轮引擎的工作流体的压力，并且将该压缩的工作流体供应到燃烧区段。经压缩的工作流体和燃料(例如，天然气)在燃烧区段内混合并在燃烧室中燃烧以生成高压和高温燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段流入涡轮区段，在该涡轮区段中燃烧气体膨胀以做功。例如，涡轮区段中燃烧气体的膨胀可使连接到例如发电机的转子轴旋转以产生电力。然后燃烧气体经由排气区段离开气体涡轮。
涡轮区段通常包括多个定子叶片，有时也称为喷嘴。每个定子叶片包括定位于燃烧气体流内的翼片(airfoil)。定子叶片的翼片通常从内部平台径向向外延伸到外部平台。
翼片可从前缘延伸到前缘下游的后缘，并且可在它们之间限定空气动力学表面，诸如压力侧表面和抽吸侧表面。空气动力学表面与内部平台和外部平台的相交部可产生相对高的二次损耗的区域。一些翼片设置有曲线形状以减少此类二次损耗；然而，已知的曲线形状可导致其他低效率，诸如由于叶片之间的喉部间距增加而导致的低效率。
因此，这样的用于定子叶片的翼片将是有用的，该翼片在外部平台处提供减少的二次损耗和有效的整体空气动力学性能两者。
发明内容
本技术的各方面和优点将在以下描述中部分阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本技术的实践来了解。
根据一个实施方案，提供了一种用于涡轮机的定子叶片的翼片。翼片在定子叶片的内部平台和定子叶片的外部平台之间径向延伸。翼片包括前缘，该前缘沿流动方向在翼片上从内部平台延伸到外部平台和前缘下游的后缘。后缘在翼片上从内部平台延伸到外部平台。翼片还包括在内部平台和外部平台之间延伸并且在前缘和后缘之间延伸的压力侧表面。翼片还包括抽吸侧表面，该抽吸侧表面在内部平台和外部平台之间延伸并且在前缘和后缘之间延伸。抽吸侧表面与压力侧表面相反。后缘在轴向-径向平面中与外部平台正交，并且后缘在轴向-径向平面中相对于内部平台倾斜。
根据另一个实施方案，提供了一种涡轮机。涡轮机限定轴向方向、垂直于轴向方向的径向方向和围绕轴向方向同心地延伸的周向方向。该涡轮机包括压缩机、设置在压缩机下游的燃烧器以及设置在燃烧器下游的涡轮。涡轮包括定子叶片，该定子叶片具有内部平台、外部平台和翼片。定子叶片的翼片包括前缘，该前缘沿流动方向在翼片上从内部平台延伸到外部平台和前缘下游的后缘。后缘在翼片上从内部平台延伸到外部平台。翼片还包括在内部平台和外部平台之间延伸并且在前缘和后缘之间延伸的压力侧表面。翼片还包括抽吸侧表面，该抽吸侧表面在内部平台和外部平台之间延伸并且在前缘和后缘之间延伸。抽吸侧表面与压力侧表面相反。后缘在轴向-径向平面中与外部平台正交，并且后缘在轴向-径向平面中相对于内部平台倾斜。
参照以下描述和所附权利要求，本技术的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。结合到本说明书中并构成其一部分的附图示出了本技术的实施方案，并与描述一起用于解释本技术的原理。
附图说明
在参照附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本技术的全面且能够实施的公开内容，包括其最佳模式。
图1是根据本公开的一个或多个示例性实施方案的示例性气体涡轮引擎的示意图；
图2是可结合本公开的一个或多个实施方案的示例性涡轮喷嘴的透视图；
图3是根据本公开的一个或多个示例性实施方案的定子叶片的翼片的后缘的侧视图；
图4是根据本公开的第一示例性实施方案的在定子叶片的上游查看的端视图；
图5是根据本公开的第二示例性实施方案的在定子叶片的上游查看的端视图；
图6是根据本公开的第三示例性实施方案的在定子叶片的上游查看的端视图；
图7是根据本公开的一个或多个示例性实施方案的定子叶片的经线侧视图；
图8是图7的定子叶片的后缘透视图；
图9是根据本公开的一个或多个示例性实施方案的定子叶片的经线侧视图；
图10是图9的定子叶片的后缘透视图；
图11是根据本公开的一个或多个示例性实施方案的定子叶片的经线侧视图；
图12是图11的定子叶片的后缘透视图；
图13是根据本公开的一个或多个示例性实施方案的定子叶片的经线侧视图；并且
图14是图13的定子叶片的后缘透视图。
在本说明书和附图中重复使用参考字符旨在表示本技术的相同或相似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本技术的实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。具体实施方式使用数字和字母名称指代附图中的特征结构。附图和说明书中的相似或类似的名称已经用于指代本技术的相似或类似的零件。如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用，以将一个部件与另一个部件区分开来，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”是指相对于流体通路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，并且“下游”是指流体向其流动的方向。
如本文所用，诸如“大体”或“约”的近似项包括在大于或小于所述值的百分之十内的值。当在角度或方向的上下文中使用时，此类术语包括在大于或小于所述角度或方向的十度内。例如，“大体竖直”包括沿任何方向(例如，顺时针或逆时针)在竖直的十度内的方向。
每个示例是通过解释本技术的方式提供的，而不是对本技术的限制。事实上，对于本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离本公开的范围或实质的情况下，可以在本技术中进行修改和变化。例如，作为一个实施方案的一部分示出或描述的特征可以用在另一个实施方案上，以产生又一个实施方案。因此，本技术旨在涵盖落入所附权利要求书及其等同物的范围内的这些修改和变化。
尽管本文示出和描述了工业或陆基气体涡轮，但如本文所示和所述的本发明技术不限于陆基和/或工业气体涡轮，除非在权利要求中另外指明。例如，如本文所述的技术可用于任何类型的涡轮机，包括但不限于航空气体涡轮(例如，涡轮风扇等)、蒸汽涡轮和船舶气体涡轮。
现在参考附图，其中在所有附图中相同的数字指示相同的元件，图1示意性地示出了气体涡轮引擎10。应当理解，本公开的气体涡轮引擎10不必是气体涡轮引擎，而是可以是任何合适的涡轮机，诸如蒸汽涡轮引擎或其他合适的引擎。气体涡轮引擎10可包括入口区段12、压缩机区段14、燃烧区段16、涡轮区段18和排气区段20。压缩机区段14和涡轮区段18可通过轴22联接。轴22可以是单个轴或联接在一起以形成轴22的多个轴段。
在操作期间，工作流体诸如空气24流过入口区段12并进入压缩机14，在该处空气24逐渐被压缩，从而将压缩空气26提供给燃烧器16。压缩空气26的至少一部分与燃料28在燃烧器16内混合，并且被燃烧以产生燃烧气体30。燃烧气体30从燃烧器16流入涡轮18，其中能量(动能和/或热能)从燃烧气体30传递到转子刀片，从而使轴22旋转。然后，机械旋转能量可用于各种目的，诸如为压缩机14供电和/或发电。然后，离开涡轮18的燃烧气体30可以经由排气区段20从气体涡轮10排出。
如图3至图14所示，气体涡轮10可限定例如沿着或平行于轴22的轴向方向A、垂直于轴向方向A的径向方向R以及围绕轴向方向同心地延伸的周向方向C。
图2提供了例如在本公开的各种实施方案中可结合到图1所示的涡轮18中的示例性涡轮喷嘴202的透视图。如图2所示，在一些实施方案中，涡轮喷嘴202包括内部平台208和例如沿着径向方向R与内部平台208径向间隔开的外部平台210。外部平台可沿着轴向方向A在前侧壁214和后侧壁216之间延伸。
在图2的例示的示例中，一对翼片212从内部平台208跨越延伸到外部平台210。在该方面，图2所示的示例性涡轮喷嘴202在行业中被称为二联体(doublet)。然而，涡轮喷嘴202可具有仅一个翼片212(即，单联体)、三个翼片212(即，三联体)或更多个翼片212。
每个翼片212包括位于翼片212的前端处的前缘218和位于翼片212的后端处的后缘220。喷嘴202还可包括一个或多个后钩222，该一个或多个后钩被配置成与涡轮机(例如，气体涡轮10)的相邻覆盖物(未示出)接合。例如，喷嘴202可包括对应于每个翼片212的后钩222，例如，二联体可具有两个后钩222。
每个翼片212包括压力侧表面224和相对的抽吸侧表面226。压力侧表面224和抽吸侧表面226在翼片212的前缘218处接合在一起或互连，该前缘被取向成进入燃烧气体30的流中(图1)。压力侧表面224和抽吸侧表面226也在与前缘218下游间隔开的翼片212的后缘220处接合在一起或互连。压力侧表面224和抽吸侧表面226围绕前缘218和后缘220是连续的。压力侧表面224是大体凹形的，并且抽吸侧表面226是大体凸形的。
图3是定子叶片202的翼片212的后缘部分的侧视图，其中内部平台208和外部平台210的部分以截面示出。后缘部分可以是在翼片212的后缘220处和周围的翼片212的下游半部。如在图3中可见，后缘220在第一点228处与内部平台208相交并且在第一点228处与内部平台208形成内角β。从图3中还可以看出，后缘220在第二点230处与外部平台210相交并且在第二点230处与外部平台210形成外角α。第二点230可位于第一点228的下游。具体地讲，第二点230可位于径向投影线1000的下游，该径向投影线沿着径向方向R延伸穿过第一点228，如图3所示。
另外，如在图3中可见，在各种实施方案中，在轴向-径向方向上的后缘220突起是在下游流动方向上弯如弓形的曲线，其中外径拐角点230不在内径拐角点228的上游，例如，在如图3所示的下游或在其他实施方案中轴向对准。在一些实施方案中，后缘220可正交于外部平台210并且倾斜于内部平台208。例如，外角α可为约90°并且内角β可不等于90°，例如内角β可小于90°。
图4至图6示出了如在垂直于轴向方向A的平面(例如，由径向方向R和周向方向C限定的径向-周向平面)中看到的翼片212的实施方案。轴旋转的方向是逆时针的(即，在图4至图6中向左。)
图4是根据一个或多个示例性实施方案的在定子叶片202的翼片212的上游查看的端视图。如例如在图4中可见，在一些实施方案中，后缘220可相对于径向方向R以这样的方式弯曲，诸如相对于延伸穿过后缘220与内部平台208的相交部228的径向投影线1000弯曲，该方式为将每个轮廓区段的压力侧224放置成朝向引擎的中心(例如，朝向轴22和/或其轴向中心线)相对于相邻轮廓区段在较低半径处(例如，更靠近内部平台208)成角度。
在一些实施方案中，如图4所示，后缘220的内部部分可与径向方向R相切。后缘220的外部部分(例如后缘220与外部平台210的相交部230)可从径向投影线1000周向地偏移。
在其它实施方案中，如图5所示，后缘220可相对于径向方向R倾斜。例如，后缘220的内部部分可与第二线1002相切，该第二线相对于径向方向R以角度Θ倾斜，例如，与径向投影线1000形成角度Θ。
在另外的实施方案中，后缘220可具有S形，如图6所示。S形可具有复合曲率，使得后缘220的外部部分在压力侧224处为凹形的，并且后缘200的内部部分在压力侧224处为凸形的。此类实施方案可包括后缘200的曲率中的拐点，例如从凸形到凹形的变化。在各种实施方案中，拐点可设置在内部平台208和外部平台210之间的后缘220的中点处或附近，或者可设置在跨度的三分之一处或附近，例如从内部平台208到外部平台210的距离的约三分之一。
图7至图14提供了根据本公开的各种实施方案的用于定子叶片202的翼片212的另外示例的附加例证。为了简单起见并且更清楚地描绘翼片212的形状，内部平台208和外部平台210未在图7至图14中示出。
例如，图7和图8示出了具有曲线形后缘220的翼片212的示例性实施方案，该曲线形后缘以将每个轮廓区段的压力侧224放置成朝向引擎的中心成角度的方式径向堆叠，例如，如上文相对于图4所述。此类径向堆叠的曲线形后缘220的附加示例示出于图9和图10中。后缘220曲率的下游弓形部，例如，如上文相对于图3所述，也可特别地在图11和图12以及图13和图14所示的示例性实施方案中看到。
本文所示和所述的各种示例不是互相排斥的，并且可以各种组合提供。例如，在一些实施方案中，涡轮机可包括多级喷嘴，并且喷嘴的一个级可具有翼片212，如图7和图8所示，而同一涡轮机中喷嘴的另一级可具有翼片212，如例如图图9和图10、图11和图12和/或图13和图14所示。
本书面描述使用示例来公开本技术，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本技术，包括制造和使用任何设备或***以及执行任何结合的方法。本技术的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质差异的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于涡轮机(10)的定子叶片(202)的翼片(212)，所述翼片(212)在所述定子叶片(202)的内部平台(208)和所述定子叶片(202)的外部平台(210)之间径向延伸，所述翼片(212)包括：
前缘(218)，所述前缘在所述翼片(212)上从所述内部平台(208)延伸到所述外部平台(210)；
后缘(220)，所述后缘沿着流动方向位于所述前缘(218)的下游，所述后缘(220)在所述翼片(212)上从所述内部平台(208)延伸到所述外部平台(210)；
压力侧表面(224)，所述压力侧表面在所述内部平台(208)和所述外部平台(210)之间延伸并且在所述前缘(218)和所述后缘(220)之间延伸；和
抽吸侧表面(226)，所述抽吸侧表面在所述内部平台(208)和所述外部平台(210)之间延伸并且在所述前缘(218)和所述后缘(220)之间延伸，所述抽吸侧表面(226)与所述压力侧表面(224)相反；
其中所述后缘(220)在轴向-径向平面中与所述外部平台(210)正交，并且所述后缘(220)在所述轴向-径向平面中相对于所述内部平台(208)倾斜。
2.根据权利要求1所述的翼片(212)，其中所述后缘(220)与所述内部平台(208)在所述轴向-径向平面中形成小于九十度的角度。
3.根据权利要求1所述的翼片(212)，其中所述后缘(220)在第一点(228)处与所述内部平台(208)相交并且在第二点(230)处与所述外部平台(210)相交，并且其中所述后缘(220)在所述第一点(228)和所述第二点(230)之间沿着所述流动方向向外弯曲。
4.根据权利要求1所述的翼片(212)，其中所述后缘(220)在第一点(228)处与所述内部平台(208)相交并且在第二点(230)处与所述外部平台(210)相交，并且其中所述第二点(230)不位于所述第一点(228)的上游。
5.根据权利要求1所述的翼片(212)，其中所述后缘(220)在第一点(228)处与所述内部平台(208)相交并且在第二点(230)处与所述外部平台(210)相交，并且其中所述第二点(230)位于所述第一点(228)的下游。
6.根据权利要求1所述的翼片(212)，其中所述涡轮机(10)限定轴向方向(A)，并且其中所述后缘(220)在垂直于所述轴向方向(A)的平面内是曲线的。
7.根据权利要求6所述的翼片(212)，其中所述后缘(220)以所述翼片(212)的所述压力侧表面(224)朝向所述涡轮机(10)的中心成角度的方式在垂直于所述轴向方向(A)的所述平面内是曲线的。
8.根据权利要求6所述的翼片(212)，其中所述涡轮机(10)还限定垂直于所述轴向方向(A)的径向方向(R)，并且其中所述后缘(220)的内部部分与所述径向方向(R)相切。
9.根据权利要求6所述的翼片(212)，其中所述涡轮机(10)还限定垂直于所述轴向方向(A)的径向方向(R)，并且其中所述后缘(220)的内部部分相对于所述径向方向(R)倾斜。
10.一种涡轮机(10)，所述涡轮机限定轴向方向(A)、垂直于所述轴向方向(A)的径向方向(R)和围绕所述轴向方向同心地延伸的周向方向(C)，所述涡轮机(10)包括：
压缩机(14)；
燃烧器(16)，所述燃烧器设置在所述压缩机(14)的下游；和
涡轮(18)，所述涡轮设置在所述燃烧器(16)的下游，所述涡轮(18)包括具有内部平台(208)、外部平台(210)和翼片(212)的定子叶片(202)，所述定子叶片的所述翼片如权利要求1-9中的任一项所述。
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