渦輪機流動改進系統的製作方法
2023-06-19 17:48:01 2
專利名稱：渦輪機流動改進系統的製作方法
技術領域：
本發明中所公開的主題涉及渦輪機領域，並且更具體地，涉及包括流動改進系統的渦輪機。
背景技術：
許多渦輪機都包括通過公共的壓縮機/渦輪軸連接至渦輪部分的壓縮機部分以及燃燒器組件。壓縮機部分引導壓縮空氣流朝向燃燒器組件通過多個順序級。在燃燒器組件中，壓縮空氣流與燃料混合以形成可燃混合物。可燃混合物在燃燒器組件中燃燒以形成熱氣體。熱氣體通過過渡件被引導至渦輪部分。熱氣體膨脹通過渦輪，從而產生功，輸出所產生的功以例如為發電機、泵提供動力或者向飛機提供動力。除了提供壓縮空氣以用於燃燒，一部分壓縮空氣流通過渦輪部分以用於冷卻目的。在許多情況下，壓縮機部分和/或渦輪部分將包括數量相等的定位在連續的固定行或旋轉行中的輪葉。在這種情況下，輪葉之間沿周向成角度的間距在連續行中的每一行中都相等。總體而言，周向間距使得固定行中的輪葉對準，並且旋轉行中的輪葉對準。該對準產生沿壓縮機部分和/或渦輪部分的流動路徑通過的流的各種氣動性能問題和/或熱環境問題。製造商已經對旋轉行中相鄰行的輪葉或者固定行中相鄰行的輪葉進行定時或者周向偏置，以對流進行控制並且對氣動性能和/或熱環境產生影響。在壓縮機部分中，空氣通過進氣部被抽入並且通過多個順序級。順序級中的每一級都包括多個定子或噴嘴，所述多個定子或噴嘴將空氣引向多個旋轉鬥葉或輪葉。旋轉輪葉迫使空氣流沿壓縮機流動，以實現期望的壓力增加。由通過固定部件和旋轉部件的空氣所造成的相互作用模式和聲自旋波模式在每一級處產生。在切口(cut-on)處或切口上方，自旋波模式典型地通過壓 縮機向下遊傳播並且可以進入燃燒器組件。自旋波模式的產生和傳播能夠產生不期望的非定常壓力模式以及導致產生來自壓縮機部分不期望的噪聲。
發明內容
根據本發明示例性實施例的一個方面，一種渦輪機包括限定了流動路徑的殼體、以及布置在殼體內的級。級包括多個旋轉翼型構件以及第一多個固定翼型構件。第二多個固定翼型構件布置成直接鄰近第一多個固定翼型構件。流動改進系統與第一多個固定翼型構件以及第二多個固定翼型構件中的每一個相關聯。流動改進系統建立了第一多個固定翼型構件中的每一個固定翼型構件相對於第二多個固定翼型構件中的每一個固定翼型構件的預定定時(predetermined clocking),以改進沿流動路徑的流動特性。根據示例性實施例的另一個方面，一種渦輪機系統包括:壓縮機部分；渦輪部分，渦輪部分機械連接至壓縮機部分；以及燃燒器組件，燃燒器組件流體連接至壓縮機部分和渦輪部分中的每一個。壓縮機部分包括限定了流動路徑的殼體、以及布置在殼體內的級。級包括多個旋轉翼型構件以及第一多個固定翼型構件。第二多個固定翼型構件布置成直接鄰近第一多個固定翼型構件。流動改進系統與第一多個固定翼型構件以及第二多個固定翼型構件中的每一個相關聯。流動改進系統建立了第一多個固定翼型構件中的每一個固定翼型構件相對於第二多個固定翼型構件中的每一個固定翼型構件的預定定時，以改進沿流動路徑的流動特性。根據示例性實施例的又一個方面，一種改進渦輪機中的流動特性的方法包括:形成沿渦輪機的流動路徑流動的具有第一多個波峰和第一多個波谷的第一自旋波(firstspinning wave);形成沿潤輪機的流動路徑流動的具有第二多個波峰和第二多個波谷的第二自旋波；將第一自旋波引入第二自旋波中，從而使第一多個波峰與第二多個波谷對準，以形成具有較低空間分布的非定常壓力(lower spatial distribution of unsteadypressure)的排氣流。通過下文結合附圖的描述，這些和其它的優點以及特徵將變得更加顯而易見。
被認為是本發明的主題在說明書結尾處的權利要求書中特別指出並且明確要求保護。通過下文結合附圖的詳細描述，本發明的上述和其它的特徵以及優點是顯而易見的，在附圖中:圖1是渦輪機的示意圖，該渦輪機包括根據示例性實施例的流動改進系統；以及圖2是圖1的渦輪機的壓縮機部分的示意圖，其中示出了根據示例性實施例的流動改進系統。參照附圖通過示例的詳細的描述解釋了本發明的實施例以及優點和特徵。
具體實施例方式參照圖1，根據示·例性實施例構建的渦輪機總體示為2。渦輪機2包括壓縮機部分4，壓縮機部分4流體連接至渦輪部分6。燃燒器組件8也流體連接壓縮機部分4與渦輪部分6。燃燒器組件8包括圍繞渦輪機2以筒-環形陣列布置的多個燃燒器，其中的一個燃燒器示為10。燃燒器的數量和布置能夠發生變化。如圖所示，壓縮機部分4通過公共的壓縮機/渦輪軸12機械連接至渦輪部分6。壓縮機部分4包括殼體13，殼體13對沿流體路徑16延伸的多個壓縮機級14進行封裝。在圖示的示例性實施例中，壓縮機部分4包括第一壓縮機級20、第二壓縮機級21、以及第三壓縮機級22。渦輪部分6也包括多個級(未示出)。當然，應當理解，壓縮機部分4和渦輪部分6中的級的數量能夠發生變化。通過該布置，通入壓縮機進氣部(未單獨標出)的空氣沿流體路徑16流動，並且通過壓縮機級20-22進行壓縮以形成壓縮空氣。第一部分壓縮空氣流入燃燒器組件8中、與可燃流體混合、並且燃燒以形成燃燒氣體。燃燒氣體膨脹通過渦輪部分6，從而產生功，所產生的功從渦輪機2輸出。第二部分壓縮空氣作為冷卻流體通過潤輪部分6。第一壓縮機級20包括多個旋轉翼型構件29。旋轉翼型構件29呈通過第一級轉子(未示出)聯接至公共的壓縮機/渦輪軸12的輪葉或鬥葉30的形式。第一壓縮機級20還包括多個固定翼型構件32。固定翼型構件32呈相對於壓縮機殼體13固定安裝的葉片或噴嘴33的形式。噴嘴33將空氣流引向第二壓縮機級21。相應地，第二壓縮機級21包括多個旋轉翼型構件36。旋轉翼型構件36呈通過第二級轉子(未示出)聯接至公共的壓縮機/渦輪軸12的輪葉或鬥葉37的形式。第二壓縮機級21還包括多個固定翼型構件39。固定翼型構件39呈相對於壓縮機殼體13固定安裝的葉片或噴嘴40的形式。噴嘴40將空氣流引向第三壓縮機級22。第三壓縮機級22包括多個旋轉翼型構件43。旋轉翼型構件43呈通過第三級轉子(未示出)聯接至公共的壓縮機/渦輪軸12的輪葉或鬥葉44的形式。第三壓縮機級22還包括多個固定翼型構件46。固定翼型構件46呈相對於壓縮機殼體13固定安裝的葉片或噴嘴47的形式。噴嘴47將空氣流引向多個出口導葉(EGV) 50，多個出口導葉50將壓縮空氣引導至燃燒器組件8中、並且引向渦輪部分6的第一級(未單獨標出)。EGV50布置成直接鄰近噴嘴47。更具體地，壓縮機部分4不具有或缺乏位於噴嘴47與EGV50之間的任何旋轉翼型構件。現在將參照圖2對第二壓縮機級21和第三壓縮機級22以及EGV50進行描述。如圖所示，第二多個旋轉翼型構件36中的每一個旋轉翼型構件36都包括前緣52和後緣53，前緣52與後緣53通過吸力側55和壓力側56結合/連接在一起。類似地，第二多個固定翼型構件39中的每一個固定翼型構件39都包括前緣60和後緣62，前緣60與後緣62通過吸力側63和壓力側64結合在一起。第二多個固定翼型構件39彼此間隔開，以形成多個第二級噴嘴通路，其中的一個第二級噴嘴通路示為66。同樣地，第三多個旋轉翼型構件43包括前緣70和後緣71，前緣70與後緣71通過吸力側73和壓力側74結合在一起。第三多個固定翼型構件46包括前緣79和後緣80，前緣79與後緣80通過吸力側82和壓力側83結合在一起。第三多個固定翼型構件46彼此間隔開，以建立多個第三級噴嘴通路，其中的一個第三級噴嘴通路示為85。根據示例性實施例的一個方面，渦輪機2包括流動改進系統，該流動改進系統呈自旋波減少系統(spinning wave reduction system) 100的形式,如將在下文中更全面地詳細描述的，自旋波減少系統100減少沿流動路徑16的自旋波模式傳播。在操作中，例如示為104的空氣流從第一級20通向第二級21。空氣流104流過/通過第二多個旋轉構件36、並且流過噴嘴40且通過噴嘴通路66，從而產生流向第三級22的尾流區(wake zone)(未示出)。具有第一壓力模式或自旋波模式109的第一自旋波107,由於鬥葉44與噴嘴47之間的空氣流104中的相互作用而沿流動路徑16產生。術語「自旋波(spinning wave) 」應當被理解成對具有由於固定構件與旋轉`構件之間的相互作用而產生的非均勻(non-homogenous)壓力模式的壓力波進行描述。第一自旋波107開始在壓縮機部分4中向下遊傳播。具有自旋波模式115的另一個自旋波113由於從鬥葉44和EGV50通過的空氣流中的相互作用而產生。更具體地，流過/通過鬥葉44的空氣流與EGV50相互作用，從而產生朝向渦輪6的第一級(未示出)通過噴嘴通路96的尾流區(未示出)。由於與下遊噴嘴47和EGV50的相互作用而使鬥葉44產生第一自旋波和第二自旋波。自旋波減少系統100使得第一自旋波107抵消第二自旋波113，如將在下文更完整地詳細描述的。自旋波減少系統100建立了噴嘴47和EGV50的期望的定時或周向偏置，從而造成噴嘴通路85與噴嘴通路96之間的失準/不對準。如圖所示，自旋波減少系統100建立了噴嘴47與EGV50之間的相對定位，從而建立第一自旋波107與第二自旋波113之間的相互作用。更具體地，由自旋波減少系統100所建立的特定定時失準(particular clockingmisalignment)使第一自旋波107的波峰(未單獨標出)與第二自旋波113的波谷(未單獨標出)對準。第一自旋波107的波峰與第二自旋波113的波谷的特定對準使得EGV50下遊的非定常壓力的空間分布均勻，從而得到改進的壓縮機動力(compressor dynamics)。可以通過數量相等的噴嘴47與EGV50之間的特定的偏置來實現由自旋波減少系統100所提供的特定定時。就這一點而言應當理解，本發明示例性實施例提供了用於改進渦輪機內的流動的系統。示例性實施例通過建立沿流動路徑移動的自旋波模式之間的特定相互作用而增強了渦輪機的壓縮機部分中的流體流動特性。特定相互作用使第一自旋波的波峰與第二自旋波的波谷基本對準，從而減少傳播至渦輪機的壓縮機和渦輪部分中的自旋波。壓縮機部分中自旋波模式傳播的減少實現了燃燒器操作/運行的改進、系統動力的減少、以及渦輪機的使用壽命的增加。儘管已經僅結合數量有限的實施例對本發明進行了詳細描述，但是應當易於理解，本發明並不限於這種所公開的實施例。相反，能夠將本發明修改成結合到目前為止並未進行描述但是與本發明的精神和範圍相當的任何數量的改型、變型、替代或等同布置。此夕卜，儘管已經對本發明的各個實施例進行了描述，但是應當理解，本發明的各個方面可以僅包括所描述的實施例中的一些。因此，本發明並不受到上文的描述的限制，而是僅僅通過所附權利要求的範圍 進行限定。
權利要求
1.一種渦輪機，所述渦輪機包括: 殼體，所述殼體限定了流動路徑； 布置在所述殼體內的級，所述級包括多個旋轉翼型構件以及第一多個固定翼型構件； 第二多個固定翼型構件，所述第二多個固定翼型構件布置成直接鄰近所述第一多個固定翼型構件；以及 流動改進系統，所述流動改進系統與所述第一多個固定翼型構件以及所述第二多個固定翼型構件中的每一個相關聯，所述流動改進系統建立了所述第一多個固定翼型構件中的每一個固定翼型構件相對於所述第二多個固定翼型構件中的每一個固定翼型構件的預定定時，以改進沿所述流動路徑的流動特性。
2.根據權利要求1所述的渦輪機，其特徵在於，所述第二多個固定翼型構件構成出口導葉(EGV)，所述出口導葉構造成將流體流引向渦輪機燃燒器。
3.根據權利要求1所述的渦輪機，其特徵在於，所述預定定時構造成使沿所述流動路徑移動的第一自旋波的波峰與沿所述流動路徑移動的第二自旋波的波谷對準。
4.根據權利要求1所述的渦輪機，其特徵在於，所述級包括位於所述渦輪機的壓縮機部分中的級。
5.一種渦輪機系統，所述渦輪機系統包括: 壓縮機部分； 渦輪部分，所述渦輪部分機械連接至所述壓縮機部分； 燃燒器組件，所述燃燒器組件流體連接至所述壓縮機部分和所述渦輪部分中的每一個，其中所述壓縮機部分包括: 殼體，所述殼體限定了流動路徑； 布置在所述殼體內的級，所述級包括多個旋轉翼型構件以及第一多個固定翼型構件； 第二多個固定翼型構件，所述第二多個固定翼型構件布置成直接鄰近所述第一多個固定翼型構件；以及 流動改進系統，所述流動改進系統與所述第一多個固定翼型構件以及所述第二多個固定翼型構件中的每一個相關聯，所述流動改進系統建立了所述第一多個固定翼型構件中的每一個固定翼型構件相對於所述第二多個固定翼型構件中的每一個固定翼型構件的預定定時，以改進沿所述流動路徑的流動特性。
6.根據權利要求5所述的渦輪機系統，其特徵在於，所述第二多個固定翼型構件構成出口導葉(EGV)，所述出口導葉構造成將流體流引向渦輪機燃燒器。
7.根據權利要求6所述的渦輪機系統，其特徵在於，所述壓縮機部分不具有布置在所述第一多個固定翼型構件與所述第二多個固定翼型構件之間的旋轉翼型構件。
8.根據權利要求4所述的渦輪機系統，其特徵在於，所述預定定時構造成使沿所述流動路徑移動的第一自旋波的波峰與沿所述流動路徑移動的第二自旋波的波谷對準。
9.一種改進渦輪機中的流動特性的方法，所述方法包括: 形成沿所述渦輪機的流動路徑流動的、具有第一多個波峰以及第一多個波谷的第一自旋波； 形成沿所述渦輪機的所述流動路徑流動的、具有第二多個波峰以及第二多個波谷的第二自旋波；將所述第一自旋波引導至所述第二自旋波中，從而使所述第一多個波峰與所述第二多個波谷對準，以形成具有空間分布較低的非定常壓力的排氣流。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，將所述第一自旋波引入所述第二自旋波中的步驟包括相對於布置在第一多個翼型構件的下遊並且直接鄰近所述第一多個翼型構件的第二多個翼型構件對所述第一多個翼型構件進行定時。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，相對於所述第二多個翼型構件對所述第一多個翼型構件進行定時的步驟包括使第一多個固定導葉相對於第二多個固定導葉片偏置。
12.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，將所述第二自旋波引入所述第一自旋波中的步驟包括使所述第二自旋波通過所述第二多個固定導葉。
13.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，使所述第一多個固定導葉相對於所述第二多個固定導葉偏置的步驟包括使所述第一多個固定導葉相對於多個壓縮機出口導葉偏置。
14.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括:使所述排氣流通入渦輪機燃燒器 中。
全文摘要
本發明提供一種渦輪機流動改進系統，該渦輪機包括限定了流動路徑的殼體、以及布置在殼體內的級。級包括多個旋轉翼型構件以及第一多個固定翼型構件。第二多個固定翼型構件布置成直接鄰近第一多個固定翼型構件。流動改進系統與第一多個固定翼型構件以及第二多個固定翼型構件中的每一個固定翼型構件相關聯。流動改進系統建立了第一多個固定翼型構件中的每一個固定翼型構件相對於第二多個固定翼型構件中的每一個固定翼型構件的預定定時，以改進沿流動路徑的流動特性。
文檔編號F04D29/26GK103244454SQ201310049159
公開日2013年8月14日 申請日期2013年2月7日 優先權日2012年2月9日
發明者U.加格, A.A.朗瓦拉, F.索蘭娜, L.瓦利亞潘 申請人:通用電氣公司