《涡轮机的涡轮.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《涡轮机的涡轮.pdf（9页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103089318 A (43)申请公布日 2013.05.08 CN 103089318 A *CN103089318A* (21)申请号 201210417371.0 (22)申请日 2012.10.26 13/284,068 2011.10.28 US F01D 5/14(2006.01) F01D 9/04(2006.01) (71)申请人 通用电气公司 地址 美国纽约州 (72)发明人 P.K. 史密斯 T.W. 范德普特 C.A. 比勒 G.L. 赛登 (74)专利代理机构 中国专利代理(香港)有限公 司 72001 代理人 肖日松 杨炯 (54) 发明名。
2、称 涡轮机的涡轮 (57) 摘要 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。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 2。
3、 页 说明书 5 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103089318 A CN 103089318 A *CN103089318A* 1/2 页 2 1. 一种涡轮机的涡轮， 包括 ： 相对端壁， 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。
4、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， 并且界定喉道分布以在所述流体流中生成尖端强压力轮廓 线。 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端壁之间的所述通路。 5. 根据权利要求 1 所述的涡轮，。
5、 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， 所述相邻气动元件具有无量纲的径向喉道分布， 所述径向喉道分布获得尖端强 压力轮廓线。 6. 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， 所述相邻气动元件具有无量纲的径向喉道分布， 所述径向喉道分布获得 大体上平坦的出口压力轮廓线。 7. 一种涡轮机的涡轮， 包括 ： 相对端壁， 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。
6、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 界定喉道分布在所述流体流中生成尖端强压力轮廓线。 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端壁之间的所述通。
7、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， 所述相邻气动元件具有无量纲的径向喉道分布， 所述径向喉道分布获得尖端 强压力轮廓线。 12. 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 权 利 要 求 书 CN 103089318 A 2 2/2 页 3 包括相邻气动元件， 所述相邻气动元件具有无量纲的径向喉道分布， 所述径向喉道分布获 得大体上平坦的出口压力轮廓线。 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。
8、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， 并且界定喉道分布在所述流体流中生成尖端强压力轮廓线。 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。
9、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， 所述相邻气动元件具有无量纲的径向喉道分布， 所述径向喉道分布获得尖 端强压力轮廓线。 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， 所述相邻气动元件具有无量纲的径向喉道分布， 所述径。
10、向喉道分 布获得大体上平坦的出口压力轮廓线。 19. 一种涡轮机的涡轮， 包括 ： 相对端壁， 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， 所述气动元件经配置以获得大体上 平坦的出口压力轮廓线。 20. 根据权利要求 19 所述的涡轮， 其中所述次末级叶片级和所述次末级喷嘴级经配置 以生成尖端强压力。
11、轮廓线。 权 利 要 求 书 CN 103089318 A 3 1/5 页 4 涡轮机的涡轮 技术领域 0001 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 0002 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。 0003 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。。
12、 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 0004 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。
13、流中生成尖端强压力轮廓线。 0005 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。 0006 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。
14、， 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。 0007 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。
15、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 说 明 书 CN 103089318 A 4 2/5 页 5 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。 0008 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 0009 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 ： 0010 图 1 是燃气涡轮发。
16、动机的示意图 ； 以及 0011 图 2 是图 1 的燃气涡轮发动机的涡轮内部的侧面。 0012 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 0013 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。 0014 涡轮 14 包括第一环。
17、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。 0015 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 。
18、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。 0016 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。
19、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。 0017 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。
20、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。 说 明 书 CN 103089318 A 5 3/5 页 6 0018 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 。
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。 0019 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， 。
22、仅详细描 述次末级叶片级 23 的径向喉道分布选择。 0020 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) 系统的。
23、扩压器复 原和最小峰值速度。 0021 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 ： 0022 跨度喉道 1001.2910 92.21.2610 76.01.1610 58.41.0410 38.60.9010 14.80.7310 0.00.6110 0023 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 ： 0024 说 明 书 CN 103089318 A 6 4/5 页 7 跨度喉道 1001.1310 91.91.1210 75.71.0910 58.31.0610 38.70.9810 15.。
24、10.8510 宽度 0.00.7610 宽度 0025 0026 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 ： 0027 跨度喉道 1001.2010 90.01.1610 70.01.0810 50.01.0010 30.00.9210 10.00.8410 0.00.8110 0028 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 ： 0029 跨度喉道 1001.1810 说 明 书 CN 103089318 A 7 5/5 页 8 90.01.1510 70.01.0810 50.01.011。
25、0 30.00.9310 10.00.8510 0.00.8010 0030 0031 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。 说 明 书 CN 103089318 A 8 1/1 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103089318 A 9 。