CN100429381C - 燃气涡轮发动机喷嘴和包括该种喷嘴的燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

燃气轮机(10)的一种涡轮喷嘴(50)，包含一个外环(54)、一个内环(56)，以及被外环和内环连接在一起的若干翼型叶片(52)。这些若干翼型叶片包含至少一个第一翼型叶片(114)和一个第二翼型叶片(110)。该第一翼型叶片包含一个多半径圆角(140)，它在外环和第一翼型叶片之间延伸。该第二翼型叶片只被一个单半径圆角(132)连接到外环上。

Description

燃气涡轮发动机喷嘴和包括该种喷嘴的燃气涡轮发动机

技术领域

本发明总的涉及到燃气涡轮发动机喷嘴，尤其涉及组装燃气涡轮发动机喷嘴的方法和装置。

背景技术

燃气轮机包含有燃烧器，它的作用是使燃料-空气混合物进行燃烧，然后这燃烧产物就通过涡轮喷嘴装置进入涡轮机。至少有一些已知的涡轮喷嘴装置包含有若干喷嘴，这些喷嘴是在圆周上成对排列布置的。至少有一些已知的涡轮喷嘴包含两个以上的在圆周上间隔布置的中空的翼型叶片，这些叶片被整体成型的内、外环形圆盘相连接。更具体地说，这内环形成一个径向流道的内侧边界，而外环则形成了径向流道的外侧边界。其他一些已知的涡轮喷嘴是悬臂方式安装的，其中内环在径向和轴向上是可以移动的，而外环在前卡和后卡子处受到约束。

由两个以上的整体成型翼型叶片组成的涡轮喷嘴与只有一个或者两个翼型叶片的涡轮喷嘴相比能改进其耐久性和减少漏泄。所以，至少有一些已知的涡轮喷嘴含有至少一个翼型叶片，它位于一对在圆周上排列的外翼型叶片之间。但是在运转过程中，温度梯度和空气动力荷载会在翼型叶片与外环的界面处导致热应力和热上弦(chording)。更明确地说，外翼型叶片上会产生比位于外翼型叶片之间的叶片上更高的应力。超过一定时间后，涡轮喷嘴上的局部应力会造成喷嘴的早期损坏。

为了减小温度梯度和空气动力荷载的影响，至少在一些已知的涡轮喷嘴内，在每个翼型叶片和外环之间有一个具有多个半径的圆角。但是因为至少有一些已知的涡轮喷嘴是按较低的空气动力学的收敛性设计以形成用于翼型冷却的空气以及让用于冷却和清扫高压涡轮/低压涡轮转子内腔的空气可以通过通畅的通道。因此，沿翼型叶片延伸的多半径圆角会减小通过喷嘴的空气动力学的收敛性，这是我们所不希望的。另外，在极端情况下，减小了的空气动力学收敛性可能会使得喷嘴的喉部(喷口，临界截面)从喷嘴的后沿向前移动，这样就造成了不稳定的空气动力学环境状态。

本发明的概述

一方面，提出了一种安装燃气轮机涡轮喷嘴的方法。这个方法包括提供一个涡轮喷嘴，它包括在一个内环和一个外环之间延伸的若干翼型叶片，以及在翼型叶片的一个主叶片与外环之间延伸的一个多半径圆角。并且翼型叶片至少有一个副叶片被一个单一半径的圆角连接到外环上。

按照本发明的另一个方面，提供了一个燃气轮机的涡轮喷嘴。这个喷嘴装置包括一个外环、一个内环以及被内环和外环相连接在一起的若干翼型叶片。这些若干翼型叶片包括一个主叶片以及一个副叶片，这个主叶片包括一个多半径圆角，它在外环与第一翼型叶片之间延伸。而第二翼型叶片只被一个单一半径圆角连接到外环上。

还有一方面，燃气轮机包括至少一个涡轮喷嘴装置，它包括一个外环，一个内环以及被外环和内环连接在一起的若干翼型叶片。这些若干翼型叶片包括一个主叶片以及在圆周上布置的，与第一翼型叶片相邻近的副叶片。该第一翼型叶片包括至少一个多半径圆角，它在第一翼型叶片与外环之间延伸。而第二翼型叶片只包括一个单一半径的圆角，它在外环与第二翼型叶片之间延伸。

附图简述

图1是一台燃气轮机的示意图；

图2是一个涡轮喷嘴的透视图，该涡轮喷嘴可以用于图1所示的燃气轮机上；

图3是图2中的涡轮喷嘴的侧面透视图；以及

图4是图3中所示的涡轮喷嘴沿4-4线切开的断面图。

本发明的详细说明

图1是燃气轮机10的一个示意图，它包括一个风扇装置12、一个高压压气机14、和一个燃烧器16。燃气轮机10还包括一个高压涡轮18和一个低压涡轮20。燃气轮机10具有一个进气端28和一个排气端30。作为一个具体的例子，燃气轮机10是CF-34-10型燃气轮机，可以从俄亥俄州的辛辛那提市的GE公司航空发动机部购买到。

在运转时，空气流经风扇装置12而压缩空气被供应给高压压气机14。高压空气被供应给燃烧器16。从燃烧器16出来的气流驱动涡轮18和20，而涡轮20又驱动风扇装置12。涡轮18则驱动高压压气机14。

图2是涡轮喷嘴50的一个透视图，它可以用在燃气轮机10(如图1所示)上。图3是涡轮喷嘴50的一个侧面透视图。图4是涡轮喷嘴50沿4-4线(图3所示)切开的断面图。喷嘴50包括一组在圆周上按一定间隔距离而布置的翼型叶片52，它们被一个径向弧形的外环或圆盘54以及一个径向呈弧形的内环或圆盘56所连接在一起。更明确地说，在一台典型的具体例子中，外环54和内环56是与翼型叶片52一起整体成型的，而喷嘴50则包含四个翼型叶片52。在一个具体例子中，每个弧形喷嘴50被称为一个四叶片段。在另外一台具体例子中，喷嘴叶片52是以悬臂形式安装在喷嘴50内部的。

内环56包括一个尾部凸缘60，它在径向方向向内延伸。更明确说，凸缘60从内环56相对于内环56的径向内表面62向外径向延伸。内环56还包括一个前凸缘64，它向内径向延伸。前凸缘64位于内环56的上游缘66和后凸缘60之间。在典型的具体例子中，凸缘64从内环56径向向外延伸。

外环54包括一个悬臂安装系统70，它包括一个前保持器72、一个中间卡装置74以及一个后部卡装置76。悬臂安装系统70是为了在燃气轮机10内部从环状的燃气轮机机壳(图中没有显示出)上支撑涡轮喷嘴50。前保持器72从外环54的外表面80径向向外延伸并且形成了通道82，它沿圆周方向穿过外环54的前缘84而连续延伸。

中间卡装置74是位于前保持器72的后部，并且在典型的例子上，它包括了一组在圆周上按一定间隔距离而排列的以及在圆周上对齐的卡子90。或者，中卡装置74也可以穿过外环外表面80而连续延伸。

后卡装置76位于中间卡装置74的后部，并且位于喷嘴50的后缘92与中卡装置74之间。在典型的具体例子中，卡子装置76在圆周方向上延伸穿过外环外表面80并且平行于中卡装置74。

翼型叶片52实际上都是类似的并且每个叶片还包括一个第一侧壁100以及一个第二侧壁102。第一侧壁100是凸形的并且形成了每个翼型叶片52的进气侧，而第二侧壁102是凹形的并形成了每个翼型叶片52的压力侧。侧壁100和102在其前缘104以及在每个翼型叶片52的轴向间隔的后缘106处连接起来。更明确地说，每个翼型的后缘106是按翼弦方向并且在每个相关翼型前缘104的下游按一定距离而布置的。第一侧壁和第二侧壁100和102还分别纵向，或以从径向内环56到径向外环54的间距径向地向外延伸。

在典型的具体例子上，每个弧形喷嘴部分50包括一对圆周方向的内翼型叶片110和112，以及一对圆周方向的外翼型叶片114和116。内翼型叶片110和112在外翼型叶片114和116之间连接并且以圆周距离120为间隔距离而排列。叶片110、112、114和116的排列方向还互相平行。距离120和叶片110、112、114以及116的方向是可以变化选择的以便在喷嘴50中形成一个高度扩散的流道，以及优化喷嘴50的空气动力的收敛性。

叶片110、112、114和116分别被整体地连接到内环56和外环54上。具体说，每个叶片52被一个单一半径的圆角130连接到内环56上，而这个圆角130与每个叶片52相外切，并且在每个相关的叶片110、112、114和116与内环56之间平滑过渡。每个内翼型叶片110、112也被一个单半径圆角132连接到外环54上，这圆角与每个叶片110、112外切，并且在每个相关的叶片110、112和外环54之间是平滑过渡的。

每个外翼型叶片114和116是被一个多半径的圆角140以及一个单一半径的圆角142连接到外环54上的。具体说，每个单半径圆角142位于相关的圆周上内叶片110及112与每个相关的外翼型叶片114及116之间。更明确地说，在翼型叶片114和外环54之间过渡的单一半径圆角142只沿着翼型叶片114的进气侧延伸，而在翼型叶片114与外环54之间过渡的多半径圆角140只沿着翼型叶片114的压力侧延伸。与此相类似，在翼型叶片116与外环54之间过渡的单一半径圆角142只沿着翼型叶片116的压力侧延伸，而在翼型叶片116与外环54之间过渡的多半径圆角140只沿着翼型叶片116的进气侧延伸。

每个多半径圆角140包含一个第一半径R 1和一个第二半径R2。具体来说，第一半径R1小于第二半径R2，并且在第二半径R2与外环54之间延伸。更明确地说，第二半径R2从每个相关的翼型114和116的外表面150延伸并且过渡到第一半径R1，这样，第一半径R1平滑地与外环54的内表面152相混合。

在运转期间，当热的燃气流经喷嘴50时，因为翼型叶片52是分别与外环54及内环56整体成型的，温度梯度和空气动力负载可能会在翼型叶片52与外环54之间产生热应力以及热上弦。但是因为多半径圆角140会减小翼型叶片52与外环54之间的局部热应力。另外，因为多半径圆角不与每个翼型叶片114和116相外切，并且因为内翼型叶片110和112不包含多半径圆角140，对通过喷嘴50的空气动力学收敛性的影响就减小了。更明确地说，因为每个单一半径的圆角142的尺寸小于多半径圆角140，所以单半径圆角142对于流经喷嘴50的空气动力学通道方面的限制较少。结果，多半径圆角140能够提高喷嘴50的耐久性并且延长喷嘴50的有效工作寿命。

在另外一个具体例子中，喷嘴50是悬臂式安装的，内环56在径向和轴向上可以自由活动，而外环54仅被卡子74和76所约束。在运转期间，在外环54和翼型叶片52之间产生较高的应力，并且如上所述，所有的内环和翼型叶片的界面采用了一个简单的单半径圆角130。多半径圆角140仅仅用于外环的圆周的最外边缘和翼型叶片的界面。如果需要的话，在这个具体设备上，以及在其他所叙述到的设备上，另外的多半径圆角140可以逐渐地向多翼型叶片段的圆周中心延伸。

上述涡轮喷嘴包含一对外翼型叶片，每一个这样的叶片包含一个多半径圆角，这个圆角只沿着每个翼型叶片的一侧延伸。内翼型叶片不包含多半径圆角而是通过传统的单半径圆角连接到外环。多半径圆角减少了涡轮内部产生的应力集中而不会对流经涡轮喷嘴的空气动力学收敛性产生负面影响。结果，涡轮喷嘴的耐久性和有效工作寿命由于多半径圆角而得到延长。

涡轮喷嘴的典型具体例子在前面已经详细介绍了。喷嘴并不局限于这里所介绍到的特殊例子，而是每个涡轮喷嘴的部件可以与这里所介绍的其他部件单独和分别地利用。

虽然本发明已经以各种具体例子的形式而做了介绍，那些技术熟练的人会认识到在本权利要求书的精神和范围内本发明可以进行一些改动而得以实现。

Claims (8)

1.一种燃气轮机(10)的涡轮喷嘴(50)，上述喷嘴包含：

一个外环(54)；

一个内环(56)；以及

被上述外环(54)和上述内环(56)连接在一起的若干翼型叶片(52)，所述若干翼型叶片(52)至少包含一个第一翼型叶片和一个第二翼型叶片，该第一翼型叶片包含一个多半径圆角(140)，它在上述外环(54)和上述第一翼型叶片之间延伸，该第二翼型叶片只被一个单半径圆角(142)连接到上述外环(54)上。

2.按照权利要求1的涡轮喷嘴(50)，其特征在于上述多半径圆角(140)仅包含一个第一半径(R1)和一个第二半径(R2)，该第一半径(R1)比该第二半径(R2)小。

3.按照权利要求2的涡轮喷嘴(50)，其特征在于上述第一半径(R1)处在上述第二半径(R2)与上述外环(54)之间。

4.按照权利要求1的涡轮喷嘴(50)，其特征在于上述若干翼型叶片(52)的每个叶片有一个第一侧壁(100)和一个第二侧壁(102)，它们在前缘(104)和后缘(106)处连接，上述多半径圆角(140)只沿上述第一翼型叶片的第一侧壁(100)和第二侧壁(102)中的一个延伸。

5.按照权利要求1的涡轮喷嘴(50)，其特征在于上述若干翼型叶片(52)还包含一个第三翼型叶片，上述第二翼型叶片在上述第一翼型叶片和第三翼型叶片之间连接在上述涡轮喷嘴内部，上述第三翼型叶片被多半径的第二圆角(140)连接到上述外环(54)上。

6.按照权利要求5的涡轮喷嘴(50)，其特征在于上述若干翼型叶片(52)的每个叶片包含一个第一侧壁(100)和一个第二侧壁(102)，它们在前缘(104)和后缘(106)处连接，上述多半径圆角(140)只沿着上述第一翼型叶片的第一侧壁(100)和上述第三翼型叶片的第二侧壁(102)延伸。

7.按照权利要求1的涡轮喷嘴，其特征在于上述若干翼型叶片(52)的每一个叶片被一个单半径圆角(142)连接到所述内环(56)上。

8.一个包括至少一个涡轮喷嘴装置(50)的燃气轮机(10)，该涡轮喷嘴包含一个外环(54)、一个内环(56)，以及若干翼型叶片(52)，这些叶片被上述外环(54)和内环(56)连接在一起，上述若干翼型叶片(52)包含一个第一翼型叶片和一个第二翼型叶片，该第二翼型叶片沿圆周方向排列，邻近上述第一翼型叶片，而上述第一翼型叶片至少包含一个多半径圆角(140)，它在上述第一翼型叶片和上述外环(54)之间延伸，上述第二翼型叶片只包含一个单半径圆角(142)，它在上述外环(54)和上述第二翼型叶片之间延伸。

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