CN101737167A - 关于翼型件周向同步和冷却空气流动的方法、装置和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及关于翼型件周向同步和冷却空气流动的方法、装置和系统。提供了一种操作涡轮发动机的方法，其中涡轮发动机包括压缩机、燃烧器、涡轮、包括一排沿周向隔开的定子叶片和沿周向隔开的转子叶片的多个连续的沿轴向堆叠的级，以及设置在涡轮中的第一排定子叶片的上游的多个沿周向隔开的注射端口；注射端口包括冷却空气通过其被注射到涡轮的热气路径中的端口，该方法包括：将第一排定子叶片中的定子叶片构造成使得定子叶片中的一个定子叶片的前缘的周向位置定位成距至少大多数注射端口的注射端口中点的周向位置为第一排定子叶片的+/-15％桨距之内。

Description

关于翼型件周向同步和冷却空气流动的方法、装置和系统
技术领域
本申请涉及涡轮发动机。更具体地，但不作为限制，本申请涉及与冷却空气喷射端口和通过发动机的涡轮热气路径部分的冷却空气的流径的定位有关的翼型件周向定位。
背景技术
燃气轮机发动机通常包括压缩机、燃烧器和涡轮。压缩机和涡轮大体包括轴向地堆叠成级的多排翼型件或叶片。各个级大体包括一排沿周向隔开的固定的定子叶片，以及围绕中心轴线或轴旋转的一组沿周向隔开的转子叶片。虽然存在其它类型的燃烧器，但是燃气轮机发动机常常具有圆柱形燃烧器，其常被称为“罐式燃烧器”。如下面更加详细地描述的，罐式燃烧器组件大体包括在压缩机的下游端周围沿周向隔开的多个单独的“罐”。
通常，燃气轮机发动机运行如下。压缩机中的转子叶片围绕轴旋转，以压缩空气流。压缩空气的供应被分开，且被引导到单独的燃烧罐，在燃烧罐内，使用压缩空气的供应来燃烧燃料的供应。由于燃烧而得到的热气流离开燃烧罐，且被导入涡轮中，加压流在涡轮中膨胀。通过涡轮而进行的膨胀导致涡轮转子叶片围绕轴旋转。这样，包含在燃料中的能量就转化成使涡轮转子叶片旋转的机械能，该机械能可用来使压缩机的转子叶片旋转，从而产生压缩空气流，以及使发电机的线圈发电。在运行期间，由于极端温度，工作流体的速度，以及(对于转子叶片)旋转的部件的旋转速度，压缩机和涡轮两者内的翼型件是应力很高的部件。因此，一般而言，降低涡轮中的翼型件上的热负载是持续的目标。
为了降低热负载，冷却空气从压缩机中抽出，且穿过形成于转子和定子叶片内的冷却通道。在穿过翼型件的冷却通道之后，冷却空气通常被倾倒回通过涡轮的主流中。但是，冷却空气对发动机的效率有负面影响。因此，必须使用于以这种方式冷却涡轮翼型件的冷却空气的量尽可能地最小化。
在大多数工业燃气轮机发动机中，还使用冷却空气来冷却燃烧罐以及燃烧器组件的过渡件。通常，空气从压缩机中取出，且穿过单独的罐之间的间隙。在经过燃烧罐之间之后，在燃烧过程中未使用的任何流均被倾倒回主流中。这通常发生在发动机的涡轮部分的开始处以及刚好在第一级中的定子叶片排的上游。更具体地，过渡件后架冷却空气重新进入由两个相邻的燃烧罐之间的区域限定的离散的周向位置处的主流。然而，传统的燃气轮机设计不能完全利用这种空气的冷却涡轮的主要级中的定子叶片的能力。已经知道往往是目前的材料不能经受住较高的点火温度妨碍了构造更高效的燃气轮机发动机，将非常期望更加充分地利用这种类型的压缩机供应的冷却空气的新的运行方法、装置和/或组件。另外，最大程度地减小从压缩机渗出而穿过翼型件且被倾倒回工作流体主流中的冷却空气量的新的运行方法、装置和/或燃气轮机组件，将会使涡轮发动机效率提高，且因此这也是合乎需要的。
发明内容
因此本申请描述了操作涡轮发动机的方法，其中涡轮发动机包括压缩机、燃烧器、涡轮、包括一排沿周向隔开的定子叶片和沿周向隔开的转子叶片的多个连续的沿轴向堆叠的级，以及设置在涡轮中的第一排定子叶片的上游的多个沿周向隔开的注射端口；注射端口包括冷却空气通过其被注射到涡轮的热气路径中的端口，该方法包括：将第一排定子叶片中的定子叶片构造成使得定子叶片中的一个的前缘的周向位置定位成距至少多个注射端口的注射端口中点的周向位置为第一排定子叶片的+/-15％桨距之内。
在一些实施例中，第一排定子叶片中的定子叶片构造成使得定子叶片中的一个的前缘的周向位置定位成距基本所有注射端口的注射端口中点的周向位置为第一排定子叶片的+/-15％桨距之内。
第一排定子叶片中的定子叶片可构造成使得定子叶片中的一个的前缘的周向位置定位在至少大多数注射端口的注射端口中点的大致周向位置处。
该方法可进一步包括以下步骤：使第二排定子叶片的定子叶片和第一排定子叶片的定子叶片构造成使得第一排定子叶片的至少90％的定子叶片和第二排定子叶片的至少90％的定子叶片包括介于约-15％和15％桨距之间的同步(clocking)关系。
该方法可进一步包括以下步骤：使第三排定子叶片的定子叶片和第二排定子叶片的定子叶片构造成使得第二排定子叶片的至少90％的定子叶片和第三排定子叶片的至少90％的定子叶片包括介于-15％和15％桨距之间的同步关系。
燃烧器可包括罐式燃烧器，且注射端口可设置在相邻的过渡件后架之间，在运行期间，过渡件后架将来自罐式燃烧器的燃烧产物导入涡轮中；并且注射端口可排出在运行期间至少部分地用于冷却罐式燃烧器的冷却空气。该方法可包括以下步骤：将第一排定子叶片中的定子叶片构造成使得定子叶片中的一个的前缘的周向位置定位在注射端口的上游侧的大致周向位置处，其中上游由第一排转子叶片的旋转的方向限定。
本申请进一步描述了涡轮发动机中的组件，涡轮发动机包括压缩机、燃烧器、涡轮、多个连续的沿轴向堆叠的级，该级包括一排沿周向隔开的定子叶片和沿周向隔开的转子叶片；该组件包括：设置在涡轮中的第一排定子叶片的上游的多个沿周向隔开的注射端口，该注射端口包括冷却空气通过其被注射到涡轮的热气路径中的端口；以及第一排定子叶片，其构造成使得定子叶片中的一个的前缘的周向位置定位成距至少多个注射端口的注射端口中点的周向位置为第一排定子叶片的+/-15％桨距之内。
在一些实施例中，第一排定子叶片中的定子叶片构造成使得定子叶片中的一个的前缘的周向位置定位成距基本所有注射端口的注射端口中点的周向位置为第一排定子叶片的+/-15％桨距之内。
第一排定子叶片中的定子叶片可构造成使得定子叶片中的一个的前缘的周向位置定位在至少大多数注射端口的注射端口中点的大致周向位置处。
该组件可进一步包括第二排定子叶片和第三排定子叶片。第二排定子叶片的定子叶片可构造成使得第一排定子叶片的至少90％的定子叶片和第二排定子叶片的至少90％的定子叶片包括介于约-15％和15％桨距之间的同步关系。第二排定子叶片的定子叶片可构造成使得第一排定子叶片的至少90％的定子叶片和第二排定子叶片的至少90％的定子叶片包括大约0％桨距的同步关系。
在结合附图和所附权利要求书审阅对优选实施例的以下详细描述之后，本申请的这些和其它特征将变得显而易见。
附图说明
通过仔细研究结合附图得到的对本发明的示例性实施例的以下更加详细的描述，将能够更加完全地明白和理解本发明的这些和其它目的和优点。
图1是本申请的实施例可用于其中的一个示例性涡轮发动机的示意图；
图2是可用于图1的燃气轮机发动机中的一个示例性压缩机的截面图；
图3是可用于图1的燃气轮机发动机中的一个示例性涡轮的截面图；
图4是可用于图1的燃气轮机发动机中的一个示例性罐式燃烧器的截面图；
图5是几个罐式燃烧器的局部透视图，这几个罐式燃烧器大体设置在其中可运行本发明的示例性实施例的燃气轮机发动机中；
图6是根据本发明的一个示例性实施例的燃烧器组件的下游端和头三排翼型件的示意图；
图7是根据本发明的一个示例性实施例的燃烧器组件的下游端和头三排翼型件的示意图；
图8示出了示出一种示例性同步关系的相邻翼型件排的示意图；
图9示出了示出一种示例性同步关系的相邻翼型件排的示意图；
图10示出了示出一种示例性同步关系的相邻翼型件排的示意图；以及
图11示出了示出一种示例性同步关系的相邻翼型件排的示意图；
部件列表：
燃气轮机发动机  100
压缩机  106
涡轮  110
燃烧器  112
压缩机  118
压缩机转子叶片  120
压缩机定子叶片  122
涡轮  124
涡轮转子叶片  126
涡轮定子叶片  128
罐式燃烧器  130
头端  134
端盖  136
燃料喷嘴  138
前部壳体  140
后部壳体  142
流动套管  144
衬套  146
过渡件  148
过渡件套管  150
燃烧器出口套管  152
箭头  154
注射端口  156
箭头  160
第一排定子叶片  161
第一排转子叶片  162
第二排定子叶片  163
箭头  164
翼型件  180
第一翼型件排  184
第二翼型件排  186
第三翼型件排  188
箭头  190
箭头  192
桨距距离  194
冷却射流  220
前缘  222
注射端口中点  224
第一侧  226
第二侧  228
压力侧  230
具体实施方式
现在参看附图，图1示出了燃气轮机发动机100的示意图。大体上，燃气轮机发动机通过从由压缩空气流中的燃料的燃烧产生的加压热气流中汲取能量来运行。如图1所示，燃气轮机发动机100可构造有：轴向压缩机106，轴向压缩机106由公共轴或转子以机械的方式联接到下游涡轮部分或涡轮110上；以及燃烧系统112，如图所示，燃烧系统112是设置在压缩机106和涡轮110之间的罐式燃烧器。注意，下列发明可用于所有类型的涡轮发动机中，包括燃气轮机发动机、蒸汽轮机发动机、航空发动机和其它发动机。在下文中，将关于燃气轮机发动机来描述本发明。此描述仅是示例性的，且无论如何不意图是限制性的。
图2示出了可用于燃气轮机发动机中的一个示例性多级轴向压缩机118的视图。如图所示，压缩机118可包括多个级。各个级可包括后面是一排压缩机定子叶片122的一排压缩机转子叶片120。因此，第一级可包括后面是在运行期间保持静止的一排压缩机定子叶片122的、围绕中心轴旋转的一排压缩机转子叶片120。压缩机定子叶片122大体是彼此沿周向隔开的，且绕着旋转轴线而固定。压缩机转子叶片120绕转子的轴线沿周向隔开，且在运行期间围绕轴旋转。如本领域技术人员将理解的，压缩机转子叶片120构造成使得当围绕轴转动时，压缩机转子叶片120对流过压缩机118的空气或工作流体赋予动能。如本领域技术人员将理解的，压缩机118可具有除了图2所示的级之外的许多其它级。各个另外的级可包括后面是多个沿周向隔开的压缩机定子叶片122的多个沿周向隔开的压缩机转子叶片120。
图3示出了可用于燃气轮机发动机中的一个示例性涡轮部分或涡轮124的局部视图。涡轮124可包括多个级。图中示出了三个示例性的级，但是涡轮124中可以存在更多或更少的级。第一级包括在运行期间绕轴旋转的多个涡轮轮叶或涡轮转子叶片126，以及在运行期间保持静止的多个喷嘴或涡轮定子叶片128。涡轮定子叶片128大体上彼此沿周向隔开，且绕旋转轴线而固定。涡轮转子叶片126可安装在涡轮叶轮(未示出)上，以围绕轴(未示出)旋转。还示出了涡轮124的第二级。该第二级类似地包括后面是多个沿周向隔开的涡轮转子叶片126的多个沿周向隔开的涡轮定子叶片128，涡轮转子叶片126也安装在涡轮叶轮上，以进行旋转。还示出了第三级，其类似地包括多个沿周向隔开的涡轮定子叶片128和涡轮转子叶片126。将理解的是，涡轮定子叶片128和涡轮转子叶片126处于涡轮124的热气路径中。热气流通过热气路径的方向由箭头表明。如本领域技术人员将理解的，涡轮124可具有除了图3中所示的级之外的许多其它级。各个另外的级可包括后面是多个沿周向隔开的涡轮转子叶片126的多个周向隔开的涡轮定子叶片128。
注意，如本文所用，在没有另外的特殊性的情况下，对“转子叶片”的引用是对压缩机118或涡轮124中的任何一个的旋转叶片的引用，其包括压缩机转子叶片120和涡轮转子叶片126两者。在没有没有另外的特殊性的情况下，对“定子叶片”的引用是对压缩机118或涡轮124中的任何一个的静止叶片的引用，其包括压缩机定子叶片122和涡轮定子叶片128两者。本文将使用用语“翼型件”来指代任何一种类型的叶片。因此，在没有另外的特殊性的情况下，用语“翼型件”包括所有类型的涡轮发动机叶片，包括压缩机转子叶片120、压缩机定子叶片122、涡轮转子叶片126和涡轮定子叶片128。
图4示出了一个示例性罐式燃烧器130，其可用于其中可采用本发明的实施例的燃气轮机发动机中。如本领域技术人员将理解的，燃烧器罐130可包括头端134和端盖136，头端134大体包括将必要的空气和燃料供应给罐式燃烧器的各种歧管。多个燃料喷嘴138可固定到端盖136上。如本领域技术人员将理解的，在燃气轮机发动机中，燃料喷嘴138将燃料和空气的混合物输送到罐式燃烧器130，以进行燃烧。燃料例如可为天然气，且空气可为从轴向压缩机(图4中未示出)供应的压缩空气，轴向压缩机是燃气轮机发动机的一部分。燃料喷嘴138可位于前部壳体140的内部，前部壳体140附连到端盖136上，且包围燃料喷嘴138。如本领域技术人员将理解的，在燃料喷嘴138的下游，大体上后部壳体142可包围流动套管144。流动套管144又可包围衬套146。当流向下游运行到燃气轮机发动机的涡轮部分(图4中未示出)时，过渡件148将使该流从圆形截面转变成环形截面。过渡件冲击套管150可包围过渡件148，从而在过渡件冲击套管150和过渡件组件148之间产生通道。在过渡件148的下游端处，过渡件后架152可朝向设置在涡轮100的第一级中的翼型件引导工作流体流。
图5是几个罐式燃烧器130的局部透视图，这几个罐式燃烧器130可设置在燃气轮机中。如以下更加详细的描述的，本申请的某些实施例可用于图5所示的燃烧系统中。如图所示，几个罐式燃烧器130可绕着涡轮发动机的周边以规则的间隔隔开。罐式燃烧器130的下游端，即过渡件148和过渡件后架152，大体将工作流体流排到涡轮110中的第一级的定子叶片128上。
如所描述的，为了降低涡轮110的转子叶片126和定子叶片128上的热负载，常常从压缩机106中抽取冷却空气，且该冷却空气穿过形成于翼型件内的冷却通道(未示出)。在穿过翼型件的冷却通道之后，空气大体上通过表面孔口离开翼型件，且因此重新进入通过涡轮110的主流。然而，如本领域技术人员将理解的，冷却空气对发动机效率具有负面影响。因此，必须使用于以这种方式冷却涡轮翼型件的冷却空气的量尽可能地最小化。
还使用冷却空气来冷却罐式燃烧器130。通常，空气从压缩机中取出，且穿过罐式燃烧器之间的空间。罐式燃烧器130之间的冷却空气流在图5中由箭头154表示。在经过罐式燃烧器130之间之后，过渡件后架冷却空气大体上通过存在于相邻的过渡件后架152之间的注射端口156被注射回到主流中。当冷却空气被注射回主流中时，冷却空气和主流之间的温差通常是显著的。如本文所用，注射端口156意图是要描述工作流体流中的冷却空气的释放点，该释放点出现在燃烧器112和涡轮110的大致节点附近，即刚好在涡轮110中的第一级的上游。如图5所示，注射端口156可存在于相邻的过渡件后架152之间的区域中。
在使用中，燃烧器罐130可运行如下。来自轴向压缩机的压缩空气的供应可通过过渡件冲击套管150中的小孔或洞进入罐式燃烧器130。然后压缩空气可在头端134的方向上、在形成于过渡件冲击套管150和过渡件组件148之间的通道之间移动。压缩空气的供应可沿着那个方向继续通过形成于衬套146和流动套管144之间的通道。从那里，压缩空气可流入由前部壳体140限制的体积中，且通过入口流量调节器进入燃料喷嘴138。在燃料喷嘴138处，大体上，压缩空气的供应可与燃料的供应混合，燃料的供应是由通过端盖136连接到燃料喷嘴138上的燃料歧管提供的。当压缩空气和燃料的供应离开燃料喷嘴138时，压缩空气和燃料的供应会燃烧，燃料喷嘴138产生迅速移动的热气流，该迅速移动的热气流通过过渡件组件148导向下游，此处热气流进入涡轮部分110，该流的能量在涡轮部分110中大体转化成旋转的涡轮叶片翼型件的机械能。注意，对罐式燃烧器130的以上描述仅意图为示例性的。本发明还可与其它类型的罐式燃烧器或类似的燃烧器组件一起使用。
具有大体在以上所述的性质的燃气轮机发动机可运行如下。轴向压缩机118内的压缩机转子叶片120的旋转可压缩空气流。在燃烧器112中，当压缩空气与燃料混合且被点燃时，可释放出能量。然后所产生的来自燃烧器112的热气流可被引导经过涡轮转子叶片126，这可导致涡轮转子叶片126围绕轴旋转，从而将热的气体流的能量转变成旋转的轴的机械能。然后可使用轴的机械能来驱动压缩机转子叶片120的旋转，从而产生压缩空气的必要供应，以及还例如使发电机发电。
图6和7是燃烧器的下游端和头三排翼型件的示意图。图6和7还示出了通过根据本发明的示例性实施例的设计构造的冷却空气流动模式。如图所示，注射端口156限定在相邻的过渡件后架152之间。箭头160示出了工作流体的流动方向。显示了第一排涡轮定子叶片161。如已经描述过的，定子叶片是固定的，且在运行期间不会旋转。因此，定子叶片128和注射端口156(也是固定的)之间的周向关系在运行期间不会改变。第一排定子叶片161的后面是第一排涡轮转子叶片162。工作流体流导致第一排转子叶片162旋转，旋转的方向由箭头164表明。第一排转子叶片162的后面是第二排定子叶片163，当然第二排定子叶片163也是固定的，且在运行期间不会旋转。
在继续对图6和7中的构件进行进一步描述之前，将介绍和阐述图8至11的同步构造。这将允许清楚和明确地描绘被描述成本申请的一部分的同步构造。注意，图8至11的同步构造涉及相邻的或邻近的翼型件排的翼型件之间的同步构造。如本领域技术人员将理解的，也可使用用来描述翼型件排之间的同步构造的相同原理来描述例如一排定子叶片128和注射端口156之间的同步构造。
通常，在燃气轮机压缩机106和涡轮110两者中，邻近或相邻的翼型件排可具有基本相同的构造，即具有相同数量的围绕排的周边而类似地隔开的大小类似的翼型件。当在这种情况下时，而且另外，当两排或更多排运行而使得各排之间没有相对运动时(例如在两排或更多排转子叶片之间，或者在两排或更多排定子叶片之间将会是这种情况)，这些排中的翼型件可为“同步的”。如本文所用，用语“同步的”或“同步”指的是一排中的翼型件相对于邻近的排中的翼型件周向定位的固定周向定位。如前述段落中所述，也可使用同步来描述静止翼型件和其它静止构件的固定的周向定位。
图8至11示出了示例性翼型件同步构造的简明示意图。这些图包括显示为并排的三排翼型件180。图8至11中的外面两排翼型件180可各自表示一排转子叶片，且中间的一排可表示一排定子叶片，或者，如本领域技术人员将理解的，外面的两排可表示一排定子叶片，且中间的一排可表示一排转子叶片。如本领域技术人员将理解的，不管它们是定子叶片还是转子叶片，外面的两排在它们之间都基本没有相对运动(即两者均保持静止，或者在运行期间两者均以相同的速度旋转)，而外面两排均相对于中间的一排具有基本相同的相对运动(即外面两排旋转，同时中间排保持静止，或者外面两排保持静止，同时中间排旋转)。另外，如已经描述过的，为了使外面的两排之间的同步最有效，外面的两排各自必须类似地构造。这样，可以假定图8至11中的外面的两排具有基本相同数量的翼型件，且可以假定各排上的翼型件大小类似，且围绕各排的周边隔开。
为了图8至11中的实例，外面的第一排翼型件将被称为第一翼型件排184，中间的一排翼型件将被称为第二翼型件排186，且外面的另一排翼型件将被称为第三翼型件排188。第一翼型件排184和第三翼型件排188的相对运动由箭头190表示。不管在什么情况下，可表示通过压缩机118或涡轮124中的任何一个的流的方向的流动方向都由箭头192表示。注意，已经使用用语“第一”、“第二”和“第三”描述过在图8至11中使用的示例性翼型件排。此描述仅可应用于各图中所示的排关于其它排的相对定位，且并不表明相对于涡轮发动机中的其它翼型件排的整体定位。例如，其它翼型件排可设置在“第一翼型件排186”的上游(即第一翼型件排186不一定是涡轮发动机中的第一排翼型件)。
本文使用一排翼型件的“桨距”来指代围绕特定排的周边的重复模式的量度。因此，可将桨距描述为例如特定排中的翼型件的前缘和同一排中的相邻翼型件中的任何一个的前缘之间的周向距离。桨距例如也可描述特定排中的翼型件的后缘和同一排中的相邻翼型件中的任何一个的后缘之间的周向距离。将理解的是，为了使同步更加有效，两排大体上将具有相似的桨距量度。如图所示，第一翼型件排184和第三翼型件排188具有基本相同的桨距，已经在图8上的第三翼型件排188中将该桨距表示成距离194。还要注意的是，提供了图8至11的同步实例，从而可对描述邻近的或相邻的翼型件排之间或者固定的翼型件和其它固定的构件之间的各种同步关系的一致方法进行描绘和理解。大体上，如下面更加充分地描述的，将按照桨距量度的百分比给出两排之间的同步关系。也就是说，桨距量度的百分比表明两排上的翼型件同步或偏移的距离。因此，桨距量度的百分比可描述例如特定排上的翼型件的前缘和第二排上的对应的翼型件的前缘彼此偏移的周向距离。
图8至11提供了外面的两排(即第一翼型件排184和第三翼型件排188)之间的不同同步关系的几个实例。在图8中，如将理解的，第三翼型件排188相对于第一翼型件排184偏移大约0％桨距。因此，如图所示，第三翼型件排188中的翼型件180的周向位置落后于第一翼型件排184中的对应的翼型件180大约0％桨距量度的偏移，当然，这就意味着第三翼型件排188中的翼型件180保持与第一翼型件排184中的对应的翼型件180基本相同的周向位置。这样，第一翼型件排184中的翼型件180的前缘(其中一个用参考标号198指示)领先于第三翼型件排188中的对应的翼型件180的前缘(用参考标号199来指示)大约0％桨距量度的周向距离，这就意味着对应的翼型件的前缘占据基本相同的周向位置。
在图9中，如将理解的，第三翼型件排188相对于第一翼型件排184偏移大约25％桨距。因此，如图所示，第三翼型件排188中的翼型件180的周向位置落后于(给定外面排的相对运动的方向)第一翼型件排184中的对应的翼型件180大约25％桨距量度的偏移。这样，第一翼型件排184中的翼型件180的前缘(其中一个用参考标号204指示)领先于第三翼型件排188中的对应的翼型件180的前缘(用参考标号206指示)大约25％桨距量度的周向距离。
在图10中，如将理解的，第三翼型件排188相对于第一翼型件排184偏移大约50％桨距。因此，如图所示，第三翼型件排188中的翼型件180的周向位置落后于(给定外面排的相对运动的方向)第一翼型件排184中的对应的翼型件180大约50％桨距量度的偏移。这样，第一翼型件排184中的翼型件180的前缘(其中一个用参考标号208指示)领先于第三翼型件排188中的对应的翼型件180的前缘(用参考标号210指示)大约50％桨距量度的周向距离。
在图11中，如将理解的，第三翼型件排188相对于第一翼型件排184偏移大约75％桨距。因此，如图所示，第三翼型件排188中的翼型件180的周向位置落后于(给定外面排的相对运动的方向)第一翼型件排184中的对应的翼型件180大约75％桨距量度的偏移。这样，第一翼型件排184中的翼型件180的前缘(其中一个用参考标号212指示)领先于第三翼型件排188中的对应的翼型件180的前缘(用参考标号214指示)大约75％桨距量度的周向距离。如本领域技术人员将理解的，这些同步关系是示例性的，且意图使用于描述几个邻近的或相邻的翼型件排或者固定的翼型件排及其周围的静止构件之间的同步关系的方法清楚。本领域技术人员将理解，可使用其它方法来描述同步关系。本文使用的示例性方法无论如何不意图是限制性的。相反，重要的是邻近的构件和翼型件之间的相对定位，即同步关系，如下面和权利要求书中所描绘的，而不是描述同步关系的方法。
通过分析建模和实验数据，已经发现某些同步构造对涡轮定子叶片128提供某些运行优点。更具体地，已经发现，涡轮定子叶片128中的一些在运行期间经历的热应力会显著地受这些叶片所具有的与冷却空气流(例如通过注射端口156的冷却空气流)位置的同步关系的影响。如下面更加详细地描述的，某些同步关系可降低在涡轮的初始级中的一些涡轮定子叶片经历的热应力。
回到图6和7，如已经大体描述过的，示出了燃烧器的下游端和头三排翼型件。注射端口156限定在相邻的过渡件后架152之间，且箭头160示出了从过渡件后架152流出的工作流体流的大体方向。显示了第一排涡轮定子叶片161。定子叶片是固定的，因此定子叶片和注射端口156之间的周向关系也是固定的，且在运行期间不会改变。第一排定子叶片161的后面是第一排涡轮转子叶片162。工作流体流导致第一排转子叶片162旋转，旋转的方向由箭头164表明。第一排转子叶片162的后面是第二排定子叶片163，当然第二排定子叶片163也是固定的，且在运行期间不会旋转。
已经发现，来自注射端口156的冷却空气流不会立即与较高温的主流混合。事实上，已经通过分析建模和实验数据发现，通过涡轮124的首先几级的冷却空气流保持基本完整，即冷却空气流和主流之间存在显著的温差。在图6和7中，冷却空气流由起源于注射端口156的几个阴影区表示。这些阴影区将被称为“冷却射流220”，但是该描述不意图为限制性的。如图所示，各个冷却射流220沿着大体下游方向流动，直到遇到定子叶片161的第一翼型件排为止。在给定图6和7的定向的情况下，定子叶片128使冷却射流220沿向上的方向偏转。此“向上”方向可更加明确地描述成涡轮的周边周围的方向，该方向与第一排涡轮转子叶片162在运行期间的旋转处于相同方向(如由箭头164表明的)。然后该冷却射流220可能会遇到第一排转子叶片162的旋转叶片。当冷却射流220移动通过转子叶片时，可使该向上偏转大体平坦，从而使得冷却射流220沿大体轴向方向(即与箭头160相同的方向)流动。然后冷却射流220可能会遇到第二排定子叶片163，此时冷却射流220再次“向上”偏转。这种一般的流动模式可在首先几个翼型件排上继续，直到冷却射流220大体混合在工作流体的主流内，从而使得在流中看不到显著的温差。
已经发现，开头几个级内的定子叶片相对于注射端口156(或者其它此类类似的冷却空气注射构件)的某些同步构造可更好地利用冷却射流220，从而使得可以更高效地操作涡轮发动机。例如，如果第一排定子叶片161周向地设置或同步为使得该排中的一个或多个定子叶片跨过注射端口156中的一个而排齐，则可使用来自注射端口156的冷却射流220冷却定子叶片。定子叶片的这种冷却可允许实现下列运行效率中的一个或多个。第一，可延长定子叶片的零件寿命，因为定子叶片不会经历若无冷却射流220其将会经历的高温。第二，可能需要较少的冷却空气流通经过定子叶片以在运行期间冷却定子叶片。如所描述的，流通经过定子叶片的冷却空气从压缩机中渗出，且在穿过定子叶片之后被倾倒回主流中。如本领域技术人员将理解的，将渗出的压缩机空气倾倒回主流中会降低涡轮发动机的效率。第三，由冷却射流220冷却的定子叶片可由较不昂贵的材料制成，因为运行温度大体上会降低。第四，可在没有新的材料进步的情况下设计具有较高点火温度的涡轮发动机，因为冷却射流220会降低该较高的温度。当然，较高的涡轮点火温度大体转化成较高的发动机效率。如本领域技术人员将理解的，可由更好地利用冷却射流220的流动的同步构造来实现其它运行优点。
如下面更加详细地描述的，图6和7示出了根据本发明的示例性实施例的同步构造的示意图。如所描述的，图6和7包括显示成并排的三排翼型件；第一排定子叶片161；第一排转子叶片162；以及第二排定子叶片163。而且，第一排定子叶片161和第二排定子叶片163是固定的，且彼此之间以及与注射端口156之间基本没有相对运动，注射端口156在运行期间也是固定的。因此，可在这些构件之间建立同步关系。为了更好地限定这些同步关系，应该标识两个另外的参考点。第一，前缘222是翼型件的上游边缘。第二，注射端口中点224是注射端口156的中点。
在图6中，根据本申请的一个示例性实施例，第一排定子叶片161中的定子叶片128中的一个的前缘222可以同步为使得前缘222设置在与注射端口中点224大致相同的周向位置处。如图6大体所示的那样设置在此位置中，来自注射端口156的冷却空气流可流过定子叶片128，且使定子叶片128冷却，如以上更加详细地描述的。分析建模和实验数据证实，此位置上的定子叶片128在运行期间经历热负载的显著降低。另外，已经确定，定子叶片128的确切定位对于待实现的热负载的显著降低并不关键。更具体地，在定子叶片128的前缘222设置在距注射端口中点224的周向位置为+/-15％桨距之内时，可实现热负载的显著降低。
将理解的是，注射端口156具有限定了冷却空气从其中离开的端口的周向边界的两侧。在图6和7上，还参照了第一侧226和第二侧228。通过使用第一排转子叶片162的转子叶片126的旋转方向(即箭头164的方向)来辨别第一侧226和第二侧228的相对周向位置，可将第一侧226描述为在第二侧228的“上游”。如图7所示，根据本申请的一个示例性实施例，第一排定子叶片161的定子叶片128中的一个的前缘222可以同步为使得前缘222设置在与注射端口156的第一侧226(即上游侧)大致相同的周向位置。如图7大体所示的那样设置在此位置中，来自注射端口156的基本所有冷却射流220撞击定子叶片128的压力侧230，并且基本上，冷却射流220没有被定子叶片128的前缘222一分为二。以这样的方式使冷却射流220保持大体完整(即未被一分为二)允许冷却空气流在下游具有更好的冷却效果。此外，已经确定，这种实施例中的定子叶片128的确切定位对于待实现的有益结果不是过度关键的。因此定子叶片122的前缘222可设置在距注射端口156的第一侧226的周向位置为+/-15％桨距之内。
在一些实施例中，可在注射端口156、第一排定子叶片161以及第二排定子叶片163之间建立同步关系，从而可实现另外的运行益处，包括对另外的定子叶片排的冷却。如图6所示，冷却射流220由第一排定子叶片161偏转，且对于第二排定子叶片163继续相对完整。这样，如果第二排定子叶片163构造成使得定子叶片128遇到冷却射流220的流，定子叶片128就可被充分地冷却，而不需要使冷却空气流通经过叶片的内部冷却腔体，或者使得仅需要减少的通过内部冷却腔体的冷却空气流。大体上，已经发现，图6所示的第一排定子叶片161和第二排定子叶片163之间的同步构造大体将定子叶片128设置在以便遇到冷却射流220的位置。如将理解的，第二排定子叶片163相对于第一排定子叶片161偏移大约0％桨距。因此，如图所示，第二排定子叶片163中的定子叶片128的周向位置落后于第一排定子叶片161中的对应的定子叶片128大约0％桨距量度的偏移，当然，这就意味着第二排定子叶片163中的定子叶片保持与第一排定子叶片161中的对应的定子叶片128基本相同的周向位置。这样，第一排定子叶片161中的定子叶片128的前缘领先于第二排定子叶片163中的对应的定子叶片128的前缘大约0％桨距量度的周向距离，这就意味着对应的翼型件的前缘占据基本相同的周向位置。另外，已经确定，第二排定子叶片163中的定子叶片128的确切定位对于待实现的热负载的显著降低并不关键。更具体地，在定子叶片122的前缘222设置在距0％桨距值为+/-15％桨距内时，可实现热负载的显著降低(相当接近最大热应力降低水平)。也就是说，在第一排定子叶片161和第二排定子叶片163保持介于15％桨距和-15％桨距之间的同步关系时，可实现热负载的显著降低。如本领域技术人员将理解的，第二排定子叶片163的下游的后续定子叶片排也可以以类似的方式相对于第一排定子叶片161和第二排定子叶片163同步。
如图6和7所示，注射端口156和第一排定子叶片161或第二排定子叶片163中的定子叶片128可能没有相同的数量。例如，在一些实施例中，如图所示，定子叶片128的数量可以2-1差数超过注射端口156的数量，即每一个注射端口156有两个定子叶片128。第二排定子叶片163中可保持相同的差异。在这样的实施例中，如果保持了根据图6或7的同步关系的话，每隔一个定子叶片128可由冷却射流220冷却。其它实施例可包括例如定子叶片128和注射端口156之间的1-1关系，从而使得每个定子叶片128都可由从注射端口156其中之一发出的冷却射流220冷却。其它实施例可包括例如定子叶片128和注射端口156之间的3-1关系，从而使得每三个定子叶片128可由源于注射端口156其中之一的冷却射流冷却。与此一致，通常，定子叶片128的数量可为注射端口156的数量的整数倍。例如，如果有12个注射端口，则在第一排定子叶片161和/或第二排定子叶片163或后续定子叶片排中可有12、24、36、48、60(等等)个定子叶片128。注意，可在可通过冷却空气的上游释放来冷却一个或多个定子叶片128的任何情况下采用本文所述的本发明。如上所述，即使是使单个定子叶片128冷却，也大体至少允许减少流通经过定子叶片128以进行冷却的冷却空气，并且由此允许涡轮发动机更加高效地运行。
在备选实施例中，如本领域技术人员将理解的，可通过使用三维非稳定流计算和/或其它类似的方法来确定入口端口156、第一排定子叶片161、第二排定子叶片163之间的同步关系。可使用这样的计算来预测在给定运行条件下从注射端口156流过几排翼型件的冷却射流220的流动模式。因此，可预测冷却射流220的路径，从而可实现定子叶片128的有效布置，即允许出现增强的冷却的布置。
如本领域技术人员将理解的，冷却射流220在离开注射端口156时沿着大体轴向的方向流动。已知冷却射流220在其离开注射端口156时的特征以及注射端口156和第一排定子叶片161之间的距离，就可以计算出进入第一排定子叶片161中的进入点。类似于以上论述，为了优化对第一排定子叶片161的热应力降低，定子叶片中的一个或多个应当同步为使得例如冷却射流220在定子叶片128的大致前缘处进入第一排定子叶片161。在第一排定子叶片161处，冷却射流220“向上”偏转，从而使得冷却射流220以一定角度进入第一排转子叶片162。已知冷却射流220的速度和角度，就可计算出冷却射流220从注射端口156到其在第一排转子叶片162处进入的位置所采用的路径。如本领域技术人员将理解的，流动速度三角的已知计算建立了通过第一排转子叶片162的转子叶片的冷却射流220，从而导出了离开该排的冷却射流220的方向和速度。这样，已知第一排转子叶片162和第二排定子叶片163之间的距离，就可计算出进入第二排定子叶片163中的进入点。类似于以上论述，为了优化对第二排定子叶片163的热应力降低，定子叶片中的一个或多个应当同步为使得例如冷却射流220在定子叶片的大致前缘处进入第二排定子叶片163。(注意，其它实施例，例如使基本所有的冷却射流220撞击定子叶片128的压力侧的实施例，也是可行的。)这将允许冷却空气更加有效地冷却定子叶片。此外，实验数据教导的是，此位置的精确性对于待实现的明显益处来说不是过度关键的，而且在距最优位置正或负15％桨距之内的位置都可实现热应力的显著降低。这样，定子叶片中的一个或多个可以同步为使得冷却射流在前缘222的正或负15％桨距处进入第一排定子叶片或第二排定子叶片。
如本领域技术人员将理解的，可执行三维非稳定流计算来建立离开注射端口156的冷却射流、进入和离开第一排定子叶片161的冷却射流220、进入和离开第一排转子叶片162的冷却射流220，以及进入和离开第二排定子叶片163的冷却射流220。另外，在一些实施例中，可对后续定子叶片排执行这个相同的过程，从而在下游也感觉到通过冷却射流220(实现)的增强的冷却。
如本领域技术人员将理解的，对于此计算，可通过将校准的表面剪切模型作为源项应用于动量方程来建立离开第一排定子叶片161的冷却射流220。然后可允许冷却射流220的流无粘性地穿过第一排转子叶片162，从而可用熵等值线观察到其轨迹。第一排转子叶片162的相对运动将冷却射流220切割成离散的脉冲，该脉冲在相对于第一排转子叶片162的固定的周向位置处离开通路。当对冷却射流220进行时间平均时，这些脉冲表现为进入第二排定子叶片163的连续流。可使用进入第二排定子叶片163的这些时间平均冷却射流流来建立第二排定子叶片163相对于第一排定子叶片161的同步(即周向定位)。
如相关领域中的技术人员将理解的，取决于某些标准，涡轮发动机大体在几个不同的负载水平或运行条件下运行。在分析尾流的路径及其在何处相交或进入下游翼型件排时，大体上，在一些实施例中，对用于一组运行条件的路径的确定可能与对用于另一组运行条件的路径的确定不同。因此，不同组的运行条件可能需要第一翼型件排和第三翼型件排(以及在一些实施例中，第五翼型件排)之间的不同同步关系。因而，在翼型件的周向定位是固定的或要消耗时间来获得的情况下，可选择期望的运行条件，且翼型件排根据该运行条件来同步。所选择的运行条件通常可为最长期的运行条件，从而使得益处更加显著。
根据本发明的优选实施例的以上描述，本领域技术人员将认识到改进、变化和修改。在本领域的技术内的这样的改进、变化和修改意图由所附权利要求书覆盖。另外，应当显而易见的是，前述内容仅与本申请的所描述的实施例有关，而且在不偏离由所附权利要求书及其等效物限定的本申请的精神和范围的情况下，在本文中可进行许多改变和修改。

Claims (10)

1.一种操作涡轮发动机(100)的方法，其中所述涡轮发动机(100)包括压缩机(106)、燃烧器(112)、涡轮(110)、包括一排沿周向隔开的定子叶片(128)和沿周向隔开的转子叶片(126)的多个连续的沿轴向堆叠的级，以及设置在所述涡轮(110)中的第一排定子叶片(128)的上游的多个沿周向隔开的注射端口(156)；所述注射端口(156)包括冷却空气通过其被注射到所述涡轮(110)的热气路径中的端口，所述方法包括：
将所述第一排定子叶片(128)中的定子叶片(128)构造成使得所述定子叶片(128)中的一个定子叶片的前缘(222)的周向位置定位成距至少大多数所述注射端口(156)的注射端口中点(224)的周向位置为所述第一排定子叶片(128)的+/-15％桨距之内。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一排定子叶片(128)中的定子叶片(128)构造成使得所述定子叶片(128)中的一个定子叶片的前缘(222)的周向位置定位成距基本所有所述注射端口(156)的注射端口中点(224)的周向位置为所述第一排定子叶片(128)的+/-15％桨距之内。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一排定子叶片(128)中的定子叶片(128)构造成使得所述定子叶片(128)中的一个定子叶片的前缘(222)的周向位置定位在至少大多数所述注射端口(156)的注射端口中点(224)的大致周向位置处。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：使第二排定子叶片(128)的定子叶片(128)和所述第一排定子叶片(128)的定子叶片(128)构造成使得所述第一排定子叶片(128)的至少90％的定子叶片(128)和所述第二排定子叶片(128)的至少90％的定子叶片(128)包括介于大约-15％与15％桨距之间的同步关系。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：使第三排定子叶片(128)的定子叶片(128)与所述第二排定子叶片(128)的定子叶片(128)构造成使得所述第二排定子叶片(128)的至少90％的定子叶片(128)和所述第三排定子叶片(128)的至少90％的定子叶片(128)包括介于-15％与15％桨距之间的同步关系。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃烧器(112)包括罐式燃烧器(130)，且所述注射端口(156)设置在相邻的过渡件(148)后架之间，在运行期间，所述过渡件(148)后架将来自所述罐式燃烧器(130)的燃烧产物导入所述涡轮(110)中；且所述注射端口(156)排出在运行期间至少部分地用于冷却所述罐式燃烧器(130)的冷却空气；
所述方法进一步包括以下步骤：将所述第一排定子叶片(128)中的定子叶片(128)构造成使得所述定子叶片(128)中的一个定子叶片的前缘(222)的周向位置定位在所述注射端口(156)的上游侧的大致周向位置处，其中，上游由第一排转子叶片(126)的旋转方向限定。
7.一种涡轮发动机(100)中的组件，所述涡轮发动机(100)包括压缩机(106)、燃烧器(112)、涡轮(110)、包括一排沿周向隔开的定子叶片(128)和沿周向隔开的转子叶片(126)的多个连续的沿轴向堆叠的级；所述组件包括：
多个沿周向隔开的注射端口(156)，其设置在所述涡轮(110)中的第一排定子叶片(128)的上游，所述注射端口(156)包括冷却空气通过其被注射到所述涡轮(110)的热气路径中的端口；以及
第一排定子叶片(128)，其构造成使得所述定子叶片(128)中的一个定子叶片的前缘(222)的周向位置定位成距至少大多数所述注射端口(156)的注射端口中点(224)的周向位置为所述第一排定子叶片(128)的+/-15％桨距之内。
8.根据权利要求7所述的组件，其特征在于，所述第一排定子叶片(128)中的定子叶片(128)构造成使得所述定子叶片(128)中的一个定子叶片的前缘(222)的周向位置定位成距基本所有所述注射端口(156)的注射端口中点(224)的周向位置为所述第一排定子叶片(128)的+/-15％桨距之内。
9.根据权利要求7所述的组件，其特征在于，所述第一排定子叶片(128)中的定子叶片(128)构造成使得所述定子叶片(128)中的一个定子叶片的前缘(222)的周向位置定位在至少大多数所述注射端口(156)的注射端口中点(224)的大致周向位置处。
10.根据权利要求7所述的组件，其特征在于，所述组件进一步包括第二排定子叶片(128)和第三排定子叶片(128)；
其中，所述第二排定子叶片(128)的定子叶片(128)构造成使得所述第一排定子叶片(128)的至少90％的定子叶片(128)和所述第二排定子叶片(128)的至少90％的定子叶片(128)包括介于大约-15％与15％桨距之间的同步关系；并且
其中，所述第二排定子叶片(128)的定子叶片(128)构造成使得所述第一排定子叶片(128)的至少90％的定子叶片(128)和所述第二排定子叶片(128)的至少90％的定子叶片(128)包括大约0％桨距的同步关系。
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