CN101769174B - 用于减小喷嘴应力的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于减小喷嘴应力的方法和装置。具体而言，提供了一种燃气涡轮发动机喷嘴(26，28，30)。该燃气涡轮发动机喷嘴(26，28，30)包括：至少一个喷嘴导叶(54，56，58，60)，其包括第一端部和第二端部，第一端部联接到内侧壁(32，70)上，第二端部联接到外侧壁(34，72)上；以及至少一个应力消除凹部(110，120)，其限定在内侧壁和外侧壁中的至少一者内且邻近该至少一个喷嘴导叶，该至少一个应力消除凹部有助于减小诱导至喷嘴导叶上的应力。

Description

用于减小喷嘴应力的方法和装置
技术领域
本公开内容的领域主要涉及燃气涡轮发动机，且更具体地说，涉及用于在燃气涡轮发动机中减小喷嘴应力的方法和装置。
背景技术
燃气涡轮发动机通常成串流连通地包括压缩机、燃烧器以及涡轮。压缩机提供通向燃烧器的压缩空气流，在燃烧器中，空气流与燃料相混合并被点燃，这生成了燃烧气体。该燃烧气体流至涡轮，涡轮从其中汲取能量。
涡轮包括一个或多个级，各个级均具有用于引导燃烧气体通向多个转子叶片的环形涡轮喷嘴组(set)。涡轮喷嘴组包括多个周向隔开的喷嘴，这些喷嘴分别在它们的根部和尖端处固定地连接到径向内侧壁和径向外侧壁上。各个单独的喷嘴均具有翼型截面和包括前缘、后缘，以及在其之间延伸的压力侧和吸力侧。通常，喷嘴的使用寿命受限于喷嘴后缘的寿命。这至少部分地起因于后缘在发动机起动和停机期间所经历的大的应变范围。例如，经受温度变化并连同各喷嘴的厚度改变一起，在喷嘴上引起可减少喷嘴使用寿命的应变。
发明内容
在一个方面，提供了一种燃气涡轮发动机喷嘴。该喷嘴包括至少一个喷嘴导叶(vane)，该导叶包括第一端部和第二端部。第一端部联接到内侧壁上，以及第二端部联接到外侧壁上。该喷嘴还包括至少一个应力消除凹部(pocket)，其限定在内侧壁和外侧壁中的至少一者内且邻近该至少一个喷嘴导叶。该至少一个应力消除凹部有助于减小诱导至所述喷嘴导叶上的应力。
在另一个方面，提供了一种燃气涡轮发动机，其包括至少一个涡轮级。该至少一个涡轮级包括多个涡轮叶片和定位在该多个涡轮叶片上游的喷嘴组。该喷嘴组构造成用以将空气流向下游引导至涡轮叶片。该喷嘴组包括至少一个应力消除凹部，其构造成用以减少诱导至喷嘴组上的应力。
在又一个方面，提供了一种用于减小喷嘴应力的方法。该方法包括提供多个喷嘴，各个喷嘴均包括内侧壁和外侧壁，以及在它们之间延伸的至少一个喷嘴导叶。该多个喷嘴中的至少一个喷嘴包括限定在内侧壁和外侧壁中的至少一者内的至少一个应力消除凹部。该方法还包括对该多个喷嘴进行定位以形成环形的喷嘴组。
附图说明
图1是包括第一级喷嘴组的示例性涡轮的示意性截面示图。
图2是环形燃气涡轮发动机喷嘴组的一部分的透视图。
图3是示例性喷嘴的截面示图。
图4是图3中所示的喷嘴的一部分的截面示图。
图5是图3中所示的喷嘴的一部分的截面示图。
图6是用于减小喷嘴应力的示例性方法的流程图。
零件清单
10  涡轮
12  转子
14  第一级转子轮
16  第二级转子轮
18  第三级转子轮
20  轮叶
22  轮叶
24  轮叶
26  喷嘴
28  喷嘴
30  喷嘴
32  内侧壁
34  外侧壁
40  喷嘴组
42  轴向中心线
44  喷嘴
46  喷嘴
48  喷嘴
50  喷嘴
52  喷嘴
54  喷嘴导叶
56  喷嘴导叶
58  喷嘴导叶
60  喷嘴导叶
70  内侧壁
72  外侧壁
74  内侧壁部分
76  内侧壁部分
78  内侧壁部分
80  侧壁部分
82  外侧壁部分
84  外侧壁部分
86  燃烧气体
88  根部
90  尖端
92  前缘
94   后缘
96   凸起侧
98   凹入侧
100  部分
102  部分
110  应力消除凹部
120  应力消除凹部
130  第一边缘
132  第二边缘
200  流程图
210  方法
220  提供多个喷嘴，各个喷嘴均包括内侧壁和外侧壁，以及延伸在它们之间的至少一个喷嘴导叶，其中，该多个喷嘴中的至少一者包括限定在内侧壁和外侧壁中的至少一者内的至少一个应力消除凹部
230  定位多个喷嘴以形成环形喷嘴组
具体实施方式
图1显示了示例性涡轮10的截面图。在该示例性实施例，涡轮10包括具有各自的第一级转子轮14、第二级转子轮16以及第三级转子轮18的转子12，而第一级转子轮14、第二级转子轮16以及第三级转子轮18又包括各自的轮叶20、22和24以及各自的喷嘴26、28和30。各排轮叶20、22和24和喷嘴26、28和30均限定了涡轮10的后续的级。在该示例性实施例，涡轮10为三级涡轮。作为备选，涡轮10可包括多于或少于三个级。在一个实施例，涡轮10是由通用电气公司(Schenectady，NewYork)制造的General Electric 7FA+e燃气轮机。
在第一涡轮级内，包括轮叶20的多个轮叶围绕第一级转子轮14周向地隔开。包括轮叶20的该多个轮叶安装成与包括喷嘴26的上游的喷嘴组轴向相对。包括喷嘴26的该多个喷嘴，其形成上游的喷嘴组，围绕内侧壁32周向地隔开且沿径向延伸在内侧壁32和外侧壁34之间。
图2是环形燃气涡轮发动机喷嘴组40的一部分的透视图。喷嘴组40设置成共轴地围绕涡轮(例如，涡轮10)的纵向或轴向中心线42(图1中所示)。喷嘴组40包括多个周向隔开的喷嘴44，包括例如喷嘴46、喷嘴48、喷嘴50，以及喷嘴52。喷嘴46、48、50和52分别包括喷嘴导叶54、56、58和60。喷嘴导叶54、56、58和60联接到径向内环形侧壁70和径向外环形侧壁72上。在该示例性实施例，内环形侧壁70包括多个侧壁部分，例如，侧壁部分74、76和78，它们联接到一起以形成内环形侧壁70。类似而言，在该示例性实施例，外环形侧壁72包括多个侧壁部分，例如，侧壁部分80、82和84，它们联接到一起以形成外环形侧壁72。例如，喷嘴导叶54联接到内侧壁部分76和外侧壁部分82上。
内侧壁70具有相对于轴向中心线42的内半径R，用于将喷嘴46、48、50和52定位成一列(inline)，带有从燃气涡轮发动机燃烧器(在图2中未示出)引导至此的燃烧气体86。喷嘴组40可以是任何涡轮喷嘴组，包括但不限于用于涡轮发动机的第一级喷嘴组。
在该示例性实施例，各个单独的喷嘴导叶54、56、58和60均包括联接到内侧壁70上的根部88，以及联接到外侧壁72上的尖端90。各个喷嘴导叶54、56、58和60还包括面向上游方向的前缘92和面向下游方向的后缘94。各前缘92沿周向均厚于相应的后缘94。吸力侧或凸起侧96定位成与压力侧或凹入侧98相反。
图3是示例性喷嘴例如喷嘴46(图2中所示)的截面示图。图4是喷嘴46(图3中所示)的一部分100(图3中所示)的截面示图。图5是喷嘴46(图3中所示)的一部分102(图3中所示)的截面示图。现在参看图3、图4和图5，在该示例性实施例中，喷嘴46包括喷嘴导叶54，其径向地延伸在内侧壁70和外侧壁72之间。更具体地说，喷嘴导叶54径向地延伸在内侧壁部分76和外侧壁部分82之间。喷嘴导叶54包括前缘92和后缘94。燃烧气体86从涡轮10的上游引导经过喷嘴导叶54(图1中所示)。
在该示例性实施例中，喷嘴46包括位于外侧壁部分82内的应力消除凹部110和限定在内侧壁部分76内的应力消除凹部120。在该示例性实施例中，应力消除凹部110和120为分别限定在外侧壁部分82和内侧壁部分76内的开口。在该示例性实施例中，移除形成外侧壁部分82的材料，以形成应力消除凹部110。例如，应力消除凹部110可采用诸如放电机加工的电加工工艺形成。应力消除凹部110还可在铸造工艺期间或采用常规的机加工工艺形成在外侧壁部分82内。应力消除凹部120大致以与应力消除凹部110相同的方式形成。应力消除凹部110和120可采用能使喷嘴46如文中所述地工作的任何工艺形成在外侧壁部分82和内侧壁部分76内。
在该示例性实施例中，应力消除凹部110是从外侧壁部分82的第一边缘130朝向外侧壁部分82的第二边缘132延伸且未延伸穿过外侧壁部分82的开口。换言之，在该示例性实施例中，应力消除凹部110未延伸穿过从第一边缘130至第二边缘132的外侧壁部分82。应力消除凹部120大致相似地构造。尽管文中描述为在第一边缘130和第二边缘132之间部分地延伸，但应力消除凹部110和120可延伸到侧壁部分76和82中能使应力消除凹部110和120如文中所述地起作用的任何深度，包括在第一边缘130和第二边缘132之间延伸。而且，尽管显示为矩形开口，但应力消除凹部110和120可包括能使应力消除凹部110和120如文中所述地起作用的任何形状或尺寸。例如，应力消除凹部110和120的长度、深度和高度可优化成用以最大限度地减小应力，同时最大限度地减小对喷嘴46的其它影响。
在该示例性实施例中，应力消除凹部110限定在外侧壁72内，邻近喷嘴导叶54的后缘94。类似而言，应力消除凹部120限定在内侧壁70内，邻近喷嘴导叶54的后缘94。更具体地说，应力消除凹部110从喷嘴导叶54的尖端90限定在径向外部，以及应力消除凹部120从喷嘴导叶54的根部88限定在径向内部。
如上文所述，后缘94比前缘92更薄。与前缘92相比，沿着后缘94存在的不同材料量引起温度变化，不同于前缘92地影响后缘94。发生在发动机起动和发动机停用期间的温度变化可在喷嘴46上引起应力，文中也称为应变。这种应变可包括压缩应变和/或张紧应变。例如，在发动机起动期间，当热的燃烧气体流过之前处于周围温度的喷嘴导叶54时，后缘94比前缘92更快地变热。这种变热引起后缘94更大的热膨胀，且因此在后缘94与侧壁70和72之间比在前缘92与侧壁70和72之间发生更大的压缩。相反，在发动机停机期间，后缘94比前缘92更迅速地冷却。这种冷却引起后缘94更大的收缩，且因此在后缘94处比在前缘92处的张力更大。应力消除凹部110和120有助于增强在后缘94处的侧壁70和72的柔性，且因此有助于减小总应变的压缩部分和张紧部分二者的幅度。
图6是用于减小喷嘴应力的示例性方法210的流程图200。在一个示例性的实施例中，流程图200是用于减小喷嘴46(在图3中所示)上的应力的方法210。方法210包括提供220多个喷嘴，其中，各个喷嘴均包括内侧壁和外侧壁，以及在它们之间延伸的至少一个喷嘴导叶。此外，该多个喷嘴中的至少一个喷嘴包括至少一个应力消除凹部，该凹部限定在内侧壁和外侧壁中的至少一者内。例如，方法210可包括提供喷嘴46、48、50和52(图2中所示)，该喷嘴包括例如应力消除凹部110(图3中所示)。方法210还包括对该多个喷嘴进行定位230以形成环形的喷嘴组。
在一些示例中，提供220多个喷嘴可进一步包括在外侧壁72内从喷嘴导叶54(图3中所示)沿径向向外提供220应力消除凹部110。此外，提供220多个喷嘴可包括在内侧壁70内从喷嘴导叶54(图3中所示)沿径向向内提供220应力消除凹部120。提供220具有至少一个应力消除凹部的多个喷嘴有助于延长喷嘴的使用寿命和降低在喷嘴导叶和侧壁之间界面处的应力水平。
此外，提供220包括至少一个应力消除凹部的多个喷嘴可包括采用电加工工艺和常规的机加工工艺中的至少一者形成该至少一个应力消除凹部。提供220还可包括在侧壁的铸造期间形成该至少一个应力消除凹部。
文中所述的方法和装置有助于可靠和节省成本地减小在燃气涡轮发动机喷嘴上的应力。文中所述的方法和装置有助于增强在各喷嘴后缘处的侧壁柔性，这减少了在后缘上因在涡轮级内的温度变化所引起的应力。减小在后缘上的应力有助于减少喷嘴修复以及延长喷嘴修复的时间间隔，同时仅增加了很少的构件机加工成本。
上文详细地描述了用于减小燃气涡轮发动机喷嘴上的应力的方法和装置的示例性实施例。该方法和装置不限于文中所描述的具体实施例，而是相反，该装置的构件和/或该方法的步骤可独立于文中所述的其它构件和/或方法或与之单独地采用。
尽管本发明的各个实施例的具体特征可能在一些附图中示出而在其它附图中未示出，但这仅是为了方便起见。根据本发明的原理，附图中的任何特征可结合任一其它附图中的任一特征进行参照和/或主张权利。
本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何相结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员所想到的其它实例。如果这些其它实例具有与本权利要求的书面语言并无不同的结构成分，或者如果这些其它实例包括与本权利要求的书面语言无实质区别的同等结构成分，则认为这些实例落在本权利要求的范围之内。

Claims (20)

1.一种燃气涡轮发动机喷嘴，包括：
至少一个喷嘴导叶，其包括第一端部和第二端部，所述第一端部联接到内侧壁上，所述第二端部联接到外侧壁上；以及
至少一个应力消除凹部，其限定在所述内侧壁和所述外侧壁中的至少一者内且邻近所述至少一个喷嘴导叶，所述至少一个应力消除凹部有助于减小诱导至所述喷嘴导叶上的应力。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机喷嘴，其特征在于，所述至少一个喷嘴导叶还包括前缘和后缘，以及其中，所述至少一个应力消除凹部限定成邻近所述后缘。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机喷嘴，其特征在于，所述至少一个应力消除凹部包括椭圆形截面形状和矩形截面形状中的至少一种形状。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机喷嘴，其特征在于，所述至少一个应力消除凹部有助于延长所述喷嘴的使用寿命。
5.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机喷嘴，其特征在于，所述至少一个应力消除凹部采用电加工工艺和常规的机加工工艺中的至少一种来形成。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机喷嘴，其特征在于，所述至少一个应力消除凹部在所述侧壁的铸造期间限定在所述内侧壁和所述外侧壁中的至少一者内。
7.一种燃气涡轮发动机，包括至少一个涡轮级，所述至少一个涡轮级包括：
多个涡轮叶片；
定位在所述多个涡轮叶片上游的喷嘴组，所述喷嘴组构造成用以将空气流向下游引导至所述涡轮叶片，所述喷嘴组包括构造成用以减少诱导至所述喷嘴组上的应力的至少一个应力消除凹部。
8.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述喷嘴组包括多个喷嘴，所述多个喷嘴中的各者均包括至少一个喷嘴导叶，所述至少一个喷嘴导叶包括第一端部和第二端部，所述第一端部联接到内侧壁上，所述第二端部联接到外侧壁上，所述至少一个应力消除凹部定位在所述内侧壁和所述外侧壁中的至少一者内。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述至少一个应力消除凹部定位成邻近所述至少一个喷嘴导叶。
10.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述喷嘴组包括多个喷嘴，所述多个喷嘴中的各者均包括至少一个喷嘴导叶，所述至少一个喷嘴导叶包括前缘和后缘，所述至少一个应力消除凹部定位成邻近所述后缘。
11.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述至少一个应力消除凹部采用电加工工艺和常规的机加工工艺中的至少一种来形成。
12.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述至少一个应力消除凹部在所述侧壁的铸造期间限定在所述内侧壁和所述外侧壁中的至少一者内。
13.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述至少一个应力消除凹部包括椭圆形截面形状和矩形截面形状中的至少一种形状。
14.一种用于减小喷嘴应力的方法，所述方法包括：
在燃气涡轮级内提供多个喷嘴，各个喷嘴均包括内侧壁和外侧壁以及在它们之间延伸的至少一个喷嘴导叶，其中，所述多个喷嘴中的至少一个喷嘴包括限定在所述内侧壁和所述外侧壁中的至少一者内的至少一个应力消除凹部；以及
对所述多个喷嘴进行定位以形成环形的喷嘴组。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，提供多个喷嘴还包括在所述外侧壁内从所述至少一个喷嘴导叶沿径向向外提供所述至少一个应力消除凹部。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，提供多个喷嘴还包括在所述内侧壁内从所述至少一个喷嘴导叶沿径向向内提供所述至少一个应力消除凹部。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，提供多个喷嘴还包括采用电加工工艺和常规的机加工工艺中的至少一者形成所述至少一个应力消除凹部。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，提供多个喷嘴还包括在所述侧壁的铸造期间形成所述至少一个应力消除凹部。
19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，提供多个喷嘴，其中，所述多个喷嘴中的至少一个喷嘴包括至少一个应力消除凹部，有助于延长所述喷嘴的使用寿命。
20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，提供多个喷嘴，其中，所述多个喷嘴中的至少一个喷嘴包括至少一个应力消除凹部，有助于降低在各个喷嘴导叶和所述侧壁之间的界面处的应力水平。
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