CN101769203B - 与用于涡轮发动机的导流器有关的方法、系统和/或装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及与用于涡轮发动机的导流器有关的方法、系统和/或装置，具体而言，一种包括异型喉部(144)的导流器(140)。在一些实施例中，导流器(140)包括在异型喉部(144)上游的带有相对大的圆形进口(142)的圆锥外形，该圆锥外形变窄到异型喉部(144)，并且在异型喉部(144)下游导流器(140)包括自异型喉部(144)起变宽的下游区段。异型喉部(144)可包括近似缩放喷嘴几何形状。

Description

与用于涡轮发动机的导流器有关的方法、系统和/或装置

技术领域

本申请一般地涉及用于改进涡轮发动机的效率和/或运行的方法、系统和/或装置，如文中所使用并且除非另有特别指出，这意味着包括所有类型的涡轮发动机或旋转发动机，包括燃气涡轮发动机、航空发动机、蒸汽涡轮发动机等。更具体而言，但不作为限制性的是，本申请涉及与用于涡轮发动机的改进的导流器(inducer)设计有关的方法、系统和/或装置。

背景技术

燃气涡轮发动机典型地包括冷却系统，该冷却系统将冷却空气提供到涡轮机转子部件(例如，涡轮机叶片)，以便限制由这样的部件所经受的温度。现有技术的冷却系统通常从发动机的压缩机中获得用来冷却涡轮机部件的空气，之后空气被转向并随后被引导通过轴向通路到发动机的涡轮机区段。通常称为径向-轴向导流器的器件通常设置在这样的轴向通路的出口端处。一般地说，导流器为一种用于加速和引导燃气涡轮发动机中的空气流的器件。导流器主要用于使从压缩机排出的轴向空气流改变方向，以使得该流相对于转动的转子正切且在相同的方向中，这是为何这些部件经常称为“径向-轴向导流器”的原因。以这种方式使空气流改变方向允许空气流更高效地通过转动的转子中的转动孔。这样，冷却空气可向下游运动并供应例如形成在中空翼形件中的冷却通道。此外，导流器降低了冷却空气的压力，这降低了流的相对温度。温度的降低毫无疑问允许压缩空气流更有效地冷却下游部件。

传统的导流器常被描述为具有“喇叭”外观，因为其通常具有自上游端处的大圆形开口起而变窄的圆锥外形。本领域中的普通技术人员将理解的是，该圆锥外形变窄到表示导流器最窄的截面的喉部。自喉部起，导流器具有延伸到后缘处的出口的近似圆柱形的轮廓。出口通常具有被精调以用于高效的空气动力学性能的高度优化的几何形状。

对于现场条件或其它变量来说，要求加工(即，扩大)喉部以便可获得更佳性能不是罕见的。例如，可需要这些调整以便向下游输送充分供应的冷却空气。然而，包括自喉部延伸到后缘的圆柱形区域的传统导流器设计使得在不使后缘的优化几何形状变形或不对其造成损坏的情况下这样的改进基本上不可能。因此，需要一种改进的导流器设计，其允许调整喉部几何形状的节省成本的方法。

发明内容

因此，本申请描述了一种包括异型喉部(profiled throat)的导流器。在一些实施例中，导流器包括在异型喉部上游的带有相对大的圆形进口的圆锥外形，该圆锥外形变窄到异型喉部，并且在异型喉部下游，该导流器包括自异型喉部起变宽的下游区段；并且导流器包括径向-轴向导流器、纯轴向导流器以及纯径向导流器中的一种。

在一些实施例中，异型喉部包括近似缩放(convergent-divergent)喷嘴几何形状；并且导流器为径向-轴向导流器并构造成引导和加速燃气涡轮发动机中的冷却气流。在一些实施例中，异型喉部包括上游变窄部、狭窄中间区段以及下游变宽部。

在一些实施例中，异型喉部的上游变窄部包括在上游端处比在下游段处宽的近似平滑的圆锥外形；异型喉部的下游变宽部包括在上游端处比在下游端处窄的近似平滑的圆锥外形；并且狭窄中间区段包括通过喉部的最窄区段，并且位于上游变窄部和下游变宽部之间，该最窄区段包括带有最小截面面积的区段。

在一些实施例中，狭窄中间区段包括在上游变窄部的缩小和下游变宽部的增宽之间的向内径向脊部(crest)。在一些实施例中，异型喉部最初构造成提供通过其的期望的最低流量水平。在一些实施例中，期望的最低流量水平包括被认定为对于满足运行标准而言所必需的最低流量水平。

在一些实施例中，导流器的下游区段构造成适应(accommodate)通过其的期望的最大流量。在一些实施例中，期望的最大流量水平包括被认定为对于满足运行标准而言所必需的最大流量水平。

在参阅结合附图的优选实施例的下文详细描述和所附权利要求后，本申请的这些及其它的特征将变得显而易见。

附图说明

通过仔细研究结合附图的本发明的示例性实施例的下文更详细的描述，将更充分地明白和理解本发明的这些及其它的目标和优点，其中：

图1是本申请的一定的实施例可在其中使用的示例性涡轮发动机的截面图；

图2是带有圆柱形喉部的传统导流器设计的视图；以及

图3是根据本申请的示例性实施例的导流器喉部设计的剖面图。部件清单100    燃气涡轮发动机102    导流器104    转子/定子空腔108    转子孔110    转子120    传统导流器122    圆形进口126    喉部128    出口140    导流器142    进口144    异型喉部

具体实施方式

现参看附图，图1示出燃气涡轮发动机100的区段的示意图。一般而言，燃气涡轮发动机通过从由燃烧压缩的空气流中的燃料所产生的加压的热气流中取出能量而运行。燃气涡轮发动机通常构造成带有通过共有轴或转子机械地联接到下游涡轮机区段或涡轮机的轴向式压缩机和定位在压缩机和涡轮机之间的燃烧器。注意的是，下文的发明可用于所有类型的涡轮发动机(包括燃气涡轮发动机、蒸汽涡轮发动机以及航空发动机等)中。在下文中，将关于燃气涡轮发动机来描述本发明。该描述只是示例性的，并且不意在以任何方式进行限制。

压缩机通常包括多个轴向堆叠级。各级可包括一排压缩机转子叶片继之以一排压缩机定子叶片。压缩机定子叶片通常彼此周向隔开并绕着转动轴线固定。压缩机转子叶片周向隔开并附接在轴上，当轴在运行期间转动时，压缩机转子叶片绕着其转动。本领域中的普通技术人员将理解的是，如此地构造压缩机转子叶片，即，使得当绕着轴旋转时，这些压缩机转子叶片将动能给予流过压缩机的空气或工作流体。

燃气涡轮发动机的涡轮机还可包括多个级。各级包括在运行期间绕着轴转动的多个涡轮机叶片(bucket)或涡轮机转子叶片和在操作期间保持静止的多个喷嘴或涡轮机定子叶片。涡轮机定子叶片通常彼此周向隔开并绕着转动轴线固定。涡轮机转子叶片可安装在涡轮机叶轮上以用于绕着轴的转动。将理解的是，涡轮机定子叶片和涡轮机转子叶片处于涡轮机的热气路径中。

在使用中，轴向式压缩机内的压缩机转子叶片的转动压缩空气流。在燃烧器中，当压缩空气与燃料混合并被点燃时可释放能量。所得到的来自燃烧器的热气流然后被引导到涡轮机转子叶片上，这可促使涡轮机转子叶片绕着轴转动，从而将热气流的能量转换成转动的叶片和转动的轴(由于转子叶片和轴之间的连接)的机械能。轴的机械能然后可用来驱动压缩机转子叶片的转动，以使得产生压缩空气的必需的供应，并且例如还驱动发电机以产生电。

燃气涡轮发动机典型地包括冷却系统，该冷却系统将压缩的冷却空气提供到涡轮机转子部件(例如，涡轮机叶片)，以便限制由这样的部件所经受的温度。冷却系统通常从压缩机获得用来冷却涡轮机部件的空气。如下文更详细地所描述，自压缩机起，冷却空气被转向并随后被引导通过轴向通路到发动机的涡轮机区段。

本领域中的普通技术人员将理解的是，图1示出燃气涡轮发动机100的相对于压缩机的下游端和涡轮机的上游端的近似轴向位置径向向内的区段。如所示，导流器102构造成在上游开口处聚集压缩空气并使气流加速通过变窄的几何形状，提供到转子/定子空腔104的通路。一般地说，导流器为用来加速和引导空气流的器件。如所示出的，导流器102为径向-轴向导流器。这只是示例性的。如前文所述，本发明可用于包括例如纯轴向导流器、纯径向导流器以及其它类似起作用的部件的其它类型的导流器中。

图1的导流器102用来使从压缩机排出的轴向空气流改变方向以使得所得到的流相对于转动的转子正切且在相同的方向中。以这种方式使空气流改变方向允许空气流更高效地通过(如由阴影箭头所示出)形成在转动的转子110中的多个转子孔108。如此，来自压缩机的冷却空气向下游被引导以使得其可供应例如形成在中空翼形件中的冷却通道。此外，本领域中的普通技术人员将理解的是，径向-轴向导流器102的几何形状起作用以降低冷却空气的压力，这降低了冷却空气的相对温度。温度的降低允许来自导流器102的压缩空气流成为相对于下游部件的更有效的冷却剂。

图2示出传统导流器120的形状。如所示，轴向-径向导流器120具有大体“喇叭”外观，该外观包括自上游端处的大圆形进口122起变窄的圆锥外形。该圆锥外形变窄通过上游区段并到达喉部126的上游端处。喉部126表示导流器120的具有最窄截面面积的区段。关于传统设计，喉部126通常包括从上游端延伸到后缘处的出口128的延伸的近似圆柱形的区段。在整个喉部126中，导流器120保持近似恒定的圆形的截面外形。此外，在整个喉部126中，导流器120基本上保持相同的截面面积。

导流器120的后缘处的出口128通常具有被精调以用于高效的空气动力性能的高度优化的几何形状。(注意的是，这样的优化的几何形状在图2中未示出)。如上文详细所述，由于传统导流器设计中的通过喉部126的狭窄性和/或一般构造，因此意味着扩大喉部或允许增加通过其的流量的任何调整必然损坏后缘的优化的几何形状。

图3示出根据本申请的示例性实施例的导流器喉部设计的示意图的截面图。如上文所述，该喉部设计可用于任何类型的导流器中。如所示，导流器140具有自上游端处的大圆形进口142起变窄的圆锥外形。该圆锥外形变窄通过上游区段并到达异型喉部区段或异型喉部144处。与本发明一致的是，异型喉部144通常提供下者：1)上游变窄部；2)狭窄中间区段；以及3)下游变宽部。如此，异型喉部144形成近似“沙漏”或瓶颈轮廓。异型轮廓的变窄部和变宽部包括渐进或平滑曲线或圆锥外形，即，上游变窄部提供在上游端处比其在下游端出宽的圆锥外形，并且下游变窄部提供在上游端出比其在下游端处窄的圆锥外形。换句话说，异型喉部144形成缩放喷嘴轮廓。

如截面图中所示，狭窄中间区段可包括由上游变窄部与下游变宽部的结合部所形成且因而形成通过导流器140的最狭窄通路(即，带有最小截面面积的通路)的隆起(hump)的径向向内的脊部。断面线区域表示根据本申请的异型喉部144和如果出口附近的截面面积随着喉部向上游延伸时保持恒定将呈现的圆柱形区段或喉部之间的近似差异。如图3的截面图中所示，狭窄中间区段呈现为相对于各侧边背离(fall away)的脊部，或如所述为缩放喷嘴轮廓。在一些实施例中，狭窄中间区段可具有进一步延伸的轴向长度，其具有近似恒定的截面面积和几何形状。

在优选的实施例中，狭窄中间区段尺寸适合于期望的最低流量水平。换句话说，狭窄中间区段设有这样的截面几何形状和面积，即，其被认为对于提供可能满足涡轮发动机的运行标准的最低流量水平而言是必需的，该最低流量水平例如可为处于可接受的压力和/或温度下的用于充分的下游冷却的冷却空气的最低限度足够的流量水平。如所述，导流器140的下游区段(即在异型喉部144下游的区段)变宽成截面面积大于异型喉部144的狭窄中间区段。在优选的实施例中，下游区段尺寸适合于适应期望的最大流量水平。更具体而言，下游区段设有这样的截面几何形状和截面面积，即，其被认为对于适应可能满足发动机的运行标准的最大流量水平而言是必需的。

在使用中，带有根据本申请的异型喉部144的导流器可装配在涡轮发动机内并且然后以高效且节省成本的方式被调整。可在适当位置铸造且与限定导流器的周围结构成为一体的异型喉部144可被加工，以使得扩大通过导流器的最小截面面积。例如，在安装和运行涡轮发动机后，可确定异型喉部144尺寸适合的期望的最低流量水平是否充分满足发动机性能标准。如果确定其为不充分的且可能需要更大的流量水平，则可加工异型喉部144，以使得扩大异型喉部144的截面面积。由于异型喉部下游的截面面积增大，因此异型喉部144比传统设计更易进入并且可在不使后缘出口的优化几何形状受到影响、损坏或变形的情况下进行加工。一旦异型喉部144被扩大，就可进行进一步的测试，以确定现在是否满足发动机性能标准，并且必要时可进行进一步加工。将理解的是，这可变成重复过程，直到精调喉部和/或实现期望的发动机性能标准为止。

如果导流器的下游段尺寸适合适应期望的最大流量水平，则必要时可通过加工或基本上去除整个异型喉部144来大致实现该流量水平。在这种情况下，喉部区段将变成类似于传统设计的圆柱形区段。从而，下游区段的定尺寸确保如果需要则可达到预期的最大限度，并且导流器喉部几何形状变得灵活，允许在现场进行高效且节约成本的调整和精调。由于增大的异型喉部下游的截面面积而引起的提高的可进入性，所以可在不影响或损坏后缘出口的优化几何形状的情况下进行加工。毫无疑问，本领域中的普通技术人员可理解的是，与不需要任何现场调整的传统圆柱形设计相比，利用具有缩放喉部设计的导流器的运行可对导流器的空气动力学性能产生小的负面影响。然而，已经确定的是，这些潜在的负面考虑因素很可能基本上不如由可利用在不损坏后缘出口几何形状的情况下允许灵活且高效的调整和精调的导流器喉部设计所实现的效率重要。换句话说，与根据本发明的异型喉部相关的任何负面影响可能远小于由出口几何形状因为传统的导流器的现场改型而遭受的这种类型的损坏所导致的性能损失。毫无疑问，至少很有可能存在这样的情形和应用，即，在其中，潜在的折衷为期望的。

从本发明的优选实施例的上文描述中，本领域的技术人员将认识到改进、变化以及改型。本领域的技术内的这样的改进、变更以及改型意在由所附权利要求所涵盖。此外，应当显而易见的是，前文仅涉及已描述的本申请的实施例，并且可在此进行许多变化和改型，而不偏离由所附权利要求及其等同物所限定的本申请的精神和范围。

Claims (9)

1.一种导流器(140)，所述导流器(140)包括异型喉部(144)，所述导流器(140)为径向-轴向导流器(140)并构造成引导和加速燃气涡轮发动机(100)中的冷却气流，所述导流器(140)包括在所述异型喉部(144)上游的带有相对大的圆形进口(142)的圆锥外形，所述圆锥外形变窄到所述异型喉部(144)，并且在所述异型喉部(144)下游，所述导流器(140)包括自所述异型喉部(144)起变宽的下游区段。

2.根据权利要求1所述的导流器(140)，其特征在于，所述异型喉部(144)包括近似缩放喷嘴几何形状。

3.根据权利要求1所述的导流器(140)，其特征在于，所述异型喉部(144)包括上游变窄部、狭窄中间区段以及下游变宽部。

4.根据权利要求3所述的导流器(140)，其特征在于：

所述异型喉部(144)的上游变窄部包括在上游端处比在下游端处宽的近似平滑的圆锥外形；

所述异型喉部(144)的下游变宽部包括在上游端处比在下游端处窄的近似平滑的圆锥外形；以及

所述狭窄中间区段包括通过所述喉部的最窄区段，并且位于所述上游变窄部和所述下游变宽部之间，所述最窄区段包括带有最小截面面积的区段。

5.根据权利要求4所述的导流器(140)，其特征在于，所述狭窄中间区段包括在所述上游变窄部的缩小和所述下游变宽部的增宽之间的向内径向脊部。

6.根据权利要求1所述的导流器(140)，其特征在于，所述异型喉部(144)构造成提供通过其的期望的最低流量水平。

7.根据权利要求6所述的导流器(140)，其特征在于，所述期望的最低流量水平包括被认定为对于满足运行标准而言所必需的最低流量水平。

8.根据权利要求1所述的导流器(140)，其特征在于，所述导流器(140)的下游区段构造成适应通过其的期望的最大流量。

9.根据权利要求8所述的导流器(140)，其特征在于，期望的最大流量水平包括被认定为对于满足运行标准而言所必需的最大流量水平。

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