CN102330571A - 用于通过流体发生涡流的增强涡轮尾流混合的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于通过流体发生的涡流的增强的涡轮机尾流混合的系统和方法，具体而言，涉及一种包括大致弓形的后缘(12)的高压涡轮(HPT)叶片(14)，该后缘包括设置在其中的一个或多个流体喷射元件(202)，(204)。各流体喷射元件(202)，(204)将诸如空气的流体喷入该HPT叶片或导叶(14)的期望后缘区域，以增强经由该HPT叶片或导叶产生(14)的尾流。该增强的混合降低了HPT/LPT相互作用损耗和/或燃气涡轮发动机中HPT和LPT部件之间的轴向间隙。相互作用损耗包括导致下游叶片/导叶的端壁(平面和叶片/导叶末梢)的不期望加热的非稳态热尾流隔离效应，且还包括超音速和亚音速的空气动力学损耗。

Description

用于通过流体发生涡流的增强涡轮尾流混合的系统和方法
技术领域
本发明一般地涉及燃气涡轮发动机，且更特别地涉及用于重新分配任务、重新设计和/或操纵冷却剂喷射孔的使用以增强燃气涡轮机叶片或导叶尾流的混合以降低HPT/LPT(高压涡轮/低压涡轮)相互作用损失以改善涡轮机的热耐久性的系统和方法。
背景技术
涡轮叶片/导叶尾流与涡轮叶片/导叶冲击波系统相互作用，且如果不是完全混合的话，与下游叶片/导叶相互作用。此过程产生更高的损失，并且常要求HPT和LPT之间额外的轴向间距以完全混合尾流。除了尾流混合的空气性能益处之外，其益处还可扩展至包括热效应。从薄膜冷却的涡轮导叶和叶片离开的尾流除了压力亏损之外还有温度亏损。翼型件(导叶或叶片)的尾流中的低动量流体向下游迁移，并且被下游的翼型件摄入和旋转。图13的左侧图示了尾流迁移。图13的右侧图示了流体在下游叶片列中的旋转导致低动量流体在翼型件的吸力侧积聚，同时尾流外的较高动量流体向邻近翼型件的压力侧移动。由于与尾流外的流体相比尾流流体较冷，因此在下游翼型件列的通道中发生热隔离，此处进入尾流中的冷却剂不能到达压力侧。结果，下游翼型件的压力侧比邻近的吸力侧热，这导致压力侧的过热。
此外，上游翼型件的尾流还引入次级流，如果尾流具有比周围流低的速度，则该次级流常称作“滑移”速度，或“负向”射流，如果尾流具有比周围流高的速度，则称为“正向”射流。图14中图示的速度三角描绘了负向和正向射流。ASME J.Eng.Power第92卷pp.359-370的Kerrebrock，J.L.和Mikolajczak，A.A.在1970年发表的“Intra-Stator Transport of Rotor Wakes and Its Effect on CompressorPerformance”中描述了即便流体温度处处相同，当流向下游迁移时，此次级流导致流体跨越翼型件通道输送，这又导致跨越该通道的温度梯度。
图1是描绘涡轮叶片14的后缘12附近但不在后缘12中的流体喷射元件10的放置和操作的透视图解，该流体喷射元件10在本领域公知用于增强随涡轮叶片14的后缘12的尾流的混合。至少一个流体发生的涡流16操作以增强随涡轮叶片14的后缘12的尾流22的混合。流体发生的涡流16经由结合在涡轮叶片14的后缘12附近的一个或多个流体喷射元件24而发生。各流体喷射元件24构造成将诸如空气流的流体26喷入涡轮叶片14的后缘区域，以增强涡轮叶片14的后缘12后的尾流的混合。尾流的该增强混合导致更宽的尾流22。
图2图示了以上-下视角查看的具有本领域中已知的倒圆型后缘冷却方案的典型的涡轮叶片30，其中阴影区域32是金属而中空区域34是冷却剂流通路。涡轮叶片30包括具有直内壁的后缘槽36。图3图示了泄放槽后缘冷却方案，其具有包括后缘槽的较薄后缘，后缘槽带有直的内壁38。
尽管流体喷射元件/冷却孔和槽已经在现有技术中被采用来提供空气动力学性能益处以及涡轮叶片/导叶的冷却，但此类技术还未成功地解决对于超音速的导叶/叶片由尾流和冲击相互作用导致的稳态和非稳态空气动力学损耗，以及当叶片/导叶为亚音速时由于尾流相互作用导致的非稳态损耗。此外，其中导叶被大量冷却(例如，薄膜和后缘冷却)以确保在高温环境中的耐久性的高温涡轮可导致非稳态热尾流隔离效应(thermal wake segregation)，该效应会导致对下游叶片/导叶的端壁(例如平台和叶片/导叶末梢)的不期望的加热。由冷尾流结合热的燃烧后气体导致大的温度梯度，这导致热尾流迁移效应。
鉴于以上所述，将会有利的是提供一种系统和方法来降低整体压力梯度和整体温度梯度。该系统和方法应经由上游叶片列的热尾流的混合重新调节进入下游翼型件列的流，以通过减少下游叶片列内的热隔离效应而降低相邻下游叶片列的热负载。图16用单一草图图示了速度尾流和热尾流的混合。引入两个参数来测量尾流混合。第一个参数是尾流速度比(WVR)，其在本文中定义为尾流区域中的速度积分与自由流区域中的速度积分的比率。另一个参数是尾流温度比(WTR)，其定义为尾流区域中的质量加权温度积分与自由流区域中的质量加权温度积分的比率。
发明内容
简而言之，根据一个实施例，高温涡轮叶片或导叶包括大致弓形的后缘，该后缘包括设置在其中并构造成降低由于尾流和/或冲击相互作用所导致的空气动力学损耗的一个或多个流体喷射结构，该一个或多个流体喷射结构还构造成将热尾流隔离效应降低至期望水平。
根据另一实施例，高压涡轮(HPT)叶片或导叶包括小圆齿状后缘，该后缘包括设置在后缘的压力侧、吸力侧或压力侧和吸力侧两者上并构造成增强经由HPT叶片或导叶生成的尾流的混合的一个或多个V字形，使得由于对应的尾流和/或冲击相互作用导致的空气动力学损耗被降低至期望水平，并且进一步使得对应的热尾流隔离效应被降低至期望水平。
根据又另一个实施例，高压涡轮(HPT)叶片或导叶包括小圆齿状的后缘，该后缘包括设置在其中并构造成将流体喷射到期望的后缘区域中的一个或多个流体喷射结构，其中喷射的流体与小圆齿状后缘通道流体流相互作用以产生来自喷射的流体和通道流体流的相互作用的流向速度，从而增强经由HPT叶片或导叶产生的尾流的混合，使得由于尾流和/或冲击相互作用导致的空气动力学损耗被降低至期望水平，并且还使得热流隔离效应被降低至期望水平。
根据又另一个实施例，高压涡轮(HPT)尾流混合系统包括预先存在的HPT叶片或导叶，该叶片或导叶包括设置在其中位于HPT叶片或导叶的后缘外的一个或多个冷却孔，其中该预先存在的HPT叶片或导叶重新配套一个或多个几何形状元件，使得从该一个或多个冷却孔喷射的流体被经由该一个或多个几何形状元件操纵，从而降低由于尾流和冲击相互作用导致的空气动力学损耗，并进一步将热尾流隔离效应降低至期望水平。
根据又另一个实施例，高压涡轮(HPT)尾流混合系统包括预先存在的HPT叶片或导叶，该叶片或导叶包括大致弓形的后缘，并且还包括设置在其中的一个或多个冷却槽或孔，其中该预先存在的HPT叶片或导叶重新配套设置在该大致弓形的后缘中的一个或多个流体喷射元件，使得从该一个或多个流体喷射元件喷射的流体与流经该一个或多个冷却槽或孔的流体相互作用，以降低由于尾流和冲击相互作用导致的空气动力学损耗，且进一步将热尾流隔离效应降低至期望水平。
附图说明
当参考附图阅读以下具体实施方式时，本发明的这些和其它特征、方面以及优点将变得更好理解，其中贯穿附图，相似的标号代表相似的部件，其中：
图1是描绘涡轮叶片的后缘附近但不在后缘中的流体喷射元件的放置和操作的透视图解，该流体喷射元件在本领域公知用于增强随涡轮叶片的后缘的尾流的混合；
图2图示了已知的涡轮叶片，其包括以上-下视角查看的倒圆的后缘，其中阴影区域是金属，而中空区域是冷却剂流通路。
图3图示了常用在功率发生涡轮机中的已知的厚后缘冷却方案，其包括具有直内壁的后缘槽；
图4图示了用于涡轮叶片或导叶的后缘槽，其中内槽壁的其中一个根据本发明的一个实施例是小圆齿状的；
图5是根据一个实施例在图4中描绘的涡轮叶片或导叶的端视图；
图6是根据另一个实施例在图4中描绘的涡轮叶片或导叶的端视图；
图7是图示根据一个实施例用于涡轮叶片或导叶的小圆齿状后缘的透视图；
图8图示了根据一个实施例用于高压涡轮叶片或导叶的V字形后缘；
图9是图示可采用本发明的各种实施例的燃气涡轮发动机的简化示意图；
图10是横截视图，其描绘根据本发明的一个实施例的涡轮叶片的后缘中的流体喷射元件的放置和操作，以降低由于尾流和/或冲击相互作用导致的空气动力学损耗，并将热尾流隔离效应降低至期望水平。
图11是横截视图，其描绘根据本发明的另一个实施例的涡轮叶片的后缘中的流体喷射元件的放置和操作，以降低由于尾流和/或冲击相互作用导致的空气动力学损耗，并将热尾流隔离效应降低至期望水平；
图12是横截视图，其描绘根据本发明的另一个实施例的涡轮叶片的后缘中的流体喷射元件的放置和操作，以降低由于尾流和/或冲击相互作用导致的空气动力学损耗，并将热尾流隔离效应降低至期望水平；
图13图示了根据一个实施例导致低动量流体在翼型件的吸力侧附近积聚，同时尾流外的高动量流体向邻近翼型件的压力侧移动的下游叶片列中的尾流迁移和流体的转向；
图14图示了速度三角，显示了引入次级流的上游翼型件的尾流，如果尾流具有比周围流低的速度，则该次级流常称作“滑移”速度，或“负向”射流，或者如果尾流具有比周围流高的速度，则称为“正向”射流；
图15图示了根据一个实施例基于上游叶片列的热尾流的混合的尾流温度比和翼型件表面温度差的相互关系，以通过降低下游叶片列内的热隔离效应减小邻近下游叶片列的热负荷；
图16用单一草图图示了速度尾流和热尾流的混合；
图17图示了根据一个实施例设置在涡轮叶片或导叶的后缘中的流体喷射槽；
图18图示了根据一个实施例设置在涡轮叶片或导叶的后缘中的流体喷射孔；
图19图示了根据一个实施例涡轮叶片或导叶的吸力侧上的V字形后缘；
图20图示了根据一个实施例涡轮叶片或导叶的压力侧上的V字形后缘；
图21图示了根据一个实施例涡轮叶片或导叶的压力侧后缘上的冷却槽；以及
图22是图21中描绘的涡轮叶片或导叶的横截顶视图。
尽管以上标识的附图图形描述了备选实施例，但是如在讨论中指出的，也考虑了本发明的其他实施例。在所有情况下，此公开均通过描述而非限制的方式说明本发明的实施例。本领域技术人员可设想落入本发明的原理的范围和精神内的许多其它的改型和实施例。
零部件列表
(10)流体喷射元件
(12)涡轮叶片的后缘
(14)涡轮叶片
(16)流体产生的涡流
(22)尾流
(26)流体
(30)涡轮叶片
(32)金属
(34)冷却剂流通路
(36)后缘槽
(38)后缘槽内壁
(40)后缘槽
(42)HPT叶片/导叶
(44)后缘小圆齿状槽内壁
(50)HPT叶片小圆齿状后缘
(60)HPT叶片V字形后缘
(100)燃气涡轮发动机
(124)燃气涡轮发动机HPT
(128)燃气涡轮发动机LPT
(200)流体喷射元件
(202)流体喷射孔
(204)流体喷射孔
(210)流体喷射元件
(212)流体喷射孔
(220)流体喷射元件
(222)流体喷射孔
(300)涡轮叶片/导叶
(304)压力侧后缘
具体实施方式
根据诸如图10-12和17-18中描绘的那些在本文中进一步详细描述的特定实施例，在高压涡轮(HPT)叶片或导叶的大致弓形的厚后缘中设置了冷却孔尾流混合元件，以提供后缘尾流混合方案。不同于平行于主流道喷射流体的常规后缘尾流混合方案，这些实施例有利地以相对于该主流道的桨距角和/或偏航角喷射流体，从而产生本文进一步详细描述的期望的流向涡流。
根据诸如图4-8和19-20中描绘的那些在本文中进一步详细描述的其他实施例，在高压涡轮叶片或导叶的压力侧、吸力侧或压力侧和吸力侧两者上设置V字形后缘，以提供压力侧泄放槽后缘尾流混合方案。
根据又其他的实施例，放置诸如图10-12和21-22中描绘的那些在本文进一步详细描述的流体喷射元件/结构，从而以相对于对应的涡轮叶片壁预定的角度喷射流体，以便与小圆齿状的后缘槽壁(诸如图4-8中所描绘的)通道流相互作用，并从此喷射的流以及小圆齿状槽通道流的相互作用产生流向涡流。调整该流向涡流生成和强度以与对应的尾流相互作用，尾流例如但不限于后缘尾流，并使得其混合，从而到其与下游行进冲击以及发动机部件相互作用时减小其速度缺陷。
用于产生流向涡流的这些流体技术起作用以增强尾流混合并导致尾流的快速耗散。发生在高压涡轮叶片/导叶14处的尾流的快速耗散降低了否则将在这些尾流与相邻低压涡轮(LPT)叶片/导叶以及它们对应的流结构相互作用时发生的空气动力学损耗。
根据一个实施例，适合于实现本文所述原理的涡流的流体产生使用稳定喷出而实现。另一个实施例可采用脉动喷出。又另一个实施例采用稳定喷出和脉动喷出两者来实现期望的流向涡流。一些实施例可进一步采用增强此类涡流的产生的几何形状特征。几何形状特征基于期望的应用，并且可包括但不限于孔、槽和它们的不同几何形状组合。一对喷射孔例如可在尺寸和喷射的定向方面进行调整以产生期望的或需要的特征，包括但不限于强度、持续性以及频率(如果采用了非稳定喷出)。
适合用来实现本文所述原理的用于涡流的流体产生的一个实施例通过改变已经用来主动冷却HPT和/或LPT涡轮叶片表面的孔和/或槽来实现，从而获得期望的流向涡流。此类实施例利用现有的冷却基础结构，需要最少的再设计以实现期望的涡流。
用于根据本文所述的原理促进尾流混合的手段不限于简单的后缘方向喷射。它们可扩展至用附加的几何特征工作，这些特征导致局部涡流的形成以增强尾流混合。这些特征可包括但不限于诸如图4-8中描绘的小圆齿状后缘。
图4图示了用于HPT涡轮叶片或导叶42的后缘槽40，其中内槽壁44的其中一个根据本发明的一个实施例是小圆齿状的。图5是根据一个实施例在图4中描绘的涡轮叶片或导叶42的端视图。图6是根据另一个实施例在图4中描绘的涡轮叶片或导叶42的端视图。小圆齿状内槽壁44操作以在使用1)仅流体喷射元件/结构或冷却孔，2)仅使用叶片/导叶平台或拱起的变化，或3)使用流体喷射元件/结构结合具有直内壁的后缘槽可获得的尾流混合之外而进一步增强经由涡轮叶片42产生的尾流的混合。
图7是图示根据另一个实施例用于高压涡轮(HPT)叶片或导叶的小圆齿状后缘50的透视图。图8图示了根据又另一个实施例用于高压涡轮叶片或导叶的V字形后缘60。如本文所用，V字形310限定为三角形锯齿状平面变化，其或者如在图20中所示的用在高压涡轮叶片或导叶的压力侧304上，如图19中所示的用在吸力侧上，或者用在压力侧和吸力侧两者之上，该高压涡轮叶片或导叶诸如但不限于如图3中所描绘的叶片。
比方说例如图21和22中描绘的具有尖锐的压力侧和吸力侧后缘304，306以及压力侧冷却槽302的燃气涡轮机叶片/导叶300可构造成使得下唇或上唇或两侧均可采用V字形或小圆齿状表面或两者的组合，其中冷却通道302以几何形状特征对齐，使得流向涡流的产生被最大化的方式对齐。图21是图示适合用于用在飞机发动机应用中的涡轮叶片/导叶300的后缘部分，此处后缘304，306比用于功率发生机械的后缘薄。
流向涡流因而经由设置在诸如图17和18中所描绘的后缘(TE)上的一个或多个流体喷射元件400，402产生，图17和18分别图示了流体喷射槽400和流体喷射孔402，且流体喷射元件可与高压涡轮(HPT)或低压涡轮(LPT)叶片的一个或多个几何形状特征一体结合，使得局部涡流增强在使用已知技术可获得的尾流混合之外增强尾流混合。根据一个实施例，各流体喷射元件构造成将诸如空气流的流体喷入对应HPT或LPT涡轮叶片的后缘区域，从而与对应的通道流体流相互作用，并由喷射流体流和通道流体流的相互作用产生流向涡流，以增强(HP或LP)涡轮叶片的后缘后的尾流的混合。涡轮叶片的后缘后增强的尾流混合降低了HPT/LPT相互作用损耗和/或使得能够缩短燃气涡轮发动机中HPT和LPT部件之间的轴向间隙。
更具体而言，利用涡流的产生，已经描述了用来减小总的压力梯度和总的温度梯度两者的系统和方法实施例。这重新调节了进入下游翼型件列的流。上游叶片列的热尾流的混合有利于通过降低下游叶片列内的热隔离效应而降低相邻下游叶片列的热负荷。此效应通过图15中所示的图表而更详细地图示，该图描绘了尾流温度比和翼型件表面温度差的相互关系，其中该图表中的尾流温度比限定为尾流区域中的总温度除以尾流之外的流区域中的总温度。
在认识到在空气动力学性能和系统/热要求之间将需要折衷的情况下，用于空气动力学性能的现有技术可进行修改以实施本文所述的原理。因此，用于空气动力学性能的现有技术可进行修改以实施本文所述的原理，只要可以同时达成空气动力学性能和系统/热要求。
图9是图示可采用本发明的各种实施例的燃气涡轮发动机100的一部分横截面视图的简化示意图。可见到燃气涡轮发动机100包括与对应的LPT 128相互作用的HPT 124。
图10是横截视图，其描绘根据本发明的一个实施例的HP或LP涡轮叶片14的大致弓形的后缘12中的流体喷射元件200的放置和操作，以降低由于尾流和/或冲击相互作用导致的空气动力学损耗，并进一步将热尾流隔离效应降低至期望水平。流体喷射元件200包括一对流体喷射孔202，204，该流体喷射孔构造成根据本文所述的原理将诸如空气的期望流体26喷入叶片14的后缘的压力侧和吸力侧两者。
图11是横截视图，其描绘根据本发明的另一个实施例的HP或LP涡轮叶片14的大致弓形的后缘12中的流体喷射元件210的放置和操作，以降低由于尾流和/或冲击相互作用导致的空气动力学损耗，并进一步将热尾流隔离效应降低至期望水平。形成流体喷射元件210的一部分的流体喷射孔212构造成根据本文所述的原理将诸如空气的期望流体26喷入叶片14的后缘12的末梢部分。
图12是横截视图，其描绘根据本发明的另一个实施例的HP或LP涡轮叶片14的大致弓形的后缘12中的流体喷射元件220的放置和操作，以降低由于尾流和/或冲击相互作用导致的空气动力学损耗，并进一步将热尾流隔离效应降低至期望水平。形成流体喷射元件220的一部分的流体喷射孔222构造成根据本文所述的原理将诸如空气的期望流体26喷入叶片14的后缘12的压力侧或吸力侧。
本文所述的实施例有利地降低了由于尾流和冲击相互作用导致的空气动力学损耗。这些损耗包括对于超音速导叶/叶片的稳态和非稳态损耗以及当叶片/导叶是亚音速时由于尾流相互作用所导致的非稳态损耗。本文所述的实施例还有利地降低了非稳态热尾流隔离效应，该效应导致由导致热尾流迁移效应的冷尾流和热燃烧后气体造成的下游叶片的端壁的不期望的加热。
本文所述的原理可轻易地用于选择性地混合经由HP或LP燃气涡轮机叶片产生的尾流，其中该选择基于HPT和/或LPT叶片或导叶的类型，并使得由于尾流和/或冲击相互作用引起的对应的空气动力学损耗降低至期望水平，且进一步基于一个或多个下游涡轮叶片或导叶空气动力学要求和热要求使得对应的热尾流隔离效应降低至期望的水平。
尽管本文仅说明并描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员将想到许多改型和改变。因此应该理解的是，所附权利要求书意图覆盖落入本发明真实精神之内的所有此类变更和改变。

Claims (10)

1.一种高压涡轮(HPT)叶片(14)或导叶(14)，包括：
包括后缘冷却孔(202)，(204)的布置的大致弓形的后缘(12)，所述后缘冷却孔构造为流体喷射元件，以将流体从该处以相对于主流的一个或多个角度喷射，从而产生使尾流混合的涡流，使得由于所述尾流和冲击相互作用导致的空气动力学损耗降低至期望水平，并且进一步使得热尾流隔离效应降低至期望水平。
2.根据权利要求1所述的HPT叶片或导叶(14)，其特征在于，至少一个流体喷射元件(202)，(204)构造成将流体喷射在所述后缘(12)的压力侧上。
3.根据权利要求1所述的HPT叶片或导叶(14)，其特征在于，至少一个流体喷射元件(202)，(204)构造成将流体喷射在所述后缘(12)的吸力侧上。
4.根据权利要求1所述的HPT叶片或导叶(14)，其特征在于，至少一个流体喷射元件(202)构造成将流体喷射在所述后缘(12)的所述压力侧上，且至少一个不同的流体喷射元件(204)构造成将流体喷射在所述后缘(12)的所述吸力侧上。
5.根据权利要求1所述的HPT叶片或导叶(14)，其特征在于，一个或多个流体喷射元件(202)构造成以流体流的预先确定的固定速度喷射所述流体，同时通过不同的喷射元件(204)以流体的脉动喷射喷射所述流体。
6.根据权利要求1所述的HPT叶片或导叶(14)，其特征在于，各喷射元件(202)，(204)还在尺寸和相对于其对应的涡轮叶片或导叶(14)的定向方面构造成使得所述一个或多个喷射元件(202)，(204)产生流向涡流，所述流向涡流具有包括期望的涡流强度、期望的涡流持久性以及期望的涡流频率的至少其中一个的特性。
7.根据权利要求1所述的HPT叶片或导叶(14)，其特征在于，所述叶片或导叶还包括一个或多个涡轮叶片或导叶几何形状元件(200)，其中所述一个或多个几何形状元件(200)结合所述一个或多个流体喷射元件一起构造成使经由所述HPT涡轮叶片或导叶(14)产生的所述尾流混合。
8.根据权利要求7所述的HPT叶片或导叶(14)，其特征在于，所述一个或多个几何形状元件(200)包括一个或多个流体通道。
9.根据权利要求7所述的HPT涡轮叶片或导叶(14)，其特征在于，所述一个或多个几何形状元件选自小圆齿状后缘，V字形后缘，后缘冷却槽以及它们的组合。
10.根据权利要求7所述的HPT叶片或导叶(14)，其特征在于，所述一个或多个几何形状元件(200)包括后缘槽，其中该槽的至少一个内壁在所述槽的展向方向上是小圆齿状的。
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