CN102454421B - 具有用于控制流体动态的凹槽的旋转机械 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有用于控制流体动态的凹槽的旋转机械。具体而言，一种系统包括旋转机械(150)，该旋转机械(150)包括定子(540)、构造成用以相对于定子(540)旋转的转子(500)、沿着定子(540)或转子(500)的圆周布置的多个轴向凹槽(520)、沿着圆周布置的多个叶片区段(502)，其中，该多个叶片区段(502)中的每个叶片区段(502)包括联接到安装基部(512)上的叶片(510)，该安装基部(512)被支撑在该多个轴向凹槽(520)的相应轴向凹槽(520)中，并且该多个叶片(510)围绕圆周具有非均匀的叶片间隔。

Description

具有用于控制流体动态的凹槽的旋转机械
技术领域
本文所公开的主题涉及旋转机械，并且更具体而言，涉及涡轮和压缩机，其具有围绕转子布置的叶片或围绕定子布置的静叶。
背景技术
涡轮发动机从流体流获取能量，并且将能量转变成可用的功。例如，燃气涡轮发动机使燃料-空气混合物燃烧以便产生热的燃烧气体，该热的燃烧气体然后流过涡轮叶片以驱动转子。令人遗憾的是，旋转的涡轮叶片产生尾波和头波，这些尾波和头波可激励燃气涡轮发动机中的结构。例如，尾波和头波可引起热燃烧气体的通路中的静叶、喷嘴、翼型件和其它结构的振动、过早磨损和损坏。此外，尾波和头波的周期特性可造成燃气涡轮发动机中的共振行为，从而在燃气涡轮发动机中产生振幅越来越大的振荡。
发明内容
下面概述了某些实施例。这些实施例不意图限制要求保护的本发明的范围，相反，这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要概述。实际上，本发明可包括与下文所述的实施例相似或不同的多种形式。
在第一实施例中，一种系统包括旋转机械，该旋转机械包括定子、构造成用以相对于定子旋转的转子、沿着定子或转子的圆周布置的多个轴向凹槽、沿着圆周布置的多个叶片区段，其中，该多个叶片区段中的每个叶片区段包括联接到安装基部上的叶片，该安装基部被支撑在该多个轴向凹槽的相应轴向凹槽中，并且该多个叶片围绕圆周具有非均匀的叶片间隔。
在第二实施例中，一种系统包括旋转机械，该旋转机械包括围绕旋转轴线沿周向布置的多个第一轴向支座、围绕旋转轴线沿周向布置的多个第二轴向支座，其中，每个第一轴向支座在沿着旋转轴线的轴向方向上与相应的第二轴向支座联接，并且多个叶片联接到该多个第二轴向支座上，其中，该多个叶片沿周向围绕旋转轴线具有非均匀的叶片间隔。
在第三实施例中，一种系统包括涡轮机械，该涡轮机械包括定子、构造成用以相对于定子旋转的转子、沿着转子的圆周布置的多个轴向凹槽，以及联接到该多个轴向凹槽上的多个叶片，其中，该多个叶片布置在转子与定子之间的流体流通路中，并且该多个叶片沿着圆周具有非均匀的叶片间隔。
附图说明
当参照附图来阅读下述详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更容易理解，所有附图中的相似标号表示相似的部件，在附图中：
图1为穿过纵轴线截取的图1的燃气涡轮发动机的一个实施例的截面图；
图2为带有非均匀间隔的叶片的转子的一个实施例的正视图；
图3为带有非均匀间隔的叶片的转子的一个实施例的正视图；
图4为带有非均匀间隔的叶片的转子的一个实施例的正视图；
图5为三个转子的一个实施例的透视图，其中每个转子具有不同的非均匀间隔的叶片；
图6为在叶片之间带有不同大小的间隔物的转子的一个实施例的正视图的一部分；
图7为在叶片之间带有不同大小的间隔物的转子的一个实施例的顶视图；
图8为在叶片之间带有不同大小的间隔物的转子的一个实施例的顶视图；
图9为具有T形几何形状的叶片的一个实施例的正视图；
图10为转子的一个实施例的正视图的一部分，其中叶片具有不同大小的基部；
图11为转子的一个实施例的顶视图，其中叶片具有不同大小的基部；
图12为转子的一个实施例的顶视图，其中叶片具有不同大小的基部；
图13为在静叶之间带有不同大小的间隔物的定子的一个实施例的正视图的一部分；
图14为定子的一个实施例的正视图的一部分，其中静叶具有不同大小的基部；
图15为带有非均匀间隔的凹槽的转子的一个实施例的正视图的一部分；
图16为带有非均匀间隔的轴向凹槽的转子的一个实施例的透视图的一部分；
图17为带有非均匀间隔的凹槽的定子的一个实施例的正视图的一部分；
图18为带有非均匀间隔的叶片的转子的一个实施例的正视图的一部分，其中在轴向凹槽中带有均匀间隔的叶片基部；
图19为带有非均匀间隔的静叶的定子的一个实施例的正视图的一部分，其中在轴向凹槽中带有均匀间隔的静叶基部；
图20为叶片区段的一个实施例的正视图，其中叶片居中于叶片基部上；
图21为叶片区段的一个实施例的正视图，其中叶片偏移至叶片基部中心的左边；
图22为叶片区段的一个实施例的正视图，其中叶片偏移至叶片基部中心的右边；
图23为叶片安装适配器以及安装在叶片安装适配器内的叶片区段的一个实施例的正视图，其中，叶片区段居中于叶片安装适配器中；
图24为叶片安装适配器以及叶片安装适配器内的叶片区段的一个实施例的正视图，其中，叶片区段偏移至叶片安装适配器中心的左边；以及
图25为叶片安装适配器以及叶片安装适配器内的叶片区段的一个实施例的正视图，其中，叶片区段偏移至叶片安装适配器中心的右边。
项目清单
150燃气涡轮发动机
152压缩机
154涡轮
156进气区段
158燃烧器
160排气区段
162压缩机级
164旋转的压缩机叶片
166静止的压缩机静叶
168燃料喷嘴
170过渡件
172涡轮级
174级
176级
178级
180旋转涡轮叶片
182涡轮静叶
184相应的涡轮叶轮
186旋转轴
200转子
202区段
204区段
206中间线
208叶片
210第一周向间隔
212第二周向间隔
220转子
222区段
224区段
226区段
228区段
230中间线
232中间线
234叶片
236周向距离
238周向距离
240周向距离
242周向距离
250转子
252区段
254区段
256区段
258中间线
260中间线
262中间线
264叶片
266周向距离
268周向距离
270周向距离
280转子
282转子
284转子
286叶片
288上区段
290上区段
292上区段
294下区段
296下区段
298下区段
310转子
312不同大小的间隔物
314基部
316叶片
318尺寸
320尺寸
322尺寸
324不同大小的间隔物
326基部之间
328叶片
330成角度的对接部
332角度
334线
340转子
342不同大小的间隔物
344基部
346叶片
350非平直的对接部
352第一弯曲部分
354第二弯曲部分
360叶片
361T形几何形状
362基部部分
364叶片部分
366第一凸缘
368第二凸缘
370颈部
372槽口
374槽口
384转子
386不同大小的基部
388叶片
390尺寸
392尺寸
394尺寸
400转子
402不同大小的叶片基部
404支撑叶片
406成角度的对接部
408角度
409线
410转子
412不同大小的叶片基部
414支撑叶片
416非平直的对接部
418第一弯曲部分
420第二弯曲部分
440定子
442不同大小的间隔物
444基部之间
446静叶
448尺寸
450尺寸
452尺寸
460定子
462不同大小的基部
464静叶
466尺寸
468尺寸
470尺寸
500转子
502间隔的叶片区段
504距离
506距离
508距离
510叶片
512叶片基部
519轴向方向
520凹槽
521轴线
522小的
524中等的
526大的
540定子
542叶片区段
544距离
546距离
548距离
550静叶
552静叶基部
562静叶基部
570转子
572叶片区段
573凹槽
574叶片基部
576叶片
600定子
602叶片区段
603凹槽
604基部
606静叶
630叶片区段
632叶片
634叶片基部
636中心线
638中心线
640距离
642距离
670叶片安装适配器(blademountingadapter)
671空腔
672叶片区段
674叶片基部
676叶片
678中心线
680中心线
682距离
684距离
具体实施方式
下文将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简要描述，在说明书中可不描述实际实现方式的所有特征。应当认识到，在任何这些实际实现方式的开发中，如在任何工程或设计项目中那样，必须作出许多实现方式特定的决定以实现开发者的特定目标，例如遵循系统相关和商业相关的限制，这可从一个实施方式到另一个变化。此外，应当认识到，这些开发工作可能很复杂且耗时，但对于受益于本公开的普通技术人员来说，仍是设计、生产和制造的常规任务。
在介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表示存在一个或多个元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图为包括性的，并且意指可存在除了所列元件之外的额外元件。
所公开的实施例针对旋转机械或涡轮机械(例如涡轮或压缩机)中的非均匀间隔的叶片，以便减少尾波和头波的形成。如下文所述，叶片的非均匀间隔减小或消除尾波和头波的周期特性，从而减小旋转机械中的共振行为的可能性。换言之，叶片和静叶的非均匀间隔可降低或消除尾波和头波由于叶片和静叶的周期性间隔造成振幅增大的能力，并且因此，减小或消除尾波和头波的周期性驱动力。作为替代，叶片和静叶的非均匀间隔可抑制和减小由尾波和头波引起的其它旋转翼型件和静止翼型件或结构的响应，这是由于尾波和头波的非周期性产生。在某些实施例中，叶片的非均匀间隔可利用相邻叶片之间的不同大小的间隔物、相邻叶片的不同大小的基部、轴向凹槽之间的非均匀间隔、使翼型件在其基部上的位置偏移、使用将翼型件基部及其翼型件偏移的轴向支座或其任何组合来实现。叶片的非均匀间隔可包括围绕特定级(例如涡轮或压缩机级)的圆周的叶片的非均匀间隔、从一个级至另一级的叶片的非均匀间隔，或其组合。非均匀的叶片间隔有效地减小和抑制由旋转叶片产生的尾波和头波，从而减小由这样的尾波和头波在旋转的和静止的翼型件或结构上造成振动、过早磨损和损坏的可能性。尽管下述实施例在燃气涡轮的情形下描述，但应当理解的是，任何涡轮可使用非均匀的叶片间隔来抑制和减小静止部件中的共振行为。此外，本公开意图覆盖可移动除空气外的流体(例如水、蒸汽等)的旋转机械。
所公开的非均匀间隔或改变数目的旋转叶片或静止静叶的实施例可用于任何合适的旋转机械(例如涡轮、压缩机和旋转泵)中。然而，为了论述的目的，所公开的实施例是在燃气涡轮发动机的情形下提出的。图1为燃气涡轮发动机150的一个实施例的截面侧视图。如下文进一步描述的那样，可在燃气涡轮发动机150内使用非均匀间隔或改变数目的旋转叶片或静止静叶以便减少和/或抑制流体流中的尾波和头波的周期性振荡、振动和/或谐波行为。例如，非均匀间隔或改变数目的旋转叶片或静止静叶可用于燃气涡轮发动机150的压缩机152和涡轮154中。此外，非均匀间隔或改变数目的旋转叶片或静止静叶可用于压缩机152和涡轮154的单级或多级中，并且可从一个级到另一级变化。
在所示的实施例中，燃气涡轮发动机150包括进气区段156、压缩机152、一个或多个燃烧器158、涡轮154，以及排气区段160。压缩机152包括多个压缩机级162(例如1至20级)，每个级具有多个旋转的压缩机叶片164以及静止的压缩机静叶166。压缩机152构造成用以从进气区段156吸入空气，并且逐渐地增大级162中的空气压力。最后，燃气涡轮发动机150将压缩空气从压缩机152引导至一个或多个燃烧器158。各燃烧器158构造成用以将压缩空气与燃料相混合，使燃料空气混合物燃烧，并且将热的燃烧气体朝涡轮154引导。因此，各燃烧器158包括一个或多个燃料喷嘴168以及通向涡轮154的过渡件170。涡轮154包括多个涡轮级172(例如1至20级)，例如级174、176和178，每个级具有多个旋转的涡轮叶片180以及静止的喷嘴组件或涡轮静叶182。涡轮叶片180又联接到相应的涡轮叶轮184上，涡轮叶轮184联接到旋转轴186上。涡轮154构造成用以从燃烧器158吸入热的燃烧气体，并且从热的燃烧气体逐渐获取能量来驱动涡轮级172中的叶片180。当热的燃烧气体引起涡轮叶片180旋转时，轴186旋转以驱动压缩机152和任何其它合适的负载，例如发电机。最后，燃气涡轮发动机150通过排气区段160扩散和排出燃烧气体。
如下文详细描述那样，非均匀间隔或改变数目的旋转叶片或静止静叶的多种实施例可用于压缩机152和涡轮154，以便以减少非期望行为(例如共振和振动)的方式调节流体动态。例如，如参照图2至图14所述的那样，压缩机叶片164、压缩机静叶166、涡轮叶片180和/或涡轮静叶182的非均匀间隔可选择为用以减小、抑制或频移燃气涡轮发动机150中产生的尾波和头波。同样，如参照图15至图17所述的那样，叶片和/或静叶因为围绕定子和/或转子的凹槽的非均匀间隔而非均匀地间隔开。因而，可选择凹槽在定子和/或转子上的位置来减少、抑制或频移燃气涡轮发动机150中产生的尾波和头波。此外，如参照图18至图22所述的那样，在叶片基部上移动叶片可使叶片非均匀地间隔开，同时保持叶片基部和凹槽的均匀间隔。因而，减少、抑制或频移涡轮150中产生的尾波和头波。最后，如参照图23至图25所述的那样，通过使翼型件基部以及均匀间隔的凹槽内的相应翼型件偏移，叶片安装适配器可使叶片非均匀地间隔开。这减少、抑制或频移涡轮中产生的尾波和头波，从而改善燃气涡轮发动机150的性能并延长燃气涡轮发动机150的寿命。
图2为带有非均匀间隔的叶片的转子200的一个实施例的正视图。在某些实施例中，转子200可布置在涡轮、压缩机或另一旋转机械中。例如，转子200可布置在燃气涡轮、蒸汽涡轮、水轮机或其任何组合中。此外，转子200可用于旋转机械的多个级中，每个级具有相同或不同布置的非均匀间隔的叶片。
所示的转子200具有非均匀间隔的叶片208，其可通过将转子200经由中间线206分成两个均等的区段202和204(例如各180度)来描述。在某些实施例中，各区段202和204可具有不同数目的叶片208，从而产生非均匀的叶片间隔。例如，所示的上区段202具有三个叶片208，而所示的下区段204具有六个叶片208。因此，上区段202具有如下区段204的一半那么多的叶片208。在其它实施例中，上区段202和下区段204可在叶片208的数目上差别为大约1至1.005、1至1.01、1至1.02、1至1.05或1至3。例如，上区段202的叶片208相对于下区段204的叶片208的百分比可在大约50％至99.99％、75％至99.99％、95％至99.99％，或97％至99.99％的范围之间。然而，上区段202与下区段204之间的叶片208的数目上的任何差异都可用于减少和抑制静止的翼型件或结构上与叶片208的旋转相关的尾波和头波。
此外，叶片208可在各区段202和204内均匀或非均匀地间隔。例如，在所示的实施例中，上区段202中的叶片208以第一周向间隔210(例如弧长)彼此均匀地间隔，而下区段204中的叶片208以第二周向间隔212(例如弧长)彼此均匀地间隔。尽管各区段202和204具有均等的间隔，但周向间隔210不同于周向间隔212。在其它实施例中，周向间隔210在上区段202中可从一个叶片208到另一叶片不同，和/或周向间隔212在下区段204中可从一个叶片208到另一叶片不同。在这些实施例的每个实施例中，非均匀的叶片间隔构造成用以减小由于旋转的翼型件或结构周期性地产生尾波和头波而在静止的翼型件和结构上引起共振的可能性。非均匀的叶片间隔可有效地抑制和减少尾波和头波，这是由于它们通过非均匀的旋转翼型件或结构的非周期性产生。这样，非均匀的叶片间隔能够减轻尾波和头波在各种下游构件(例如静叶、喷嘴、定子、翼型件等)上的影响。
图3为带有非均匀间隔的叶片的转子220的一个实施例的正视图。在某些实施例中，转子220可布置在涡轮、压缩机或另一旋转机械中。例如，转子220可布置在燃气涡轮、蒸汽涡轮、水轮机或其任何组合中。此外，转子220可用于旋转机械的多个级中，每个级具有相同或不同布置的非均匀间隔的叶片。
所示的转子220具有非均匀间隔的叶片234，其可通过将转子220经由中间线230和232分成四个均等的区段222、224、226和228(例如各90度)来描述。在某些实施例中，其中至少一个或多个区段222、224、226和228相对于其它区段可具有不同数目的叶片234，从而产生非均匀的叶片间隔。例如，区段222、224、226和228可在相应区段中具有1种、2种、3种或4种不同数目的叶片234。在所示的实施例中，各区段222、224、226和228具有不同数目的叶片234。区段222具有以周向距离236彼此等距间隔的3个叶片，区段224具有以周向距离238彼此等距间隔的6个叶片，区段226具有以周向距离240彼此等距间隔的2个叶片，并且区段228具有以周向距离242彼此等距间隔的5个叶片。在该实施例中，区段224和226具有偶数个但不同数目的叶片234，而区段222和228具有奇数个但不同数目的叶片234。在其它实施例中，假设至少一个区段相对于其余区段具有不同数目的叶片234，则区段222、224、226和228可具有任何构造的偶数和奇数个叶片234。例如，区段222、224、226和228可相对于彼此在叶片234的数目上差别为大约1至1.005、1至1.01、1至1.02、1至1.05，或1至3。
此外，叶片234在各区段222、224、226和228内可均匀或非均匀地间隔。例如，在所示的实施例中，区段222中的叶片234以第一周向间隔236(例如弧长)彼此均匀地间隔，区段224中的叶片234以第二周向间隔238(例如弧长)彼此均匀地间隔，区段226中的叶片234以第三周向间隔240(例如弧长)彼此均匀地间隔，并且区段228中的叶片234以第四周向间隔242(例如弧长)彼此均匀地间隔。尽管各区段222、224、226和228具有均等的间隔，但周向间隔236、238、240和242从一个区段到另一区段不同。在其它实施例中，周向间隔可在各单独区段内变化。在这些实施例中的每个实施例中，非均匀的叶片间隔构造成用以减小由于尾波和头波的周期性产生引起共振的可能性。此外，非均匀的叶片间隔可有效地抑制和减少由于旋转的翼型件或结构的尾波和头波引起的静止翼型件或结构的响应，这是由于它们通过叶片234的非周期性产生。这样，非均匀的叶片间隔能够减轻尾波和头波在各种下游构件(例如静叶、喷嘴、定子、翼型件等)上的影响。
图4为带有非均匀间隔的叶片的转子250的一个实施例的正视图。在某些实施例中，转子250可布置在涡轮、压缩机或另一旋转机械中。例如，转子250可布置在燃气涡轮、蒸汽涡轮、水轮机或其任何组合中。此外，转子250可用于旋转机械的多个级中，每个级具有相同或不同布置的非均匀间隔的叶片。
所示的转子250具有非均匀间隔的叶片264，其可通过将转子250经由中间线258、260和262分成三个均等的区段252、254和256(例如各120度)来描述。在某些实施例中，其中至少一个或多个区段252、254和256相对于其它区段可具有不同数目的叶片264，从而产生非均匀的叶片间隔。例如，区段252、254和256在相应区段中可具有2种或3种不同数目的叶片264。在所示的实施例中，各区段252、254和256具有不同数目的叶片264。区段252具有以周向距离266彼此等距间隔的3个叶片，区段254具有以周向距离268彼此等距间隔的6个叶片，并且区段256具有以周向距离270彼此等距间隔的5个叶片。在该实施例中，区段252和256具有奇数个但不同数目的叶片264，而区段254具有偶数个叶片264。在其它实施例中，假设至少一个区段相对于其余区段具有不同数目的叶片264，则区段252、254和256可具有任何构造的偶数和奇数个叶片264。例如，区段252、254和256可相对于彼此在叶片264的数目上差别为大约1至1.005、1至1.01、1至1.02、1至1.05，或1至3。
此外，叶片264可在各区段252、254和256内均匀或非均匀地间隔。例如，在所示的实施例中，区段252中的叶片264以第一周向间隔266(例如弧长)彼此均匀地间隔，区段254中的叶片264以第二周向间隔268(例如弧长)彼此均匀地间隔，并且区段256中的叶片264以第三周向间隔270(例如弧长)彼此均匀地间隔。尽管各区段252、254和256具有均等的间隔，但周向间隔266、268和270从一个区段到另一区段不同。在其它实施例中，周向间隔可在各单独区段内变化。在这些实施例中的每个实施例中，非均匀的叶片间隔构造成用以减小由于尾波和头波的周期性产生引起共振的可能性。此外，非均匀的叶片间隔可有效地抑制和减少由于旋转的翼型件或结构的尾波和头波引起的静止翼型件或结构的响应，这是由于它们通过叶片264的非周期性产生。这样，非均匀的叶片间隔能够减轻尾波和头波在各种下游构件(例如静叶、喷嘴、定子、翼型件等)上的影响。
图5为三个转子280、282和284的一个实施例的透视图，其中每个转子具有不同的非均匀间隔的叶片286。例如，所示的转子280、282和284可对应于如图1中所示的压缩机152或涡轮154的三个级。如图所示，各转子280、282和284在相应的上区段288、290和292以及相应的下区段294、296和298之间具有非均匀间隔的叶片286。例如，转子280包括上区段288中的三个叶片286以及下区段294中的五个叶片286，转子282包括上区段290中的四个叶片286以及下区段296中的六个叶片286，并且转子284包括上区段292中的五个叶片286以及下区段298中的七个叶片286。因此，上区段280、282和284相对于各相应转子280、282和284中的下区段294、296和298具有更大数目的叶片286。在所示的实施例中，叶片286的数目从一个上区段到另一上区段增加一个叶片286，同时还从一个下区段到另一下区段增加一个叶片286。在其它实施例中，上区段和下区段在各单独的转子内和/或从一个转子到另一转子可在叶片286的数目上差别为大约1至1.005、1至1.01、1至1.02、1至1.05，或1至3。此外，叶片286可在各区段288、290、292、294、296和298内均匀或非均匀地间隔。
在这些实施例中的每个实施例中，非均匀的叶片间隔构造成用以减小由于尾波和头波的周期性产生引起共振的可能性。此外，非均匀的叶片间隔可有效地抑制和减少由于旋转的翼型件或结构的尾波和头波引起的静止翼型件或结构的响应，这是由于它们通过叶片286的非周期性产生。这样，非均匀的叶片间隔能够减轻尾波和头波在各种下游构件(例如静叶、喷嘴、定子、翼型件等)上的冲击。在图5的实施例中，非均匀的叶片间隔设置在各单独的转子280、282和284内，并且还从一个转子到另一转子(例如一级到另一级)设置。因此，从一个转子到另一转子的非均匀性可进一步减小由于旋转机械中的尾波和头波的周期性产生引起共振的可能性。
图6为在叶片316的基部314之间带有不同大小的间隔物312的转子310的一个实施例的正视图的区段。具体而言，不同大小的间隔物312使得能够实现带有相同大小的基部314和/或叶片316的多种非均匀叶片间隔的构造，从而降低叶片316的生产成本。尽管任何数目和大小的间隔物312可用于提供非均匀的叶片间隔，但为了论述的目的，所示的实施例包括三种不同大小的间隔物312。所示的间隔物312包括标为“S”的小间隔物、标为“M”的中等间隔物，以及标为“L”的大间隔物。间隔物312的大小可沿周向方向变化，如对于小间隔物由尺寸318所示的那样，对于中等间隔物由尺寸320所示的那样，以及对于大间隔物由尺寸322所示的那样。在某些实施例中，多个间隔物312可布置在相邻的基部314之间，其中，间隔物312具有相同或不同的大小。换言之，不同大小的间隔物312可为使用多个较小的间隔物来产生较大间隔的单件式构造或多件式构造。在任一实施例中，尺寸318、320和322可逐渐地增加大约1％至1000％、5％至500％，或10％至100％的百分比。在其它实施例中，转子310可包括更多或更少的不同大小的间隔物312，例如2个至100个、2个至50个、2个至25个，或2个至10个。该不同大小的间隔物312(例如S、M和L)还可设置为多种重复样式，或者它们可设置为任意顺序。
图7为在叶片328的基部326之间带有不同大小的间隔物324的转子322的一个实施例的顶视图。类似于图6的实施例，不同大小的间隔物324使得能够实现带有相同大小的基部326和/或叶片328的多种非均匀叶片间隔的构造，从而降低叶片328的生产成本。尽管任何数目和大小的间隔物324可用于提供非均匀的叶片间隔，但为了论述的目的，所示的实施例包括三种不同大小的间隔物324。所示的间隔物324包括标为“S”的小间隔物、标为“M”的中等间隔物，以及标为“L”的大间隔物。如上文参照图5所述的那样，间隔物324的大小可沿周向方向变化。该不同大小的间隔物324(例如S、M和L)还可设置为多种重复样式，或者它们可设置为任意顺序。
在所示的实施例中，间隔物324在成角度的对接部330处与叶片328的基部326对接。例如，如由线334所示的那样，成角度的对接部330相对于转子322的旋转轴线以角度332定向。角度332范围可在大约0度至60度、5度至45度，或10度至30度之间。所示的成角度的对接部330为直边缘或平面。然而，对接部330的其它实施例可具有非平直的几何形状。
图8为在叶片346的基部344之间带有不同大小的间隔物342的转子340的一个实施例的顶视图。类似于图6和图8的实施例，不同大小的间隔物342使得能够实现带有相同大小的基部344和/或叶片346的多种非均匀叶片间隔的构造，从而降低叶片346的生产成本。尽管任何数目和大小的间隔物342可用于提供非均匀的叶片间隔，但为了论述的目的，所示的实施例包括三种不同大小的间隔物342。所示的间隔物342包括标为“S”的小间隔物、标为“M”的中等间隔物，以及标为“L”的大间隔物。如上文参照图6所述的那样，间隔物342的大小可沿周向方向变化。该不同大小的间隔物342(例如S、M和L)还可设置为多种重复样式，或者它们可设置为任意顺序。
在所示的实施例中，间隔物342在非平直的对接部350处与叶片346的基部344对接。例如，对接部350可包括第一弯曲部分352和第二弯曲部分354(其可彼此相同或不同)。然而，对接部350还可具有其它非平直的几何形状，例如不同角度的多个平直段、一个或多个突起、一个或多个凹部，或其组合。如图所示，第一弯曲部分352和第二弯曲部分354沿彼此相反的方向弯曲。然而，弯曲部分352和354可限定任何其它弯曲的几何形状。
图9为根据所公开的实施例的具有T形几何形状361的叶片360(其可以非均匀的叶片间隔设置)的一个实施例的正视图。所示的叶片360包括可彼此整合(例如整体)的基部部分362和叶片部分364。基部部分362包括第一凸缘366、与第一凸缘366偏置的第二凸缘368、延伸于凸缘366和凸缘368之间的颈部370，以及布置在凸缘366与368之间的相对的槽口372和374。在组装期间，凸缘366和368以及槽口372和374构造成用以围绕转子同周向轨道结构互锁。换言之，凸缘366和368以及槽口372和374构造成用以沿着转子沿周向滑动到适当位置，从而在轴向方向和径向方向上静止叶片360。在图6至图8的实施例中，这些叶片360可通过具有相似基部部分的多个不同大小的间隔物在周向方向上间隔开，从而提供叶片360的非均匀叶片间隔。
图10为转子384的一个实施例的正视图的区段，该转子384带有不同大小的基部386的叶片388。具体而言，不同大小的基部386使得能够在带有或不带有间隔物的情况下实现多种非均匀叶片间隔的构造。如果间隔物结合不同大小的基部386使用，则间隔物可为相同的大小或不同的大小，以便在非均匀叶片间隔中提供更大的灵活性。尽管任何数目的不同大小的基部386可用于提供非均匀的叶片间隔，但为了论述的目的，所示的实施例包括三种不同大小的基部386。所示的基部386包括标为“S”的小基部、标为“M”的中等基部，以及标为“L”的大基部。基部386的大小可沿周向方向变化，如对于小基部由尺寸390所示的那样，对于中等基部由尺寸392所示的那样，以及对于大基部由尺寸394所示的那样。例如，这些尺寸390、392和394可逐渐地增加大约1％至1000％、5％至500％，或者10％至100％的百分比。在其它实施例中，转子384可包括更多或更少的不同大小的基部386，例如2个至100个、2个至50个、2个至25个，或2个至10个。该不同大小的基部386(例如S、M和L)还可设置为多种重复样式，或者它们可设置为任意顺序。
图11为带有不同大小的叶片基部402(其支撑叶片404)的转子400的一个实施例的顶视图。类似于图10的实施例，不同大小的基部402使得能够在带有或不带有间隔物的情况下实现多种非均匀叶片间隔的构造。尽管任何数目和大小的基部402可用于提供非均匀的叶片间隔，但为了论述目的，所示的实施例包括三种不同大小的基部402。所示的基部402包括标为“S”的小基部、标为“M”的中等基部，以及标为“L”的大基部。如上文参照图10所述的那样，基部402的大小可沿周向方向变化。该不同大小的基部402(例如S、M和L)还可设置为多种重复样式，或它们可设置为任意顺序。
在所示的实施例中，基部402在成角度的对接部406处彼此对接。例如，如由线409所示的那样，该成角度的对接部406相对于转子400的旋转轴线以角度408定向。角度408可在大约0度至60度、5度至45度，或10度至30度之间的范围。所示的成角度的对接部406为直边缘或平面。然而，对接部406的其它实施例可具有非平直的几何形状。
图12为带有不同大小的叶片基部412(其支撑叶片414)的转子410的一个实施例的顶视图。类似于图10和图12的实施例，不同大小的基部412使得能够在带有或不带有间隔物的情况下实现多种非均匀叶片间隔的构造。尽管任何数目和大小的基部412可用于提供非均匀的叶片间隔，但为了论述的目的，所示的实施例包括三种不同大小的基部412。所示的基部412包括标为“S”的小基部、标为“M”的中等基部，以及标为“L”的大基部。如上文参照图10所述的那样，基部412的大小可沿周向方向变化。该不同大小的基部412(例如S、M和L)还可设置为多种重复样式，或者它们可设置为任意顺序。
在所示的实施例中，基部412在非平直的对接部416处彼此对接。例如，对接部416可包括第一弯曲部分418和第二弯曲部分420(其可彼此相同或不同)。然而，对接部416还可具有其它非平直的几何形状，例如不同角度的多个平直段、一个或多个突起、一个或多个凹部，或其组合。如图所示，第一弯曲部分418和第二弯曲部分420沿彼此相反的方向弯曲。然而，弯曲部分418和420可限定任何其它弯曲的几何形状。
图13为在静叶446的基部444之间带有不同大小的间隔物442的定子440的一个实施例的正视图的区段。具体而言，不同大小的间隔物442使得能够实现带有相同大小的基部444和/或静叶446的多种非均匀静叶间隔的构造，从而降低静叶446的生产成本。尽管任何数目和大小的间隔物442可用于提供非均匀的静叶间隔，但为了论述的目的，所示的实施例包括三种不同大小的间隔物442。所示的间隔物442包括标为“S”的小间隔物、标为“M”的中等间隔物，以及标为“L”的大间隔物。间隔物442的大小可沿周向方向变化，如对于小间隔物由尺寸448所示的那样，对于中等间隔物由尺寸450所示的那样，以及对于大间隔物由尺寸452所示的那样。在某些实施例中，多个间隔物442可布置在相邻的基部444之间，其中，间隔物442具有相同或不同的大小。换言之，不同大小的间隔物442可为使用多个较小间隔物来产生较大间隔的单件式构造或多件式构造。在任一实施例中，尺寸448、450和452可逐渐地增加大约1％至1000％、5％至500％，或10％至100％的百分比。在其它实施例中，定子440可包括更多或更少的不同大小的间隔物442，例如2个至100个、2个至50个、2个至25个，或2个至10个。该不同大小的间隔物442(例如S、M和L)还可设置为多种重复样式，或它们可设置为任意顺序。
图14为定子460的一个实施例的正视图的区段，该定子460带有不同大小的基部462的静叶464。具体而言，不同大小的基部462使得能够在带有或不带有间隔物的情况下实现多种非均匀静叶间隔的构造。如果间隔物结合不同大小的基部462使用，则间隔物可具有相同的大小或不同的大小，以便在非均匀静叶间隔中提供更大的灵活性。尽管任何数目的不同大小的基部462可用于提供非均匀的静叶间隔，但为了论述目的，所示的实施例包括三种不同大小的基部462。所示的基部462包括标为“S”的小基部、标为“M”的中等基部，以及标为“L”的大基部。基部462的大小可沿周向方向变化，如对于小基部由尺寸466所示的那样，对于中等基部由尺寸468所示的那样，以及对于大基部由尺寸470所示的那样。例如，这些尺寸466、468和470可逐渐地增加大约1％至1000％、5％至500％，或10％至100％的百分比。在其它实施例中，定子460可包括更多或更少的不同大小的基部462，例如2个至100个、2个至50个、2个至25个，或2个至10个。该不同大小的基部462(例如S、M和L)还可设置为多种重复样式，或者它们可设置为任意顺序。
如上面所论述的那样，该实施例可通过调整旋转叶片或静止静叶之间的间隔和/或调整旋转叶片或静止静叶的数目而调节旋转机械(例如压缩机或涡轮)中的流体动态。这种调节可显著地减少或消除旋转机械中的共振行为(例如由于尾波和头波引起的共振行为)的可能性。图2至图14的实施例提供非均匀间隔的旋转叶片或静止静叶，尤其是通过改变叶片基部之间的间隔物的大小或通过改变叶片基部的大小。图15至图17的实施例特别地改变叶片和/或静叶的间隔，这通过控制转子或定子上的安装凹槽的位置而实现，这些安装凹槽容纳叶片和/或静叶的基部。因此，通过改变转子和/或定子上的凹槽的位置，叶片和/或静叶的间隔相应地变化，其可增加或降低尾波和头波的频率。尾波和头波的频率的变化可增加或减少上游和下游结构的振动响应。这种频率变化可防止在特定转度下沿着流通路的结构(例如转子、定子等)中的持久的共振响应。
图15为带有非均匀间隔的叶片区段502的转子500的一个实施例的正视图的一部分。叶片区段502围绕转子500以标为S、M和L的三种距离504、506和508非均匀地间隔。叶片区段502限定叶片510和叶片基部512。叶片510通过转子500上的非均匀间隔的凹槽520(例如轴向凹槽)非均匀地间隔。虽然该实施例仅显示了三种距离，但是其它实施例可在叶片之间包括更多种距离(例如2、3、4、5、10、1000种不同的距离)。通过改变转子500上的凹槽520的位置和数目以及相应的叶片数目，可能改变尾波和/或头波的频率，其改变上游和下游结构的振动响应(即，限制或防止其它结构中的共振响应)。
图16为带有非均匀间隔的轴向凹槽520的转子500的一个实施例的透视图的一部分，其显示了不带有叶片区段502的情况下的非均匀间隔的轴向凹槽520。每个叶片区段502在轴向方向519上沿着轴线521滑动到相应的凹槽520中。虽然每个凹槽520支撑一个叶片区段502，但出于简单起见，在图16中仅显示了一个叶片区段502。凹槽520的周向间隔的变化可使得叶片510能非均匀地间隔。在该实施例中，凹槽520以三种距离(小的522、中等的524和大的526)间隔开，但取决于具体设计的需要，凹槽520可以任何种数量的距离(例如2种、3种、4种、5种、10种、100种、1000种等不同的距离)间隔开。轴向凹槽520与叶片基部512相配合，其将叶片区段502保持在转子500上。在本实施例中，凹槽520形成燕尾榫形状，其与叶片基部512的相应形状相匹配。在其它实施例中，凹槽520可限定不同的形状(例如T形、弯曲形、圆形、方形、矩形、半圆形等)，其与叶片基部的形状相对应，或反之亦然。此外，虽然本实施例显示了连接到阳式叶片基部上的阴式轴向凹槽，但是其它实施例可采用相反的构造。例如，转子500可包括阳式突出物，其与叶片基部512中的阴式容座(receptacle)相配合。
图17为带有非均匀间隔的静叶的定子540的一个实施例的局部正视图。叶片区段542围绕定子540以三种距离544、546和548(对应地标为S、M和L)非均匀地间隔。叶片区段542限定静叶550和静叶基部552。静叶550之间的距离通过定子540中的非均匀间隔的凹槽541(例如燕尾榫形状的轴向凹槽)而变化。虽然该实施例仅显示了三种距离，但是其它实施例可在区段542之间包括更多距离(例如4、5、6、10、1000种不同的距离)。此外，虽然该定子540显示了连接至阳式静叶基部552上的阴式轴向凹槽，但是其它实施例可采用相反的构造。例如，定子540可包括阳式突出物，其与静叶基部562中的阴式容座相配合。通过改变定子540上的凹槽的位置和数目以及相应的静叶数目，可增加或降低尾波和头波的频率，其改变上游和下游结构的振动响应。
不同于图15至图17中通过控制凹槽的位置而改变叶片和/或静叶间隔的实施例，图18至图22的实施例通过控制叶片和/或静叶在其相应基部上的位置而改变叶片和/或静叶间隔。因而，通过改变叶片和/或静叶在基部上的位置，叶片和/或静叶的间隔相应地变化，其可增加或降低尾波和头波的频率。尾波和头波的频率的变化可增加或减少上游和下游结构的振动响应。这种频率变化可防止在特定转速下沿着流通路的结构(例如转子、定子等)中的持久的共振响应。
图18为带有非均匀间隔的叶片576的转子570的一个实施例的局部正视图，其中带有均匀间隔的叶片基部574。转子570包括叶片区段572，其各自具有叶片基部574和叶片576。叶片区段572通过基部574连接到转子570上，基部574轴向地滑动到转子570的凹槽573中。此外，虽然该定子570显示了连接到阳式叶片基部574上的阴式轴向凹槽，但是其它实施例可采用相反的构造。
在图18的此实施例中，凹槽573围绕转子570的圆周均匀地间隔开。凹槽573的均匀间隔使得叶片基部574能均匀间隔(标为距离D578)。虽然叶片基部574沿着转子570均匀地间隔，但是叶片576相对于相应的叶片基部574非均匀地间隔。如下文参照图20至图22进一步详细论述的那样，叶片576可居中，偏移到基部574中心的左边，或偏移到基部574中心的右边。结果，叶片576在基部574上的布置引起叶片576的非均匀间隔，而不是通过间隔物、不同的基部大小或改变凹槽573在转子570上的位置使叶片576非均匀地间隔。如上面论述的那样，非均匀的叶片间隔显著地减少或消除旋转机械中由于尾波和头波引起的共振行为的可能性。
图19为带有非均匀间隔的静叶的定子600的一个实施例的局部正视图，其中带有均匀间隔的静叶基部604。类似于上面关于图18中所示的转子570的论述，定子600包括叶片区段602，其各自具有基部604和静叶606。叶片区段602通过基部604连接到定子600上，基部604轴向地滑动到定子600的凹槽603中。此外，虽然该定子600显示了连接到阳式静叶基部604上的阴式轴向凹槽，但是其它实施例可采用相反的构造。
在图19的此实施例中，凹槽603围绕定子600的圆周均匀地间隔开。凹槽603的均匀间隔使得基部604能均匀间隔(标为距离D608)。虽然静叶基部604沿着定子600均匀地间隔，但是静叶606相对于相应的基部604非均匀地间隔。如图19中所示，其中某些静叶606居中于其相应的基部604上(即，基部的中心)，而其它静叶偏移到基部604中心的左边或右边。因此，静叶606在基部604上的布置引起静叶606的非均匀间隔，而不是通过间隔物、不同的基部大小或凹槽603在定子600上变化的位置而使静叶606非均匀地间隔。非均匀的静叶间隔显著地减少或消除旋转机械中由于尾波和头波引起的共振行为的可能性。
图20为沿着图18和图19的线20-20得到的叶片区段的一个实施例的正视图。如图所示，叶片区段630具有居中于叶片基部634上的叶片632。具体而言，叶片632的中心与基部634的中心对准，如由中心线636所示的那样。图21是沿着图18和图19的线21-21得到的叶片区段的一个实施例的正视图。如图所示，叶片区段630具有叶片632，其偏移到叶片基部634的中心线636的左边。更具体地说，由中心线638所示的叶片632的中心从基部中心线636偏移距离640。图22是沿着图18和图19的线22-22得到的叶片区段的一个实施例的正视图。如图所示，叶片区段630具有叶片632，其偏移到叶片基部634的中心线636的右边。换言之，由中心线638所示的叶片632的中心从基部中心线636偏移距离642。虽然图20至图22仅显示了叶片632相对于叶片基部634的三种位置，但是各种实施例可在叶片632相对于基部634方面采用任何数量的位置(例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10种或更多)。这样，不同的叶片区段630(例如带有不同的叶片位置)可被包括到转子和/或定子中，以产生非均匀的叶片间隔，同时保持转子和/或定子上的凹槽的均匀间隔。如上面论述的那样，非均匀的静叶/叶片间隔显著地减少或消除旋转机械中由于尾波和头波引起的共振行为的可能性。
在某些实施例中，可采用安装适配器以使得叶片和/或静叶能非均匀间隔。图23至图25显示了布置在叶片安装适配器670中的叶片区段672，叶片安装适配器670可轴向地安装在图18和图19的转子570或定子600的凹槽中。叶片安装适配器670允许定子和/或转子上的凹槽均匀间隔，而同时允许非均匀的叶片间隔以改变尾波和头波的频率。尾波和头波的频率的变化可增加或减少上游和下游结构的振动响应。这种频率变化可防止在特定旋转速度下沿着流通路的结构(例如转子、定子等)中的持久的共振响应。
图23是叶片安装适配器670以及安装在叶片安装适配器670中的叶片区段672的一个实施例的正视图，其中，叶片区段672居中于叶片安装适配器670中。所示实施例的叶片安装适配器670限定燕尾榫形状以用于插入定子和/或转子的凹槽中。虽然本实施例显示了燕尾榫形状，但是应当理解，取决于转子和/或定子中的凹槽的形状，叶片安装适配器670可设想各种形状(例如T形、弯曲形、圆形、半圆形、方形、矩形等)。此外，叶片安装适配器670限定空腔671，其中叶片区段672适配在该空腔中。虽然该实施例显示叶片安装适配器670带有用以容纳叶片区段672的空腔671，但是叶片安装适配器670的其它实施例可限定阳式部分(其连接至叶片区段672的阴式部分)。
类似于上面论述的实施例，叶片区段672包括叶片基部674和叶片676。叶片基部674适配到叶片安装适配器670的空腔671中。这样，叶片安装适配器670将叶片区段672保持在定子和/或转子上的合适位置中。在图23的实施例中，叶片区段672的中心与叶片安装适配器670的中心对准，如由中心线678所示的那样。图23的居中定位通过使空腔671相对于中心线678居中地定位在适配器670中而实现。
图24是叶片安装适配器670以及位于叶片安装适配器670中的叶片区段672的一个实施例的正视图。在图24中，叶片区段672移位到适配器670的中心线678的左边。具体而言，由中心线680所示的叶片区段672的中心从中心线678偏移距离682。叶片区段672的偏心(例如左偏移距离682)定位通过使左边空腔671相对于适配器670的中心线678偏心定位而实现。换言之，适配器670提供了偏心定位，而叶片区段672可为均匀的叶片区段，并且安装凹槽可均匀地间隔开。因此，当叶片区段672放置在叶片安装适配器670的空腔671中时，叶片区段672移位到左边。类似地，图25是叶片安装适配器670以及位于叶片安装适配器670中的叶片区段672的一个实施例的正视图，其中，叶片区段672移位到叶片安装适配器中心线678的右边。如图所示，由中心线680所示的叶片区段672的中心移位至中心线678的右边达距离684。同样，类似于图24，空腔671在叶片安装适配器670中的位置使叶片区段672朝右移位。这样，叶片安装适配器670有助于围绕转子和/或定子的非均匀叶片间隔。
本发明的公开的实施例的技术效果包括使旋转机械(例如压缩机或涡轮)中的叶片(或静叶)非均匀地间隔开的能力。非均匀的叶片间隔可利用相邻叶片和静叶之间的不同大小的间隔物、支撑叶片的不同大小的基部、围绕定子和/或转子的非均匀间隔的凹槽、置于基部上的不同位置处的叶片、使完整叶片区段移位的叶片安装适配器或其组合来实现。非均匀的叶片和静叶间隔还可应用于旋转机械的多个级，例如多个涡轮级或多个压缩机级。例如，每个级可具有非均匀的叶片间隔，其可与其它级相同或不同。在这些实施例中的每个实施例中，非均匀的叶片间隔构造成用以减小由于尾波和头波的周期性产生引起共振的可能性。此外，非均匀的叶片间隔可有效地抑制和减小由尾波和头波引起的旋转和固定翼型件或结构的响应。这样，非均匀的叶片间隔能够减轻尾波和头波在各种上游和下游构件(例如静叶、喷嘴、定子、翼型件等)上的影响。
该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可取得专利的范围由所附权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种包括旋转机械的系统，所述旋转机械包括：
定子；
转子，所述转子构造成用于相对于所述定子旋转；
多个轴向凹槽，所述多个轴向凹槽沿着所述定子或所述转子的圆周布置；
多个叶片区段，所述多个叶片区段沿着所述圆周布置，其中，所述多个叶片区段中的每个叶片区段包括联接到安装基部上的叶片，所述安装基部被支撑在所述多个轴向凹槽的相应轴向凹槽中，并且所述叶片围绕所述圆周具有非均匀的叶片间隔；且
所述系统还包括多个非均匀的叶片安装适配器，其中，每个非均匀的叶片安装适配器布置在所述多个轴向凹槽的相应轴向凹槽与所述多个叶片区段的相应安装基部之间。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个轴向凹槽围绕所述圆周具有非均匀的凹槽间隔。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个叶片区段包括多个非均匀的叶片区段，每个非均匀的叶片区段在相应的安装基部上具有不同位置的相应叶片。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述多个非均匀的叶片区段包括具有第一叶片的第一非均匀的叶片区段，所述第一叶片在相对于第一安装基部的第一中心线的第一距离处联接到所述第一安装基部上，所述多个非均匀的叶片区段包括具有第二叶片的第二非均匀的叶片区段，所述第二叶片在相对于第二安装基部的第二中心线的第二距离处联接到所述第二安装基部上，并且所述第一距离和第二距离彼此不同。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个非均匀的叶片安装适配器包括第一适配器，所述第一适配器在相对于所述第一适配器的第一中心线的第一距离处具有第一安装容座，所述多个非均匀的叶片安装适配器包括第二适配器，所述第二适配器在相对于所述第二适配器的第二中心线的第二距离处具有第二安装容座，并且所述第一距离和第二距离彼此不同。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个轴向凹槽沿着所述定子的圆周布置。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个轴向凹槽沿着所述转子的圆周布置。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述旋转机械是压缩机。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述旋转机械是涡轮。
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