CN102454425B - 具有用于控制流体动态的间隔物的旋转机械 - Google Patents

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CN102454425B CN201110340305.3A CN201110340305A CN102454425B CN 102454425 B CN102454425 B CN 102454425B CN 201110340305 A CN201110340305 A CN 201110340305A CN 102454425 B CN102454425 B CN 102454425B
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Abstract

本发明涉及一种具有用于控制流体动态的间隔物的旋转机械。具体而言，一种系统包括旋转机械(150)，该旋转机械(150)带有沿旋转机械(150)的轴线延伸的流体流通路、围绕轴线布置的多个翼型件(486)，以及围绕轴线布置的多个间隔物(482)。该多个间隔物(482)中的每个间隔物沿周向布置在该多个翼型件(486)的相邻翼型件(486)之间，以便围绕轴线限定翼型件(486)的周向间隔。

Description

具有用于控制流体动态的间隔物的旋转机械
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易受流体流中的共振行为影响的涡轮和压缩机。
背景技术
涡轮和压缩机在流体与转子之间交换能量。例如，涡轮响应于作用在多个叶片上的流体流而产生能量，而压缩机使用能量来驱动多个叶片以便压缩气体。令人遗憾的是，叶片的旋转可产生尾波和头波，这可激励叶片的上游和下游的其它旋转结构和静止结构。例如，尾波和头波可导致静叶、叶片、喷嘴、翼型件、转子和流体流中的其它结构的振动、过早磨损以及损坏。
发明内容
下面概述了在范围上与原始要求权利保护的发明相当的某些实施例。这些实施例不意图限制要求权利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，该旋转机械带有沿旋转机械的轴线延伸的流体流通路、围绕轴线布置的多个翼型件，以及围绕轴线布置的多个间隔物。该多个间隔物中的每个间隔物可沿周向布置在该多个翼型件的相邻翼型件之间，以便围绕轴线限定翼型件的周向间隔。
在第二实施例中，一种系统包括旋转机械，该旋转机械带有流体流通路，以及沿流体流通路设置成环形布置的多个节段。该多个节段包括间隔物节段和流控制节段。流控制节段伸到流体流通路中。各间隔物节段沿周向布置在相邻流控制节段之间，以便限定流控制节段的周向间隔。
在第三实施例中，一种方法包括将多个翼型件节段沿流体流通路安装在旋转机械中，以及利用多个间隔物节段将该多个翼型件节段以周向间隔而间隔开。
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局部正视图；
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局部正视图，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局部正视图；
图14为定子的一个实施例的局部正视图，其中静叶具有不同大小的基部；
图15为在叶片之间带有均匀的大间隔物的转子的一个实施例的局部正视图；
图16为在叶片之间带有均匀的中等间隔物的转子的一个实施例的局部正视图；
图17为在叶片之间带有均匀的小间隔物的转子的一个实施例的局部正视图；
图18为示出带有不同大小的间隔物的定子和转子相对于发动机的转速的共振频率的图表；
图19为在静叶之间带有均匀的大尺寸间隔物的定子的一个实施例的局部正视图；
图20为在静叶之间带有均匀的中等间隔物的定子的一个实施例的局部正视图；以及
图21为在静叶之间带有均匀的小间隔物的定子的一个实施例的局部正视图。
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
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相对的槽口
374相对的槽口
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基部
404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
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
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
480转子
482大间隔物
484叶片基部
486叶片
488相等的距离
490相等的距离
500转子
502中等间隔物
504叶片基部
506叶片
508相等的距离
510相等的距离
520转子
522小间隔物
524叶片基部
526叶片
528距离
530距离
532x轴
534y轴
536设计转速
538曲线
540线
542线
544线
546共振点
548共振点
550共振点
552第一共振频率
554第一转速
556第二共振频率
558第二转速
560第三共振频率
562第三转速
564频率
566频率
570定子
572大间隔物
574静叶基部
576支撑静叶
578距离
580距离
590定子
592中等间隔物
594静叶基部
596静叶
598距离
600距离
610定子
612小间隔物
614静叶基部
616静叶
618距离
620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的是，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来调节旋转机械(例如涡轮或压缩机)中的流体动态。具体而言，所公开的实施例调整叶片或静叶的间隔和/或数目，以便控制由旋转叶片、静止静叶或流体流中的其它结构形成的尾波和头波的频率。例如，非均匀间隔或改变数目的旋转叶片或静止静叶可减小涡轮或压缩机中的共振行为、振动和不期望的流体动态的可能性。换言之，非均匀间隔或改变数目的旋转叶片或静止静叶可降低或消除尾波和头波导致沿流体流通路的结构中的共振的能力。作为替代，非均匀间隔或改变数目的旋转叶片或静止静叶可通过改变尾波和头波的频率来抑制和减少流体流通路中的结构的响应。非均匀间隔或改变的数目可利用间隔物、改变的安装结构、安装适配器、改变的定子、改变的转子或它们的一些组合来实现。
例如，叶片或静叶的非均匀间隔可利用相邻叶片或静叶之间的不同大小的间隔物、相邻叶片或静叶的不同大小的基部或其任何组合来实现。叶片或静叶的非均匀间隔可包括叶片围绕特定级(例如涡轮或压缩机级)的圆周的非均匀间隔、叶片从一个级到另一级的非均匀间隔，或其组合。非均匀间隔有效地减少和抑制由旋转叶片产生的尾波和头波，从而减小由这种尾波和头波在静止结构和旋转结构上引起振动、过早磨损和损坏的可能性。
再例如，改变数目的叶片或静叶可通过经由间隔物均匀地间隔较大数目或较小数目的叶片或静叶、改变的安装基部或其组合来实现。在使用间隔物的某些实施例中，第一组间隔物(例如大间隔物)可用于提供叶片或静叶的第一均匀间隔，第二组间隔物(例如中等间隔物)可用于提供叶片或静叶的第二均匀间隔，第三组间隔物(例如小间隔物)可用于提供叶片或静叶的第三均匀间隔，诸如此类。同样，在使用改变的基部的某些实施例中，带有第一安装基部大小(例如大安装基部)的第一组叶片或静叶可用于提供叶片或静叶的第一均匀间隔，带有第二安装基部大小(例如中等安装基部)的第二组叶片或静叶可用于提供叶片或静叶的第二均匀间隔，带有第三安装基部大小(例如小安装基部)的第三组叶片或静叶可用于提供叶片或静叶的第三均匀间隔，诸如此类。在各实施例中，叶片或静叶数目可增大或减小以便在旋转机械的特定转速下改变尾波和头波的频率。因此，改变的数目构造成用以改变尾波和头波的频率，以避免在特定转速下流体流通路中的结构的共振频率。
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。
如下文详细论述那样，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中，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的非均匀间隔可被选择为用以减少、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21所述的那样，改变数目的压缩机叶片164、压缩机静叶166、涡轮叶片180和/或涡轮静叶182(例如改变的均匀间隔)可选择为用以减少、抑制或频移燃气涡轮发动机150中产生的尾波和头波。在这些不同实施例中，非均匀间隔或改变数目的旋转叶片或静止静叶特别地选择为用以降低共振和振动的可能性，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。
如上文所述，这些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来调节旋转机械(例如压缩机或涡轮)中的流体动态。这种调节可大大减小或消除旋转机械中的共振行为(例如由于尾波和头波造成的共振行为)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，其还可与叶片或静叶的数目上的变化或无变化相关。图15至图21的实施例特别地改变了叶片或静叶的数目，同时保持叶片或静叶的均匀间隔。如下文进一步详细描述那样，在保持均匀间隔的同时改变相应的转子和定子上的叶片或静叶的数目改变特定转速下的尾波和头波的频率。例如，改变间隔物的大小可使叶片数目增加或减少任何合适的数目，例如1个至5个、1个至10个，或1个至20个。该频率变化可防止在特定转速下沿流动通路(例如转子、定子等)在结构中的持久的共振响应。
图15、图16和图17示出了使用三种不同大小的间隔物来提供不同的均匀叶片间隔和叶片数目，其可被选择性地用于改变旋转机械(例如涡轮或压缩机)中的尾波和头波的频率。尽管图15、图16和图17仅示出了三种大小的间隔物(即，大、中等和小)，但某些实施例可使用任何数目的间隔物大小(例如2种至100种不同的大小)来改变叶片间隔和数目。图15为在叶片基部484(其支撑叶片486)之间带有大间隔物482的转子480的一个实施例的正视图的区段。在所示的实施例中，大间隔物482具有相同的大小以便使相邻叶片基部484围绕转子480以相等的距离488分隔。大间隔物482还使叶片486围绕转子480以相等的距离490分隔。相对于图16和图17中所示的小间隔物和中等间隔物，大间隔物482减少转子480上的叶片486的数目，从而降低头波和尾波的频率。大间隔物482可用于使头波和尾波的频率移离共振频率(例如，假如中等间隔物或小间隔物导致频率太接近共振频率)。
图16为在叶片基部504(其支撑叶片506)之间带有中等间隔物502的转子500的一个实施例的正视图的区段。在所示的实施例中，中等间隔物502具有相同的大小以便使相邻的叶片基部504围绕转子500以相等的距离508分隔。中等间隔物502还使叶片506围绕转子500以相等的距离510分隔。相对于如图15中所示的大间隔物，中等间隔物502增加转子500上的叶片506的数目，从而增大头波和尾波的频率。相对于如图17中所示的小间隔物，中等间隔物502减少转子500上的叶片506的数目，从而降低头波和尾波的频率。中等间隔物502可用于使头波和尾波的频率移离共振频率(例如，假如大间隔物或小间隔物导致频率太接近共振频率)。
图17为在叶片基部524(其支撑叶片526)之间带有小间隔物522的转子520的一个实施例的正视图的区段。在所示的实施例中，小间隔物522具有相同的大小以便使相邻的叶片基部524围绕转子520以相等的距离528分隔。小间隔物522还使叶片526围绕转子520以相等的距离530分隔。相对于如图15和图16中所示的大间隔物和中等间隔物，小间隔物522增加转子520上的叶片526的数目，从而增大头波和尾波的频率。小间隔物522可用于使头波和尾波的频率移离共振频率(例如，假如大间隔物和中等间隔物导致频率太接近共振频率)。
图18为示出流体振荡频率或振动频率与旋转机械(例如涡轮或压缩机)的转速的关系的图表530。如图18中所示，x轴532代表旋转机械的转速，而y轴534代表流体流中的结构的流体振荡频率或振动频率。垂直虚线536代表旋转机械的正常转速，例如涡轮发动机的设计速度。曲线538代表流体流中的结构的共振频率。例如，曲线538可对应于产生尾波和头波的旋转叶片的上游或下游的静止结构(例如静叶)的振动的共振频率。线540、542和544代表由叶片的旋转所驱动的流体流的振荡(例如尾波或头波)的频率，其中每条线540、542和544代表不同数目的等距间隔的叶片。具体而言，线540代表由“S”表示的多个小间隔物提供的较大数目的叶片，线542代表由“M”表示的多个中等间隔物提供的中等数目的叶片，并且线544代表由“L”表示的多个大间隔物提供的较小数目的叶片。因此，线540可对应于图17的实施例，线542可对应于图16的实施例，并且线544可对应于图15的实施例。
如图18中所示，叶片数目的增加(其对应于间隔物大小的减小)导致由叶片产生的振荡(例如尾波或头波)的频率的增大，而叶片数目的减小(其对应于间隔物大小的增大)导致由叶片产生的振荡(例如尾波或头波)的频率的降低。因此，所公开的实施例调整间隔物大小来改变叶片数目，并且因此改变振荡频率，以便对于特定转速避免共振频率。线540、542和544与线538的交点代表不同叶片数目的共振点546、548和550。例如，共振点546代表第一转速554下的第一共振频率552，其中，由图17(即，小间隔物；较大的叶片数目)的叶片526的旋转产生的振荡(例如尾波或头波)的频率与叶片526的上游或下游的结构(例如静叶)的共振频率相交。再例如，共振点548代表第二转速558下的第二共振频率556，其中，由图16(即，中等间隔物；中等叶片数目)的叶片506的旋转产生的振荡(例如尾波或头波)的频率与叶片506的上游或下游的结构(例如静叶)的共振频率相交。再例如，共振点550代表第三转速562下的第三共振频率560，其中，由图15(即，大间隔物；较小的叶片数目)的叶片486的旋转产生的振荡(例如尾波或头波)的频率与叶片486的上游或下游的结构(例如静叶)的共振频率相交。
在所示的实施例中，第二转速558与旋转机械的设计转速536大致相同，并且因此，对应于中等数目的叶片(例如图16)的线542将可能导致旋转叶片506的上游或下游的结构(例如静叶)的共振行为。因此，所公开的实施例可使用更大或更小数目的叶片来避免在旋转机械的设计转速536下的这种共振行为。例如，所公开的实施例可使用如图17中所示的由较小间隔物提供的较大数目的叶片，或如图15中所示的由较大间隔物提供的较少数目的叶片。在设计转速536下，由较小间隔物提供的较大数目的叶片(如图17中所示的那样)将导致振荡(例如尾波或头波)的频率564显著大于共振频率556，从而基本防止叶片的上游或下游的结构(例如静叶)中的任何共振行为。同样，在设计转速536下，由较大间隔物提供的较少数目的叶片(如图15中所示的那样)将导致振荡(例如尾波或头波)的频率566显著小于共振频率556，从而基本防止叶片的上游或下游的结构(例如静叶)中的任何共振行为。尽管图15至图18仅绘出了三种大小的间隔物(即，大的482、中等的502和小的522)，但任何数目的不同大小的间隔物都可用于调整带有均匀叶片间隔的叶片的数目，从而避免旋转机械中的任何共振行为。
类似于如上文参照图15至图18所述的旋转叶片的叶片间隔的改变，所公开的实施例还包括静止静叶的静叶间隔的改变，如下文参照图19、图20和图21所述的那样。图19、图20和图21示出使用三种不同大小的间隔物来提供不同的均匀静叶间隔和静叶数目，其可被选择性地用于改变旋转机械(例如涡轮或压缩机)中的尾波和头波的频率。尽管图19、图20和图21仅示出了三种大小的间隔物(即，大、中等和小)，但某些实施例可使用任何数目的间隔物大小(例如2种至100种不同的大小)来改变叶片间隔和数目。在各实施例中，间隔物可被选择为用以改变静叶数目来控制振荡(例如尾波或头波)的频率，从而确保振荡的频率不与共振频率相符。
图19为在静叶基部574(其支撑静叶576)之间带有大间隔物572的定子570的一个实施例的正视图的区段。在所示的实施例中，大间隔物572具有相同的大小以便使相邻的静叶基部574围绕定子570以相等的距离578分隔。大间隔物572还使静叶576围绕定子570以相等的距离580分隔。相对于如图20和图21中所示的小间隔物和中等间隔物，大间隔物572减少定子570上的静叶576的数目，从而降低头波和尾波的频率。大间隔物572可用于使头波和尾波的频率移离共振频率(例如，假如中等间隔物或小间隔物导致频率太接近共振频率)。
图20为在静叶基部594(其支撑静叶596)之间带有中等间隔物592的定子590的一个实施例的正视图的区段。在所示的实施例中，中等间隔物592具有相同的大小以便使相邻的静叶基部594围绕转子590以相等的距离598分隔。中等间隔物592还使静叶596围绕定子590以相等的距离600分隔。相对于图19中所示的大间隔物，中等间隔物592增加定子590上的静叶596的数目，从而增大头波和尾波的频率。相对于如图21中所示的小间隔物，中等间隔物592减少定子590上的静叶596的数目，从而降低头波和尾波的频率。中等间隔物592可用于使头波和尾波的频率移离共振频率(例如，假如大间隔物或小间隔物导致频率太接近共振频率)。
图21为在静叶基部614(其支撑静叶616)之间带有小间隔物612的定子610的一个实施例的正视图的区段。在所示的实施例中，小间隔物612具有相同的大小以便使相邻的静叶基部614围绕转子610以相等的距离618分隔。小间隔物612还使静叶616围绕定子610以相等的距离620分隔。相对于如图19和图20中所示的大间隔物和中等间隔物，小间隔物612增加定子610上的静叶616的数目，从而增大头波和尾波的频率。小间隔物612可用于使头波和尾波的频率移离共振频率(例如，假如大间隔物和中等间隔物导致频率太接近共振频率)。
上述实施例针对改变由旋转叶片或静止静叶产生的尾波和头波频率，使得该频率不与流体流中的各种结构的共振频率相交。应当理解，非均匀间隔或改变数目的旋转叶片或静止静叶可应用于旋转机械(例如涡轮或压缩机)的单级，或者其可以相似或不同的构造应用于多级。例如，压缩机或涡轮中的各个级可改变非均匀间隔或改变数目的叶片或静叶，以便解决各个特定级中的不同流体动态。换言之，各个级均可呈现不同的共振行为、尾波和头波的频率，以及其它特征。因此，所公开的实施例可使用非均匀间隔以及改变数目的叶片和静叶的组合来解决从一个级到另一级的不同流体动态。
所公开的实施例的技术效果包括在旋转机械中抑制流体振荡(例如尾波或头波)和/或降低由流体振荡引起的共振行为的能力。具体而言，所公开的实施例调整叶片或静叶的间隔和/或数目，以便控制由旋转叶片、静止静叶或流体流中的其它结构形成的尾波和头波的频率。例如，非均匀间隔的旋转叶片或静止静叶可利用相邻叶片或静叶之间的不同大小的间隔物、叶片或静叶的不同大小的基部或其组合来实现。再例如，改变数目的旋转叶片或静叶可利用不同的成组间隔物(其各自构造成用以提供不同的均匀间隔的叶片或静叶)来实现。非均匀间隔的或改变数目的叶片或静叶能够降低旋转机械中的共振行为的可能性，从而降低静叶、叶片和流体流通路中的其它结构的代价昂贵的磨损和损坏的可能性。
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)

1.一种旋转机械，所述旋转机械包括：
沿所述旋转机械的轴线延伸的流体流通路；
围绕所述轴线布置的多个第一翼型件；以及
围绕所述轴线布置的多个第一间隔物，其中，所述多个第一间隔物中的至少一个第一间隔物周向地布置在所述多个第一翼型件的相邻翼型件之间，以便围绕所述轴线限定所述多个第一翼型件的变化的第一周向间隔。
2.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述旋转机械包括涡轮。
3.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述旋转机械包括压缩机。
4.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述旋转机械包括定子和转子，所述多个第一翼型件联接到所述转子上，并且所述多个第一间隔物联接到所述转子上。
5.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述旋转机械包括定子和转子，所述多个第一翼型件联接到所述定子上，并且所述多个第一间隔物联接到所述定子上。
6.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述多个第一间隔物具有相等的宽度。
7.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述旋转机械包括多个替换间隔物，所述替换间隔物构造成用以替换所述多个第一间隔物，其中，所述多个替换间隔物具有与所述多个第一间隔物不同的宽度。
8.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于，所述旋转机械包括多个第二翼型件以及围绕所述轴线布置的多个第二间隔物，其中，所述多个第二间隔物中的每个第二间隔物周向地布置在所述多个第二翼型件的相邻的第二翼型件之间，以便围绕所述轴线限定所述第二翼型件的第二周向间隔。
9.根据权利要求8所述的旋转机械，其特征在于，所述多个第二翼型件的第二周向间隔变化以减少所述旋转机械中与流体流相关的共振行为。
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