CN102454431B - 可变涡轮机喷嘴系统 - Google Patents

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CN102454431B CN201110333135.6A CN201110333135A CN102454431B CN 102454431 B CN102454431 B CN 102454431B CN 201110333135 A CN201110333135 A CN 201110333135A CN 102454431 B CN102454431 B CN 102454431B
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Abstract

本发明涉及可变涡轮机喷嘴系统，具体而言，公开了一种用来用在涡轮机(12)或压缩机中的喷嘴(120)。在一个实施例中，多个导叶(122)的每一个均由外护罩(124)支承，该外护罩(124)包括邻近邻接节段(144)以端对端关系设置的多个外护罩节段(144)。各节段(144)均包括穿过其中的孔(146)，其尺寸设置成接纳导叶延伸套筒(148)。此系统可与调整冷却系统一起使用并且可允许改善的去除以便大修。

Description

可变涡轮机喷嘴系统
技术领域
本公开总体涉及涡轮机技术。更具体地，本公开涉及可变面积喷嘴，用来用于多级涡轮机。
背景技术
在燃气涡轮发动机的设计中，通过发动机的流体流量由多个定子导叶和转子叶片改变。典型地，静止的喷嘴节段引导工作流体的流进入连接到旋转转子上的涡轮机叶片的级。各喷嘴具有翼型件或导叶形状，该形状构造成使得当一组喷嘴定位在涡轮机的转子周围时，它们逆着转子叶片沿最优方向并以最优压力引导气流。
随着包括温度、发动机质量流等运行条件的改变，方向和压力要求可能变化。静止导叶不能对全范围的运行条件提供最优方向和压力，从而导致下降的效率和/或对于部件而言较必需环境更严苛的环境。此外，由于涡轮机内严苛的环境，静止导叶具有有限的寿命，该环境可保持在极高的压力和温度下，例如982-1093℃(1800-2000°F)。静止导叶的维修和更换典型地需要拆除涡轮，这在人力以及对于机械的停机时间两方面都是昂贵的。
可变导叶已经结合了多种设计以致力于增强流方向和压力。已经使用了具有中空通道的可变导叶，该中空通道构造成容纳支承撑杆和内撑杆，并向在可变导叶附近的内撑杆提供冷却空气流。通过套筒轴承已经实现了调节角度的导叶的旋转。然而，此设计未能解决由于配合部件上的磨损问题导致的拖长的现场操作，并且可能需要定期大修。
已经使用了其他设计，包括可变面积涡轮入口喷嘴，其具有在涡轮发动机的中间级中旋转的可变导叶。可变导叶对外壳体以及转子密封以防止空气穿过其中泄漏。然而，此设计对于拖长的现场操作可能也是不适合的，并且定期大修在人力和涡轮机停机时间两方面都是昂贵的。
发明内容
本公开的第一方面提供了一种用于涡轮机的喷嘴，该喷嘴包括具有翼型件形状的导叶；用于安装该导叶的外护罩节段，该外护罩节段包括穿过其中径向延伸的孔。该外护罩节段还包括径向延伸的导叶通道，其用于允许穿过其中径向拆除导叶。
本公开的第二方面提供了一种用于涡轮机的喷嘴，该喷嘴包括：具有翼型件形状的导叶；用于安装该导叶的外护罩节段，该外护罩节段包括穿过其中的径向延伸孔；尺寸设置成插入该孔的导叶延伸套筒；设置在导叶延伸套筒的内部上的套管；可操作地联接到该导叶上的导叶延伸轴颈，其中该导叶延伸轴颈包括尺寸设置成插入该外护罩节段中的径向延伸孔的导叶延伸凸缘构件，以及尺寸设置成设置在该套管内的导叶延伸轴构件，该导叶延伸轴颈还与用于致动导叶的旋转的致动器成可操作连接，旋转改变导叶暴露于流体流径的表面面积。
本公开的第三方面提供了一种涡轮机，其包括旋转轴；从该旋转轴延伸的多个叶片；包围该多个叶片并限定流径的壳体；以及邻近该多个叶片用于将流体流引向该多个叶片的喷嘴。该喷嘴还包括：具有翼型件形状的导叶；用于安装该导叶的外护罩节段，该外护罩节段包括穿过其中径向延伸的孔。该外护罩节段还包括径向延伸的导叶通道，其用于允许穿过其中径向拆除导叶，该径向延伸的导叶通道还包括：邻近该径向延伸的孔的前缘通道，该前缘通道具有大致匹配导叶的前缘的形状和尺寸的形状和尺寸；以及邻近该径向延伸的孔的后缘通道，该后缘通道具有大致匹配导叶的后缘的形状和尺寸的形状和尺寸。前缘通道和后缘通道与导叶的前缘和后缘成径向对齐。
由以下详细描述，本发明的这些以及其它方面、优点和突出特征将变得明显，以下详细描述当结合所附附图时公开了本发明的实施例，在附图中相似的部分由相似的参考标号指示。
附图说明
图1显示了涡轮机内喷嘴组的一部分的横截面视图。
图2显示了喷嘴的一部分的透视图。
图3显示了根据本公开的一个实施例的喷嘴的横截面视图。
图4-5显示了根据本公开的一个实施例的喷嘴的透视图。
图6显示了根据本公开的一个实施例的喷嘴的透视分解图。
图7显示了图3的喷嘴的部分的放大横截面视图。
图8显示了根据本公开的一个实施例的导叶的横截面视图。
图9显示了根据本公开的一个实施例的导叶的透视图。
图10显示了根据本公开的一个实施例的导叶的平面图。
图11显示了根据本公开的一个实施例的外护罩节段的平面图。
零部件列表
12  涡轮机
14  旋转轴
15  流体流径
16  叶片
120 喷嘴
122 导叶
124 外护罩
126 内护罩
128 126中的孔
130 外壳体
134 导叶轴线
135  第二冷却通道136的第一端
136  第二冷却通道
137  第二冷却通道136的第二端
138  导叶122中的第三冷却通道
139  入口气室
140  圆柱形凸缘
142  导叶延伸凸缘构件
143  导叶延伸轴构件
144  外护罩节段
146  外护罩节段144中的径向延伸的孔
148  导叶延伸套筒
150  前缘通道
152  后缘通道
154  导叶122的前缘
156  导叶122的后缘
157  导叶通道
158  第一冷却通道
159  静止孔口
160  套管
162  垫圈
164  凸缘
166  螺栓
168  静止喷嘴
170  致动器
172  机械臂
174  第四冷却通道
178  内导叶延伸套筒
182  导叶延伸轴颈
具体实施方式
以下参考其与涡轮机的运行有关的应用描述了本发明的至少一个实施例。尽管本发明的实施例相对于呈燃气涡轮机形式的涡轮机进行说明，但是应该懂得的是教导等同地可应用于其他涡轮机，包括但不限于其他类型的涡轮机或压缩机。此外，以下参考公称尺寸并包括一组公称尺寸描述了本发明的至少一个实施例。然而，对于本领域技术人员应该明显的是本发明同样可应用于任何合适的涡轮机和/或压缩机。此外，对于本领域技术人员应该明显的是本发明同样可应用于公称尺寸和/或标称尺寸的各种比例。
如上所指，本发明的多个方面提供了喷嘴和包括喷嘴的涡轮机，该喷嘴可无需拆卸涡轮机而移除。另外的方面提供了喷嘴和包括喷嘴的涡轮机，该喷嘴包括可变面积导叶及其受调节的冷却。
参考图形，图1显示了涡轮机12内喷嘴组的一部分的横截面视图。如应理解的，涡轮机12包括转子，转子包括旋转轴14，旋转轴14具有在不同的级处从其延伸多个叶片16。叶片16从旋转轴14(以虚影显示)径向延伸，其在流体流15的力作用下，起作用以使旋转轴14旋转。喷嘴组定位在多个叶片16的各个级前，以将流体流15以合适的攻角以及压力引向多个叶片。外壳体130还包围叶片16并包含且引导流体流15通过涡轮机12的级。
如图2中所示，各喷嘴168均包括导叶122，导叶122在其径向外端和径向内端处分别联接至径向外护罩124和径向内护罩126。此处导叶122固定地联接至外护罩124和内护罩126，攻角可设定为适应特定范围或组的操作条件，包括温度、发动机质量流等。在径向内护罩126处喷嘴168之间的空间可以或者由于配合翼型件表面而不存在，或者可由径向内护罩126的板状部分提供。径向外护罩124处的喷嘴120之间的空间可由径向外护罩124的板状部分提供。
转向图3-11，将根据本发明的实施例描述喷嘴120和包括喷嘴120的涡轮。
如图3-5中所绘的实施例所示，喷嘴120包括环绕旋转轴的直径的内护罩126(如图1中所示)。内护罩126可包括贯穿其中的多个孔128。喷嘴120还包括具有翼型件形状的多个导叶122，导叶122可旋转地设置在涡轮机12的外壳体130以及内护罩126之间，如图4-5中所示。当孔128在内护罩126中时，喷嘴120可包括相同数目的导叶122。圆柱形凸缘140可充当轴承，并且可定位在导叶122的第一、内部端处，用于在内护罩126处密封导叶122的前缘。第一圆柱形凸缘140可为超环面的或环形的，并且可具有大致等于内护罩126中孔128的直径的外径。
如图3-5中进一步描绘的，多个导叶122的每一个还由外护罩124支承。外护罩124包括多个外护罩节段144，各节段144设置成以端对端关系邻近毗连的外护罩节段144，如图4-5中所示。外护罩124可通过任何当前已知或后期形成的联接(例如，匹配挂钩)连接到外壳体130的内表面上(图4-5)。
根据本发明的实施例各导叶122可安装到外护罩节段144上。各外护罩节段144均包括径向穿过外护罩节段144的整个厚度延伸的大体圆柱形孔146。形状为大体管形的导叶延伸套筒148可从径向外侧插入孔146，充当孔146中的插塞，协助限定通过涡轮机12的流体流径15。当插入孔146时，导叶延伸套筒148不可插入外护罩节段144中孔146的整个厚度，并且可能沿径向向外方向从孔146突出，如图3和7中所绘。导叶延伸套筒148还包括设置在导叶延伸套筒148的内管腔内的套管160。套管160提供导叶延伸套筒148的内部上的磨损面。在套管160内还设置了导叶延伸轴颈182，并且可在其中旋转。
导叶延伸轴颈182可至少包括从凸缘构件的面以t字形延伸的凸缘构件142和轴构件143，如图7中所示。在各种实施例中，凸缘构件142和轴构件143可形成为单一导叶延伸轴颈182件，或者可由两个或更多分离的件形成。凸缘构件142形状为大体超环形，并且可具有大体等于孔146的内径的外径。轴构件143可具有小于套管160的内径的外径。轴构件还可足够长，当导叶延伸轴颈182设置在套管160内时，轴构件143可径向向外延伸超出导叶延伸套筒148并穿过凸缘164，如以下进一步讨论的那样。导叶延伸轴颈182可设置在外护罩节段144内，且轴构件143设置在套管160内，而凸缘构件142设置在孔146内，位于导叶延伸套筒148的径向内部，如图7中所示。由于凸缘142和导叶延伸套筒148两者每个都具有大体上与孔146的内径相同的外径，它们具有彼此大体相同的外径。
如图3和7中进一步所示，凸缘164可用来密封和固定喷嘴120。凸缘164设置成位于导叶延伸套筒148的径向外部并在壳体130的外侧上，允许轴构件143通过穿过其中的孔。凸缘164可通过诸如螺栓166的任何多个装置附接到导叶延伸套筒148上。
如图3中所示，导叶延伸轴颈182可以可操作地通过凸缘构件142与导叶122联接，并通过轴构件143联接到致动器170上，其如上所述通过凸缘164径向向外突出。致动器170可致动导叶122围绕从涡轮机12的中心线径向延伸的导叶轴线134的旋转，如图3中所示。此旋转改变暴露于流体流径15的导叶122的表面积，使导叶与移动的流体同相及异相地移动。致动器170可包括与导叶延伸轴颈182的轴构件143成可操作联接的旋转机械臂172。机械臂172可定位在壳体130的外部上，从而允许导叶122的角度位置的细粒度调节，用于给定组的操作条件下最大有效的操作，操作条件除了其他还包括发动机速度、周围条件以及负载要求。
如图11中所示，各外护罩节段144还包括前缘通道150和后缘通道152。前缘通道150和后缘通道152各自邻近径向延伸的孔146并在其相对的侧上。前缘通道150具有大体匹配超出孔146侧向延伸的导叶122的前缘154的一部分的形状和尺寸的形状和尺寸。前缘通道150可定位成直接位于前缘154的径向外侧，并且与前缘154对齐。类似地，后缘通道152具有大体匹配超出孔146侧向延伸的导叶122的后缘156的一部分的形状和尺寸的形状和尺寸，并且可定位成直接位于后缘156的径向外侧，且与后缘156对齐。孔146和前缘延伸通道150以及后缘延伸通道152对齐，使得导叶122可通过外护罩节段144中由通道150，152以及孔146形成的邻接共同导叶通道157，从而允许沿径向向外方向通过外护罩124移除导叶122。这有利于无需拆开外护罩124进行大修。导叶122还可以以相同的方式插进涡轮机12，经由由孔146和前缘通道150以及后缘通道152形成的共同通道穿过外护罩124和壳体130。
转回到图7，外护罩节段144还包括从外表面朝孔146的内表面穿过外护罩节段144的第一冷却通道158。第一冷却通道158终止于邻近孔146的内表面定位的静止孔口159。静止孔口159可成形并尺寸设置为便于计量通过其中的流量，调整以适应导叶122的各个角度处的流体流15的热负载。孔口159形状上可为圆形或矩形，但也可为便于此类流率调节的任何其它几何形状。具有第一端135和第二端137的第二冷却通道136可位于导叶延伸轴颈182内。第二冷却通道136可在第一端135处与第一冷却通道158在静止孔口159处成流体连通。第二冷却通道136可继续侧向前进穿过导叶延伸轴颈182的套管160和轴构件143，大体直到轴线134。套管160被键接，使得其形状起作用来密封外护罩节段144中的前缘通道150和后缘通道152，并容纳第一冷却通道158。密封垫圈162(图7)或多个垫圈促成围绕导叶延伸套筒148形成的密封。垫圈162可设置在导叶延伸套筒148和导叶延伸凸缘构件142之间。这些密封件大体上防止流体从流径15泄漏，从而维持涡轮机12的效率。
一旦冷却通道136大体抵达导叶轴线134，则第二冷却通道136可径向向内转向，经过轴143的纵向轴线134，以沿着轴线134径向向内引导流体。第二冷却通道136终止于入口气室139处的第二端137。
位于导叶122中并在图8-9中详细示出的第三冷却通道138起作用来在涡轮机运行期间冷却导叶122。在各种实施例中，冷却通道138可为单个通道，或者可包括布置成冷却导叶122的多个流体地连接的通道。第三冷却通道138可与第二冷却通道136在入口气室139处成流体连通。
在一个实施例中，内护罩126与静止喷嘴169一体铸造，邻近喷嘴120定位在涡轮机12内，如图4-5中所示。内导叶延伸套筒178类似于导叶延伸套筒148可用在内护罩126中的孔128中，以固定导叶122。在一些实施例中，静止喷嘴168可安装成使得其在流道15中在喷嘴120之前，使得流体在到达喷嘴120前流过静止喷嘴168。静止喷嘴168还可包括与第一冷却通道158成流体连通的第四冷却通道174，如图7中所示。流体沿从第四冷却通道174到第一冷却通道158到第二冷却通道136到第三冷却通道138的方向流过前述流体连接的冷却通道。
可使用任何热传递介质来流过彼此成流体连通的前述冷却通道，以冷却导叶122的内部部分。在各种实施例中，第一冷却通道158、第二冷却通道136、第三冷却通道138或第四冷却通道174中的任一个或更多还可装备有热传递增强表面，比方说例如销、湍流器等，用于增加喷嘴120的特征的冷却。
导叶122还可大体上有芯，或者中空，如图10中所示。当导叶122由导叶延伸轴颈182以及致动器170转动时，导叶122与流体流径15同相及异相移动，从而改变暴露于流体路径15的导叶122的表面积的量。因而流径15可由导叶122的位置而大体上开启或关闭。这允许平衡涡轮机效率和冷却。当导叶122大体上关闭时，即，导叶122的大表面积暴露于流径15，需要更多的冷却，但涡轮机12更有效地工作。当导叶122大体上打开时，即，导叶122的较少表面积暴露于流径15，需要较少的冷却，但涡轮机12工作较低效。
通过由致动器170启动的运动，导叶延伸轴颈182和导叶122可围绕导叶轴线134旋转，从而在调节导叶122的位置之外还导致导叶延伸轴颈182中的第二冷却通道136旋转或滑动经过静止孔口159(图7)。以此方式，进入第三冷却通道138和流径15的流体流可进行控制或调整。进入导叶122中的冷却通道136的流体可根据导叶122的冷却要求进行调整，冷却要求基于涡轮机12的操作参数或条件确定。
本发明的各种实施例的技术效果包括提供用于涡轮机12的可变面积喷嘴120，以及可根据当前操作条件进行调节的调整冷却系统。与本发明的各种实施例相关的其它技术效果包括提供喷嘴120，其导叶122可无需拆卸涡轮机12或去除壳体130而进行维修或更换，从而既节省时间又节省成本。
如本文所用，用语“第一”、“第二”等并不代表任何顺序、数量或重要性，而是用来将一个元件区分于另一个元件，且用语“一”、“一个”在本文并不代表数量的限制，而是代表至少一个所指项目的存在。与数量联系使用的限制词“大约”包括所指数值并具有由上下文规定的意义(例如，包括与特定数量的测量相关的误差程度)。本文中使用的修饰词“(多个)”意在包括其修饰的项目的单数和复数两者，从而包括一个或更多该项目(例如，“(多种)金属”包括一种或更多金属)。本文公开的范围是包括性的，并可以独立地组合(例如，“高达大约25mm，或者更具体地，大约5mm到大约20mm”的范围包括端点以及范围“大约5mm到大约25mm”的所有中间值，等等)。
尽管本文描述了各种实施例，但由说明书将会理解的是其中本领域技术人员可做出各种要件的组合、变化或改善，并且在本发明的范围内。此外，可做出许多变更以使得特定的情况或材料适应于本发明的教导而不背离其本质范围。因此，其意图在于本发明不限于设想用于实施本发明的最佳模式而公开的特定实施例，相反，本发明将包括落入所附权利要求书范围内的全部实施例。

Claims (9)

1.一种用于涡轮机(12)的喷嘴(120)，所述喷嘴(120)包括：
具有翼型件形状的导叶(122)；
用于安装所述导叶(122)的外护罩节段(144)，所述外护罩节段(144)包括穿过其中的径向延伸的孔(146)；
所述外护罩节段(144)还包括径向延伸的导叶通道(157)，所述径向延伸的导叶通道(157)用于允许穿过其中径向拆除所述导叶(122)；
所述径向延伸的导叶通道(157)包括：
邻近所述径向延伸的孔(146)的前缘通道(150)，所述前缘通道(150)具有大体上匹配所述导叶(122)的前缘(154)的形状和尺寸的形状和尺寸；以及
邻近所述径向延伸的孔(146)的后缘通道(152)，所述后缘通道(152)具有大体上匹配所述导叶(122)的后缘(156)的形状和尺寸的形状和尺寸；
其中所述前缘通道(150)和所述后缘通道(152)与所述导叶(122)的所述前缘(154)和所述后缘(156)成径向对齐。
2.如权利要求1所述的喷嘴(120)，其特征在于，所述喷嘴(120)还包括：
尺寸设置成插入所述孔(146)中的导叶延伸套筒(148)；
设置在所述导叶延伸套筒(148)的内部上的套管(160)；
可操作地联接到所述导叶(122)上的导叶延伸轴颈(182)，其中所述导叶延伸轴颈(182)包括：
尺寸设置成插入所述外护罩节段(144)中的所述径向延伸的孔(146)中的导叶延伸凸缘构件(142)，以及
尺寸设置成设置在所述套管(160)内的导叶延伸轴构件(143)，
所述导叶延伸轴颈(182)还与用于致动所述导叶(122)旋转的致动器(170)成可操作连接，
该旋转改变暴露于流体流径(15)的所述导叶(122)的表面积。
3.如权利要求2所述的喷嘴(120)，其特征在于，所述喷嘴(120)还包括：
所述外护罩节段(144)中的第一冷却通道(158)，其中所述第一冷却通道(158)终止于静止孔口(159)；以及
所述导叶延伸轴颈(182)中的第二冷却通道(136)，所述第二冷却通道(136)在其第一端(135)处与所述第一冷却通道(158)在所述静止孔口(159)处成流体连通，且所述第二冷却通道(136)在其第二端(137)处终止于入口气室(139)，
其中由所述致动器(170)造成的所述导叶延伸轴颈(182)和所述导叶(122)的旋转导致所述第二冷却通道(136)的所述第一端(135)旋转经过所述静止孔口(159)，从而调整流体流的速度。
4.如权利要求3所述的喷嘴(120)，其特征在于，所述喷嘴(120)还包括所述导叶(122)中的第三冷却通道(138)，其中所述第三冷却通道(138)在所述入口气室(139)处与所述第二冷却通道(136)成流体连通，
其中流体从所述第一冷却通道(158)流向所述第二冷却通道(136)到达所述第三冷却通道(138)。
5.如权利要求3所述的喷嘴(120)，其特征在于，流体流的速度根据一组运行条件下所述导叶(122)的冷却要求而调整。
6.如权利要求3所述的喷嘴(120)，其特征在于，所述喷嘴(120)还包括支承所述导叶(122)的内护罩(126)，其中所述内护罩(126)与静止喷嘴(168)一体铸造，邻近所述涡轮机(12)中的所述喷嘴(120)；
其中所述静止喷嘴(168)还包括与所述第一冷却通道(158)成流体连通的第四冷却通道(174)。
7.如权利要求2所述的喷嘴(120)，其特征在于，所述致动器(170)还包括与所述导叶延伸轴颈(182)成可操作连接的旋转机械臂(172)，所述机械臂(172)定位在壳体(130)的外部上。
8.如权利要求2所述的喷嘴(120)，其特征在于，所述喷嘴(120)还包括：
设置在所述导叶延伸套筒(148)和所述导叶延伸凸缘构件(142)之间从而提供密封的至少一个垫圈(162)；以及
径向设置于所述导叶延伸套筒(148)外部并附接于所述导叶延伸套筒(148)的凸缘(164)，用于固定喷嘴(120)。
9.一种用于涡轮机(12)的喷嘴(120)，所述喷嘴(120)包括：
具有翼型件形状的导叶(122)；
用于安装所述导叶(122)的外护罩节段(144)，所述外护罩节段(144)包括穿过其中的径向延伸的孔(146)；
尺寸设置成插入所述孔(146)中的导叶延伸套筒(148)；
设置在所述导叶延伸套筒(148)的内部上的套管(160)；
可操作地联接到所述导叶(122)上的导叶延伸轴颈(182)，其中所述导叶延伸轴颈(182)包括：
尺寸设置成插入所述外护罩节段(144)中的所述径向延伸的孔(146)中的导叶延伸凸缘构件(142)，以及
尺寸设置成设置在所述套管(160)内的导叶延伸轴构件(143)，
所述导叶延伸轴颈(182)还与用于致动所述导叶(122)旋转的致动器(170)成可操作连接，
该旋转改变暴露于流体流径(15)的所述导叶(122)的表面积。
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