CN103046965A

CN103046965A - 具有流动轮廓特征的涡轮机部件

Info

Publication number: CN103046965A
Application number: CN2012103843433A
Authority: CN
Inventors: A.施泰因; C.L.英格拉姆; B.T.博伊尔
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2013-04-17
Also published as: EP2581555A1; US20130089430A1

Abstract

本发明公开具有流动轮廓特征的涡轮机部件。所述涡轮机部件包括主体，所述主体具有：气体通道表面，所述气体通道表面经配置以曝露于通过涡轮机气体通道的气体；非气体通道表面，所述非气体通道表面经配置以布置在位于所述涡轮机气体通道外部的涡轮机叶轮空间中；以及非轴对称流动轮廓特征，所述非轴对称流动轮廓特征从所述气体通道表面延伸至所述非气体通道表面。

Description

具有流动轮廓特征的涡轮机部件

技术领域

本发明涉及涡轮机领域，更确切地说，涉及具有流动轮廓特征的涡轮机部件。

背景技术

通常，燃气涡轮机包括燃烧室组件，燃料/空气混合物在所述燃烧室组件内燃烧以释放热能。所述热能产生高温气流，所述高温气流经由热气通道进入涡轮部分中。涡轮部分将来自高温气流的热能转化成促使涡轮轴旋转的机械能。所述涡轮部分的应用十分广泛，例如，用于向泵或电力发电机提供电力。

高温气流穿过沿热气通道布置成连续级的轮叶和叶片。涡轮部分的第一级包括第一级轮叶，所述第一级轮叶所包括的翼型经配置以引导高温气流沿切线方向流向第一级叶片。高温气流与第一级叶片以气动方式进行相互作用并促使第一级叶片旋转。

具有这样的构造，各个第一涡轮级产生强大的二次流，在所述二次流中高能和高温流体在与主流动方向成横向的方向上流动。也就是说，如果假定主流动方向是轴向的，那么二次流沿周向或沿径向传播。因此，二次流会消极地影响级效率并导致形成非轴对称端壁(endwall)轮廓(EWC)，所述非轴对称端壁轮廓会有效地减少涡轮的二次流损耗。然而，当前的EWC仅适于连接至气体通道表面。

发明内容

根据示例性实施例的一个方面，一种涡轮机部件包括主体，所述主体具有：气体通道表面，所述气体通道表面经配置以曝露于通过涡轮机气体通道的气体；非气体通道表面，所述非气体通道表面经配置以布置在位于涡轮机气体通道外部的涡轮机叶轮空间中；以及非轴对称流动轮廓特征，所述非轴对称流动轮廓特征从所述气体通道表面延伸至所述非气体通道表面。

根据示例性实施例的另一个方面，一种涡轮机桨叶包括翼型部分和支承所述翼型部分的基座部分。所述基座部分包括：一个或多个气体通道表面，所述一个或多个气体通道表面经配置以曝露于通过涡轮机气体通道的气体；一个或多个非气体通道表面，所述一个或多个非气体通道表面经配置以布置在涡轮机气体通道的外部；以及非轴对称流动轮廓特征，所述非轴对称流动轮廓特征从所述一个或多个气体通道表面中的至少一个气体通道表面延伸至所述一个或多个非气体通道表面中的至少一个非气体通道表面。

根据示例性实施例的又一个方面，一种涡轮机包括：外壳；延伸穿过所述外壳的气体通道；布置在外壳之内且大体上与所述气体通道流体分离的叶轮空间；以及布置在外壳中的至少一个涡轮机部件。所述涡轮机部件包括：布置在气体通道之内的至少一个气体通道表面；布置在叶轮空间之内的至少一个非气体通道表面；以及从所述至少一个气体通道表面延伸至所述至少一个非气体通道表面的非轴对称流动轮廓特征。

通过以下结合附图进行的说明可以更加清楚地了解这些和其他优点以及特征。

附图说明

本权利要求书特别指出并明确主张了本发明。通过以下结合附图进行的详细说明可以清楚地了解本发明的上述和其他特征以及优点，在附图中：

图1是根据一个示例性实施例的涡轮机的示意图，所述涡轮机包括具有流动轮廓特征的转子叶片；

图2是根据一个示例性实施例的具有流动轮廓的转子叶片的平面图；

图3是图2中的转子叶片的一部分的详细视图，其图示了根据所述示例性实施例的一个方面的流动轮廓特征；

图4是图2中的转子叶片的一部分的详细视图，其图示了根据所述示例性实施例的另一个方面的流动轮廓特征；以及

图5是图2中的转子叶片的一部分的详细视图，其图示了根据所述示例性实施例的又一个方面的流动轮廓特征。

具体实施方式通过参考附图并以实例方式介绍本发明的各实施例以及优点和特征。

元件符号列表：

具体实施方式

参考图1，一般用2来表示根据一个示例性实施例的涡轮机。涡轮机2包括压缩机部分4和涡轮部分6。压缩机部分4通过燃烧室组件8与涡轮部分6流体连通。压缩机部分4还经由公用压缩机/涡轮的轴10以机械方式连接到涡轮部分6。涡轮部分6包括沿热气通道15延伸的多个级14。级14包括第一级16、第二级18以及第三级20。当然，涡轮部分6的级数可以变化。第一级16包括：多个固定轮叶，其中一个用22表示；以及多个旋转翼型构件或桨叶，其中一个用24表示。类似地，第二级18包括：多个第二级固定轮叶，其中一个用26表示；以及第二级旋转翼型构件或桨叶，其中一个用28表示。第三级20包括：多个第三级固定轮叶，其中一个用30表示；以及多个第三级旋转翼型构件或桨叶，其中一个用32表示。

现在，参考图2和图3，图中描绘了第二级桨叶28，应理解，第一和第三级桨叶24和32可包括类似结构。如图所示，第二级桨叶28包括翼型部分40和基座部分44。翼型部分40从基座部分44延伸出去并且包括压力侧47、吸力侧48、前缘49以及后缘50。翼型部分40曝露于沿涡轮部分6的热气通道(未单独标注)流动的燃烧气体。基座部分44包括具有正面54、后面(aft face)55和翼型支承表面57以及连接构件(未图示)的主体52。翼型支承表面57支承翼型部分40，而连接构件提供至第二级涡轮叶轮或转子(也未图示)的接口。

第二级桨叶28包括：气体通道部分61，所述气体通道部分61包括翼型部分40和基座部分44位于用线64表示的位置上方的部分；以及非气体通道部分68，所述非气体通道部分68包括基座部分44位于线64下方的部分。气体通道部分61包括第二级叶片28的曝露于沿热气通道流动的燃烧气体的所有部分。非气体通道部分68包括基座部分44的布置在涡轮部分6的叶轮空间(未图示)中的所有表面。基座部分44包括：第一气体通道表面71，该表面71包括翼型支承表面57；以及第二气体通道表面73，该表面73包括正面54位于线64上方的部分。基座部分44还包括多个非气体通道表面77，这些表面77包括槽表面部分79、缓冲表面部分81、上角翼83以及下角翼85。当然，应理解的是，后面55也包括气体通道和非气体通道表面(未单独标注)。

根据一个示例性实施例，第二级桨叶28包括流动轮廓特征94。图示的流动轮廓特征94位于正面54上并且从第一气体通道表面71延伸至非气体通道表面77上。在图示的示例性实施例中，流动轮廓特征94采用非轴对称特征的形式，所述非轴对称特征包括在基座部分44中形成的槽/凹口(depression)100和突起102。流动轮廓特征经定位以改变涡轮部分叶轮空间之内在各个周向位置处的局部压力。具体而言，由于尾流(wake)、头波(bow wave)冲击等，流动轮廓特征94使得特定周向位置处的叶轮空间静压力上升，高压一般在叶轮空间/气体通道边缘处产生。因此，流动轮廓特征94使得局部回流余量增大，从而防止局部热气从气体通道吸进叶轮空间，这样在维持较低叶轮空间温度的同时减少对叶轮空间中的额外净化流的需求。

现在请参考图4，图4描绘了根据所述示例性实施例的另一个方面的第二级桨叶101。第二级桨叶101包括翼型部分102和基座部分103。翼型部分102从基座部分103延伸出去并且包括压力侧104、吸力侧105、前缘106以及后缘107。类似于前述方式，翼型部分102曝露于沿涡轮部分6的热气通道(未单独标注)流动的燃烧气体。基座部分103包括具有正面111、后面(未图示)、翼型支承表面113以及连接构件(也未图示)的主体110。翼型支承表面113支承翼型部分102，而连接构件提供至第二级涡轮叶轮或转子(也未图示)的接口。

第二级桨叶101包括：气体通道部分120，所述气体通道部分120包括翼型部分102和基座部分103位于用线124表示的位置上方的部分；以及非气体通道部分128，所述非气体通道部分128包括基座部分103位于线124下方的部分。气体通道部分120包括第二级叶片101的曝露于沿热气通道流动的燃烧气体中的所有部分。非气体通道部分128包括基座部分103的布置在涡轮部分6的叶轮空间(未图示)中的所有表面。基座部分103包括：第一气体通道表面131，该表面131包括翼型支承表面113；以及第二气体通道表面133，该表面133包括正面111位于线124上方的部分。基座部分103还包括多个非气体通道表面140，这些表面140包括槽表面部分141、缓冲表面部分142、上角翼143以及下角翼145。当然，应理解的是，所述后面也包括气体通道和非气体通道表面(未单独标注)。

根据一个示例性实施例，第二级桨叶101包括流动轮廓特征150。图示的流动轮廓特征150位于正面111上并且从第一气体通道表面131延伸至非气体通道表面140上。在图示的示例性实施例中，流动轮廓特征150采用在基座部分103中形成的非轴对称槽或凹口160的形式。如前所述，流动轮廓特征150经定位以改变涡轮部分叶轮空间之内在各个周向位置处的局部压力。具体而言，由于尾流、头波冲击等，流动轮廓特征150使得特定周向位置处的叶轮空间静压力上升，高压一般在叶轮空间/气体通道边缘处产生。因此，流动轮廓特征150使得局部回流余量增大，从而防止局部热气从气体通道吸进叶轮空间，这样在维持较低叶轮空间温度的同时减少对叶轮空间中的额外净化流的需求。

现在参考图5，图5描绘了根据所述示例性实施例的另一个方面的第二级桨叶180，其中类似的附图标记表示各个视图中的对应部件。第二级桨叶180包括翼型部分185和基座部分186。翼型部分185从基座部分186延伸出去并且包括压力侧188、吸力侧189、前缘190以及后缘191。类似于以上所述的方式，翼型部分185曝露于沿涡轮部分6的热气通道(未单独标注)流动的燃烧气体。基座部分186包括具有正面193、后面(未图示)、翼型支承表面195以及连接构件(也未图示)的主体187。翼型支承表面195支承翼型部分185，而连接构件提供至第二级涡轮叶轮或转子(也未图示)的接口。

第二级桨叶180包括：气体通道部分211，所述气体通道部分211包括翼型部分185和基座部分186位于用线214表示的位置上方的部分；以及非气体通道部分218，所述非气体通道部分218包括基座部分190中位于线214下方的部分。气体通道部分211包括第二级桨叶180的曝露于沿热气通道流动的燃烧气体的所有部分。非气体通道部分218包括基座部分190的布置在涡轮部分6的叶轮空间(未图示)中的所有表面。例如，基座部分186包括：第一气体通道表面221，该表面221包括翼型支承表面195；以及第二气体通道表面223，该表面223包括正面193位于线214上方的部分。基座部分186还包括多个非气体通道表面227，这些表面227包括槽表面部分229、缓冲表面部分231、上角翼233以及下角翼235。当然，应理解的是，后面也包括气体通道和非气体通道表面(未单独标注)。

根据一个示例性实施例，第二级桨叶180包括流动轮廓特征244。图示的流动轮廓特征244位于正面193上并且从第一气体通道表面221延伸至非气体通道表面227上。在图示的示例性实施例中，流动轮廓特征244采用在基座部分190上形成的非轴对称脊或凸起区域250的形式。类似于如上所述的方式，流动轮廓特征经定位以改变涡轮部分叶轮空间之内在各个周向位置处的局部压力。具体而言，由于尾流、头波冲击等，流动轮廓特征244使得特定周向位置处的叶轮空间静压力上升，高压一般在叶轮空间/气体通道边缘处产生。因此，流动轮廓特征244使得局部回流余量增大，从而防止局部热气从气体通道吸进叶轮空间，这样在维持较低叶轮空间温度的同时减少对叶轮空间中的额外净化流的需求。

应理解的是，涡轮桨叶的示例性实施例流动轮廓特征提高回流余量，从而限制对从压缩机到叶轮空间的额外净化流的需求。通过限制到达叶轮空间的净化流，更多压缩机流可进入涡轮部分以产生轴功。流动轮廓特征不仅位于曝露于燃烧气体的表面上，还位于布置在叶轮空间中的表面上。将流动轮廓特征定位在曝露于叶轮空间的表面上，这使得位于经受较高燃烧气体压力的位置处的局部压力增大。用这种方式，流动轮廓特征能限制燃烧气体吸进叶轮空间。应进一步理解的是，虽然结合旋转涡轮机部件进行了图示和描述，但是根据所述示例性实施例的流动轮廓特征也可位于固定涡轮机部件上。另外，虽然图示于涡轮机部件的前缘上，但是流动轮廓特征不限于任何一个物理位置并且可以布置在其他表面上。

虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但应理解，本发明并不限于这些公开的实施例。相反，本发明可经修改以涵盖之前并未描述、但与本发明的精神和范围相符合的任意数目的变化、更改、替换或等效布置。此外，尽管已描述本发明的不同实施例，但应理解，本发明的各方面可仅包括所述实施例中的一些实施例。因此，本发明不应视为受以上描述的限制，而仅受所附权利要求书的范围限制。

Claims

1.一种涡轮机部件，包括：

主体，所述主体具有：气体通道表面，所述气体通道表面经配置以曝露于通过涡轮机气体通道的气体；非气体通道表面，所述非气体通道表面经配置以布置在位于所述涡轮机气体通道外部的涡轮机叶轮空间中；以及非轴对称流动轮廓特征，所述非轴对称流动轮廓特征从所述气体通道表面延伸至所述非气体通道表面。

2.根据权利要求1所述的涡轮机部件，其中所述主体包括正面和后面，所述非轴对称流动轮廓特征布置在所述正面上。

3.根据权利要求1所述的涡轮机部件，其中所述非气体通道表面限定一个或多个角翼。

4.根据权利要求1所述的涡轮机部件，其中所述非轴对称流动轮廓特征包括在所述气体通道表面和所述非气体通道表面中的每一个中形成的槽。

5.根据权利要求1所述的涡轮机部件，其中所述非轴对称流动轮廓特征包括在所述气体通道表面和所述非气体通道表面中的每一个中形成的脊。

6.根据权利要求1所述的涡轮机部件，其中所述非轴对称流动轮廓特征包括在所述气体通道和所述非气体通道表面中形成的凹口和突起。

7.根据权利要求6所述的涡轮机部件，其中所述凹口形成于所述气体通道表面中。

8.根据权利要求6所述的涡轮机部件，其中所述突起形成于所述非气体通道表面中。

9.一种涡轮机桨叶，包括：

翼型部分；以及

支承所述翼型部分的基座部分，所述基座部分包括：一个或多个气体通道表面，所述一个或多个气体通道表面经配置以曝露于通过涡轮机气体通道的气体；一个或多个非气体通道表面，所述一个或多个非气体通道表面经配置以布置在所述涡轮机气体通道的外部；以及非轴对称流动轮廓特征，所述非轴对称流动轮廓特征从所述一个或多个气体通道表面中的至少一个气体通道表面延伸至所述一个或多个非气体通道表面中的至少一个非气体通道表面。

10.根据权利要求9所述的涡轮机桨叶，其中所述非轴对称流动轮廓构件包括在所述一个或多个气体通道表面中的所述至少一个气体通道表面中的一个气体通道表面以及所述一个或多个非气体通道表面中的所述至少一个非气体通道表面中的一个非气体通道表面中形成的槽。

11.根据权利要求9所述的涡轮机桨叶，其中所述非轴对称流动轮廓构件包括在所述一个或多个气体通道表面中的所述至少一个气体通道表面以及所述一个或多个非气体通道表面中的所述至少一个非气体通道表面中的一个中形成的脊。

12.根据权利要求9所述的涡轮机桨叶，其中所述非轴对称流动轮廓特征包括在所述一个或多个气体通道表面中的所述至少一个气体通道表面以及所述一个或多个非气体通道表面中的所述至少一个非气体通道表面中的一个中形成的凹口和突起。

13.根据权利要求9所述的涡轮机桨叶，其中所述基座部分包括正面和后面，所述非轴对称流动轮廓特征布置在所述正面上。

14.根据权利要求9所述的涡轮机桨叶，其中所述一个或多个非气体通道表面中的所述至少一个非气体通道表面中的一个非气体通道表面限定角翼。

15.一种涡轮机，包括：

外壳；

延伸穿过所述外壳的气体通道；

布置在所述外壳之内且大体上与所述气体通道流体分离的叶轮空间；以及

布置在所述外壳中的至少一个涡轮机部件，所述涡轮机部件包括：布置在所述气体通道之内的至少一个气体通道表面；布置在所述叶轮空间之内的至少一个非气体通道表面；以及从所述至少一个气体通道表面延伸至所述至少一个非气体通道表面的非轴对称流动轮廓特征。

16.根据权利要求15所述的涡轮机，其中所述涡轮机部件包括正面和后面，所述非轴对称流动轮廓特征布置在所述正面上。

17.根据权利要求15所述的涡轮机，其中所述非轴对称流动轮廓特征包括在所述气体通道表面和所述非气体通道表面中的每一个中形成的槽。

18.根据权利要求15所述的涡轮机，其中所述非轴对称流动轮廓特征包括在所述气体通道表面和所述非气体通道表面中的每一个中形成的脊。

19.根据权利要求15所述的涡轮机，其中所述非轴对称流动轮廓特征包括在一个或多个所述气体通道表面以及一个或多个所述非气体通道表面中形成的凹口和突起。

20.根据权利要求15所述的涡轮机，其中所述涡轮机部件包括涡轮桨叶。