CN103089316B - 涡轮机末级流路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种涡轮机末级流路，其可包括在燃气涡轮发动机。所述燃气涡轮发动机可以包括涡轮机和置于所述涡轮机下游的扩散器。所述涡轮机可以包括多个末级桨叶、多个末级喷嘴，以及约0.95或更高的所述末级喷嘴的测量比。

Description

涡轮机末级流路
技术领域
本发明大体涉及燃气涡轮发动机，确切地说，涉及用于优化性能的燃气涡轮机末级(last stage)流路和相关扩散器入口。
背景技术
一般而言，燃气涡轮机由流经其中多个级的热燃烧气体流进行驱动。燃气涡轮发动机通常可以包括位于涡轮机的末级下游的扩散器。扩散器将离开末级的热燃烧气体流的动能转化为采用增加的静压形式的势能。可能已知多种不同类型的扩散器以及类似物。
已知多个参数会对燃气涡轮机整体性能造成影响。然而，试图在不考虑扩散器的情况下通过这些参数中的变化来改进燃气涡轮机整体性能通常导致扩散器性能降低，并且由此降低燃气涡轮机整体性能和效率。
因此，需要一种优化的涡轮机末级流路，并且考虑扩散器入口轮廓。末级流路与扩散器入口轮廓的结合考虑应当优化涡轮机和扩散器的整体性能。
发明内容
本发明在此提供一种燃气涡轮发动机。所述燃气涡轮发动机可以包括涡轮机、和设置于所述涡轮机下游的扩散器。所述涡轮机可以包括多个末级桨叶、多个末级喷嘴，以及约0.95或更高的所述末级喷嘴的测量比(gauging ratio)。
所述测量比包括喉部长度与桨距之间的比率。所述涡轮机包括小于约0.7的桨叶轮毂入口相对马赫数。所述涡轮机包括约20或更高的压力比。所述涡轮机包括约0.4到约0.65的半径比；所述半径比包括从转子到末级桨叶的轮毂的轮毂半径，以及从所述转子到所述末级桨叶的叶尖的叶尖半径。所述涡轮机包括大于约零(0)的轮毂反动度；所述轮毂反动度包括所述末级桨叶的压力比以及末级的压力比。所述涡轮机包括小于约20度的非引导转动角；所述非引导转动角包括末级桨叶的从喉部到后端的角。所述涡轮机包括小于约一(1)的出口角比率；所述出口角比率包括末级喷嘴的叶尖侧出口角和轮毂侧出口角。所述涡轮机包括位于其中的末级流路。所述涡轮机包括环道，并且所述扩散器包括扩散器入口。
本发明进一步提供一种燃气涡轮发动机。所述燃气涡轮发动机可以包括涡轮机的末级、以及设置于所述涡轮机的所述末级下游的扩散器。所述涡轮机可以包括多个末级桨叶、多个末级喷嘴、穿过其中的流路，以及约0.95或更高的所述末级喷嘴的测量比。
所述测量比包括喉部长度与桨距之间的比率。所述涡轮机包括小于约0.7的桨叶轮毂入口相对马赫数，以及约20或更高的压力比。所述涡轮机包括约0.4到约0.65的半径比、大于约零(0)的轮毂反动度、小于约二十度的非引导转动角，及/或小于约一(1)的出口角比率。
本发明进一步提供一种燃气涡轮发动机。所述燃气涡轮发动机可以包括涡轮机的末级以及扩散器。所述涡轮机的所述末级可包括多个末级桨叶、多个末级喷嘴、穿过其中的末级流路，以及约0.95或更高的所述末级喷嘴的测量比。所述涡轮机的所述末级还可包括约0.4到约0.65的半径比、大于约零(0)的轮毂反动度(degree of hub reaction)、小于约二十度的非引导转动角(unguided turning angle)，及/或小于约一(1)的出口角比率(exit angle ratio)。本说明书中可以考虑其他类型的运行参数。
其中，所述测量比包括喉部长度与桨距之间的比率。
通过结合若干附图和所附权利要求书来阅读以下详细说明，所属领域的技术人员可清楚地了解本发明及相应专利的这些和其他特征以及改进。
附图说明
图1为燃气涡轮发动机的示意图，图示了压缩机、燃烧室、涡轮机和扩散器。
图2为如本说明书中可能描述的燃气涡轮机的多个部分的侧视图。
图3为图2所示涡轮机的一部分的示意图，图示了一对涡轮机喷嘴。
图4为图2所示涡轮机的一部分的示意图，图示了一个桨叶。
图5所示为跨图2所示涡轮机的喷嘴翼展的喷嘴测量比。
元件符号列表：
参考标号 部件 参考标号 部件
10 燃气涡轮发动机 15 压缩机
20 空气流 25 燃烧室
30 燃料流 35 燃烧气体流
40 涡轮机 45 轴
50 负载 55 扩散器
60 支柱 65 轮毂
70 外壳 100 涡轮机
110 第一级 120 第一级喷嘴
130 第一级桨叶 140 第二级
150 第二级喷嘴 160 第二级桨叶
170 末级 180 末级喷嘴
190 末级桨叶 192 轮毂
196 叶尖 198 转子
200 入口 210 扩散器
220 末级流路 230 环道(annulus)
240 壳体 250 喷嘴前端
260 喷嘴后端 270 喷嘴吸入侧
280 喷嘴压力侧 290 桨叶前端
300 桨叶后端 310 桨叶吸入侧
320 桨叶压力侧 330 喉部
340 非引导转动角 350 出口角
360 测量比 370 喉部长度
380 桨距
具体实施方式
现参阅附图，在附图中，类似数字指示各个视图中的类似元件，图1所示为本说明书中可能使用的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可以包括压缩机15。压缩机15压缩进入空气流20。压缩机15将压缩空气流20输送到燃烧室25。燃烧室25将压缩空气流20与加压燃料流30混合，然后点燃所述混合物以产生燃烧气体流35。尽管只图示了一个燃烧室25，但燃气涡轮发动机10可以包括任何数量的燃烧室25。燃烧气体流35随后输送到涡轮机40。燃烧气体流35驱动涡轮机40，从而产生机械功。在涡轮机40中产生的机械功经由轴45驱动压缩机15、以及诸如发电机等外部负载50。
燃气涡轮发动机10还可包括扩散器55。扩散器55可以设置于涡轮机40下游。扩散器55可以包括多个支柱60，这些支柱安装在轮毂65上、并且由外壳70包裹。外壳70的直径可沿流的方向延展。扩散器55使燃烧气体流35沿轴向转动/转向。本说明书中可以使用其他部件或其他配置。
燃气涡轮发动机10可以使用天然气、各种类型的合成气，及/或其他类型的燃料。燃气涡轮发动机10可为位于美国纽约州斯卡奈塔第(Schenectady，New York)的通用电气公司(General Electric Company)所提供多种不同燃气涡轮发动机中的任意一种，其包括(但不限于)7或9系列重型燃气涡轮发动机以及同类燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机10可具有不同配置，并且可以使用其他类型的部件。本说明书还可使用其他类型的燃气涡轮发动机。本说明书也可同时使用多个燃气涡轮发动机、其他类型的涡轮机、以及其他类型的发电设备。
图2所示为如本说明书中可能描述的涡轮机100的实例。涡轮机100可以包括多个级。在此实例中，第一级110具有第一级喷嘴120和第一级桨叶130，第二级140具有第二级喷嘴150和第二级桨叶160，并且末级170具有末级喷嘴180和末级桨叶190。本说明书可以使用任何数量的级。末级桨叶190可从轮毂192延伸至叶尖194，并且可以安装在转子196上。扩散器210的入口200可以设置于末级170下游。一般而言，扩散器210的直径沿穿过其中的流的方向增加。末级流路220可由环道(annulus)230限定/界定，该环道由涡轮机100的邻近扩散器210的外部壳体240形成。本说明书中可以使用其他部件或其他配置。
图3所示为一对末级喷嘴180。每个喷嘴180包括前端250、后端260、吸入侧270以及压力侧280。类似地，图4所示为末级桨叶190的实例。末级桨叶190还包括前端290、后端300、吸入侧310和压力侧320。喷嘴180和桨叶190可以布置成在每个涡轮机级中的圆周排列。可以使用任何数量的喷嘴180和桨叶190。喷嘴180和桨叶190可以具有任何大小或形状。本说明书中可以使用其他部件或其他配置。
如上所述，可以优化任何数量的运行参数，以改进涡轮机和扩散器的性能。例如，可以考虑末级流路220。如上所述，末级流路220可由环道230界定，该环道由涡轮机100的外部壳体240形成。类似地，扩散器210的入口200由此可以与环道230的特征匹配或配合，从而改进扩散器的性能。若干末级变量可以包括相对马赫数(relative Mach number)、压力比、半径比、反动度(a reaction)、非引导转动角(unguided turning angle)以及喉部分布范围(throat distribution ranges)。本说明书中也可以考虑其他变量。
例如，无论通过减小压力比、增大环道230还是其他方式对末级170进行设计以得到低桨叶轮毂入口相对马赫数，都可以增加整体效率。在此实例中，低桨叶轮毂入口相对马赫数可小于约0.7。此相对马赫数应当维持合理的轮毂转换和性能。设定末级配置后，喉部分布即可针对扩散器的入口轮廓进行优化。
具体而言，压力比可跨整个涡轮机100进行确定，也可跨末级170的喷嘴180和桨叶190进行确定。整体压力比可为约20或更高。半径比可以考虑从转子196到轮毂192的轮毂半径，以及从转子196到末级桨叶190的叶尖194的叶尖半径。在此实例中，半径比可为约0.4到约0.65。轮毂反动度考虑了末级桨叶190的压力比相对于末级180的压力比的情况。在此实例中，轮毂侧上的反动度可以大于约零(0)，以便维持轮毂周围的合理负载。非引导转动角度可设定为将桨叶190的后部从喉部330翻转到后端300的量。在此实例中，非引导转动角可小于约20度(20°)，以便将震动损失(shock loss)保持在合理水平。另外的参数可为出口角比率350。出口角比率350可设定为末级喷嘴180的叶尖侧出口角与轮毂侧出口角之比。在此实例中，出口角比率可小于约一(1)。本说明书中可以考虑其他变量和参数以获得不同的配置。
另外的参数可为末级喷嘴180的喉部分布、或测量比(gauging ratio)360。具体而言，即为叶尖侧测量与轮毂侧测量之比。测量比360可以通过对喉部长度370以及邻近喷嘴180之间的桨距380进行评估来进行考虑。喉部长度370是第一喷嘴180的后端360到第二喷嘴180的吸入侧270之间的距离。桨距380可以设定为第一喷嘴180的前端250到第二喷嘴180的前端250之间的距离。(本说明书中也可使用后端260之间的距离。)如图5所示，本说明书中的末级喷嘴180的测量值从叶尖侧到轮毂侧逐渐增大，即喉部在叶尖处较大程度地打开，而在轮毂处闭合。具体而言，测量比360可大于约0.95，以便形成更均匀的径向功分布和更平坦的扩散器入口轮廓。
通过减小压力比或增大环道面积，末级170因此可以具有低桨叶轮毂入口相对马赫数。桨叶喉部分布或测量比360随后可以进行设置，以获得适合扩散器入口200的理想轮廓。具体而言，喉部可在叶尖处较大程度地打开，而在轮毂处闭合。因此，此类布置优化了涡轮机和扩散器的性能，从而改进系统整体性能。鉴于测量比通常较小，即喉部在叶尖处打开程度较小、而在轮毂处打开程度较大，因此这种配置可能是唯一的。
应了解，上述说明仅涉及本发明及相应专利的某些实施例。所属领域的技术人员可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明做多种变化和修改，本发明的精神和范围由所附权利要求书及其等效物定义。

Claims (19)

1.一种燃气涡轮发动机，包括：
涡轮机；
所述涡轮机包括多个末级桨叶和多个末级喷嘴，所述末级喷嘴的喉节比从轮毂侧到叶尖侧逐渐增大；
0.4到0.65的半径比；以及
扩散器，其设置于所述涡轮机下游。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述末级喷嘴的喉节比包括所述末级喷嘴的喉部长度与所述末级喷嘴的桨距之间的比率。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述涡轮机包括小于0.7的桨叶轮毂入口相对马赫数。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述涡轮机包括20或更高的压力比。
5.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述半径比包括从转子到末级桨叶的轮毂的轮毂半径与从所述转子到所述末级桨叶的叶尖的叶尖半径的比率。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述涡轮机包括大于零(0)的轮毂反动度。
7.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其中所述轮毂反动度包括所述末级桨叶的压力比以及所述末级喷嘴的压力比。
8.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述涡轮机包括小于20度(20°)的非引导转动角。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机，其中所述非引导转动角包括末级桨叶的从喉部到后端的角。
10.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述涡轮机包括小于一(1)的出口角比率。
11.根据权利要求10所述的燃气涡轮发动机，其中所述出口角比率包括末级喷嘴的叶尖侧出口角与轮毂侧出口角的比率。
12.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述涡轮机包括位于其中的末级流路。
13.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述涡轮机包括环道，所述环道限定末级流路，并且所述扩散器包括扩散器入口并邻近所述环道。
14.一种燃气涡轮发动机，包括：
涡轮机的末级；
所述涡轮机的所述末级包括多个末级桨叶、多个末级喷嘴，以及穿过其中的末级流路，所述末级喷嘴的喉节比从轮毂侧到叶尖侧逐渐增大；
0.4到0.65的半径比；以及
扩散器，其设置于所述涡轮机的所述末级下游。
15.根据权利要求14所述的燃气涡轮发动机，其中所述末级喷嘴的喉节比包括所述末级喷嘴的喉部长度与所述末级喷嘴的桨距之间的比率。
16.根据权利要求14所述的燃气涡轮发动机，其中所述涡轮机包括小于0.7的桨叶轮毂入口相对马赫数，以及20或更高的压力比。
17.根据权利要求14所述的燃气涡轮发动机，其中所述涡轮机包括0.4到0.65的半径比、大于零(0)的轮毂反动度、小于二十度(20°)的非引导转动角，及/或小于一(1)的出口角比率。
18.一种燃气涡轮发动机，包括：
涡轮机的末级；
所述涡轮机的所述末级包括多个末级桨叶、多个末级喷嘴，以及穿过其中的末级流路，所述末级喷嘴的喉节比从轮毂侧到叶尖侧逐渐增大；
0.4到0.65的半径比、大于零(0)的轮毂反动度、小于二十度(20 °)的非引导转动角，及/或小于一(1)的出口角比率；以及
扩散器。
19.根据权利要求18所述的燃气涡轮发动机，其中所述末级喷嘴的喉节比包括所述末级喷嘴的喉部长度与所述末级喷嘴的桨距之间的比率。
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