CN103089319A - 涡轮机的涡轮 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡轮机。所述涡轮机包括经设置以限定通路的第一端壁和第二端壁；所述第一端壁和所述第二端壁均包括：朝向所述通路的表面，以及从所述第一端壁和所述第二端壁的至少一者中可延伸跨过所述通路的第一叶片和第二叶片；所述第一叶片和所述第二叶片都具有翼型形状，并且经设置使得所述第一叶片的压力侧朝向所述第二叶片的吸入侧。在所述第一叶片和所述第二叶片之间的所述第一端壁和所述第二端壁中至少一者的所述表面的一部分具有：至少第一峰，其靠近所述第一叶片的前缘和所述压力侧，以及第二峰，其设置于所述第一叶片的翼弦长度的10-60％处，并且靠近所述压力侧。

Description

涡轮机的涡轮

技术领域

本发明涉及涡轮机，确切地说，涉及涡轮机的具有多个峰(hump)端壁的涡轮。

背景技术

燃气涡轮发动机等涡轮机可包括压缩机、燃烧室和涡轮。压缩机压缩入口气体，并且燃烧室将经压缩的入口气体与燃料一起燃烧以生成高温流体。这些高温流体被导入涡轮，在涡轮中高温流体的能量被转化为可用于生成动力以及/或者发电的机械能。涡轮经形成以构成供高温流体通过的环形通路。

在涡轮的一个或多个轴向级上，旋转叶片通常在多个涡轮级呈现强大的二次流，由此高温流体在横切于主流方向的方向上穿过通路流动。这些二次流会在这些多个级的各级处不利地影响级的效率。

发明内容

根据本发明的一方面，提供涡轮机的涡轮，并且所述涡轮包括经设置以构成通路的第一端壁和第二端壁；所述第一端壁和所述第二端壁的每一者都包括：朝向通路的表面，以及从第一端壁和第二端壁中的至少一者可延伸跨过通路的第一叶片和第二叶片；第一叶片和第二叶片的每一者都具有翼型形状，并且经设置使得第一叶片的压力侧朝向第二叶片的吸入侧。在第一叶片和第二叶片之间的第一端壁和第二端壁中的至少一者的表面的一部分具有：至少第一峰，其靠近第一叶片的前缘和压力侧，以及第二峰，其设置于第一叶片的翼弦长度的10-60％处，并且靠近其压力侧。

根据本发明的另一方面，提供涡轮机的涡轮，并且所述涡轮包括经设置以构成环形通路的第一和第二环形端壁；第一端壁和第二端壁的每一者都包括朝向环形通路的表面，以及从第一端壁和第二端壁的至少一者中可延伸跨过通路的叶片的环形阵列；各叶片具有翼型形状，并且经设置使得其中一个叶片的压力侧朝向其相邻的一个叶片的吸入侧。在所述其中一个叶片和所述其相邻的一个叶片之间的第一端壁和第二端壁的至少一者的表面的一部分具有：至少第一峰，其靠近所述其中一个叶片的压力侧和前缘，以及第二峰，其设置于所述其中一个叶片的翼弦长度的10-60％处，并且靠近其压力侧。

根据本发明的又一个方面，提供涡轮机，所述涡轮机包括：压缩机，其用于压缩入口气体以生成经压缩的入口气体；燃烧室，其将经压缩的入口气体与燃料一起燃烧以生成流体流；以及涡轮，其与燃烧室流体连通。涡轮包括第一端壁和第二端壁，其构成环形通路，流体流可引导的穿过所述环形通路；第一端壁设置于第二端壁内，并且气动元件的轴向级经设置延伸穿过在第一端壁和第二端壁之间的通路并且由此以气动的方式与流体流相互作用。第一端壁在相邻气动元件之间呈现非轴对称轮廓，并在靠近其中一个气动元件的压力侧具有多个峰。

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

本说明书中的权利要求书特别指出并明确要求本发明的权利。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是燃气涡轮发动机的示意图；

图2是图1的燃气涡轮发动机的涡轮部分的侧视图；以及

图3是涡轮部分的地形图(topographical map)的径向视图。

具体实施方式通过参考附图以实例方式介绍本发明的各实施例以及优点和特征。

具体实施方式

参见图1和图2，并且根据本发明的各方面，涡轮机10可为，例如，燃气涡轮发动机11。这样，涡轮机10可包括压缩机12、燃烧室13以及涡轮14。压缩机12压缩入口气体，并且燃烧室13将经压缩的入口气体与燃料一起燃烧以生成高温流体等的流体流。这些高温流体被导入涡轮机14，在涡轮机14中高温流体的能量被转化为可用于生成动力以及/或者发电的机械能。

涡轮14包括第一环形端壁20以及第二环形端壁30，所述第二环形端壁30围绕第一环形端壁20设置以构成环形通路40。环形通路40从靠近燃烧室13的上游部分41延伸到远离燃烧室13的下游部分42。高温流体从燃烧室13输出，并且从上游部分41沿通路40穿过涡轮14到达下游部分42。第一环形端壁20以及第二环形端壁30的每一者都包括朝向面21和31的相应热气路径，所述面21和31向内朝向环形通路40。

在涡轮机14的一个或多个轴向级处，提供气动元件的环形阵列，例如轴向对齐的叶片50。各级中的各叶片50从第一端壁20和第二端壁30中的至少一者或二者可延伸跨过通路40，从而与流过通路40高温流体以气动方式相互作用。各叶片50可具有翼型形状51，所述翼型形状51具有前缘511以及相对于前缘511的后缘512、压力侧513，其在前缘511和后缘512之间延伸，以及吸入侧514，其相对于压力侧513并且在前缘511和后缘512之间延伸。各叶片50可设置于一个或多个轴向级处，使得任一叶片50的压力侧513朝向叶片50的相邻叶片的吸入侧514并且构成相关节距(pitch)。采用此配置时，随着高温流体通过通路40，高温流体以气动的方式与叶片50相互作用并且使得各轴向级处的叶片50的环形阵列围绕涡轮14的中心线旋转。

通常，叶片50的配置倾向于穿过通路40的在横切于主流方向的方向上流动的生成二次流。这些二次流可产生于前缘511处或其附近，此处引入的端壁边界层卷成两个漩涡，所述漩涡传送入浆叶通道并且可能引起气动效率损失。然而，根据各方面，这些漩涡的强度可被降低并且可能通过在前缘511附近放置至少一个或多个第一端壁峰来防止。

此外，随着流体跨过通道40从高压区域迁移到低压区域，形成于相邻叶片50之间的跨通道压力梯度可产生另一类型的二次流部件。所述跨通道流动迁移也可引起气动性能的损失。根据进一步的方面，前缘511的后部或下游的第二端壁峰以及第一端壁峰可加快局部流体的速度。此种加速可造成跨通道流动迁移的减少，进而提高气动效率。

因此，如图2所示并且参考图3，位于涡轮14的特定轴向级上的其中一个叶片501和其相邻的一个叶片502之间的第一端壁20的表面21的部分211，至少具有第一峰60以及设置于其上的第二峰70。为了简洁清晰起见，以下将描述成第一峰60和第二峰70形成于第一端壁20之上，所述第一端壁20在第二端壁30内径向设置，但是可以理解，此实施例只是示例性的，并且类似的峰也可设置于第二端壁30之上。

可将第一峰60设置于靠近前缘511以及其中一个叶片501的压力侧513。第二峰70可设置于其中一个叶片501的翼弦长度的10-60％处，并且靠近其压力侧513。

参考图3，对第一峰60和第二峰70的地形图进行了描绘。如图3所示，第一峰60和第二峰70构成于涡轮14的给定的轴向级上，位于其中一个叶片(“第一”叶片)501的压力侧513和其相邻的叶片(“第二”叶片)502的吸入侧514之间。第一峰60和第二峰70从朝向第一端壁20的表面21的热气路径的部分211径向向外上升。地形图描绘了朝向表面21的热气路径形成调零的第一径向高度80。第一峰60和第二峰70各穿过至少第二至第七径向高度81-86，而从该第一径向高度80径向向外上升，使得其各自径向向外伸入通路40中。

根据各实施例，第二径向高度81处的相对于第一径向高度80的无维(non-dimensional)峰的半径大约是0.175；第三径向高度82处的相对于第一径向高度80的无维峰的半径大约是0.25；第三径向高度83处的相对于第一径向高度80的无维峰的半径大约是0.325；第四径向高度84处的相对于第一径向高度80的无维峰的半径大约是0.4；第五径向高度85处的相对于第一径向高度80的无维峰的半径大约是0.475；以及第六径向高度86处的相对于第一径向高度80的无维峰的半径大约是0.55。

根据进一步实施例，第一峰60距离朝向表面21的热气路径可具有大约为第一叶片501跨度的6.7％的高度；第一峰60可设置于第一叶片501的翼弦长度的0-10％处，并且第一峰60可设置于相关节距的0-10％处。第二峰70距离朝向表面21的热气路径可具有大约为第一叶片501跨度的5.9％的高度；第二峰70可设置于大约为第一叶片501的翼弦长度的42％处，并且第二峰70可设置于大约为相关节距的16.6％处。

尽管仅结合有限数量的实施例来详细描述本发明，但应理解，本发明并不限于所揭示的此类实施例。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量的变化、更改、替换或等效布置。此外，尽管已描述本发明的各种实施例，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，本发明不应视为受前述说明限制，而是仅受所附权利要求书的范围限制。

Claims (20)

1.一种涡轮机的涡轮，包括：

第一端壁和第二端壁，其经设置以限定通路，所述第一端壁和所述第二端壁的每一者都包括朝向所述通路的表面；以及

第一叶片和第二叶片，其从所述第一端壁和所述第二端壁中的至少一者可延伸跨过所述通路，所述第一叶片和所述第二叶片的每一者都具有翼型形状，并且经设置使得所述第一叶片的压力侧朝向所述第二叶片的吸入侧，

所述第一叶片和所述第二叶片之间的所述第一端壁和所述第二端壁中至少一者的所述表面的一部分，其至少具有：

第一峰，其靠近所述第一叶片的前缘和所述压力侧，以及

第二峰，其设置于所述第一叶片的翼弦长度的10-60％处，并且靠近其所述压力侧。

2.根据权利要求1所述的涡轮，其中所述第一叶片和所述第二叶片在所述通路内轴向对齐。

3.根据权利要求1所述的涡轮，其中所述第一峰距离所述第一端壁和所述第二端壁中至少一者的所述表面的高度大约是所述第一叶片的跨度的6.7％。

4.根据权利要求1所述涡轮，其中所述第一峰设置于所述第一叶片的所述翼弦长度的0-10％处。

5.根据权利要求1所述涡轮，其中所述第一峰设置于相关节距的0-10％处。

6.根据权利要求1所述的涡轮，其中所述第二峰距离所述第一端壁和所述第二端壁中至少一者的所述表面的高度大约是所述第一叶片的跨度的5.9％。

7.根据权利要求1所述涡轮，其中所述第二峰设置于大约为所述第一叶片的所述翼弦长度的42％处。

8.根据权利要求1所述涡轮，其中所述第二峰设置于大约为相关节距的16.6％处。

9.一种涡轮机的涡轮，包括：

第一环形端壁和第二环形端壁，其经设置以限定环形通路，所述第一端壁和所述第二端壁的每一者均包括朝向所述环形通路的表面；以及

叶片的环形阵列，其从所述第一端壁和所述第二端壁中的至少一者可延伸跨过所述通路，所述叶片的每一者都具有翼型形状，并且经设置使得其中一个叶片的压力侧朝向其相邻叶片的吸入侧，

所述一个叶片和所述其相邻叶片之间的所述第一端壁和所述第二端壁中至少一者的所述表面的一部分，其至少具有：

第一峰，其靠近所述一个叶片的前缘和所述压力侧，以及

第二峰，其设置于所述一个叶片的翼弦长度的10-60％处，并且靠近其所述压力侧。

10.根据权利要求9所述的涡轮，其中所述环形阵列中的所述叶片在所述通路内轴向对齐。

11.根据权利要求9所述的涡轮，其中所述第一峰距离所述第一端壁和所述第二端壁中至少一者的所述表面的高度大约是所述一个叶片的跨度的6.7％。

12.根据权利要求9所述涡轮，其中所述第一峰设置于所述一个叶片的所述翼弦长度的0-10％处。

13.根据权利要求9所述涡轮，其中所述第一峰设置于相关节距的0-10％处。

14.根据权利要求9所述的涡轮，其中所述第二峰距离所述第一端壁和所述第二端壁中至少一者的所述表面的高度大约是所述一个叶片的跨度的5.9％。

15.根据权利要求9所述涡轮，其中所述第二峰设置于所述一个叶片的所述翼弦长度的42％处。

16.根据权利要求9所述涡轮，其中所述第二峰设置于大约为相关节距的16.6％处。

17.一种涡轮机，包括：

压缩机，其用于压缩入口气体，以产生经压缩的入口气体；

燃烧室，其用于将所述经压缩的入口气体与燃料一起燃烧以产生流体流；以及

涡轮，其与所述燃烧室流体连通，所述涡轮包括：

第一端壁和第二端壁，其限定环形通路，所述流体流可引导的穿过所述环形通路，所述第一端壁设置于所述第二端壁中，

气动元件的轴向级，其经设置以延伸穿过位于所述第一端壁和所述第二端壁之间的所述通路，并且由此以气动的方式与所述流体流相互作用，以及

第一端壁，其在相邻气动元件之间呈现非轴对称轮廓，所述第一端壁在靠近其中一个所述气动元件的压力侧具有多个峰。

18.根据权利要求17所述的涡轮机，其中所述多个峰包括靠近所述其中一个所述气动元件的前缘的第一峰以及位于所述第一峰下游的第二峰。

19.根据权利要求17所述涡轮机，其中所述多个峰延伸跨过所述通路的部分跨度。

20.根据权利要求17所述涡轮机，其中所述多个峰具有不同的形状。

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