CN103133058B - 涡轮喷嘴及涡轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮喷嘴翼型轮廓，提供了一种包括具有翼型形状的喷嘴翼型件的涡轮喷嘴(180)，该喷嘴翼型件具有与表1中所述的X、Y和Z笛卡尔坐标值基本一致的标称轮廓，其中，X、Y和Z笛卡尔坐标值是从0％到100％的无量纲值，能够通过将所述X、Y和Z笛卡尔坐标值乘以按英寸计的翼型件的高度而转换成按英寸计的量纲距离，并且其中，X和Y是当由平滑连续弧线连接时在每个距离Z处限定翼型件剖面的按英寸计的距离，Z距离处的翼型件剖面彼此平滑地接合而形成完整的翼型形状。

Description

涡轮喷嘴及涡轮

相关申请

本申请涉及下述具有GE案卷号254997、254998、254999和255005的共同未决的申请，所有申请随此同时提交。

技术领域

本申请大体上涉及用于燃气涡轮发动机的涡轮喷嘴，并且更特定而言涉及用于涡轮级的喷嘴翼型轮廓。

背景技术

在燃气涡轮中，在该燃气涡轮的每个级应当满足许多系统要求，以便满足设计目标。这些设计目标可包括但不限于整体提高的效率和翼型件负载能力。例如，涡轮喷嘴翼型轮廓应当达到该特定级的热和机械的运行要求。此外，还应当满足构件寿命和成本目标。

因此，期望一种用于涡轮等的改进的涡轮喷嘴翼型轮廓。这种改进的翼型设计应当在带有长寿命及合理的制造和运行成本的构件中达到性能目标并提高整体燃气涡轮性能。

发明内容

本发明的一方面可通过包括具有翼型形状的喷嘴翼型件的涡轮喷嘴来体现，该喷嘴翼型件具有与表1中所述的X、Y和Z笛卡尔坐标值基本一致的标称轮廓，其中，X、Y和Z笛卡尔坐标值是从0％到100％的无量纲值，能够通过将所述X、Y和Z笛卡尔坐标值乘以翼型件的高度而转换成量纲距离，并且其中，X和Y是当由平滑连续弧线连接时在每个距离Z处限定翼型件剖面的距离，Z距离处的翼型件剖面彼此平滑地接合而形成完整的翼型形状。

本发明的一方面可体现为包括喷嘴翼型件的涡轮喷嘴，该喷嘴翼型件具有与表1中所述的吸力侧X、Y和Z笛卡尔坐标值基本一致的吸力侧未涂层标称翼型轮廓，其中，X、Y和Z笛卡尔坐标值是从0％到100％的无量纲值，能够通过将所述X、Y和Z笛卡尔坐标值乘以翼型件的高度而转换成量纲距离，并且其中，X和Y是当由平滑连续弧线连接时在每个Z距离处限定翼型件剖面的距离，Z距离处的翼型件剖面彼此平滑地接合而形成完整的吸力侧翼型形状，X、Y和Z距离能够作为相同常量或数值的函数缩放以提供按比例放大或按比例缩小的翼型件。

本发明的一方面可体现为包括涡轮叶轮的涡轮，该涡轮叶轮包括多个喷嘴，每个喷嘴包括具有吸力侧翼型形状的翼型件，该翼型件具有与表1中所述的吸力侧X、Y和Z笛卡尔坐标值基本一致的标称轮廓，其中，X、Y和Z笛卡尔坐标值是从0％到100％的无量纲值，能够通过将所述X、Y和Z笛卡尔坐标值乘以翼型件的高度而转换成量纲距离，并且其中，X和Y是当由平滑连续弧线连接时在每个Z距离处限定翼型件剖面的距离，Z距离处的翼型件剖面彼此平滑地接合而形成完整的吸力侧翼型形状。

当结合若干附图和所附权利要求来回顾下面的详细描述时，对本领域普通技术人员而言，本申请的这些及其它的特征和改进应当变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的一方面的燃气涡轮发动机的示意图；

图2是根据本发明的一方面的具有可如本文中所述的喷嘴装置的涡轮的一部分的示意图；

图3是根据本发明的一方面的显示可如本文中所述的翼型件的涡轮喷嘴的一部分的透视图；以及

图4是根据本发明的一方面的图3的翼型件的截面图。

附图标记：

10燃气涡轮发动机

15压缩机

20空气

25燃烧器

30燃料

35燃烧气体

40涡轮

45轴

50外部负载

100涡轮

110第一级

120第二级

130第三级

140第四级

142第五级

144第六级

150喷嘴

160动叶(bucket)

170转子

180喷嘴

190动叶

200喷嘴

210动叶

220喷嘴

230动叶

232喷嘴

234动叶

236喷嘴

238动叶

240热气通路

250喷嘴翼型件

260压力侧

270吸力侧

280顶端

290基部

300前缘

310后缘

350动叶。

具体实施方式

现在参照附图，其中，在所有若干附图中相似的标号表示相似的元件，图1显示了可在此使用的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可包括压缩机15。压缩机15压缩进入的空气流20。压缩机15将压缩的空气流20传送至燃烧器25。燃烧器25混合压缩的空气流20与加压的燃料流30，并且点燃混合物以产生燃烧气体流35。虽然仅显示了单个燃烧器25，但燃气涡轮发动机10可包括任意数量的燃烧器25。燃烧气体流35继而被传送至涡轮40。燃烧气体流35驱动涡轮40，以便产生机械功。在涡轮40中产生的机械功经由轴45驱动压缩机15且驱动外部负载50，例如发电机等。

燃气涡轮发动机10可使用天然气、各种合成气和/或其它类型的燃料。燃气涡轮发动机10可为由纽约州斯卡奈塔第的通用电气公司提供的一些不同的燃气涡轮发动机中的任一种，包括但不限于诸如7系或9系重型燃气涡轮发动机等的那些。燃气涡轮发动机10可具有不同的配置并可使用其它类型的构件。将会理解，其它类型的燃气涡轮发动机也可用于此。多个燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮以及其它类型的发电设备也可在这里一起使用。

图2显示了可如本文中所述的涡轮100的示意图。涡轮100可包括第一级110、第二级120、第三级130、第四级140、第五级142、第六级144等。在此可使用任意数量的级。例如，第一级110可包括一些周向间隔的喷嘴150和动叶160。第一级动叶160安装在涡轮转子170上。喷嘴150彼此周向间隔开并围绕转子的轴线固定。涡轮100的第二级包括安装在转子170上的一些周向间隔的喷嘴180和一些周向间隔的动叶190。第三级也包括安装在转子170上的一些周向间隔的喷嘴200和动叶210。第四级140包括安装在转子170上的一些周向间隔的喷嘴220和动叶230。第五级142包括安装在转子170上的一些周向间隔的喷嘴232和动叶234。第六级144包括安装在转子170上的一些周向间隔的喷嘴236和动叶238。同样，在此可使用任意数量的级。将意识到，喷嘴和动叶位于涡轮的热气通路240中。在此可使用其它构件和其它配置。

参照图3和图4，将意识到，每个喷嘴180具有如图所示的喷嘴翼型件250。翼型件250可具有压力侧270和吸力侧260。吸力侧260在图3中示出，并且压力侧270位于翼型件250的相反侧上。因此，喷嘴180中的每一个在翼型件250的形状中的任何截面处具有喷嘴翼型轮廓。顶端280在翼型件250的顶部或附近，并且基部290在翼型件250的底部或附近。翼型件250还包括前缘300和后缘310以及在它们之间延伸的弦长320。基部290对应于表1的Z等于0处的无量纲Z值。喷嘴翼型件250的顶端280对应于表1的Z等于100处的无量纲Z值。X、Y和Z值以翼型件长度的百分比值给出。仅作为非限制性的示例，喷嘴翼型件的高度可在约8英寸到约28英寸、约8英寸到约25英寸或者约14英寸到约18英寸的范围内。然而，将会理解，在具体应用中也可根据需要采用低于或高于该范围的高度。翼型件250可用于任何级，包括但不限于第一级、第二级、第三级、第四级、第五级等。

燃气涡轮热气通路240需要满足空气动力学和机械叶片负载及效率的系统要求的翼型件250。为了限定每个喷嘴翼型件的翼型形状，在空间中存在着满足级要求且可制造的独特的点集或点轨迹。这些独特的点轨迹满足级效率的要求，并且通过空气动力学和机械负载之间的迭代来实现，使得涡轮能够以高效、安全和平稳的方式运行。这些点对系统而言是独特的和特定的。限定喷嘴翼型轮廓的轨迹包括带有相对于参考原点坐标系的X、Y和Z维度的约2200个点的集合。在下面的表1中给出的笛卡尔坐标系的X、Y和Z值限定了喷嘴翼型件在沿其长度的各个位置处的轮廓。表1列出了未涂层翼型件的数据。坐标的包络/公差在垂直于任何翼型件表面位置的方向上为大约+/-5％，和/或在垂直于任何翼型件表面位置的方向上为弦长320的大约+/-5％。点数据原点是基部260的前缘。X、Y和Z坐标的坐标值由表1中的叶片高度以无量纲单位阐述，虽然当这些值被适当转换时可使用其它量纲单位。表1中所述的X、Y和Z值也以无量纲形式(X、Y和Z)表示为从叶片或翼型件的高度的0％到100％。仅仅作为一个示例，可通过将X、Y和Z值乘以翼型件在后缘处的高度并乘以恒定值(例如100)而将X、Y和Z笛卡尔坐标值转换为量纲距离。为了将Z值转换为Z坐标值(例如按英寸计)，将表1中给出的无量纲Z值乘以翼型件的按英寸计的Z长度。如上所述，笛卡尔坐标系具有正交相关的X、Y和Z轴，并且X轴大体平行于涡轮转子中心线(即，旋转轴)，而正的X坐标值在轴向上朝着尾部(即，涡轮的排气端)。正的Y坐标值沿转子的旋转方向切向地延伸，并且正Z坐标值径向向外地朝向喷嘴顶端。表1中的所有值在室温下给出并且是未倒角的。

通过在垂直于X、Y平面的Z方向上的选定位置处限定X和Y坐标值，可确定喷嘴翼型件在沿着翼型件的长度的各个Z距离处的剖面或翼型形状。通过利用平滑连续弧线连接X和Y值，确定了每个距离Z处的每个剖面。通过将相邻的剖面彼此平滑地连接以形成翼型轮廓，从而确定距离Z之间的各个表面位置的翼型轮廓。

表1的值生成并显示到小数点后三位以用于确定翼型件的轮廓。当叶片在表面中变热时，应力和温度将导致X、Y和Z值的变化。因此，表1中给出的轮廓的值代表周围的、非运行或不热的条件(例如室温)且针对未涂层翼型件。

存在着必须在翼型件的实际轮廓中予以考虑的典型的制造公差以及涂层。每个剖面与其它剖面平滑地接合而形成完整的翼型形状。因此将意识到，+/-典型的制造公差(即+/-值，包括任何涂层厚度)被增加至下表1中给出的X和Y值。因此，沿着翼型轮廓在垂直于任何表面位置的方向上的约+/-5％的距离为这个特定的喷嘴翼型设计和涡轮限定了翼型轮廓包络，即，在标称冷或室温下在实际翼型件表面上的测量点与在相同温度下如在下表中给出的那些点的理想位置之间的变动的范围。该数据是可缩放的，并且几何形状适合于处于、高于和/或低于3000RPM的所有空气动力学调整。喷嘴翼型设计对于这种对机械和空气动力学功能没有损害的变化范围而言是稳健(robust)的。

表1

还将意识到，可将上表1中公开的翼型件250在几何上按比例放大或缩小以用于其它类似的涡轮设计中。所以，表1中所述的坐标值可按比例放大或缩小，使得翼型轮廓形状保持不变。表1中的坐标的缩放版本可通过把表1的X、Y和Z坐标值乘以或除以恒定值来表示，其中X、Y和Z无量纲坐标值被转换为英寸。

本公开中的一个重要术语是轮廓。轮廓是翼型件表面上的测量点与表1中列出的理想位置之间的变动的范围。所制造叶片上的实际轮廓将与表1中的那些不同，并且该设计对这种变动而言是稳健的，这意味着不损害机械和空气动力学功能。如上所述，在本文中使用了大约+或-5％的轮廓公差。X、Y和Z值相对于翼型件高度而言均是无量纲的。

所公开的翼型形状优化了机械条件和规格并且对它们是特定的。翼型形状提供了独特的轮廓以实现(1)高压涡轮中其它级之间的相互作用；(2)空气动力学效率；以及(3)标准化的空气动力学和机械叶片负载。所公开的点轨迹允许燃气涡轮或任何其它合适的涡轮以高效、安全和平稳的方式运行。还注意到，可采用所公开的翼型件的任何比例，只要在缩放的涡轮中维持(1)高压涡轮中其它级之间的相互作用；(2)空气动力学效率；以及(3)标准化的空气动力学和机械叶片负载。

文中所述的翼型件250因而提高了燃气涡轮100的整体效率。具体而言，翼型件250提供期望的涡轮效率递减率(ISO、热、冷、部分负载等)。翼型件250还满足所有空气力学和应力要求。

应当显而易见的是，上述内容仅涉及本申请的某些实施例。在不脱离由所附权利要求及其等同限定的一般精神和范围的情形下，本领域普通技术人员可在此做出众多改变和修改。

Claims (18)

1.一种包括具有翼型形状的喷嘴翼型件的涡轮喷嘴(180)，所述喷嘴翼型件具有与表1中所述的X、Y和Z笛卡尔坐标值一致的标称轮廓，其中，所述X、Y和Z笛卡尔坐标值是从0％到100％的无量纲值，能够通过将所述X、Y和Z笛卡尔坐标值乘以所述喷嘴翼型件的高度而转换成量纲距离，并且其中，X和Y是当由平滑连续弧线连接时在每个Z距离处限定翼型件剖面的距离，所述Z距离处的翼型件剖面彼此平滑地接合而形成完整的翼型形状。

2.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴(180)，其特征在于，形成涡轮的级的部分。

3.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴(180)，其特征在于，所述翼型形状位于在垂直于任何翼型件表面位置的方向上落在对应翼型件表面位置的+/-5％和弦长的+/-5％中的至少一个内的包络中。

4.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴(180)，其特征在于，所述涡轮喷嘴的高度为8英寸至28英寸。

5.一种包括喷嘴翼型件的涡轮喷嘴(180)，所述喷嘴翼型件具有与表1中所述的吸力侧X、Y和Z笛卡尔坐标值一致的吸力侧未涂层标称翼型轮廓，其中，所述X、Y和Z笛卡尔坐标值是从0％到100％的无量纲值，能够通过将所述X、Y和Z笛卡尔坐标值乘以所述喷嘴翼型件的高度而转换成量纲距离，并且其中，X和Y是当由平滑连续弧线连接时在每个Z距离处限定翼型件剖面的距离，所述Z距离处的翼型件剖面彼此平滑地接合而形成完整的吸力侧翼型形状，所述X、Y和Z距离能够作为相同常量或数值的函数缩放以提供按比例放大或按比例缩小的翼型件。

6.根据权利要求5所述的涡轮喷嘴(180)，其特征在于，形成涡轮的级的部分。

7.根据权利要求5所述的涡轮喷嘴(180)，其特征在于，所述吸力侧翼型形状位于在垂直于任何翼型件表面位置的方向上落在对应翼型件表面位置的+/-5％和弦长的+/-5％中的至少一个内的包络中。

8.根据权利要求5所述的涡轮喷嘴(180)，其特征在于，所述涡轮喷嘴的高度为8英寸至28英寸。

9.一种包括多个喷嘴(180)的涡轮(100)，所述喷嘴中的每一个包括具有吸力侧翼型形状的翼型件，所述翼型件具有与表1中所述的吸力侧X、Y和Z笛卡尔坐标值一致的标称轮廓，其中，所述吸力侧X、Y和Z笛卡尔坐标值是从0％到100％的无量纲值，能够通过将所述吸力侧X、Y和Z笛卡尔坐标值乘以按英寸计的所述翼型件的高度而转换成按英寸计的量纲距离，并且其中，吸力侧X和Y是当由平滑连续弧线连接时在每个吸力侧Z距离处限定翼型件剖面的按英寸计的距离，所述吸力侧Z距离处的翼型件剖面彼此平滑地接合而形成完整的吸力侧翼型形状。

10.根据权利要求9所述的涡轮(100)，其特征在于，所述多个喷嘴(180)组成所述涡轮的级。

11.根据权利要求9所述的涡轮(100)，其特征在于，X代表平行于所述涡轮旋转轴线的距离。

12.根据权利要求9所述的涡轮(100)，其特征在于，所述吸力侧(260)翼型形状位于在垂直于任何翼型件表面位置的方向上落在对应翼型件表面位置的+/-5％和弦长的+/-5％中的至少一个内的包络中。

13.根据权利要求9所述的涡轮(100)，其特征在于，所述喷嘴(180)的高度为8英寸至28英寸。

14.根据权利要求9所述的涡轮(100)，其特征在于，所述喷嘴(180)中的每一个包括具有压力侧(270)翼型形状的翼型件，所述翼型件具有与表1中所述的压力侧X、Y和Z笛卡尔坐标值一致的标称轮廓，其中，所述压力侧X、Y和Z笛卡尔坐标值是从0％到100％的无量纲值，能够通过将所述压力侧X、Y和Z笛卡尔坐标值乘以所述翼型件的高度而转换成按英寸计的量纲距离，并且其中，压力侧X和Y是当由平滑连续弧线连接时在每个压力侧Z距离处限定翼型件剖面的距离，所述压力侧Z距离处的翼型件剖面彼此平滑地接合而形成完整的翼型形状。

15.根据权利要求14所述的涡轮(100)，其特征在于，所述多个喷嘴(180)组成所述涡轮的级。

16.根据权利要求14所述的涡轮(100)，其特征在于，X代表平行于所述涡轮旋转轴线的距离。

17.根据权利要求14所述的涡轮(100)，其特征在于，所述压力侧(270)翼型形状位于在垂直于任何翼型件表面位置的方向上落在对应翼型件表面位置的+/-5％和弦长的+/-5％中的至少一个内的包络中。

18.根据权利要求14所述的涡轮(100)，其特征在于，所述喷嘴(180)的高度为8英寸至28英寸。