CN103184888B - 用于从流体分离颗粒的涡轮和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于从流体分离颗粒的涡轮和方法。根据本发明的一个方面，涡轮翼型件包括：在涡轮翼型件的内部的第一腔室，其构造成接收流体；和在涡轮翼型件的内部的第二腔室。该涡轮翼型件还包括在涡轮翼型件的内部的通道，其提供第一腔室和第二腔室之间的流体连通，其中通道包括弯曲部，其构造成当流体流过通道时从流体分离颗粒。
Description
技术领域
本文中公开的主题涉及涡轮发动机，并且更具体地涉及用于从涡轮发动机中的流体分离颗粒的装置和方法。
背景技术
在涡轮中，燃烧器将燃料或空气-燃料混合物的化学能转换为热能。热能由流体(通常是来自压缩器的压缩空气)传导至涡轮，在此热能被转换为机械能。作为转换过程的一部分，热气体流经并穿过涡轮的部分。沿着热气体路径的高温可加热涡轮构件，从而导致劣化。冷却流体可流过在构件内形成的通路或腔室以冷却构件。有时冷却流体可包括颗粒，例如粉尘或污垢，其可在流动通道中积累并且扰乱流动。冷却流体的减缓流动或限制可导致涡轮构件上的升高温度和热应力。
发明内容
根据本发明的一个方面，涡轮翼型件(airfoil)包括：在涡轮翼型件的内部的第一腔室，其构造成接收流体；和在涡轮翼型件的内部的第二腔室。该涡轮翼型件还包括在涡轮翼型件的内部的通道，其提供第一腔室和第二腔室之间的流体连通，其中通道包括弯曲部，其构造成当流体流过通道时从流体分离颗粒。
根据本发明的另一个方面，一种用于从在涡轮构件内流动的流体分离颗粒的方法包括：将流体从涡轮构件内的第一腔室接收入涡轮构件内的通道，其中通道包括弯曲部，其构造成当流体流过通道时从流体分离颗粒。该方法还包括将具有数量减少的颗粒的清洁流体从通道引导至涡轮构件内的第二腔室。
这些和其他的优点和特征从结合附图进行的下列描述中将变得更加显而易见。
附图说明
被认为是本发明的主题在说明书的结尾处的权利要求中被特别地指出并且清楚地主张权利。本发明的前述和其他的特征和优点从结合附图进行的下列详细描述中是显而易见的，其中：
图1是燃气涡轮发动机的实施例的示意图，该燃气涡轮发动机包括燃烧器、燃料喷嘴、压缩器和涡轮；和
图2是示范翼型件的顶截面图。
详细的描述参照附图经由实例说明本发明的实施例以及优点和特征。
具体实施方式
图1是燃气涡轮系统100的实施例的示意图。系统100包括压缩器102、燃烧器104、涡轮106、轴108和燃料喷嘴110。在实施例中，系统100可包括多个压缩器102、多个燃烧器104、多个涡轮106、多个轴108和多个燃料喷嘴110。压缩器102和涡轮106由轴108联接。轴108可为单轴或联接在一起以形成轴108的多个轴段(shaftsegment)。
在一个方面中，燃烧器104使用液体和/或气体燃料，例如天然气或富氢合成气，以使发动机运行。例如，燃料喷嘴110与空气源和燃料源112流体连通。燃料喷嘴110制造空气-燃料混合物，并将空气-燃料混合物排放至燃烧器104，从而引起对加压气体进行加热的燃烧。燃烧器104引导热加压排气通过过渡件进入涡轮喷嘴(或“第一级喷嘴”)，接着进入涡轮叶片，从而使涡轮106旋转。涡轮106的旋转使轴108旋转，从而在空气流入压缩器102时压缩空气。由于火焰温度上升，故热气体路径构件应被适当冷却以延长使用寿命。在实施例中，热气体流经并穿过燃气涡轮系统100的部分，包括涡轮106。沿着热气体路径的高温可加热涡轮106的构件，从而导致劣化。在一个实施例中，冷却流体可流过在构件内形成的通路或腔室以冷却构件。有时，冷却流体可包括颗粒，例如粉尘、磨碎金属粉尘、油漆碎片和碎片涂层，其可在流动通道中积累并且扰乱流动。后文中通过参照图2详细讨论具有用于从冷却流体流移除颗粒的改良配置的构件和使用这种构件的方法。
如在本文中使用的，“下游”和“上游”为如下术语，其指示相对于通过涡轮的工作流体流的方向。因此，术语“下游”表示与工作流体流的方向大致对应的方向，而术语“上游”大致表示与工作流体流的方向相反的方向。术语“径向”表示与轴线或中心线垂直的运动或位置。该术语可有助于描述相对于轴线处于不同径向位置的零件。在该情况下，如果第一构件比第二构件距离轴线更近，则在本文中可叙述为第一构件在第二构件的“径向内部”。另一方面，如果第一构件比第二构件距离轴线更远，则在本文中可叙述为第一构件在第二构件的“径向外部”或“外侧”。术语“轴向”表示平行于轴线的运动或位置。最后，术语“周向”表示围绕轴线的运动或位置。尽管接下来的讨论主要集中于燃气涡轮，但讨论的概念不受限于燃气涡轮，并且可应用于其他旋转机械，包括蒸汽涡轮。
图2是涡轮构件例如翼型件200的实施例的顶截面图。翼型件200包括外壁202，其包含前缘(LE)腔室204和后缘(TE)腔室206，其中腔室构造成接收流体，以控制翼型件200的部分的温度。在实施例中，LE腔室204接收用于冷却翼型件200的部分的流体208，例如空气。通道210接收流体208并且当该流体流过通道210时从流体208分离颗粒。通道210包括大致直部212和大致弯曲部214，其中发夹部216连接大致直部212至大致弯曲部214。当流体208流过弯曲部214时，离心力作用于流动流体208以引起或促使颗粒由于颗粒相对于流体的更高质量而流向弯曲部214的径向外壁218。因此，在径向内壁220附近的流体208具有数量减少的颗粒。在实施例中，包括在径向内壁220附近具有数量减少的颗粒的流体208的清洁流体222流过径向内壁220中的通道224。剩余流体208包括数量增加的颗粒，并形成流体226(也被表示为“剩余流体”)，其流过在通道210的端部或下游部附近、在外壁202中的通道228。在实施例中，流体226流过通道228并形成冷却外壁202的表面230的膜。
TE腔室206接收具有数量减少的颗粒的清洁流体222，其中清洁流体222被引导至其他位置，例如通道、通路和/或其他腔室，用于控制翼型件200内的温度。如图所示，外壁202中的通道232使清洁流体234能够从TE腔室206流出，其中清洁流体234冷却在通道232附近的外壁。清洁流体234中数量减少的颗粒使流体流过通路或通道，例如通道232，而不存在可限制流体流动的颗粒积累。在实施例中，通道232是小直径冷却通道。小直径冷却通道(例如通道232)提供用于涡轮零件的选定部的冷却的增强控制，并且因此易受堵塞所影响。因此，通过降低流过流动通路和通道的流体中颗粒的积累，提供涡轮零件温度的增强控制以防止热疲劳、磨损和/或损伤。
在实施例中，例如为金属泡沫(metalfoam)236的多孔材料可接收清洁流体222，其中泡沫中的孔是用于翼型件200的冷却部的流体流动通道。金属泡沫236的连接的孔通道容许清洁流体222，例如冷却空气，至少填充TE腔室206的一部分，并且因此增加冷却空气流经的表面区域。清洁流体222中减少的颗粒减少金属泡沫236中的孔通道的堵塞，因此改善冷却。在实施例中，通道210包括在发夹部216附近的、在外壁202中的通道240，其中流体流238包括数量增加的颗粒。从而，流体流208中的转向和伴随的离心力导致颗粒的至少一部分分离，以提供用于冷却的流体208中的颗粒数量的减少。
应当注意到的是，图示的翼型件200中通道210的配置可用于从任意适当的涡轮构件内部的流体分离质量较高的材料，例如颗粒，涡轮构件包括但不受限于翼型件、护罩(shroud)和隔壁(bulkhead)。进而，具有大致弯曲部214的通道210可位于涡轮构件内任意适当的位置，其中通道接收具有颗粒的流体并通过离心力分离颗粒，并且清洁流体222流至另一位置用于另外构件冷却。发夹通道包括具有极锐内角转向的流动路径，从而使流体流的大部分几乎转向180°以继续沿着通道流动。弯曲通道使流体在大致弯曲的路径中流动，该大致弯曲的路径也导致离心力以推动较高质量的材料至通道的径向外壁。弯曲通道几何形状的例子包括弧、半圆和在其间具有小角度的多个直部(构成大致弧形弯曲流动路径)。图示的构件中的通道210可与位于涡轮构件内或外部的腔室、通路或通道流体连通，其中通道210构造成减少流体208内的颗粒数量，并且向第二腔室(即TE腔室206)提供清洁流体222。
虽然已经仅结合有限数量的实施例详细地描述本发明，但是应当容易地理解，本发明不受限于这些公开的实施例。相反地，本发明可修改以包括迄今为止未描述但是与本发明的精神和范围相当的、任何数量的变形、变更、替换或等同配置。另外，虽然已经描述本发明的各种实施例，但是应当理解，本发明的方面可仅包括描述的实施例中的一些。因此，本发明不被视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。
Claims (20)
1.一种涡轮翼型件，包括：
在所述涡轮翼型件的内部的第一腔室，其构造成接收流体；
在所述涡轮翼型件的内部的第二腔室；和
在所述涡轮翼型件的内部从压力侧延伸至吸力侧的通道，所述通道提供所述第一腔室和所述第二腔室之间的流体连通，其中，所述通道包括直部、弯曲部和布置在所述直部与弯曲部之间的发夹部，所述弯曲部构造成当所述流体流过所述通道时从所述流体分离颗粒。
2.如权利要求1所述的涡轮翼型件，其特征在于，所述通道从所述流体分离所述颗粒，以向所述第二腔室提供具有数量减少的颗粒的清洁流体。
3.如权利要求2所述的涡轮翼型件，其特征在于，所述清洁流体通过在所述弯曲部的径向内壁中的通道引导入所述第二腔室。
4.如权利要求2所述的涡轮翼型件，其特征在于，所述颗粒通过在所述弯曲部的下游部附近的通道引导至所述翼型件外。
5.如权利要求2所述的涡轮翼型件，其特征在于，所述清洁流体引导通过在所述涡轮翼型件的壁中的通道，以控制所述涡轮翼型件的温度。
6.如权利要求1所述的涡轮翼型件，其特征在于，在分离后不具有所述颗粒的所述流体包括引导至所述涡轮翼型件的外部的剩余流体以提供膜式冷却。
7.如权利要求1所述的涡轮翼型件，其特征在于，所述流体包括空气，所述颗粒包括粉尘。
8.如权利要求1所述的涡轮翼型件，其特征在于，当所述流体流过所述通道时，由通过所述弯曲部的所述流体的流动引起的离心力将所述颗粒推向所述弯曲部的径向外壁。
9.一种用于从在涡轮构件内流动的流体分离颗粒的方法，所述方法包括：
将流体从所述涡轮构件内的第一腔室接收入所述涡轮构件内从压力侧延伸至吸力侧的通道，其中，所述通道使所述流体流过直部、弯曲部和布置在所述直部与弯曲部之间的发夹部，所述弯曲部构造成当所述流体流过所述通道时从所述流体分离颗粒；并且
将具有数量减少的颗粒的清洁流体从所述通道引导至所述涡轮构件内的第二腔室。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，引导所述清洁流体包括，将所述清洁流体通过在所述通道的径向内壁中的通道引导入所述第二腔室。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，包括将包含分离颗粒的剩余流体通过在所述通道的下游部附近的通道引导至所述涡轮构件外。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，包括引导所述清洁流体通过在所述第二腔室的壁中的小通道，以控制所述涡轮构件的温度。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，接收所述流体包括接收空气，并且其中，所述颗粒包括粉尘。
14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，从所述第一腔室接收所述流体包括，经由由通过所述通道的所述流体的流动所引起的离心力，将所述颗粒推向所述通道的径向外壁。
15.一种涡轮，包括：
压缩器；
燃烧器；
涡轮；和
所述涡轮中的构件，所述构件包括从压力侧延伸至吸力侧通道，所述通道提供在所述涡轮中的第一腔室和第二腔室之间的流体连通，其中，所述通道包括直部、弯曲部和布置在所述直部与弯曲部之间的发夹部，所述通道构造成当所述流体流过所述通道时从所述流体分离颗粒，以提供由所述第二腔室接收的、具有数量减少的颗粒的清洁流体。
16.如权利要求15所述的涡轮，其特征在于，所述构件包括在所述弯曲部的径向内壁中的通道，其构造成将所述清洁流体从所述通道引导入所述第二腔室。
17.如权利要求15所述的涡轮，其特征在于，所述构件包括在所述弯曲部的下游部附近的通道，其构造成将所述颗粒引导至所述构件外。
18.如权利要求15所述的涡轮，其特征在于，包括在所述第二腔室的壁中的小通道，其构造成将所述清洁流体引导至所述构件外以控制所述构件的温度。
19.如权利要求15所述的涡轮，其特征在于，所述流体包括空气，所述颗粒包括粉尘、磨碎金属粉尘、油漆碎片和碎片涂层中的至少一种。
20.如权利要求15所述的涡轮，其特征在于，当所述流体流过所述通道时，由通过所述弯曲部的所述流体的流动引起的离心力使所述颗粒流向所述弯曲部的径向外壁。
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