CN103244454A - 涡轮机流动改进系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种涡轮机流动改进系统，该涡轮机包括限定了流动路径的壳体、以及布置在壳体内的级。级包括多个旋转翼型构件以及第一多个固定翼型构件。第二多个固定翼型构件布置成直接邻近第一多个固定翼型构件。流动改进系统与第一多个固定翼型构件以及第二多个固定翼型构件中的每一个固定翼型构件相关联。流动改进系统建立了第一多个固定翼型构件中的每一个固定翼型构件相对于第二多个固定翼型构件中的每一个固定翼型构件的预定定时，以改进沿流动路径的流动特性。

Description

涡轮机流动改进系统
技术领域
本发明中所公开的主题涉及涡轮机领域，并且更具体地，涉及包括流动改进系统的涡轮机。
背景技术
许多涡轮机都包括通过公共的压缩机/涡轮轴连接至涡轮部分的压缩机部分以及燃烧器组件。压缩机部分引导压缩空气流朝向燃烧器组件通过多个顺序级。在燃烧器组件中，压缩空气流与燃料混合以形成可燃混合物。可燃混合物在燃烧器组件中燃烧以形成热气体。热气体通过过渡件被引导至涡轮部分。热气体膨胀通过涡轮，从而产生功，输出所产生的功以例如为发电机、泵提供动力或者向飞机提供动力。除了提供压缩空气以用于燃烧，一部分压缩空气流通过涡轮部分以用于冷却目的。
在许多情况下，压缩机部分和/或涡轮部分将包括数量相等的定位在连续的固定行或旋转行中的轮叶。在这种情况下，轮叶之间沿周向成角度的间距在连续行中的每一行中都相等。总体而言，周向间距使得固定行中的轮叶对准，并且旋转行中的轮叶对准。该对准产生沿压缩机部分和/或涡轮部分的流动路径通过的流的各种气动性能问题和/或热环境问题。制造商已经对旋转行中相邻行的轮叶或者固定行中相邻行的轮叶进行定时或者周向偏置，以对流进行控制并且对气动性能和/或热环境产生影响。
在压缩机部分中，空气通过进气部被抽入并且通过多个顺序级。顺序级中的每一级都包括多个定子或喷嘴，所述多个定子或喷嘴将空气引向多个旋转斗叶或轮叶。旋转轮叶迫使空气流沿压缩机流动，以实现期望的压力增加。由通过固定部件和旋转部件的空气所造成的相互作用模式和声自旋波模式在每一级处产生。在切口(cut-on)处或切口上方，自旋波模式典型地通过压缩机向下游传播并且可以进入燃烧器组件。自旋波模式的产生和传播能够产生不期望的非定常压力模式以及导致产生来自压缩机部分不期望的噪声。
发明内容
根据本发明示例性实施例的一个方面，一种涡轮机包括限定了流动路径的壳体、以及布置在壳体内的级。级包括多个旋转翼型构件以及第一多个固定翼型构件。第二多个固定翼型构件布置成直接邻近第一多个固定翼型构件。流动改进系统与第一多个固定翼型构件以及第二多个固定翼型构件中的每一个相关联。流动改进系统建立了第一多个固定翼型构件中的每一个固定翼型构件相对于第二多个固定翼型构件中的每一个固定翼型构件的预定定时(predetermined clocking)，以改进沿流动路径的流动特性。
根据示例性实施例的另一个方面，一种涡轮机系统包括：压缩机部分；涡轮部分，涡轮部分机械连接至压缩机部分；以及燃烧器组件，燃烧器组件流体连接至压缩机部分和涡轮部分中的每一个。压缩机部分包括限定了流动路径的壳体、以及布置在壳体内的级。级包括多个旋转翼型构件以及第一多个固定翼型构件。第二多个固定翼型构件布置成直接邻近第一多个固定翼型构件。流动改进系统与第一多个固定翼型构件以及第二多个固定翼型构件中的每一个相关联。流动改进系统建立了第一多个固定翼型构件中的每一个固定翼型构件相对于第二多个固定翼型构件中的每一个固定翼型构件的预定定时，以改进沿流动路径的流动特性。
根据示例性实施例的又一个方面，一种改进涡轮机中的流动特性的方法包括：形成沿涡轮机的流动路径流动的具有第一多个波峰和第一多个波谷的第一自旋波(first spinning wave)；形成沿涡轮机的流动路径流动的具有第二多个波峰和第二多个波谷的第二自旋波；将第一自旋波引入第二自旋波中，从而使第一多个波峰与第二多个波谷对准，以形成具有较低空间分布的非定常压力(lower spatial distribution ofunsteady pressure)的排气流。
通过下文结合附图的描述，这些和其它的优点以及特征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结尾处的权利要求书中特别指出并且明确要求保护。通过下文结合附图的详细描述，本发明的上述和其它的特征以及优点是显而易见的，在附图中：
图1是涡轮机的示意图，该涡轮机包括根据示例性实施例的流动改进系统；以及
图2是图1的涡轮机的压缩机部分的示意图，其中示出了根据示例性实施例的流动改进系统。
参照附图通过示例的详细的描述解释了本发明的实施例以及优点和特征。
具体实施方式
参照图1，根据示例性实施例构建的涡轮机总体示为2。涡轮机2包括压缩机部分4，压缩机部分4流体连接至涡轮部分6。燃烧器组件8也流体连接压缩机部分4与涡轮部分6。燃烧器组件8包括围绕涡轮机2以筒-环形阵列布置的多个燃烧器，其中的一个燃烧器示为10。燃烧器的数量和布置能够发生变化。
如图所示，压缩机部分4通过公共的压缩机/涡轮轴12机械连接至涡轮部分6。压缩机部分4包括壳体13，壳体13对沿流体路径16延伸的多个压缩机级14进行封装。在图示的示例性实施例中，压缩机部分4包括第一压缩机级20、第二压缩机级21、以及第三压缩机级22。涡轮部分6也包括多个级(未示出)。当然，应当理解，压缩机部分4和涡轮部分6中的级的数量能够发生变化。通过该布置，通入压缩机进气部(未单独标出)的空气沿流体路径16流动，并且通过压缩机级20-22进行压缩以形成压缩空气。第一部分压缩空气流入燃烧器组件8中、与可燃流体混合、并且燃烧以形成燃烧气体。燃烧气体膨胀通过涡轮部分6，从而产生功，所产生的功从涡轮机2输出。第二部分压缩空气作为冷却流体通过涡轮部分6。
第一压缩机级20包括多个旋转翼型构件29。旋转翼型构件29呈通过第一级转子(未示出)联接至公共的压缩机/涡轮轴12的轮叶或斗叶30的形式。第一压缩机级20还包括多个固定翼型构件32。固定翼型构件32呈相对于压缩机壳体13固定安装的叶片或喷嘴33的形式。喷嘴33将空气流引向第二压缩机级21。相应地，第二压缩机级21包括多个旋转翼型构件36。旋转翼型构件36呈通过第二级转子(未示出)联接至公共的压缩机/涡轮轴12的轮叶或斗叶37的形式。第二压缩机级21还包括多个固定翼型构件39。固定翼型构件39呈相对于压缩机壳体13固定安装的叶片或喷嘴40的形式。喷嘴40将空气流引向第三压缩机级22。第三压缩机级22包括多个旋转翼型构件43。旋转翼型构件43呈通过第三级转子(未示出)联接至公共的压缩机/涡轮轴12的轮叶或斗叶44的形式。第三压缩机级22还包括多个固定翼型构件46。固定翼型构件46呈相对于压缩机壳体13固定安装的叶片或喷嘴47的形式。喷嘴47将空气流引向多个出口导叶(EGV)50，多个出口导叶50将压缩空气引导至燃烧器组件8中、并且引向涡轮部分6的第一级(未单独标出)。EGV50布置成直接邻近喷嘴47。更具体地，压缩机部分4不具有或缺乏位于喷嘴47与EGV50之间的任何旋转翼型构件。
现在将参照图2对第二压缩机级21和第三压缩机级22以及EGV50进行描述。如图所示，第二多个旋转翼型构件36中的每一个旋转翼型构件36都包括前缘52和后缘53，前缘52与后缘53通过吸力侧55和压力侧56结合/连接在一起。类似地，第二多个固定翼型构件39中的每一个固定翼型构件39都包括前缘60和后缘62，前缘60与后缘62通过吸力侧63和压力侧64结合在一起。第二多个固定翼型构件39彼此间隔开，以形成多个第二级喷嘴通路，其中的一个第二级喷嘴通路示为66。同样地，第三多个旋转翼型构件43包括前缘70和后缘71，前缘70与后缘71通过吸力侧73和压力侧74结合在一起。第三多个固定翼型构件46包括前缘79和后缘80，前缘79与后缘80通过吸力侧82和压力侧83结合在一起。第三多个固定翼型构件46彼此间隔开，以建立多个第三级喷嘴通路，其中的一个第三级喷嘴通路示为85。
根据示例性实施例的一个方面，涡轮机2包括流动改进系统，该流动改进系统呈自旋波减少系统(spinning wave reduction system)100的形式，如将在下文中更全面地详细描述的，自旋波减少系统100减少沿流动路径16的自旋波模式传播。在操作中，例如示为104的空气流从第一级20通向第二级21。空气流104流过/通过第二多个旋转构件36、并且流过喷嘴40且通过喷嘴通路66，从而产生流向第三级22的尾流区(wake zone)(未示出)。具有第一压力模式或自旋波模式109的第一自旋波107，由于斗叶44与喷嘴47之间的空气流104中的相互作用而沿流动路径16产生。术语“自旋波(spinning wave)”应当被理解成对具有由于固定构件与旋转构件之间的相互作用而产生的非均匀(non-homogenous)压力模式的压力波进行描述。第一自旋波107开始在压缩机部分4中向下游传播。具有自旋波模式115的另一个自旋波113由于从斗叶44和EGV50通过的空气流中的相互作用而产生。更具体地，流过/通过斗叶44的空气流与EGV50相互作用，从而产生朝向涡轮6的第一级(未示出)通过喷嘴通路96的尾流区(未示出)。由于与下游喷嘴47和EGV50的相互作用而使斗叶44产生第一自旋波和第二自旋波。自旋波减少系统100使得第一自旋波107抵消第二自旋波113，如将在下文更完整地详细描述的。
自旋波减少系统100建立了喷嘴47和EGV50的期望的定时或周向偏置，从而造成喷嘴通路85与喷嘴通路96之间的失准/不对准。如图所示，自旋波减少系统100建立了喷嘴47与EGV50之间的相对定位，从而建立第一自旋波107与第二自旋波113之间的相互作用。更具体地，由自旋波减少系统100所建立的特定定时失准(particularclocking misalignment)使第一自旋波107的波峰(未单独标出)与第二自旋波113的波谷(未单独标出)对准。第一自旋波107的波峰与第二自旋波113的波谷的特定对准使得EGV50下游的非定常压力的空间分布均匀，从而得到改进的压缩机动力(compressor dynamics)。可以通过数量相等的喷嘴47与EGV50之间的特定的偏置来实现由自旋波减少系统100所提供的特定定时。
就这一点而言应当理解，本发明示例性实施例提供了用于改进涡轮机内的流动的系统。示例性实施例通过建立沿流动路径移动的自旋波模式之间的特定相互作用而增强了涡轮机的压缩机部分中的流体流动特性。特定相互作用使第一自旋波的波峰与第二自旋波的波谷基本对准，从而减少传播至涡轮机的压缩机和涡轮部分中的自旋波。压缩机部分中自旋波模式传播的减少实现了燃烧器操作/运行的改进、系统动力的减少、以及涡轮机的使用寿命的增加。
尽管已经仅结合数量有限的实施例对本发明进行了详细描述，但是应当易于理解，本发明并不限于这种所公开的实施例。相反，能够将本发明修改成结合到目前为止并未进行描述但是与本发明的精神和范围相当的任何数量的改型、变型、替代或等同布置。此外，尽管已经对本发明的各个实施例进行了描述，但是应当理解，本发明的各个方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明并不受到上文的描述的限制，而是仅仅通过所附权利要求的范围进行限定。

Claims (14)

1.一种涡轮机，所述涡轮机包括：
壳体，所述壳体限定了流动路径；
布置在所述壳体内的级，所述级包括多个旋转翼型构件以及第一多个固定翼型构件；
第二多个固定翼型构件，所述第二多个固定翼型构件布置成直接邻近所述第一多个固定翼型构件；以及
流动改进系统，所述流动改进系统与所述第一多个固定翼型构件以及所述第二多个固定翼型构件中的每一个相关联，所述流动改进系统建立了所述第一多个固定翼型构件中的每一个固定翼型构件相对于所述第二多个固定翼型构件中的每一个固定翼型构件的预定定时，以改进沿所述流动路径的流动特性。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述第二多个固定翼型构件构成出口导叶(EGV)，所述出口导叶构造成将流体流引向涡轮机燃烧器。
3.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述预定定时构造成使沿所述流动路径移动的第一自旋波的波峰与沿所述流动路径移动的第二自旋波的波谷对准。
4.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述级包括位于所述涡轮机的压缩机部分中的级。
5.一种涡轮机系统，所述涡轮机系统包括：
压缩机部分；
涡轮部分，所述涡轮部分机械连接至所述压缩机部分；
燃烧器组件，所述燃烧器组件流体连接至所述压缩机部分和所述涡轮部分中的每一个，其中所述压缩机部分包括：
壳体，所述壳体限定了流动路径；
布置在所述壳体内的级，所述级包括多个旋转翼型构件以及第一多个固定翼型构件；
第二多个固定翼型构件，所述第二多个固定翼型构件布置成直接邻近所述第一多个固定翼型构件；以及
流动改进系统，所述流动改进系统与所述第一多个固定翼型构件以及所述第二多个固定翼型构件中的每一个相关联，所述流动改进系统建立了所述第一多个固定翼型构件中的每一个固定翼型构件相对于所述第二多个固定翼型构件中的每一个固定翼型构件的预定定时，以改进沿所述流动路径的流动特性。
6.根据权利要求5所述的涡轮机系统，其特征在于，所述第二多个固定翼型构件构成出口导叶(EGV)，所述出口导叶构造成将流体流引向涡轮机燃烧器。
7.根据权利要求6所述的涡轮机系统，其特征在于，所述压缩机部分不具有布置在所述第一多个固定翼型构件与所述第二多个固定翼型构件之间的旋转翼型构件。
8.根据权利要求4所述的涡轮机系统，其特征在于，所述预定定时构造成使沿所述流动路径移动的第一自旋波的波峰与沿所述流动路径移动的第二自旋波的波谷对准。
9.一种改进涡轮机中的流动特性的方法，所述方法包括：
形成沿所述涡轮机的流动路径流动的、具有第一多个波峰以及第一多个波谷的第一自旋波；
形成沿所述涡轮机的所述流动路径流动的、具有第二多个波峰以及第二多个波谷的第二自旋波；
将所述第一自旋波引导至所述第二自旋波中，从而使所述第一多个波峰与所述第二多个波谷对准，以形成具有空间分布较低的非定常压力的排气流。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，将所述第一自旋波引入所述第二自旋波中的步骤包括相对于布置在第一多个翼型构件的下游并且直接邻近所述第一多个翼型构件的第二多个翼型构件对所述第一多个翼型构件进行定时。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，相对于所述第二多个翼型构件对所述第一多个翼型构件进行定时的步骤包括使第一多个固定导叶相对于第二多个固定导叶片偏置。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，将所述第二自旋波引入所述第一自旋波中的步骤包括使所述第二自旋波通过所述第二多个固定导叶。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，使所述第一多个固定导叶相对于所述第二多个固定导叶偏置的步骤包括使所述第一多个固定导叶相对于多个压缩机出口导叶偏置。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：使所述排气流通入涡轮机燃烧器中。
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Application publication date: 20130814

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