CN103485846B - 涡轮发动机以及涡轮发动机的气动组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种涡轮发动机。所述涡轮发动机包括：气动组件，所述气动组件设置成与工作流体流相互作用；以及轮廓特征，所述轮廓特征设置在所述气动组件上，在至少一个维度上对齐，所述轮廓特征彼此接近并且配置成促使反向旋转涡流生成，所述反向旋转涡流大致垂直于沿所述气动组件的主流方向导向生成。

Description

涡轮发动机以及涡轮发动机的气动组件

技术领域

本发明涉及涡轮机，更为具体地说，涉及涡轮发动机，所述涡轮发动机具有被配置成提供用于延迟流动分离的气动组件。

背景技术

一种典型的涡轮机如燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧室、涡轮以及扩压器。压缩机压缩入口空气，并且燃烧室使得被压缩的入口空气与燃料一起燃烧。燃烧产生的高能产物被导入涡轮，在所述涡轮中，这些高能产物在发电操作中膨胀。扩压器设置在涡轮下游，并且用于在燃烧产物排出到大气中之前减少这些燃烧产物的剩余能量。

一般地说，扩压器包括：外壁；中间主体，所述中间主体设置在所述外壁内以便界定环状路径；以及一个或多个叶片，所述叶片横越所述环状路径。在基线涡轮机运行期间，燃烧产物流经扩压器的速度足够高，并且不会呈现出与一个或多个叶片的表面流动分离。然而，在部分负载操作如燃气涡轮发动机启动或消减序列(turn-down sequences)中，燃烧产物速度减小或高攻角条件生效，并且趋于发生流动分离。这种流动分离导致扩压器性能降低。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种涡轮发动机，所述涡轮发动机包括：气动组件，所述气动组件设置成与工作流体流气动地相互作用；以及轮廓特征，所述轮廓特征设置在所述气动组件上，并与所述气动组件在至少一个维度(dimension)上对齐。所述轮廓特征彼此接近并且配置成促使反向旋转涡流生成，这种反向旋转涡流生成导向与沿着所述气动组件的主流方向大致上垂直。

根据本发明的另一方面，提供一种涡轮发动机的气动组件，所述气动组件包括：环状内壁，所述环状内壁设置在环状外壁内，从而界定环状路径，所述环状内壁包括角裂缝（angular break），所述角裂缝界定轴向位置，在所述轴向位置处，所述环状路径路径沿着所述角裂缝后部的轴向尺寸(axial dimension)上的面积增加速率大于沿着所述角裂缝前部的轴向尺寸上的面积增加速率；并且至少第一和第二轮廓特征设置在所述环状内壁上。所述第一和第二轮廓特征在所述角裂缝附近并且沿着所述轴向位置大致上对齐。

根据本发明的又一方面，提供一种涡轮发动机的气动组件，所述气动组件包括：环状内壁，所述环状内壁设置在环状外壁内，从而界定环状路径，所述环状内壁包括角裂缝，所述角裂缝界定轴向位置，在所述轴向位置处，所述环状路径路径沿着所述角裂缝后部的轴向尺寸上的面积增加速率大于沿着所述角裂缝前部的轴向尺寸上的面积增加速率；；以及排列在所述环状内壁上的轮廓特征，每个轮廓特征接近所述角裂缝和相邻轮廓特征。所述轮廓特征各自沿着所述轴向位置大致上对齐，以促使反向旋转涡流生成，这种反向旋转涡流导向与沿着所述环状内壁的主流方向大致上垂直。

这些和其它优点和特征将从结合附图的以下描述中更加清楚。

附图说明

本专利申请文件中的权利要求书详细指出并明确主张了本发明。通过以下结合附图的详细描述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是包括气动组件的涡轮发动机的一部分的侧视图；

图2是在基线操作期间图1所示气动组件的径向视图；

图3是在部分负载操作期间图1所示气动组件的径向视图；

图4是图1所示气动组件的吸入侧的放大图；

图5是根据进一步实施例的图1所示气动组件的径向视图；

图6是根据替代实施例的图1所示气动组件的径向视图；以及

图7是根据进一步实施例的包括气动组件的涡轮发动机的扩压器的侧视图。

具体实施方式参考附图以实例方式介绍本发明的各项实施例以及优点和特征。

具体实施方式

根据本发明的各个方面，通过沿着例如翼型或叶片的低压表面（即吸入侧）形成反向旋转涡流提供在涡轮机的一个或多个部分中的延迟流动分离。所述延迟流动分离在与所述涡轮机的削减(turn-down)操作相关联的相对高的攻角条件下尤其有用。所述延迟流动分离易于通过轮廓的附加件如凹凸（bumps）、突起或刻痕对所述翼型或叶片的所述低压表面进行，从而促使沿着相对于穿过所述涡轮机的工作流体的主流方向垂直界定的线形成切向反向旋转涡流结构。

参照图1至4，提供一种涡轮机10，如燃气涡轮发动机，的一个或多个部分。例如，涡轮机10部分可以是扩压器部分11（参见图7），所述扩压器部分设置在涡轮部分下游，以便在出自涡轮部分的燃烧产物排放到大气中之前，减少这些燃烧产物的剩余能量。所述扩压器部分11包括环状外壁12，如扩压器壳体，并且包括环状内壁13，所述环状内壁可以提供作为中间主体的外部表面。所述环状内壁13设置在所述环状外壁12内，以便界定环状路径14，工作流体如所述燃烧产物可以被引导穿过所述环状路径（参见图7）。

所述扩压器部分11进一步包括气动组件20，如扩压器叶片，所述气动组件设置成横越所述环状路径14以便由此与所述工作流体气动地相互作用。所述气动组件20包括：前缘21，所述前缘相对于穿过所述轨道14的工作流体流的主要方向界定；以及后缘22，所述后缘在所述气动组件20的、与所述前缘21相反的弦向端部处界定。所述气动组件20进一步包括吸入侧23和压力侧24，所述吸入侧和所述压力侧设置在所述气动组件20的相反侧上并且分别从所述前缘21延伸到所述后缘22。

根据本发明的实施例，包括单独轮廓特征31的轮廓特征阵列30设置在所述吸入侧23上，位于在所述气动组件20的所述前缘21附近的弦向位置处。每个单独轮廓特征31设置成各自紧邻另一（即相邻）独轮廓特征31。所述轮廓特征阵列30至少包括第一轮廓特征32和第二轮廓特征33，并且在一些情况下，包括额外轮廓特征34。为了清晰简洁，以下描述将仅仅描述包括上文提及的轮廓特征多个轮廓特征35。

所述多个轮廓特征35中的每一个沿着所述气动组件20的展向维（spanwisedimension），即DS，与所述多个轮廓特征35中的相邻一个大致上对齐。这种对齐以及所述多个轮廓特征35的形状（将在下文描述）促使沿着相对于所述工作流体的基流的吸入侧23生成切向反向旋转涡流40（参见图4），所述工作流体在主流方向50上沿着穿过所述涡轮机10的大致上笔直的路径行进（参见图4）。由于所述多个轮廓特征35的形状，所述反向旋转涡流40导向可以相对于所述工作流体的主流方向50大致上垂直。这样，所述反向旋转涡流40组合形成沿着所述吸入侧23的夹带并通电的流60的增强射流。所述夹带并通电的流60（参见图4）沿着所述吸入侧23维持边界层的稳定性，从而在某些应用中延迟或阻止与所述吸入侧23流动分离，例如在高攻角入口条件下呈现的那些应用中。

如图4所示，所述反向旋转涡流40界定在所述夹带并通电的流60的每个增强射流的任一侧上。在多方面的和离散的轴向位置处，所述反向旋转涡流40被提供作为双流涡。在每个单独流涡内，工作流体流向对应轮廓特征35的中线，并且随后在椭圆模式中远离所述中线。所述双流涡可以在向后轴向方向上传播，或固定在所述离散轴向位置中。

参照图2和3，示出单个气动组件20和工作流体流200，其中假定图示反映的是基线或设计点条件。如图所示，工作流体流200相对于所述前缘21具有相对低的攻角，并且因此工作流体流200以相对稳定的边界层201围绕的所述气动组件20流动。在与例如所述涡轮机10的消减操作相关联的部分负载条件下，工作流体流趋于具有相对高的攻角，如图3所示。一般地说，这将趋于使得所述边界层201不稳定并且导致流动分离，但是由于所述吸入侧23设置有所述多个轮廓特征35，因此所述边界层201保持相对稳定。在图2所示情况中，所述多个轮廓特征35的存在大致上不会影响围绕所述气动组件20的工作流体流200。

所述多个轮廓特征35中的每一个可以包括突起70，所述突起设置在所述气动组件20的所述吸入侧23上，位于在所述前缘21附件的弦向位置处。如图4所示，并且根据实施例，所述多个轮廓特征35中的每一个可以具有大致上类似的泪珠形状71，这种泪珠形状具有球状凸出前端710和狭窄凹陷尾端711。对于所述多个轮廓特征35中的每一个具有与所述多个轮廓特征35中的另一个大致上类似的形状的那些情况，所述泪珠形状71导致行近流72在所述突起70的表面上分叉，从而因此在相邻突起70之间生成聚合流对73。通过使得相邻突起70彼此足够接近，所述聚合流对73彼此相互作用并且与环绕流相互作用以生成反向旋转涡流40，所述反向旋转涡流沿着所述吸入侧23传播，从而沿着所述吸入侧23形成夹带并通电的流60的增强射流。

尽管图1至4涉及所述多个轮廓特征35中的每一个具有类似形状的实施例，但应理解，这仅仅是示例性的，而且存在其他实施例。例如，参照图5，所述多个轮廓特征35中的单个轮廓特征31可以沿着所述气动组件20的展向维，即DS，具有稳定变化的形状或尺寸。在图5中通过各个点线、虚线或实线标识在气动组件20各自的展向位置处具有稳定增加的唯一尺寸的单独轮廓特征3。

参照图6，并且根据替代实施例，所述多个轮廓特征35中的每一个可以形成为界定在吸入侧23上的凹处80。对于这些替代实施例，应理解，上文参照图5所述的变体也适用于此。也就是说，所述凹处80的形状和尺寸可以是一致的或沿着所述气动组件20的展向维，即DS，稳定变化的。

参照图7，所示涡轮机10部分提供作为扩压器部分11的特定情况。如上指出，所述扩压器部分11设置在涡轮部分下游，以便在出自涡轮部分的燃烧产物排放到大气中之前，减少这些燃烧产物的剩余能量。所述扩压器部分11包括环状外壁12，如扩压器壳体，并且包括环状内壁13，所述环状内壁可以提供作为中间主体130的外部表面。所述环状内壁13设置在所述环状外壁12内，以便界定环状路径14，工作流体如所述燃烧产物可以被引导穿过所述环状路径。

所述扩压器部分11可以进一步包括人行巷道15，所述人行巷道横越所述环状路径14和气动组件20，所述气动组件可以用作上述扩压器叶片或在所述中间主体130的轴向端部用作中间主体端部部件131。如图7所示，所述中间主体130具有大致上一致的直径，而所述环状外壁12具有沿着所述扩压器部分11的轴向尺寸，即DA，逐渐增大的直径。这种配置导致所述环状路径14的面积沿着所述轴向尺寸，即DA，逐渐增大，转而导致所述工作流体能量减少。与所述中间主体130的配置相反，所述中间主体端部部件131具有沿着所述轴向维，即DA，逐渐减小的直径，这样使得所述环状路径14的面积沿着所述中间主体端部部件131的轴向长度以相对快的速率增大，相较之下，所述环状路径14的面积沿着所述中间主体130的、从所述中间主体端部部件131向前界定的轴向长度以相对慢的速率增大。

角裂缝90界定在位于所述中间主体130与所述中间主体端部部件131之间的附接位置处，尽管理解为所述中间主体130和所述中间主体端部部件131可以整体联接。所述角裂缝90界定轴向位置，在所述轴向位置处，所述环状路径14沿着所述轴向维，即DA，以相对快的速率逐渐增大。

提供用作所述中间主体130和所述中间主体端部部件131的外部表面的环状内壁13包括端壁轮廓特征阵列100。所述端壁轮廓特征阵列100包括单个端壁轮廓特征101并且被设置在轴向位置处，所述轴向位置界定在所述角裂缝90附近。也就是说，所述端壁轮廓特征阵列100可以所述角裂缝90只向前或只向后设置。所述端壁轮廓特征阵列100可以配置成大致上类似上述轮廓特征阵列30，相同描述因此省略。

尽管本发明只结合有限数量的实施例进行详细描述，但应易于了解，本发明并不限于此类披露的实施例。相反，本发明可以进行修改，以便并入在此之前并未描述但与本发明的精神和范围相符的任何数量的变化、更改、替换或等效布置。此外，尽管本发明的各项实施例已进行描述，但要理解，本发明的各个方面可以只包括所述实施例中的一些。因此，本发明不应被视为受限于前述描述，而只受限于所附权利要求书的范围。

Claims (11)

1.一种涡轮发动机，包括：

气动组件，所述气动组件设置成与工作流体流相互作用；以及

多于两个的轮廓特征，所述轮廓特征设置在所述气动组件上，在至少一个维度上对齐，

所述轮廓特征彼此接近并且配置成促使反向旋转涡流生成，所述反向旋转涡流大致垂直于沿所述气动组件的主流方向导向生成；

其中，所述气动组件包括扩散器的环状内壁(12)和环状外壁(13)，所述扩散器包括具有大体一致的直径的中间主体和具有沿着轴向尺寸逐渐减小的直径的中间主体端部部件，从而界定环状路径(14)；其中，与沿着所述中间主体的轴向长度方向上所述环状路径的截面面积以相对较慢的速率增加相比，沿着所述中间主体端部部件的轴向长度方向上所述环状路径的截面面积以相对较快的速率增加；并且

每个所述轮廓特征具有相同的泪珠形状、且彼此之间相互平行地定向，并且所述轮廓特征在沿着所述环状内壁界定的角裂缝处对齐。

2.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其中每个所述轮廓特征包括突起。

3.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其中每个所述轮廓特征包括凹处。

4.一种用于涡轮发动机的气动组件，包括：

扩散器的环状内壁，所述环状内壁设置在所述扩散器的环状外壁内，从而界定环状路径(14)，

所述环状内壁包括角裂缝，所述角裂缝界定轴向位置，在所述轴向位置处，所述环状路径沿着所述角裂缝后部的轴向尺寸上的面积增加速率大于沿着所述角裂缝前部的轴向尺寸上的面积增加速率；以及，

设置在所述环状内壁上的至少两个轮廓特征，

所述扩散器包括具有大体一致的直径的中间主体和具有沿着轴向尺寸逐渐减小的直径的中间主体端部部件，所述环状内壁为所述中间主体的外表面，从而界定所述环状路径；其中，与沿着所述中间主体的轴向长度方向上所述环状路径的截面面积以相对较慢的速率增加相比，沿着所述中间主体端部部件的轴向长度方向上所述环状路径的截面面积以相对较快的速率增加；

每个所述轮廓特征具有相同的泪珠形状、且彼此之间相互平行地定向，并且所述轮廓特征在所述角裂缝附近并且沿着所述轴向位置大致上对齐。

5.根据权利要求4所述的涡轮发动机的气动组件，其中每个所述轮廓特征包括突起或凹处之一。

6.根据权利要求4所述的涡轮发动机的气动组件，其中每个泪珠形状的轮廓特征包括球状前端和狭窄尾端。

7.根据权利要求6所述的涡轮发动机的气动组件，其中所述球状前端具有凸出形状，并且所述狭窄尾端具有凹陷形状。

8.一种用于涡轮发动机的气动组件，包括：

扩散器的环状内壁，所述环状内壁设置在所述扩散器的环状外壁内，从而界定环状路径(14)，

所述环状内壁包括角裂缝，所述角裂缝界定轴向位置，在所述轴向位置处，所述环状路径沿着所述角裂缝后部的轴向尺寸上的面积增加速率大于沿着所述角裂缝前部的轴向尺寸上的面积增加速率；以及

多于两个的轮廓特征，所述轮廓特征排列在所述环状内壁上，每个所述轮廓特征具有相同的泪珠形状、设在所述角裂缝和相邻轮廓特征附近、并且彼此平行地定向；其中，所述扩散器包括具有大体一致的直径的中间主体和具有沿着轴向尺寸逐渐减小的直径的中间主体端部部件，所述环状内壁为所述中间主体的外表面，从而界定所述环状路径；与沿着所述中间主体的轴向长度方向上所述环状路径的截面面积以相对较慢的速率增加相比，沿着所述中间主体端部部件的轴向长度方向上所述环状路径的截面面积以相对较快的速率增加；以及

所述轮廓特征均沿着所述轴向位置大致上对齐，所述反向旋转涡流大致垂直于沿所述气动组件的主流方向导向生成。

9.根据权利要求8所述的涡轮发动机的气动组件，其中每个所述轮廓特征包括突起或凹处之一。

10.根据权利要求8所述的涡轮发动机的气动组件，其中每个泪珠形状的轮廓特征包括球状前端和狭窄尾端。

11.根据权利要求10所述的涡轮发动机的气动组件，其中所述球状前端具有凸出形状，并且所述狭窄尾端具有凹陷形状。