CN103527260A - 翼型 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种翼型。所述翼型包括内表面、与所述内表面相对的外表面、压力侧、与所述压力侧相对的吸入侧、在所述压力侧与所述吸入侧之间的滞止线，以及在所述压力侧与所述吸入侧之间且位于所述滞止线下游的后缘。第一列重叠滞止沟槽节段在所述外表面上，并且所述滞止线穿过每个所述重叠滞止沟槽节段的至少一部分。在每个滞止沟槽节段中的至少一个冷却通道使得所述内表面流体连通到所述外表面。

Description

翼型

技术领域

本发明大体上涉及一种翼型，例如，一种可以用于涡轮机的翼型。

背景技术

在各种航空、工业、发电应用中，广泛使用涡轮机来做功。每个涡轮机大体上包括周向安装的定子轮叶和旋转叶片的交替级。每个定子轮叶和旋转叶片可以包括定形成翼型的高合金钢和/或陶瓷材料。压缩工作流体，例如蒸汽、燃烧气体或空气，沿涡轮机中的气体路径在定子轮叶和旋转叶片上流动。定子轮叶使压缩工作流体加速并且将其引导到后续级旋转叶片上，从而使得旋转叶片运动以做功。

与压缩工作流体关联的高温可能导致定子轮叶和/或旋转叶片不断磨损和/或损坏。因此，可将冷却介质供应到翼型内部并且穿过所述翼型将其释放出来，以在所述翼型外部提供薄膜冷却。翼型中的沟槽使得冷却介质均匀分布在所述翼型的外表面上。然而，一种使冷却介质在所述翼型的外表面上的分布发生改变的改进翼型将会较为有用。

发明内容

本发明的方面和优点会在以下说明中进行阐述，或可以从说明书中清楚，或可以通过实践本发明来了解。

本发明的一项实施例是一种翼型，所述翼型包括内表面、与所述内表面相对的外表面、压力侧、与所述压力侧相对的吸入侧、在所述压力侧与所述吸入侧之间的滞止线（stagnation line）、以及在所述压力侧与所述吸入侧之间且位于所述滞止线下游的后缘。第一列重叠滞止沟槽节段位于所述外表面上，并且所述滞止线穿过每个所述重叠滞止沟槽节段的至少一部分。在每个滞止沟槽节段中的至少一个冷却通道使得所述内表面流体连通到所述外表面。

本发明的另一项实施例是一种翼型，所述翼型包括内表面、与所述内表面相对的外表面、压力侧、与所述压力侧相对的吸入侧、在所述压力侧与所述吸入侧之间的滞止线、以及在所述压力侧与所述吸入侧之间且位于所述滞止线下游的后缘。第二列重叠压力侧沟槽节段在所述压力侧上，并且第三列重叠吸入侧沟槽节段在所述吸入侧上。每个压力侧沟槽节段和每个吸入侧沟槽节段具有第一端和第二端，所述第二端在所述第一端下游、且位于所述第一端径向向外位置。至少一个侧冷却通道是在每个压力侧沟槽节段中、且在每个吸入侧沟槽节段中，并且所述侧冷却通道使得所述内表面流体连通到所述外表面。

在本发明又一项实施例中，一种翼型包括内表面、与所述内表面相对的外表面、压力侧、与所述压力侧相对的吸入侧、在所述压力侧与所述吸入侧之间的滞止线、以及在所述压力侧与所述吸入侧之间且位于所述滞止线下游的后缘。第一列重叠滞止沟槽节段在所述外表面上，并且所述滞止线穿过每个所述重叠滞止沟槽节段的至少一部分。至少一个冷却通道是在每个滞止沟槽节段中，并且使得所述外表面流体连通到所述内表面。第二列重叠压力侧沟槽节段在所述压力侧上，并且第三列重叠吸入侧沟槽节段在所述吸入侧上。至少一个侧冷却通道是在每个压力侧沟槽节段中且在每个吸入侧沟槽节段中，用以使得所述内表面流体连通到所述外表面。

所属领域的普通技术人员在阅读说明书之后将更好地了解此类实施例的特征和方面以及其他内容。

附图说明

在说明书剩余部分中向所属领域的技术人员更具体地阐述了本发明的完整和实践内容，包括本发明的最佳模式，其中参考附图进行阐述，在附图中：

图1是根据本发明的一项实施例的翼型的透视图；

图2是根据本发明的一项实施例的图1所示翼型的吸入侧的透视图；

图3是根据本发明的第二实施例的翼型的透视图；

图4是图1所示翼型的沿线A-A截得的轴向截面图；

图5是图1所示翼型的沿线B-B截得的径向截面图；

图6是根据本发明的第三实施例的翼型的透视图；

图7是根据本发明的第四实施例的翼型的透视图；

图8是根据本发明的第五实施例的翼型的透视图；以及

图9是根据本发明的第六实施例的翼型的透视图；以及

图10是并入本发明的任何实施例的示例性燃气涡轮机的截面图。

具体实施方式

现将具体参考本发明的各项实例，其中一个或多个实例在附图中示出。具体实施方式使用数字和字母标号来指示附图中的特征。在附图和说明书中的相似或类似标号用于指示本发明的类似或相似部分。在本说明书中所用术语“第一”、“第二”以及“第三”能够互换地用来区分各个部件，而并非意图表示单独部件的位置或重要程度。此外，术语“上游”和“下游”是指部件在流体通路中的位置。例如，如果流体是从部件A流到部件B，那么部件A就在部件B上游。相反，如果部件B从部件A接收流体流，那么部件B就在部件A下游。

每个实例提供用以解释本发明，而非限制本发明。实际上，所属领域的技术人员将清楚，本发明可以在不背离其范围和精神的情况下做出修改和变化。例如，作为一项实施例的一部分示出或描述的特征可以用于另一项实施例，以便产生又一项实施例。因此，本发明预期涵盖在所附权利要求书及其等效物的范围内的这些修改和变化。

图1提供根据本发明的一项实施例的翼型10的透视图，并且图2提供图1所示翼型的吸入侧的透视图。翼型10在涡轮机中可以用作，例如，旋转叶片或固定轮叶，以将压缩工作流体关联的动能转化成机械能。压缩工作流体可以是蒸汽、燃烧气体空气或具有动能的任何其他流体。如图1和2所示，翼型10大体上连接到平台或侧壁12。平台或侧壁12大体上用作涡轮机内的气体路径的径向边界，并且设有翼型10的附接点。翼型10可以包括内表面16和外表面18，所述外表面与所述内表面16相对并且连接到平台12。所述外表面大体上包括压力侧20和吸入侧22，所述吸入侧与所述压力侧20相对。如图1和2所示，压力侧20是大体上凹形的，吸入侧22是大体上凸形的，从而形成气动表面以供压缩工作流体在其上流动。在压力侧20与吸入侧22之间、位于翼型10前缘处的滞止线24表示在压力侧20上的流体流与在翼型10的吸入侧22上的流体流之间的分界线。在翼型10的外表面18上，滞止线24通常温度最高。后缘26在压力侧20与吸入侧22之间，并且位于滞止线24下游。这样，外表面18就形成适合于将与压缩工作流体关联的动能转化成机械能的气动表面。

外表面18大体上包括从平台12径向向外延伸的径向长度30、和从滞止线24延伸到后缘26的轴向长度32。一列或多列沟槽节段可以在外表面18中径向和/或轴向延伸，并且每个沟槽节段可以包括至少一个冷却通道，所述冷却通道使得内表面16流体连通到外表面18。这样，冷却介质就可以供应到翼型10内部，并且所述冷却通道允许冷却介质流动穿过所述翼型10以向外表面18提供薄膜冷却。所述沟槽节段可以设置于翼型10、和/或平台或侧壁12上的任何位置，可以是笔直的或弓形的，并且可以相对于彼此对齐或交错。此外，沟槽节段可以具有可变的长度、宽度和/或深度。沟槽节段的可变长度、宽度和/或深度可改变冷却介质在外表面18上的分布。例如，在所述沟槽节段移动远离所述冷却通道时加宽沟槽节段且使这些沟槽节段变浅可以帮助冷却介质在外表面18上进行扩散。

在图1所示具体实施例中，例如重叠滞止沟槽节段40可以布置在外表面18上的第一列42中，以使滞止线24穿过每个滞止沟槽节段40的至少一部分。每个滞止沟槽节段40可以是实质上笔直的，而且相对于紧邻的滞止沟槽节段40以一定角度倾斜，以使所述滞止沟槽节段40径向沿外表面18彼此重叠。在本说明书中所用的术语“重叠”表示从平台12径向向外移动之后，一个沟槽节段40的端部位于在同一列中的下一沟槽节段40的开端的径向向外方向或位置。在每个滞止沟槽节段40中的至少一个冷却通道44可以使得内表面16流体连通到外表面18。这样，冷却通道44就可以沿滞止线24穿过滞止沟槽节段40提供实质上连续的薄膜冷却。

额外重叠滞止沟槽节段可以布置在外表面18的压力侧20和/或吸入侧22上。例如，如图1所示，重叠压力侧沟槽节段46可以布置在外表面18的压力侧20上的第二列48中。作为替代或附加，重叠吸入侧沟槽节段50可以布置在外表面18的吸入侧22上的第三列52中，如图2所示。每个压力侧沟槽节段46和每个吸入侧沟槽节段50可以在相反方向上倾斜或成角度。例如，如图1和2所示，每个压力侧沟槽节段46和/或每个吸入侧沟槽节段50可以具有第一端54和第二端56，所述第二端在所述第一端54下游、并且位于所述第一端径向向外方向或位置。此外，每个压力侧沟槽节段46和/或每个吸入侧沟槽节段50可以包括一个或多个侧冷却通道58，所述侧冷却通道使得内表面16流体连通到外表面18，从而分别在压力侧20和吸入侧22上提供薄膜冷却。在图1所示具体实施例中，在压力侧沟槽节段46中的侧冷却通道58从在滞止沟槽节段40中的冷却通道44径向偏移，从而进一步增强冷却介质在外表面18上的径向分布。

图3提供根据本发明的第二实施例的翼型10的透视图。如图所示，翼型10同样包括平台或侧壁12、内表面16、外表面18、压力侧20、吸入侧22、重叠压力侧沟槽节段46以及侧冷却通道58。如之前图1中描述和示出，在此具体实施例中，重叠滞止沟槽节段40沿滞止线24的至少一部分放置，并且随后在交替方向上朝着压力侧20和吸入侧22弯曲。作为替代或附加，滞止沟槽节段40可以包括在较小角度上的分支，而且随后一直保持为笔直沟槽。在每个滞止沟槽节段40中的冷却通道44同样使得内表面16流体连通到外表面18，从而增强沿滞止线24穿过滞止沟槽节段40的薄膜冷却。

图4和5分别提供图1所示翼型10的沿线A-A和B-B截得的轴向和径向截面图。如图4和5更清楚地示出，每个沟槽节段40、46、50大体上包括相对设置的壁62，所述相对壁界定外表面18中的凹口或凹槽。相对壁62可以是笔直的或弯曲的，而且可以界定沟槽节段40、46、50的恒定或可变宽度。在相邻沟槽节段40、46、50中的冷却通道44、58可以彼此径向对齐或彼此偏移。每个冷却通道44、58可以包括终止于内表面16上的第一部分64、以及终止于外表面18上的第二部分66。第一部分64可以具有柱形形状，并且第二部分66可以具有锥形或球形形状。如图5所示，第一部分64可以相对于第二部分66和/或沟槽节段40、46、50成角度，以使流动穿过冷却通道44、58流入沟槽节段40、46、50的冷却介质形成定向流。作为替代或附加，沟槽节段40、46、50的第二部分66和/或壁62可以是对称的，以使冷却介质优选地分布在外表面18上。

一个或多个冷却通道44、58可以相对于沟槽节段40、46、50成角度，以便优选地引导在沟槽节段40、46、50中的冷却介质。例如，如图5中更清楚地示出，在滞止沟槽节段40中的冷却通道44可以径向向外成角度，以使冷却介质在滞止沟槽节段40中径向向外流动。此外，随着滞止沟槽节段40径向向外延伸，滞止沟槽节段40的深度可以逐渐减小、和/或宽度可以逐渐增大。这样，结合沟槽节段40的可变宽度和/或深度，成角度倾斜的冷却通道44会增强冷却介质沿外表面18的分布。

图6至8提供在本发明范围内的滞止沟槽节段40的额外实施例。在图6所示具体实施例中，每个滞止沟槽节段40同样沿滞止线24的至少一部分放置，并且分支部分70在相反方向上朝着翼型10的压力侧20和吸入侧22以一定角度延伸。这样，分支部分70就与下一径向向外滞止沟槽节段40重叠，从而增强薄膜冷却在翼型10的外表面18上的分布。在图7所示具体实施例中，每个滞止沟槽节段40同样包括分支部分70，所述分支部分在相反方向上朝着翼型10的压力侧20和吸入侧22以一定角度延伸，如之前图6所示。此外，两个或更多个滞止沟槽节段40联接在一起，形成带有多个冷却通道44和分支部分70的较长滞止沟槽节段40。在图8所示具体实施例中，每个滞止沟槽节段40同样包括分支部分70，然而，所述分支部分70在交替方向上朝着翼型10的压力侧20和吸入侧22以一定角度延伸。如图8进一步所示，滞止沟槽节段40可以包括多个冷却通道44，其中每个冷却通道径向位于连续的分支部分70之间。

图9提供压力侧沟槽节段46的额外实施例，所述压力侧沟槽节段可以或可以不并入任何前述实施例中。如图9所示，重叠压力侧沟槽节段46可以实质上垂直于在翼型10上的气流的方向对齐，并且每个压力侧沟槽节段46可以进一步包括一个或多个分支部分72，所述分支部分朝着后缘26以一定角度延伸。这样，分支部分72就与下一径向向外的压力侧沟槽节段46径向重叠，从而增强薄膜冷却在翼型10的压力侧20上的分布。作为替代或附加，翼型10可以类似地包括具有类似分支部分72的吸入侧沟槽节段50，所述类似分支部分在外表面18的吸入侧22上朝着后缘26以一定角度延伸。通过从本说明书中的教示，所属领域的普通技术人员将易于了解，在本发明范围内的又一些实施例可以包括之前关于图1至5所示实施例所述的一个或多个特征。

图10提供可以并入本发明的各项实施例的示例性燃气涡轮机80的简化截面图。如图所示，燃气涡轮机80可以大体上包括位于前部的压缩机部分82、径向设置在中部周围的燃烧部分84以及位于尾部的涡轮部分86。压缩机部分82和涡轮部分86可以共用连接到发电机90的公共转子88以发电。

压缩机部分82可以包括轴流压缩机，在所述轴流压缩机中，工作流体92，例如环境空气，进入压缩机并且穿过固定轮叶94和旋转叶片96的交替级。当固定轮叶94和旋转叶片96加速并且重新引导工作流体92以产生压缩工作流体92的连续的流时，压缩机壳98可以容纳工作流体92。大部分压缩工作流体92流动穿过压缩机排气室100到达燃烧部分84。

燃烧部分84可以包括现有技术中已知的任何类型的燃烧器。例如，如图10所示，燃烧器壳102可以周向环绕部分或所有燃烧部分84，以便容纳流自压缩机部分82的压缩工作流体92。一个或多个燃料喷嘴104可以径向布置在端盖106中以将燃料供应到在所述燃料喷嘴104下游的燃烧室108。可能的燃料例如包括高炉煤气、焦炉煤气、天然气、蒸发液化天然气（LNG）、氢以及丙烷。在到达端盖106并且倒转方向流动穿过燃料喷嘴104以与燃料混合之前，压缩工作流体92可以沿燃烧室108外部从压缩机排气通道100流出。燃料和压缩工作流体92的混合物流入燃烧室108，在所述燃烧室中，所述混合物点燃以生成具有高温和高压的燃烧气体。过渡管道110轴向环绕燃烧室108的至少一部分，并且燃烧气体流动穿过所述过渡管道110到达涡轮部分86。

涡轮部分86可以包括旋转桨叶112和固定喷嘴114的交替级。如将更详细地描述，过渡管道110将燃烧气体重新引导并聚集到第一级旋转桨叶112上。当燃烧气体穿过第一级旋转桨叶112时，所述燃烧气体膨胀，从而导致所述旋转桨叶112以及转子88旋转。随后，燃烧气体流到下一级固定喷嘴114，以将燃烧气体重新引导到下一级旋转桨叶112上，并且这个过程针对随后的级重复进行。

本说明书使用实例来公开本发明，其中包括最佳模式，并且还使得所属领域的任何技术人员能够实践本发明，其中包括制造且使用任何装置或系统，以及执行任何所涵盖的方法。本发明的专利保护范围由权利要求书界定，并且可以包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果这些其他实例包括的结构元素与权利要求书的字面意义相同，或如果这些其他实例包括的等效结构元素与权利要求书的字面意义并无实质差别，那么这些其他实例预期也在权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种翼型，其包括：

a.内表面；

b.与所述内表面相对的外表面，其中所述外表面包括压力侧、与所述压力侧相对的吸入侧、位于所述压力侧与所述吸入侧之间的滞止线、以及位于所述压力侧与所述吸入侧之间且位于所述滞止线下游的后缘；

c.位于所述外表面上的重叠滞止沟槽节段的第一列，其中所述滞止线穿过每个所述重叠滞止沟槽节段的至少一部分；以及

d.位于每个滞止沟槽节段中的至少一个冷却通道，其中所述冷却通道使得所述内表面流体连通到所述外表面。

2.如权利要求1所述的翼型，其中至少一个滞止沟槽节段是弓形的。

3.如权利要求1所述的翼型，其中至少一个滞止沟槽节段具有沿所述至少一个滞止沟槽节段的长度的可变尺寸。

4.如权利要求1所述的翼型，其中至少一个滞止沟槽节段具有渐减尺寸，并且位于所述至少一个滞止沟槽节段中的所述至少一个冷却通道朝着所述渐减尺寸成角度。

5.如权利要求1所述的翼型，其进一步包括位于所述压力侧上的第二列重叠压力侧沟槽节段。

6.如权利要求5所述的翼型，其进一步包括位于所述吸入侧上的第三列重叠吸入侧沟槽节段。

7.如权利要求5所述的翼型，其进一步包括位于每个压力侧沟槽节段中的至少一个侧冷却通道，其中所述侧冷却通道使得所述内表面流体连通到所述外表面。

8.如权利要求7所述的翼型，其中位于所述压力侧沟槽节段中的所述侧冷却通道从位于所述滞止沟槽节段中的所述冷却通道径向偏移。

9.一种翼型，其包括：

a.内表面；

b.与所述内表面相对的外表面，其中所述外表面包括压力侧、与所述压力侧相对的吸入侧、位于所述压力侧与所述吸入侧之间的滞止线、以及位于所述压力侧与所述吸入侧之间且位于所述滞止线下游的后缘；

c.位于所述压力侧上的第二列重叠压力侧沟槽节段；

d.位于所述吸入侧上的第三列重叠吸入侧沟槽节段；

e.其中每个压力侧沟槽节段和每个吸入侧沟槽节段具有第一端和第二端，所述第二端在所述第一端下游、并位于所述第一端径向向外方向；以及

f.位于每个压力侧沟槽节段中且位于每个吸入侧沟槽节段中的至少一个侧冷却通道，其中所述侧冷却通道使得所述内表面流体连通到所述外表面。

10.如权利要求9所述的翼型，其进一步包括位于所述外表面上的第一列重叠滞止沟槽节段，其中所述滞止线穿过每个所述重叠滞止沟槽节段的至少一部分。

11.如权利要求10所述的翼型，其中至少一个滞止沟槽节段是弓形的。

12.如权利要求10所述的翼型，其中至少一个滞止沟槽节段具有沿所述至少一个滞止沟槽节段的长度的可变尺寸。

13.如权利要求10所述的翼型，其中至少一个滞止沟槽节段具有渐减尺寸，并且位于所述至少一个滞止沟槽节段中的所述至少一个冷却通道朝着所述渐减尺寸成角度倾斜。

14.如权利要求10所述的翼型，其进一步包括位于每个滞止沟槽节段中的至少一个冷却通道，其中所述至少一个冷却通道使得所述内表面流体连通到所述外表面。

15.如权利要求14所述的翼型，其中位于所述压力侧沟槽节段中的所述侧冷却通道从位于所述滞止沟槽节段中的所述冷却通道径向偏移。

16.一种翼型，其包括：

a.内表面；

b.与所述内表面相对的外表面，其中所述外表面包括压力侧、与所述压力侧相对的吸入侧、位于所述压力侧与所述吸入侧之间的滞止线、以及位于所述压力侧与所述吸入侧之间且位于所述滞止线下游的后缘；

c.位于所述外表面上的第一列重叠滞止沟槽节段，其中所述滞止线穿过每个所述重叠滞止沟槽节段的至少一部分；

d.位于每个滞止沟槽节段中的至少一个冷却通道，其中所述至少一个冷却通道使得所述内表面流体连通到所述外表面；

e.位于所述压力侧上的第二列重叠压力侧沟槽节段；

f.位于所述吸入侧上的第三列重叠吸入侧沟槽节段；以及

g.位于每个压力侧沟槽节段中、且位于每个吸入侧沟槽节段中的至少一个侧冷却通道，其中所述侧冷却通道使得所述内表面流体连通到所述外表面。

17.如权利要求16所述的翼型，其中至少一个滞止沟槽节段是弓形的。

18.如权利要求16所述的翼型，其中至少一个滞止沟槽节段具有沿所述至少一个滞止沟槽节段的长度的可变尺寸。

19.如权利要求16所述的翼型，其中至少一个滞止沟槽节段具有渐减尺寸，并且位于所述至少一个滞止沟槽节段中的所述至少一个冷却通道朝着所述渐减尺寸成角度倾斜。

20.如权利要求16所述的翼型，其中位于所述压力侧沟槽节段中的所述侧冷却通道从位于所述滞止沟槽节段中的所述冷却通道径向偏移。

Images