CN104220701A

CN104220701A - 涡轮喷嘴

Info

Publication number: CN104220701A
Application number: CN201380017329.2A
Authority: CN
Inventors: L·张; J·殷; H·K·穆恩
Original assignee: Solar Turbines Inc
Current assignee: Solar Turbines Inc
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2014-12-17
Also published as: DE112013001710T5; WO2013148403A1; US20130259703A1; US9039370B2

Abstract

一种用于燃气涡轮发动机的喷嘴装置包括第一壳体部件(60)和第二壳体部件(70)。所述喷嘴装置还可包括第一喷嘴(20)和第二喷嘴(30)。所述第一喷嘴和第二喷嘴中的每一者都可在所述第一壳体部件与第二壳体部件之间延伸以形成双体(10)。多个冷却孔(100、110、130、150)可设置在所述第一喷嘴、第二喷嘴、第一壳体部件或第二壳体部件中的至少一者上，以横跨所述双体提供不同程度的第一等级冷却。

Description

涡轮喷嘴

技术领域

本发明总体涉及燃气涡轮发动机(GTE)涡轮喷嘴，更具体地涉及用于冷却GTE涡轮喷嘴的装置。

背景技术

GTE通过从热的燃气流中提取能量来产生动力，所述燃气通过燃料在压缩空气流中燃烧而产生。通常，涡轮发动机具有连接至下游涡轮的上游空气压缩机，在涡轮与空气压缩机之间具有燃烧室(燃烧器)。当压缩空气和燃料的混合物在燃烧器中燃烧时释放能量。在典型的涡轮发动机中，一个或多个燃料喷射器将液态或气态烃燃料引导到燃烧器中用于燃烧。所产生的热的燃气被引导至涡轮的叶片上以使涡轮旋转并产生机械动力。

在高性能GTE中，一部分压缩空气用于冷却GTE构件，例如暴露在热的燃气流中的涡轮构件。GTE包括用于接收该部分压缩空气的冷却通道和冷却流，以改善GTE内的单独的构件的可靠性和循环寿命。GTE构件——诸如静止的涡轮导向叶，其通常被称为涡轮喷嘴——设置成使得该部分压缩空气流经涡轮喷嘴的多个内部冷却通道。

授予Lee等人的美国专利7,836,703(’703专利)描述了一种冷却的涡轮喷嘴组件。根据’703专利，该组件可以包括环状的涡轮喷嘴20，该涡轮喷嘴包括成对地布置在喷嘴双体内的交替的第一和第二静叶36、38对。第一静叶36和第二静叶38中的每一者包括各自嵌设在静叶36和38内的不同的冷却回路63、64，从而与圆周“计时”单个燃料喷射器协作影响冷却以避免热损(hot steaks)。

发明内容

本发明的实施例可涉及用于燃气涡轮发动机的喷嘴装置，该喷嘴装置包括第一壳体部件和第二壳体部件。喷嘴装置还可以包括第一喷嘴和第二喷嘴。所述第一喷嘴和第二喷嘴中的每一者都可以在所述第一壳体部件与第二壳体部件之间延伸以形成双体。多个冷却孔可以设置在所述第一喷嘴、第二喷嘴、第一壳体部件和第二壳体部件中的至少一者上，从而在双体上提供不同程度的第一等级冷却。

在另一些实施例中，本发明可包括具有第一壳体部件和第二壳体部件的喷嘴装置。该喷嘴装置还可以包括第一喷嘴和第二喷嘴。所述第一喷嘴和第二喷嘴中的每一者都可以在所述第一壳体部件与第二壳体部件之间延伸以形成双体。多个冷却孔可以设置在所述第一喷嘴、第二喷嘴、第一壳体部件和第二壳体部件中的至少一者上。孔的布置关于所述第一喷嘴和第二喷嘴可以是不对称的。

在又一些实施例中，本发明可涉及用于燃气涡轮发动机的喷嘴装置，该喷嘴装置可以包括第一壳体部件和第二壳体部件。所述喷嘴装置还可以包括第一喷嘴和第二喷嘴。所述第一喷嘴和第二喷嘴中的每一者都可以在所述第一壳体部件与第二壳体部件之间延伸以形成双体。所述第一喷嘴和第二喷嘴中的每一者都可以包括凹表面和对向地设置的凸表面。多个冷却孔可以设置在所述第一喷嘴、第二喷嘴、第一壳体部件和第二壳体部件中的至少一者上。此外，所述多个孔可以在所述第一壳体部件和第二壳体部件中的至少一者上在所述第二喷嘴的凹表面与所述第一喷嘴的凸表面之间比在该第一喷嘴的凹表面与所述双体的相邻的端部之间包括更多的孔。

附图说明

图1是根据第一示例性实施例的GTE的涡轮喷嘴双体的等距视图；

图2A是根据第二示例性实施例的GTE的涡轮喷嘴双体的第一剖视图；

图2B是根据第二示例性实施例的GTE的涡轮喷嘴双体的第二剖视图；

图3是根据第三示例性实施例的GTE的涡轮喷嘴双体的等距视图；和

图4是说明冷却GTE的涡轮喷嘴双体的方法的流程图。

具体实施方式

GTE包括一级或多级涡轮旋转叶片和静叶片。GTE的涡轮的每一级都可以包括一排上游静涡轮叶片(即，涡轮喷嘴)和一排下游旋转涡轮叶片。例如，一排涡轮喷嘴可以包括由具有翼型形状的多个喷嘴组成的环状环形件，而一排(旋转)涡轮叶片可以包括具有翼型形状的多个叶片并且构造成用于沿着GTE的中心旋转轴(未示出)做旋转运动。

如本领域已知的，涡轮喷嘴的环状环形件可以沿周向分割为双体10(即，成对的两个翼型件)。图1示出了GTE的涡轮喷嘴双体10的示例性实施例，所述涡轮喷嘴双体包括第一基本上中空的喷嘴20和第二基本上中空的喷嘴30。来自GTE——例如，轴向GTE——的燃烧器部分(未示出)的燃气可以流经涡轮喷嘴双体10以从GTE燃烧器部分导引空气流。因此，双体10的第一喷嘴20和第二喷嘴30中的每一者都可以包括前缘25和尾缘/后缘35，其构造成用于从前缘25朝向尾缘35引导燃气。也就是说，前缘25在来自GTE的燃烧器部分(未示出)的空气流中各自设置在第一喷嘴20和第二喷嘴30中的每一者的尾缘35的上游。

第一喷嘴20和第二喷嘴30中的每一者都可以是翼型的形状。也就是说，如图1所示，第一喷嘴20和第二喷嘴30中的每一者都可以在第一侧(压力侧)上包括凹表面40并且在其第二侧(吸力侧)上包括对向设置的凸表面50。也就是说，每个喷嘴的凹表面40直接面向每个相邻的喷嘴的凸表面。以这样的方式在相邻的喷嘴——例如，双体10的第一喷嘴20和第二喷嘴30——之间形成气体流动通道。也就是说，如本领域所知，在第二喷嘴30的凹表面40、即压力侧上流动的热的燃气比在第一喷嘴20的凸表面50、即吸力侧上流动的热的燃气经受更高的静压和更低的速度。这样，在GTE喷嘴双体10的相邻的喷嘴之间引导离开GTE的燃烧器部分(未示出)的热的燃气。

进一步如图1所示，双体10的第一喷嘴20和第二喷嘴30中的每一者在内带60和外带70之间沿径向延伸。双体10的第一喷嘴20和第一喷嘴30中的每一者可与带60和70整体地形成(例如，铸造或模制为单个一体件)，或单独地形成并通过任意适当的方式——诸如焊接或钎焊——而彼此固定。相邻的双体10的带60和70可以彼此连接以形成双体10的环形件，每个双体10都具有第一喷嘴20和第二喷嘴30。相邻的双体10的带60和70可以任意适当的方式彼此连接以在相邻的双体之间形成分割线或切割面80。内带60和外带70中的每一者都可以包括帮助双体10的环状环形件插到GTE的涡轮中的任何适合的几何结构，诸如导轨状等。

运行过程中，当热的燃气通过双体10时，双体10的喷嘴20和30——所述喷嘴可由诸如钴或镍基合金的超合金制成——会暴露在极高温度下。因此，喷嘴20和30可能处于过早失效、低使用寿命、热斑等的风险中。由于热量的影响，涡轮效率可能会降低。为了降低喷嘴20和30的有害过热，冷却气流——诸如压缩空气——可被引导至一个或多个喷嘴表面(例如，第一喷嘴20和第二喷嘴30的凹表面40或凸表面50)和/或带60和70的表面上。例如，流体可以从源90被引导至相邻的带60和70中的任一者或两者的位置。通过非限制性的示例，流体可以从源90被引导至形成在内带60下方(即，径向上位于内带的内部)的腔体(未示出)，以对所述腔体加压。源90可以包括任何适合的流体，诸如从GTE的压缩机部分(未示出)流出的压缩空气。

基本上中空的第一喷嘴20和第二喷嘴30中的每一者以及内带60都可以包括与通过源90加压的腔体连通的多个冷却孔。也就是说，如图1所示，第一喷嘴20和第二喷嘴30中的每一者都可例如在其前缘25上包括多个喷嘴孔100。此外，如图1所示，带60可以包括多个带孔110。孔100和110可以是任意适当的形状，例如圆形、椭圆形、方形、矩形、六边形等。此外，孔100和110中的每一者都可通过任意适当的方法——诸如EDM(电子放电机械加工)、激光穿孔等——制成。另外，孔100和110中的每一者都可以与通过源90加压的腔体流体连通。也就是说，来自源90的流体可被引导通过孔100和110以冷却喷嘴20和30的表面。

通过源90提供的经孔100和110、经喷嘴20和30的内部并顶着带60和70的内表面的冷却流体可以被视为第一等级冷却。也即，蓄意冷却。除了这种蓄意的第一等级冷却之外，多个源可帮助对每个双体10的喷嘴20和30的一个或多个表面进行第二等级冷却或非蓄意冷却。这种第二等级冷却可以称为“泛冷却(幻影冷却)”，其可以减少一级冷却的需求量。

泛冷却作用可以归因于许多源，例如，来自通过源90加压的腔体、经相邻的双体10之间的分割线或切割面80泄漏的再循环第一等级冷却流。例如，如图1所示，可以发现泛冷却流120从分割线或切割面80中泄漏出来。由于双体10在GTE的涡轮(未示出)中的布置，泛冷却流120被朝向每个双体10的第二喷嘴30的凸表面50引导。因此，第二喷嘴30的凸表面50和第一喷嘴20的凹表面40(更靠近分割线或切割面80的那些)可比第二喷嘴30的凹表面40和第一喷嘴20的凸表面50经受更大量的第二等级泛冷却。这样，在这些区域可需要较少的第一等级冷却。

为了利用这种泛冷却流120，双体10可以构造成不对称形式，从而利用在双体10内的不同位置处经历的不同程度的第二等级冷却。不对称形式/布置可以包括在第一喷嘴20和第二喷嘴30上和/或在横跨双体10的带60和70上的孔的不同的数目、位置或尺寸，正如下面将进一步详细说明的。例如，如在图1的示例性实施例中所示，内带60可以在第二喷嘴30的凹表面40与第一喷嘴20的凸表面50之间(暴露于较少的泛冷却流120的那些区域)具有比在相邻的双体10的第一喷嘴20的凹表面40与第二喷嘴30的凸表面50之间更多的带孔110。通过非限制性示例的方式，可以在双体10的第一喷嘴20与第二喷嘴30之间设置两排带孔110，而在相邻的双体10的第一喷嘴20的凹表面40与第二喷嘴30的凸表面50之间仅设置单排带孔110。因此，可以向双体的暴露于较少泛冷却流120的那些区域提供更多的第一等级冷却。

要指出的是，尽管已经示出了带孔110排的比例为2:1，但可根据附加的示例性实施例提供任意其它的不对称比例。另外，根据附加的示例性实施例，带孔110的尺寸可以是不同的，而不是提供不同数目的带孔110。例如，位于双体10的第一喷嘴20与第二喷嘴30之间的带孔110可以比位于相邻的双体10的第一喷嘴20的凹表面40与第二喷嘴30的凸表面50之间的带孔110大，而不是在双体10的第一喷嘴20与第二喷嘴30之间包含更大量的带孔110。也就是说，可以提供带孔110用于沿着双体的暴露于更大量的泛冷却流120的那些部分赋予减少的第一等级冷却的任意适合的布置。

根据如图2A和2B所示的附加的示例性实施例，为了利用泛冷却流120，可以使用不对称布置的喷嘴孔100。例如，如图2A所示，第一喷嘴20的凸表面50可以包括附加的两排喷嘴孔100，诸如凸表面喷嘴孔130。凸表面喷嘴孔130可与如上描述的孔100相似地构造，以及可以构造成用于在双体10的第一喷嘴20与第二喷嘴30之间输送第一等级冷却。如图2A所示，凸表面喷嘴孔130可成排地横跨第一喷嘴20的凸表面50并在内带60和外带70之间沿径向延伸。

相比而言，如图2B所示，可以在第二喷嘴30的凸表面50上设置较少量的凸表面喷嘴孔130。也就是说，由于增加量的泛冷却流120冲击着第二喷嘴30的凸表面50，所以可以减少凸表面喷嘴孔130的数目。例如，如图2B所示，第二喷嘴30的更靠近分割线或切割面80的凸表面50尤其是在沿着带60和70的区域140内暴露于更大程度的泛冷却流120中。为了利用这样的第二等级冷却，凸表面50制造成在区域140内不具有凸表面喷嘴孔130。

根据如图3所示的附加的示例性实施例，为了利用泛冷却流120，可以采用不对称布置的喷嘴孔100。例如，第一喷嘴20和第二喷嘴30中的每一者的凹表面40都可以包括一排或多排喷嘴孔100，诸如凹表面喷嘴孔150。凹表面喷嘴孔150可与如上描述的孔100相似地构造，以及可以构造成用于在双体10的相邻的喷嘴20和30之间输送第一等级冷却。如图3所示，凹表面喷嘴孔150可以成排地横跨第一喷嘴20和第二喷嘴30中的每一者的凹表面40并在内带60和外带70之间沿径向延伸。

如图3所示，在第一喷嘴20的凹表面40上的凹表面喷嘴孔150的尺寸或直径可以比在第二喷嘴30的凹表面40上的凹表面喷嘴孔150的尺寸或直径小。因此，可以为双体10的暴露于较少的泛冷却流120中的那些区域提供更多的第一等级冷却。应当指出的是，根据附加的示例性实施例，分别在第一喷嘴20和第二喷嘴30中的每一者上的凹表面喷嘴孔150可以是相同的尺寸，然而可以在第二喷嘴30的凹表面40上设置更多的孔，而不是使凹表面喷嘴孔150的尺寸不相同。也就是说，可以提供用于沿着双体10的暴露于较大量的泛冷却流120中的那些部分赋予较小程度的第一等级冷却的任何适合布置的孔150。

另外，应当注意，如图1-3所示的示例性实施例中的每一者都可以同时使用。也就是说，可以在同一双体10上使用不对称布置的或者尺寸不同的孔110、130和150从而通过利用泛冷却流120来实现双体10的平衡冷却。

工业适用性

本发明公开的涡轮喷嘴可以应用于其中GTE的构件暴露于极高热量的任何GTE。另外，本发明公开的涡轮喷嘴可以应用于其中存在第一等级和第二等级冷却两者的任何GTE。此外，尽管已经关于在第一级涡轮组件中的涡轮喷嘴描述了示例性实施例，但系统可以应用于在GTE的任一级涡轮部分中的任意涡轮喷嘴。此外，本发明所描述的涡轮喷嘴可应用于各种行业，例如，涡轮制造、热交换、能源或航空航天。

以下的操作将针对GTE的涡轮喷嘴；然而，通过其它翼型件或管状装置的空气流可以是相似的。

如图4所示，示出了冷却涡轮喷嘴双体10的方法200。方法200包括在步骤210中将涡轮喷嘴双体10暴露于冷却流体的源90中。方法200还包括在步骤220中将流体从源90引导至中空的第一喷嘴20和中空的第二喷嘴30中的每一者。在步骤230中，该方法还可以包括引导流体通过设置在喷嘴20和30、内带60或外带70的一个或多个表面上的多个孔100、110、130和/或150，使得由孔100、110、130和/或150提供的冷却关于双体10是不对称的，所述不对称随通过源而不是通过孔100、110、130和/或150形成的冷却(例如，泛冷却)而变。

本发明当前公开的GTE的涡轮喷嘴双体10可具有许多特征。可通过布置冷却孔110、130和150从而利用沿着双体10的分割线或切割面80的泄漏来使用第二等级泛冷却流120。这种使用可以在受泛冷却流120影响最大的那些区域(例如，第二喷嘴30的凸表面50和第一喷嘴20的凹表面40)中降低对第一等级冷却的需求。因此，可以降低对冷却流(冷却质量流)的需求量，借此提高总涡轮效率。另外，可通过避免第一等级和第二等级冷却流的重叠来实现双体10的各构件的更均匀的表面温度。这种均匀的温度通过避免过多的热斑而有助于增加双体10的使用寿命。

可以对所公开的GTE内的涡轮喷嘴及其冷却方法做出各种修改和变型对本领域技术人员而言将是明显的。通过考量本文所公开的实施例的说明和实践，其它实施例对于本领域技术人员而言将是明显的。本说明书和示例应被认为仅仅是示例性的，本发明的真正范围由所附权利要求及其等同方案指明。

Claims

1.一种用于燃气涡轮发动机的喷嘴装置，该喷嘴装置包括：

第一壳体部件(60)和第二壳体部件(70)；

第一喷嘴(20)和第二喷嘴(30)，所述第一喷嘴和第二喷嘴中的每一者都在所述第一壳体部件与第二壳体部件之间延伸以形成双体(10)；

其中，多个冷却孔(100，110，130，150)设置在所述第一喷嘴、第二喷嘴、第一壳体部件或第二壳体部件中的至少一者上，以横跨所述双体提供不同程度的第一等级冷却。

2.根据权利要求1所述的喷嘴装置，其特征在于，所述第一喷嘴和第二喷嘴中的每一者都是翼型形状，并且包括凹表面(40)和对向地设置的凸表面(50)。

3.根据权利要求2所述的喷嘴装置，其特征在于，所述第一喷嘴的凸表面面向所述第二喷嘴的凹表面。

4.根据权利要求3所述的喷嘴装置，其特征在于，所述多个孔在所述第一壳体部件或第二壳体部件中的至少一者上在所述第二喷嘴的凹表面与所述第一喷嘴的凸表面之间比在所述第一喷嘴的凹表面与所述双体的相邻端部之间包括更多的孔(110)。

5.根据权利要求3所述的喷嘴装置，其特征在于，所述多个孔(130)在所述第一喷嘴的凸表面上比在所述第二喷嘴的凸表面上包括更多的孔。

6.根据权利要求5所述的喷嘴装置，其特征在于，所述第二喷嘴的凸表面包括与所述第一壳体部件邻近的上三角区域(140)和与所述第二壳体部件邻近的下三角区域(140)，其中所述上三角区域和下三角区域没有所述多个孔。

7.根据权利要求3所述的喷嘴装置，其特征在于，所述多个孔包括在所述第一喷嘴的凹表面上的第一组孔(150)和在所述第二喷嘴的凹表面上的第二组孔(150)，其中所述第一组孔的尺寸比所述第二组孔的尺寸小。

8.根据权利要求1所述的喷嘴装置，其特征在于，所述第一壳体部件或第二壳体部件中的至少一者由压缩流体源(90)加压。

9.根据权利要求8所述的喷嘴装置，其特征在于，所述第一喷嘴和第二喷嘴中的每一者都是基本上中空的，并且构造成用于将压缩流体从所述第一壳体部件或第二壳部件中的所述至少一者经所述多个冷却孔排出。

10.一种用于燃气涡轮发动机的喷嘴装置，该喷嘴装置包括：

第一壳体部件(60)和第二壳体部件(70)；

其中，多个冷却孔(100，110，130，150)设置在所述第一喷嘴、第二喷嘴、第一壳体部件或第二壳体部件中的至少一者上，孔的布置关于所述第一喷嘴和第二喷嘴是不对称的。