CN106907185A - 用于控制副流和最佳扩散器性能的凸出喷嘴 - Google Patents

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Abstract

一种构造成设置在涡轮(16)中的涡轮喷嘴(36)包括吸入侧(50)、压力侧(48)和设置在吸入侧(50)上的凸起(52)。吸入侧(50)在前缘(44)与后缘(46)之间沿轴向方向(28)且横向于涡轮喷嘴(36)的纵轴线(150)延伸，并且沿纵轴线(150)在径向方向(32)上延伸涡轮喷嘴(36)的高度(54)。压力侧(48)设置成与吸入侧(50)相对，并且在涡轮喷嘴(36)的前缘(44)与涡轮喷嘴(36)的后缘(46)之间沿轴向方向(28)延伸，并且沿径向方向(32)延伸涡轮喷嘴(36)的高度(54)。凸起(52)设置在吸入侧(50)上，沿横向于径向方向(32)和轴向方向(28)两者的方向关于吸入侧(50)的另一部分凸出。涡轮喷嘴(36)具有由表1中列出的选择的坐标集限定在沿涡轮喷嘴(36)的高度(54)的第一位置处的第一截面(106)处的第一外周(112)。

Description

用于控制副流和最佳扩散器性能的凸出喷嘴
技术领域
本文中公开的主题涉及涡轮机，并且更具体地涉及涡轮机的涡轮中的喷嘴末级。
背景技术
涡轮机如燃气涡轮发动机可包括压缩机、燃烧器和涡轮。气体在压缩机中压缩，与燃料组合，并且接着供给到燃烧器中，其中气体/燃料混合物燃烧。高温和高能排出流体接着供给至涡轮，其中流体的能量转换成机械能。在涡轮的末级中，低根部反应可引起横向于主流动方向的副流。副流可消极地影响末级的效率，并且导致不合乎需要的局部毂涡流，其消极地影响扩散器的性能。就此而言，将有益的是增加根部反应来控制副流和减少局部毂涡流。
发明内容
在下面概括在范围上与最初要求权利的主题相称的某些实施例。这些实施例不意图限制要求权利的主题的范围，而是相反地，这些实施例仅意图提供公开的主题的可能形式的简要概括。实际上，主题可包含可与在下面提出的实施例相似或不同的各种形式。
在第一实施例中，一种构造成设置在涡轮中的涡轮喷嘴包括吸入侧、压力侧和设置在吸入侧上的凸起。吸入侧在涡轮喷嘴的前缘与涡轮喷嘴的后缘之间沿轴向方向且横向于涡轮喷嘴的纵轴线延伸，并且沿纵轴线在径向方向上延伸涡轮喷嘴的高度。压力侧设置成与吸入侧相对，并且在涡轮喷嘴的前缘与涡轮喷嘴的后缘之间沿轴向方向延伸，并且沿径向方向延伸涡轮喷嘴的高度。凸起设置在涡轮喷嘴的吸入侧上，沿横向于径向方向和轴向方向两者的方向关于吸入侧的另一部分凸出。涡轮喷嘴具有由表1中列出的选择的坐标集限定在沿涡轮喷嘴的高度的第一位置处的第一截面处的第一外周。
在第二实施例中，一种系统包括具有第一环形壁、第二环形壁和末级的涡轮。末级包括绕着涡轮的旋转轴线环形地设置在第一环形壁与第二环形壁之间的多个喷嘴。多个喷嘴中的各个喷嘴包括在第一环形壁与第二环形壁之间延伸的高度、前缘、设置在前缘下游的后缘、在前缘与后缘之间沿轴向方向延伸并且沿径向方向延伸喷嘴的高度的吸入侧、设置成与吸入侧相对并且在喷嘴的前缘与喷嘴的后缘之间沿轴向方向延伸并且沿径向方向延伸喷嘴的高度的压力侧，以及凸起。凸起设置在喷嘴的吸入侧上，并且沿横向于从旋转轴线延伸的径向平面的方向凸出。多个喷嘴中的各个喷嘴包括由表1中列出的选择的坐标集限定在沿多个喷嘴中的各个喷嘴的高度的第一位置处的第一截面处的第一外周。
在第三实施例中，一种系统包括具有第一环形壁、第二环形壁和末级的涡轮。末级包括绕着涡轮的旋转轴线环形地设置在第一环形壁与第二环形壁之间的多个喷嘴。多个喷嘴中的各个喷嘴包括在第一环形壁与第二环形壁之间的高度、前缘、设置在前缘下游的后缘、在前缘与后缘之间沿轴向方向延伸并且沿径向方向延伸喷嘴的高度的吸入侧、设置成与吸入侧相对并且在喷嘴的前缘与喷嘴的后缘之间沿轴向方向延伸并且沿径向方向延伸喷嘴的高度的压力侧，以及凸起。凸起设置在喷嘴的吸入侧上，并且沿横向于从旋转轴线延伸的径向平面的方向凸出。多个喷嘴中的各个喷嘴包括第一外周、第二外周、第三外周、第四外周和第五外周。第一外周由表1中列出的选择的坐标集限定在沿多个喷嘴中的各个喷嘴的高度的第一位置处的第一截面处。第二外周由表2中列出的选择的坐标集限定在不同于第一位置的、沿多个喷嘴中的各个喷嘴的高度的第二位置处的第二截面处。第三外周由表3中列出的选择的坐标集限定在不同于第一位置和第二位置两者的、沿多个喷嘴中的各个喷嘴的高度的第三位置处的第三截面处。第四外周由表4中列出的选择的坐标集限定在不同于第一位置、第二位置和第三位置的、沿多个喷嘴中的各个喷嘴的高度的第四位置处的第四截面处。第五外周由表5中列出的选择的坐标集限定在不同于第一位置、第二位置、第三位置和第四位置的、沿多个喷嘴中的各个喷嘴的高度的第五位置处的第五截面处。此外，多个喷嘴中的各个喷嘴关于径向平面朝压力侧成角。
技术方案1. 一种构造成设置在涡轮中的涡轮喷嘴，包括：
吸入侧，其在所述涡轮喷嘴的前缘与所述涡轮喷嘴的后缘之间沿轴向方向且横向于所述涡轮喷嘴的纵轴线延伸，并且沿所述纵轴线在径向方向上延伸所述涡轮喷嘴的高度；
压力侧，其设置成与所述吸入侧相对，并且在所述涡轮喷嘴的所述前缘与所述涡轮喷嘴的所述后缘之间沿所述轴向方向延伸，并且沿所述径向方向延伸所述涡轮喷嘴的所述高度；以及
凸起，其设置在所述涡轮喷嘴的所述吸入侧上，沿横向于所述径向方向和所述轴向方向两者的方向关于所述吸入侧的另一部分凸出；
其中所述涡轮喷嘴具有由表1中列出的选择的坐标集限定在沿所述涡轮喷嘴的所述高度的第一位置处的第一截面处的第一外周。
技术方案2. 根据技术方案1所述的涡轮喷嘴，其特征在于，所述涡轮喷嘴具有由表2中列出的选择的坐标集限定在不同于所述第一位置的、沿所述涡轮喷嘴的所述高度的第二位置处的第二截面处的第二外周。
技术方案3. 根据技术方案2所述的涡轮喷嘴，其特征在于，所述涡轮喷嘴具有由表3中列出的选择的坐标集限定在不同于所述第一位置和所述第二位置两者的、沿所述涡轮喷嘴的所述高度的第三位置处的第三截面处的第三外周。
技术方案4. 根据技术方案3所述的涡轮喷嘴，其特征在于，所述涡轮喷嘴具有由表4中列出的选择的坐标集限定在不同于所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置的、沿所述涡轮喷嘴的所述高度的第四位置处的第四截面处的第四外周。
技术方案5. 根据技术方案4所述的涡轮喷嘴，其特征在于，所述涡轮喷嘴具有由表5中列出的选择的坐标集限定在不同于所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置和所述第四位置的、沿所述涡轮喷嘴的所述高度的第五位置处的第五截面处的第五外周。
技术方案6. 根据技术方案5所述的涡轮喷嘴，其特征在于，所述凸起在所述喷嘴的所述高度的第一百分比处的开始高度处开始凸出，在所述喷嘴的所述高度的第二百分比处达到最大凸出，并且在所述喷嘴的所述高度的第三百分比处的终止高度处停止凸出。
技术方案7. 根据技术方案1所述的涡轮喷嘴，其特征在于，所述凸起延伸所述前缘与所述后缘之间的所述吸入侧的长度的至少多于一半。
技术方案8. 根据技术方案1所述的涡轮喷嘴，其特征在于，所述凸起沿所述吸入侧的整个长度延伸。
技术方案9. 根据技术方案1所述的涡轮喷嘴，其特征在于，所述喷嘴具有关于从所述涡轮的旋转轴线沿所述径向方向延伸的平面的相对于所述压力侧的倾斜。
技术方案10. 根据技术方案9所述的涡轮喷嘴，其特征在于，相对于所述压力侧的所述倾斜大于大约0度并且等于或小于大约5度。
技术方案11.一种系统，包括：
涡轮，包括：
第一环形壁；
第二环形壁；以及
末级，其包括绕着所述涡轮的旋转轴线环形地设置在所述第一环形壁与所述第二环形壁之间的多个喷嘴，其中所述多个喷嘴中的各个喷嘴包括：
高度，其在所述第一环形壁与所述第二环形壁之间延伸；
前缘；
后缘，其设置在所述前缘下游；
吸入侧，其在所述前缘与所述后缘之间沿轴向方向延伸，并且沿径向方向延伸所述喷嘴的所述高度；
压力侧，其设置成与所述吸入侧相对并且在所述喷嘴的所述前缘与所述喷嘴的所述后缘之间沿所述轴向方向延伸，并且沿所述径向方向延伸所述喷嘴的所述高度；
凸起，其设置在所述喷嘴的所述吸入侧上，沿横向于从所述旋转轴线延伸的径向平面的方向凸出；以及
第一外周，其由表1中列出的选择的坐标集限定在沿所述多个喷嘴中的各个喷嘴的所述高度的第一位置处的第一截面处。
技术方案12. 根据技术方案11所述的系统，其特征在于，所述多个喷嘴中的各个喷嘴包括由表2中列出的选择的坐标集限定在不同于所述第一位置的、沿所述多个喷嘴中的各个喷嘴的所述高度的第二位置处的第二截面处的第二外周。
技术方案13. 根据技术方案12所述的系统，其特征在于，所述多个喷嘴中的各个喷嘴包括由表3中列出的选择的坐标集限定在不同于所述第一位置和所述第二位置两者的、沿所述多个喷嘴中的各个喷嘴的所述高度的第三位置处的第三截面处的第三外周。
技术方案14. 根据技术方案13所述的系统，其特征在于，所述多个喷嘴中的各个喷嘴包括由表4中列出的选择的坐标集限定在不同于所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置的、沿所述多个喷嘴中的各个喷嘴的所述高度的第四位置处的第四截面处的第四外周。
技术方案15. 根据技术方案14所述的系统，其特征在于，所述多个喷嘴中的各个喷嘴包括由表5中列出的选择的坐标集限定在不同于所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置和所述第四位置的、沿所述多个喷嘴中的各个喷嘴的所述高度的第五位置处的第五截面处的第五外周。
技术方案16. 根据技术方案11所述的系统，其特征在于，所述前缘和所述后缘具有关于从所述旋转轴线沿所述径向方向延伸的所述径向平面朝所述压力侧的倾斜。
技术方案17. 根据技术方案16所述的系统，其特征在于，所述多个喷嘴中的各个喷嘴与所述压力侧关于所述径向平面成大约3度的角。
技术方案18. 根据技术方案11所述的系统，其特征在于，所述凸起的最大凸出为所述喷嘴的所述高度的大约0.5%到大约5.0%之间。
技术方案19. 根据技术方案11所述的系统，其特征在于，所述凸起的最大凸出出现在所述喷嘴的所述高度的大约20%到大约40%之间。
技术方案20. 一种系统，包括：
涡轮，包括：
第一环形壁；
第二环形壁；以及
末级，其包括绕着所述涡轮的旋转轴线环形地设置在所述第一环形壁与所述第二环形壁之间的多个喷嘴，其中所述多个喷嘴中的各个喷嘴包括：
高度，其在所述第一环形壁与所述第二环形壁之间；
前缘；
后缘，其设置在所述前缘下游；
吸入侧，其在所述前缘与所述后缘之间沿轴向方向延伸，并且沿径向方向延伸所述喷嘴的所述高度；
压力侧，其设置成与所述吸入侧相对并且在所述喷嘴的所述前缘与所述喷嘴的所述后缘之间沿所述轴向方向延伸，并且沿所述径向方向延伸所述喷嘴的所述高度；
凸起，其设置在所述喷嘴的所述吸入侧上，沿横向于从所述旋转轴线延伸的径向平面的方向凸出；以及
第一外周，其由表1中列出的选择的坐标集限定在沿所述多个喷嘴中的各个喷嘴的所述高度的第一位置处的第一截面处；
第二外周，其由表2中列出的选择的坐标集限定在不同于所述第一位置的、沿所述多个喷嘴中的各个喷嘴的所述高度的第二位置处的第二截面处；
第三外周，其由表3中列出的选择的坐标集限定在不同于所述第一位置和所述第二位置两者的、沿所述多个喷嘴中的各个喷嘴的所述高度的第三位置处的第三截面处；
第四外周，其由表4中列出的选择的坐标集限定在不同于所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置的、沿所述多个喷嘴中的各个喷嘴的所述高度的第四位置处的第四截面处；以及
第五外周，其由表5中列出的选择的坐标集限定在不同于所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置和所述第四位置的、沿所述多个喷嘴中的各个喷嘴的所述高度的第五位置处的第五截面处；
其中所述多个喷嘴中的各个喷嘴关于所述径向平面朝所述压力侧成角。
附图说明
当参照附图阅读下列详细描述时，将更好地理解本主题的这些和其它的特征、方面和优点，其中，同样的标记在所有附图中表示同样的部件，其中：
图1为根据本公开的方面的涡轮机的一个实施例的图；
图2为根据本公开的方面的喷嘴的一个实施例的透视正视图；
图3为根据本公开的方面的设计有涡轮的级中的吸入凸起的喷嘴的部分阵列的一个实施例的正视图；
图4为根据本公开的方面的设计有涡轮的级中的吸入凸起的喷嘴的部分阵列的一个实施例的后视图；
图5为根据本公开的方面的两个相邻喷嘴的俯视截面视图；
图6为根据本公开的方面的由涡轮的级中的相邻喷嘴限定的无量纲喉部分布的图解表示；
图7为根据本公开的方面的最大喷嘴厚度除以50%跨度处的最大喷嘴厚度的无量纲分布的图解表示；
图8为根据本公开的方面的最大喷嘴厚度除以轴向翼弦的无量纲分布的图解表示；
图9为根据本公开的方面的具有吸入侧凸起的喷嘴的截面视图；
图10示出根据本公开的方面的与具有吸入侧凸起的喷嘴相交的五个跨度位置处的五个平面；
图11为根据本公开的方面的具有第一高度处的吸入侧凸起的喷嘴的截面视图；
图12为根据本公开的方面的具有第二高度处的吸入侧凸起的喷嘴的截面的外周的图；
图13为根据本公开的方面的具有第三高度处的吸入侧凸起的喷嘴的截面的外周的图；
图14为根据本公开的方面的具有第四高度处的吸入侧凸起的喷嘴的截面的外周的图；
图15为根据本公开的方面的具有第五高度处的吸入侧凸起的喷嘴的截面的外周的图；
图16为根据本公开的方面的关于沿径向堆叠的翼型件朝压力侧倾斜的喷嘴的示意图；以及
图17为根据本公开的方面的具有相比于沿径向堆叠的翼型件的3度压力侧倾斜的喷嘴的透视图。
具体实施方式
将在下面描述本主题的一个或更多个特定实施例。为了提供这些实施例的简明描述，可不在说明书中描述实际实施的所有特征。应当认识到，在任何这种实际实施的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须作出许多特定实施决定以实现开发者的特定目的，诸如符合系统相关且商业相关的约束，这可从一个实施变化到另一个实施。此外，应当认识到，这种开发努力可为复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的技术人员而言，仍将是设计、制作和制造的日常工作。
当介绍本主题的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表示存在元件中的一个或更多个。用语“包括”、“包含”和“具有”意图是包含的，并且表示可存在除了列出的元件之外的附加元件。
在燃气涡轮发动机中的燃烧之后，排出流体离开燃烧器并且进入涡轮。低根部反应可在涡轮的末级中引入强副流(即，横向于主流动方向的流动)，降低末级的效率。此外，在下游旋转翼型件毂中或周围的副流可引入不合乎需要的涡流，该不合乎需要的涡流可出现为旋转翼型件离开流廓线中的涡流尖峰，其消极地影响扩散器的性能。具有在末级中实施的吸入侧上的凸起、朝压力侧的略微倾斜，以及毂区域附近的喉部的开启(opening)的喷嘴设计可用于实现根部反应，因此减少了副流和不合乎需要的涡流。
现在转到附图，图1为涡轮机10(例如，燃气涡轮发动机)的一个实施例的图。图1中所示的涡轮机10包括压缩机12、燃烧器14和涡轮16。空气或一些其它气体在压缩机12中压缩，与燃料混合，供给到燃烧器14中，并且接着燃烧。排出流体供给至涡轮16，其中来自排出流体的能量转换成机械能。涡轮包括多个级18，其包括末级20。各个级18可包括联接于旋转轴的、具有绕着旋转轴线26旋转的沿轴向对准的叶片、动叶或翼型件的环形阵列的转子，以及具有喷嘴的环形阵列的定子。因此，末级20可包括喷嘴末级22和翼型件末级24。为了清楚，图1包括坐标系，其包括轴向方向28、径向方向32和周向方向34。此外，示出了径向平面30。径向平面30在一个方向上沿轴向方向28(沿旋转轴线26)延伸，并且接着沿径向方向向外延伸。
图2为喷嘴36的实施例的正视透视图(即，大体上向下游看)。末级20中的喷嘴36构造成沿径向方向32在第一环形壁40与第二环形壁42之间延伸。各个喷嘴36可具有翼型件类型的形状，并且构造成在排出流体大体上沿轴向方向28向下游流动穿过涡轮16时，与来自燃烧器14的排出流体空气动力地相互作用。各个喷嘴36具有前缘44、沿轴向方向28设置在前缘44下游的后缘46、压力侧48，以及吸入侧50。压力侧48沿轴向方向28在前缘44与后缘46之间延伸，并且沿径向方向32在第一环形壁40与第二环形壁42之间延伸。与压力侧48相对，吸入侧50沿轴向方向28在前缘44与后缘46之间延伸，并且沿径向方向32在第一环形壁40与第二环形壁42之间延伸。末级20中的喷嘴36构造成使得一个喷嘴36的压力侧48面对相邻喷嘴36的吸入侧50。在排出流体朝喷嘴36之间的通路38流动并且流动穿过其时，排出流体与喷嘴36空气动力地相互作用，使得排出流体以关于轴向方向28的角动量流动。低根部反应可在涡轮的叶片末级20中引入强副流和不合乎需要的涡流，降低叶片末级20的效率和扩散器的性能。由具有从吸入侧的下部分凸出的凸起52(以及在一些实施例中，朝压力侧48的略微倾斜)的喷嘴36(其在毂区域附近使喉部开启)构成的喷嘴末级24可促进根部反应，因此减少副流和不合乎需要的涡流。
图3和4分别示出了沿径向方向32在第一环形壁40与第二环形壁42之间延伸的、设计有涡轮16的喷嘴末级24中的吸入侧凸起52的喷嘴的部分阵列的正视透视图(即，沿轴向方向28大体上面向下游)和后视透视图(即，相对于轴向方向28大体上面向上游)。注意，喷嘴36之间的通路38的宽度在喷嘴36的底部附近开始，具有宽度W1。通路38的宽度W2在凸起52最大时最小，为喷嘴36和径向方向32的高度54的大约20%到40%，并且接着通路38的宽度W3,W4在凸起52沉降(subside)时朝喷嘴36的顶部变得更大。
图5为两个相邻喷嘴36的俯视图。注意底部喷嘴36的吸入侧50如何面对顶部喷嘴的压力侧48。轴向翼弦56为喷嘴36沿轴向方向的大小。级18的两个相邻喷嘴36之间的通路38限定在相邻喷嘴36之间的通路38的最窄区域处测得的喉部D0。流体沿轴向方向28流动穿过通路38。沿喷嘴36的高度的D0的该分布将关于图6更详细论述。在给定高度处的各个喷嘴36的最大厚度示为Tmax。将关于图7和8更详细论述横跨喷嘴36的高度的Tmax分布。
图6为示为曲线60的由末级20中的相邻喷嘴36限定的喉部D0分布的图表58。垂直轴线62，x表示在径向方向32上的第一环形壁40与第二环形壁之间的百分比跨度，或在径向方向32上的沿喷嘴36的高度54的百分比跨度。即，0%跨度表示第一环形壁40，并且100%跨度表示第二环形壁42，并且0%到100%之间的任何点对应于沿喷嘴的高度的在径向方向32上的环形壁40,42之间的百分比距离。水平轴线64，y表示D0(给定百分比跨度处的两个相邻喷嘴36之间的最短距离)除以D0,AVG(横跨喷嘴36的整个高度的平均D0)。将D0除以D0,AVG使图表58无量纲，故曲线60在喷嘴级22针对不同应用按比例增大或缩小时保持相同。人们可针对其中水平轴线仅为D0的涡轮的单个尺寸绘制类似的图表。
如可在图6中所见，在人们沿径向方向32从第一环形壁40或点66移动时，凸起52将D0保持在平均D0的大约80%处。在点68，大约凸起52的中部(例如，喷嘴的高度54的近似30%)处，凸起52开始回缩(recede)，并且D0在第二环形壁42或点70处增长至平均D0的近似1.3倍。该喉部D0分布促进叶片末级20中的根部反应，这改进叶片末级的效率和扩散器的性能，这可导致用于涡轮的功率输出的相当大增加。在一些实施例中，这可使功率输出增加多于1.7MW。
图7为相比于常规设计的喷嘴76的、作为曲线74的Tmax/50%跨度处的Tmax的分布的图表72。垂直轴线78，x表示在径向方向32上的第一环形壁40与第二环形壁之间的百分比跨度，或在径向方向32上的沿喷嘴36的高度54的百分比跨度。水平轴线80，y表示Tmax(给定百分比跨度处的喷嘴36的最大厚度)除以50%跨度处的Tmax。将Tmax除以50%跨度处的Tmax使图表72无量纲，故曲线74在喷嘴级22针对不同应用按比例增大或缩小时保持相同。人们可针对其中水平轴线仅为Tmax的涡轮的单个尺寸绘制类似的图表。
如可在图7中所见，在人们沿径向方向32从第一环形壁40或点82移动时，Tmax在50%跨度处的Tmax的近似83%处开始，并且接着快速接近50%跨度处的Tmax。从35%跨度到大约60%跨度，Tmax与50%跨度处的Tmax大致相同。在点84或大约60%跨度处，Tmax从50%跨度处的Tmax发散(diverge)，并且保持大于50%跨度处的Tmax，直到喷嘴22到达第二环形壁42或点86。
图8为相比于常规设计的喷嘴90的、作为曲线88的Tmax/轴向翼弦的分布的图表86。垂直轴线92，x表示在径向方向32上的第一环形壁40与第二环形壁42之间的百分比跨度，或在径向方向32上的沿喷嘴36的高度54的百分比跨度。水平轴线94，y表示Tmax(给定百分比跨度处的喷嘴36的最大厚度)除以轴向翼弦56(沿轴向方向28的喷嘴36的大小)。将Tmax除以轴向翼弦56使图表86无量纲，故曲线88在喷嘴级22针对不同应用按比例增大或缩小时保持相同。
如可在图8中所见，在人们沿径向方向32从第一环形壁40或点96移动时，Tmax开始成小于常规设计，但在凸起在点98处达到其与常规设计的最大发散时增长成大于常规设计。从点98到第二环形壁42(点100)，Tmax接近常规设计的Tmax。该最大厚度Tmax分布促进叶片末级20中的根部反应，这改进叶片末级的效率和扩散器的性能，这可导致用于涡轮的功率输出的相当大增加。在一些实施例中，这可使功率输出增加多于1.7MW。
图9为具有吸入侧50凸起52的喷嘴36的侧视截面视图。图9中的虚线102表示沿径向堆叠的喷嘴(即，不具有凸起52的类似喷嘴设计)的吸入侧壁102。凸起52从吸入侧50沿横向于从旋转轴线26在一个方向上沿径向方向32并且在第二方向上沿轴向方向28延伸出的径向平面30的方向从吸入侧50凸出。距离104表示凸起在凸起52在其最大凸出处的、沿喷嘴36的高度54的点处从没有凸起52的沿径向堆叠的喷嘴的假想吸入侧102凸出的距离。如可在图9中所见，凸起52可开始在喷嘴36的高度的近似0%到20%(即，从第一环形壁40到第二环形壁42的跨度的0%到20%)之间的位置处凸出。即，具有凸起52的喷嘴36的轮廓可开始在从喷嘴36的底部(即，其中喷嘴36会合第一环形壁40)到喷嘴36的高度54的近似20%的任何点处从沿径向堆叠的喷嘴的假想的吸入侧壁102发散。例如，凸起52可开始在喷嘴36的高度54的近似0%,2%,5%,15%或20%处，或其间的任何位置处凸出。在其它实施例中，凸起可开始在喷嘴36的高度54的近似1%到15%之间，或在喷嘴36的高度54的近似5%到10%之间凸出。凸起52可具有喷嘴36的高度54的近似0.5%到10%之间的最大凸出104(即，从沿径向堆叠的喷嘴的吸入侧壁102的最大偏移)。作为备选，最大凸起凸出104可在喷嘴36的高度54的近似0.5%到5.0%之间，或1.0%到4.0%之间。凸起52可达到喷嘴36的高度54的近似20%到40%之间(即，从第一环形壁40到第二环形壁42的跨度的近似20%到40%之间)的其最大凸起104。例如，最大凸起凸出可出现在喷嘴36的高度54的近似20%, 22%, 24%, 26%, 28%, 30%, 32%, 34%,38%或40%，或其间的任何位置处。在一些实施例中，凸起52可达到喷嘴36的高度54的近似20%到40%之间、22%到38%之间、25%到35%之间或28%到32%之间的其最大凸出104。在达到最大凸起凸出104时，具有吸入侧凸起52的喷嘴36的轮廓开始与沿径向堆叠的喷嘴的吸入侧壁102会聚。凸起52可在喷嘴36的高度54的近似50%到60%之间(即，从第一环形壁40到第二环形壁42的跨度的近似50%到60%之间)的点处终止(即，具有吸入侧凸起52的喷嘴36的轮廓与沿径向堆叠的喷嘴的吸入侧壁102会聚)。在其它实施例中，凸起52可在喷嘴36的高度54的近似52%到58%、53%到57%，或54%到56%之间的点处终止。即，凸起52可在喷嘴36的高度54的近似50%, 52%, 54%, 56%, 58%或60%的点，或其间的任何位置处终止。在一些实施例中，凸起52可从前缘44到后缘46在轴向方向28上沿吸入侧50的整个长度延伸。在其它实施例中，凸起52可在前缘44与后缘46之间仅沿吸入侧50的一部分延伸。由具有吸入侧50上的凸起52的喷嘴36构成的末级定子22促进根部反应，这有助于减少副流和不合乎需要的旋涡。公开的技术的实施可提高末级和扩散器两者的性能，导致涡轮机的输出中的相当大益处。在一些实施例中，对于近似1700KW或更大的总益处，公开的技术可使叶片末级的性能改进近似200KW或更大，并且可使扩散器性能改进近似1500KW或更大。然而，应当理解的是，由公开技术的实施引起的益处可从涡轮机到涡轮机不同。
清楚地表达喷嘴36的形状的另一方式在于利用各种截面处沿喷嘴的外周的一定数量的不同点的Y,Z坐标。图10示出了横跨喷嘴36的高度的五个跨度位置处的五个平面106, 114, 122, 130, 138。平面106在6%跨度处，平面114在26%跨度处，平面122在46%跨度处，平面130在66%跨度处，并且平面138在86%跨度处。喷嘴的形状可由这五个平面106,114, 122, 130, 138处的喷嘴的截面形状限定。这些平面处的喷嘴的截面形状和喷嘴的外周边的Y,Z坐标在图11-15和表1-5中示出。然而，应当理解的是，这仅为一个实施例，并且大小可在喷嘴36针对各种涡轮机10(例如，从50Hz机器到60Hz机器，或变速箱机器等)按比例增大或缩小时改变。
图11-15提供了横跨喷嘴36的高度54的各种跨度位置处的五个平面106, 114,122, 130, 138处的喷嘴36的外周的形状的截面视图。对应于图11-15的表1-5均给出了用于五个截面中的各个的喷嘴36的外周周围的五十个点的Y,Z坐标。
图11为示出近似6%跨度处的第一截面处的喷嘴36的外周或周边(由附图标记112指示)的截面视图的图表106。图表106的水平轴线为以米计的y轴线108。图表106的垂直轴线为以米计的z轴线110，并且对应于图1中所示的旋转轴线26。XZ平面对应于如图1中所示的径向平面30。喷嘴36的外周由位于近似6%跨度处的平面表示。表1提供了用于位于近似6%跨度处的平面处的、沿喷嘴36的外周或周边112设置的50个点的Y,Z坐标。
表1
跨度 Y Z
6% -0.0646 1.0220
6% -0.0585 1.0193
6% -0.0524 1.0166
6% -0.0463 1.0138
6% -0.0403 1.0110
6% -0.0343 1.0081
6% -0.0283 1.0052
6% -0.0223 1.0022
6% -0.0164 0.9990
6% -0.0106 0.9958
6% -0.0050 0.9923
6% 0.0006 0.9886
6% 0.0058 0.9845
6% 0.0108 0.9800
6% 0.0153 0.9752
6% 0.0193 0.9698
6% 0.0226 0.9640
6% 0.0251 0.9579
6% 0.0267 0.9514
6% 0.0273 0.9448
6% 0.0271 0.9381
6% 0.0259 0.9316
6% 0.0238 0.9252
6% 0.0210 0.9192
6% 0.0172 0.9137
6% 0.0126 0.9089
6% 0.0069 0.9055
6% 0.0004 0.9049
6% -0.0053 0.9082
6% -0.0094 0.9135
6% -0.0115 0.9198
6% -0.0121 0.9264
6% -0.0118 0.9330
6% -0.0114 0.9397
6% -0.0111 0.9464
6% -0.0113 0.9530
6% -0.0120 0.9596
6% -0.0135 0.9661
6% -0.0156 0.9724
6% -0.0184 0.9785
6% -0.0219 0.9842
6% -0.0258 0.9896
6% -0.0302 0.9946
6% -0.0349 0.9993
6% -0.0400 1.0036
6% -0.0453 1.0076
6% -0.0508 1.0113
6% -0.0565 1.0149
6% -0.0622 1.0184
6% -0.0646 1.0220
图12为示出近似26%跨度处的第二截面处的、喷嘴36的外周或周边(由附图标记120指示)的截面视图的图表114。图表114的水平轴线为以米计的y轴线116。图表114的垂直轴线为以米计的z轴线118，并且对应于图1中所示的旋转轴线26。XZ平面对应于如图1中所示的径向平面30。喷嘴36的外周由位于近似26%跨度处的平面表示。表2提供了用于位于近似26%跨度处的平面处的、沿喷嘴36的外周或周边120设置的50个点的Y,Z坐标。
表2
跨度 Y Z
26% -0.0766 1.0285
26% -0.0698 1.0257
26% -0.0630 1.0229
26% -0.0562 1.0200
26% -0.0494 1.0171
26% -0.0426 1.0142
26% -0.0359 1.0111
26% -0.0292 1.0080
26% -0.0226 1.0047
26% -0.0160 1.0012
26% -0.0096 0.9975
26% -0.0034 0.9935
26% 0.0026 0.9892
26% 0.0083 0.9845
26% 0.0136 0.9793
26% 0.0183 0.9737
26% 0.0224 0.9675
26% 0.0256 0.9609
26% 0.0279 0.9539
26% 0.0291 0.9466
26% 0.0292 0.9392
26% 0.0282 0.9319
26% 0.0263 0.9248
26% 0.0233 0.9180
26% 0.0194 0.9117
26% 0.0144 0.9063
26% 0.0084 0.9020
26% 0.0013 0.9002
26% -0.0055 0.9028
26% -0.0100 0.9086
26% -0.0123 0.9156
26% -0.0133 0.9229
26% -0.0137 0.9303
26% -0.0141 0.9377
26% -0.0148 0.9450
26% -0.0160 0.9523
26% -0.0177 0.9595
26% -0.0200 0.9665
26% -0.0228 0.9733
26% -0.0262 0.9799
26% -0.0300 0.9862
26% -0.0343 0.9923
26% -0.0390 0.9980
26% -0.0441 1.0033
26% -0.0496 1.0083
26% -0.0554 1.0128
26% -0.0615 1.0169
26% -0.0678 1.0208
26% -0.0742 1.0245
26% -0.0766 1.0285
图13为示出近似46%跨度处的第三截面处的、喷嘴36的外周或周边(由附图标记128指示)的截面视图的图表122。图表122的水平轴线为以米计的y轴线124。图表122的垂直轴线为以米计的z轴线126，并且对应于图1中所示的旋转轴线26。XZ平面对应于如图1中所示的径向平面30。喷嘴36的外周由近似46%跨度处的平面表示。表3提供了位于近似46%跨度处的平面处的、沿喷嘴36的外周或周边128设置的50个点的Y,Z坐标。
表3
跨度 Y Z
46% -0.0887 1.0350
46% -0.0813 1.0319
46% -0.0740 1.0288
46% -0.0667 1.0256
46% -0.0594 1.0224
46% -0.0521 1.0191
46% -0.0449 1.0156
46% -0.0378 1.0120
46% -0.0307 1.0083
46% -0.0238 1.0044
46% -0.0170 1.0002
46% -0.0104 0.9958
46% -0.0040 0.9910
46% 0.0021 0.9858
46% 0.0077 0.9802
46% 0.0129 0.9741
46% 0.0174 0.9675
46% 0.0211 0.9604
46% 0.0239 0.9530
46% 0.0257 0.9452
46% 0.0263 0.9372
46% 0.0258 0.9293
46% 0.0242 0.9215
46% 0.0215 0.9140
46% 0.0176 0.9070
46% 0.0123 0.9010
46% 0.0056 0.8969
46% -0.0022 0.8960
46% -0.0093 0.8994
46% -0.0132 0.9063
46% -0.0151 0.9141
46% -0.0164 0.9219
46% -0.0175 0.9298
46% -0.0188 0.9377
46% -0.0203 0.9455
46% -0.0223 0.9533
46% -0.0247 0.9609
46% -0.0275 0.9684
46% -0.0307 0.9757
46% -0.0343 0.9828
46% -0.0384 0.9896
46% -0.0430 0.9961
46% -0.0481 1.0023
46% -0.0536 1.0080
46% -0.0597 1.0133
46% -0.0660 1.0181
46% -0.0727 1.0225
46% -0.0795 1.0267
46% -0.0864 1.0307
46% -0.0887 1.0350
图14为示出近似66%跨度处的第四截面处的、喷嘴36的外周或周边(由附图标记136指示)的截面视图的图表130。图表130的水平轴线为以米计的y轴线132。图表130的垂直轴线为以米计的z轴线134，并且对应于图1中所示的旋转轴线26。XZ平面对应于如图1中所示的径向平面30。喷嘴36的外周由近似66%跨度处的平面表示。表4提供了用于位于近似66%跨度处的平面处的、沿喷嘴36的外周或周边136设置的50个点的Y,Z坐标。
表4
跨度 Y Z
66% -0.1007 1.0416
66% -0.0929 1 03 81
66% -0.0852 1.0347
66% -0.0775 1.0312
66% -0.0699 1.0276
66% -0.0623 1.0238
66% -0.0547 1.0199
66% -0.0473 1.0159
66% -0.0400 1.0117
66% -0.0328 1.0072
66% -0.0257 1.0025
66% -0.0189 0.9975
66% -0.0123 0.9922
66% -0.0061 0.9865
66% -0.0003 0.9803
66% 0.0050 0.9737
66% 0.0097 0.9667
66% 0.0136 0.9592
66% 0.0167 0.9513
66% 0.0187 0.9431
66% 0.0197 0.9347
66% 0.0196 0.9262
66% 0.0183 0.9179
66% 0.0158 0.9098
66% 0.0119 0.9023
66% 0.0063 0.8960
66% -0.0011 0.8920
66% -0.0094 0.8922
66% -0.0159 0.8974
66% -0.0192 0.9052
66% -0.0213 0.9134
66% -0.0231 0.9217
66% -0.0248 0.9299
66% -0.0266 0.9382
66% -0.0287 0.9464
66% -0.0310 0.9545
66% -0.0337 0.9626
66% -0.0367 0.9705
66% -0.0400 0.9783
66% -0.0438 0.9859
66% -0.0480 0.9932
66% -0.0527 1.0002
66% -0.0581 1.0068
66% -0.0640 1.0128
66% -0.0704 1.0184
66% -0.0772 1.0234
66% -0.0842 1.0281
66% -0.0914 1.0326
66% -0.0986 1.0369
66% -0.1007 1.0416
图15为示出近似86%跨度处的第五截面处的、喷嘴36的外周或周边(由附图标记144指示)的截面视图的图表138。图表138的水平轴线为以米计的y轴线140。图表138的垂直轴线为以米计的z轴线142，并且对应于图1中所示的旋转轴线26。XZ平面对应于如图1中所示的径向平面30。喷嘴36的外周由位于近似86%跨度处的平面表示。表5提供了用于位于近似86%跨度处的平面处的、沿喷嘴36的外周或周边144设置的50个点的Y,Z坐标。
表5
跨度 Y Z
86% -0.1126 1.0481
86% -0.1045 1.0444
86% -0.0963 1.0408
86% -0.0882 1.0370
86% -0.0801 1.0331
86% -0.0722 1.0291
86% -0.0643 1.0249
86% -0.0565 1 0205
86% -0.0489 1.0158
86% -0.0414 1.0110
86% -0.0340 1.0058
86% -0.0270 1.0003
86% -0.0202 0.9945
86% -0.0138 0.9883
86% -0.0079 0.9816
86% -0.0025 0.9744
86% 0.0022 0.9668
86% 0.0061 0.9588
86% 0.0091 0.9504
86% 0.0111 0.9416
86% 0.0120 0.9328
86% 0.0119 0.9238
86% 0.0106 0.9150
86% 0.0082 0.9064
86% 0.0044 0.8983
86% -0.0010 0.8912
86% -0.0088 0.8870
86% -0.0174 0.8885
86% -0.0232 0.8952
86% -0.0265 0.9035
86% -0.0289 0.9121
86% -0.0310 0.9208
86% -0.0330 0 9295
86% -0.0352 0.9382
86% -0.0376 0.9468
86% -0.0402 0.9553
86% -0.0431 0.9638
86% -0.0464 0.9721
86% -0.0500 0.9803
86% -0.0539 0.9883
86% -0.0583 0.9961
86% -0.0632 1.0036
86% -0.0686 1.0107
86% -0.0746 1.0173
86% -0.0812 1.0233
86% -0.0883 1.0288
86% -0.0957 1.0338
86% -0.1032 1.0386
86% -0.1109 1.0432
86% -0.1126 1.0481
注意，吸入侧凸起可在图12和13中看到。此外，压力侧倾斜可看作是在截面从第一环形壁40前进至第二环形壁42时，沿负y方向朝压力侧48转移的喷嘴36的外周的图表。
如关于图11-15所论述，在一些实施例中，喷嘴36可相比于沿径向堆叠的翼型件146关于压力侧48倾斜或成角。图16示出了相比于沿径向堆叠的翼型件146的朝压力侧48成角的喷嘴36的示意图。即，喷嘴36可具有从径向平面30朝压力侧48(即，沿周向方向34)的倾斜角148。注意，图16不按比例，并且为了清楚起见，可示出比可在一些实施例中发现的更大或更小的倾斜148。注意，沿径向堆叠的翼型件146具有纵轴线，其在径向方向32上沿径向平面30延伸，并且可与涡轮16的旋转轴线26相交。相比之下，喷嘴36的纵轴线150可从径向平面30朝喷嘴36的压力侧48以角148成角。喷嘴的纵轴线150可在第一环形壁40处或附近的点152处与径向平面30相交，并且可不与涡轮16的旋转轴线26相交。
图17示出了相比于沿径向堆叠的翼型件146的具有近似3度的压力侧48倾斜148的喷嘴36的透视图。即，喷嘴36可从径向平面30朝压力侧48(即，沿周向方向34)倾斜3度。倾斜148可在0到5度之间的任何位置。在图17中所示的实施例中，压力侧48倾斜148为3度。然而，应当理解的是，倾斜148可为近似0到5度之间的朝压力侧48的任何度数的倾斜。具有压力侧48倾斜148的喷嘴36将本体力施加在穿过级24的流体上，沿径向方向朝毂推动流体。朝毂推动流体增加了根部反应。因此，具有吸入侧50凸起52和压力侧48倾斜148的喷嘴36增大叶片末级20中的根部反应，这减小了副流和旋涡，提高了叶片末级20的效率，并且提高了扩散器的性能。
公开实施例的技术效果包括副流和不合乎需要的旋涡两者的减少。在一些实施例中，对于近似1700KW或更大的总益处，公开的技术可使叶片末级的性能改进近似200KW或更大，并且可使扩散器性能改进近似1500KW或更大。然而，应当理解的是，由公开技术的实施引起的益处可从涡轮机到涡轮机不同。
该书面的描述使用实例以公开要求权利的主题(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践主题(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。要求权利的主题的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种构造成设置在涡轮(16)中的涡轮喷嘴(36)，包括：
吸入侧(50)，其在所述涡轮喷嘴(36)的前缘(44)与所述涡轮喷嘴(36)的后缘(46)之间沿轴向方向(28)且横向于所述涡轮喷嘴(36)的纵轴线(150)延伸，并且沿所述纵轴线(150)在径向方向(32)上延伸所述涡轮喷嘴(36)的高度(54)；
压力侧(48)，其设置成与所述吸入侧(50)相对，并且在所述涡轮喷嘴(36)的所述前缘(44)与所述涡轮喷嘴(36)的所述后缘(46)之间沿所述轴向方向(28)延伸，并且沿所述径向方向(32)延伸所述涡轮喷嘴(36)的所述高度(54)；以及
凸起(52)，其设置在所述涡轮喷嘴(36)的所述吸入侧(50)上，沿横向于所述径向方向(32)和所述轴向方向(28)两者的方向关于所述吸入侧(50)的另一部分凸出；
其中所述涡轮喷嘴(36)具有由表1中列出的选择的坐标集限定在沿所述涡轮喷嘴(36)的所述高度(54)的第一位置处的第一截面(106)处的第一外周(112)。
2.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴(36)，其特征在于，所述涡轮喷嘴(36)具有由表2中列出的选择的坐标集限定在不同于所述第一位置的、沿所述涡轮喷嘴(36)的所述高度(54)的第二位置处的第二截面(114)处的第二外周(120)。
3.根据权利要求2所述的涡轮喷嘴(36)，其特征在于，所述涡轮喷嘴(36)具有由表3中列出的选择的坐标集限定在不同于所述第一位置和所述第二位置两者的、沿所述涡轮喷嘴(36)的所述高度(54)的第三位置处的第三截面(122)处的第三外周(128)。
4.根据权利要求3所述的涡轮喷嘴(36)，其特征在于，所述涡轮喷嘴(36)具有由表4中列出的选择的坐标集限定在不同于所述第一位置、所述第二位置和所述第三位置的、沿所述涡轮喷嘴(36)的所述高度(54)的第四位置处的第四截面(130)处的第四外周(136)。
5.根据权利要求4所述的涡轮喷嘴(36)，其特征在于，所述涡轮喷嘴(36)具有由表5中列出的选择的坐标集限定在不同于所述第一位置、所述第二位置、所述第三位置和所述第四位置的、沿所述涡轮喷嘴(36)的所述高度(54)的第五位置处的第五截面(138)处的第五外周(144)。
6.根据权利要求5所述的涡轮喷嘴(36)，其特征在于，所述凸起(52)在所述喷嘴(36)的所述高度(54)的第一百分比处的开始高度处开始凸出，在所述喷嘴(36)的所述高度(54)的第二百分比处达到最大凸出(104)，并且在所述喷嘴(36)的所述高度(54)的第三百分比处的终止高度处停止凸出。
7.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴(36)，其特征在于，所述凸起(52)延伸所述前缘(44)与所述后缘(46)之间的所述吸入侧(50)的长度的至少多于一半。
8.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴(36)，其特征在于，所述凸起(52)沿所述吸入侧(50)的整个长度延伸。
9.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴(36)，其特征在于，所述喷嘴(36)具有关于从所述涡轮(16)的旋转轴线(26)沿所述径向方向(32)延伸的平面(30)的相对于所述压力侧(48)的倾斜(148)。
10.根据权利要求9所述的涡轮喷嘴(36)，其特征在于，相对于所述压力侧(48)的所述倾斜(148)大于大约0度并且等于或小于大约5度。
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