CN107532478A - 用于设计流体流发动机的方法和流体流发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种流体流发动机(9)、特别是燃气涡轮发动机(10)的压气机或涡轮机，其具有一个固定发动机壳体(38)和在发动机壳体(38)中被可旋转地支撑的一个转子组件(39)，转子组件(39)包括至少一个周向延伸的转子动叶排(40)，转子动叶排(40)具有多个径向延伸的无罩转子动叶(41)，发动机壳体(38)的内表面(42)包括至少一个周向延伸的槽(43)，该槽(43)被布置在转子动叶排(40)的径向外侧，其中在转子动叶(41)的多个尖端(45)与槽(43)的一个基部(46)之间设置有一个间隙(44)，其中槽(43)的深度(d)小于间隙(44)的间隙高度。

Description

用于设计流体流发动机的方法和流体流发动机
技术领域
本发明涉及一种用于设计流体流发动机的方法，特别涉及用于设计燃气涡轮发动机的压气机或涡轮机的方法。
此外，本发明涉及一种流体流发动机，特别涉及燃气涡轮发动机的压气机或涡轮机，其具有固定发动机壳体和转子组件，该转子组件在发动机壳体中被可转动地支撑，转子组件包括至少一个周向延伸的转子动叶排，该转子动叶排具有多个径向延伸的无罩转子动叶，发动机壳体的内表面包括至少一个周向延伸槽，该槽被布置在所述转子动叶排的径向外侧，其中在转子动叶的尖端与所述槽的基部之间设置有间隙。
背景技术
流体流发动机具有固定发动机壳体和转子组件，该转子组件在发动机壳体中被可旋转地支撑。转子组件包括至少一个周向延伸的转子动叶排，转子动叶排具有多个径向延伸的无罩转子动叶。在常规情况下，在转子动叶的尖端与发动机壳体的内表面之间设置有间隙，以便尽可能地防止或至少减少尖端和内表面之间发生径向接触，特别是物理摩擦。然而，在流体流发动机的某些运行状态下，由于转子动叶的热生长和离心生长，仍然可能发生动叶尖端与发动机壳体的内表面之间的暂时径向接触。
为了提供这种间隙，常规做法是减小转子动叶的长度。这样降低了转子动叶的承载能力，导致了流体流发动机效率降低。
工作流体在通过转子动叶尖端与发动机壳体的内表面之间的间隙时会有泄漏，为了减少这种泄露造成损失，已知的是向内表面提供至少一个周向延伸槽，该至少一个周向延伸槽被布置在转子动叶排的径向外侧。在转子动叶的尖端与所述槽的基部之间设置有间隙。这种流体流发动机例如在US 4738586 A和US 4645417 A中公开。
发明内容
本发明的目的是提高流体流发动机的效率。
该目的由独立权利要求实现。在从属权利要求中公开了有利的实施例，从属权利要求单独地或彼此的任意组合都与本发明的方面有关。
根据本发明的一种用于设计流体流发动机(特别是燃气涡轮发动机的压气机或涡轮机)的方法包括以下步骤：
-确定一个间隙的最小间隙高度，该间隙是径向延伸的多个转子动叶的被可旋转支撑的周向排的尖端与常规流体流发动机的固定发动机壳体的内表面之间所需的间隙，其中所述间隙需要尽可能防止多个尖端与内表面之间的径向接触；
-制造一个发动机壳体，发动机壳体在发动机壳体的内表面处具有至少一个周向延伸槽，使得所述槽的深度小于所确定的最小间隙高度；
-制造用于至少一个周向延伸的转子动叶排的多个转子动叶，转子动叶排能够被布置在所述槽的径向内侧，使得如下间隙的间隙高度等于所确定的最小间隙高度，该间隙在多个转子动叶的多个尖端与所述槽的基部之间。
根据本发明，发动机壳体和转子动叶以如下方式制造，即，对与在转子动叶的尖端与常规流体流发动机的发动机壳体的内表面之间的间隙而言，其传统给定的最小间隙高度被保留。因为根据本发明的间隙并非被设置在转子动叶的尖端与发动机壳体的如下内表面之间，其中该内表面不具有本发明的槽，而是被设置在所述尖端与这种槽的基部之间，所以根据本发明的转子动叶可以被制造为比常规转子动叶长。由于较长的转子动叶具有较高的承载能力，所以与常规流体流发动机相比，本发明的流体流发动机具有更高效率。特别地，利用更长的转子动叶，可以对工作流体做更多的功。
确定最小间隙高度可以包括：在常规流体流发动机处测量该最小间隙高度，或者考虑最小间隙高度的已知值。此外，当确定最小间隙高度时，可以考虑要设计的流体流发动机的具体结构特征和/或具体技术要求。
在发动机壳体的内表面处，发动机壳体具有至少一个周向延伸槽，这种发动机壳体可以在单个生产步骤中被制造。可替代地，可以在第一生产步骤中制造不具有所述槽的发动机壳体，并且可以在接下来的生产步骤中进行机加工，以形成所述槽。由于所述槽的深度小于所确定的最小间隙高度，所以在本发明的流体流发动机的起动状态下，转子动叶不接合所述槽，并且转子动叶的尖端不与没有槽的发动机壳体的内表面贴齐(line online)。发动机壳体可以包括两个或更多个相应的槽。优选地，被布置在发动机壳体的内表面处的槽的数目，等于流体流发动机的周向延伸的转子动叶排的数目。
根据本发明，对于至少一个周向延伸的转子动叶排而言，用于这种转子动叶排的转子动叶被制造成具有这样的长度：该长度使得对于在转子动叶的尖端与所述槽的基部之间的间隙而言，其间隙高度等于所确定的最小间隙高度。
本发明的另一个优点是：可以尽可能地减小转子动叶的尖端与发动机壳体之间的径向接触，由此减小尖端摩擦。此外，在较低的发动机转速下，转子动叶尖端与槽的基部之间的间隙会打开，与设计速度相比，这导致了较小的温度效应和较小的离心效应，与不包括本发明的槽的常规流体流发动机的间隙相比，转子动叶尖端与没有这种槽的发动机壳体的内表面之间的间隙仍然较小。这实现了较低发动机转速下的失速裕度，这是因为：当转子动叶尖端与没有槽的发动机壳体的内表面之间的间隙较小时，尖端失速会被延迟。
优选地，发动机壳体被制造为使得所述槽的深度处于所确定的最小间隙高度的50％至95％这一范围内。因此，转子动叶可以是常规转子动叶长所确定的最小间隙高度的约50％至95％。
相应地，在转子动叶尖端与不具有槽的内表面之间的间隙位于所确定的最小间隙高度的5％至50％这一范围内。优选地，考虑转子动叶的期望的热生长和离心生长，来选择槽的深度和转子动叶的长度。特别地，槽的深度和转子动叶的长度可以被选择，以避免除了在流体流发动机处于瞬态运行状态期间之外、转子动叶在槽中的接合。
优选地，发动机壳体制造为使得所述槽的横截面为矩形。
因此，在横截面中，该槽具有平坦的基部和垂直于该基部而布置的两个平行侧向表面。转子动叶可以具有相应的矩形尖端，其中槽的宽度大于尖端的宽度。优选地，对于该槽的一个侧向表面与多个转子动叶尖端的多个侧向表面之间的间隙而言，其等于或小于尖端宽度的1％。
根据本发明，流体流发动机(特别是燃气涡轮发动机的压气机或涡轮机)包括：一个固定发动机壳体和一个转子组件，该转子组件在发动机壳体中被可旋转地支撑，该转子组件包括至少一个周向延伸的转子动叶排，转子动叶排具有多个径向延伸的无罩转子动叶，发动机壳体的内表面包括：被布置在转子动叶排的径向外侧的至少一个周向延伸槽，其中在转子动叶的多个尖端与所述槽的基部之间设置有一个间隙，并且其中所述槽的深度小于该间隙的间隙高度。
与该方法相关的上述优点与本发明的流体流发动机相应地关联。转子组件可以包括两个或更多个周向延伸的转子动叶排，每个转子动叶排均设置有径向延伸的多个无罩转子动叶。优选地，发动机壳体的槽的数目等于转子动叶排的数目。
优选地，所述槽的深度处于该间隙的间隙高度的50％至95％这一范围。与本方法的相应实施例相关的上述优点与当前实施例相应地关联。
优选地，所述槽的横截面为矩形。与本方法的相应实施例相关的上述优点与当前的实施例相应地相关联。
附图说明
通过参考下面结合附图对本发明实施例进行的描述，本发明的上述属性、其他特征及优点以及其实现方式将变得更加显而易见，并且本发明本身将得到更好的理解，其中：
图1以示意性截面的形式图示出了涡轮发动机的一部分；
图2以示意性截面图的形式示出了常规流体流发动机的细节；以及
图3以示意性截面图的形式示出了本发明的流体流发动机的实施例的细节。
具体实施方式
图1是燃气涡轮发动机10的总体布置的示意图，燃气涡轮发动机10具有入口12、压气机14、燃烧系统16、涡轮机系统18、排气管道20和双轴布置22、24。燃气涡轮发动机10通常围绕轴线26布置，该轴线26是旋转部件的旋转轴线。这些布置22、24可以具有相同或相反的旋转方向。
燃烧系统16包括具有多个燃烧装置单元(即燃烧器36)的一个环形阵列，图中仅示出了其中一个燃烧器36。在一个示例中，围绕发电机10有均匀地间隔开六个燃烧器36。
涡轮机系统18包括一个高压涡轮机28，该高压涡轮机28通过双轴装置22、24的第一轴22被以驱动的方式连接到压气机14。涡轮机系统18还包括一个低压涡轮机30，该低压涡轮机30经由双轴布置的第二轴24、被以驱动的方式连接至负载(未示出)。
术语“轴向”是相对于轴线26而言的。术语“上游”和“下游”是相对于通过发动机10的气流的总体方向而言的，如图1所示，总体为从左向右。
压气机14包括：以常规方式安装的、定子静叶和转子动叶的轴向系列。定子或压气机静叶可以是固定的，或者可以具有可变几何形状，以改善下游转子或压气机动叶上的气流。
每个涡轮机28、30包括：经由多个转子盘安装的、定子静叶和转子动叶的轴向系列，该转子盘以传统方式而被布置和操作。转子组件包括：转子动叶、或动叶和转子盘的环形阵列。
在操作中，空气32通过入口12被吸入发动机10中，并且进入压气机14中，在压气机14中，静叶和动叶的连续级对空气进行压缩，随后将压缩空气输送到燃烧系统16中。在燃烧系统16的燃烧室中，压缩空气和燃料的混合物被点燃。所得到的热工作气流被导入高压涡轮28、膨胀并且驱动高压涡轮机28，该高压涡轮机28进而经由第一轴22驱动压气机14。在通过高压涡轮机28之后，热工作气流被导入低压涡轮机30，该低压涡轮机30经由第二轴24来驱动负载。
低压涡轮机30也可以称为动力涡轮机，并且第二轴24也可以称为动力轴。负载通常是用于发电的发电机，或是诸如泵或工艺流程用压气机之类的机器。其他已知的负载可以通过低压涡轮机30驱动。燃料可以是气体和/或液体的形式。
参照图1示出和描述的涡轮发动机10仅是本发明可被并入的多个发动机或涡轮机械的一个示例。这种发动机可以是燃气轮机或汽轮机，并且包括应用于海洋、工业和航空领域的单轴、双轴和三轴发动机。
图2以示意性截面图的形式示出了常规流体流发动机1的细节。流体流发动机1包括：固定发动机壳体2和转子组件3，该转子组件3在发动机壳体2中被可旋转地支撑。转子组件3包括至少一个周向延伸的转子动叶排4，该转子动叶排4具有多个径向延伸的无罩转子动叶5。
间隙6被设置在转子动叶5的尖端7与发动机壳体2的内表面8之间。间隙6需要尽可能防止尖端7与内表面8之间的径向接触。间隙6具有最小间隙高度H。该最小间隙高度H可以被确定，以执行根据本发明的方法，即，设计本发明的流体流发动机。
图3以示意性截面图的形式示出了本发明的流体流发动机9的实施例的细节。流体流发动机9可以被用作根据图1的燃气涡轮发动机的压气机。
流体流发动机9包括固定发动机壳体38和转子组件39，转子组件39在发动机壳体38中被可旋转地支撑。转子组件39包括至少一个周向延伸的转子动叶排40，该转子动叶排40具有多个径向延伸的无罩转子动叶41。发动机壳体38的内表面42包括至少一个周向延伸的槽43，这种槽43被布置在转子动叶排40的径向外侧。间隙44被设置在转子动叶41的尖端45与所述槽43的基部46之间。
所述槽43的深度d小于间隙44的间隙高度H1。优选地，所述槽43的深度d处于间隙44的间隙高度H1的50％至95％这一范围内。因此，转子动叶尖端45与不具有槽43的内表面42之间的间隙47具有间隙高度h，该间隙高度h小于间隙44的间隙高度H1。间隙高度h处于间隙44的间隙高度H1的5％至40％这一范围内。转子动叶41比根据图2的常规转子动叶要长出一个值，这个值处于间隙44的间隙高度H1的50％至95％这一范围内。间隙高度H1可以等于图2的最小间隙高度H。
所述槽43的横截面为矩形。转子动叶41的尖端45也为矩形。转子动叶尖端45的宽度CT小于槽43的宽度，特别是小于槽43的基部46的宽度。在槽43的一个侧向表面48与转子动叶尖端45的一个侧向表面49之间设置了一个间隙50，该间隙50具有间隙高度c。优选地，间隙高度c等于或小于转子动叶尖端45的宽度CT的1％。
应当清楚的是，本发明也适用于流体流发动机的引导静叶，这些引导静叶被布置在周向延伸的排中，其中在转子毂的外表面处，在所述排的径向内侧布置有一个槽。
虽然已经结合优选实施例详细说明和描述了本发明，但是应当注意，本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员可以从这些实施例中获得其他变化，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于设计流体流发动机(9)的方法，所述流体流发动机(9)特别是燃气涡轮发动机(10)的压气机或涡轮机，包括以下多个步骤：
-确定一个间隙(6)的一个最小间隙高度(H)，所述间隙(6)是径向延伸的多个转子动叶(5)的一个被可旋转支撑的周向排(4)的多个尖端(7)与一个常规流体流发动机(1)的一个固定发动机壳体(2)的一个内表面(8)之间所需的间隙，其中所述间隙(6)需要尽可能防止所述尖端(7)与所述内表面(8)之间的径向接触；
-制造一个发动机壳体(38)，所述发动机壳体(38)在所述发动机壳体(38)的一个内表面(42)处具有至少一个周向延伸槽(43)，使得所述槽(43)的一个深度(d)小于所确定的最小间隙高度(H)；
-制造用于至少一个周向延伸的转子动叶排(40)的多个转子动叶(41)，所述转子动叶排(40)能够被布置在所述槽(43)的径向内侧，使得所述转子动叶(41)的多个尖端(45)与所述槽(43)的一个基部(46)之间的一个间隙(44)的一个间隙高度(H1)等于所确定的最小间隙高度(H)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述发动机壳体(38)被制造为使得所述槽(43)的所述深度(d)处于所确定的最小间隙高度(H)的50％至95％这一范围内。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述发动机壳体(38)被制造为使得所述槽(43)的一个横截面为矩形。
4.一种流体流发动机(9)，所述流体流发动机(9)特别是燃气涡轮发动机(10)的压气机或涡轮机，具有一个固定发动机壳体(38)和在所述发动机壳体(38)中被可旋转支撑的一个转子组件(39)，所述转子组件(39)包括至少一个周向延伸的转子动叶排(40)，所述转子动叶排(40)具有多个径向延伸的无罩转子动叶(41)，所述发动机壳体(38)的一个内表面(42)包括被布置在所述转子动叶排(40)的径向外侧的至少一个周向延伸的槽(43)，其中在所述转子动叶(41)的多个尖端(45)与所述槽(43)的一个基部(46)之间设置有一个间隙(44)，其特征在于，所述槽(43)的一个深度(d)小于所述间隙(44)的间隙高度(H1)。
5.根据权利要求4所述的流体流发动机(9)，其中所述槽(43)的所述深度(d)处于所述间隙(44)的所述间隙高度(H1)的50％至95％这一范围内。
6.根据权利要求4或5所述的流体流发动机(9)，其中所述槽(43)的一个横截面为矩形。
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