CN115151709A - 具有波状平台的燃气涡轮发动机静止翼片 - Google Patents

Abstract

一种燃气涡轮发动机包括能够围绕中心轴线旋转的转子。所述燃气涡轮发动机包括涡轮级和多个静止翼片，所述涡轮级包括静止部分和旋转部分，所述旋转部分由若干旋转叶片构成，所述多个静止翼片被布置成限定所述静止部分。每个静止翼片包括内轨，所述内轨具有入口面、吸力侧面、压力侧面和平台。翼片部分从所述平台沿着径向线延伸并且相对于所述中心轴线限定第一交错角和第二交错角中的一个。所述平台在包括所述中心轴线的平面中具有椭圆形截面。

Description

具有波状平台的燃气涡轮发动机静止翼片

背景技术

燃气涡轮发动机用于的许多应用中，包括发电。用于发电的燃气涡轮发动机通常被设计成在特定负载下具有最佳性能。偏离该设计点的操作可能导致额外的不需要的发射和较低的操作效率。

发明内容

一种燃气涡轮发动机包括能够围绕中心轴线旋转的转子。所述燃气涡轮发动机包括涡轮级和多个静止翼片，所述涡轮级包括静止部分和旋转部分，所述旋转部分由若干旋转叶片构成，所述多个静止翼片被布置成限定所述静止部分。每个静止翼片包括内轨，所述内轨具有入口面、吸力侧面、压力侧面和平台。翼片部分从所述平台沿着径向线延伸并且相对于所述中心轴线限定第一交错角和第二交错角中的一个。所述平台在包括所述中心轴线的平面中具有椭圆形截面。

在另一种构造中，一种燃气涡轮发动机包括第一静止翼片，所述第一静止翼片包括内轨，所述内轨具有入口面、吸力侧面、压力侧面和平台。翼片部分从所述平台沿着径向线延伸并且相对于中心轴线限定第一交错角和第二交错角中的一个。与所述第一静止翼片相同的第二静止翼片包括吸力侧面，其定位成与所述第一静止翼片的压力侧面接触，以在所述第一静止翼片和所述第二静止翼片以第一交错角定向时限定第一喉部面积，并且在所述第一静止翼片和所述第二静止翼片以第二交错角定向时限定第二喉部面积。在所述第一静止翼片和所述第二静止翼片以所述第一交错角定向时，所述第一静止翼片的入口面与所述第二静止翼片的入口面协作以限定连续环形表面，并且所述第一静止翼片的平台与所述第二静止翼片的平台协作以限定连续曲形表面，并且在所述第一静止翼片和所述第二静止翼片以所述第二交错角定向时，所述第一静止翼片的平台与所述第二静止翼片的平台协作以限定带有台阶的表面。

在又一种构造中，一种设定用于燃气涡轮发动机的一排静止翼片的喉部面积的方法包括形成所述一排静止翼片中的每个静止翼片以包括内轨、翼片部分和外轨，所述内轨具有入口面、吸力侧面、压力侧面和平台，所述翼片部分从所述平台沿着径向线延伸并且限定第一交错角，所述外轨包括螺栓面。所述方法还包括调整所述静止翼片中的每一个的螺栓面的平面以限定第二交错角以及将每个静止翼片的吸力侧面定位成与相邻静止翼片的压力侧面接触。当所述静止翼片未被调整时，所述静止翼片中的每一个的入口面协作以限定连续环形表面，所述静止翼片中的每一个的平台协作以限定连续曲形表面，并且所述静止翼片中的每一个的翼片部分协作以限定第一喉部面积，并且当所述静止翼片被调整时，所述静止翼片中的每一个的平台协作以限定带有台阶的表面，并且所述静止翼片中的每一个的翼片部分协作以限定第二喉部面积。

附图说明

为了容易地识别任何特定元件或动作的讨论，参考数字中的一个或多个最高有效数位指的是该元件首次被引入的附图编号。

图1是燃气涡轮发动机的截面纵向视图。

图2示出了燃气涡轮发动机的带有叶片的级。

图3示出了燃气涡轮发动机的静止翼片的部分排。

图4是燃气涡轮发动机的静止翼片的部分排的径向视图。

图5示出了燃气涡轮发动机的两个符合设计的（on-design）翼片。

图6示出了燃气涡轮发动机的一对偏离设计的（off-design）翼片。

具体实施方式

在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解，本发明在其应用方面不限于在本说明书中阐述的或在以下附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明能够有其它实施例，并且能够以各种方式实施或执行。而且，应当理解，本文所使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应当被认为是限制。

现在将参考附图描述涉及系统和方法的各种技术，在附图中，相同的附图标记始终表示相同的元件。以下讨论的附图以及在本专利文件中用于描述本公开的原理的各种实施例仅作为说明，并且不应以任何方式解释为限制本公开的范围。本领域技术人员将理解，本公开的原理可以在任何适当布置的设备中实现。应当理解，被描述为由某些系统元件执行的功能可以由多个元件来执行。类似地，例如，一个元件可以构造成执行被描述为由多个元件执行的功能。将参考示例性非限制性实施例来描述本申请的许多创新教导。

此外，应当理解，除非在一些示例中明确地限制，否则应当宽泛地解释本文中所使用的词语或短语。例如，术语“包括”、“具有”和“包含”及其派生词意味着包括而没有限制。单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确说明。此外，本文所使用的术语“和/或”指的是并且涵盖了相关联的所列出项目中的一个或多个的任何及所有可能的组合。术语“或”是包含性的，意味着“和/或”，除非上下文另外清楚地指出。短语“与……相关联”和“与其相关联”及其派生词可以意味着包括、被包括在……内、与……互连、包含、被包含在……内、连接到……或与……连接、联接到……或与……联接、能够与……通信、与……协作、交错、并置、接近、绑定到……或与……绑定、具有、具有……的特性等。此外，虽然本文中描述了多个实施例或构造，但是在没有相反的具体陈述的情况下，关于一个实施例描述的任何特征、方法、步骤、部件等同样适用于其它实施例。

此外，尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等在本文中可以用于指代各种元件、信息、功能或动作，但是这些元件、信息、功能或动作不应当受这些术语限制。相反，这些数字形容词用于将不同的元件、信息、功能或动作彼此区分。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件、信息、功能或动作可以被称为第二元件、信息、功能或动作，并且类似地，第二元件、信息、功能或动作可以被称为第一元件、信息、功能或动作。

另外，术语“邻近”可以意味着：一个元件相对地靠近但不接触另一个元件；或者该元件与另一部分接触，除非上下文清楚地另外指出。此外，除非另外明确说明，否则短语“基于”旨在意味着“至少部分地基于”。术语“大约”或“基本上”或类似术语旨在涵盖值的变化，所述变化在该尺寸的正常工业制造公差内。如果没有可用的工业标准，则20%的变化将落入这些术语的含义内，除非另有说明。

图1示出了燃气涡轮发动机100的示例，其包括沿中心轴线104布置的压缩机区段106、燃烧区段108和涡轮区段110。压缩机区段106包括多个压缩机级102，每个级包括一组旋转叶片112和一组静止翼片114或可调整引导翼片。压缩机区段106与入口区段116流体连通，以允许燃气涡轮发动机100将大气空气吸入压缩机区段106。在燃气涡轮发动机100的操作期间，压缩机区段106吸入大气空气，并且压缩该空气以便输送到燃烧区段108。

在所示的构造中，燃烧区段108包括多个单独的燃烧器118，其各自操作以使燃料流与来自压缩机区段106的压缩空气混合，并且燃烧该空气-燃料混合物，以产生高温、高压的燃烧气体或排气120的流。当然，燃烧区段108的许多其它布置也是可能的。

涡轮区段110包括多个涡轮级122，每个级包括若干旋转叶片和若干静止叶片或翼片。涡轮级122被布置成在涡轮入口124处接收来自燃烧区段108的排气120，并且使该气体膨胀以将热和压力能转换成旋转或机械功。涡轮区段110连接到压缩机区段106，以驱动压缩机区段106。对于用于发电或用作原动机的燃气涡轮发动机，涡轮区段110还连接到待被驱动的发电机、泵或其它装置。

控制系统126联接到燃气涡轮发动机100，并且操作以监测燃气涡轮发动机100的各种操作参数和控制燃气涡轮发动机100的各种操作。在优选的构造中，控制系统126通常是基于微处理器的，并且包括用于收集、分析和存储数据的存储器装置和数据存储装置。此外，控制系统126将输出数据提供给包括监视器、打印机、指示器等的各种装置，所述装置允许用户与控制系统126交互以提供输入或调整。在发电系统的示例中，用户可输入功率输出设定点，并且控制系统126调整各种控制输入以便以高效的方式实现该功率输出。

控制系统126可以控制各种操作参数，包括但不限于可变入口引导翼片位置、燃料流率和压力、发动机速度、阀位置和发电机负载。当然，其它应用可以具有更少或更多的可控装置。控制系统126还监测各种参数以确保燃气涡轮发动机100正常操作。一些被监测的参数可包括入口空气温度、压缩机出口温度和压力、燃烧器出口温度、燃料流率、发电机功率输出等。这些测量结果中的许多被显示给用户，并且被记录以供稍后查看，如果这种查看是必要的话。还希望确定涡轮入口温度。然而，如将要更详细地讨论的，该温度难以直接测量。

图2更好地示出了包括一排静止翼片202和一排旋转叶片204的单个级200。图2是在穿过并包含中心轴线104的平面中截取的纵向截面。所述一排静止翼片202包括沿周向方向堆叠且彼此接触的若干静止翼片206。每个静止翼片206包括内轨208，其限定平台218并且定位在转子216附近以在它们之间形成密封。外轨210接合壳体214以将所述一排静止翼片202保持在期望的操作位置。更具体而言，每个静止翼片206的外轨210包括螺栓面222，其被接收在接收凹槽220内。接收凹槽220被机加工到垂直于燃气涡轮发动机100的中心轴线104的平面。每个螺栓面被机加工到期望平面，其确定所述一排静止翼片202的交错角402（图4中所示）。对机加工有螺栓面222的平面的任何调整导致所述一排静止翼片202的交错角402的相应变化。

所述一排静止翼片202围绕中心轴线104（有时称为纵向轴线或旋转轴线）定心，每个静止翼片206沿着从中心轴线104径向延伸的径向线212延伸。

图3示出了静止翼片300的部分排（partial row），其包括定位在操作位置中或操作位置附近的第一静止翼片302和第二静止翼片304。第二静止翼片304与第一静止翼片302相同。如本文所用，术语“相同”意味着叶片或翼片被制造成包括一定尺寸和角度公差的相同设计。因此，相同的叶片可具有微小的尺寸或角度差异。由于第一静止翼片302和第二静止翼片304相同，因此仅详细描述第一静止翼片302。

第一静止翼片302包括被布置成邻近或接触转子216的内轨208。翼片部分312从内轨208延伸到可包括外轨210的相对端。每个翼片部分312沿不同的径向线延伸，使得第一静止翼片302遵循第一径向线316，并且第二静止翼片304遵循第二径向线318。外轨210附接到静止元件，例如壳体214、外壳、罩壳、叶片环等。

内轨208包括入口面306、吸力侧面308、压力侧面310以及平台218，翼片部分312从平台218延伸。吸力侧面308和压力侧面310中的每一个是平坦表面，其被布置成在堆叠所述一排静止翼片202期间彼此邻接。

每个静止翼片206（例如第一静止翼片302）与另一个静止翼片206（例如第二静止翼片304）接触地堆叠。更具体而言，第一静止翼片302的压力侧面310与第二静止翼片304的吸力侧面308直接接触，以在相关联的翼片部分312之间限定流动路径320。

第一静止翼片302的入口面306与第二静止翼片304的入口面306协作，以部分地限定围绕中心轴线104延伸的连续环形表面。如本文所用，术语“连续”意味着在连续环形表面中没有不期望的台阶。如本领域普通技术人员将认识到的，在每个吸力侧面308和压力侧面310之间的界面处将存在小的不连续性或间隙。然而，这种不连续性将不会是这样的台阶，其中，第一静止翼片302或第二静止翼片304的入口面306延伸到另一入口面306的平面之外。换句话说，“连续”意味着第一静止翼片302和第二静止翼片304中的每一个的入口面306在相同的平面中（在设计公差内），仅仅它们之间的界面偏离该平面。

第一静止翼片302的平台218与304的平台218协作，以部分地限定连续曲形表面，该连续曲形表面限定流动路径320的内边界。该连续曲形表面在垂直于中心轴线104截取的截面中是圆形的。然而，如图2所示，由平台218形成的连续曲形表面限定了椭圆形截面。

图4是静止翼片的部分排400的径向视图，更好地示出了交错角402。翼片部分312固有地限定了在前缘的切点和后缘的切点之间延伸的弦404。弦404与吸力侧面308和压力侧面310之间的界面协作以限定交错角402。当然，除了弦404之外的线也可以用于限定翼片部分312的取向。

为了调整特定的一排静止翼片202的交错角402，人们调整机加工出螺栓面222的平面。另外，人们可能需要改变吸力侧面308和压力侧面310的角度。

改变交错角402改变了喉部面积406的尺寸。喉部面积406被选择成确保流动面积可容纳用于燃气涡轮发动机100的设计的最大预期流率。因此，对于较低流量的发动机，人们可将翼片部分312旋转到导致较小喉部面积406的更关闭的位置。

当设计燃气涡轮发动机100时，性能中的一个参数是喉部面积406，其是由压缩机区段106形成的压力比的主要影响因素（当喉部面积406在压缩机区段106中时），并且影响涡轮区段110的效率（当喉部面积406在涡轮区段110中时）。该喉部面积406由静止翼片206的几何形状固定，静止翼片206通常被形成为铸件，而铸件的变更是昂贵的。当开发具有更高或更低质量流的燃气涡轮发动机100的不同变型时，可能有必要改变该喉部面积406以优化新的燃气涡轮发动机100性能。

图5示出了定位成与第二静止翼片304接触的第一静止翼片302，螺栓面222被机加工到设计平面以实现符合设计的交错角402。第一界面边缘502由第一静止翼片302的平台218和吸力侧面308的相交部限定，并且第二界面边缘504由第二静止翼片304的平台218和压力侧面310的相交部限定。当第一静止翼片302和第二静止翼片304被布置成具有符合设计的交错角402时，第一界面边缘502和第二界面边缘504彼此相邻以限定共同边缘506。

图6示出了以偏离设计的交错角402布置的第一静止翼片302和第二静止翼片304，其中，每个翼片的螺栓面222以略微不同于设计角度的角度机加工。

以偏离设计的角度形成每个螺栓面222可导致在入口面306处和在平台218处形成台阶图案。流动路径320中的台阶可扰乱（trip）流动，降低燃气涡轮发动机100的性能，并且易于受到来自热气体冲击的损坏。每个入口面306可以被机加工或研磨以消除台阶图案。然而，平台218通常不能被修改，因为修改将可能改变流动面积。平台218的所示布置大大减小了平台218处的台阶的尺寸，使得台阶在可接受的公差内（即，小于0.25 mm）。如图6所示，偏离设计的交错角使第一界面边缘502和第二界面边缘504的位置相对于彼此移位，使得不存在公共边缘506。然而，台阶的尺寸小并且保持在设计公差内。

尽管已经详细描述了本公开的示例性实施例，但是本领域技术人员将会理解，在不脱离本公开的最广泛形式的精神和范围的情况下，可以进行本文公开的各种改变、替换、变化和改进。

本申请中的描述不应被解读为暗示任何特定元件、步骤、动作或功能是必须包括在权利要求范围中的基本元件：专利主题的范围仅由所允许的权利要求限定。此外，这些权利要求中没有一个权利要求旨在调用装置加功能的权利要求构造，除非确切的词语“用于……装置”后面接着分词。

Claims (19)

1. 一种燃气涡轮发动机，包括能够围绕中心轴线旋转的转子，所述燃气涡轮发动机包括：

涡轮级，所述涡轮级包括静止部分和旋转部分，所述旋转部分由若干旋转叶片构成；以及

多个静止翼片，所述多个静止翼片被布置成限定所述静止部分，每个静止翼片包括内轨、翼片部分，所述内轨具有入口面、吸力侧面、压力侧面和平台，所述翼片部分从所述平台沿着径向线延伸并且相对于所述中心轴线限定第一交错角和第二交错角中的一个，所述平台在包括所述中心轴线的平面中具有椭圆形截面。

2.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述第一交错角和所述第二交错角之间的差小于五度。

3.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述入口面在所述静止翼片以所述第一交错角布置时限定连续环形表面，并且在所述静止翼片以所述第二交错角布置时限定带有台阶的环形表面。

4. 如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，相邻的静止翼片的所述平台协作以限定带有台阶的界面，所述带有台阶的界面包括在每一对相邻的静止翼片之间的台阶，并且其中，每个台阶小于0.25 mm。

5.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述多个静止翼片在所述静止翼片以所述第一交错角布置时限定第一喉部面积，并且在所述静止翼片以所述第二交错角布置时限定第二喉部面积，所述第二喉部面积小于所述第一喉部面积。

6.如权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其中，所述第二喉部面积比所述第一喉部面积小少于百分之十。

7. 一种燃气涡轮发动机，包括：

第一静止翼片，所述第一静止翼片包括内轨、翼片部分，所述内轨具有入口面、吸力侧面、压力侧面和平台，所述翼片部分从所述平台沿着径向线延伸并且相对于中心轴线限定第一交错角和第二交错角中的一个；以及

与所述第一静止翼片相同的第二静止翼片，所述第二静止翼片的吸力侧面定位成与所述第一静止翼片的压力侧面接触，以在所述第一静止翼片和所述第二静止翼片以第一交错角定向时限定第一喉部面积，并且在所述第一静止翼片和所述第二静止翼片以第二交错角定向时限定第二喉部面积，在所述第一静止翼片和所述第二静止翼片以所述第一交错角定向时，所述第一静止翼片的入口面与所述第二静止翼片的入口面协作以限定连续环形表面，并且所述第一静止翼片的平台与所述第二静止翼片的平台协作以限定连续曲形表面，并且在所述第一静止翼片和所述第二静止翼片以所述第二交错角定向时，所述第一静止翼片的平台与所述第二静止翼片的平台协作以限定带有台阶的表面。

8.如权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其中，所述第一交错角和所述第二交错角之间的差小于五度。

9. 如权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其中，所述带有台阶的表面包括在每一对相邻的静止翼片之间的台阶，并且其中，每个台阶小于0.25 mm。

10.如权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其中，所述第二喉部面积小于所述第一喉部面积。

11.如权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其中，所述第二喉部面积与所述第一喉部面积相差少于百分之十。

12.如权利要求10所述的燃气涡轮发动机，其中，每个平台在包括所述燃气涡轮发动机的中心轴线的平面中具有椭圆形截面。

13.一种设定用于燃气涡轮发动机的一排静止翼片的喉部面积的方法，所述方法包括：

形成所述一排静止翼片中的每个静止翼片以包括内轨、翼片部分和外轨，所述内轨具有入口面、吸力侧面、压力侧面和平台，所述翼片部分从所述平台沿着径向线延伸并且限定第一交错角，所述外轨包括螺栓面；

调整所述静止翼片中的每一个的螺栓面的平面以限定第二交错角；以及

将每个静止翼片的吸力侧面定位成与相邻静止翼片的压力侧面接触，其中，当所述静止翼片未被调整时，所述静止翼片中的每一个的入口面协作以限定连续环形表面，所述静止翼片中的每一个的平台协作以限定连续曲形表面，并且所述静止翼片中的每一个的翼片部分协作以限定第一喉部面积，并且其中，当所述静止翼片被调整时，所述静止翼片中的每一个的平台协作以限定带有台阶的表面，并且所述静止翼片中的每一个的翼片部分协作以限定第二喉部面积。

14.如权利要求13所述的方法，其中，每个螺栓面限定原始平面，并且其中，所述调整步骤包括从每个螺栓面移除材料，使得新的螺栓面不平行于所述原始平面。

15.如权利要求13所述的方法，其中，所述形成步骤包括将所述平台形成为在包括所述燃气涡轮发动机的中心轴线的平面中遵循椭圆形截面。

16.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一交错角和所述第二交错角之间的差小于五度。

17. 如权利要求13所述的方法，其中，所述带有台阶的表面包括在每一对相邻的静止翼片之间的台阶，并且其中，每个台阶小于0.25 mm。

18.如权利要求13所述的方法，其中，所述第二喉部面积小于所述第一喉部面积。

19.如权利要求13所述的方法，其中，所述第二喉部面积与所述第一喉部面积相差少于百分之十。

Images