TW200417682A - Flow directing device - Google Patents

Description

玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 =月係、有關使用在燃氣輪機發動機中之氣流導引裝 二別是’本發明係有關於-種減少暴露在氣流中之翼 片熱負載裝置及其方法。 “中〈異 【先前技術】 燃氣輪機發動機之主要元 要7°件（自切“口開始）包括-風 祕…組以上壓縮機部<分，一燃燒器部份，一組以上 之漏輪部份，及—喷嘴。發動機亦包括一補燃器。 2氣經由入口進入發動機，迅速通過風扇部份，空氣被 壓縮部份壓縮後就與燃料混合，然後在燃燒器中燃燒。自 燃燒室出來之氣體就推動㈣，然後自發動機出來通過嘴 背後產生推力。假如出現這樣的推力日f，補燃器利用點辦 燃燒室下游之附加燃料來擴大發動機之推力。 壓縮機及渦輪部份包括一複數個之轉子總成及靜子輪葉 總成。轉子葉片及靜子輪葉為燃氣輪機發動機裡面導引核 心氣流結構（意即•’氣流導引結構”）之實例。空氣進入壓縮機 然後通過燃燒器及渦輪部份後向尾部移動，其典型上稱為，， 核心氣體”。在燃燒器及渦輪部份中及其尾部之核心氣體尚 包括進入活動路線之冷却空氣及燃燒產品之產物。 在燃燒器邵份裡面及其尾部，高溫度之核心氣體需要被 接觸到該核心氣體之元件來冷却。一套這樣的冷却系統系 用冷空氣來通過兀件之内部，並且讓它通過配置在元件外 壁裡面之通道才流出來。另外一套這樣的冷却系統利用冷 88935 却二氣 < 薄膜沿著元件之外部表面快速移動。冷却空氣之 薄膜自黑、、田、，、 ㈡同核心氣體隔絕該元件，及增加沿著元件表面 之冷却均勻度。 才女 、、5 两 曲 氣把之溫度在核心氣流之通道中變化很大，特別是 在燃择哭jiR A ^ 刀後面之滿輪邵份之最初幾層中。在轴向方向 \ ·卜· 鮮方向中之核心氣體溫度會隨著距燃燒器部份之 Α離远i曰加而減少。在徑向方向中，核心氣體溫度在核心 ^恤氣机通路之中央區域會有一個高峰。核心氣體流路之 y u I外σ卩區域與徑向向較内部區域具有最低之核心氣體 溫度。 、不同的氣流異常會影響核心氣流。—種這樣的氣流異常 2馬蹄形渦旋”。馬蹄形渦漩典型上形成在翼片鄰接一個 二开y成乳路又徑向邊界之表面地區，例如在靜子輪葉之平 口。馬蹄形渦漩開始時是沿著翼片前緣部份，再從翼片中 七品戍移動，然後朝向靜子輪葉平台。渦旋接著自翼片呈 :動狀移開’其沿著壁來對著核心氣流移動。接下去，渦 '周圍捲曲而形成與渦旋同名之流動模型。馬蹄形渦旋 會有害地影響接近翼片之元件。 、例如，馬蹄形渦漩會影響到壁之使用壽命。尤其地，馬 蹄形渦旋會擴大靜子輪葉平台之熱負#，因為在平台部份 八裝較同度之中間區域之核心氣流。不像翼片那樣，平 口缺疋任何能夠補償擴大熱負載之冷却系統。 ，馬蹄形渦漩也會影響燃燒器部份之使用壽命。如上文所 逑’馬歸形滿旋吸y較高溫度中間區域之核心氣流到氣路 88935 200417682 之徑向邊界。這樣的熱負荷增大會損壞燃燒器部份中之套 筒’因為套筒鄰接到靜子輪葉平台（雖然在其上游）。 另外一種這樣的氣流異常為”通道渦漩”，其發生在靜子 或轉子部份巾之相㈣翼片間之通道巾。通道μ為L種 馬蹄形漏旋之壓力部份，相鄰近翼片間核心氣體橫向流動， 以及翼片間從自由蒸汽核心氣流所帶走之空氣之汞齊作 用。這些氣流之特性共同地促進翼片間之若干百分比之氣 流沿著螺旋軌道（即，，通道滿旋"）移動，其從核心氣路中心改 變核心氣流朝向一個或兩者之核心氣路之徑向邊界。如同 馬蹄形渦漩一樣的情況’通道渦漩吸引較高溫度的中央核 心氣流朝向核心氣道之徑向邊界移動。這會損害地影響靜 子平之使用壽命。 美國第6,419,466號專利，其亦由本申請案受讓人所擁有， 係試圖防止馬蹄形漏旋與通道漏旋之形成。該專利說明鄰 近翼片臨界點線之填角之使用方法。雖然幫助去防止馬蹄 形及通㈣旋之形成，但填角並沒有減少翼片上之熱負載。 因此、，在暴露於氣流之翼片上存在有一種減少其上面之 為負載之裝置及方法之需要。 【發明内容】 種在氣 漩之氣 本1明〈一目標在提供一種改良之氣流導引裝置。 、本發明尚有《目標在提供一種氣流導引裝置及一 流導引裝置上減少熱負載之方法。 本發明尚有之目標在提供一種不會產生馬蹄形滿 流導引裝置。 88935 200417682 本發明尚有之目標在提供一種氣流導引裝置，其導引的 氣流是自氣流導引裝置之較低溫度部份到氣流導引裝置之 較高溫度部份。 本發明之這些及其他之目標在一方面是利用一氣流導引 裝置來達成。該裝置包括：一翼片’其具有一前緣，一後 緣，一吸入側及一壓力側；一緊靠翼片之壁；及一在翼片 及壁間之填角。填角在前緣有一放大部份，其沿著吸入及 壓力侧，及朝向後緣處。 本發明之這些及其他之目標在另一方面是利用一輪葉段 來達成。該輪葉段包括：至少一平台；一多數個自該至少 一個平台延身之翼片，各葉片具有一前緣，一後緣，一吸 入側及一壓力側；及一在各翼片及該平台間之填角。各填 角具有一放大部份在前緣，沿著吸入及壓力側，及向著後 緣部份。 本發明之這些及其他目標在另一方面是利用一種減少翼 片上之熱負載之方法來達成。該方法包括之步驟為：提供 一翼片，其具有一鄰接一壁之近端，一遠端及一在該等端 部間之中央邵份；氣體流動在翼片上，鄰接翼片中央部份 之氣體較之於流動在翼片近端上面之氣體有較高之溫度； 及導引自翼片近端之氣體到翼片之中央部份。 【實施方式】 圖1顯π —燃氣渦輪發動機1〇。發動機1〇具 U，壓縮機部份13，15, 一燃燒器部份17，滿輪部份二 及-喷嘴23。發動機亦包括—補燃器25。壓縮部份ΐ3, 15 88935 200417682 及渦輪邵份1 9，2 1，其各包括交替配置之靜子輪葉層27及 轉子層29。靜子輪葉層27導引核心氣流進人或流出一鄰接 之靜子層29。 圖2顯示其中之—靜子輪葉層27。層27係分割在靜子輪葉 組群29裡面。各組群29具有一片以上之翼片3丨延伸在一内 平台33及外平台35之間。平台33，35界定通過發動機1〇之 環狀氣路之徑向邊界。 、’且群29典$ i鑄成粗縫之形狀，然後加工成最後之造形。 加工過程在翼片31與平台33，35間不會產生垂直之交叉。 相反地，在加工過程裡提供一填角下在翼片31與平台33，35 之間換a之，填角下是填入在兩表面交叉處之材料。 如同所有的翼片，翼片3 1各具有一臨界點線S。該臨界點 、、泉S存在於翼片3 !之前方（用核心氣流方向之字眼）及確定核 心軋流在零速度之位置。到達翼片3丨臨界點線§之吸入側上 之核心氣流沿著翼片3丨之吸入側移動，另一方面到達翼片3 ι 之翼片壓力側上之核心氣流則沿著翼片3 1之壓力側移動。 翼片31之壓力側（Gp)上面及吸收側（Gs一在圖2中看不到）上 亦具有標記點。標記點Gp，Gs界定一條線（未表示）之終點， 該線界定相鄰之翼片3丨間之最小距離。 圖3-5顯示本發明之一具體實施例。圖3表示一靜子輪葉 、’且群101，其構成一燃氣渦輪發動機之靜子輪葉層之一段。 輪葉組群101具有一片以上之翼片103其延伸在一片以上之 平台105(為便於瞭解，圖3只表示内平台）。平台1〇5界定經 過發動機1〇之環狀核心氣道之徑向邊界。翼片1〇3具有一吸 88935 -10- 200417682 入側107及一壓力側1〇9。組群ι〇ι與組群29類似。換言之， 組群101由於加工的結果在翼片1〇3與平台1〇5之間具有一填 角。此外’翼片103在吸收側107具有臨界點線S，標記點Gs， 及在壓力側109具有標記點G。 p 如在圖5中所示，填角F自翼片1〇3及圍繞著它的周邊延伸 一個距離d °同樣地，自翼片1 03及圍繞著它的周邊延伸一 個高度h。 較不同於組群29的是組群ιοί之填角f具有放大斷面e及正 所面。在填角之正斷面裡面，距離d及高度h典型上是保持 不交的。然而’在填角F之放大斷面裡面，距離d與高度匕是 各別變動的。最好是距離d及高度h兩者都跟隨連續函數， 例如曲線板或餘弦。使用連續函數可以確保放大部份E沒有 任何不連續的坡度，另一方面能在翼片1〇3周圍變動其曲 0 距離d可變化在最小（dmin)到最大（dmax)之間。最小距離dmin 最好存在於放大部份E轉變到正常部份之填角F之位置。這 “置典型上發生在接近標兄點G s ’ G p處。最大距離d 最好 存在於接近放大部份E裡面之臨界點線S處。如圖5中所示， 最大距離dmax最好存在於臨界點線S之吸收側。某些情況需 要最大距離dmax存在於臨界點線S之壓力側，例如當翼片1 〇3 遭遇到負傾角的場合。最大距離dm約大於最小距離d 之8 倍左右。 高度h可變化在最低高度（hmin)與最高高度（hmax)之間。最 低高度hmin最好存在於放大部份E轉換到E常部份填角f之 88935 200417682 間。這樣的高度典型上發生在靠近標記點Gs，Gp處。最大 而度hmax最好存在於接近放大部份E裡面之臨界點線S處。 如圖4中所不’最大高度hmax存在於臨界點線S之吸入側。某 些情況需要最大高度hmax存在於臨界點線S之壓力側，例如 當翼片103遭遇到負值傾角之狀況。典型上，最大高度之位 置是對應於最大距離之位置。最大高度hma、約大於最低高度 之10倍左右。不同的陳述是，最大高度約為3〇%之翼片跨距。 如圖5中所示，填角ρ之放大部份e之主要延伸存在於翼片 1〇3之前緣。然而，圖5亦表示填角ρ之放大部份e係沿著翼 片103之吸入側1〇7及壓力側ι〇9兩者向著翼片1〇3之後緣延 伸。最好是，翼片1〇3兩側1〇7，1〇9上之放大部份E轉變到 接近標記點Gs，Gp之正常尺寸。藉由回復到接近標記點Gs， GP之填角之正常尺寸，本發明就不會妨礙到輪葉層之流量。 由於/又有減少通過輪葉層之流通面積，本發明就不會改變 出口之馬赫數，也不會改變輪葉層之反作用（其會衝擊到渦 輪之推力負載）。 雖然圖5表示放大部份E存在於標記點Gs，Gp之整個上游， 本發明考慮整個放大部份E可存在於標記點Gs，\之上游及 下游兩者中（未表示）’在此裝置中，放大部份E將回復到鄰 接禚記點之填角之正常尺寸，然後回歸到放大部份之下游 (未表示）。圖4表示填角F之放大部份e之輪廓是直線的。然 而，圖6表示一替代之實施例，其中填角F之放大部份E，具 有—彎曲之輪廓。最好是，填角F之放大部份E，之彎曲輪廓 為一橢圓之形狀。 88935 12 200417682 雖然所說明的是有關於輪葉組群丨〇丨之内部平台，本發明 可以裝置填角之放大部份E，E，只在輪葉組群之外部平台上 (為便於明瞭未在圖3-6中表示出來），或在兩平台上。 本發明具有之清楚利益多於傳統設計之利益。如上文所 說明的，不同之氣流異常會影響傳統之設計。圖7說明馬蹄 形滿旋對核心氣流之衝擊。馬蹄㈣流會自翼片3〇之中央 部份吸引流體到平台33。這樣會把較熱的核心氣流帶到平 台33。平台33不像翼片那樣能夠承受熱核心氣流。結果， 較熱的核心氣流會損土袠平台及鄰近（上游或下游）平台之構 造。 圖8表示馬蹄形渦流沒有發生在本發明之填角f鄰接之放 大邓伤E。/又有馬蹄形渦流則來自翼片} 〇3之中央部份之核 心氣流就不會接近平台105。事實上，本發明填角F之放大 邛伤E做出相反i功能。放大部份E導引流體自鄰接之平台 1 05到翼片丨03之中央邵份。這樣會把較冷之核心氣流帶到 翼片103。 本發月亦具有第二個好處。填角E之放大部份^協助相鄰 近翼板間之通道渦漩之發生。 月已說明了有關於不同圖式中之實施例。請注意在 不達θ本發明之精神下，可使用其他類似之實施例，或對 本發月所过明之實施例如以修改來執行本發明之功能。因 本發月不應限制在任何單一之實施例，而寧可構成在 根據附加之中請專利範圍所詳述之幅度與範圍以内。 【圖式簡單說明】 88935 -13- 200417682 本發明之其他使用方法及優點’對於熟諳此藝者，在參 照其說明及圖式後，就更容易明白了，其中： ’ 圖1係一飛機之燃氣輪機發動機之橫斷面視圖； 圖2係一傳統之氣流導引裝置之立體視圖； 圖3係一本發明之氣流導引裝置實施例之立體視圖； 圖4係一圖3之氣流導引裝置之正視圖； 圖5係一沿著圖4之5 - 5切線所截切之氣流導引裝置之橫斷 面視圖； 圖6係一本發明之另一種氣流導引裝置之正視圖；及 圖7及8係分別地表示流體通過圖2及3之氣流導引裝置之 等溫線圖示法。 【圖式代表符號說明】 10 燃氣渦輪發動機 11 風扇部份 12 壓縮部份 15 壓縮部份 17 燃燒器部份 19 渦輪部份 21 渦輪部份 23 噴嘴 25 補燃器 27 靜子輪葉層 29 轉子層 31 翼片 88935 -14- 200417682 33 内平台 101 輪葉組群 103 翼片 105 平台 88935 -15 -

Claims (1)

1. 200417682 拾、申請專利範圍： 1. 一種用在燃氣輪機發動機之氣流導引裝置，包括： 一翼片，其具有一前緣，一後緣，一吸入側及一壓力 側； 一壁，其鄰接該翼片；及 一在該翼片與壁間之填角； 其中該填角在該前緣具有一放大部份，沿著該吸入及 壓力側，且向著該後緣。 2·根據申請專利範圍第1項之氣流導引裝置，其中該翼片之 吸入側及壓力側各具有一標記點，該放大部份終端鄰接該 等標記點。 3·根據申請專利範圍第1項之氣流導引裝置，其中該填角自 翼片延伸一段距離，其最大之距離位在該翼片吸入側上之 该放大部份中。 4·根據申请專利範圍第3項之氣流導引裝置，其中该翼片具 有一臨界點線及該最大距離鄰接該臨界點線。 5·根據申請專利範圍第3項之氣流導引裝置，其中該最小距 離位在該填角之一正常部份，該最大距離約大於該最小距 離8倍。 6·根據申請專利範圍第1項之氣流導引裝置，其中該填角自 該壁延伸一高度，其最大之高度位在該翼片之該吸入側之 放大部份上。 7·根據申請專利範圍第6項之氣流導引裝置，其中該翼片具 有一臨界點線，及該最大距離鄰接該臨界點線。 88935 200417682 8. 根據申請專利範圍第6項之氣流導引裝置，其中該最低高 度位在該填角之正常部份中’該最大距離約大於該最小高 度1 0倍。 9. 根據申請專利範圍第6項之氣流導引裝置，其中該翼片具 有一跨距，及該最大距離大約為該跨距之3〇%。 10·根據申請專利範圍第1項之氣流導引裝置，其中該放大部 份具有一直線高度輪廓。 u.根據申請專利範圍第1項之氣流導引裝置，其中該放大部 份具有一弧形高度輪廓。 12·根據申請專利範圍第1項之氣流導引裝置，其中該放大部 份具有一可變化曲率。 13·根據申請專利範圍第12項之氣流導引裝置，其中該放大部 份沒有任何斜度是不連續的。 14· 一種輪葉段，包括： 至少一平台； 多數個葉片，其自該至少一平台延伸，各該等翼片具 有一前緣，一後緣，一吸入側及一壓力側；及 一在各該等翼片及該平台間之填角； 其中各該填角在該前緣處具有一放大部份，其沿著該 吸入及壓力側，及朝向該後緣。 15.根據申凊專利範圍第14項之輪葉段，其中該翼片之吸入側 及壓力側各具有一標記點，該放大處終結在鄰接該標記點 處。 16·根據申請專利範圍第14項之輪葉段，其中該填角自該翼片 88935 200417682 延伸一段距離，其最大距離位在該翼片吸入側之放大部 份。 17. 根據申請專利範圍第1 6項之輪葉段，其中該翼片具有一臨 界點線，及該最大距離鄰接該臨界點線。 18. 根據申請專利範圍第1 6項之輪葉段，其中該最小距離位在 該填角之一正常部份，該最大距離約大於該取小距離8倍。 19·根據申請專利範圍第14項之輪葉段，其中該填角自該壁延 伸一高度，該最大高度位在該翼片吸入側之放大部份。 20·根據申請專利範圍第19項之輪葉段，其中該翼片具有一臨 界點線，及該最大高度鄰接該臨界點線。 21·根據申請專利範圍第19項之輪葉段，其中該最低高度位在 該填角之正常部份，該最大距離約大於該最低高度10倍。 22. 根據申請專利範圍第19項之輪葉段，其中該翼片具有一跨 距，及該最大距離約為該跨距之30%。 23. 根據申請專利範圍第14項之輪葉段，其中該放大部份具有 一直線南度輪廓。 24. 根據申請專利範圍第14項之輪葉段，其中該放大部份具有 一弧形高度輪廓。 25. 根據申請專利範圍第14項之輪葉段，其中該放大部份具有 一可變化之曲率。 26·根據申請專利範圍第25項之輪葉段，其中該放大部份沒有 任何不連續之斜度。 27·—種減少翼片上熱負載之方法，其包括之步驟為： 提供一翼片，其具有一鄰接一壁之近端，一遠端及一 88935 76¾ 在謗等端部間之中央部份； 牌氣體流動在該翼片上’該鄰接翼片中央部份之氣體 具有較高於該流動在該翼片近端上氣體之溫度；及 導引該氣體自該翼片之近端到該翼片之中央部份。 28.根據申請專利範圍第27項之方法’其中該導引步驟包括提 供一填角在該翼片及該壁之間，該填角具有一放大部份。 88935