專利名稱：一種渦輪機的流體分配方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及渦輪機操作的改進的方法和裝置，具體地，涉及對渦輪機內氣體流動路徑的流體分配的改進。
背景技術：
渦輪機具有各種用途。航空、運輸、發(fā)電和化工行業(yè)都得益于各種渦輪機設計。在通用的術語中，術語“渦輪機”是指具有一個或多個環(huán)狀排列葉片的機器，可與流過的流體進行能量交換。這種渦輪機的示例有鼓風機、某些類型的壓縮機、汽輪機、泵和燃氣輪機。
流體材料，如水或冷卻氣體，可供應到渦輪機以提高渦輪機的效率。如果將水提供到壓縮機或燃氣輪機的壓縮機部分，這個過程可視為濕式壓縮。濕式壓縮通過減少壓縮入口氣體所需的功，可使渦輪機系統的功率增加。壓縮機通過“潛熱中間冷卻”實現這種熱力學上的好處，添加到引入壓縮機中氣體的水(或某些適當液體)，當氣體與添加的液體進行壓縮時，通過蒸發(fā)對氣體進行冷卻。在這點上，添加的液體在概念上可視為“蒸發(fā)液體熱匯”。濕式壓縮方法因此節(jié)省了功的增量(否則在壓縮不含添加液體的壓縮氣體時需要)。壓縮功的減少可減少燃氣輪機產生相同凈輸出所需的燃料數量(因此提高了效率)，或增加了相同總產量的燃氣輪機的功輸出量，以驅動連接到渦輪機的負載，如發(fā)電機(在單軸機器的情況下)；或增加壓縮機的速度，以提供更大的質量流量(對于單軸和雙軸機器都很有價值)。
通過添加可蒸發(fā)液體造成質量流量少量增加，燃氣輪機的渦輪機部分可實現功率的額外增量。增加氣體流量顯示出可使功率進一步增加，已經注意到大型陸用動力燃氣輪機在10-20加侖/分鐘的初始增量的情況下出現這種情況。應當注意到，如果提供的燃料量不變，濕式壓縮降低了渦輪機的點火溫度，點火溫度的降低減少了燃氣輪機的總輸出量。但是，壓縮功的減少大于燃氣輪機的總輸出量的減少，使燃氣輪機的凈輸出量增加。如果增加提供的燃料量以提高壓縮機排出的冷卻(相對干式氣體壓縮)氣體/蒸發(fā)液體的混合物的溫度到燃氣輪機進行干式壓縮的點火溫度，濕式壓縮作用實現的輸出量要大于需要添加的燃料量，導致總體上系統操作的輸出量增加。
增加液體到渦輪機的問題在于，由于液體材料對旋轉和未旋轉的葉片的沖擊，葉片要受到侵蝕。濕式壓縮(特別是對于大型燃氣輪機系統)的另一難題涉及到渦輪機的局部和非均勻冷卻(由于添加液體的不均勻分布)，造成了渦輪機系統的物理結構的扭曲，出現熱應力損壞，和轉子相對殼體內壁和相關密封的摩擦。
另外的重大危險因素來自可能出現的熱沖擊，如果(1)渦輪機基本實現熱動力平衡；和(2)液體添加突然中斷并沒有對施加到渦輪機的能量進行前饋補償。如果蒸發(fā)液體熱匯以這種方式終止的話，危險來自潛在損壞和渦輪機的內部操作溫度的突然瞬變。
利用液體壓力產生液滴的液力霧化器很普遍，但這種霧化器不是流量太小就是產生的液滴太大。加熱液體使其在離開霧化器時噴發(fā)，可減少液滴的尺寸，但施加到液體的熱量就等于消耗大量的能量。氣壓霧化器很容易得到，其可在大液體流量下產生小液滴進入渦輪機的氣體流動路徑，但這種裝置的體積很大，在不對流動產生大擾動的情況下，不能設置在渦輪機的氣體流動路徑中。因此，霧化器希望置入外殼體中，以避免擾動流體。但由于液滴的小尺寸和低動量，液滴傾向于保持在外殼附近，所以液滴分布的不好，這嚴重地限制了添加液體到渦輪機氣流的效率提高。另一缺點是氣壓霧化器壓縮霧化空氣要求大量能量。
需要一種方法和系統，能夠添加液體到渦輪機系統的渦輪機，并能夠克服上面討論的部分缺點或全部缺點。

發(fā)明內容
所公開的在渦輪機的氣體流動路徑中分配流體的裝置的實施例涉及將流體引入氣體流動路徑的機構，所述機構位于氣體流動路徑中。
此外，所公開的在渦輪機的氣體流動路徑中分配流體的裝置的另一實施例涉及位于至少一個渦輪機級的至少一個定子葉片；與定子葉片的內部流體連通的流體通道；與流體通道液體連通的流體源；和至少一個位于定子葉片的孔表面的小孔，該孔與定子葉片的內部流體連通。
另外，所公開的在渦輪機內氣體流動路徑分配流體的裝置的另一實施例涉及至少一個定子葉片，位于至少一個渦輪機級；氣體通道；流體通道，位于所述定子葉片的內部，形成位于所述氣體通道周圍的多孔環(huán)面，允許流體從流體通道通過進入氣體通道；流體源，與流體通道流體連通；和至少一個小孔，位于定子葉片的孔表面，小孔與所述氣體通道流體連通。
而且，所公開的在渦輪機內氣體流動路徑分配流體的裝置的實施例涉及至少一個定子葉片，位于至少一個渦輪機級，所述定子葉片包括在整個內部的多孔材料，多孔材料暴露于定子葉片的最大壓力表面部分和定子葉片的小孔的表面部分；流體通道，位于所述定子葉片的內部，提供流體到定子葉片的內部；流體源，與所述流體通道流體連通；其中，定子葉片允許氣體從渦輪機的氣體流動路徑通過最大壓力表面，與所述流體通道提供的流體混合，霧化的流體通過小孔的表面離開定子葉片。
此外，所公開的在渦輪機內氣體流動路徑分配流體的裝置的另一實施例涉及至少一個定子葉片，位于至少一個渦輪機級，所述定子葉片包括通過部分內部的空腔，和位于小孔表面部分的多孔材料；流體通道，位于定子葉片的內部，提供流體到定子葉片的內部；流體源，與所述流體通道流體連通；其中，定子葉片可從所述流體通道接受流體到其內部，允許流體從內部通過小孔表面的多孔材料流出，進入渦輪機的氣體流動路徑。
此外，所公開的在渦輪機內氣體流動路徑分配霧化的流體的裝置的另一實施例涉及熱交換器，可加熱來自外部流體源的流體；至少一個定子葉片，位于至少一個渦輪機級，所述定子葉片包括通過一部分內部的空腔；至少一個霧化器，位于定子葉片的小孔表面，所述霧化器可流體連通地連接到所述空腔；其中，所述定子葉片可流體連通地連接到熱交換器，接受加熱的流體進入所述空腔，所述加熱的流體通過所述霧化器孔從空腔排出，進入渦輪機的氣體流動路徑。
所公開的在渦輪機內氣體流動路徑分配霧化的流體的裝置的另一實施例涉及熱交換器，可加熱來自外部流體源的流體；至少一個定子葉片，位于至少一個渦輪機級；管路，位于定子葉片的孔表面的附近；至少一個小孔，位于所述管路的側面；小孔可流體連通地連接到空腔；其中，所述管路可流體連通地連接到熱交換器，以接受加熱的流體進入空腔，加熱的流體通過所述孔從空腔排出，進入渦輪機的氣體流動路徑。
所公開的在渦輪機內氣體流動路徑分配流體的裝置的另一實施例涉及至少一個定子葉片，位于至少一個渦輪機級，定子葉片包括至少一個空腔；空腔包括可分離地連接到振動發(fā)生器的振動板；流體通道，位于定子葉片的內部，可流體連通地連接到空腔；至少一個小孔，可流體連通地連接到空腔，位于定子葉片的孔表面；與流體通道流體連通的流體源；其中，在流體通過所述小孔從空腔排出并進入渦輪機的氣體流動路徑之前，空腔可提供振動到通過流體通道供應到空腔的流體。
所公開的在渦輪機內氣體流動路徑分配流體的裝置的另一實施例涉及至少一級渦輪機，所述渦輪機級包括360度的殼體和至少一個定子葉片，其從殼體的內表面沿徑向延伸；殼體凹槽，位于所述殼體的內表面；定子葉片空腔，位于定子葉片的內部，并可與殼體凹槽流體連通；位于殼體的端口，與殼體凹槽流體連通；和至少一個小孔，位于定子葉片的孔表面，小孔與所述定子葉片空腔流體連通。
所公開的在渦輪機內氣體流動路徑分配流體的裝置的另一實施例涉及至少一級渦輪機，所述渦輪機級包括360度的殼體和至少一個定子葉片，其從殼體的內表面沿徑向延伸；殼體凹槽，位于所述殼體的內表面；定子葉片空腔，位于定子葉片的內部，并可與殼體凹槽流體連通；位于殼體的端口，與殼體凹槽流體連通；和至少一個霧化器，其帶有至少一個小孔，小孔位于定子葉片的孔表面，小孔與所述定子葉片空腔流體連通。
所公開的在渦輪機內氣體流動路徑分配體的裝置的另一實施例涉及至少一個定子葉片，位于至少一個渦輪機級；管路，位于定子葉片的孔表面的附近；至少一個位于管路側面的小孔；和流體源，可與卡式管路流體連通。
所公開的裝置的安裝方法的實施例，該裝置在渦輪機內氣體流動路徑分配流體，該方法涉及在殼體的內表面上加工出殼體凹槽，在殼體加工出至少一個端口，可與殼體凹槽流體連通；在至少一個定子葉片上加工出內部空腔，可與殼體凹槽流體連通；在定子葉片的孔表面加工出至少一個可與內部空腔流體連通的小孔；連接流體源到至少一個端口。


現在將參考附圖，圖中是示例實施例，其中相同的元件用相同的標記來表示，附圖中圖1是定子葉片和翼片的透視圖；圖2是定子葉片和翼片的頂視圖；圖3是顯示了定子葉片和翼片的另一實施例的頂視圖；圖4顯示了翼片的前視圖；圖5顯示了帶有反向發(fā)泡裝置的定子葉片的透視圖；圖6是圖5定子葉片的頂視7是包括多孔材料的定子葉片的透視圖；圖8是圖7的定子葉片的頂視圖；圖9顯示帶有位于其尾邊的多孔材料的定子葉片的透視圖；圖10是圖9的定子葉片的頂視圖；圖11顯示了帶有熱交換器的渦輪機的示意圖；圖12是帶有振動機構的定子葉片的透視圖；圖13是圖12的振動機構的近視圖；圖14是定子葉片和帶有充氣室的殼體的側視圖；圖15顯示了定子葉片和帶有充氣室的殼體的另一實施例；圖16是定子葉片和卡式管路的側視圖；和圖17式定子葉片和卡式管路的頂視圖。
具體實施例方式
下面通過示例的方式詳細介紹公開的裝置和方法的多個實施例，圖1到17的示例是非限制性的。
翼片的實施例流體希望引入到渦輪機的氣體流動路徑。如果流體是液體，那么當液體蒸發(fā)時將使氣體冷卻，因此提高了渦輪機的效率。如果流體是冷卻氣體，那么冷卻氣體將在渦輪機的流動路徑中對氣體進行冷卻，從而也增加了渦輪機的效率。還希望液體霧化，當其進入流動路徑時，將更容易蒸發(fā)。霧化液體意味著將液體細化成非常小的液滴。此外，添加到渦輪機內部的液體進行霧化對于防止形成大液滴是很重要的，大液滴可造成渦輪機內葉片的腐蝕。霧化液體還允許液體在整個渦輪機內有更均勻的分布。圖1顯示了公開的裝置的一個實施例，可幫助霧化的液體施加到渦輪機的內部。圖1顯示了定子葉片10的透視圖。定子葉片通常還稱作輪葉，流體通道14位于定子葉片10內。流體源可斷開地連接到流體通道14。在一個實施例中，液體可通過外部通道20穿過渦輪機的外殼提供到流體通道14。外部通道可連接到外部的流體源。流體通道14可通過至少一個孔(未在圖1中顯示，在圖2中顯示)使液體排出定子葉片10，孔在定子葉片10的孔表面18沿徑向分布。在定子10的表面18沿徑向分布的不止一個孔增加了渦輪機的氣體流動路徑上的液體的徑向分布。一般地，定子葉片前邊的壓力高于尾邊，尾邊一般具有低壓。通常定子葉片的最大壓降位于前邊和尾邊之間。但是定子葉片可設計成使高壓表面不與前邊重合和/或低壓表面不與尾邊重合。此外，本文公開的實施例不要求最大壓降。因此，對于所公開的實施例，定子葉片的“孔表面”是相對具有不同壓力的位置的可提供最小必要壓降的表面，具有不同壓力的位置可以是定子葉片的空腔或定子葉片的表面。類似地，在所公開的實施例中，確定為定子葉片最大壓降表面的表面是相對孔表面的可提供最大壓降的表面。
在實施例中，流體通道14可分為多個通道16，各個通道16可與定子葉片10的尾邊的孔流體連通。取決于各種因素，比如但不限于，定子葉片的尺寸和確定要注入渦輪機的液體數量，可設置多些或少些的通道16。位于孔表面18附近的是兩個翼片22。
翼片22有助于離開孔表面18的液體的霧化。霧化的機理類似于已知的氣壓霧化器，如氣壓噴嘴，的霧化機理。氣壓霧化和本文的翼片的霧化機理都是使帶有較高流速的氣體與具有較低速度的液體接觸。在氣體和液體之間的界面形成切向應力。切向應力在液體中形成擾動。最終使得液體細化為小液滴，使液體霧化。因此，圍繞定子葉片10流動的氣體類似于氣壓霧化使用的外部霧化空氣。圍繞定子葉片流動的氣體因此受到翼片22的引導，與離開定子葉片10的孔表面18的小孔的液體互相作用。相對離開小孔的液體，氣體具有非常高的速度，因此可霧化液體。在另一實施例中，翼片22包括與制造定子葉片10的材料相同的材料。在一個實施例中，翼片22從渦輪機的內殼體延伸，延伸的方式類似于定子葉片10從渦輪機的內殼體延伸的方式。
傳送液體到定子葉片的內部和通過位于定子葉片的孔表面18的孔離開具有的優(yōu)越性是，可使渦輪機的整個氣體流動路徑上具有非常均勻的液體分布。當渦輪機級的定子葉片具有可提供液體到渦輪機的氣體流動路徑的孔，使該優(yōu)越性提高。
圖2顯示了圖1所示的實施例的頂視圖。在該圖中，可看到孔26位于孔表面18。在一個實施例中，渦輪機是175兆瓦的燃氣輪機，液體流到一個渦輪機級的各定子葉片的流速是大約0.01磅/秒，小孔16的直徑大約為10密耳(千分之一英寸)。
圖3顯示了翼片/定子葉片設置的另一實施例。定子葉片10顯示出帶有流體通道14和小孔26。但是，在這個實施例中，在定子葉片10的附近未設置兩個翼片22，而是一個雙流翼片結構30。一個雙流翼片結構30具有至少一個大孔34，其與各個孔26共線并直徑較大。因此，當液體離開小孔26，受到空氣翼片結構30引導到液體的氣體的作用。液體然后引導到并通過各個大孔34。在一實施例中，小孔26的直徑可以是10密耳，大孔的直徑大約是100密耳。這個過程有助于霧化液體。圖4是翼片結構的部分前視圖。
因此，上述實施例顯示了一種裝置，可在渦輪機內的氣體流動路徑中分配霧化的液體。通過沿定子葉片10徑向分布的孔，霧化的液體可在渦輪機的氣體流動路徑內沿徑向分布。
反向發(fā)泡作用的實施例已經知道通過發(fā)泡系統將氣泡添加到液體有助于液體霧化。通過使氣流流過形成液體流的表面上的小口可形成氣泡。但是，該實施例利用了所謂的反向發(fā)泡作用，因此，液體流過形成氣體的表面上的小口，以產生霧化的液體。液體流過小口的優(yōu)點是氣體流動要求的壓降較小，提供液體流動的較大壓降可通過較小的能量實現，該能量比提供相同壓降的氣體所要求的能量低。
圖5顯示了所公開裝置的反向發(fā)泡實施例。在這個實施例中，定子葉片10顯示出具有孔表面18。設有傳送流體到定子葉片和通過孔26離開孔表面18的流體通道14。但是，在這個實施例中，還設有帶有開口42的氣體通道38，開口38可位于或靠近定子葉片10的最大壓力表面46。流體通道14形成圍繞氣體通道38的環(huán)形件50。在一個實施例中，環(huán)形件具有的外直徑大約為0.125英寸，環(huán)形件的多孔表面可用長度大約為0.5英寸、直徑大約為0.0625英寸的不銹鋼管形成，鋼管表面分布有20到50個孔，孔的直徑大約在10到100微米之間。鋼管具有范圍在大約0.01％到大約0.4％的等效孔隙率，孔隙率是構成多孔空間的材料的總體積的分數。在另一實施例中，多孔表面可以用燒結不銹鋼管形成，其等效孔隙率在大約0.01％到大約0.4。在又一實施例中，多孔表面可以是網篩，具有的等效孔隙率在大約0.01％到0.4％提供到流體通道14的液體可以是高壓液體。
來自渦輪機氣體流動路徑的氣體通過位于或靠近最大壓力表面46的開口42進入定子10。氣體通過開口42進入氣體通道38。高壓流體通過流體通道14并通過多孔的環(huán)形件50進入氣體通道38，與氣體進行混合。當液體通過多孔的環(huán)形件50產生壓降，有助于液體在氣體通道38中與氣體混合時形成霧化液體。多孔材料比如燒結不銹鋼的霧化機理與簡單地推動液體通過孔以使液體霧化的機理類似。燒結材料，比如燒結不銹鋼，包括許多小通道，其實質上是許多孔。液體通過燒結的表面需要較高的壓力降，壓縮液體所需的能量小于在相同壓降下壓縮氣體所需的能量。在一個實施例中，渦輪機是175兆瓦的燃氣輪機。壓力在大約3000磅/平方英寸。
定子葉片10上從最大壓力表面到孔表面的壓降是推動液體/氣體通過霧化器的動力。液體/氣體混合物通過孔26離開氣體通道38，孔26也出現另一壓力降，也使液體出現更多霧化。圖6顯示了圖5所示的定子葉片10的頂視圖。
在反向發(fā)泡作用裝置的另一實施例中，不使用來自渦輪機進入定子葉片10的開口42的氣體，而是提供來自外部源的氣體到氣體通道38。氣體以與供應液體到流體通道14相類似的方式提供到定子葉片10。
多孔介質的實施例圖7顯示了所公開裝置的另一實施例。定子葉片10的部分剖開的視圖顯示定子葉片從葉片基部54延伸，基部可插入渦輪機的內殼體。流體通道14位于定子葉片內部，可輸送水到定子葉片10的內部。在這個實施例中，定子葉片的內部包括多孔介質。在另一實施例中，多孔介質可以是燒結不銹鋼，其等效孔隙率為大約0.016％到大約0.4％。定子葉片10的多孔介質暴露于位于定子葉片的最大壓力表面46的氣體流動路徑，類似地，在定子葉片的孔表面18，也有暴露的多孔介質。渦輪機中的氣體在最大壓力表面46通過暴露的多孔介質進入定子葉片10。氣體與通過流體通道14提供的液體在定子葉片10的多孔介質中混合，使液體霧化。氣體和霧化液體的混合物通過孔表面18離開定子葉片10，進入渦輪機的流道。圖8顯示了圖7的定子葉片10的頂視圖。
圖9顯示了所公開的裝置的另一實施例。定子葉片10包括只位于孔表面18的多孔介質。定子葉片10內部是定子葉片空腔48。液體通過流體通道14供應到定子葉片空腔48。因此，當流體通道提供流體到定子葉片空腔48時，液體將通過位于孔表面18的多孔介質離開空腔48，當其進入渦輪機的流道時進行霧化。圖10顯示了圖9所示的定子葉片10的頂視圖。定子葉片10的孔表面包括多孔介質。定子葉片的其余外表面可以是標準的非多孔材料，是普通的用于制造定子葉片的材料。
熱交換器的實施例在這個實施例中，使用帶有氣壓霧化器的至少一級定子葉片將霧化的液體引入渦輪機的氣體流動路徑，其結合有熱交換器以便加熱進行霧化的液體和冷卻用于促進霧化過程的氣體。如上面討論的，如果主壓縮機的氣流通過注入在氣體流動路徑中蒸發(fā)的液體而冷卻，軸流渦輪機如但不限于壓縮機，要求的功率將減少。蒸發(fā)的越厲害，冷卻的越多。因此，為了加強蒸發(fā)，希望加熱注入的液體，使得蒸發(fā)更容易，這是因為液滴的表面張力的減小。此外，如果霧化氣體得到冷卻，其密度和黏度也增加。因此，當霧化氣體以很高速度與液體互相作用時，由于氣體的密度和黏度增加，大量的切向應力將在氣體和液體之間界面產生。較大的切向應力在液體中形成更大的擾動，使得液體的霧化增加。液體預熱所喪失的冷卻能量要比在蒸發(fā)過程中得到的能量小很多，因為蒸發(fā)潛熱與比熱相比要大得多。
圖11是顯示熱交換器裝置的實施例的示意圖。顯示出渦輪機62。氣體管線66從渦輪機的后級區(qū)得到加熱和壓縮的氣體。液體通過流體管線70和泵74泵入系統。氣體管線66和流體管線70連接到熱交換器58。熱交換器58從而利用來自氣體管線66的加熱和壓縮的氣體加熱來自流體管線70的液體。類似地，流體管線70中相對冷的液體使氣體管線66的加熱和壓縮氣體冷卻。一旦通過熱交換器58，冷卻的氣體和加熱的液體被引導到定子葉片空腔48。在空腔48內，冷卻的氣體是霧化的，因為其在與空腔內的液體相互作用時具有相對高的流速。霧化的液體然后通過定子葉片10的孔表面上的氣壓霧化器的孔26排出。熱交換器58可從盤管式熱交換器，板式熱交換器或殼-管式熱交換器中選擇，但又不限于這些熱交換器。在本文中使用的術語“霧化器”可簡單地由孔形成，但也可包括另外的部件，比如但不限于，空氣的通道、液體的渦旋葉片，以及其他有助于液體霧化的機構。
在渦輪機62是壓縮機的實施例中，壓縮機可壓縮大約1000磅/秒的氣體，通過特定級的定子葉片10有大約10磅/秒的液體將注入壓縮機的氣體流道，大約1磅/秒的霧化氣體將用于位于特定級的定子葉片10。例如，如果在特定級有100個定子葉片10，各定子葉片10設有氣壓霧化器，然后大約0.1磅/秒的水將通過定子葉片注入氣體流動路徑，各定子葉片將使用大約0.01磅/秒的霧化氣體。
振動的實施例在這個實施例中，液體的霧化是通過對空腔中的液體振動來實現，該空腔與許多小孔流體連通。振動的實現是通過以很高頻率對空腔表面(振動板)進行振動。設置了多個振動發(fā)生器對振動板進行振動，一些振動發(fā)生器是，但不限于，壓電促動裝置，雙金屬帶，產生溫度波動的熱電偶，或能產生靜電脈沖的電容器。
液體腔中的脈動提供了一種液體霧化的機理。代替使用與液體相互作用的高速氣體使液體出現擾動形成較小的液滴，該實施例使用了更直接方法。液體通過振動板的振動進行擾動，從而使液體細化為較小液滴。與使用氣壓霧化器相比，壓電促動器的好處是，其要求較少的附加能量。另一優(yōu)點是脈動霧化器的尺寸較小。
圖12顯示了公開的振動裝置的實施例。定子葉片10顯示出設有流體通道14，提供流體道兩個腔78。各個腔78受到壓電促動器82的作用。壓電促動器82重復地促動使振動板86運動，使腔78中的液體受到由振動板86的運動造成的壓力波，也稱作脈動，的作用。在一個實施例中，脈動的頻率將大約在1到10MHz，進入的液體壓力為大約30磅/平方英寸。作用在腔78的液體的壓力波有助于在通過小孔90時液體的霧化。小孔的直徑可以在10微米。振動霧化器的厚度在大約100微米，長度可以在5英寸的量級。這樣的振動霧化器可沿尾邊連接到表面上，這樣的無變動的定子葉片就不會干擾定子葉片的空氣動力學性能。
圖13是一個壓電促動器82的近視圖。在這個視圖中，顯示出腔82支承于流體通道14、振動板86、壓電促動器82和三個小孔90。壓電促動器重復地促動，使振動板86運動，在腔78中的液體產生壓力波，使得當液體離開小孔90時液體進行霧化。
充氣腔的實施例現在制造的渦輪機可結合上面討論的實施例。所制造的殼體設置定子葉片10，其帶有來自外部流體源的液體。一種向渦輪機的內部提供液體的已知方式是在制造過程中在殼體內形成充氣腔，設有一定數量的外部端口，可容納來自外部供應源的液體。充氣腔圍繞殼體的整個周面延伸，能夠圍繞渦輪機的整個周面分配液體流。但是，當翻新改進時，空腔未成為殼體整體的一部分，就必須制作充氣腔。過去熱交換器形成充氣腔要在殼體上鉆出端口，在殼體周圍使用外部管路以傳送外部液體。當只有少量的端口時使用這個方法，但是在要求設置大量端口時，該方法無法實行。例如，如果外部液體連通到渦輪機的100個葉片級的各定子葉片的內部，就需要在殼體鉆出100個端口。大量的端口將對結構整體性形成危險，因此希望減少端口數量。
圖14顯示了分配液體到渦輪機內部的裝置的充氣腔的實施例。該實施例對于渦輪機的翻新改進特別有用。在圖14中，顯示了殼體94和定子葉片10。在殼體的內部表面設有殼體凹槽106，在內殼體表面加工成360度的圓周面。在所公開的實施例中，殼體凹槽在渦輪機殼體上延伸整個360度；但是在另一實施例中，設置了兩個殼體凹槽，各自覆蓋大約180度的殼體；或設置三個凹槽，各槽覆蓋大約120度的殼體。殼體凹槽106形成了在渦輪機的整個圓周面上延伸的充氣腔110。充氣腔110可通過一個或多個端口114輸入來自外部源的液體。重要的是要注意到可只有一個端口114來供應充氣腔110的整個圓周面，因此允許在殼體94鉆出有限數目的端口，從而保留了殼體的結構完整性。殼體94和定子葉片10之間的配合表面可用一對靜密封118來進行密封，比如但不限于，繩密封。其他的密封件也可使用，包括熱膨脹系數大于殼體或定子葉片材料的金屬和高溫環(huán)氧樹脂。此外，由于定子葉片10組裝時是將各個葉片互相堆疊，所以葉片之間存在間隙，因此在與凹槽106連通時可能形成泄漏路徑。葉片之間間隙可用各對葉片之間的靜密封122密封。靜密封122可以但不限于繩密封件。另外，可采用熱膨脹系數大于殼體或定子葉片的金屬制成的密封件，或者也可采用高溫環(huán)氧樹脂。前面提到的泄漏路徑的密封是很重要的，因為泄漏可造成泄漏液體的不可控霧化，可導致泄漏流體霧化形成尺寸較大的液滴。充氣腔110與定子葉片空腔48連通。定子葉片空腔48與定子葉片10的孔表面附近的前面提到的霧化實施例的小孔26連通。
圖15顯示出所公開的充氣腔的另一實施例。在這個實施例中，對渦輪機的各級中的定子葉片的頂表面加工出凹槽102。在另一實施例中，不是全部定子葉片都要加工出定子葉片凹槽102，例如不加工凹槽102的定子葉片加工出形成更大充氣腔的凹槽。
下面介紹對渦輪機的該實施例進行改造的方法。將渦輪機的上殼體取下。殼體凹槽106加工成殼體內表面上的360度圓周面。在殼體上加工出至少一個端口114，可與殼體凹槽106流體連通。在渦輪機的葉片級中至少一個定子葉片加工出定子葉片空腔48和小孔26。重新組裝渦輪機，至少一個端口114連接到外部通道，該通道提供液體到新形成的充氣腔110。
在一個實施例中，殼體凹槽106的寬度為1.5英寸，深度為0.25英寸。在另一實施例中也設置了定子葉片凹槽，然后定子葉片的寬度為1.5英寸，深度為0.125英寸。殼體凹槽的長度為1.25英寸，深度為0.125英寸，寬度為0.25英寸。小孔26的直徑為10密耳。
卡式管路的實施例在所公開裝置的另一實施例中，帶有孔的卡式管路設置在一個或多個定子葉片的尾流區(qū)。在一個或多個定子葉片的尾流區(qū)通過卡式管路輸入作為冷卻介質的液體可減少負面的空氣動力學影響。所公開的實施例的另一優(yōu)點是對現有渦輪機進行改造時，不需要對其他部件進行廣泛改動，如定子葉片。
圖16顯示了卡式管路機構的實施例。定子葉片10顯示出從殼體94延伸。在定子葉片10的孔表面18的附近設置了也從殼體94延伸的卡式管路130?？ㄊ焦苈?30的外徑很小，所以可完全位于定子葉片10的尾流區(qū)。在一個實施例中，卡式管路134的外徑為大約0.25英寸?？ㄊ焦苈?30帶有孔26?？?6面對最大霧化的方向或面對最大尾流動量增加的方向。圖17顯示了定子葉片10和卡式管路130的頂視圖。虛線134代表了離開定子葉片10的氣流的尾流軌跡。從圖17可以看到，卡式管路130位于虛線134顯示的尾流區(qū)。在一個實施例中，小孔的直徑大約為10密耳。如果卡式管路用卡式管路提供的液體的動量增量來彌補尾流的動量欠缺，可帶來的空氣動力學上的益處?？ㄊ焦苈房山Y合熱交換器，代替通過定子葉片傳輸來自熱交換器的加熱液體和冷卻氣體，加熱液體和冷卻氣體可通過卡式管路傳輸。
高壓區(qū)噴嘴的實施例現在已經發(fā)現，如果流體在定子葉片的高壓表面附近進入渦輪機的氣體流動路徑，當流體離開噴嘴和與氣流互相作用時，可發(fā)生霧化，其中氣流是沿與流體相對或接近相對的方向流動。因此在另一實施例中，噴嘴應位于定子葉片的高壓表面或其附近，以引入流體到氣體流，從而導致流體良好霧化。
盡管在上面的實施例中，已經討論了引入液體到渦輪機的氣體流動路徑，類似的優(yōu)點的實現還可通過引入冷卻氣體(比如但不限于，冷卻氮氣)到渦輪機的氣體流動路徑，以便在渦輪機中冷卻氣體。因此，所有的上面介紹的實施例可包括引入氣體以及液體到渦輪機的氣體流動路徑。
盡管參考示例性實施例對所公開的方法和裝置的實施例進行了介紹，所屬領域的技術人員應當知道，在不脫離公開的方法和裝置的實施例的范圍的情況下，可進行各種改變，部件可進行等同代換。此外，在不脫離其基本范圍的情況下，可進行許多改進以適應特定的用途，和使材料適合公開的方法和裝置的實施例的要求。因此，期望公開的方法和裝置的實施例不要限于特定的實施例，盡管這些特定實施例以實現公開的方法和裝置實施例的最佳模式公開，公開的方法和裝置的實施例應當包括屬于所附權利要求的范圍內的所有
權利要求
1.一種在渦輪機(62)內氣體流動路徑分配流體的裝置，其包括將流體引入氣體流動路徑的機構；其中，所述機構位于所述氣體流動路徑中。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，霧化的流體在定子葉片(10)的低壓區(qū)附近進入所述氣體流動路徑。
3.一種在渦輪機(62)內氣體流動路徑分配流體的裝置，所述裝置包括至少一個定子葉片(10)，位于至少一個渦輪機(62)級；流體通道(14)，與所述定子葉片(10)的內部流體連通；流體源，與所述流體通道(14)流體連通；和至少一個小孔(26)，位于所述定子葉片(18)的孔表面，所述小孔(26)與所述定子葉片(10)內部流體連通。
4.一種在渦輪機(62)內氣體流動路徑分配流體的裝置，所述裝置包括至少一個定子葉片(10)，位于至少一個渦輪機(62)級；氣體通道(38)；流體通道(14)，位于所述定子葉片(10)的內部，設置成位于所述氣體通道(38)周圍的多孔環(huán)面(50)，允許流體通過所述流體通道(14)進入所述氣體通道(38)；流體源，與所述流體通道(14)流體連通；和至少一個小孔(26)，位于所述定子葉片(18)的孔表面，所述小孔(26)與所述氣體通道(38)流體連通。
5.一種在渦輪機(62)內氣體流動路徑分配流體的裝置，所述裝置包括至少一個定子葉片(10)，位于至少一個渦輪機(62)級，所述定子葉片(10)包括貫穿其內部的多孔材料，所述多孔材料暴露于定子葉片的最大壓力表面(46)部分和定子葉片的孔(26)的表面(18)部分；流體通道(14)，位于所述定子葉片(10)的內部，可提供流體到所述定子葉片(10)的內部；流體源，與所述流體通道(14)流體連通；其中，所述定子葉片(10)允許氣體從所述渦輪機(62)的氣體流動路徑通過最大壓力表面(46)，與所述流體通道(14)提供的流體混合，霧化的流體通過所述小孔(26)的表面(18)離開所述定子葉片(10)。
6.一種在渦輪機(62)內氣體流動路徑分配流體的裝置，所述裝置包括至少一個定子葉片(10)，位于至少一個渦輪機(62)級，所述定子葉片(10)包括通過一部分內部的空腔，和位于小孔(26)表面(18)部分的多孔材料；流體通道(14)，位于所述定子葉片(10)的內部，可提供流體到所述定子葉片(10)的內部；流體源，與所述流體通道(14)流體連通；其中，所述定子葉片(10)可從所述流體通道(14)接受流體到其內部，允許流體從內部通過所述小孔(26)表面(18)的多孔材料流出，進入所述渦輪機(62)的氣體流動路徑。
7.一種在渦輪機(62)內氣體流動路徑分配霧化的流體的裝置，所述裝置包括熱交換器(58)，可加熱來自外部流體源的流體；至少一個定子葉片(10)，位于至少一個渦輪機(62)級，所述定子葉片(10)包括通過內部一部分的空腔；至少一個霧化器，位于所述定子葉片(18)的孔表面，所述霧化器可流體連通地連接到所述空腔；其中，所述定子葉片(10)可流體連通地連接到所述熱交換器(58)，以接受加熱的流體進入所述空腔，所述加熱的流體通過所述霧化器孔(26)從所述空腔排出，進入渦輪機(62)的氣體流動路徑。
8.一種在渦輪機(62)內氣體流動路徑分配霧化的流體的裝置，所述裝置包括熱交換器(58)，可加熱來自外部流體源的流體；至少一個定子葉片(10)，位于至少一個渦輪機(62)級；管路，位于所述定子葉片的孔表面(18)附近；至少一個小孔(26)，位于所述管路的側面；所述小孔(26)可流體連通地連接到所述空腔；其中，所述管路可流體連通地連接到所述熱交換器(58)，接受加熱的流體進入所述空腔，所述加熱的流體通過所述孔(26)從所述空腔排出，進入渦輪機(62)的氣體流動路徑。
9.一種在渦輪機(62)內氣體流動路徑分配流體的裝置，所述裝置包括至少一個定子葉片(10)，位于至少一個渦輪機(62)級，所述定子葉片(10)包括至少一個空腔(78)；所述空腔(78)包括可分離地連接到振動發(fā)生器的振動板(86)；流體通道(14)，位于所述定子葉片(10)的內部，可流體連通地連接到所述空腔(78)；至少一個小孔(26)，位于所述定子葉片(18)的孔表面，可流體連通地連接到所述空腔(78)；流體源，與所述流體通道(14)流體連通；其中，在所述流體通過所述小孔(26)從所述空腔(78)排出進入所述渦輪機(62)的氣體流動路徑之前，所述空腔(78)可振動通過所述流體通道(14)供應到所述空腔(78)的流體。
10.一種在渦輪機(62)內氣體流動路徑分配流體的裝置，所述裝置包括至少一級渦輪機(62)，所述渦輪機級包括360度的殼體(94)和至少一個定子葉片(10)，其從所述殼體(94)的內表面沿徑向延伸；殼體凹槽(106)，位于所述殼體(94)的內表面；定子葉片空腔(48)，位于所述定子葉片(10)的內部，并可與殼體凹槽(106)流體連通；端口(114)，位于所述殼體(94)，與所述殼體凹槽(106)流體連通；和至少一個小孔(26)，位于所述定子葉片(18)的孔表面，所述小孔(26)與所述定子葉片空腔(48)流體連通。
全文摘要
一種在渦輪機(62)內氣體流動路徑分配流體的裝置，其包括將流體引入氣體流動路徑的機構，該機構位于氣體流動路徑中。一種安裝沿渦輪機(62)內氣體流動路徑分配流體的裝置的方法，所述方法包括在殼體(94)的內表面上加工出殼體凹槽(106)，在殼體(94)加工出至少一個端口(114)，可與殼體凹槽(106)流體連通；在至少一個定子葉片(10)上加工出內部空腔，可與殼體凹槽(106)流體連通；在定子葉片(18)的孔表面加工出至少一個可與內部空腔流體連通的小孔(26)；連接流體源到至少一個端口(114)。
文檔編號F02C3/30GK1616798SQ20041009572
公開日2005年5月18日 申請日期2004年11月10日 優(yōu)先權日2003年11月10日
發(fā)明者R·R·特雷溫, J·P·莫爾茨黑姆, E·塞文切爾, K·R·柯特利, R·E·帕夫里, X·劉 申請人:通用電氣公司