渦輪發(fā)動機以及渦輪發(fā)動機的氣動組件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種渦輪發(fā)動機。所述渦輪發(fā)動機包括：氣動組件，所述氣動組件設置成與工作流體流相互作用；以及輪廓特征，所述輪廓特征設置在所述氣動組件上，在至少一個維度上對齊，所述輪廓特征彼此接近并且配置成促使反向旋轉(zhuǎn)渦流生成，所述反向旋轉(zhuǎn)渦流大致垂直于沿所述氣動組件的主流方向?qū)蛏伞?br> 【專利說明】渦輪發(fā)動機以及渦輪發(fā)動機的氣動組件
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及渦輪機，更為具體地說，涉及渦輪發(fā)動機，所述渦輪發(fā)動機具有被配置成提供用于延遲流動分離的氣動組件。
【背景技術】
[0002]一種典型的渦輪機如燃氣渦輪發(fā)動機包括壓縮機、燃燒室、渦輪以及擴壓器。壓縮機壓縮入口空氣，并且燃燒室使得被壓縮的入口空氣與燃料一起燃燒。燃燒產(chǎn)生的高能產(chǎn)物被導入渦輪，在所述渦輪中，這些高能產(chǎn)物在發(fā)電操作中膨脹。擴壓器設置在渦輪下游，并且用于在燃燒產(chǎn)物排出到大氣中之前減少這些燃燒產(chǎn)物的剩余能量。
[0003]一般地說，擴壓器包括:外壁；中間主體，所述中間主體設置在所述外壁內(nèi)以便界定環(huán)狀路徑；以及一個或多個葉片，所述葉片橫越所述環(huán)狀路徑。在基線渦輪機運行期間，燃燒產(chǎn)物流經(jīng)擴壓器的速度足夠高，并且不會呈現(xiàn)出與一個或多個葉片的表面流動分離。然而，在部分負載操作如燃氣潤輪發(fā)動機啟動或消減序列(turn-down sequences)中，燃燒產(chǎn)物速度減小或高攻角條件生效，并且趨于發(fā)生流動分離。這種流動分離導致擴壓器性能降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種渦輪發(fā)動機，所述渦輪發(fā)動機包括:氣動組件，所述氣動組件設置成與工作流體流氣動地相互作用；以及輪廓特征，所述輪廓特征設置在所述氣動組件上，并與所述氣動組件在至少一個維度(dimension)上對齊。所述輪廓特征彼此接近并且配置成促使反向旋轉(zhuǎn)渦流生成，這種反向旋轉(zhuǎn)渦流生成導向與沿著所述氣動組件的主流方向大致上垂直。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種渦輪發(fā)動機的氣動組件，所述氣動組件包括:環(huán)狀內(nèi)壁，所述環(huán)狀內(nèi)壁設置在環(huán)狀外壁內(nèi)，從而界定環(huán)狀路徑，所述環(huán)狀內(nèi)壁包括角裂縫(angular break),所述角裂縫界定軸向位置，在所述軸向位置處，所述環(huán)狀路徑路徑沿著所述角裂縫后部的軸向尺寸(axial dimension)上的面積增加速率大于沿著所述角裂縫前部的軸向尺寸上的面積增加速率；并且至少第一和第二輪廓特征設置在所述環(huán)狀內(nèi)壁上。所述第一和第二輪廓特征在所述角裂縫附近并且沿著所述軸向位置大致上對齊。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種渦輪發(fā)動機的氣動組件，所述氣動組件包括:環(huán)狀內(nèi)壁，所述環(huán)狀內(nèi)壁設置在環(huán)狀外壁內(nèi)，從而界定環(huán)狀路徑，所述環(huán)狀內(nèi)壁包括角裂縫，所述角裂縫界定軸向位置，在所述軸向位置處，所述環(huán)狀路徑路徑沿著所述角裂縫后部的軸向尺寸上的面積增加速率大于沿著所述角裂縫前部的軸向尺寸上的面積增加速率；；以及排列在所述環(huán)狀內(nèi)壁上的輪廓特征，每個輪廓特征接近所述角裂縫和相鄰輪廓特征。所述輪廓特征各自沿著所述軸向位置大致上對齊，以促使反向旋轉(zhuǎn)渦流生成，這種反向旋轉(zhuǎn)渦流導向與沿著所述環(huán)狀內(nèi)壁的主流方向大致上垂直。
[0007]這些和其它優(yōu)點和特征將從結(jié)合附圖的以下描述中更加清楚?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0008]本專利申請文件中的權(quán)利要求書詳細指出并明確主張了本發(fā)明。通過以下結(jié)合附圖的詳細描述可以清楚地了解本發(fā)明的上述和其他特征以及優(yōu)點，在附圖中:
[0009]圖1是包括氣動組件的渦輪發(fā)動機的一部分的側(cè)視圖；
[0010]圖2是在基線操作期間圖1所示氣動組件的徑向視圖；
[0011]圖3是在部分負載操作期間圖1所示氣動組件的徑向視圖；
[0012]圖4是圖1所示氣動組件的吸入側(cè)的放大圖；
[0013]圖5是根據(jù)進一步實施例的圖1所示氣動組件的徑向視圖；
[0014]圖6是根據(jù)替代實施例的圖1所示氣動組件的徑向視圖；以及
[0015]圖7是根據(jù)進一步實施例的包括氣動組件的渦輪發(fā)動機的擴壓器的側(cè)視圖。
[0016]【具體實施方式】參考附圖以實例方式介紹本發(fā)明的各項實施例以及優(yōu)點和特征。
【具體實施方式】
[0017]根據(jù)本發(fā)明的各個方面，通過沿著例如翼型或葉片的低壓表面(即吸入側(cè))形成反向旋轉(zhuǎn)渦流提供在渦輪機的一個或多個部分中的延遲流動分離。所述延遲流動分離在與所述潤輪機的削減(turn-down)操作相關聯(lián)的相對高的攻角條件下尤其有用。所述延遲流動分離易于通過輪廓的附加件如凹凸(bumps)、突起或刻痕對所述翼型或葉片的所述低壓表面進行，從而促使沿著相對于穿過所述渦輪機的工作流體的主流方向垂直界定的線形成切向反向旋轉(zhuǎn)渦流結(jié)構(gòu)。
[0018]參照圖1至4，提供一種渦輪機10，如燃氣渦輪發(fā)動機，的一個或多個部分。例如，渦輪機10部分可以是擴壓器部分11 (參見圖7)，所述擴壓器部分設置在渦輪部分下游，以便在出自渦輪部分的燃燒產(chǎn)物排放到大氣中之前，減少這些燃燒產(chǎn)物的剩余能量。所述擴壓器部分11包括環(huán)狀外壁12，如擴壓器殼體，并且包括環(huán)狀內(nèi)壁13，所述環(huán)狀內(nèi)壁可以提供作為中間主體的外部表面。所述環(huán)狀內(nèi)壁13設置在所述環(huán)狀外壁12內(nèi)，以便界定環(huán)狀路徑14，工作流體如所述燃燒產(chǎn)物可以被引導穿過所述環(huán)狀路徑(參見圖7)。
[0019]所述擴壓器部分11進一步包括氣動組件20，如擴壓器葉片，所述氣動組件設置成橫越所述環(huán)狀路徑14以便由此與所述工作流體氣動地相互作用。所述氣動組件20包括:前緣21，所述前緣相對于穿過所述軌道14的工作流體流的主要方向界定；以及后緣22，所述后緣在所述氣動組件20的、與所述前緣21相反的弦向端部處界定。所述氣動組件20進一步包括吸入側(cè)23和壓力側(cè)24，所述吸入側(cè)和所述壓力側(cè)設置在所述氣動組件20的相反側(cè)上并且分別從所述前緣21延伸到所述后緣22。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的實施例，包括單獨輪廓特征31的輪廓特征陣列30設置在所述吸入側(cè)23上，位于在所述氣動組件20的所述前緣21附近的弦向位置處。每個單獨輪廓特征31設置成各自緊鄰另一(即相鄰)獨輪廓特征31。所述輪廓特征陣列30至少包括第一輪廓特征32和第二輪廓特征33，并且在一些情況下，包括額外輪廓特征34。為了清晰簡潔，以下描述將僅僅描述包括上文提及的輪廓特征多個輪廓特征35。
[0021]所述多個輪廓特征35中的每一個沿著所述氣動組件20的展向維(spanwisedimension),即DS,與所述多個輪廓特征35中的相鄰一個大致上對齊。這種對齊以及所述多個輪廓特征35的形狀(將在下文描述)促使沿著相對于所述工作流體的基流的吸入側(cè)23生成切向反向旋轉(zhuǎn)渦流40 (參見圖4)，所述工作流體在主流方向50上沿著穿過所述渦輪機10的大致上筆直的路徑行進(參見圖4)。由于所述多個輪廓特征35的形狀，所述反向旋轉(zhuǎn)渦流40導向可以相對于所述工作流體的主流方向50大致上垂直。這樣，所述反向旋轉(zhuǎn)渦流40組合形成沿著所述吸入側(cè)23的夾帶并通電的流60的增強射流。所述夾帶并通電的流60 (參見圖4)沿著所述吸入側(cè)23維持邊界層的穩(wěn)定性，從而在某些應用中延遲或阻止與所述吸入側(cè)23流動分離，例如在高攻角入口條件下呈現(xiàn)的那些應用中。
[0022]如圖4所示，所述反向旋轉(zhuǎn)渦流40界定在所述夾帶并通電的流60的每個增強射流的任一側(cè)上。在多方面的和離散的軸向位置處，所述反向旋轉(zhuǎn)渦流40被提供作為雙流渦。在每個單獨流渦內(nèi)，工作流體流向?qū)喞卣?5的中線，并且隨后在橢圓模式中遠離所述中線。所述雙流渦可以在向后軸向方向上傳播，或固定在所述離散軸向位置中。
[0023]參照圖2和3，示出單個氣動組件20和工作流體流200，其中假定圖示反映的是基線或設計點條件。如圖所示，工作流體流200相對于所述前緣21具有相對低的攻角，并且因此工作流體流200以相對穩(wěn)定的邊界層201圍繞的所述氣動組件20流動。在與例如所述渦輪機10的消減操作相關聯(lián)的部分負載條件下，工作流體流趨于具有相對高的攻角，如圖3所示。一般地說，這將趨于使得所述邊界層201不穩(wěn)定并且導致流動分離，但是由于所述吸入側(cè)23設置有所述多個輪廓特征35，因此所述邊界層201保持相對穩(wěn)定。在圖2所示情況中，所述多個輪廓特征35的存在大致上不會影響圍繞所述氣動組件20的工作流體流200。
[0024]所述多個輪廓特征35中的每一個可以包括突起70，所述突起設置在所述氣動組件20的所述吸入側(cè)23上，位于在所述前緣21附件的弦向位置處。如圖4所示，并且根據(jù)實施例，所述多個輪廓特征35中的每一個可以具有大致上類似的淚珠形狀71，這種淚珠形狀具有球狀凸出前端710和狹窄凹陷尾端711。對于所述多個輪廓特征35中的每一個具有與所述多個輪廓特征35中的另一個大致上類似的形狀的那些情況，所述淚珠形狀71導致行近流72在所述突起70的表面上分叉，從而因此在相鄰突起70之間生成聚合流對73。通過使得相鄰突起70彼此足夠接近，所述聚合流對73彼此相互作用并且與環(huán)繞流相互作用以生成反向旋轉(zhuǎn)渦流40，所述反向旋轉(zhuǎn)渦流沿著所述吸入側(cè)23傳播，從而沿著所述吸入側(cè)23形成夾帶并通電的流60的增強射流。
[0025]盡管圖1至4涉及所述多個輪廓特征35中的每一個具有類似形狀的實施例，但應理解，這僅僅是示例性的，而且存在其他實施例。例如，參照圖5，所述多個輪廓特征35中的單個輪廓特征31可以沿著所述氣動組件20的展向維，即DS，具有穩(wěn)定變化的形狀或尺寸。在圖5中通過各個點線、虛線或?qū)嵕€標識在氣動組件20各自的展向位置處具有穩(wěn)定增加的唯一尺寸的單獨輪廓特征3。
[0026]參照圖6，并且根據(jù)替代實施例，所述多個輪廓特征35中的每一個可以形成為界定在吸入側(cè)23上的凹處80。對于這些替代實施例，應理解，上文參照圖5所述的變體也適用于此。也就是說，所述凹處80的形狀和尺寸可以是一致的或沿著所述氣動組件20的展向維，即DS,穩(wěn)定變化的。
[0027]參照圖7，所示渦輪機10部分提供作為擴壓器部分11的特定情況。如上指出，所述擴壓器部分11設置在渦輪部分下游，以便在出自渦輪部分的燃燒產(chǎn)物排放到大氣中之前，減少這些燃燒產(chǎn)物的剩余能量。所述擴壓器部分11包括環(huán)狀外壁12，如擴壓器殼體，并且包括環(huán)狀內(nèi)壁13，所述環(huán)狀內(nèi)壁可以提供作為中間主體130的外部表面。所述環(huán)狀內(nèi)壁13設置在所述環(huán)狀外壁12內(nèi)，以便界定環(huán)狀路徑14，工作流體如所述燃燒產(chǎn)物可以被引導穿過所述環(huán)狀路徑。
[0028]所述擴壓器部分11可以進一步包括人行巷道15，所述人行巷道橫越所述環(huán)狀路徑14和氣動組件20，所述氣動組件可以用作上述擴壓器葉片或在所述中間主體130的軸向端部用作中間主體端部部件131。如圖7所示，所述中間主體130具有大致上一致的直徑，而所述環(huán)狀外壁12具有沿著所述擴壓器部分11的軸向尺寸，即DA，逐漸增大的直徑。這種配置導致所述環(huán)狀路徑14的面積沿著所述軸向尺寸，即DA，逐漸增大，轉(zhuǎn)而導致所述工作流體能量減少。與所述中間主體130的配置相反，所述中間主體端部部件131具有沿著所述軸向維，即DA，逐漸減小的直徑，這樣使得所述環(huán)狀路徑14的面積沿著所述中間主體端部部件131的軸向長度以相對快的速率增大，相較之下，所述環(huán)狀路徑14的面積沿著所述中間主體130的、從所述中間主體端部部件131向前界定的軸向長度以相對慢的速率增大。
[0029]角裂縫90界定在位于所述中間主體130與所述中間主體端部部件131之間的附接位置處，盡管理解為所述中間主體130和所述中間主體端部部件131可以整體聯(lián)接。所述角裂縫90界定軸向位置，在所述軸向位置處，所述環(huán)狀路徑14沿著所述軸向維，即DA，以相對快的速率逐漸增大。
[0030]提供用作所述中間主體130和所述中間主體端部部件131的外部表面的環(huán)狀內(nèi)壁13包括端壁輪廓特征陣列100。所述端壁輪廓特征陣列100包括單個端壁輪廓特征101并且被設置在軸向位置處，所述軸向位置界定在所述角裂縫90附近。也就是說，所述端壁輪廓特征陣列100可以所述角裂縫90只向前或只向后設置。所述端壁輪廓特征陣列100可以配置成大致上類似上述輪廓特征陣列30，相同描述因此省略。
[0031]盡管本發(fā)明只結(jié)合有限數(shù)量的實施例進行詳細描述，但應易于了解，本發(fā)明并不限于此類披露的實施例。相反，本發(fā)明可以進行修改，以便并入在此之前并未描述但與本發(fā)明的精神和范圍相符的任何數(shù)量的變化、更改、替換或等效布置。此外，盡管本發(fā)明的各項實施例已進行描述，但要理解，本發(fā)明的各個方面可以只包括所述實施例中的一些。因此，本發(fā)明不應被視為受限于前述描述，而只受限于所附權(quán)利要求書的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種渦輪發(fā)動機，包括: 氣動組件，所述氣動組件設置成與工作流體流相互作用；以及 輪廓特征，所述輪廓特征設置在所述氣動組件上，在至少一個維度上對齊， 所述輪廓特征彼此接近并且配置成促使反向旋轉(zhuǎn)渦流生成，所述反向旋轉(zhuǎn)渦流大致垂直于沿所述氣動組件的主流方向?qū)蛏伞?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)動機，其中所述氣動組件包括葉片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪發(fā)動機，其中所述輪廓特征在所述葉片的吸入側(cè)上沿著所述葉片的前緣對齊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)動機，其中所述氣動組件包括擴壓器的環(huán)狀內(nèi)壁。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪發(fā)動機，其中所述輪廓特征在沿著所述環(huán)狀內(nèi)壁界定的角裂縫處對齊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)動機，其中每個所述輪廓特征包括突起。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)動機，其中每個所述輪廓特征包括凹處。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪發(fā)動機，其中每個所述輪廓特征具有淚珠形狀。
9.一種用于渦輪發(fā)動機的氣動組件，包括: 環(huán)狀內(nèi)壁，所述環(huán)狀內(nèi)壁設置在環(huán)狀外壁內(nèi)，從而界定環(huán)狀路徑， 所述環(huán)狀內(nèi)壁包括角裂縫，所述角裂縫界定軸向位置，在所述軸向位置處，所述環(huán)狀路徑沿著所述角裂縫后部的軸向尺寸上的面積增加速率大于沿著所述角裂縫前部的軸向尺寸上的面積增加速率；以及，設置在所述環(huán)狀內(nèi)壁上的至少第一和第二輪廓特征， 所述第一和第二輪廓特征在所述角裂縫附近并且沿著所述軸向位置大致上對齊。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的渦輪發(fā)動機的氣動組件，其中每個所述第一和第二輪廓特征包括突起或凹處之一。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的渦輪發(fā)動機的氣動組件，其中每個所述第一和第二輪廓特征包括淚珠形狀。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的渦輪發(fā)動機的氣動組件，其中每個淚珠形狀的輪廓特征包括球狀前端和狹窄尾端。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的渦輪發(fā)動機的氣動組件，其中所述球狀前端具有凸出形狀，并且所述狹窄尾端具有凹陷形狀。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的渦輪發(fā)動機的氣動組件，其中每個所述第一和第二輪廓特征具有大致上類似的形狀。
15.一種用于渦輪發(fā)動機的氣動組件，包括: 環(huán)狀內(nèi)壁，所述環(huán)狀內(nèi)壁設置在環(huán)狀外壁內(nèi)，從而界定環(huán)狀路徑， 所述環(huán)狀內(nèi)壁包括角裂縫，所述角裂縫界定軸向位置，在所述軸向位置處，所述環(huán)狀路徑沿著所述角裂縫后部的軸向尺寸上的面積增加速率大于沿著所述角裂縫前部的軸向尺寸上的面積增加速率；以及 輪廓特征，所述輪廓特征排列在所述環(huán)狀內(nèi)壁上，每個所述輪廓特征在所述角裂縫和相鄰輪廓特征附近，以及 所述輪廓特征均沿著所述軸向位置大致上對齊，所述反向旋轉(zhuǎn)渦流大致垂直于沿所述氣動組件的主流方向?qū)蛏伞?br> 16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的渦輪發(fā)動機的氣動組件，其中每個所述輪廓特征包括突起或凹處之一。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的渦輪發(fā)動機的氣動組件，其中每個所述輪廓特征包括淚珠形狀。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的渦輪發(fā)動機的氣動組件，其中每個淚珠形狀的輪廓特征包括球狀前端和狹窄尾端。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的渦輪發(fā)動機的氣動組件，其中所述球狀前端具有凸出形狀，并且所述狹窄尾端具有凹陷形狀。
20.根據(jù)權(quán)利要求19 所述的渦輪發(fā)動機的氣動組件，其中每個所述輪廓特征具有大致上類似的形狀。
【文檔編號】F01D25/30GK103485846SQ201310224780
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年6月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月8日
【發(fā)明者】S.M.斯帕克斯 申請人:通用電氣公司