本申請公開的主題涉及渦輪機，并且更具體地涉及渦輪機的渦輪中的噴嘴末級。

背景技術(shù)：

比如為燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪機可以包括壓縮機、燃燒器和渦輪。氣體在壓縮機中被壓縮、與燃料混合、然后被供給至燃燒器內(nèi)，在此使氣體/燃料混合物燃燒。高溫和高能量排出流體然后被供給至渦輪，在此流體的能量被轉(zhuǎn)換成機械能。在渦輪的末級中，低根部反應(yīng)可以引起橫向于主流方向的二次流。二次流可以負面地影響末級的效率并且導(dǎo)致不希望的局部轂旋流，這負面地影響擴散器的性能。這樣，增加根部反應(yīng)以控制二次流并且減小局部轂旋流將是有益的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

以下概括與最初要求保護的發(fā)明的范圍相稱的一些實施例。這些實施例非旨在限制所請求保護的發(fā)明的范圍，而這些實施例僅旨在提供本發(fā)明的可能的形式的概要。事實上，本發(fā)明可以包括可以與以下闡述的實施例相似或不同的各種形式。

在第一實施例中，一種布置在渦輪中的渦輪噴嘴，包括：吸入側(cè)，吸入側(cè)在渦輪噴嘴的前緣與渦輪噴嘴的后緣之間沿軸線方向并且橫向于渦輪噴嘴的縱向軸線延伸，吸入側(cè)在徑向方向上沿著縱向軸線延伸渦輪噴嘴的高度；與吸入側(cè)相對地布置并且在渦輪噴嘴的前緣與渦輪噴嘴的后緣之間沿軸線方向延伸的壓力側(cè)，壓力側(cè)沿徑向方向延伸噴嘴的高度；以及布置在噴嘴的吸入側(cè)上并且相對于吸入側(cè)的其他部分沿橫向于徑向方向和軸向方向兩者的方向突出的凸起。

在第二實施例中，一種系統(tǒng)，包括渦輪，渦輪包括第一環(huán)形壁、第二環(huán)形壁和噴嘴末級，噴嘴末級包括圍繞旋轉(zhuǎn)軸線環(huán)形地布置的多個噴嘴。每個噴嘴包括在第一環(huán)形壁與第二環(huán)形壁之間延伸的高度、前緣、布置在前緣的下游的后緣、沿軸線方向在前緣與后緣之間延伸并且沿徑向方向延伸噴嘴的高度的吸入側(cè)、與吸入側(cè)相對地布置并且在噴嘴的前緣與噴嘴的后緣之間沿軸線方向延伸并且沿徑向方向延伸噴嘴的高度的壓力側(cè)、以及布置在噴嘴的吸入側(cè)上并且沿橫向于從旋轉(zhuǎn)軸線延伸的徑向平面的方向突出的凸起。

在第三實施例中，一種系統(tǒng)，包括渦輪，渦輪包括第一環(huán)形壁、第二環(huán)形壁和末級，末級包括圍繞旋轉(zhuǎn)軸線環(huán)形地布置的多個噴嘴。每個噴嘴包括位于第一環(huán)形壁與第二環(huán)形壁之間的高度、前緣、布置在前緣的下游的后緣、沿軸線方向在前緣與后緣之間延伸并且沿徑向方向延伸噴嘴的高度的吸入側(cè)、與吸入側(cè)相對地布置并且在噴嘴的前緣與噴嘴的后緣之間沿軸線方向延伸并且沿徑向方向延伸噴嘴的高度的壓力側(cè)、以及位于噴嘴的吸入側(cè)上并且沿橫向于從旋轉(zhuǎn)軸線延伸的徑向平面的方向突出并且沿軸線方向延伸的凸起，其中，多個噴嘴的每個噴嘴朝向壓力側(cè)相對于徑向平面形成角度。

附圖說明

當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細說明時將能夠更好地理解本發(fā)明的這些以及其他特征、方面和優(yōu)點，其中，相同的附圖標(biāo)記在全部附圖中代表相同的零件，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的各方面的渦輪機的一個實施例的示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的各方面的噴嘴的一個實施例的主視透視圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的各方面的在渦輪的級中設(shè)計有吸入凸起的部分陣列噴嘴的一個實施例的主視圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的各方面的在渦輪的級中設(shè)計有吸入凸起的部分陣列噴嘴的一個實施例的后視圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的各方面的兩個相鄰噴嘴的俯視截面圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明的各方面的由渦輪的級中的相鄰噴嘴限定的無量綱喉部分布的曲線表示；

圖7是根據(jù)本發(fā)明的各方面的最大噴嘴厚度除以50％跨距處的最大噴嘴厚度的無量綱分布的曲線表示；

圖8是根據(jù)本發(fā)明的各方面的除以軸向弦長的最大噴嘴厚度的無量綱分布的曲線表示；

圖9是根據(jù)本發(fā)明的各方面的具有吸入側(cè)凸起的噴嘴的截面圖；

圖10是根據(jù)本發(fā)明的各方面的相對于徑向疊置翼型朝向壓力側(cè)傾斜的噴嘴的示意圖；以及

圖11是根據(jù)本發(fā)明的各方面的與徑向疊置翼型相比具有3度壓力側(cè)傾斜的噴嘴的透視圖。

具體實施方式

以下將說明本發(fā)明的一個或更多個具體實施例。為了提供這些實施例的簡明說明，說明書中可以不說明實際實施方式的所有特征。應(yīng)當(dāng)理解的是，在任何這些實際實施方式的開發(fā)過程中，如在任何工程項目或設(shè)計項目中，必須做出許多具體實施方式的決定以實現(xiàn)開發(fā)者的特定目標(biāo)，比如符合系統(tǒng)相關(guān)和商業(yè)相關(guān)的限制，這種限制可能在一個實施方式中不同于另一個實施方式。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，這些研制計劃可能是復(fù)雜和費時的，然而對于受益于本發(fā)明的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說其設(shè)計、制作和制造是例行工作。

當(dāng)介紹本發(fā)明的各個實施例的元件時，詞匯“一種”、“一個”、“該”和“所述”旨在意味著具有一個或更多個元件。術(shù)語“包括”、“包含”和“具有”意指是包括在內(nèi)的并且意味著可能具有除所列元件之外的另外的元件。

在燃氣渦輪發(fā)動機中燃燒之后，排出流體排出燃燒器并且進入渦輪。低根部反應(yīng)可以在渦輪的末級中引入強力的二次流(即，橫向于主流方向的流)，這降低了末級的效率。另外，葉片轂中或周圍的二次流可能引入不希望的旋流，其可以表現(xiàn)為在葉片中出口流剖面/輪廓(profile)中的旋流脈沖(swirl spike)，這負面地影響擴散器的性能。在吸入側(cè)上具有凸起的噴嘴設(shè)計、在末級中實施的朝向壓力側(cè)的輕微傾斜以及喉部的靠近轂區(qū)域的開口可被用于實現(xiàn)根部反應(yīng)，由此減少二次流和不希望的旋流。

現(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，圖1是渦輪機10(例如燃氣渦輪發(fā)動機)的一個實施例的示圖。圖1中示出的渦輪機10包括壓縮機12、燃燒器14和渦輪16。空氣或一些其他氣體在壓縮機12中壓縮、與燃料混合、供給到燃燒器14內(nèi)以及然后燃燒。排出流體被供給至渦輪16，在此來自排出流體的能量轉(zhuǎn)換成機械能。渦輪包括多個級18，包括末級20。每個級18可以包括聯(lián)接至旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)子和具有環(huán)形陣列噴嘴的定子，轉(zhuǎn)子具有圍繞旋轉(zhuǎn)軸線26旋轉(zhuǎn)的環(huán)形陣列的軸向?qū)?zhǔn)的輪葉或葉片。因此，末級20可以包括末級定子22和末級轉(zhuǎn)子24。為了清晰起見，圖1包括具有軸線方向28、徑向方向32和圓周方向34的坐標(biāo)系。另外，示出徑向平面30。徑向平面30在一個方向中沿軸線方向28(沿著旋轉(zhuǎn)軸線26)延伸，并且然后沿徑向方向向外延伸。

圖2是噴嘴36的實施例的正面透視圖(即大致向下游看)。末級20中的噴嘴36構(gòu)造成沿徑向方向32在第一環(huán)形壁40與第二環(huán)形壁42之間延伸。每個噴嘴36可以具有翼型類型形狀并且可被構(gòu)造成在排出流體沿軸線方向28大致向下游流動通過渦輪16時與來自燃燒器14的排出流體氣動地相互作用。每個噴嘴36具有前緣44、沿軸線方向28布置在前緣44的下游的后緣46、壓力側(cè)48和吸入側(cè)50。壓力側(cè)48沿軸線方向28在前緣44與后緣46之間、以及沿徑向方向32在第一環(huán)形壁40與第二環(huán)形壁42之間延伸。與壓力側(cè)48相反地，吸入側(cè)50沿軸線方向28在前緣44與后緣46之間、以及沿徑向方向32在第一環(huán)形壁40與第二環(huán)形壁42之間延伸。末級20中的噴嘴36配置成使得一個噴嘴36的壓力側(cè)48面向相鄰噴嘴36的吸入側(cè)50。當(dāng)排出流體朝向噴嘴36之間的通道38流動并且流過通道38時，排出流體與噴嘴36氣動地相互作用使得排出流體以相對于軸線方向28的角動量流動。低根部反應(yīng)可以在渦輪的輪葉末級20中引入強的二次流和不希望的旋流，降低輪葉末級20的效率和擴散器的性能。填充有具有從吸入側(cè)的下部突出的凸起52的噴嘴36的噴嘴末級24可能激勵根部反應(yīng)，由此減輕二次流和不希望的旋流，噴嘴末級24使喉部在接近轂區(qū)域處打開(以及在一些實施例中，朝向壓力側(cè)48輕微傾斜)。

圖3和圖4分別示出部分陣列噴嘴36的正面透視圖(即，沿軸線方向28大致面向下游)和背面透視圖(即，逆著軸線方向28大致面向上游)，部分陣列噴嘴36沿徑向方向32在第一環(huán)形壁40與第二環(huán)形壁42之間延伸，并且在渦輪16的噴嘴末級24中設(shè)計有吸入側(cè)凸起52。注意到，噴嘴36之間的通路38的寬度在噴嘴36的底部開始，具有寬度W₁。當(dāng)凸起52沿徑向方向32在達到噴嘴36的高度54的20％-40％附近最大時，通道38的寬度W₂最小，并且在凸起52塌陷(subside)時通道38的寬度W₃、W₄向著噴嘴36的頂部變大。

圖5是兩個相鄰噴嘴36的俯視圖。注意底部噴嘴36的吸入側(cè)50如何面向頂部噴嘴的壓力側(cè)48。軸向弦長(axial chord)56是噴嘴36沿軸線方向的尺寸。級18的兩個相鄰噴嘴36之間的通道38限定在相鄰噴嘴36之間的通道38的最窄區(qū)域處測量的喉部D_o。流體沿軸線方向28流過通道38。將關(guān)于圖6更詳細地論述D_o沿著噴嘴36的高度的上述分布。每個噴嘴36在給定高度處的最大厚度示出為T_max。將關(guān)于圖7和圖8更詳細地論述跨越噴嘴36的高度的T_max分布。

圖6是由末級20中的相鄰噴嘴36限定的喉部D_o的分布的曲線圖58，示出為曲線60。垂直軸線62，x表示沿徑向方向32在第一環(huán)形壁40與第二環(huán)形壁之間的百分比跨距(percent span)，或者在徑向方向32上沿著噴嘴36的高度54的百分比跨距。即，0％跨距表示第一環(huán)形壁40，100％跨距表示第二環(huán)形壁42，0％與100％之間的任何點對應(yīng)于環(huán)形壁40、42之間在徑向方向32上沿著噴嘴的高度的百分比距離。水平軸線64，y表示兩個相鄰噴嘴36之間在給定百分比跨距處的最短距離D_o除以跨過噴嘴36的整個高度的D_o平均值D_o，AVG。通過使D_o除以D_o，AVG使得曲線圖58無量綱，因此曲線60在噴嘴級22對于不同的應(yīng)用而比例增大或縮小時保持相同?？梢詫τ谄渲兴捷S線僅為D_o的單個尺寸渦輪做出相似的曲線圖。在給定百分比跨距處的D_o，/D_o，AVG，或y可以利用以下等式找到：(+/-5％公差)：

y＝-0.0000000877x³+0.000161x²-0.00222x+0.819 (1)

如能夠在圖6中看到的，當(dāng)沿徑向方向32從第一環(huán)形壁40或點66移動時，凸起52使D_o保持在平均D_o的大約80％。在點68處，大約凸起52的中部，(例如，達到噴嘴的高度54的大約30％)，凸起52開始縮入并且D_o在第二環(huán)形壁42或點70處增大至平均D_o的大約1.3倍。該喉部D_o分布激勵在輪葉末級20中的根部反應(yīng)，這提高了輪葉末級的效率和擴散器的性能，這可以引起渦輪的動力輸出的顯著增大。在一些實施例中，可以使動力輸出提高1.7MW以上。

圖7是與常規(guī)設(shè)計76的噴嘴相比的如曲線74的T_max/T_max在50％跨距處的分布的曲線圖72。垂直軸線78，x表示沿徑向方向32在第一環(huán)形壁40與第二環(huán)形壁之間的百分比跨距，或者在徑向方向32上沿著噴嘴36的高度54的百分比跨距。水平軸線80，y表示噴嘴36在給定百分比跨距處的最大厚度T_max除以在50％跨距處的T_max。T_max除以50％跨距處的T_max使得曲線圖72是無量綱的，因此曲線74在噴嘴級22對于不同的應(yīng)用比例增大或比例減小時保持相同?？梢詫τ谄渲兴捷S線僅為T_max的單個尺寸渦輪做出相似的曲線圖。給定百分比跨距處的T_max/在50％跨距處的T_max或y可以利用以下方程式建立(+/-5％公差)：

y＝-0.00000000803x⁴+0.00000224x³-0.000228x²+0.0104x+0.820

(2)

如在圖7中看到的，當(dāng)從第一環(huán)形壁40或點82沿著徑向方向32移動時，T_max從50％跨距處T_max的大約83％開始，然后快速接近50％跨距處的T_max。從35％跨距至大約60％跨距，T_max與50％跨距處的T_max基本相同。在點84或大約60％跨距處，T_max與50％跨距處的T_max偏離(diverge)，并且保持大于50％跨距處的T_max，直到噴嘴22達到第二環(huán)形壁42或點86。

圖8是與常規(guī)設(shè)計的噴嘴90相比如曲線88的T_max/軸向弦長的分布的曲線圖86。垂直軸線92，x表示沿徑向方向32在第一環(huán)形壁40與第二環(huán)形壁42之間的百分比跨距，或者在徑向方向32上沿著噴嘴36的高度54的百分比跨距。水平軸線94，y表示噴嘴36在給定百分比跨距處的最大厚度T_max除以噴嘴36的沿軸線方向28的尺寸的軸向弦長56。T_max除以軸向弦長56使得曲線圖86是無量綱的，因此曲線88在噴嘴級22對于不同的應(yīng)用比例增大或比例減小時保持相同。給定百分比跨距處的T_max/軸向弦長或y可以利用以下方程式建立(+/-5％公差)：

y＝-0.00000000318x⁴+0.000000875x³-0.0000842x²+2.37x+0.322

(3)

如能夠在圖8中看到的，當(dāng)從第一環(huán)形壁40或點96沿徑向方向32移動時，T_max開始小于常規(guī)設(shè)計，而當(dāng)凸起在點98處從常規(guī)設(shè)計達到其最大擴散度時增大成大于常規(guī)設(shè)計。從點98至第二環(huán)形壁42(點100)，T_max接近常規(guī)設(shè)計的T_max。該最大厚度T_max分布激勵在輪葉末級20中的根部反應(yīng)，這提高了輪葉末級的效率和擴散器的性能，這可以引起渦輪的動力輸出的顯著增大。在一些實施例中，可以使動力輸出提高1.7MW以上。

圖9是具有吸入側(cè)50凸起52的噴嘴36的側(cè)面剖視圖。圖9中的虛線102代表徑向疊置噴嘴(即，沒有凸起52的相似噴嘴設(shè)計)的吸入側(cè)壁102。凸起52從吸入側(cè)50沿橫向于徑向平面30的方向突出，徑向平面30在一個方向上沿徑向方向32并且在第二方向上沿軸線方向28從旋轉(zhuǎn)軸線26延伸。距離104表示在凸起52處于其最大突出的沿著噴嘴36的高度54的點處、凸起從沒有凸起52的徑向疊置噴嘴的假想吸入側(cè)102突出的距離。如可以在圖9中看到的，凸起52可以在噴嘴36的高度的大約0-20％之間的位置(即，從第一環(huán)形壁40至第二環(huán)形壁42的跨距的0-20％)處突出。即，具有凸起52的噴嘴36的輪廓可以在從噴嘴36的底部(即噴嘴36與第一環(huán)形壁40相交的位置)到噴嘴36的高度54的大約20％的任何點處從徑向疊置噴嘴的假想吸入側(cè)壁102開始發(fā)散。例如，凸起52可以在噴嘴36的高度54的大約0％、2％、5％、15％或20％處或者在其之間的任何位置處開始突出。在其他實施例中，凸起可以在噴嘴36的高度54的1％與15％之間、或在噴嘴36的高度54的5％與10％之間開始突出。凸起52可以具有在噴嘴36的高度54的大約0.5％與10％之間的最大突出104(即，與徑向疊置噴嘴的吸入側(cè)壁102的最大偏差)?？商娲兀畲笸蛊鹜怀?04可以在噴嘴36的高度54的大約0.5％與5.0％之間或1.0％與4.0％之間。凸起52可以在噴嘴36的高度54的大約20％與30％之間達到其最大突出104(即在從第一環(huán)形壁40至第二環(huán)形壁42的跨距的大約20％與30％之間)。例如，最大凸起突出可以出現(xiàn)在噴嘴36的高度54的大約20％、22％、24％、26％、28％或30％或者其之間的任何位置處。在一些實施例中，凸起52可以在噴嘴36的高度54的大約20％與30％之間、22％與28％之間或23％與27％之間達到其最大突出104。在達到最大凸起突出104時，具有吸入側(cè)凸起52的噴嘴36的輪廓開始與徑向疊置噴嘴的吸入側(cè)壁102處會聚。凸起52可以在噴嘴36的高度54的大約50％與60％之間(即，從第一環(huán)形壁40至第二環(huán)形壁42的跨距的大約50％與60％之間)的點處終止(即，具有吸入側(cè)凸起52的噴嘴36的輪廓與徑向疊置噴嘴的吸入側(cè)壁102會聚)。在其他實施例中，凸起52可以在噴嘴36的高度54的大約52％與58％、53％與57％或54％與56％之間的點處終止。即，凸起52可以在噴嘴36的高度54的大約50％、52％、54％、56％、58％或60％的點或其之間的任何位置處終止。在一些實施例中，凸起52可以在軸線方向28上沿著吸入側(cè)50的整個長度從前緣44延伸至后緣46。在其他實施例中，凸起52可以僅沿著吸入側(cè)50的一部分在前緣44與后緣46之間延伸。填充有在吸入側(cè)50上具有凸起52的噴嘴36的末級定子22激勵根部反應(yīng)，這幫助減少二次流和不希望的旋流。所公開技術(shù)的實施可以提高末級和擴散器兩者的性能，導(dǎo)致渦輪機的輸出的實質(zhì)的受益。在一些實施例中，所公開的技術(shù)可以將輪葉末級的性能提高大約200KW或更多，并且可以將擴散器性能提高大約1500KW或更多，用于大約1700KW或更多的總收益。然而，應(yīng)該理解的是通過所公開的技術(shù)的實施獲得的收益可以在渦輪機與渦輪機之間存在差異。

在一些實施例中，與徑向疊置翼型106相比，噴嘴36可以與壓力側(cè)48傾斜或形成角度。圖10示出與徑向疊置翼型106相比朝向壓力側(cè)48成角度的噴嘴36的示意圖。即，噴嘴36可以具有從徑向平面30朝向壓力側(cè)48(即，沿圓周方向34)的傾斜角108。注意到圖10并未按比例，并且為了清晰起見，其可以示出比在一些實施例中建立的或大或小的傾角108。注意到，徑向疊置翼型106具有沿著徑向平面30在徑向方向32上延伸的縱向軸線，并且可以與渦輪16的旋轉(zhuǎn)軸線26相交。相比之下，噴嘴36的縱向軸線112可以從徑向平面30朝向噴嘴36的壓力側(cè)48傾斜角度108。噴嘴的縱向軸線112可以在第一環(huán)形壁40上或其附近的點114處與徑向平面30相交，并且可以不與渦輪16的旋轉(zhuǎn)軸線26相交。

圖11示出與徑向疊置翼型106相比具大約有3度壓力側(cè)48傾角108的噴嘴36的透視圖。即，噴嘴36可以從徑向平面30朝向壓力側(cè)48(即，沿圓周方向34)傾斜3度。傾角108可以處于0-5度之間的任何位置。在圖11示出的實施例中，壓力側(cè)48傾角108是3度。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是傾角108可以是位于0度與5度之間的朝向壓力側(cè)48的任何傾斜角度。具有壓力側(cè)48傾角108的噴嘴36在穿過級24的流體上施加體積力(body forces)，沿徑向方向朝向轂推動流體。朝向轂推進流體提高根部反應(yīng)。因此，具有吸入側(cè)50凸起52和壓力側(cè)48傾角108的噴嘴36增強了輪葉末級20中的根部反應(yīng)，這減少了二次流和旋流，提高了輪葉末級20的效率并且提高了擴散器的性能。

所公開實施例的技術(shù)效果在于，布置在渦輪中的渦輪噴嘴包括：在噴嘴的前緣與渦輪噴嘴的后緣之間沿軸線方向并且橫向于渦輪噴嘴的縱向軸線延伸的吸入側(cè)，吸入側(cè)在徑向方向上沿著縱向軸線延伸噴嘴的高度；與吸入側(cè)相對地布置并且在渦輪噴嘴的前緣與渦輪噴嘴的后緣之間沿軸線方向延伸的壓力側(cè)，壓力側(cè)沿徑向方向延伸噴嘴的高度；以及布置在噴嘴的吸入側(cè)上并且相對于吸入側(cè)的其他部分沿橫向于徑向方向和軸向方向兩者的方向突出的凸起。凸起可以在噴嘴高度的大約0％與20％之間的點處開始，在噴嘴高度的大約20％與40％之間的點處達到其最大寬度，以及在噴嘴高度的大約50％與60％之間的點處終止。凸起可以具有在噴嘴高度的大約0.5％與10.0％之間的最大寬度。另外，當(dāng)與徑向疊置噴嘴相比時，噴嘴可以朝向壓力側(cè)傾斜。填充有在吸入側(cè)上具有凸起的噴嘴的末級定子激勵根部反應(yīng)，這幫助減少二次流和不希望的旋流。在一些實施例中，所公開的技術(shù)可以將輪葉末級的性能提高大約200KW或更多，并且可以將擴散器性能提高大約1500KW或更多，用于大約1700KW或更多的總收益。然而，應(yīng)該理解的是通過所公開的技術(shù)的實施獲得的收益可以在渦輪機與渦輪機之間存在差異。

本說明書利用示例以公開本發(fā)明，包括最佳方式，并且還使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明的可獲得專利的范圍由權(quán)利要求限定，并且可以包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其他示例。如果這些其他示例具有并非不同于權(quán)利要求的字面語言的結(jié)構(gòu)元件，或者這些其他示例包括與權(quán)利要求的字面語言無實質(zhì)性區(qū)別的等同結(jié)構(gòu)元件，則這些其他示例旨在落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)。