专利名称：用于空气流控制的方法和设备的制作方法
技术领域：
本文中所公开的主题涉及燃气涡轮。更特定而言，本主题涉及在燃气涡轮中的导叶。
背景技术：
在燃气涡轮中，压缩机通过增加流体的切向动量来给诸如空气的流体添加动能。 来自压缩机的动能和来自燃烧器的热能由流体(常常为空气)输送给涡轮，流体的能量在涡轮中被转换为机械能。若干因素会影响在压缩机中添加动能的效率。这些因素可包括在压缩机内的空气分配、跨过压缩机的压力升和在压缩机中的损失源。一个实施例是在压缩机中的导叶，其影响进入压缩机中的空气流的分配和幅度。导叶可被设计成在涡轮的选定工况(例如满负荷、高动力输出和/或高燃料用量)下有高的效率。导叶控制压缩机中的空气流，这决定了可供应给燃气涡轮系统的其余部分的动能的赋予(entitlement)。但是， 当以较低的负荷和减少的动力输出运行时，来自导叶的空气流分配和空气动力学加载导致有较低效率的燃气涡轮性能。
发明内容
根据本发明的一方面，一种空气流控制设备包括将定位于涡轮机的空气入口与压缩机转子之间的导叶。另外，该导叶包括构造成控制转子上的空气流入射的几何形状，该导叶还具有基本上恒定的展弦比。此外，导叶的主体包括构造成响应于由电源提供的能量而改变导叶的几何形状的形状记忆材料。根据本发明的另一方面，一种用于控制压缩机中的空气流的方法包括使来自入口的空气朝向导叶流动；以及对导叶中的形状记忆材料施加能量，以改变导叶的几何形状而控制朝向转子的空气流的分配。根据本发明的又一方面，一种涡轮压缩机包括空气入口、定位于空气入口的下游的转子，以及定位于空气入口与转子之间的导叶，该导叶包括形状记忆材料。该压缩机还包括联接到形状记忆材料上以导致导叶几何形状改变的电源。根据结合附图获得的以下描述，这些和其它优点和特征将变得更加显而易见。
在说明书的结论部分处的权利要求中特别地指出和明确地要求保护被看作本发明的主题。根据结合附图获得的以下详细描述，本发明的前述和其它特征和优点是显而易见的，其中图1是包括具有导叶和转子的压缩机的燃气涡轮的一个实施例的截面侧视图；图2是图1的导叶的截面图；图3是成翼型件的形状的导叶的一个实施例的截面图；以及图4是在形状记忆材料改变导叶几何形状时的导叶的一个实施例的透视图。
详细描述以参照附图的实例的方式阐述了本发明的实施例，以及优点和特点。部件列表100燃气涡轮IO2 轴线104 导叶106压缩机108 内毂110夕卜壳112 入口区域114空气流116 转子118 定子120 转子122 定子124 转子126 定子128 流130 电源132控制器134 弦136 长度200翼型件202 前缘204 后缘206翼型件壁208 导线210 腔体300翼型件302 前缘304 后缘306翼型件壁308 导线310 腔体400 导叶402 第一形状404 第二形状406 旋转408导叶叶根410导叶叶尖
具体实施例方式图1显示了绕着中心线轴线102设置的燃气涡轮100的一个实施例的截面侧视图。该涡轮100包括设置于压缩机106中的导叶104。空气在压缩机106中被压缩且与燃料混合，燃料在燃烧器中燃烧且在涡轮中膨胀。涡轮然后响应于膨胀而旋转，从而驱动压缩机106且产生旋转动力输出。多个入口导叶104(示出了一个)绕着中心线轴线102设置在一个或多个压缩机 106的前面。如所描绘的那样，压缩机106包括内毂108和外壳110，从而提供朝向一个或多个燃烧器的空气流径。入口导叶104将来自入口区域112的空气流(如箭头114所指示) 向下游引导向压缩机106的第一级。在一方面，压缩机106包括多个级。该多个级中的第一级包括转子116和定子118。类似地，第二级包括转子120和定子122，而第三级包括转子IM和定子126。空气流114朝向下游流动，其中，导叶104产生通过该多个压缩机级且进入燃烧器中的流分配或流场，其由流箭头1 指示。在一个实施例中，导叶104(也为“入口导叶”或“IGV”)包括形状记忆材料(或 “形状记忆合金”)，该形状记忆材料与导叶104可操作地连通，以在对形状记忆材料施加能量时改变导叶104的几何形状。举例而言，形状记忆材料嵌入于导叶104的内部和/或外部中或形成导叶104的内部和/或外部的一部分。形状记忆材料可包括柔性复合材料，在该复合材料中嵌入有导体或导线。导线可操作地联接到电源130上，其中，电源选择性地对导线施加电流和热的形式的能量。在一方面，电源130联接到控制器132上，以基于涡轮工况来对导线选择性地施加电流而改变导叶104的几何形状。诸如镍钛(NiTi)的导线材料在传输电流时产生显著的温度变化。在一个实施例中，具有基本上直的形状的直的MTi导线缠绕成紧密螺旋且嵌入于复合材料中。当对导线施加选定水平的电流时，导线被加热以保持其先前的基本上直的形状。因此，在载流导线伸直时，复合形状记忆材料会从第一形状变成第二形状或几何形状。电源130将选定水平的电流从诸如电池的直流(DC)源、基于电力线的交流(AC)源或任何其它合适的电源提供给导线。形状记忆材料可被描述为具有这样的形状记忆性质其中，材料基于诸如施加给材料的能量的情况来记住多种不同的形状。 举例而言，形状记忆材料构造成在低温处具有一种形状而在高温处具有第二种形状。在加热和冷却两者期间显示形状记忆性质的材料可被称作双向形状记忆材料。如所描绘的那样，导叶104为由弦134和长度136尺寸限定的翼型件，其中，展弦比(长度/弦)为这些尺寸的关系的表达。在一个实施例中，在导叶的形状或几何形状被形状记忆材料改变时，导叶104的展弦比是基本上恒定或固定的。继续参看图1的实施例，当选定水平的电流被引导给嵌入的导线时，导叶104几何形状会改变。举例而言，导叶104的轮廓或几何形状为针对满负荷和增加的动力的涡轮工况而设计的第一形状和针对减小的负荷或降速(turn down)涡轮工况而设计的第二形状的形式。满负荷工况出现于需要来自涡轮的增加的动力的时候，而低负荷或降速工况出现于需要较少动力时的非高峰时间期间。因此，第一形状产生使得能够在满负荷工况下有改进的燃烧、效率和动力产生量的空气流分配。第二形状产生对于较低的动力工况(例如在非高峰动力需求期间)最高效的空气流分配。在各方面，当空气流的径向分配已经改进了通过压缩机的均勻性时，涡轮燃烧效率得到提高。具体而言，在导叶104的可变几何形状导致在多种涡轮负荷工况下在转子叶片上有基本上均勻的空气流入射时，总效率得到改进。空气流入射是来自导叶的空气流与转子叶片的关系或对准度。基本上均勻的空气流可被描述为在翼型件(导叶或转子叶片)的跨度上的导致涡轮工况有改进的效率的径向空气分配。 在一个实施例中，导叶104改变导叶的相对于来自入口的空气流的角度，这取决于涡轮工况。另外，效率还受到通过压缩机100的空气流的量的影响。空气流的量取决于喷射到燃烧器中的燃料的量和相关联的涡轮负荷工况而有所不同。在各方面，不同的动力和燃料用量情形提供了不同的运行工况，其中，调节导叶104的可变几何形状来改进涡轮效率。在一个实施例中，导叶104包括单个部件或零件。在其它实施例中，导叶104包括多个部件。在一些实施例中，导叶104的整个结构包括形状记忆材料，其中，导线嵌入于整个基于复合材料的结构中。这样的结构允许导叶104的整个几何形状基于当前工况而变化。 在其它实施例中，导叶104结构的选定部分或区域包括形状记忆材料。举例而言，导叶104 的后缘包括形状记忆材料，从而使得后缘的轮廓或几何形状能够基于涡轮工况选择性地变化。在另一个实施例中，前缘基于选择性地施加给位于导叶的前缘中的形状记忆材料的电流而改变几何形状。在各方面，导叶104的形状记忆材料包括合金、柔性碳纤维复合材料、 导线和/或纳米粒子，其中，当能量施加给该材料或材料的选定部分时，形状记忆材料会改变形状。施加给材料的能量可包括电流、电压、电磁波、热或其它合适的能量。尽管关于特定类型的燃气涡轮发动机100而显示了本实施例的导叶104，但是该导叶可用于任何已知的涡轮发动机类型，包括但不限于蒸汽涡轮、燃气涡轮和航改涡轮。在一些实施例中注意到，所描绘的通过压缩机106的空气流包括任何合适的流体，包括空气、氧气、气体燃料、液体燃料或它们的任何组合。另外，可变几何形状的导叶104可定位于压缩机106的各个级之间。如本文中所讨论的那样，导叶104也被称作空气流控制设备。图2是沿着图1的线2-2所截取的截面图，其示出成翼型件200形状的导叶104 的轮廓。翼型件200包括前缘202和后缘204。翼型件200包括形成翼型件壁206的至少一部分的形状记忆材料，例如柔性复合材料。诸如导线208的导体嵌入于翼型件壁206中。 如所描绘的那样，导线208嵌入于后缘204的柔性复合材料壁206中，因此形成后缘形状记忆区域。在一个实施例中，翼型件200基本上为中空结构，其中，腔体210由翼型件壁206 包围。如先前所讨论，在对导线208施加电流时，包括复合材料壁206和导线208的形状记忆材料会改变后缘204的几何形状。在一些实施例中，形状记忆材料和翼型件200基于一天中的时间来改变几何形状，其中，时间对应于工况和期望的动力输出。举例而言，假设的涡轮发动机从8PM至8AM经历低负荷工况而从8AM至8PM经历满负荷工况。因此，翼型件 200具有设计成在满负荷工况下有改进的效率的第一形状和设计成在低负荷工况下有改进的效率的第二形状，其中，形状变化材料使得能够有第一形状与第二形状之间的变化。在一个实施例中，包括处理器、存储器、软件、固件、输入和输出的控制器联接到电源上，以控制对应于安排的或预先编程的工况(例如上文所讨论的低负荷时间和满负荷时间)的几何形状变化。在另一个实施例中，反馈回路在控制器132上运行，该反馈回路接收感测到的涡轮参数，其中，使用感测到的涡轮参数来确定翼型件200的几何形状。举例而言，传感器确定燃烧器中的温度和不希望的燃烧副产物的量。因此，感测到的温度和副产物参数用来确定用于感测到的工况的涡轮动力产生量的改进的翼型件和导叶几何形状，并且将对应的电流水平发送给形状记忆材料。在实施例中，形状记忆材料在一个或多个维度或区域和/或整个导叶轮廓中改变翼型件200几何形状。举例而言，形状记忆材料和导线构造成使导叶有翼展方向和/或弦方向的膨胀和收缩。此外，形状记忆材料构造成使导叶的至少一部分旋转。举例而言，导线嵌入于翼型件壁中，从而导致导叶叶尖的跨度变化以及导致导叶叶尖绕着导叶的固定叶根旋转。图3是成翼型件300的形状的导叶的一个实施例的截面图。翼型件300包括前缘 302和后缘304。翼型件300包括翼型件壁306，其中，壁306的至少一部分包括形状记忆材料。形状记忆材料包括嵌入于翼型件壁306的柔性复合材料中的前缘导线308和后缘导线309。翼型件300基本上为中空的，具有腔体310，从而对翼型件提供柔性。因此，当对壁的柔性形状记忆材料施加能量时翼型件300几何形状会改变。如所描绘的那样，前缘导线 308和后缘导线309嵌入于壁306中，从而在翼型件300的前缘部分和后缘部分(302，304) 两者中形成形状记忆区。因此，基于涡轮工况，对前缘导线308和/或后缘导线309施加选定的电流，以分别使前缘302和/或后缘304有形状变化。因此，在一些实施例中，对于多种涡轮负荷工况，在导叶300中的形状记忆材料使得转子叶片上能够有基本上均勻的空气流入射。基本上均勻的入射导致沿翼展方向在转子叶片上有均勻的径向空气流分配，其中， 基本上均勻的入射导致在选定的涡轮负荷工况下有改进的压缩机和燃烧器效率。另外，与被设计成在一种工况下有改进的燃烧和效率但在第二种工况下效率较低的静态导叶几何形状相比，在导叶300中的形状记忆材料提供了改进的总涡轮效率。图4是导叶400的一个实施例的透视图。导叶400被示出处于第一形状402和第二形状404。如上文所讨论，在导叶400中的形状记忆材料使得在对形状记忆材料施加电流形式的能量时能够有几何形状变化。在一个实施例中，形状或几何形状变化使导叶400旋转，如由箭头406所指示。为了帮助旋转406，导叶叶根408或导叶叶尖410附连到压缩机上。举例而言，如果导叶叶根408附连到压缩机的内壁、毂或壳体上，则当对形状变化材料施加电流时，导叶叶尖410会相对于叶根408旋转406。将或者叶根408或者叶尖410附连到压缩机上使得叶根408和/或叶尖410能够相对地旋转406，如图4所示。在满负荷工况下当处于第一形状402时以及在低负荷工况下处于第二形状404时，导叶400的旋转在转子上提供了改进的空气流入射。在实施例中，导叶400的形状不同于翼型件。在具有备选导叶形状的实施例中，形状变化材料和导叶400构造成基于工况来使几何形状改变，以改进涡轮效率。虽然仅结合了有限数量的实施例来详细描述本发明，但应当容易理解，本发明并不限于这样的公开的实施例。相反，可修改本发明以结合之前未描述的但与本发明的精神和范围相当的任意数量的变型、改变、替代或等效布置。另外，虽然描述了本发明的多种实施例，但是应当理解，本发明的各方面可包括所描述的实施例中的仅一些。因此，本发明不应视为由前面进行的描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。
权利要求
1.一种空气流控制设备，包括能够定位于涡轮机(100)的空气入口(112)和转子(116)之间的导叶(104)，所述导叶(104)具有构造成控制所述转子(116)上的空气流入射的几何形状，所述导叶还具有基本上恒定的展弦比，所述导叶的主体至少部分地包括构造成响应于由电源(130)提供的能量而改变所述导叶(104)的几何形状的形状记忆材料。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，基于涡轮负荷工况来对所述形状记忆材料施加所述能量。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述导叶(104)包括单件结构且所述导叶几何形状包括前缘(20 和后缘004)。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述形状记忆材料包括所述后缘(204)的一部分且构造成改变所述后缘O04)的形状以控制所述转子(116)上的空气流入射。
5.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述形状记忆材料包括所述前缘(202)的一部分且构造成改变所述前缘O02)的形状以控制所述转子(116)上的空气流入射。
6.一种用于控制压缩机(106)中的空气流的方法，包括使来自入口(112)的空气朝向导叶(104)流动；以及对所述导叶(104)中的形状记忆材料施加能量，以改变所述导叶(104)的几何形状而控制转子(116)上的空气流的入射。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，施加能量包括基于涡轮负荷工况来将所述导叶(104)的所述几何形状从第一形状改变为第二形状。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，对所述形状记忆材料施加能量包括对嵌入于柔性复合材料中的导线(208)施加电流。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，施加能量包括基于工况来使所述转子 (116)上有基本上均勻的空气流入射。
10.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，施加能量包括在所述导叶(106)的所述几何形状改变时使所述导叶(106)的叶根(408)或叶尖(410)移动。
全文摘要
本发明涉及用于空气流控制的方法和设备。根据本发明的一方面，一种空气流控制设备包括将定位在涡轮机的空气入口和转子之间的导叶。另外，该导叶包括构造成控制转子上的空气流入射的几何形状，该导叶还具有基本上恒定的展弦比。此外，导叶的主体包括构造成响应于由电源提供的能量而改变导叶的几何形状的形状记忆材料。
文档编号F02C9/20GK102400956SQ201110280228
公开日2012年4月4日 申请日期2011年8月19日 优先权日2010年8月19日
发明者C·E·拉马斯特, J·D·戴尔 申请人:通用电气公司