涡轮发动机的气动组件的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种用于涡轮发动机的气动组件。所述气动组件包括：前缘和后缘，所述前缘和后缘是相对于工作流体流穿过通路的主方向限定的，而所述通路穿过所述涡轮发动机；吸入侧和压力侧，所述吸入侧和压力侧从所述前缘相对地延伸到所述后缘；以及至少第一和第二轮廓特征，所述第一和第二轮廓特征在所述吸入侧上靠近所述前缘。所述第一和第二轮廓特征大体上沿着所述气动组件的翼展方向对齐。
【专利说明】涡轮发动机的气动组件
【技术领域】
[0001]本发明涉及涡轮机，确切地说，涉及具有气动组件的涡轮发动机，所述气动组件经配置以延迟流分离(flow separation)。
【背景技术】
[0002]燃气涡轮发动机等典型的涡轮机包括压缩机、燃烧器、涡轮和扩压器。压缩机压缩入口气体，燃烧器将压缩的入口气体与燃料一起燃烧。在发电操作中，此种燃烧的高能产物被导向涡轮，所述高能产物在涡轮中膨胀。扩压器设置在涡轮的下游，用于在燃烧产物排放到大气中之前减少燃烧产物的剩余能量。
[0003]通常，扩压器包括外壁；中心体，其设置在所述外壁内以构成环形通路；以及横穿所述环形通路的一个或多个轮叶。在涡轮机基线操作期间，燃烧产物流过扩压器的速度足够快，因此，不会在一个或多个轮叶的表面上出现流分离。然而，在部分负荷操作时，例如，在燃气涡轮发动机的启动或减速过程中，燃烧产物的速度减小或者较高攻角状态会起作用，趋向于发生流分离。该流分离会导致扩压器的性能下降。
【发明内容】
[0004]根据本发明的一个方面，提供一种涡轮发动机的气动组件，所述气动组件包括:前缘和后缘，所述前缘和后缘是相对于工作流体流穿过通路的主方向形成的，而所述通路穿过涡轮发动机；吸入侧和压力侧，所述吸入侧和压力侧从所述前缘相对地延伸到所述后缘；以及至少第一和第二轮廓特征，所述第一和第二轮廓特征在所述吸入侧上靠近所述前缘。所述第一和第二轮廓特征大体上沿着所述气动组件的翼展向维度对齐。
[0005]根据本发明的另一方面，提供一种涡轮发动机，其中有通路穿过所述涡轮发动机，所述涡轮发动机包括:设置成横穿所述通路的气动组件，所述气动组件包括前缘和后缘，所述前缘和后缘是相对于工作流体流穿过所述通路的主方向形成的，以及吸入侧和压力侧，所述吸入侧和压力侧从所述前缘相对地延伸到所述后缘；以及至少第一和第二轮廓特征，所述第一和第二轮廓特征在所述吸入侧上靠近所述前缘且彼此靠近。所述第一和第二轮廓特征大体上沿着所述气动组件的翼展向维度对齐，从而有助于沿着所述吸入侧形成逆向旋转的涡流，所述涡流定向成大体垂直于主要流向。
[0006]根据本发明的又一方面，提供一种涡轮发动机，其中有通路穿过所述涡轮发动机，所述涡轮发动机包括:设置成横穿所述通路的气动组件，所述气动组件包括前缘和后缘，所述前缘和后缘是相对于工作流体流穿过所述通路的主方向形成的，以及吸入侧和压力侧，所述吸入侧和压力侧从所述前缘相对地延伸到所述后缘；以及轮廓特征，所述轮廓特征在所述吸入侧上排列成靠近所述前缘且彼此靠近。每个轮廓特征沿着所述气动组件的翼展向维度大体上与相邻的轮廓特征对齐，从而有助于沿着所述吸入侧形成逆向旋转的涡流，所述涡流定向成大体垂直于主要流向。
[0007]通过以下结合附图进行的说明可以更加清楚地了解这些和其他优点以及特征。【专利附图】
【附图说明】
[0008]本说明书中的权利要求书详细指出并明确主张了本发明。通过以下结合附图进行的详细说明可以清楚地了解本发明的上述和其他特征以及优点，在附图中:
[0009]图1是包括气动组件的涡轮发动机的一部分的侧视图；
[0010]图2是基线操作期间图1所示的气动组件的径向视图；
[0011]图3是部分负荷操作期间图1所示的气动组件的径向视图；
[0012]图4是图1所示的气动组件吸入侧的放大视图；
[0013]图5是根据进一步实施例的图1所示的气动组件的径向视图；
[0014]图6是根据替代实施例的图1所示的气动组件的径向视图；以及
[0015]图7是根据进一步实施例的包括气动组件的涡轮发动机的扩压器的侧视图。
[0016]【具体实施方式】参考附图以实例方式介绍本发明的各实施例以及优点和特征。
【具体实施方式】
[0017]根据本发明的各方面，使涡轮机的一个或多个部分中的流分离延迟的方式为，沿着(例如)翼型或轮叶的低压表面(即，吸入侧)形成逆向旋转的涡流。在涡轮机减速操作造成攻角相对较高的状况下，延迟流分离尤其有用。通过将隆起、突起或缺口等轮廓添加到翼型或轮叶的低压表面，可以促进延迟流分离，所述轮廓有助于沿着垂直于工作流体穿过涡轮机的主要方向的线路形成切向逆向旋转的涡流结构。
[0018]参考图1至图4，提供了诸如燃气涡轮发动机等涡轮机10的一个或多个部分。例如，涡轮机10部分可以是扩压器部分11(见图7)，该部分设置在涡轮部分的下游，以便在离开涡轮部分的燃烧产物排放到大气中之前减少该燃烧产物的剩余能量。扩压器部分11包括环形外壁12 (例如，扩压器壳体)以及环形内壁13，环形内壁13可以作为中心体的外表面。环形内壁13设置在环形外壁12内，从而构成环形通路14，燃烧产物等工作流体可以被引导穿过所述环形通路14 (见图7)。
[0019]扩压器部分11进一步包括气动组件20，例如，扩压器轮叶，其设置成横穿环形通路14,从而与工作流体以气动方式相互作用。气动组件20包括:前缘21,所述前缘是相对于工作流体流穿过通路14的主方向形成的；以及后缘22，所述后缘是在气动组件20中与前缘21相对的弦向端(chordal end)形成的。气动组件20进一步包括吸入侧23和压力侧24，所述吸入侧和压力侧设置在气动组件20的相对侧上，并且分别从前缘21延伸到后缘22。
[0020]根据本发明的各项实施例，轮廓特征30的阵列(包括单独的轮廓特征31)设置在吸入侧23上，位于靠近气动组件20的前缘21的弦向位置。每个单独的轮廓特征31均设置成相对接近另一(即，相邻的)单独轮廓特征31。轮廓特征30的阵列包括至少第一轮廓特征32和第二轮廓特征33，并且在一些情况下，包括额外的轮廓特征34。为了简洁清晰起见，下文将仅描述包括上述轮廓特征的多个轮廓特征35。
[0021]多个轮廓特征35中的每个轮廓特征大体上沿着气动组件20的翼展向维度DS与所述多个轮廓特征35中的相邻轮廓特征对齐。这种对齐方式以及下文将描述的所述多个轮廓特征35的形状有助于沿着吸入侧23形成相对于工作流体基流的切向逆向旋转的涡流40 (见图4)，其中所述工作流体在主要流向50 (见图4)上沿大体平直的路径穿过涡轮机10。鉴于多个轮廓特征35的形状，逆向旋转的涡流40可以定向成大体垂直于工作流体的主要流向50。因此，逆向旋转的涡流40组合起来可以沿着吸入侧23形成夹带高能流(entrained and energized flow) 60的增强射流。夹带高能流60 (见图4)沿着吸入侧23维持边界层的稳定性，因而在某些应用中能延迟或防止吸入侧23上发生流分离，例如，在攻角入口较高的状况下出现的流分离。
[0022]如图4所示，夹带高能流60的每股增强射流的任一侧上都会形成逆向旋转的涡流40。在多个离散的轴向位置，逆向旋转的涡流40成为成对的流动漩涡(flow vortex)。在每个单独的流动漩涡内，工作流体流向对应轮廓特征35的中线，然后以椭圆形图案离开该中线。这些成对的流动漩涡可以在尾部轴向方向上扩散，或者固定在离散的轴向位置。
[0023]参考图2和图3，图中所示为单个气动组件20以及工作流体流200，其中假定该图反映了基线或设计点状态。如图所示，相对于前缘21而言,工作流体流200的攻角相对较低，因此，工作流体流200围绕气动组件20流动时形成相对稳定的边界层201。在涡轮机10减速操作等造成的部分负荷状态期间，工作流体流200倾向于具有相对较高的攻角，如图3所示。通常情况下，这种情形往往会使边界层201变得不稳定，并且会导致流分离，但由于吸入侧23具有多个轮廓特征35，因此边界层201仍保持相对稳定。在图2所示的情况中，存在多个轮廓特征35大体上不会影响围绕气动组件20流动的工作流体流200。
[0024]多个轮廓特征35中的每个轮廓特征可以包括突起70，所述突起设置在气动组件20的吸入侧23上，位于靠近前缘21的弦向位置。如图4所示，根据各项实施例，多个轮廓特征35中的每个轮廓特征可以具有大体上相似的泪珠形状71，该形状具有球状外凸前端710以及狭窄的内凹尾端711。在这些情况下，多个轮廓特征35中的每个轮廓特征的形状大体上类似于所述多个轮廓特征35中的另一轮廓特征，泪珠形状71使迎面流(approaching flow)72在突起70的表面上转向，进而在相邻的突起70之间形成成对的收敛流(converging flow)73。由于相邻的突起70相互间足够靠近，因此成对的收敛流73相互作用并且与周围流相互作用，从而产生逆向旋转的涡流40，逆向旋转的涡流40沿吸入侧23扩散，进而沿着吸入侧23形成夹带高能流60的增强射流。
[0025]尽管在图1至图4所涉及的实施例中，多个轮廓特征35中的每个轮廓特征都具有相似的形状，但是应理解，这仅仅是示例性的，可能还存在其他实施例。例如，参考图5，多个轮廓特征35中的单独轮廓特征31可以沿着气动组件20的翼展向维度DS具有稳定变化的形状或尺寸。这在图5中以每条点线、虚线或实线进行了图示，用于识别在气动组件20的稳定增加的相应翼展向位置处具有唯一尺寸的单个轮廓特征31。
[0026]参考图6，根据替代实施例，多个轮廓特征35中的每个轮廓特征可以形成为在吸入侧23中形成的凹口 80。在这些替代实施例中，应理解，上文参考图5所述的变化在此处也适用。也就是说，凹口 80的形状和尺寸可以是统一的，也可以是沿气动组件20的翼展向维度DS稳定变化的。
[0027]参考图7，图中所示为涡轮机10部分提供为扩压器部分11的具体情况。如上文所述，扩压器部分11设置在涡轮部分的下游，从而在离开涡轮部分的燃烧产物排放到大气中之前减少该燃烧产物的剩余能量。扩压器部分11包括环形外壁12 (例如，扩压器壳体)以及环形内壁13，环形内壁13作为中心体130的外表面。环形内壁13设置在环形外壁12内，从而构成环形通路14，燃烧产物等工作流体可以被引导穿过所述环形通路14。
[0028]扩压器部分11可以进一步包括人行道(manway)15，人行道15横穿环形通路14和气动组件20，气动组件20可以提供为上文所述的扩压器轮叶，或者设置在作为中心体末端组件131的中心体130的轴向末端处。如图7所示，中心体130具有大体统一的直径，而环形外壁12具有沿扩压器部分11的轴向维度DA不断增加的直径。这种配置造成环形通路14的面积沿轴向维度DA不断增加，进而导致工作流体的能量减少。与中心体130的配置相t匕，中心体末端组件131具有沿轴向维度DA不断减小的直径，使得与环形通路14的面积沿在中心体末端组件131前向形成的中心体130的轴向长度相对缓慢增加相比，环形通路14的面积沿中心体末端组件131的轴向长度的增加速率相对较快。
[0029]在中心体130与中心体末端组件131之间的附接位置处形成角度突变(angularbreak) 90，但是应理解，中心体130和中心体末端组件131也可以连接成一体。角度突变90形成了环形通路14的面积沿轴向维度DA以相对较快速率增加的轴向位置。
[0030]环形内壁13提供为中心体130和中心体末端组件131的外表面，环形内壁13包括端壁轮廓特征100的阵列。端壁轮廓特征100的阵列包括单个端壁轮廓特征101，并且设置在靠近角度突变90所界定的轴向位置处。也就是说，端壁轮廓特征100的阵列可以设置在角度突变90的刚好前方或刚好后方。端壁轮廓特征100的阵列可以按照与上述轮廓特征30的阵列大体上相似的方式进行配置，因此，对于相同内容不再赘述。
[0031]尽管仅结合了有限数目的实施例来详细描述本发明，但应理解，本发明并不限于所揭示的此类实施例。相反，本发明可以经修改以涵盖之前并未描述、但与本发明的精神和范围相符合的任意数目的变化、更改、替换或等效布置。此外，尽管已描述了本发明的各种实施例，但应理解，本发明的各方面可以仅包括所述实施例中的一些实施例。因此，本发明不应视为受前述说明的限制，而是仅受所附权利要求书的范围限制。
【权利要求】
1.一种用于涡轮发动机的气动组件，其包括: 前缘和后缘，所述前缘和后缘是相对于工作流体流穿过通路的主方向限定的，而所述通路穿过所述涡轮发动机； 吸入侧和压力侧，所述吸入侧和压力侧从所述前缘相对地延伸到所述后缘；以及 至少第一和第二轮廓特征，所述第一和第二轮廓特征在所述吸入侧上靠近所述前缘， 所述第一和第二轮廓特征大体上沿着所述气动组件的翼展方向对齐。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机的气动组件，其中所述第一和第二轮廓特征均包括突起或凹口。
3.根据权利要求1所述的涡轮发动机的气动组件，其中所述第一和第二轮廓特征均包括泪珠形状。
4.根据权利要求3所述的涡轮发动机的气动组件，其中每个泪珠形轮廓特征均包括球状前端和狭窄尾端。
5.根据权利要求4所述的涡轮发动机的气动组件，其中所述球状前端具有外凸形状，而所述狭窄尾端具有内凹形状。
6.根据权利要求1所述的涡轮发动机的气动组件，其中所述第一和第二轮廓特征均具有大体相似的形状。
7.一种涡轮发动机，其中有通路穿过所述涡轮发动机，所述涡轮发动机包括: 设置成横穿所述通路的气动组件，所述气动组件包括前缘和后缘，所述前缘和后缘是相对于工作流体流穿过所述通路的主方向限定的，以及吸入侧和压力侧，所述吸入侧和压力侧从所述前缘相对地延伸到所述后缘；以及 至少第一和第二轮廓特征，所述第一和第二轮廓特征在所述吸入侧上靠近所述前缘且彼此靠近， 所述第一和第二轮廓特征大体上沿着所述气动组件的翼展方向对齐，从而有助于沿着所述吸入侧形成逆向旋转的涡流，所述涡流大体垂直于主要流向。
8.根据权利要求7所述的涡轮发动机，其中所述第一和第二轮廓特征均包括突起或凹□。
9.根据权利要求7所述的涡轮发动机，其中所述第一和第二轮廓特征均包括泪珠形状。
10.根据权利要求9所述的涡轮发动机，其中每个泪珠形轮廓特征均包括球状前端和狭窄尾端。
11.根据权利要求10所述的涡轮发动机，其中所述球状前端具有外凸形状，而所述狭窄尾端具有内凹形状。
12.根据权利要求7所述的涡轮发动机，其中所述第一和第二轮廓特征均具有大体相似的形状。
13.—种涡轮发动机，其中有通路穿过所述涡轮发动机，所述涡轮发动机包括: 设置成横穿所述通路的气动组件，所述气动组件包括前缘和后缘，所述前缘和后缘是相对于工作流体流穿过所述通路的主方向限定的，以及吸入侧和压力侧，所述吸入侧和压力侧从所述前缘相对地延伸到所述后缘；以及 轮廓特征，所述轮廓特征在所述吸入侧上排列成靠近所述前缘且彼此靠近，每个所述轮廓特征均沿着所述气动组件的翼展方向与相邻的轮廓特征对齐，从而有助于沿着所述吸入侧形成逆向旋转的涡流，所述涡流大体垂直于主要流向。
14.根据权利要求13所述的涡轮发动机，其中所述轮廓特征均包括突起。
15.根据权利要求13所述的涡轮发动机，其中所述轮廓特征均包括泪珠形状。
16.根据权利要求15所述的涡轮发动机，其中所述泪珠形轮廓特征均包括球状前端和狭窄尾端。
17.根据权利要求16所述的涡轮发动机，其中所述球状前端具有外凸形状，而所述狭窄尾端具有内凹形状。
18.根据权利要求15所述的涡轮发动机，其中所述轮廓特征均包括凹口。
19.根据权利要求15所述的涡轮发动机，其中所述轮廓特征每一个的形状大体上类似于另一个所述轮廓特征。
20.根据权利要求15所述的涡轮发动机，其中所述轮廓特征每一个的形状或尺寸沿着所述气动组件的翼展稳定变化。
【文档编号】F01D25/00GK103485839SQ201310225073
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年6月7日 优先权日:2012年6月8日
【发明者】S.M.斯帕克斯 申请人:通用电气公司