專利名稱：渦輪噴嘴節(jié)段和相應(yīng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性地涉及渦輪機(jī)組件，更具體地，涉及例如渦輪噴嘴的優(yōu)化的流路表面型面。
背景技術(shù)：
在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，熱氣體從至少一個(gè)燃燒器傳送到渦輪區(qū)段，其中，定子導(dǎo)流片被設(shè)計(jì)為將熱燃燒氣體導(dǎo)引到轉(zhuǎn)子葉片上，使得與轉(zhuǎn)子葉片連接的轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通常，通過多行定子導(dǎo)流片和轉(zhuǎn)子葉片來布置導(dǎo)流片和葉片。一行導(dǎo)流片通常彼此相同或類似并且包括翼面部分、徑向內(nèi)平臺部分和徑向外平臺部分。這些平臺部分形成環(huán)形通道，定子導(dǎo)流片的翼面和轉(zhuǎn)子葉片延伸到環(huán)形通道中，并且通過該環(huán)形通道導(dǎo)引在上游燃燒器中被加熱的熱流體。提到的平臺部分和燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的其它部分會(huì)受所述熱流體影響，所述熱流體可以例如通過氧化再次對這些組件造成損壞。通過若干方式處理此問題，例如通過利用耐熱材料或通過施加涂層(如熱障涂層(TBC))。替代性地或附加地，可以冷卻組件。對于這一額外的冷卻，可以供應(yīng)冷卻空氣并且可以在待冷卻區(qū)域中設(shè)計(jì)冷卻特征和/或冷卻孔。更具體地，有許多途徑來降低高溫氣體流中組件的金屬溫度。這些方法包括應(yīng)用在組件流路側(cè)上的材料表面上的熱障涂層，沖擊在組件非流路側(cè)上的冷卻空氣噴射流，或通過使冷卻空氣進(jìn)入組件壁中的流路通孔、在流路側(cè)的表面上作為流體障礙形成較冷空氣薄膜進(jìn)行的薄膜冷卻。通常，所有提到的耐熱或冷卻特征也會(huì)在成本、效率等方面具有一些負(fù)面作用。熱障涂層要在非流路側(cè)存在冷卻時(shí)才有效率，并且所有冷卻方法通常會(huì)導(dǎo)致性能下降，因?yàn)槔鋮s空氣通常是從壓縮器中輸送過來的高壓空氣，因此包含有從壓縮器傳遞到空氣流的能量中的一些。薄膜冷卻在它進(jìn)入主流體流時(shí)也會(huì)導(dǎo)致混合損失，以及降低主流體流通過渦輪的平均溫度。美國專利US 5，201，847 A公開了一種用于燃?xì)鉁u輪套罩的冷卻設(shè)計(jì)，其中，套罩的外表面設(shè)置有小的粗糙元件以提高熱傳遞特性。這些粗糙元件特別地是具有從外表面凸起的形狀的重復(fù)圖案(例如矩形、棱錐體或其它球形形狀的圖案)的柵格。所述柵格優(yōu)選平行于導(dǎo)流片伸展。本發(fā)明的一個(gè)目的是要提供一種替代方案，以解決影響渦輪機(jī)組件(尤其是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪區(qū)段中的組件)的高溫問題，該替代方案也可任選地與現(xiàn)有冷卻或涂層裝置或手段結(jié)合。

發(fā)明內(nèi)容
此目的是由獨(dú)立權(quán)利要求實(shí)現(xiàn)的。從屬權(quán)利要求描述了本發(fā)明有利的改進(jìn)和修改。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種渦輪機(jī)組件，其包括表面，在所述渦輪機(jī)的操作期間主流體沿該表面流動(dòng)。所述表面包括多個(gè)交替的凸起和凹陷，所述凸起和所述凹陷都被布置為垂直于所述主流體的主流體流的方向。特別地，本發(fā)明涉及一種渦輪機(jī)的渦輪噴嘴節(jié)段，其包括平臺，該平臺限定了主流路的邊界的一節(jié)段，所述平臺包括一區(qū)段，特別是所述平臺的尾部區(qū)段，并且所述區(qū)段進(jìn)一步包括表面，在所述渦輪機(jī)的操作期間主流體沿所述表面流動(dòng)。如前所述，所述表面包括多個(gè)交替的凸起和凹陷，所述凸起和所述凹陷都被布置為垂直于所述主流體的主流體流的方向。渦輪機(jī)組件特別地可位于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱區(qū)域，例如燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室或渦輪區(qū)段。更具體地，渦輪機(jī)組件可以是噴嘴和/或平臺和/或渦輪區(qū)段中的套罩。流體可以是在燃燒室中經(jīng)混合并且點(diǎn)火的熱的燃料和空氣混合物。本發(fā)明還可以應(yīng)用于在特定位置經(jīng)歷高溫的其它類型的渦輪機(jī)。特別地，渦輪機(jī)組件可被設(shè)置成用于導(dǎo)引主流體。渦輪機(jī)組件包括一表面，其限定或可以與其它表面一起限定主流路，將沿該主流路導(dǎo)引熱流體。所述表面特別地可以是流體沖刷表面。所述表面可被熱流體的溫度直接影響。渦輪噴嘴節(jié)段特別地可以是燃?xì)鉁u輪噴嘴節(jié)段。此節(jié)段可以是定子噴嘴節(jié)段，其也可以包括至少一個(gè)定子導(dǎo)流片。根據(jù)本發(fā)明，所述表面特別地可以不是葉片或?qū)Я髌膬?nèi)表面(中空的內(nèi)部)，而且可以不是沒有為主流體形成流路的表面，尤其可以不是與冷卻流體僅僅接觸的沖擊表面。特別地，本發(fā)明的表面位于平臺上并且可以優(yōu)選不被布置在葉片或?qū)Я髌耐獗砻嫔?。所述流體特別地可以是熱流體。任選地，所述流體還可以包括可以與熱流體一起沿相同方向流動(dòng)的冷卻流體薄層，例如用來提供薄膜冷卻。流體可以向前流動(dòng)，即基本平行于所述表面地流動(dòng)(不考慮發(fā)生的湍流作用)。根據(jù)本發(fā)明，所述表面特別地可以不是僅為冷卻渦輪機(jī)組件而存在的表面，如被冷卻空氣沖擊的作為非流路表面的沖擊表面。已知的用于導(dǎo)引流體的表面通?？梢员徊贾脼楣饣砻?。根據(jù)本發(fā)明，提供了基本垂直于主流體流方向的多個(gè)交替的凸起和凹陷。本發(fā)明由于可以通過改進(jìn)幾何形狀，特別是通過具有非平坦、非光滑的表面，即通過具有多個(gè)交替的凸起和凹陷，減小了(至少區(qū)域性地減小了)在組件流路側(cè)上的熱傳遞系數(shù)，因而尤其有利。一般而言，在熱力學(xué)中以及在機(jī)械和化學(xué)工程中，在熱傳遞(典型地，其通過流體和固體間的對流進(jìn)行)的計(jì)算中會(huì)使用熱傳遞系數(shù)。公式如下所示:
A-AT
在該公式中，“ Λ Q”表示熱量輸入或熱量損失，“h”表示熱傳遞系數(shù)，“A”表示熱傳遞表面面積，“ Λ T”表示固體表面與周圍流體區(qū)域之間的溫度差。特別地，可以在凹陷區(qū)域減小組件流路側(cè)上的熱傳遞系數(shù)。熱傳遞系數(shù)在凸起區(qū)域中可能較高。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，凸起和凹陷可被布置成使得流體的一部分沿凹陷表面再循環(huán)，即產(chǎn)生類似“逆流”的流體流，從而使得流體的這一部分通過具有相對于所述主流體流的方向向后的運(yùn)動(dòng)以及通過在凹陷的區(qū)域中掠過所述表面而被再循環(huán)?？梢酝ㄟ^凸起和凹陷的型面限定這一再循環(huán)的作用。所述型面可以由凸起之間的距離、凸起的高度和凹陷的深度來限定。表面的幾何形狀可具有“擾流器”狀的褶皺或者可以具有光滑的延展?！傲黧w的一部分”意味著僅一部分流體受到影響，即流體分量?！跋蚝蟆笔侵概c主流體流相反的方向。對于主流體流，在本文中，“下游”、“向前”或“尾隨”可以限定流體大致的流動(dòng)方向。這實(shí)際上也可以是渦輪機(jī)的軸向方向，最終將沿該方向安裝渦輪機(jī)組件。事實(shí)上，在渦輪噴嘴中，流體還可以具有大的周向速度分量以及可能更大的軸向速度分量，但是流體流整體上會(huì)沿軸向方向前進(jìn)。流體的流動(dòng)次序可以由給定順序的入口、壓縮器、燃燒器、潤輪機(jī)和出口限定?！吧嫌巍薄ⅰ跋葘?dǎo)”、“向后”、“逆向”或“負(fù)軸向方向”限定了相反方向，即主流體從其處流來的方向。對于交替的凸起和凹陷，它們可以被布置成，沿主流體流的方向，所述凸起中的第一凸起之后跟隨著所述凹陷中的第一凹陷，所述第一凹陷之后跟隨著所述凸起中的第二凸起。根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施例，渦輪機(jī)組件可以被布置成使得第一凸起、第一凹陷和第二凸起具有這樣的幾何形狀，即，使得具有向后運(yùn)動(dòng)的流體部分在第一凸起和第一凹陷之間的過渡區(qū)域中再次融入的主流體流中。對于“再次融入”，其意味著一種平滑過渡，該平滑過渡不會(huì)引起湍流或僅引起最小的湍流。特別地，所述幾何形狀必須適應(yīng)預(yù)期的主流體速率和主流體壓力。交替的凸起和凹陷的區(qū)域可以在其上游以凸起作為開始。替代性地，所述區(qū)域可以以凹陷作為開始。特別地，在另一優(yōu)選實(shí)施例中，多個(gè)交替的凸起和凹陷可以被布置成使得表面形成波浪形型面，特別地被布置成使得該表面在橫截平面中形成基本上為正弦形的型面，所述橫截平面由主流體流的方向和基本垂直于所述表面的方向限定。此基本上為正弦形的型面可以具有正弦曲線周期長度，該長度是正弦形型面的多個(gè)正弦曲線振幅值。換言之，與表面的延展相比，所述表面僅具有較小高度的凸起，考慮到所述表面基本上是背朝圓柱軸線的圓柱表面的一部分，通常是通過軸向矢量和周向矢量來限定(即跨過)所述延展。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述表面可以包括用于注入薄膜冷卻流體(例如空氣)的薄膜冷卻孔，特別地是在凸起和凹陷的區(qū)域中或該區(qū)域的上游。因此，可以發(fā)生再循環(huán)，特別是對于冷卻流體或?qū)τ诶鋮s流體和熱主流體的混合物。替代性地，所述表面可以不具有薄膜冷卻孔。“不具有”是指在凸起和凹陷區(qū)域和此區(qū)域上游都不存在薄膜冷卻孔。因此，熱流體可以進(jìn)行再循環(huán)。所述表面可以是一個(gè)鑄造主體的表面，該鑄造主體被鑄造成具有期望的表面型面。替代性地，可以在一個(gè)主體中機(jī)加工出所述表面，從而最終形成期望的表面。此外，鑄造或機(jī)加工形成的主體可以具有表面涂層，從而使得所得到的表面可以基本上具有所述主體的形狀。組件的主體可被進(jìn)行涂層，尤其是涂覆上一層熱障涂層，從而通過所述涂層限定所述表面。假設(shè)主體本身具有沒有凸起和凹陷的平坦表面，那么可以應(yīng)用涂層從而經(jīng)由模塑或機(jī)加工所述涂層來形成所需的表面型面。厚的涂層將形成凸起，薄的涂層將形成凹陷。
作為附加的冷卻特征，渦輪機(jī)組件可以包括與所述表面基本上相對并且背朝所述表面的另一表面，其被布置為對渦輪機(jī)組件的主體進(jìn)行沖擊冷卻。除了所述渦輪機(jī)組件之外，本發(fā)明還涉及一種渦輪噴嘴，其包括平臺，該平臺限定了主流路的邊界的一節(jié)段，所述平臺包括區(qū)段，特別是所述平臺的尾部區(qū)段，其中如前文所解釋的那樣布置所述區(qū)段。特別地，平臺可以是主流體流路的壁。它可以是被翼面延伸到其上的部分。多個(gè)第一組平臺可以形成環(huán)形流體通道的徑向內(nèi)壁，并且多個(gè)第二組平臺可以形成環(huán)形流體通道的徑向外壁。所有實(shí)施例的共同點(diǎn)在于，將波浪和凹谷圖案引入流路表面中。有利地，波浪基本垂直于流動(dòng)方向。本發(fā)明將在組件表面上形成再循環(huán)流凹窩，其將顯著減小局部流體速度，因此減小了熱傳遞系數(shù)，因?yàn)闊醾鬟f系數(shù)與流體速度緊密相關(guān)。主流體流的一部分在凹窩中減速，從而使得組件的表面可與高速、高溫的流體隔離。所述幾何形狀特別地可被布置成避免導(dǎo)致額外的湍流和由此帶來的損失。盡管如此，所述幾何形狀也可被布置成使得在波浪之間設(shè)置足夠深的凹谷，從而使得在操作期間至少在特定的操作點(diǎn)處發(fā)生再循環(huán)。波浪特別地可以不具有尖銳的邊緣，否則會(huì)導(dǎo)致湍流并增大局部熱傳遞系數(shù)。此外，如果邊緣過于尖銳，則在開始時(shí)會(huì)非常迅速地加熱邊緣，這可能是需要避免的。在另一方面，當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，需要有足夠尖銳的凹陷以確保再循環(huán)作用。在凹陷的末端處，斜率可以更平緩，以避免由熱流體沖擊在表面上的沖擊作用導(dǎo)致的對表面的過度加熱。所以，在一個(gè)具體實(shí)施方式
中，凹陷可以在上游端具有比在下游端處更尖銳的邊緣。由于需要基于在特定渦輪機(jī)中產(chǎn)生的預(yù)期流體速度和流體溫度等計(jì)算和模擬出最佳型面，因此不可能一般性地給出凸起和凹陷的精確具體的最優(yōu)選的型面。有利地，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，本發(fā)明的渦輪機(jī)組件可與熱障涂層(TBC)、沖擊冷卻和薄膜冷卻一起使用。與現(xiàn)有技術(shù)的配置相比，本發(fā)明對冷卻的需求較小，因?yàn)榧词估脺p小量的冷卻，也可以達(dá)到滿意的組件溫度。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，附加的冷卻特征甚至是冗余的，因而可以舍棄。減少冷卻可以允許較高的效率，例如，如果將本發(fā)明應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪噴嘴，則渦輪區(qū)段將經(jīng)受較小的損失，從而獲得較高的效率。應(yīng)該注意，已經(jīng)參照不同主題描述了本發(fā)明的實(shí)施例。具體地，已經(jīng)參照設(shè)備描述了一些實(shí)施例，并且已經(jīng)參照操作期間的方法描述了其它實(shí)施例。然而，根據(jù)上文和下文的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員中將總結(jié)出，除非另有說明，否則，除了屬于一類主題的特征的任意結(jié)合之外，涉及不同主題的特征之間的任意結(jié)合，特別是設(shè)備類型權(quán)利要求的特征與方法類型權(quán)利要求的特征之間的任意結(jié)合，也應(yīng)被認(rèn)為已被本申請公開。根據(jù)下文將要描述的實(shí)施例，本發(fā)明上文限定的各方面以及其它方面將變得明顯，并且將參照實(shí)施例對本發(fā)明上文限定的各方面以及其它方面進(jìn)行解釋。


現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，該描述僅僅是示例性的，附圖中:
圖1示意性地示出了燃?xì)鉁u輪噴嘴的剖視 圖2示出了燃?xì)鉁u輪噴嘴的另一剖視 圖3示出了具有多個(gè)凸起和凹陷的區(qū)域的剖視 圖4示出了具有替代性的多個(gè)凸起和凹陷的區(qū)域的剖視圖； 圖5示出了具有通過涂層形成的多個(gè)凸起和凹陷的區(qū)域的剖視圖。附圖中的圖示是示意性的。應(yīng)該注意，在不同的附圖中將使用相同的附圖標(biāo)記表示相似或相同元件。將會(huì)針對已組裝好的燃?xì)鉁u輪機(jī)來描述一些特征，尤其是優(yōu)點(diǎn)，但顯而易見的是，所述特征也可以應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪機(jī)的單個(gè)組件，但是僅當(dāng)被組裝好以及在操作期間才可表現(xiàn)出所述優(yōu)點(diǎn)。但是當(dāng)通過操作期間的燃?xì)鉁u輪機(jī)進(jìn)行解釋時(shí)，所有細(xì)節(jié)都不并不局限于操作中的燃?xì)鉁u輪機(jī)。一般性地，本發(fā)明可以應(yīng)用于在其中導(dǎo)引通過熱流體的其它類型的機(jī)器。特別地，該技術(shù)可以應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮器，也可以應(yīng)用于蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。對于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，本發(fā)明特別地可應(yīng)用于位于渦輪區(qū)段和/或燃燒區(qū)段中的組件。
具體實(shí)施例方式將參照作為本發(fā)明渦輪機(jī)組件的燃?xì)鉁u輪噴嘴I來解釋本發(fā)明，該噴嘴可以位于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪區(qū)段中。如圖1這一剖視圖示意性地示出的，燃?xì)鉁u輪噴嘴1，實(shí)際上是燃?xì)鉁u輪噴嘴節(jié)段，包括至少一個(gè)翼面2、內(nèi)平臺3和外平臺4。“內(nèi)”應(yīng)該被認(rèn)為是當(dāng)將燃?xì)鉁u輪噴嘴I組裝到燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中時(shí)沿軸線A方向徑向向內(nèi)。“外”應(yīng)該被認(rèn)為是徑向向外。燃?xì)鉁u輪噴嘴I特別地是不轉(zhuǎn)動(dòng)的定子節(jié)段。翼面2特別地是定子導(dǎo)流片?？梢酝ㄟ^鑄造將燃?xì)鉁u輪噴嘴I構(gòu)造為一體構(gòu)件。單個(gè)燃?xì)鉁u輪噴嘴I將限定環(huán)形流體導(dǎo)管節(jié)段。根據(jù)此實(shí)施例，繞燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪區(qū)段的軸線A布置的多個(gè)燃?xì)鉁u輪噴嘴將被組裝形成完整的環(huán)形流體導(dǎo)管。替代性地(未圖示出)，反而可以存在不分段的單個(gè)渦輪機(jī)環(huán)。因此，多個(gè)燃?xì)鉁u輪噴嘴形成環(huán)形通道，主流體(通常是來自上游燃燒器的燃料和空氣的熱混合物)將穿過該環(huán)形通道。環(huán)形通道將關(guān)于軸線A軸對稱。軸線A也可以是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)組件的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線，如燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的軸和附接到所述軸的其它轉(zhuǎn)動(dòng)組件。燃?xì)鉁u輪噴嘴I特別地是不轉(zhuǎn)動(dòng)組件，平臺限定了流導(dǎo)管的邊界的一節(jié)段，翼面2是定子導(dǎo)流片，其存在用于以所需攻角將主流體導(dǎo)引到一組下游轉(zhuǎn)子葉片上。注意，不轉(zhuǎn)動(dòng)部分可以清楚表現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，但是本發(fā)明也可以應(yīng)用于轉(zhuǎn)動(dòng)部分，如轉(zhuǎn)子葉片的平臺表面?，F(xiàn)在參照圖1，其以剖視圖示意性地示出了燃?xì)鉁u輪噴嘴I。燃?xì)鉁u輪噴嘴I包括內(nèi)平臺3和外平臺4。雖然在圖1的給定剖面圖中僅可見一個(gè)翼面2，但在內(nèi)平臺3和外平臺4之間可以存在兩個(gè)或更多個(gè)翼面2，在圖2中將僅僅僅示出兩個(gè)翼面2。圖中還示出了軸線A。徑向方向r被給出，其始于軸線A，并且垂直于軸線A指向遠(yuǎn)離軸線A的方向。周向方向c被標(biāo)不出，周向方向c限定了垂直于軸線A和徑向方向r的方向。周向方向c將平行于內(nèi)平臺3的表面或外平臺4的表面。用附圖標(biāo)記5標(biāo)示了主流體流。主流體流5的方向基本平行于平臺3、4。由內(nèi)平臺3和外平臺4 (即在內(nèi)平臺3的平臺表面和外平臺4的平臺表面之間)導(dǎo)引主流體5。由附圖標(biāo)記100標(biāo)示了內(nèi)平臺3的尾部區(qū)段。此區(qū)段可以開始于一軸向位置，在該軸向位置處，翼面2的大部分(例如，內(nèi)平臺3的延展范圍的三分之二(2/3)或四分之三(3/4))將在上游并且僅翼面2的剩余部分在下游。從該軸向位置開始，內(nèi)平臺3的區(qū)段100將連續(xù)沿軸向向前，直到內(nèi)平臺3的尾部邊緣。該區(qū)段100尤其受到關(guān)注，因?yàn)楸Ｗo(hù)其不受熱量影響是困難的。區(qū)段100的內(nèi)平臺3包括表面10，其是面向主流體流5的表面。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式，表面10是平坦的。將參照其它附圖解釋本發(fā)明的實(shí)施例。為了進(jìn)行冷卻，可以存在與表面10相對的另一表面11。另一表面11將位于尾部區(qū)段100內(nèi)的內(nèi)平臺3下側(cè)，因此其并不面對主流體流5。冷卻流體可沖擊到另一表面11上，以冷卻內(nèi)平臺3的尾部區(qū)段100?，F(xiàn)在參照圖2，圖2示出了沿圖1的A-A線所示的平面截取的燃?xì)鉁u輪噴嘴的另一剖視圖。這是在翼面2的約一半高度處截取的平行于主流體流5的剖視圖。因此，將通過軸向方向a和周向方向c限定圖2的繪制平面。徑向方向r將向圖的觀察者方向延伸。在圖2中，主流體流5將從圖的上部到下部。從內(nèi)平臺3延伸的兩個(gè)翼面2顯示具有翼狀形狀，從而可以如彎曲箭頭所示地改變主流體流5的方向。圖2的陰影區(qū)域示出了內(nèi)平臺3的尾部區(qū)段100。由于視角是徑向向內(nèi)的，因此在此圖中尾部區(qū)段100與表面10相同。陰影區(qū)域代表表面10，表面10包括多個(gè)交替的凸起和凹陷。凸起和凹陷都被布置為基本垂直于主流體的主流體流5的方向。圖2陰影區(qū)域中的線可以代表凸起。從圖中可看出，標(biāo)示主流體流5 (其與內(nèi)平臺3基本平行地流動(dòng))的箭頭會(huì)基本上垂直地碰到第一以及其后的凸起。所有的凸起都互相平行(如圖2所示)，或者，所有的凸起適于改變主流體流5，這可以由翼面2引起。被表面10覆蓋的內(nèi)平臺3的區(qū)段100可以是不同形狀的尾部區(qū)域。特定凸起到內(nèi)平臺3尾部邊緣12的距離在其長度上可以不同，因?yàn)橥蛊鹂梢韵鄬τ谖膊窟吘?2傾斜。對于大多數(shù)上游凸起也是這樣的，如圖2可見，從而使得表面10可以具有鋸齒狀延展部分。替代性地，與圖2不同，上游凸起和凹陷可以在特定軸向位置結(jié)束或者可以在特定軸向位置處融入內(nèi)平臺3的更上游表面中，從而使得表面10可以是基本上為矩形的延展。接著參見圖3，在該圖中以沿圖2所示的B-B線截取的剖視圖更詳細(xì)地示出了多個(gè)凸起和凹陷的布置。該剖視圖是穿過垂直于內(nèi)平臺3的表面并沿著主流體流5 (即垂直于凸起之一的尺寸)的剖面。根據(jù)此圖，徑向方向指向投影平面的頂部。圖3示出了內(nèi)平臺3的一個(gè)區(qū)段，其示出了多個(gè)凸起20和多個(gè)凹陷30的上游部分。從圖中可看出，凸起20和凹陷30是交替布置的。由虛線表示內(nèi)平臺3的表面的中間徑向高度。凸起20相比中間徑向高度具有較大的徑向高度。凹陷30具有較小的徑向高度。所有凸起20和凹陷30可以被一致地成形，例如形成波浪或波浪形型面，特別地被布置成使得表面10在給定橫截平面中形成正弦形型面。任選地，不是所有凸起20和凹陷30都被一致地成形，例如，在圖3中，最上游的凸起20C相比其后的凸起20A、20B具有較小的徑向高度，以產(chǎn)生較小的突然擾動(dòng)。請注意，在圖3中可能夸大了波浪形型面，因此不應(yīng)認(rèn)為其是按真實(shí)比例繪制的。對于型面形狀也是如此，因?yàn)閳D3是用于解釋原理而不是為了給定渦輪機(jī)械的精確形狀，因?yàn)樾螤羁梢匀Q于特定渦輪機(jī)的許多一般性條件。用兩個(gè)箭頭指示了沿表面10的主流體流5。從圖中可看出，與表面10具有較大徑向距離的流體可以幾乎不受給定的波浪表面型面影響，與表面10具有較小徑向距離的流體會(huì)受影響，從而使得部分流被重新指向較大徑向距離。主流體流的其它部分，部分5’，會(huì)受到表面型面的影響，從而使得流體的部分5’沿凹陷表面再循環(huán)，從而使得住流體的部分5’通過相對于主流體流5的方向向后運(yùn)動(dòng)以及通過掠過凹陷30的區(qū)域40中的表面10而進(jìn)行再循環(huán)。在圖中經(jīng)由在兩個(gè)凸起20之間的區(qū)域40中橢圓箭頭表示再循環(huán)作用?？梢圆辉跍u輪機(jī)的所有操作點(diǎn)(例如在啟動(dòng)或停機(jī)期間)都產(chǎn)生再循環(huán)作用。再循環(huán)作用還取決于主流體流5的速度、主流體流5的壓力。一旦在燃?xì)鉁u輪機(jī)操作期間產(chǎn)生再循環(huán)作用，有利的是，由于將存在具有較高熱傳遞的區(qū)域(凸起20的區(qū)域)并且將存在具有較低熱傳遞的區(qū)域(凹陷30的區(qū)域)，在該區(qū)域中將發(fā)生再循環(huán)并且將建立再循環(huán)流凹窩(pockets)。這取決于直接影響表面10的流體的速度。流體5’的局部速度將小于主流體流5之一。流體5’在流凹窩中減速，致使在凹陷30的區(qū)域40中表面10與主流體的高流體溫度絕熱。必須注意，則較高熱傳遞的區(qū)域與現(xiàn)有技術(shù)的渦輪噴嘴在相同區(qū)域中在表面是平坦的沒有波浪的情況下具有的熱傳遞系數(shù)相比將具有類似的熱傳遞系數(shù)。應(yīng)用本發(fā)明不會(huì)導(dǎo)致或最低限度地導(dǎo)致熱傳遞系數(shù)增大。可以存在這樣一種操作模式，其中，再循環(huán)的部分5’與主流體5將僅具有較小的流體交換或沒有流體交換。其可被認(rèn)為是一個(gè)閉合環(huán)路。這可以提高絕熱效果。還可以存在其它操作模式，其中，部分5’的一部分或整個(gè)部分5’在轉(zhuǎn)了一圈后將再次被排出到主流體中?，F(xiàn)在考慮的是，沿主流體流5的方向，凸起20中的第一凸起20A之后是凹陷30的第一凹陷30A，第一凹陷之后是凸起20中的第二凸起20B。于是第一凸起20A、第一凹陷30A和第二凸起20B特別地可具有使得部分5’在第一凸起20A與第一凹陷30A之間的過渡區(qū)域41再次融入主流體流5的幾何形狀。按如下方式特別地布置表面10，S卩，使得多個(gè)交替的凸起20和凹陷30被布置成使得表面10形成波浪形型面，特別地被布置成使得表面10在給定橫截平面中形成基本上為正弦形的型面。表面10可以不是完美的正弦曲線但是可以提供足夠深的凹谷并且可以提供峰，從而支持再循環(huán)的產(chǎn)生。此外，在凹陷的下游末端(以及連續(xù)的凸起的上游末端)，斜率可以更平緩，以避免由于沖擊而過度加熱上升表面10。一般而言，可以分析型面的局部熱量峰值和湍流，應(yīng)該避免所述湍流，否則局部熱傳遞系數(shù)會(huì)增大。圖3示出了一個(gè)實(shí)施例，其中，表面的最上游高度變化是凸起，即最上游凸起20C。替代性地，表面的最上游高度變化也可以是凹陷，即如圖4所示的最上游凹陷30C。如圖3所示，最上游凸起20C可以具有比隨后的凸起20A、20B小的高度，以產(chǎn)生較小的突然擾動(dòng)。替代性地，最上游凸起20C可以具有與隨后凸起20A、20B...(未圖示出)相同的高度。相同的情況應(yīng)用于圖4，其中，示出了最上游凹陷30C具有與隨后的凹陷30相同的高度。替代性地，最上游凹陷30C可以具有比隨后的凹陷30 (未圖示出)小的高度。替代性地并且未圖示出地，多個(gè)凸起可以傾斜上升，從而使得一定量上游凸起和凹陷的振幅將沿下游方向增大。內(nèi)平臺3可被鑄造而成，并且也可在該鑄造主體中鑄造出或機(jī)加工出表面10。特別地由于凸起20會(huì)經(jīng)歷高的熱傳遞，因此附加的熱保護(hù)是有利的。參照圖5，提出了內(nèi)平臺3由主體50組成并且可以在主體50上應(yīng)用熱障涂層51的方案?？梢詰?yīng)用此層51，使得層
51將形成所需的波浪形型面?？梢栽趹?yīng)用過程中產(chǎn)生或在應(yīng)用熱障涂層之后通過機(jī)加工產(chǎn)生波浪形型面。實(shí)施例還可以結(jié)合其它冷卻特征。例如，可以在內(nèi)平臺3的背朝表面10的相對表面(例如圖1所示的另一表面11)上提供沖擊冷卻。這可以允許冷卻內(nèi)平臺3的材料。此夕卜，可以在內(nèi)平臺3的表面中，特別是表面10的上游或正好在表面10的區(qū)域100中，進(jìn)行薄膜冷卻。例如，薄膜冷卻孔可以位于凸起的凸起上游前部處。也可以有這樣的實(shí)施例，在其中不存在熱障涂層和/或沖擊冷卻和/或薄膜冷卻。在該優(yōu)選實(shí)施例中，如上文所解釋的，波浪表面10位于燃?xì)鉁u輪噴嘴的內(nèi)平臺3的尾部平臺區(qū)域處，因?yàn)樵撎幫ǔｋy以冷卻。這是因?yàn)橹髁鲃?dòng)速度可以很高。難以在此區(qū)域引入薄膜冷卻。此外，薄膜冷卻會(huì)導(dǎo)致高混合損失。本發(fā)明的構(gòu)思還可以應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪噴嘴的徑向外平臺4。此外，它可以應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪區(qū)段或燃燒器區(qū)段中的任何固定部分。此外，本發(fā)明可以被引入其它類型渦輪機(jī)的具有高速流體的熱區(qū)段中。
權(quán)利要求
1.渦輪機(jī)的渦輪噴嘴節(jié)段(1)，包括平臺(3)，該平臺(3)限定了主流路的邊界的一節(jié)段， 所述平臺(3)包括區(qū)段(100)，特別是所述平臺(3)的尾部區(qū)段， 所述區(qū)段(100)包括表面(10)，主流體在所述渦輪機(jī)操作期間沿該表面(10)流動(dòng)， 其特征在于 所述表面(10 )包括多個(gè)交替的凸起(20 )和凹陷(30 )，所述凸起(20 )和所述凹陷(30 )都被布置為垂直于所述主流體的主流體流(5)的方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪噴嘴節(jié)段(I)，其特征在于 所述凸起(20)和所述凹陷(30)被布置成使得所述流體的一部分(5’)通過具有相對于所述主流體流(5)的方向向后的運(yùn)動(dòng)以及通過在所述凹陷(30)的區(qū)域(40)中掠過所述表面(10)而沿凹陷表面再循環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪噴嘴節(jié)段(I)，其特征在于， 沿所述主流體流(5)的方向，所述凸起(20)中的第一凸起(20A)之后跟隨著所述凹陷(30)中的第一凹陷(30A)，所述第一凹陷之后跟隨著所述凸起(20)中的第二凸起(20B)，并且所述第一凸起(20A)、所述第一凹陷(30A)和所述第二凸起(20B)具有這樣的幾何形狀，即，使得具有向后運(yùn)動(dòng)的所述流體的所述部分(5’)在所述第一凸起(20A)與所述第一凹陷(30A)之間的過渡區(qū)域(41)中再次融入所述主流體流(5)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪噴嘴節(jié)段(I)，其特征在于 所述多個(gè)交替的凸起(20)和凹陷(30)被布置成使得所述表面(10)形成波浪形型面，特別是被布置成使得所述表面(10)在橫截平面中形成基本上為正弦形的型面，所述橫截平面由主流體流(5)的方向和基本垂直于所述表面(10)的方向限定。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪噴嘴節(jié)段(I)，其特征在于 所述基本上為正弦形的型面具有正弦曲線周期長度，其是所述正弦型面的多個(gè)正弦曲線振幅值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的渦輪噴嘴節(jié)段(I)，其特征在于 所述表面(10)包括用于注入薄膜冷卻流體的薄膜冷卻孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的渦輪噴嘴節(jié)段(I)，其特征在于 所述表面(10)沒有薄膜冷卻孔。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪噴嘴節(jié)段(I)， 進(jìn)一步包括主體(50)，其中，所述表面(10)通過熱障涂層(51)形成到所述主體(50)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的渦輪噴嘴節(jié)段(I)， 進(jìn)一步包括與所述表面(10)基本上相對并且背朝所述表面(10)的另一表面(11 )，該另一表面(11)被布置成對所述渦輪機(jī)組件(I)的主體進(jìn)行沖擊冷卻。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的渦輪噴嘴節(jié)段(I)，其特征在于 所述渦輪噴嘴節(jié)段(I)是定子導(dǎo)流片節(jié)段，所述定子導(dǎo)流片節(jié)段包括至少一個(gè)翼面(2)。
11.燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī) ，包括: 根據(jù)權(quán)利要求1至10之一所述的多個(gè)渦輪噴嘴節(jié)段(1)，所述多個(gè)渦輪噴嘴節(jié)段(I)被布置為形成用于導(dǎo)引主流體的環(huán)狀 空間的一個(gè)環(huán)。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明，渦輪機(jī)的渦輪噴嘴節(jié)段(1)包括平臺(3)，該平臺(3)限定了主流路的邊界的一節(jié)段，所述平臺(3)包括區(qū)段(100)，特別是所述平臺(3)的尾部區(qū)段。所述區(qū)段(100)包括表面(10)，主流體在所述渦輪機(jī)的操作期間沿所述表面(10)流動(dòng)。所述表面(10)包括多個(gè)交替的凸起(20)和凹陷(30)，所述凸起(20)和所述凹陷(30)都被布置為垂直于所述主流體的主流體流(5)的方向。此特征可以使得那些形成所述表面(10)的材料很少受到沿所述表面(10)流動(dòng)的熱流體的影響。
文檔編號F01D5/14GK103119246SQ201180047693
公開日2013年5月22日 申請日期2011年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者A.謝潑德 申請人:西門子公司