渦輪噴嘴的制作方法
【專利摘要】一種用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的噴嘴裝置包括第一殼體部件（60)和第二殼體部件（70)。所述噴嘴裝置還可包括第一噴嘴（20)和第二噴嘴（30)。所述第一噴嘴和第二噴嘴中的每一者都可在所述第一殼體部件與第二殼體部件之間延伸以形成雙體（10)。多個冷卻孔（100、110、130、150)可設(shè)置在所述第一噴嘴、第二噴嘴、第一殼體部件或第二殼體部件中的至少一者上，以橫跨所述雙體提供不同程度的第一等級冷卻。
【專利說明】渦輪噴嘴

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(GTE)渦輪噴嘴，更具體地涉及用于冷卻GTE渦輪噴嘴的裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]GTE通過從熱的燃?xì)饬髦刑崛∧芰縼懋a(chǎn)生動力，所述燃?xì)馔ㄟ^燃料在壓縮空氣流中燃燒而產(chǎn)生。通常，渦輪發(fā)動機具有連接至下游渦輪的上游空氣壓縮機，在渦輪與空氣壓縮機之間具有燃燒室(燃燒器)。當(dāng)壓縮空氣和燃料的混合物在燃燒器中燃燒時釋放能量。在典型的渦輪發(fā)動機中，一個或多個燃料噴射器將液態(tài)或氣態(tài)烴燃料引導(dǎo)到燃燒器中用于燃燒。所產(chǎn)生的熱的燃?xì)獗灰龑?dǎo)至渦輪的葉片上以使渦輪旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生機械動力。
[0003]在高性能GTE中，一部分壓縮空氣用于冷卻GTE構(gòu)件，例如暴露在熱的燃?xì)饬髦械臏u輪構(gòu)件。GTE包括用于接收該部分壓縮空氣的冷卻通道和冷卻流，以改善GTE內(nèi)的單獨的構(gòu)件的可靠性和循環(huán)壽命。GTE構(gòu)件——諸如靜止的渦輪導(dǎo)向葉，其通常被稱為渦輪噴嘴一設(shè)置成使得該部分壓縮空氣流經(jīng)渦輪噴嘴的多個內(nèi)部冷卻通道。
[0004]授予Lee等人的美國專利7，836，703 (’ 703專利)描述了一種冷卻的渦輪噴嘴組件。根據(jù)’ 703專利，該組件可以包括環(huán)狀的渦輪噴嘴20，該渦輪噴嘴包括成對地布置在噴嘴雙體內(nèi)的交替的第一和第二靜葉36、38對。第一靜葉36和第二靜葉38中的每一者包括各自嵌設(shè)在靜葉36和38內(nèi)的不同的冷卻回路63、64，從而與圓周“計時”單個燃料噴射器協(xié)作影響冷卻以避免熱損(hot steaks)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的實施例可涉及用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的噴嘴裝置，該噴嘴裝置包括第一殼體部件和第二殼體部件。噴嘴裝置還可以包括第一噴嘴和第二噴嘴。所述第一噴嘴和第二噴嘴中的每一者都可以在所述第一殼體部件與第二殼體部件之間延伸以形成雙體。多個冷卻孔可以設(shè)置在所述第一噴嘴、第二噴嘴、第一殼體部件和第二殼體部件中的至少一者上，從而在雙體上提供不同程度的第一等級冷卻。
[0006]在另一些實施例中，本發(fā)明可包括具有第一殼體部件和第二殼體部件的噴嘴裝置。該噴嘴裝置還可以包括第一噴嘴和第二噴嘴。所述第一噴嘴和第二噴嘴中的每一者都可以在所述第一殼體部件與第二殼體部件之間延伸以形成雙體。多個冷卻孔可以設(shè)置在所述第一噴嘴、第二噴嘴、第一殼體部件和第二殼體部件中的至少一者上。孔的布置關(guān)于所述第一噴嘴和第二噴嘴可以是不對稱的。
[0007]在又一些實施例中，本發(fā)明可涉及用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的噴嘴裝置，該噴嘴裝置可以包括第一殼體部件和第二殼體部件。所述噴嘴裝置還可以包括第一噴嘴和第二噴嘴。所述第一噴嘴和第二噴嘴中的每一者都可以在所述第一殼體部件與第二殼體部件之間延伸以形成雙體。所述第一噴嘴和第二噴嘴中的每一者都可以包括凹表面和對向地設(shè)置的凸表面。多個冷卻孔可以設(shè)置在所述第一噴嘴、第二噴嘴、第一殼體部件和第二殼體部件中的至少一者上。此外，所述多個孔可以在所述第一殼體部件和第二殼體部件中的至少一者上在所述第二噴嘴的凹表面與所述第一噴嘴的凸表面之間比在該第一噴嘴的凹表面與所述雙體的相鄰的端部之間包括更多的孔。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是根據(jù)第一示例性實施例的GTE的渦輪噴嘴雙體的等距視圖；
[0009]圖2A是根據(jù)第二示例性實施例的GTE的渦輪噴嘴雙體的第一剖視圖；
[0010]圖2B是根據(jù)第二示例性實施例的GTE的渦輪噴嘴雙體的第二剖視圖；
[0011]圖3是根據(jù)第三示例性實施例的GTE的渦輪噴嘴雙體的等距視圖；和
[0012]圖4是說明冷卻GTE的渦輪噴嘴雙體的方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0013]GTE包括一級或多級渦輪旋轉(zhuǎn)葉片和靜葉片。GTE的渦輪的每一級都可以包括一排上游靜渦輪葉片(即，渦輪噴嘴)和一排下游旋轉(zhuǎn)渦輪葉片。例如，一排渦輪噴嘴可以包括由具有翼型形狀的多個噴嘴組成的環(huán)狀環(huán)形件，而一排(旋轉(zhuǎn))渦輪葉片可以包括具有翼型形狀的多個葉片并且構(gòu)造成用于沿著GTE的中心旋轉(zhuǎn)軸(未示出)做旋轉(zhuǎn)運動。
[0014]如本領(lǐng)域已知的，渦輪噴嘴的環(huán)狀環(huán)形件可以沿周向分割為雙體10( S卩，成對的兩個翼型件)。圖1示出了 GTE的渦輪噴嘴雙體10的示例性實施例，所述渦輪噴嘴雙體包括第一基本上中空的噴嘴20和第二基本上中空的噴嘴30。來自GTE——例如，軸向GTE——的燃燒器部分(未示出)的燃?xì)饪梢粤鹘?jīng)渦輪噴嘴雙體10以從GTE燃燒器部分導(dǎo)引空氣流。因此，雙體10的第一噴嘴20和第二噴嘴30中的每一者都可以包括前緣25和尾緣/后緣35，其構(gòu)造成用于從前緣25朝向尾緣35引導(dǎo)燃?xì)?。也就是說，前緣25在來自GTE的燃燒器部分(未示出)的空氣流中各自設(shè)置在第一噴嘴20和第二噴嘴30中的每一者的尾緣35的上游。
[0015]第一噴嘴20和第二噴嘴30中的每一者都可以是翼型的形狀。也就是說，如圖1所示，第一噴嘴20和第二噴嘴30中的每一者都可以在第一側(cè)(壓力側(cè))上包括凹表面40并且在其第二側(cè)(吸力側(cè))上包括對向設(shè)置的凸表面50。也就是說，每個噴嘴的凹表面40直接面向每個相鄰的噴嘴的凸表面。以這樣的方式在相鄰的噴嘴——例如，雙體10的第一噴嘴20和第二噴嘴30——之間形成氣體流動通道。也就是說，如本領(lǐng)域所知，在第二噴嘴30的凹表面40、即壓力側(cè)上流動的熱的燃?xì)獗仍诘谝粐娮?0的凸表面50、即吸力側(cè)上流動的熱的燃?xì)饨?jīng)受更高的靜壓和更低的速度。這樣，在GTE噴嘴雙體10的相鄰的噴嘴之間引導(dǎo)離開GTE的燃燒器部分(未不出)的熱的燃?xì)狻?br> [0016]進一步如圖1所示，雙體10的第一噴嘴20和第二噴嘴30中的每一者在內(nèi)帶60和外帶70之間沿徑向延伸。雙體10的第一噴嘴20和第一噴嘴30中的每一者可與帶60和70整體地形成(例如，鑄造或模制為單個一體件)，或單獨地形成并通過任意適當(dāng)?shù)姆绞健T如焊接或釬焊——而彼此固定。相鄰的雙體10的帶60和70可以彼此連接以形成雙體10的環(huán)形件，每個雙體10都具有第一噴嘴20和第二噴嘴30。相鄰的雙體10的帶60和70可以任意適當(dāng)?shù)姆绞奖舜诉B接以在相鄰的雙體之間形成分割線或切割面80。內(nèi)帶60和外帶70中的每一者都可以包括幫助雙體10的環(huán)狀環(huán)形件插到GTE的渦輪中的任何適合的幾何結(jié)構(gòu)，諸如導(dǎo)軌狀等。
[0017]運行過程中，當(dāng)熱的燃?xì)馔ㄟ^雙體10時，雙體10的噴嘴20和30——所述噴嘴可由諸如鈷或鎳基合金的超合金制成——會暴露在極高溫度下。因此，噴嘴20和30可能處于過早失效、低使用壽命、熱斑等的風(fēng)險中。由于熱量的影響，渦輪效率可能會降低。為了降低噴嘴20和30的有害過熱，冷卻氣流一諸如壓縮空氣一可被引導(dǎo)至一個或多個噴嘴表面(例如，第一噴嘴20和第二噴嘴30的凹表面40或凸表面50)和/或帶60和70的表面上。例如，流體可以從源90被引導(dǎo)至相鄰的帶60和70中的任一者或兩者的位置。通過非限制性的示例，流體可以從源90被引導(dǎo)至形成在內(nèi)帶60下方(B卩，徑向上位于內(nèi)帶的內(nèi)部)的腔體(未示出)，以對所述腔體加壓。源90可以包括任何適合的流體，諸如從GTE的壓縮機部分(未不出)流出的壓縮空氣。
[0018]基本上中空的第一噴嘴20和第二噴嘴30中的每一者以及內(nèi)帶60都可以包括與通過源90加壓的腔體連通的多個冷卻孔。也就是說，如圖1所示，第一噴嘴20和第二噴嘴30中的每一者都可例如在其前緣25上包括多個噴嘴孔100。此外，如圖1所示，帶60可以包括多個帶孔110?？?00和110可以是任意適當(dāng)?shù)男螤?，例如圓形、橢圓形、方形、矩形、六邊形等。此外，孔100和110中的每一者都可通過任意適當(dāng)?shù)姆椒ㄒ恢T如EDM(電子放電機械加工)、激光穿孔等一制成。另外，孔100和110中的每一者都可以與通過源90加壓的腔體流體連通。也就是說，來自源90的流體可被引導(dǎo)通過孔100和110以冷卻噴嘴20和30的表面。
[0019]通過源90提供的經(jīng)孔100和110、經(jīng)噴嘴20和30的內(nèi)部并頂著帶60和70的內(nèi)表面的冷卻流體可以被視為第一等級冷卻。也即，蓄意冷卻。除了這種蓄意的第一等級冷卻之外，多個源可幫助對每個雙體10的噴嘴20和30的一個或多個表面進行第二等級冷卻或非蓄意冷卻。這種第二等級冷卻可以稱為“泛冷卻(幻影冷卻)”，其可以減少一級冷卻的需求量。
[0020]泛冷卻作用可以歸因于許多源，例如，來自通過源90加壓的腔體、經(jīng)相鄰的雙體10之間的分割線或切割面80泄漏的再循環(huán)第一等級冷卻流。例如，如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)泛冷卻流120從分割線或切割面80中泄漏出來。由于雙體10在GTE的渦輪(未示出)中的布置，泛冷卻流120被朝向每個雙體10的第二噴嘴30的凸表面50引導(dǎo)。因此，第二噴嘴30的凸表面50和第一噴嘴20的凹表面40 (更靠近分割線或切割面80的那些)可比第二噴嘴30的凹表面40和第一噴嘴20的凸表面50經(jīng)受更大量的第二等級泛冷卻。這樣，在這些區(qū)域可需要較少的第一等級冷卻。
[0021]為了利用這種泛冷卻流120，雙體10可以構(gòu)造成不對稱形式，從而利用在雙體10內(nèi)的不同位置處經(jīng)歷的不同程度的第二等級冷卻。不對稱形式/布置可以包括在第一噴嘴20和第二噴嘴30上和/或在橫跨雙體10的帶60和70上的孔的不同的數(shù)目、位置或尺寸，正如下面將進一步詳細(xì)說明的。例如，如在圖1的示例性實施例中所示，內(nèi)帶60可以在第二噴嘴30的凹表面40與第一噴嘴20的凸表面50之間(暴露于較少的泛冷卻流120的那些區(qū)域)具有比在相鄰的雙體10的第一噴嘴20的凹表面40與第二噴嘴30的凸表面50之間更多的帶孔110。通過非限制性示例的方式，可以在雙體10的第一噴嘴20與第二噴嘴30之間設(shè)置兩排帶孔110，而在相鄰的雙體10的第一噴嘴20的凹表面40與第二噴嘴30的凸表面50之間僅設(shè)置單排帶孔110。因此，可以向雙體的暴露于較少泛冷卻流120的那些區(qū)域提供更多的第一等級冷卻。
[0022]要指出的是，盡管已經(jīng)示出了帶孔110排的比例為2:1，但可根據(jù)附加的示例性實施例提供任意其它的不對稱比例。另外，根據(jù)附加的示例性實施例，帶孔110的尺寸可以是不同的，而不是提供不同數(shù)目的帶孔110。例如，位于雙體10的第一噴嘴20與第二噴嘴30之間的帶孔110可以比位于相鄰的雙體10的第一噴嘴20的凹表面40與第二噴嘴30的凸表面50之間的帶孔110大，而不是在雙體10的第一噴嘴20與第二噴嘴30之間包含更大量的帶孔110。也就是說，可以提供帶孔110用于沿著雙體的暴露于更大量的泛冷卻流120的那些部分賦予減少的第一等級冷卻的任意適合的布置。
[0023]根據(jù)如圖2A和2B所示的附加的示例性實施例，為了利用泛冷卻流120，可以使用不對稱布置的噴嘴孔100。例如，如圖2A所示，第一噴嘴20的凸表面50可以包括附加的兩排噴嘴孔100，諸如凸表面噴嘴孔130。凸表面噴嘴孔130可與如上描述的孔100相似地構(gòu)造，以及可以構(gòu)造成用于在雙體10的第一噴嘴20與第二噴嘴30之間輸送第一等級冷卻。如圖2A所示，凸表面噴嘴孔130可成排地橫跨第一噴嘴20的凸表面50并在內(nèi)帶60和外帶70之間沿徑向延伸。
[0024]相比而言，如圖2B所示，可以在第二噴嘴30的凸表面50上設(shè)置較少量的凸表面噴嘴孔130。也就是說，由于增加量的泛冷卻流120沖擊著第二噴嘴30的凸表面50，所以可以減少凸表面噴嘴孔130的數(shù)目。例如，如圖2B所示，第二噴嘴30的更靠近分割線或切割面80的凸表面50尤其是在沿著帶60和70的區(qū)域140內(nèi)暴露于更大程度的泛冷卻流120中。為了利用這樣的第二等級冷卻，凸表面50制造成在區(qū)域140內(nèi)不具有凸表面噴嘴孔 130。
[0025]根據(jù)如圖3所示的附加的示例性實施例，為了利用泛冷卻流120，可以采用不對稱布置的噴嘴孔100。例如，第一噴嘴20和第二噴嘴30中的每一者的凹表面40都可以包括一排或多排噴嘴孔100，諸如凹表面噴嘴孔150。凹表面噴嘴孔150可與如上描述的孔100相似地構(gòu)造，以及可以構(gòu)造成用于在雙體10的相鄰的噴嘴20和30之間輸送第一等級冷卻。如圖3所示，凹表面噴嘴孔150可以成排地橫跨第一噴嘴20和第二噴嘴30中的每一者的凹表面40并在內(nèi)帶60和外帶70之間沿徑向延伸。
[0026]如圖3所示，在第一噴嘴20的凹表面40上的凹表面噴嘴孔150的尺寸或直徑可以比在第二噴嘴30的凹表面40上的凹表面噴嘴孔150的尺寸或直徑小。因此，可以為雙體10的暴露于較少的泛冷卻流120中的那些區(qū)域提供更多的第一等級冷卻。應(yīng)當(dāng)指出的是，根據(jù)附加的示例性實施例，分別在第一噴嘴20和第二噴嘴30中的每一者上的凹表面噴嘴孔150可以是相同的尺寸，然而可以在第二噴嘴30的凹表面40上設(shè)置更多的孔，而不是使凹表面噴嘴孔150的尺寸不相同。也就是說，可以提供用于沿著雙體10的暴露于較大量的泛冷卻流120中的那些部分賦予較小程度的第一等級冷卻的任何適合布置的孔150。
[0027]另外，應(yīng)當(dāng)注意，如圖1-3所示的示例性實施例中的每一者都可以同時使用。也就是說，可以在同一雙體10上使用不對稱布置的或者尺寸不同的孔110、130和150從而通過利用泛冷卻流120來實現(xiàn)雙體10的平衡冷卻。
[0028]工業(yè)適用性
[0029]本發(fā)明公開的渦輪噴嘴可以應(yīng)用于其中GTE的構(gòu)件暴露于極高熱量的任何GTE。另外，本發(fā)明公開的渦輪噴嘴可以應(yīng)用于其中存在第一等級和第二等級冷卻兩者的任何GTE。此外，盡管已經(jīng)關(guān)于在第一級渦輪組件中的渦輪噴嘴描述了示例性實施例，但系統(tǒng)可以應(yīng)用于在GTE的任一級渦輪部分中的任意渦輪噴嘴。此外，本發(fā)明所描述的渦輪噴嘴可應(yīng)用于各種行業(yè)，例如，渦輪制造、熱交換、能源或航空航天。
[0030]以下的操作將針對GTE的渦輪噴嘴；然而，通過其它翼型件或管狀裝置的空氣流可以是相似的。
[0031]如圖4所示，示出了冷卻渦輪噴嘴雙體10的方法200。方法200包括在步驟210中將渦輪噴嘴雙體10暴露于冷卻流體的源90中。方法200還包括在步驟220中將流體從源90引導(dǎo)至中空的第一噴嘴20和中空的第二噴嘴30中的每一者。在步驟230中，該方法還可以包括引導(dǎo)流體通過設(shè)置在噴嘴20和30、內(nèi)帶60或外帶70的一個或多個表面上的多個孔100、110、130和/或150，使得由孔100、110、130和/或150提供的冷卻關(guān)于雙體10是不對稱的，所述不對稱隨通過源而不是通過孔100、110、130和/或150形成的冷卻(例如，泛冷卻)而變。
[0032]本發(fā)明當(dāng)前公開的GTE的渦輪噴嘴雙體10可具有許多特征?？赏ㄟ^布置冷卻孔110、130和150從而利用沿著雙體10的分割線或切割面80的泄漏來使用第二等級泛冷卻流120。這種使用可以在受泛冷卻流120影響最大的那些區(qū)域(例如，第二噴嘴30的凸表面50和第一噴嘴20的凹表面40)中降低對第一等級冷卻的需求。因此，可以降低對冷卻流(冷卻質(zhì)量流)的需求量，借此提高總渦輪效率。另外，可通過避免第一等級和第二等級冷卻流的重疊來實現(xiàn)雙體10的各構(gòu)件的更均勻的表面溫度。這種均勻的溫度通過避免過多的熱斑而有助于增加雙體10的使用壽命。
[0033]可以對所公開的GTE內(nèi)的渦輪噴嘴及其冷卻方法做出各種修改和變型對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是明顯的。通過考量本文所公開的實施例的說明和實踐，其它實施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是明顯的。本說明書和示例應(yīng)被認(rèn)為僅僅是示例性的，本發(fā)明的真正范圍由所附權(quán)利要求及其等同方案指明。
【權(quán)利要求】
1.一種用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的噴嘴裝置，該噴嘴裝置包括: 第一殼體部件￠0)和第二殼體部件(70)； 第一噴嘴(20)和第二噴嘴(30)，所述第一噴嘴和第二噴嘴中的每一者都在所述第一殼體部件與第二殼體部件之間延伸以形成雙體(10)； 其中，多個冷卻孔(100，110，130，150)設(shè)置在所述第一噴嘴、第二噴嘴、第一殼體部件或第二殼體部件中的至少一者上，以橫跨所述雙體提供不同程度的第一等級冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴嘴裝置，其特征在于，所述第一噴嘴和第二噴嘴中的每一者都是翼型形狀，并且包括凹表面(40)和對向地設(shè)置的凸表面(50)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的噴嘴裝置，其特征在于，所述第一噴嘴的凸表面面向所述第二噴嘴的凹表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的噴嘴裝置，其特征在于，所述多個孔在所述第一殼體部件或第二殼體部件中的至少一者上在所述第二噴嘴的凹表面與所述第一噴嘴的凸表面之間比在所述第一噴嘴的凹表面與所述雙體的相鄰端部之間包括更多的孔(110)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的噴嘴裝置，其特征在于，所述多個孔(130)在所述第一噴嘴的凸表面上比在所述第二噴嘴的凸表面上包括更多的孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的噴嘴裝置，其特征在于，所述第二噴嘴的凸表面包括與所述第一殼體部件鄰近的上三角區(qū)域(140)和與所述第二殼體部件鄰近的下三角區(qū)域(140)，其中所述上三角區(qū)域和下三角區(qū)域沒有所述多個孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的噴嘴裝置，其特征在于，所述多個孔包括在所述第一噴嘴的凹表面上的第一組孔(150)和在所述第二噴嘴的凹表面上的第二組孔(150)，其中所述第一組孔的尺寸比所述第二組孔的尺寸小。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴嘴裝置，其特征在于，所述第一殼體部件或第二殼體部件中的至少一者由壓縮流體源(90)加壓。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的噴嘴裝置，其特征在于，所述第一噴嘴和第二噴嘴中的每一者都是基本上中空的，并且構(gòu)造成用于將壓縮流體從所述第一殼體部件或第二殼部件中的所述至少一者經(jīng)所述多個冷卻孔排出。
10.一種用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機的噴嘴裝置，該噴嘴裝置包括: 第一殼體部件￠0)和第二殼體部件(70)； 第一噴嘴(20)和第二噴嘴(30)，所述第一噴嘴和第二噴嘴中的每一者都在所述第一殼體部件與第二殼體部件之間延伸以形成雙體(10)； 其中，多個冷卻孔(100，110，130，150)設(shè)置在所述第一噴嘴、第二噴嘴、第一殼體部件或第二殼體部件中的至少一者上，孔的布置關(guān)于所述第一噴嘴和第二噴嘴是不對稱的。
【文檔編號】F01D9/02GK104220701SQ201380017329
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2013年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月29日
【發(fā)明者】L·張, J·殷, H·K·穆恩 申請人:索拉透平公司