本发明公开一种具有气流空气力学系统的涡轮机和方法。所述涡轮机包括与涡轮部分流体连通的燃烧器部分。所述涡轮部分包括：气路；第一级，其具有沿着所述气路布置的多个第一翼型构件；以及第二级，其具有在所述第一级的下游沿着所述气路布置的多个第二翼型构件。所述多个第一翼型构件经配置以拦截来自所述燃烧器部分的处于第一动量的燃烧气体，并形成具有第二动量的尾迹区，所述第二动量低于所述第一动量。所述涡轮机包括气流空气力学系统，所述系统配置并设置成通过以下方式来改进沿着所述气路的气流空气力学：对所述多个第二翼型构件相对于所述多个第一翼型构件周向设置时序，以拦截处于所述第二动量的所述尾迹区。
涡轮部分，其与所述燃烧器部分流体连通并以机械方式连接到所述压缩机部分，所述涡轮部分包括：气路；第一级，其具有沿着所述气路布置的多个第一翼型构件；以及第二级，其具有在所述第一级的下游沿着所述气路布置的多个第二翼型构件；所述多个第一翼型构件经配置以拦截来自所述燃烧器部分的处于第一动量的燃烧气体，并形成具有第二动量的尾迹区，所述第二动量低于所述第一动量；以及气流空气力学系统，其配置并设置成通过以下方式来改进沿着所述气路的气流空气力学：对所述多个第二翼型构件相对于所述多个第一翼型构件周向设置时序，以拦截处于所述第二动量的所述尾迹区；
其中，所述气流空气力学系统配置并设置成引导处于所述第二动量的所述尾迹区，定位所述多个第二翼型构件中的每个第二翼型构件的前缘以拦截所述尾迹区，从而减少所述多个第一翼型构件与所述多个第二翼型构件之间的头波。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述多个第一翼型构件构成多个第一固定翼型构件，且所述多个第二翼型构件构成多个第二固定翼型构件。
3.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述多个第一翼型构件包括第一桨距，所述多个第二翼型构件相对于所述多个第一翼型构件以小于所述第一桨距设置时序。
4.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述气流空气力学系统配置并设置成引导处于所述第二动量的所述尾迹区，定位所述多个第二翼型构件中的每个第二翼型构件的前缘以拦截所述尾迹区，从而改进所述多个第二翼型构件上游的回流余量。
5.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述气流空气力学系统配置并设置成改进所述多个第二翼型构件上游的回流余量。
6.一种用于改进涡轮机中的气流空气力学的方法，所述方法包括：
朝向沿着涡轮的气路布置的多个第一翼型构件引导具有第一动量的燃烧气体；
使处于所述第一动量的所述燃烧气体穿过所述多个第一翼型构件；
在所述多个第一翼型构件的下游形成尾迹区，所述尾迹区具有低于所述第一动量的第二动量；
将多个第二翼型构件的前缘定位在所述多个第一翼型构件的下游，以便拦截所述尾迹区；以及减小所述多个第一翼型构件与所述多个第二翼型构件之间的气流空气力学的力，以改进沿着所述气路的气流空气力学；
其中，改进所述气路内的气流空气力学包括减少所述多个第二翼型构件上游的头波。
7.根据权利要求6所述的方法，其中朝向所述多个第一翼型构件引导所述燃烧气体包括朝向多个第一固定翼型构件引导所述燃烧气体。
8.根据权利要求6所述的方法，其中定位所述多个第二翼型构件的所述前缘包括定位多个第二固定翼型构件的前缘，以拦截所述尾迹区。
9.根据权利要求6所述的方法，其中定位所述多个第二翼型构件的所述前缘以拦截所述尾迹区包括对所述多个第二翼型构件相对于所述多个第一翼型构件设置时序。
10.根据权利要求6所述的方法，其中改进所述气路内的气流空气力学包括改进多个第三翼型构件上的气流空气力学，所述多个第三翼型构件布置在所述多个第一翼型构件与所述多个第二翼型构件之间。
11.根据权利要求6所述的方法，其中改进所述气路内的气流空气力学包括：改进所述多个第一翼型构件与所述多个第二翼型构件之间的气流余量；以及减少所述多个第二翼型构件上游的头波。
具有气流空气力学系统的涡轮机和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及涡轮机领域，更具体地，涉及用于涡轮机的气流空气力学系统。
背景技术
[0002] 一般地，涡轮机燃烧燃料以驱动涡轮，从而为发电机、泵以及类似装置等提供动力。燃料，例如天然气、精炼油、合成气体等被输送到燃烧器，并与空气和/或其他稀释剂混合，从而形成可燃混合物。混合物燃烧形成热气，所述热气被输送到涡轮部分。在涡轮部分中，热气膨胀通过一连串定子和转子。转子会将来自热气的热能转化成机械旋转能。
[0003] 在操作中，热气的一部分沿着气路自由流动，所述气路延伸穿过涡轮机。热气的另一部分会撞击(impinge)沿着气路定位的翼型(airfoil)。撞击翼型的气体部分会变慢，因此，相对于沿着气路自由通过的气体而言，该部分具有较低动量。具体而言，与撞击翼型表面的气体部分相比，沿着气路自由流过的气体部分具有更高的动量。具有较高动量的气体部分还会撞击后面的翼型。当具有较高动量的气体撞击翼型表面时，翼型的前缘处会形成头波(bow wave)。头波与沿着气路流动的气体(处于低动量以及处于高动量)相互作用，产生压力变化，所述压力变化会减小涡轮机中的回流余量(back flow margin)。回流余量的定义为，气路外部的冷却空气压力与沿着气路流动的热气的压力之间的压力差。正回流余量限制热气从气路泄漏。沿着气路流动的气体的损耗会导致涡轮机的输出减少，且可能因吸入热气而损坏辅助流动/冷却部件。
发明内容
[0004] 根据示例性实施例的一个方面，一种涡轮机包括空气力学系统，所述涡轮机具有压缩机部分，以及与所述压缩机部分流体连通的燃烧器部分。涡轮部分与所述燃烧器部分流体连通，并以机械方式连接到所述压缩机部分。所述涡轮部分包括：气路；第一级，其具有沿着所述气路布置的多个第一翼型构件；以及第二级，其具有在所述第一级的下游沿着所述气路布置的多个第二翼型构件。所述多个第一翼型构件经配置以拦截(intercept)来自所述燃烧器部分的处于第一动量的燃烧气体，并形成具有第二动量的尾迹区(wake zone)，所述第二动量低于所述第一动量。所述涡轮机包括气流空气力学系统，所述系统配置并设置成通过以下方式来改进沿着所述气路的气流空气力学：对所述多个第二翼型构件相对于所述多个第一翼型构件周向设置时序(clocking)，以拦截处于所述第二动量的所述尾迹区。
[0005] 根据示例性实施例的另一方面，一种用于改进涡轮机的空气力学的方法包括：朝向沿涡轮的气路布置的多个第一翼型构件引导具有第一动量的燃烧气体；使处于所述第一动量的所述燃烧气体穿过所述多个第一翼型构件；在所述多个第一翼型构件的下游形成尾迹区，其中尾迹区具有低于所述第一动量的第二动量。多个第二翼型构件的前缘定位于所述多个第一翼型构件的下游，以便拦截所述尾迹区，并减小所述多个第一翼型构件与多个第二翼型构件之间的空气力学的力，从而改进沿着所述气路的空气力学。
[0006] 通过以下说明并结合附图可以更加清楚地了解这些和其他优点以及特征。
附图说明
[0007] 本发明的权利要求书特别指出并明确主张了本发明的主题。通过以下详细说明并结合附图，可以清楚地了解本发明的上述及其他特征和优点，其中：
[0008] 图1是根据示例性实施例的包括回流余量改进系统的燃气涡轮机的示意图；以及[0009] 图2是根据示例性实施例的回流余量改进系统的示意图。
[0010] 具体实施方式部分参考附图以实例方式解释本发明的各项实施例以及优点和特征。
[0011] 元件符号列表：
[0012] 参考标号 部件 参考标号 部件
2 涡轮机 4 压缩机部分
6 涡轮部分 10 燃烧器部分
12 压缩机涡轮轴 15 气路
20 第一级 24 第二级
30 第一级定子翼型构件 32 第一级定子翼型构件
40 第二级定子翼型构件 42 第二级定子翼型构件
50 热气 52 第一部分
54 第二部分 58 箭头
60 尾迹区 80 气流改进系统
具体实施方式
[0013] 一般地，涡轮机需要大量净化流来维持叶轮空间的温度。沿着涡轮内的热气路径流动的气体撞击固定表面和旋转表面，从而产生多种干扰，例如，头波。所述多种干扰对回流余量造成负面影响，或者在涡轮中的热气路径与叶轮空间区域之间产生压力差。头波还导致上游组件空气力学加压或形成压力，这对气路空气力学造成负面影响。需要维持正回流余量，以便阻止热气离开热气路径而进入叶轮空间区域。因此，如以下更全面地论述，示例性实施例提供一种用于改进涡轮机中的回流余量的系统。
[0014] 参考图1和图2，根据示例性实施例构造的涡轮机通常用2来表示。涡轮机2包括压缩机部分4，所述压缩机部分通过燃烧器部分10可操作的连接到涡轮部分6。压缩机部分4还经由共用的压缩机涡轮轴12可操作的与涡轮部分6连接。涡轮部分6包括气路15，沿着所述气路布置第一级20和第二级24。如图所示，第二级24定位于第一级20的下游。对此，应了解，涡轮部分6中的级数可以变化。第一级20包括：多个第一级定子翼型构件，其中一个用30来表示；以及多个第一级转子翼型构件，其中一个用32来表示。第一级转子翼型构件32定位于第一级定子翼型构件30的下游。类似地，第二级24包括：多个第二级定子翼型构件，其中一个用40来表示；以及多个第二级转子翼型构件，其中一个用42来表示。第二级转子翼型构件42定位于第二级定子翼型构件40的下游。
[0015] 通过这种布置，具有第一动量的热气50朝向第一级20从燃烧器部分10经过而进入涡轮部分6的气路15。热气50的第一部分52撞击多个第一级定子翼型构件30并朝向多个第一级转子翼型构件32而流过所述多个第一级定子翼型构件。热气50的第二部分54在第一级定子翼型构件30之间相对畅通地流向第一级转子翼型构件32。多个第一级定子翼型构件30调节热气50的第一部分52，以便沿着所需的流路流动，从而按所需的轨迹碰击多个第一级转子翼型构件32。响应于热气50的流动，多个第一级转子翼型构件32开始以例如箭头58所示的方向旋转。气体继续沿着气路流动，从而使后续的转子翼型构件以例如箭头59所示的方向旋转，从而使涡轮6以所需的输出进行操作。
[0016] 在流过第一级定子翼型构件30之后，热气50的第一部分52中形成尾迹区60。尾迹区60于第一级翼型构件30的下游发展，流过第一级转子翼型构件32，并流向第二级定子翼型构件40。在撞击翼型表面之后，尾迹区60会减慢至小于第一动量的第二动量。同时，热气50的第二部分54仍基本处于第一动量。为了限制第二级定子翼型构件40与热气50的第二部分54之间的相互作用，涡轮部分6设有气流改进系统80，所述气流改进系统构建(establish)相对于第一级定子翼型构件30的第二级定子翼型构件40的特别定向。
[0017] 根据示例性实施例的一个方面，气流改进系统80在涡轮部分6内构建改进的回流余量并减少的头波。气流改进系统使多个第二定子翼型构件40相对于多个第一定子翼型构件30周向偏移或设置时序。具体而言，气流改进系统80对第二级定子翼型构件40进行周向定位，以拦截从第一级定子翼型构件30流出的尾迹区60。拦截尾迹区60确保较低动量的流体流在第二级定子翼型构件40的前缘区域或其附近碰击，以此方式来增加回流余量。较低动量流会减少在第二级定子翼型构件40的上游形成头波85，进而导致回流余量的改进。也就是说，通过避免或减少第二级定子翼型构件40与热气50的第二部分54之间的接触，回流余量改进系统提高上游的回流余量，从而减少将热气从热气路径吸入叶轮空间。头波的减少还能导致减少的空气力学加压或减小的周向静压力变化，这改进沿着气路15的气流空气力学。因此，改进沿着气路15的空气力学应被理解成包括降低上游翼型构件上的空气力学加压。
[0018] 对此，应理解，设置时序特定的程度或百分比是机械且操作条件所特有的。例如，每个第一级定子翼型构件包括相对于热气50的特定桨距或桨叶宽度角“p”。根据所示的示例性实施例，对第二级定子翼型构件40相对于第一级定子翼型构件30周向设置时序小于一个桨距90。当然，应理解，第二级定子翼型构件40也可周向设置时序大于桨距“p”。还应理解，虽然就两级进行了描述，但气流空气力学系统可应用于涡轮中的任何数目个级。此外，相邻级之间的设置时序的程度可以变化，且可以大于或小于桨距“p”，这具体取决于机械和操作特性。此外，虽然就定子翼型构件进行了描述，但是气流空气力学系统也可应用于转子翼型构件。应进一步理解，翼型构件的特定定位可减小头波强度、改进空气力学，或者减小头波强度并改进空气力学余量。
[0019] 尽管仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但应易于理解，本发明并不限于此类所公开的实施例。相反，本发明可经修改以涵盖所有之前并未介绍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，尽管已描述本发明的各种实施例，但应理解，本发明的各方面可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。
