[发明专利]用于通过流体发生涡流的增强涡轮尾流混合的系统和方法

说明书

技术领域

本发明一般地涉及燃气涡轮发动机，且更特别地涉及用于重新分配任务、重新设计和/或操纵冷却剂喷射孔的使用以增强燃气涡轮机叶片或导叶尾流的混合以降低HPT/LPT(高压涡轮/低压涡轮)相互作用损失以改善涡轮机的热耐久性的系统和方法。

背景技术

涡轮叶片/导叶尾流与涡轮叶片/导叶冲击波系统相互作用，且如果不是完全混合的话，与下游叶片/导叶相互作用。此过程产生更高的损失，并且常要求HPT和LPT之间额外的轴向间距以完全混合尾流。除了尾流混合的空气性能益处之外，其益处还可扩展至包括热效应。从薄膜冷却的涡轮导叶和叶片离开的尾流除了压力亏损之外还有温度亏损。翼型件(导叶或叶片)的尾流中的低动量流体向下游迁移，并且被下游的翼型件摄入和旋转。图13的左侧图示了尾流迁移。图13的右侧图示了流体在下游叶片列中的旋转导致低动量流体在翼型件的吸力侧积聚，同时尾流外的较高动量流体向邻近翼型件的压力侧移动。由于与尾流外的流体相比尾流流体较冷，因此在下游翼型件列的通道中发生热隔离，此处进入尾流中的冷却剂不能到达压力侧。结果，下游翼型件的压力侧比邻近的吸力侧热，这导致压力侧的过热。

此外，上游翼型件的尾流还引入次级流，如果尾流具有比周围流低的速度，则该次级流常称作“滑移”速度，或“负向”射流，如果尾流具有比周围流高的速度，则称为“正向”射流。图14中图示的速度三角描绘了负向和正向射流。ASME J.Eng.Power第92卷pp.359-370的Kerrebrock，J.L.和Mikolajczak，A.A.在1970年发表的“Intra-Stator Transport of Rotor Wakes and Its Effect on CompressorPerformance”中描述了即便流体温度处处相同，当流向下游迁移时，此次级流导致流体跨越翼型件通道输送，这又导致跨越该通道的温度梯度。

图1是描绘涡轮叶片14的后缘12附近但不在后缘12中的流体喷射元件10的放置和操作的透视图解，该流体喷射元件10在本领域公知用于增强随涡轮叶片14的后缘12的尾流的混合。至少一个流体发生的涡流16操作以增强随涡轮叶片14的后缘12的尾流22的混合。流体发生的涡流16经由结合在涡轮叶片14的后缘12附近的一个或多个流体喷射元件24而发生。各流体喷射元件24构造成将诸如空气流的流体26喷入涡轮叶片14的后缘区域，以增强涡轮叶片14的后缘12后的尾流的混合。尾流的该增强混合导致更宽的尾流22。

图2图示了以上-下视角查看的具有本领域中已知的倒圆型后缘冷却方案的典型的涡轮叶片30，其中阴影区域32是金属而中空区域34是冷却剂流通路。涡轮叶片30包括具有直内壁的后缘槽36。图3图示了泄放槽后缘冷却方案，其具有包括后缘槽的较薄后缘，后缘槽带有直的内壁38。

尽管流体喷射元件/冷却孔和槽已经在现有技术中被采用来提供空气动力学性能益处以及涡轮叶片/导叶的冷却，但此类技术还未成功地解决对于超音速的导叶/叶片由尾流和冲击相互作用导致的稳态和非稳态空气动力学损耗，以及当叶片/导叶为亚音速时由于尾流相互作用导致的非稳态损耗。此外，其中导叶被大量冷却(例如，薄膜和后缘冷却)以确保在高温环境中的耐久性的高温涡轮可导致非稳态热尾流隔离效应(thermal wake segregation)，该效应会导致对下游叶片/导叶的端壁(例如平台和叶片/导叶末梢)的不期望的加热。由冷尾流结合热的燃烧后气体导致大的温度梯度，这导致热尾流迁移效应。

鉴于以上所述，将会有利的是提供一种系统和方法来降低整体压力梯度和整体温度梯度。该系统和方法应经由上游叶片列的热尾流的混合重新调节进入下游翼型件列的流，以通过减少下游叶片列内的热隔离效应而降低相邻下游叶片列的热负载。图16用单一草图图示了速度尾流和热尾流的混合。引入两个参数来测量尾流混合。第一个参数是尾流速度比(WVR)，其在本文中定义为尾流区域中的速度积分与自由流区域中的速度积分的比率。另一个参数是尾流温度比(WTR)，其定义为尾流区域中的质量加权温度积分与自由流区域中的质量加权温度积分的比率。

发明内容

简而言之，根据一个实施例，高温涡轮叶片或导叶包括大致弓形的后缘，该后缘包括设置在其中并构造成降低由于尾流和/或冲击相互作用所导致的空气动力学损耗的一个或多个流体喷射结构，该一个或多个流体喷射结构还构造成将热尾流隔离效应降低至期望水平。