CN108425704B - 含有导流结构的涡轮机 - Google Patents

Abstract

本申请涉及含有导流结构的涡轮机。涡轮机具有被设计和配置为紧密地耦合毗邻的有叶片元件的流场的紧密耦合导流装置(CCFG)。在某些实施方案中，CCFG可以位于在毗邻的有叶片元件之间延伸的区(在本文中描述为耦合避免地带)中，常规的涡轮机设计将建议在该处不应当加入任何结构。在其他的实施方案中，CCFG位于被联接于有叶片元件的叶片的行的上游和/或下游，包括重叠叶片的行中的一个或多个，以改进流动耦合和机器性能。设计涡轮机以包含CCFG的方法也被提供。

Description

含有导流结构的涡轮机

本申请是申请日为2014年01月23日，申请号为201480005499.3，发明名称为“用于强迫涡轮机的毗邻的有叶片元件的流场的耦合的结构和方法以及含有其的涡轮机(变更后的名称为“含有导流结构的涡轮机”)”的申请的分案申请。

相关申请数据

本申请是于2013年1月23日提交的并且名称为“Methods for Forced Couplingof Rotor-Stator Pairs and Turbomachines Incorporating the Same”的序列号为61/755,747的美国临时专利申请(其以其整体通过引用并入本文)的非临时申请。

发明领域

本发明大体上涉及涡轮机械的领域。具体地，本发明涉及用于强迫涡轮机的毗邻的有叶片元件的流场的耦合的结构和方法，以及含有其的涡轮机。

背景

涡轮机械包括压缩机、泵、和涡轮，其通常包括经常地被定位为紧邻于彼此的多行有叶片元件，其在使用期间形成用于工作流体的通路。经常地，在这些毗邻的行之间具有经常地以非常高的速度的相对运动。示例包括一行旋转叶轮叶片，该旋转叶轮叶片联接至定位为毗邻于联接至定子的一行静态的扩散器或喷嘴叶片或轮叶的转子。常规的涡轮机设计要求有叶片元件的这些毗邻的行之间的最小缝隙以最小化和避免形成这些行的结构例如转子叶片和定子轮叶之间的不想要的相互作用。这些不想要的相互作用包括噪声和振动的产生，已知振动使转子叶片和/或扩散器轮叶破裂或断裂。

本公开的概述

在一个实施中，本公开涉及一种涡轮机。涡轮机包括第一有叶片元件，其具有包含多个第一叶片的第一叶片区；第二有叶片元件，其具有包含至少一个第二叶片的第二叶片区，其中第二叶片区毗邻于第一叶片区定位；以及紧密耦合导流装置(CCFG)，其被设计和配置为在使用期间把第一有叶片元件的流场与第二有叶片元件的流场紧密地耦合。

在一个实施方案中，所述涡轮机还包括在所述第一叶片区和所述第二叶片区之间延伸的耦合避免地带，并且其中所述CCFG位于所述耦合避免地带中。

在一个实施方案中，所述第二有叶片元件包括被布置和配置为低坚固性叶片行的多个第二叶片。

在一个实施方案中，所述第二有叶片元件还包括多个第三叶片，所述多个第三叶片被布置和配置为定位在所述低坚固性叶片行的下游的串列式叶片行，所述串列式叶片行具有比所述低坚固性叶片行低的叶片计数。

在一个实施方案中，所述低坚固性叶片行包括多个平板。

在一个实施方案中，所述第一有叶片元件包括离心式叶轮并且所述第二有叶片元件包括扩散器。

在一个实施方案中，所述CCFG包括被控制轮廓的表面。

在一个实施方案中，所述被控制轮廓的表面具有重叠所述第一叶片区的腿部。

在一个实施方案中，所述被控制轮廓的表面的一部分位于所述第二叶片区中。

在一个实施方案中，所述被控制轮廓的表面是不对称的。

在一个实施方案中，所述被控制轮廓的表面包括扭曲的表面。

在一个实施方案中，所述CCFG包括肋部。

在一个实施方案中，所述肋部的第一部分位于所述第一叶片区中并且所述肋部的第二部分位于所述第二叶片区中。

在一个实施方案中，所述CCFG还包括第二肋部和凹槽，所述凹槽位于所述肋部和所述第二肋部之间。在另一个实施中，本公开涉及一种涡轮机。涡轮机包括第一叶片行，其定位为毗邻于第二叶片行；以及紧密耦合导流装置(CCFG)，其接近第一叶片行和第二叶片行中的至少一个定位，CCFG被设计和配置为把第一叶片行的流场与第二叶片行的流场紧密地耦合。

在一个实施方案中，所述涡轮机还包括护罩表面，其中所述CCFG是在所述护罩表面中形成的凹槽。

在一个实施方案中，所述凹槽重叠所述第一叶片行和所述第二叶片行二者。

附图说明

为了图示本发明的目的，附图示出本发明的一个或多个实施方案的方面。然而，应当理解，本发明不限于在附图中示出的精确的布置和机构，在附图中：

图1是图示了包括一个或多个用于增强涡轮机的毗邻的有叶片元件之间的流场的耦合的紧密耦合导流装置(CCFG)的根据本发明制造的涡轮机的高水平框图；

图2是图示了包括CCFG的涡轮机械的上下文特征的示意图；

图3是以具有CCFG的低坚固性板扩散器的形式的示例性的有叶片元件；

图4是以具有CCFG和一行串列式下游叶片的低坚固性板扩散器的形式的示例性的有叶片元件；

图5是具有以被控制轮廓的表面的形式的示例性的CCFG的叶片的侧视图；

图6是在图5中示出的叶片的透视图；

图7是在图5-6中示出的叶片的前视横截面图；

图8是在图5-7中示出的叶片的前视横截面图；

图9是在图5-8中示出的叶片的前视横截面图；

图10是在图5-9中示出的叶片的前视横截面图；

图11是具有以扭曲的被控制轮廓的表面的形式的可选择的CCFG的叶片的俯视图；

图12是在图11中示出的叶片的侧视图；

图13是具有在图11-12中示出的带有扭曲的被控制轮廓的表面的叶片的示例性的有叶片元件的透视图；

图14是以具有多个叶片和多个CCFG的扩散器的形式的示例性的有叶片元件的透视图；

图15是在图14中示出的有叶片元件的另一个透视图；

图16是与另一个以叶轮的形式的有叶片元件组合的在图14-15中示出的有叶片元件的透视图；

图17是不具有成锥形的毂表面的示例性的有叶片元件的透视图；

图18是具有带有包括在叶片的压力侧上的有倒角的表面的CCFG的叶片的示例性的有叶片元件的透视图；

图19是具有带有包括在叶片的吸入侧上的有倒角的表面的CCFG的叶片的示例性的有叶片元件的透视图；

图20是具有带有包括前边缘和后边缘(每个具有在顶部和底部上被圆角划界的笔直的中部部分)的CCFG的叶片的示例性的有叶片元件的透视图；

图21是具有带有包括可选择的被控制轮廓的表面的CCFG的叶片的示例性的有叶片元件的透视图；

图22是具有带有延伸到扩散器通路中的CCFG的叶轮叶片的示例性的径向压缩机/泵的透视图；

图23是在图22中示出的叶轮叶片CCFG的近视图；并且

图24是具有带有包括从叶片的后边缘沿着护罩表面延伸的肋部的CCFG的叶片的示例性的有叶片元件的透视图。

详细描述

现在参照附图，图1图示了根据本发明制造的并且包括第一有叶片元件104和紧邻的第二有叶片元件108的涡轮机100。涡轮机100可以是适合于实施本发明的特征和方面的任何类型的涡轮机，包括但不限于压缩机、涡轮、泵、风扇等等，与涡轮机的类别无关，即，与涡轮机是离心机、轴向机、混流机、任何其他类别的机器、还是其任何组合无关。如将从阅读该整个的公开内容中对于本领域的技术人员变得明显的，第一有叶片元件104和第二有叶片元件108中的每个可以是旋转元件(例如，离心式叶轮、离心诱导器、轴向压缩机轮子、轴向涡轮轮子、风扇、泵轮等等)或静态的元件(例如，扩散器、喷嘴、导流装置等等)。

如在下文详细地描述的，本发明的某些方面涉及把在本文中和在所附的权利要求中被称为“紧密耦合导流装置”(CCFG)的特征加入至大体上位于毗邻的有叶片元件(例如图1的有叶片元件104和108)之间和/或与毗邻的有叶片元件中的一个或二者重叠的CCFG区(在此为CCFG区112)，以有意地紧密地耦合这些有叶片元件的流场。在可选择的实施方案中CCFG区可以也位于更上游和/或更下游处，使得其不延伸入在有叶片元件104和108之间延伸的空间110中。如也在下文详细地描述的，这样的CCFG可以包括被特定地设计和配置为增强毗邻的叶片区的流场的耦合而不导致不想要的效应(例如不想要的流动、压力和/或振动干扰)的结构。注意，虽然图1图示了涡轮机100作为仅具有单对的毗邻的有叶片元件104和108，但是在其他的实施方案中讨论的涡轮机可以具有两对或更多对毗邻的有叶片元件，并且毗邻的配对中的某些或全部可以用本发明的CCFG增强。在图示具体的CCFG之前，首先介绍一点背景以向阅读者提供本发明的方面的详细的理解。

在常规的涡轮机设计中，被广泛地接受的是最小的无轮叶空间必须被保持在毗邻的叶片区之间以避免叶片区之间的不想要的相互作用。可导致压力场破坏扭曲的这样的相互作用的示例被包括在Japikse,D.的1980年的AGARD CP-282中的“The Influence ofDiffuser Inlet Pressure Fields on the Range and Durability of CentrifugalCompressor Stages”的研究中。实际上，对控制这样的振动的需要已经是如此大的，致使涡轮机设计界已经强烈地集中于保持这种分离是足够的并且始终如一地考虑把每个元件设计为分离的实体，而没有紧密地耦合两个元件的期望。这种看法的一个后果是良好的阶段具有转子和定子之间的几乎没有空气动力学耦合的共有的观念，意味着几乎没有至完全没有从一个元件至其他元件的反馈，使得没有一个元件对其他元件具有显著的影响。

然而本发明的发明人已经从广泛的研究和测试发现这样的常规的想法是不正确的并且使用更复杂的设计方法，结构和特征可以被加入至传统上无轮叶的空间(其在本文中被称为“耦合避免地带”)，以有意地增加毗邻的流场的耦合。除了多种其他的益处以外，这种紧密耦合还可以导致增加的机器性能，包括从压缩机或泵转子的更大的功输入，从涡轮转子的更大的功输出，和在叶轮内的流动的更大的相对扩散。借助于现代计算机计算方法(例如计算流体动力学和有限元分析)，这种高度耦合三维问题可以被特征化并且紧密耦合特征可以被设计。本文描述的紧密耦合特征(再次地在本文中和在所附的权利要求中被称为CCFG)为涡轮机械设计者提供多个自由度以开发复杂的结构以有意地增加流场的耦合，导致改进的机器性能而不产生叶片区之间的不想要的相互作用和这些相互作用的任何消极影响，例如性能的降低、振动和噪声。如将在下文的各种实施例中图示的，本公开的CCFG可以部分地或整个地位于相应的耦合避免地带内和/或被定位为与上游和/或下游叶片区重叠以实现期望的流场耦合。

在常规的涡轮机设计中，如上文提出的无轮叶空间或耦合避免地带的最小的大小可以根据机器的类型和大小而变化。对于径向流动压缩机和泵，最小的大小通常在约1.08≤r₃/r₂≤1.15的范围内，其中r₃是从机器中心线至轮叶的前边缘的半径并且r₂是至叶轮或转子后边缘的半径。对于轴向流动机器，最小耦合避免地带通常在约1/4C至1/2C的范围内，其中C是有关的叶片的弦长度。对于混流机器，适用的度量可以是径向流动度量(r₃/r₂)或轴向流动度量(1/4C至1/2C)，这取决于机器的配置。如在下文更充分地描述的，CCFG可以延伸到或完全地位于耦合避免地带中，使得对于径向流动压缩机和泵，r_c/r₂可以是小于1.08，其中r_c是从机器中心线至CCFG的前边缘的半径，并且对于轴向流动机器，CCFG的前边缘或后边缘和毗邻的叶片之间的分隔可以是小于1/4C。

附图中的图2相对于图1更详细地介绍了在本文中描述和使用其余的图和伴随的描述中的具体的示例例证的构成CCFG的基础的一般特征和原理中的某些。图2概念地图示了上文描述的常规的耦合避免地带200以及其与本发明的关系。在图2中，相应的分别的有叶片元件212和216的两个示例性的叶片204和208被定位为毗邻于彼此但是与彼此间隔并且具有相应的分别的前/后边缘204A和208A，其中前/后本质取决于经过机器的流动的方向。如上文指出的，每个有叶片元件212和216可以是例如转子(例如，离心式叶轮、离心诱导器、轴向压缩机轮子、轴向涡轮轮子、风扇、泵轮等等)或定子(例如，扩散器、喷嘴、导流装置等等)，并且有叶片元件可以配置为用于相对运动，使得一个有叶片元件是静态的并且另一个围绕机器的旋转轴线旋转。

根据本发明，图2图示了CCFG区220，其如上文讨论的包含被有意地提供以促进毗邻的有叶片元件212和216之间的流场耦合的一个或多个CCFG(未示出)。如图示的，CCFG区220可以在前/后边缘204A和208A的上游和下游延伸，可以延伸到耦合避免地带200中或延伸穿过耦合避免地带200，可以延伸至与叶片204和208中的一个、另一个或二者重叠，并且也可以在相对于讨论的涡轮机的旋转轴线(未示出)的周向方向延伸(在此，大体上向页面内和离开页面而延伸)。注意，虽然CCFG区220的范围被图示为至极限，但是在任何具体的设计中所使用的实际的CCFG区不需要是这样。例如，在某些设计中，CCFG区将仅占据传统的耦合避免地带200的一部分。在其他的设计中，CCFG区将占据整个的耦合避免地带200和/或与毗邻的有叶片元件212和216中的一个、另一个或二者重叠。在其他的设计中，CCFG区可以仅位于耦合避免地带200的上游和/或下游和完全地不位于耦合避免地带中。如上文指出的，本公开的CCFG的重要的方面是它们产生的有意的流场耦合效应，并且不一定是它们的位置本身。

如上文提出的并且在下文更详细地描述的，CCFG区220包括一种或多种类型的一个或多个CCFG。在一个示例中，叶片204和208的分别的前/后边缘204A和208A中的一个、另一个或二者可以通过合适的CCFG结构224和228(作为点线被概念性地示出)的向相应的分别的叶片204和208的可选择的加入被有效地运动到耦合避免地带200中。如图示的，CCFG224和228可以被加入至叶片204和208中的一个或多个，有效地把前/后边缘204A和/或208A从常规设计的前/后边缘230和232运动至耦合避免地带200中的位置。应注意，取决于被加入的CCFG结构中的每个的配置，作为结果的结构可以外观相似于在常规设计中的常规的叶片，但是差异是叶片被提供有之前通过增加CCFG结构来避免的另外的功能性，即密切耦合功能性。

如示出的，叶片204和208中的每个位于相应的有叶片元件212和216的相应的分别的叶片区240A和242A中，其中，对于旋转元件，叶片区是当元件作出完全的旋转时在有叶片元件上的一行或多行叶片的常规设计的后边缘或前边缘(例如常规设计的后/前边缘230和232)的扫掠区域之间的体积空间，并且，对于定子元件，除了定子元件的旋转是虚构的而非实际的之外，叶片区是相同的。在常规的涡轮机设计中，耦合避免地带在毗邻的有叶片元件的叶片区之间延伸，该叶片区被有意地间隔开以最小化流场耦合的量。这在图2中通过耦合避免地带200在有叶片元件212的叶片区240A和有叶片元件216的叶片区242A之间延伸来描绘。本发明的实施方案包括CCFG向耦合避免地带200的加入，使得CCFG区220可以延伸超出每个叶片区240A和242A的任何经向的范围(例如，对于径向流动装置，叶片区的径向最向外的范围的径向向外和/或叶片区的径向最向内的范围的径向向内)。

虽然图2仅图示了CCFG 224和228，但是如上文描述的CCFG可以位于CCFG区220内的任何位置。此外，虽然CCFG 224和228在图2中概念地并且相对简单地图示，但是如在本文中较充分地描述和图示的，本公开的CCFG可以具有多种不同配置中的任何一种或多种，包括被控制轮廓的表面、肋部、凹槽和通道。例如，本公开的CCFG可以包括在毂或护罩表面中或毂或护罩表面上的凹槽、通道和/或肋部，并且可以延伸至叶片204和208中的任一个的上游或下游。本公开的CCFG还可以包括位于叶片204和208中的一个的与耦合避免地带200相反的侧部上的肋部、凹槽或通道。例如，在叶片204和208中的一个是位于耦合避免地带200的下游的扩散器轮叶的实施方案中，CCFG可以位于扩散器轮叶的后边缘的下游。

如将在下文在示例性的实施方案中更充分地描述的，以肋部和被控制轮廓的表面的形式的CCFG可以与以凹槽或通道的形式的CCFG组合地被加入以优化设计。例如，除了改进流动耦合之外，通过消除任何由CCFG例如被控制轮廓的表面的加入导致的轮叶堵塞，凹槽和通道可以被用于保持沿着级联部的伪通路的合适的横截面积。

在某些实施方案中，本文公开的CCFG可以与稳定性和流动控制孔洞组合，例如在名称为“FLOW STABILIZING DEVICE”的国际专利申请第PCT/US02/19173号中描述的那些，该申请为了其稳定性和流动控制孔洞的教导通过引用并入本文。其他的实施方案可以包括除了CCFG的设计之外的各种噪声减少方法，包括共振器、蜂巢和表面处理的加入。

根据结合有在上文描述的并且在附图中图示的一个或多个CCFG的涡轮机械的一般特征，以下的讨论和相应的图说明了某些示例性的实施方案以进一步解释和说明本公开的方面。

在某些实施方案中，结合有CCFG的涡轮机械可以具有拥有一行低坚固性的翼面或板的有叶片元件，例如有叶片元件是扩散器的情况，坚固性被定义为弦长度与节距的比率的情况，以及低坚固性的行可以具有在约0.5至1.3的范围内的坚固性比率的情况。例如，低坚固性可以是指任何两个毗邻的轮叶之间的最小的重叠或没有重叠。图3图示了具有多个以板的形式的叶片302的示例性的低坚固性扩散器300的一部分。为了容易比较，扩散器300是有叶片元件104或108中的一个的示例(图1)，并且叶片302是叶片204或208的示例(图2)。在该所图示的实施方案中，叶片302中的每个的前边缘包括以被设计和配置为把毗邻的有叶片元件(例如叶轮)中的流场与扩散器300中的流场紧密地耦合的被控制轮廓的表面304的形式的CCFG。如将在下文更充分地描述的，被控制轮廓的表面304可以提供用于设计CCFG的多个自由度以用于对于给定的应用的最优的耦合，并且被控制轮廓的表面也可以作为对于叶片302的另外的结构支撑，这可以改进振动性能。叶片302可以配置为使得被控制轮廓的表面304延伸到耦合避免地带中以更紧密地耦合毗邻的流场。在可选择的实施方案中，低坚固性扩散器300还可以包括以本文描述的CCFG中的任何一种的形式的另外的CCFG。例如，CCFG可以也位于叶片302中的一个或多个的后边缘306的下游，或可以位于毗邻的叶片之间。CCFG还可以被加入至包括具有翼面横截面形状的轮叶的低坚固性的行，并且还可以被加入至具有更高的坚固性的叶片的行。此外，如在下文更充分地描述的，叶片302可以包括沿着轮叶的基部的全部或一部分的圆角以改进轮叶强度和振动性能。

图4图示了低坚固性扩散器400，其包括以板的形式的第一行低坚固性的叶片404，并且还包括第二行下游的串列式叶片408。在常规的涡轮机械设计中，下游串列式叶片的数量通常大于或等于上游叶片的数量，因为常规设计中的串列式叶片的主要的目的是限制每行载荷系数的水平。然而，在该所图示的实施方案中，下游串列式叶片408的数量可以从多于第一行叶片404的数量至小于第一行叶片的数量(包括仅一个串列式叶片408)而变化，并且串列式叶片可以是完全或部分高度的叶片。在该所图示的实施方案中，低坚固性扩散器400具有14个第一行叶片404和6个第二行串列式叶片408，后者小于第一行叶片的数量的一半。所图示的实施方案不需要比第一行叶片404多的串列式叶片408，因为，在该所图示的实施方案中，串列式叶片被设计和配置为通过作为用于旋转失速室的中断部或充当边界层引导器或防护物以防止流动倾覆和分离或失速来改进稳定性。

图5-10图示了示例性的叶片500的各种方面，该叶片500具有以在叶片的前/后边缘504上形成的被控制轮廓的表面502的形式的CCFG。在该所图示的实施方案中，被控制轮廓的表面502从常规的前/后边缘506(其相应于常规的前/后边缘230或232(图2))延伸。因此，被控制轮廓的表面502的向叶片500的加入使前/后边缘504延伸超出叶片区508(其将相应于叶片区240A或242A(图2))并且延伸到耦合避免地带(未示出)中。因此，被控制轮廓的表面502可以延伸到机器的耦合避免地带中并且改进流场耦合并且增加机器性能。被控制轮廓的表面502可以位于CCFG区(其将相应于CCFG区220(图2))的某些位置中。叶片500可以位于任何数量的类型的机器中并且可以被联接于机器中的多个有叶片元件中的任何一个。例如，叶片500可以是压缩机或泵中的扩散器的轮叶，或可以是涡轮中的喷嘴的轮叶。在该所图示的实施方案中，叶片500在有叶片元件(例如有叶片元件104或108(图1))的毂510和护罩512之间延伸并且定位在流动通路520中。示例性的被控制轮廓的表面502在前/后边缘504中形成并且具有带有顶点524的曲线的或抛物线的形状并且包括上腿部526和下腿部528，每个具有端部530和532。被控制轮廓的表面502向叶片500提供可以改进振动性能的另外的结构。此外，叶片500还可以具有在叶片的基部或顶部中的一个或多个处的圆角半径600(在图6中最好地看到的)，并且还可以具有合适的厚度分布以增加振动性能。

在该示例性的实施方案中，被控制轮廓的表面502是大体上对称的，使顶点524大体上位于毂表面540和护罩表面542之间的中点处，并且上腿部526和下腿部528的端部530和532位于距顶点524大体上相同的距离处。在可选择的实施方案中，CCFG可以包括多种可选择的被控制轮廓的表面形状，包括不对称的形状。例如，顶点的位置可以在毂表面540和护罩表面542之间的相对距离上以及此外在距端部530和532的距离上变化。例如，示例性的被控制轮廓的表面包括位于耦合避免地带中的顶点，以及被控制轮廓的表面是顶点位于耦合避免地带外并且被控制轮廓的表面的腿部中的一个或二者延伸到耦合避免地带中。可选择的被控制轮廓的表面包括其他的几何形状，包括三角形的以及没有顶点的形状。如在下文在示例性的实施方案中描述和图示的，腿部可以在长度上变化，使例如上腿部比下腿部长，并且具有非平面的被控制轮廓的表面例如扭曲的被控制轮廓的表面。

图6-10图示了当从图6中的箭头600示出的视角察看时的被控制轮廓的表面502的各种横截面。更具体地，图7图示了在被控制轮廓的表面502的开始处的叶片500的横截面，并且图8-10图示了在沿着叶片500和被控制轮廓的表面502更远的位置处的横截面。如示出的，被控制轮廓的表面502的前/后边缘504变窄至叶片500的厚度中的中点1000(图10)，形成可以改进流动性能的尖锐的空气动力学形状。这种V形或前边缘变薄或成锥形可以位于任一轮叶侧或两侧上，或从一侧至另一侧不同地变化。

图11-13图示了可选择的具有以扭曲的被控制轮廓的表面1102的形式的CCFG的叶片1100。如同被控制轮廓的表面502，扭曲的被控制轮廓的表面1102在可以位于多种不同的机器中的叶片1100的前边缘或后边缘1104中形成。不同于被控制轮廓的表面502，扭曲的被控制轮廓的表面1102具有扭曲的形状，使得上腿部1106在一个方向远离叶片1100地弯曲，并且下腿部1108在大体上相反的方向远离叶片地弯曲。在该所图示的实施方案中，仅叶片1100的前/后部分1110被扭曲，并且叶片1100的其余部分是大体上平面的。在可选择的实施方案中，叶片1100的包括叶片1100的整个的长度的较大的部分可以具有扭曲的构型。图13图示了扭曲的被控制轮廓的表面1102的示例性的应用，该被控制轮廓的表面1102位于定位在有叶片元件1306(例如有叶片元件104和108中的一个(图1))的护罩表面1302和毂表面1304之间的叶片1300的前边缘上。

因此，如在图5-13中图示的并且在伴随的描述中描述的，以被控制轮廓的表面的形式的CCFG向涡轮机械设计者提供大量的自由度以用于优化对于给定的应用的几何学，包括被控制轮廓的表面的形状、腿部的相对长度和被控制轮廓的表面的扭曲，以及被控制轮廓的表面在其中形成的叶片。

图14-16图示了利用各种形式的CCFG的以径向流动压缩机/泵1402的扩散器1400的形式的有叶片元件的示例性的实施方案。为了容易比较，径向流动压缩机/泵1402是示例性的涡轮机100(图1)并且扩散器1400是示例性的有叶片元件104或108(图1)。压缩机/泵1402包括护罩1404和毂1406和在护罩1404和毂1406之间延伸的多个叶片1408，形成扩散器1400。在该示例性的实施方案中，叶片1408形成低坚固性的行，并且定位在从叶片的常规设计前边缘1410径向地向外延伸的叶片区中。叶片1408具有以具有与被控制轮廓的表面502相似的构型的被控制轮廓的表面1412的形式的CCFG(图3)。如在图15中最好地看到的，不同于被控制轮廓的表面502，被控制轮廓的表面1412的上腿部1414径向地向内地延伸至比下腿部1416大的程度，并且沿着护罩表面1418延伸，重叠叶轮叶片1600(图16)。因此，上腿部1414形成护罩表面1418中的肋部，并且还形成在肋部之间延伸的凹槽1420。因此，不同于常规的涡轮机设计，叶片1408的前边缘包括以被控制轮廓的表面1412的形式的CCFG，被控制轮廓的表面1412不仅延伸到传统的耦合避免地带中，而且被控制轮廓的表面1412的一部分实际上重叠叶轮叶片1600的后边缘1602(图16)。所图示的构型因此导致小于1.0的r_c/r₂比率，而常规设计将禁止小于约1.08的比率。这样的构型允许利用凹槽1420和上腿部1414使扩散器1400在流动仍然在叶轮1604中的同时开始导向流动(图16)，并且继续把流动高效率地引导到扩散器1400的伪通路中，产生转子和定子流场之间的紧密耦合。

在可选择的实施方案中，位于扩散器叶片之间的而非从叶片的前边缘延伸的分离的肋部或通道可以代替图14-16中图示的CCFG来使用或与图14-16中图示的CCFG组合地利用。肋部和通道的大小和形状也可以变化。例如，虽然在该所图示的实施方案中凹槽1420具有由从叶片1408延伸的上腿部1414界定的宽度，但是除了凹槽1420之外或作为对凹槽1420的替代形式，可以使用更窄的通道。此外，凹槽或通道可以在叶片1408的下游使用以进一步增强流动引导和耦合。另外的结构例如湍流器或升高的肋部或小肋部也可以被加入至毂和护罩表面1422和1418中的一个或多个以产生湍流并且由此通过增强局部的混合来稳定化流动。

CCFG的各种自由度可以被设计者利用以确保CCFG不导致不利的振动性能。例如，凹槽1420的大小可以配置为抵消被上腿部1414和被控制轮廓的表面1412占据的增加的空间。此外，如在图14和图16中最好地看到的，毂和护罩表面1422和1418可以成锥形，具有在扩散器1400的入口处的较大的高度1606和在扩散器出口处的较小的高度1608。在扩散器入口处降低毂表面1422可以在某些设计中改进流动耦合。此外，在扩散器入口处增加高度1606可以与凹槽1420共同地用以平衡被加入至流动通路的另外的CCFG结构并且最小化轮叶堵塞。此外，如上文描述的，被控制轮廓的表面1412的形状可以对于具体的应用优化。

图17图示了可选择的压缩机/泵扩散器1700，除了毂表面1702不成锥形而护罩表面1704相似于护罩表面1418(图14-15)成锥形之外，该压缩机/泵扩散器1700相似于扩散器1400。在可选择的实施方案中，毂表面1702可以代替护罩表面1704成锥形。因此，护罩和毂表面1702和1704的角度可以被变化以与另外的CCFG组合地细微调节流动通路的大小和轮廓，以优化流动。

图18和图19图示了可选择的CCFG配置。压缩机/泵1800和1900包括具有多个叶片1804和1904的低坚固性扩散器1802和1902。不同于压缩机/泵1402，叶片1804和1904具有可选择的被控制轮廓的表面1806和1906，每个具有比被控制轮廓的表面1412浅的曲率。此外，不同于压缩机/泵1402，叶片1804和1904具有在前边缘1808、1908和后边缘1810、1910二者上的被控制轮廓的表面。此外，上腿部1812、1912比上腿部1414短并且不沿着护罩表面1814、1914向上延伸。在可选择的实施方案中，被控制轮廓的表面1806或1906可以与本文公开的其他的CCFG中的任何一个组合，包括凹槽、通道、形成肋部的延伸的上腿部，以及在其他的位置中的肋部。叶片1804和1904还包括沿着叶片的顶部和底部的周边延伸的圆角半径1816和1916。圆角半径1816和1916向叶片1804和1904提供增加的结构完整性并且提供在叶片的前边缘和后边缘1808、1908和1810、1910处的小的角板1818、1918和1820、1920。

被控制轮廓的表面1806和1906还包括可选择的前边缘设计，其可以被用于差异性的入射控制。更具体地，如上文描述的并且在图8-10中最好地图示的，被控制轮廓的表面502包括在叶片500的中点1000处汇聚的尖锐的前边缘。相比之下，被控制轮廓的表面1806的前边缘1808包括在叶片1804的压力侧上的有倒角的表面1822，并且被控制轮廓的表面1906的前边缘1908包括在叶片1904的吸入侧上的有倒角的表面1922。因此，本文公开的CCFG被控制轮廓的表面的前边缘可以变化，包括通过有倒角的表面的选择性的定位以把差异性的入射控制结合在叶片设计中来变化。

图20和图21图示了另外的可选择的被控制轮廓的表面2000和2100。如在图20中示出的，被控制轮廓的表面2000由在顶部和底部上由圆角2004和2006划界的大体上笔直的中部部分2002形成，该圆角2004和2006向叶片2008的前边缘提供成锥形的上部分和下部分。如同叶片1804和1904，叶片2008具有在前边缘和后边缘二者上的被控制轮廓的表面2000。图21图示了包括以平板的形式并且具有被控制轮廓的表面2100的叶片2104的扩散器2102。被控制轮廓的表面2100具有圆拱形的形状，并且包括上腿部2106和下腿部2108。上腿部和下腿部2106和2108二者都具有曲率并且远离叶片2104的吸入侧2110地弯曲。上腿部2106具有比下腿部2108长的长度，并且沿着护罩表面2112延伸，形成凹槽2114。

图22图示了具有延伸的叶轮2202的可选择的压缩机/泵2200。如在图22中最好地看到的，叶轮叶片2202的后边缘2204延伸超出常规设计后拖边缘2300(图23)(其为了方便性相应于常规设计的后/前边缘230和232(图1))并且延伸到扩散器通路2206中。叶轮叶片2202的延伸的部分2304(图23)因此是被设计和配置为紧密地耦合毗邻的流场的CCFG。因此，压缩机/泵2200的设计与常规设计实践直接矛盾，常规设计实践要求扩散器轮叶和叶轮叶片之间的最小的缝隙。代替地，扩散器2210的叶片2208的部分可以沿着护罩表面2212延伸，重叠叶轮叶片2202，并且在流动仍然在叶轮中的同时开始引导流动，并且叶轮叶片2202的后边缘2204可以重叠扩散器通路2206，延伸到扩散器通路中，并且高效率地引导并且紧密地耦合两个流场。压缩机/泵2200还可以包括叶轮后边缘2204的对角的锥形部或修边部以优化转子-定子几何构型。

图24图示了具有相似于本文公开的其他的扩散器的低坚固性扩散器2402的可选择的压缩机/泵2400，该扩散器2402具有各种CCFG，包括在叶片2408的前边缘上的被控制轮廓的表面2406。叶片2408具有以从叶片的后边缘沿着护罩表面2412延伸的肋部2410的形式的另外的CCFG。肋部2410可以作为在叶片2408的下游的另外的导流装置，并且还可以通过作为用于旋转失速室的中断部、充当边界层引导器或防护物以及防止流动倾覆和分离或失速来改进稳定性。肋部2410还可以与凹槽组合以形成从叶轮中的护罩表面经过扩散器延伸至扩散器的下游的无轮叶空间以增加紧密耦合的连续的凹槽。在可选择的实施方案中，肋部2410可以除护罩表面2412之外或代替护罩表面2412地沿着毂表面2414放置，并且肋部的形状和大小可以变化，包括具有从护罩表面2412更远地延伸的更大的高度，以及可选择的形状，包括翼面、倾斜的或弯曲的。

本发明的另外的可选择的示例性的实施方案在下文的段落中描述。

在一个示例中，一种涡轮机，包括第一有叶片元件，其具有包含多个第一叶片的第一叶片区；第二有叶片元件，其具有包含至少一个第二叶片的第二叶片区，第二叶片区毗邻于第一叶片区定位；以及紧密耦合导流装置(CCFG)，其被设计和配置为在使用期间把第一有叶片元件的流场与第二有叶片元件的流场紧密地耦合。这样的示例性的涡轮机还可以包括以下的特征中的一个或多个：

低坚固性叶片行中的所述多个第二叶片中的一个包括多个翼面。

CCFG包括翅片结构。

被控制轮廓的表面具有带有中点的前边缘或后边缘，前边缘或后边缘包括接近中点的锥形部。

被控制轮廓的表面具有包括倒角的前边缘。

倒角位于被控制轮廓的表面的压力侧。

倒角位于被控制轮廓的表面的吸入侧。

第二叶片具有毗邻于第一叶片区定位的前边缘和位于第二叶片的与前边缘相对的侧上的后边缘，并且其中肋部从第二叶片的后边缘延伸。

CCFG包括通道。

通道重叠第一叶片区。

通道重叠第二叶片区。

CCFG被耦合于以下中的至少一个的前边缘或后边缘：1)所述多个第一叶片中的一个和2)所述至少一个第二叶片。

CCFG重叠以下中的至少一个：1)所述多个第一叶片中的一个和2)所述至少一个第二叶片。

CCFG包括凹陷部。

凹陷部重叠第一叶片区。

凹陷部重叠第二叶片区。

包括毂表面，其中凹陷部是毂表面中的成锥形的凹陷部。

第一有叶片元件包括转子并且第二有叶片元件包括定子。

第二有叶片元件是喷嘴的一部分。

第二有叶片元件是扩散器的一部分。

包括转子覆盖物，并且其中CCFG在转子覆盖物中形成。

CCFG包括凹陷部。

转子覆盖物具有面向第一叶片和第二叶片中的至少一个的表面，并且CCFG从该表面延伸。

涡轮机是径向流动机器，转子具有旋转轴线，第一叶片具有位于距旋转轴线的半径r₂处的后边缘，CCFG具有位于距旋转轴线的半径r_c处的前边缘，并且其中r_c/r₂大于零并且小于约1.08。

涡轮机是轴向流动机器，第一叶片具有弦长度C和后边缘，CCFG具有前边缘，并且其中前边缘和后边缘之间的距离小于约1/4倍C。

在第二可选择的示例性的实施方案中，涡轮机包括毗邻于第二叶片行定位的第一叶片行；以及一个紧密耦合导流装置(CCFG)，其接近第一叶片行和第二叶片行中的至少一个定位，CCFG被设计和配置为把第一叶片行的流场与第二叶片行的流场紧密地耦合。这种示例性的涡轮机还可以包括以下的特征中的一个或多个：

CCFG重叠第一叶片行和第二叶片行中的至少一个。

第一叶片行包括第一叶片区并且第二叶片行包括第二叶片区，并且其中CCFG重叠第一叶片区和第二叶片区中的一个。

涡轮机包括在第一叶片区和第二叶片区之间延伸的耦合避免地带，并且其中CCFG的所述部分位于耦合避免地带中。

包括毂表面和护罩表面，并且其中CCFG在毂表面和护罩表面中的至少一个中形成。

所述特征是在毂表面和护罩表面中的至少一个中的成锥形的凹陷部。

包括定位在第二叶片行的下游的串列式叶片行，串列式叶片行具有比第二叶片行低的叶片数量。

在第三可选择的示例性的实施方案中，设计涡轮机的方法包括：界定叶片的毗邻的行；把紧密耦合导流装置(CCFG)加入至在叶片的毗邻的行之间延伸的耦合避免地带；以及设计和配置CCFG以产生在叶片的毗邻的行中的流场之间的反馈以由此紧密地耦合叶片的毗邻的行。

示例性的实施方案已经在上文公开并且在附图中图示。本领域的技术人员将理解，可以对在文本中具体地公开的内容作出各种改变、省略和加入，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种涡轮机，包括：

主流路；

第一有叶片元件，其在所述主流路中具有包含多个第一叶片的第一叶片区；

第二有叶片元件，其在所述主流路中具有包含至少一个第二叶片的第二叶片区，其中所述第二叶片区毗邻于所述第一叶片区且在所述第一叶片区下游定位；以及

紧密耦合导流装置，其被设计和配置为在使用期间把在所述主流路内的所述第一有叶片元件的流场与在所述主流路内的所述第二有叶片元件的流场耦合，从而增加功输入系数和相对叶轮扩散中的至少一个；

其中所述第一有叶片元件具有旋转轴线且所述多个第一叶片中的至少一个具有位于距所述旋转轴线的半径r₂处的后边缘，所述紧密耦合导流装置具有位于距所述旋转轴线的半径r_c处的前边缘，且其中r_c/r₂约小于1。

2.根据权利要求1所述的涡轮机，还包括在所述第一叶片区和所述第二叶片区之间延伸的耦合避免地带，并且其中所述紧密耦合导流装置位于所述耦合避免地带中。

3.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述第二有叶片元件包括被布置和配置为低坚固性叶片行的多个第二叶片。

4.根据权利要求3所述的涡轮机，其中所述第二有叶片元件还包括多个第三叶片，所述多个第三叶片被布置和配置为定位在所述低坚固性叶片行的下游的串列式叶片行，所述串列式叶片行具有比所述低坚固性叶片行低的叶片计数。

5.根据权利要求3所述的涡轮机，其中所述低坚固性叶片行包括多个平板。

6.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述第一有叶片元件包括离心式叶轮并且所述第二有叶片元件包括扩散器。

7.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述紧密耦合导流装置包括被控制轮廓的表面。

8.根据权利要求7所述的涡轮机，其中所述被控制轮廓的表面具有重叠所述第一叶片区的腿部。

9.根据权利要求8所述的涡轮机，其中所述被控制轮廓的表面的一部分位于所述第二叶片区中。

10.根据权利要求7所述的涡轮机，其中所述被控制轮廓的表面是不对称的。

11.根据权利要求7所述的涡轮机，其中所述被控制轮廓的表面包括扭曲的表面。

12.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述紧密耦合导流装置包括肋部。

13.根据权利要求12所述的涡轮机，其中所述肋部的第一部分位于所述第一叶片区中并且所述肋部的第二部分位于所述第二叶片区中。

14.根据权利要求12所述的涡轮机，其中所述紧密耦合导流装置还包括第二肋部和凹槽，所述凹槽位于所述肋部和所述第二肋部之间。

15.一种涡轮机，包括：

主流路；

第一叶片行，其毗邻于第二叶片行定位，所述第二叶片行在所述涡轮机的所述主流路中位于所述第一叶片行的下游；以及

紧密耦合导流装置，其接近所述第一叶片行和所述第二叶片行中的至少一个定位，所述紧密耦合导流装置被设计和配置为把所述主流路内的所述第一叶片行的流场与所述主流路内的所述第二叶片行的流场耦合，以便在功输入系数和相对叶轮扩散中的至少一个中提供不可忽略的增长；

其中所述第一叶片行具有多个第一叶片和旋转轴线且所述多个第一叶片中的至少一个具有位于距所述旋转轴线的半径r₂处的后边缘，所述紧密耦合导流装置具有位于距所述旋转轴线的半径r_c处的前边缘，且其中r_c/r₂约小于1。

16.根据权利要求15所述的涡轮机，其中所述第一叶片行包括第一叶片区且所述第二叶片行包括第二叶片区，以及其中所述紧密耦合导流装置重叠所述第一叶片区和所述第二叶片区中的一个。

17.根据权利要求16所述的涡轮机，其中所述涡轮机包括在所述第一叶片区和所述第二叶片区之间延伸的耦合避免地带，并且其中所述紧密耦合导流装置的一部分位于所述耦合避免地带中。

18.根据权利要求15所述的涡轮机，还包括毂表面和护罩表面，且其中所述紧密耦合导流装置形成于所述毂表面和所述护罩表面的至少一个中。

19.根据权利要求18所述的涡轮机，其中所述紧密耦合导流装置是在所述护罩表面中形成的凹槽。

20.根据权利要求19所述的涡轮机，其中所述凹槽重叠所述第一叶片行和所述第二叶片行二者。

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