[发明专利]改善涡轮机械的能效

说明书

相互对照相关申请：

本申请是专利申请号US2011/0006165A1、申请日为2010年7月8日申请在美国国家阶段的后续部分，该申请是由美国临时专利申请号61/224,481、申请日为2009年7月10日衍生出的非临时申请，该申请也是递交于2010年7月9日的国际申请PCT/IB2010/001885。

技术领域

本发明属于牛顿流体流动气动/流体力学处理装置领域，利用新型共形涡流发生器(CVG)的流体动力学结构改善其能效和/或性能。这种新颖的关于典型嵌入式或集成式CVG的应用适用于许多场所和任务，例如，激盘、泊片叶栅和动态涡轮机械的流动表面，比如移动涡轮发动机、静态功耗发电涡轮机，直升机，机翼及其它牛顿流体流动应用。

背景技术

额外的CVG的使用例如，直升机侵蚀保护系统(EPS)在非常高的径向加速度下，在大约万倍的重力下，不可粘附和匹配更小更复杂的涡轮机械结构，，需要新的内嵌式或集成式CVG方法；高硬度和性能环境的叶栅，例如高温和尖锐边缘的输入曲面。额外的CVG有机会通过粘合剂粘附在箔片或物体表面设计，在制造后，其中原始箔片或物体表面设计目的或工程考量没被校正到CVG最优性能。另一方面集成CVG技术包含在新箔片或流体流动控制表面设计的设计过程和设计工程中，并且这允许性能，流体流动控制范围，能效和制造方法的新组合不具有额外的CVG技术。

燃气涡轮发动机是对于使用大范围牛顿流体，热学，材料和物理技术的复合涡轮机的众所周知的案例，它应用到实际的流体流动处理设备。每一个连续的功能块接受一些输入的流体流动，以某些方式处理该流体然后将该流体输出至发动机下一阶段的接口处。初始空气进气口是第一流体的输入接口，任何冷或热排气喷口将流体通过最终的流体输出接口输出至周围大气。涡轮发动机采用著名的布雷顿循环，它的效率同著名的热力循环理论性能的流动比最高工作温度对于最终排气温差相关，以及，关于压缩机，涡轮机，燃烧器和入口导流叶片(IGV)，流动管道和排气口管道的流动效率，或能量损失相关。

在本发明中，所述流体流动是一运行的牛顿“流体”，通常指空气或其它气体，但众多CVG技术实施例对于液体或混合相态用雷诺数(Re)来解释时同样有效。根据已知的事实，在许多涡轮机箔片和气体流体流动设计中，为了方便起见，对装置进行可视化测量，测试，例如水箱采用标记材料的方法观察可视化的流体流动的效果。下文中的“流体流动”适用于牛顿气相和/或液相流体动力学以校正实际流体流动条件和雷诺数。

发动机压缩机和涡轮叶片定子和转子盘设计，作为在叶栅中一排箔片，尽量充分利用空气性能，发动机几何形状和质量流量。由于早些阶段操作更靠近冷却入口流体温度，压缩机和可能的旁路风扇阶段和管道的“冷区”在某些要求不高的环境下工作，。位于这些冷区的流体改进不具有影响材料，氧化或其它问题的高气体温度的复杂性，以致混合了如下共性：转动，流动，空气弹性变形，震动，疲劳和压力。压缩机阶段可以吸收大约提供的总能量的60％+，这是在涡轮机阶段提取的。针对其余涡轮机输出功率和排气口推动力的效率改进对于可用输出功率有很高的影响。

现有技术的描述：

低压涡轮(LPT)阶段：在现代多重同心转轴引擎设计中，通常在LPT阶段从退出后燃烧室的“热区”气体的质量流量获取能量，这包括压力下降，引导能量经过分流扇最里面的轴向驱动轴至潘璐风扇，轴承载和/或最初压缩机阶段。

由于LPT阶段的叶片负荷和Zweifel负荷系数已经上升，修改叶栅强度，降低叶片数，发动机尺寸，重量和成本，涡轮叶栅内的推动/反应箔片存在的问题便浮现出来。在较低的雷诺数下，“偏离设计”的转子和定子叶片可以体验到不良的吸油面压力梯度；压力梯度引导增厚边界层(BL)，过渡湍流流动流体，流动流体在BL层的低势分流，总流动流体分流或损失能效。

McQuilling指出在他的论文“有关高位低压涡轮叶片的设计及验证”中，“高位”(前置)LPT叶片被设计成类似他提出的具有增强Zweifel系数的L2F，超越了著名的普拉特和惠特尼有限公司的常见案例。“Pack-B”叶片的设计，可能没有使用任何附加的流动修正方法，以抵消流动分离或运行在极端情况或“偏离设计”时叶片的失速。