CN100359142C - 用于燃气涡轮发动机的涡轮喷嘴组件及燃气涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃气涡轮发动机(10)的涡轮喷嘴组件，其包括涡轮喷嘴(51)和围绕着涡轮喷嘴周向延伸的集流环(51)，涡轮喷嘴(50)包括外带(54)、内带(56)以及由内带和外带连接起来的多个翼型叶片(52)，各翼型叶片是中空的并在其中形成了腔室(90)，而集流环用于将冷却流体径向向内地引导至各翼型叶片的腔室内。集流环包括由一对侧壁(136)连接起来的径向外壁(138)和径向内壁(134)，其中所述径向内壁的至少一部分(152)在这对侧壁之间弧形地延伸。

Description

用于燃气涡轮发动机的涡轮喷嘴组件及燃气涡轮发动机
技术领域
本发明大体上涉及燃气涡轮发动机的喷嘴，更具体地涉及为涡轮喷嘴提供冷却流体的方法和装置。
背景技术
燃气涡轮发动机包括燃烧室，其可点燃油气混合物，而后将混合物经由涡轮喷嘴组件向涡轮传送。至少一些已知的涡轮喷嘴组件包括周向设置的多个喷嘴。至少一些已知的涡轮喷嘴包括多个周向隔开的中空翼型叶片，其通过形成一体的内外带平台相连。具体地说，内带形成了径向内侧的流动路径边界的一部分，而外带形成了径向外侧的流动路径边界的一部分。
至少一些已知的涡轮喷嘴的翼型叶片是中空的，并包括形成于其内部的腔室。至少一些已知的翼型叶片腔室被分成前缘冷却通道、中央通道以及后缘通道。冷却空气提供给在发动机内周向地延伸并围绕着涡轮喷嘴外带的集管。气流通过多个与集管形成一体的分流端口而被径向向内地引导。具体地说，分流端口围绕着集管周向地间隔开，以便于为相应的涡轮喷嘴叶片提供冷却空气。更具体地说，已知的分流端口由大致平坦的径向内表面来限定，该径向内表面穿过分流端口延伸到环形侧壁上。为了便于将冷却空气分流到涡轮喷嘴翼型叶片的冷却通道上，已知的分流端口包括多个穿过分流端口的侧壁而延伸的开口。因此，这些开口定位成与分流端口的径向内表面形成约90°。
在工作期间，引导至分流端口处的气流被迫经分流端口的开口而径向向内地流向喷嘴腔室。进入分流端口的气流冲击端口的径向内表面，并通过端口的开口而改变其流动方向。然而，由于气流改变了流动方向，因此会产生湍流和压力损失。而且，湍流和压力损失会对提供给翼型叶片腔室的中央冷却通道的冷却气流造成不利的影响。随着长时间的持续工作，中央冷却通道的冷却程度降低，这会限制涡轮喷嘴的使用寿命。
发明内容
在一方面，提供了一种用于操作燃气涡轮发动机的方法。该方法包括：将冷却流体提供到集流环内，该集流环包括由通过径向内壁相连的侧壁所限定的多个分流端口；引导冷却流体周向地经由集流环而进入到至少一个分流端口中，该分流端口由弧形地跨过分流端口而延伸的径向内壁来限定；以及从集流环中径向向内地朝向位于集流环的径向内侧的多个涡轮喷嘴来排放冷却流体。
在另一方面，提供了一种用于燃气涡轮发动机的涡轮喷嘴组件。该涡轮喷嘴组件包括涡轮喷嘴和集流环。涡轮喷嘴包括外带、内带，以及通过内带和外带而连接在一起的多个翼型叶片。各翼型叶片都是中空的并在其中形成了腔室。集流环围绕着涡轮喷嘴周向地延伸，用于将冷却流体径向向内地引导到各翼型叶片的腔室内。集流环包括通过一对侧壁而连接在一起的径向上的外壁和径向上的内壁。径向内壁的至少一部分在这对侧壁之间弧形地延伸。
在另外一个方面，提供了一种包括有涡轮喷嘴组件的燃气涡轮发动机。这种涡轮喷嘴组件包括至少一个涡轮喷嘴，以及集流环。所述至少一个涡轮喷嘴包括外带、内带，以及通过内带和外带而连接在一起的多个翼型叶片。各翼型叶片都是中空的并在其中形成了腔室。集流环在燃气涡轮发动机内周向地延伸并处于所述至少一个涡轮喷嘴的径向外侧，用于将冷却流体径向向内地引导到各翼型叶片的腔室内。集流环包括至少一个由径向上的内壁所形成的分流端口，该径向内壁在侧壁之间跨过分流端口而弧形地延伸。
附图说明
图1是燃气涡轮发动机的示意图；
图2是可用于图1所示燃气涡轮发动机中的示例性涡轮喷嘴的透视图；
图3是可用于图2所示涡轮喷嘴中的多个喷嘴叶片的剖视图；
图4是可用于图2所示集流环中的分流端口的放大的侧面剖视图，该分流端口用来为图2所示的涡轮喷嘴提供冷却流体；和
图5是可用于为诸如图2所示的涡轮喷嘴提供冷却流体的分流端口的另一实施例的放大的侧面剖视图。
图中各标号的含义如下：10燃气涡轮发动机；12低压压缩机；14高压压缩机；16燃烧室；18高压涡轮；20低压涡轮；22第一轴；21第二轴；50涡轮喷嘴；51集流环；52翼型叶片；54外带；56内带；76前端翼型叶片；78尾端翼型叶片；80侧壁；82例壁；84前缘；86后缘；90腔室；92内表面；94内表面；100冷却通道；120前缘冷却通道；122后缘冷却通道；124中央冷却通道；132管；134内壁；136侧壁；138外端；140分流端口；152底面；154冷却开口；200分流端口；201盖板；210分流端口；212底面；214盖板；216侧壁；300集流端口。
具体实施方式
图1是燃气涡轮发动机10的示意图，其包括低压压缩机12、高压压缩机14以及燃烧室16。发动机10还包括高压涡轮18和低压涡轮20。压缩机12和涡轮20通过第一轴22相连，压缩机14与涡轮18通过第二轴21相连。
在工作期间，空气流经低压涡轮12，被压缩的空气从低压涡轮12提供给高压涡轮14。高度压缩的空气传送到燃烧室16中。来自燃烧室16的气流离开燃烧室16并驱动涡轮18和20，之后离开燃气涡轮发动机10。
图2是已知的示例性涡轮喷嘴50的透视图，其包括可用于燃气涡轮发动机、例如燃气涡轮发动机10的集流环51。图3是喷嘴50的剖视图。图4是用于为涡轮喷嘴50提供冷却流体的分流端口140的放大的侧面剖视图。在该示例性实施例中，喷嘴50包括多个周向隔开的翼型叶片52，其通过弧形的径向外带或平台54和弧形的径向内带或平台56相连。更具体地说，在该示例性实施例中，外带54和内带56均与翼型叶片52形成一体，喷嘴50包括至少一个翼型叶片52。或者，喷嘴50包括多个叶片52。
在该示例性实施例中，翼型叶片52是基本上相同的，而且各喷嘴均包括前端翼型叶片76和尾端翼型叶片78。各单个叶片52均包括第一侧壁80和第二侧壁82。第一侧壁80是凸起的并形成了各翼形叶片52的吸力面，第二侧壁82是凹入的并形成了各翼形叶片52的压力面。侧壁80和82在各翼型叶片52的前缘84处以及与之轴向间隔开的后缘86处相连。更具体地说，各翼型后缘86在弦向上间隔开，并位于相应的翼型前缘84的下游。
第一侧壁80和第二侧壁82在从径向内带56到径向外带54的跨度上分别纵向地或径向向外地延伸。另外，第一侧壁80和第二侧壁82在各翼型叶片52内分别限定了冷却腔室90。更具体地说，腔90由相应的各个翼型侧壁的内表面92和94来界定，并延伸穿过外带54和内带56。
各冷却腔室90都与形成于其中的多条冷却通道100相连。更具体地说，在该示例性实施例中，通道100包括前缘冷却通道120、后缘冷却通道122，以及在两者之间延伸的中央冷却通道124。
集流环51是环形的，并在发动机1 0内周向地延伸，从而使集流环51处于涡轮喷嘴50的径向外侧。具体地说，集流环51与外壳74相连，并将冷却空气引导到各分流端口140中。各端口140通常相对于各涡轮喷嘴的外带54居中定位，并处于外带54的径向外侧。集流环51是空心的，并包括通过一对径向侧壁136而连接在一起的径向外端138和径向内壁134。
集流环51包括多个径向向内延伸的周向隔开的分流端口。如本领域所知的那样，各分流端口140与为喷嘴50的冷却而提供冷却流体的冷却源相连。在一个实施例中，各端口140接受来自压缩机、例如压缩机14(如图1所示)的冷却空气。
在各分流端口140内设有管132，其称为线管(spoolie)，该管132基本上居中定位并径向向内延伸，以便与集流端口300相连。更具体地说，在该示例性实施例中，各线管132在径向上都至少部分地位于各分流端口140和集流端口300之间，并在各端口140和喷嘴集流端口300之间延伸。各集流端口300还与盖板201相连，该盖板201连接到喷嘴50的径向外表面上。更具体地说，盖板201在喷嘴50上延伸，并包括具有一定轮廓的底面152，其可促进将冷却流体引导到喷嘴50中。在该示例性实施例中，盖板的底面152为大致半球形。
多个冷却开口154延伸穿过底面152。更具体地说，在该示例性实施例中，开口154的尺寸相同并在盖板201上轴向且周向地间隔开。开口154控制了来自集流端口300的冷却流体的流动。更具体地说，如以下所详细介绍的那样，可以变化的方式选择开口154的尺寸和相对位置，以便于为翼型叶片腔室的冷却通道100提供基本上均匀的冷却流体的流动分布。
在工作期间，当热燃气流过喷嘴50时，喷嘴50的工作温度便升高。提供用于冷却集流环51的冷却流体在被径向向内地引导到分流端口140之前在周向方向上循环。然后冷却流体被迫径向向内地穿过分流端口140而流向线管132，其中流体将被引导到集流端口300中。冷却流体之后朝向盖板201排放，其中由于冷却板的底面152朝向喷嘴50径向向内地呈现为一定的轮廓形状而非大致平坦的，因此冲击在底面152上的气流不会被反射而造成在端口140内产生了气流抖振的不利影响。相反，底面152的轮廓便于改善提供给喷嘴翼型腔室90的气流分布。
图5是分流端口200的另一实施例的放大的侧面剖视图，该端口200可用于为涡轮喷嘴、例如涡轮喷嘴50(如图2所示)提供冷却流体。冷却分流端口200基本上类似于图4所示的分流端口140，而且在图5中采用与图4所用的相同标号来表示分流端口200中的与冷却分流端口140中的零件相同的零件。同样，分流端口200是基本上圆形的，并从集流环51中径向地延伸出来。
分流端口200也包括多个周向间隔开的分流端口210，其径向向内地延伸以与线管132相连，线管132又与集流端口300相连。集流端口300与盖板214相连，盖板214在喷嘴50上延伸，并包括具有一定轮廓的入口，在该示例性实施例中其为下凹轮廓的底面212。由于底面212具有一定的轮廓而非平坦的，因此底面212可促进将冷却流体引导到喷嘴50中。更具体地说，在该示例性实施例中，各分流端口200均相对于各涡轮喷嘴50居中定位并处于喷嘴的径向外侧，使得各端口200在轴向上均至少部分地位于各弧段内。如本领域所知的那样，分流端口200与为喷嘴50提供冷却流体的冷却源相连。在一个实施例中，端口200接受来自压缩机、例如压缩机14(如图1所示)的冷却空气。
各分流端口200均为基本上圆形的，并与线管132和集流端口300相连。在该示例性实施例中，底面212与盖板214形成一体，并在喷嘴50上弧形地延伸。更具体地说，底面212径向向外地背离喷嘴50并朝向分流端口200形成一定的轮廓或拱起。另外，在该示例性实施例中，侧壁216基本上垂直于盖板214而延伸。在另一实施例中，侧壁216则未相对于盖板214基本上垂直地定向。
多个冷却开口154延伸穿过侧壁216。更具体地说，在该示例性实施例中，开口154的尺寸相同并在分流端口200上轴向且周向地间隔开。开口154控制了从分流端口200到各翼型叶片腔室90的冷却流体的流动。更具体地说，可以变化的方式选择开口154的尺寸和相对位置，以便于为翼型叶片腔室的冷却通道100提供基本上均匀的冷却流体的流动分布。
上述涡轮喷嘴包括多个周向间隔开的分流端口，其从集流环朝向各涡轮喷嘴径向向内地延伸。更具体地说，各分流端口包括径向上的内表面或底面部分，其在侧壁之间在端口上延伸。由于底面部分在侧壁之间呈弧形的轮廓，因此冲击在底部上的冷却流体不会径向向外地反射而在分布中产生抖振。相反，弧形表面有利于降低冷却流体的速度，使得与已知的包括有基本上平坦的径向内表面的分流端口相比，可以促进减少与通过分流端口的开口而转向的冷却流体相关的压力损失。结果，冷却流体以这样一种流动分布模式而提供给涡轮喷嘴，该模式使得形成于涡轮喷嘴的翼型叶片中的各冷却通道均接收到大致相同体积的冷却流体。因此，涡轮喷嘴的翼型叶片可在下降的工作温度下工作，这便于延长涡轮喷嘴的耐用性和使用寿命。
在上文中已经详细地介绍了涡轮喷嘴的示例性实施例。喷嘴并不限于本文所介绍的具体实施例，相反，各涡轮喷嘴的零件都可相对于本文所述的其它零件独立且分开地使用。
虽然已经根据各种特定实施例介绍了本发明，然而本领域的技术人员应当认识到，本发明可通过属于权利要求的精神和范围内的改进形式来实施。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮发动机(10)的涡轮喷嘴组件，所述喷嘴组件包括：
涡轮喷嘴(50)，其包括外带(54)、内带(56)，以及通过所述外带和内带而连接在一起的多个翼型叶片(52)，各所述翼型叶片都是中空的并在其中形成了腔室(90)；和
围绕着所述涡轮喷嘴而周向延伸的集流环(51)，其用于将冷却流体径向向内地引导到各所述翼型叶片的腔室内，所述集流环包括通过一对侧壁(136)而连接在一起的径向上的外壁(138)和径向上的内壁(134)，所述径向内壁的至少一部分(152)在所述这对侧壁之间弧形地延伸。
2.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴组件，其特征在于，所述径向内壁(134)的至少一部分(152)朝向各所述涡轮喷嘴的腔室(90)径向向内地呈现一定的轮廓。
3.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴组件，其特征在于，所述分流端口的径向内壁(134)的至少一部分(152)背离各所述涡轮喷嘴的腔室(90)径向向外地呈现一定的轮廓。
4.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴组件，其特征在于，所述集流环(51)是中空的并在其中形成了腔室，所述集流环还包括多个开口(154)，其延伸穿过所述那对侧壁(136)和所述径向内壁(134)中的至少其中之一，所述多个开口与所述集流环腔室流体相通，用于从中排放出冷却流体。
5.根据权利要求4所述的涡轮喷嘴组件，其特征在于，所述涡轮喷嘴翼型叶片的腔室(90)包含形成于其中的多条冷却通道(100)，所述多个集流环冷却开口(154)与所述多条冷却通道流体相通。
6.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴组件，其特征在于，所述集流环(51)可促进增强冷却流体到所述涡轮喷嘴翼型叶片腔室(90)中的流动分布。
7.根据权利要求1所述的涡轮喷嘴组件，其特征在于，所述集流环的径向内壁(134)还包括多个周向间隔开的盖板(201，214)，它们朝着各所述涡轮喷嘴翼型叶片腔室(90)径向向内地延伸。
8.一种燃气涡轮发动机(10)，其包括具有至少一个涡轮喷嘴(50)和集流环(51)的涡轮喷嘴组件，所述至少一个涡轮喷嘴包括外带(54)、内带(56)以及由所述外带和内带连接起来的多个翼型叶片(52)，各所述翼型叶片是中空的并在其中形成了腔室(90)，所述集流环在所述燃气涡轮发动机内周向地延伸并处于所述至少一个涡轮喷嘴的径向外侧，用于将冷却流体径向向内地引导至各所述翼型叶片腔室内，所述集流环包括由径向内壁(134)所限定的至少一个分流端口(140)，所述径向内壁在所述至少一个分流端口上弧形地延伸。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，所述集流环(51)是中空的并在其中形成了腔室，所述集流环还包括多个开口(154)，其延伸穿过所述分流端口的径向内壁(152)的至少一部分，所述多个开口与所述集流环腔室流体相通。
10.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，各所述叶片腔室(90)包括形成于其中的多条冷却通道(100)，所述多个集流环冷却开口(154)与所述叶片腔室的多条冷却通道(100)流体相通。
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