CN100404816C - 冷却燃气涡轮发动机转子组件的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种便于装配燃气涡轮发动机(10)的方法。该方法包括：提供一个包括一个转子轴(26)和一个转子圆盘(66)的转子组件(62)；该转子圆盘包括一个径向的外边缘(68)，一个径向的轮毂(70)和一个在它们之间延伸的整体辐板(72)；其特征为，该转子组件围绕着穿过该转子轴的回转轴线(28)转动；和将包括至少一根排放管(164)的圆盘座(82)与转子圆盘连接；其特征为，该排放管从该圆盘座向外伸出，用于在基本上与回转轴线垂直的方向上排出冷却流体之前，将空气泵至较高的压力。

Description

冷却燃气涡轮发动机转子组件的方法和装置
依据合同DAAE07-DO-C-N086号，美国政府拥有本发明权。
技术领域
本申请总的涉及燃气涡轮发动机的尤其涉及燃气涡轮发动机的转子组件。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括一个多级轴向压缩机，一个燃烧室和一个涡轮。进入压缩机的气流被压缩，并被引导至燃烧室。在燃烧室中，气流与燃料混合并点火，产生用于驱动涡轮的热燃烧气体。为了控制由进入涡轮的热燃烧气体引起的传热，通常将冷却空气经涡轮的冷却回路引入，并用于冷却涡轮。
压缩机排出的空气经常被用作涡轮冷却回路的冷却空气源，并且也可以用于清洗在发动机内形成的空腔。更具体地说，保持足够的冷却空气和清洗在燃气涡轮发动机内的空气空穴，对于保持适当的发动机性能和零件寿命是关键的。然而，从压缩机中抽取冷却空气可以影响燃气涡轮发动机的总的性能。保持高的工作效率的愿望是与适当冷却零件的需要平衡的，因为在压缩机的每一级中，流过压缩机的空气温度升高，而从压缩机的最低一级开始使用冷却空气，可使由于这种抽取冷却空气引起的发动机性能降低较少。然而，在这种发动机内，在至少是某些发动机动力调整过程中，压缩机系统可能压缩提供足够压力的清洗空气，并且这种热气体可以仍被吸入上述空腔中。随着时间的推移，继续暴露在这种温度偏差下，可以限制与该空腔邻近的零件的有用寿命。
发明内容
按照本发明的一个方面提供一种装配燃气涡轮发动机的方法。该方法包括：
提供一个包括一个转子轴和一个转子圆盘的转子组件；该转子圆盘包括一个径向的外边缘，一个径向的轮毂和一个在它们之间延伸的整体辐板；其中，该转子组件围绕着穿过该转子轴的回转轴线转动，
其特征在于，
将包括至少一根排放管的圆盘座与该转子圆盘连接，其中，该排放管从该圆盘座向外伸出，用于在与回转轴线垂直的方向上，泵送，然后排放冷却流体。
按照本发明的另一个方面，提供包括回转中心线轴线的燃气涡轮发动机的转子组件。该转子组件包括一个转子轴，一个转子圆盘和一个圆盘座。
转子圆盘与所述转子轴连接，并包括一个径向的外边缘，一个径向的内轮毂和一个在它们之间延伸的整体的辐板，
其特征在于，
所述转子组件还包括圆盘座，它与所述的转子圆盘连接，并包括至少一根从所述圆盘座径向向外伸出、用于沿与燃气涡轮发动机的回转轴线垂直的方向泵送，然后排出冷却流体的排放管。
附图说明
图1为燃气涡轮发动机的示意图；和
图2为与图1所示的燃气涡轮发动机一起使用的涡轮冷却回路的横截面示意图。
具体实施方式
图1为燃气涡轮发动机10的示意图，它包括一个齿轮箱12、一个高压压缩机14和一个燃烧室16。发动机10还包括一个高压涡轮18和一个低压涡轮20。齿轮箱12和涡轮20由第一根轴24连接，而压缩机14和涡轮18由第二根轴26连接。因为轴24和26基本上是同轴对准的，因此每一根轴都围绕着相同的回转轴线28转动。在一个实施例中，燃气涡轮发动机为俄亥俄州，辛辛那提市，通用电气公司销售的LV100。
工作中，空气通过压缩机14流动。高度压缩的空气输送至燃烧室16。在从燃气涡轮发动机10排出以前，从燃烧室16来的气流驱动涡轮18和20。涡轮20所作的功，和用轴24传递给齿轮箱12，在齿轮箱12中，所具有的功被利用来驱动汽车或发电机。
图2为可以与燃气涡轮发动机10一起使用的涡轮冷却回路38的示意性横截面图。燃烧室16包括一个环形的外衬套40，一个环形的内衬套42，和在外衬套40和内衬套42之间延伸的一个圆顶形末端(没有示出)。外衬套40和内衬套42从燃烧室壳体(没有示出)沿半径方向向内隔开，并形成一个燃烧腔系统组件46。内喷咀支承44基本上为环形，并从扩散器(没有示出)向下游延伸。燃烧腔46基本上为环形形状，并在衬套40和42之间形成。内衬套42和内喷咀支承44构成内部通道50。外衬套40和内衬套42每一个延伸至放置在燃烧室16下游的涡轮喷咀52。
高压涡轮18基本上与压缩机14同轴连接(如图1所示)，并在燃烧室16的下游。涡轮18包括一个转子组件62，它包括由一个或多个圆盘66构成的至少一个转子64。在示例性实施例中，圆盘66包括一个径向的外边缘68，一个径向内轮毂70，和一般沿径向在它们之间延伸，并沿径向从相应的叶片燕尾槽73向内延伸的一个整体辐板72。每一个圆盘66还包括多个沿径向从外边缘68向外延伸的叶片74。圆盘66围绕着转子组件62在圆周方向延伸，并且每一排叶片有时称为一个涡轮的级。
一个环形前部的圆盘座80和一个环形的后部的圆盘座82沿着燕尾槽73延伸，以便于将转子叶片74保持在燕尾槽73内。具体地说，前部的圆盘座80沿着圆盘66的上游侧84延伸，并包括一个径向的外端110，一个径向的内端112和在它们之间延伸的一个本体114。本体114包括多个径向的外密封齿120和多个径向的内密封齿122。径向外密封齿120与密封件124合作，形成一个外平衡活塞(OBP)密封126；而径向内密封齿122与密封件128合作，形成一个内平衡活塞(I BP)密封130。在IBP密封130和OBP密封126之间形成加速装置的排放腔134，而OBP密封126放置在冷却腔134和外平衡活塞排放腔138之间。
后部圆盘座82沿着圆盘66的下游侧150延伸，并且包括一个径向外端152，一个径向内端154，和在它们之间延伸的一个体156。体156包括一个冷却板部分160，一个圆盘短轴部分162，和多个放置在它们之间的径向的空气泵送器164。冷却板部分160以半径压配合连接在圆盘66上，并且从座圈的外端156延伸至每一个径向的空气泵送器164。圆盘短轴部分162的方向基本上与座圈部分160垂直，并沿着转子轴26延伸。更具体地说，圆盘短轴部分162从径向的空气泵送器164延伸至座圈末端154，以便于后部的圆盘座82可与轴26连接，使压缩负荷通过轴部分162传至座圈82。
在发动机10内，径向的空气泵送器164在圆周上互相隔开，每一个泵送器的方向都基本上与回转轴线28垂直。在示例性实施例中，后部的圆盘座82包括8个径向的空气泵送器164。每一个径向的空气泵送器164都是空心的，并包括一个入口180，一个径向在入口182外面的出口182，和在它们之间延伸的一个基本上为圆柱形的体184。每一个径向的空气泵送器164长度为L1，它可使每一个泵送器164至少部分地伸入至少部分地以后部的圆盘座82为边界的后部边缘腔188中。另外，径向空气泵送器的长度L1还可便于保持或加速流过泵送器164的空气的角速度，和增加这种空气相对于较弱的强迫涡流压力并高的排放压力。该强迫涡流压力升高在不使用泵送器164时会产生。
每一个径向的空气泵送器入口180，以流动连通关系与一个孔腔190连接。孔腔190至少部分地在圆盘66和轴26之间形成。孔腔190径向在每一个径向的空气泵送器164和缓冲器储油槽腔194之间延伸；并以流通连通关系与每一个径向的空气泵送器164和缓冲器储油槽腔194连接。缓冲器储油槽腔194也通过环形空间196，以流动连通关系与空气源连接，使得以环形空间196排出的空气，在排出至储油槽200中之前，进入缓冲器储油槽腔194中。如下面更详细地说明那样，从缓冲器储油槽腔194的泄漏流入孔腔190中。
冷却回路38与空气源(例如压缩机14和涡轮20)流动连通，并且供应从压缩机14出来的冷却空气，以便于冷却涡轮20。在工作过程中，从压缩机14排出的空气与燃料混合并点火，产生热的燃烧气体。所产生的热的燃烧气体驱动涡轮20。同时，一部分空气从压缩机14抽出至冷却回路38，以便于冷却涡轮零件和清洗空腔。
具体地是，至少一部分压缩机14抽出的空气，在排出至加速装置的排放腔134中之前，流过加速装置。由缓冲器储油槽腔194供给的冷却空气209通入储油槽200中。送至缓冲器腔194的空气210的一部分202，与从排出腔134通过IBP密封130泄漏的空气214混合，并通入孔腔190中。从缓冲器储油槽腔194的空气212的泄漏，便于防止温暖的压缩机排出空气吸入储油槽200内。更具体地说，因为流入孔腔190中的空气214通过泵送器164排出，因此，孔腔190内的工作压力降低，使泵送器164肯定地便于清洗空腔190和防止反方向的流动212。另外，因为流过泵送器164的空气214的排出压力增加，因此，泵送器164也肯定会便于清洗后部的边缘腔188。
从后部边缘腔188排出的流动216被迫使沿径向向外进入一个圆盘密封组件82和后部传输导管内部流动通过的缓冲器密封218之间，以便于冷却转子外边缘68和圆盘密封组件82。另外，腔190和188的清洗便于防上吸入温暖的压缩机的排出气体。该气体随着时间推移，会造成放置在内面的，邻近腔188和190或与腔188和190流动连通的零件的损坏。
上述的涡轮冷却回路成本低廉，可靠性高。该冷却回路包括一个与短轴部分和多个径向的空气泵送器作成一个整体的后部圆盘座。因为该座圈与冷却板部分和圆盘短轴部分整体地形成，因此制造成本和涡轮装配时间可以减少。另外，因为径向泵送器增加流过的空气的排出压力，因此泵送器肯定地便于清洗后部边缘腔和孔腔，从而保证从缓冲器储油槽腔出来的清洗流动。因此，泵送器可防止压缩机的温暖的排出气体被吸入上述的空腔内。结果，后部的转子座圈组件和冷却回路可延长涡轮的转子组件的有效寿命，成本低廉，可靠性高。
上面，详细地说明了转子组件和冷却回路的示例性实施例。转子组件不是仅限于这里所述的具体实施例，每一个组件的零件可以与这里所述的其他零件独立地和分开地使用。例如，每一个后部座圈组件零件也可以与其他冷却回路零件和其他转子组件综合使用。
虽然已经利用具体的实施例说明了本发明，但技术熟练的人知道，在权利要求书的精神和范围内，本发明可以作改进。

Claims (10)

1.一种装配燃气涡轮发动机(10)的方法，所述方法包括如下步骤：
提供一个包括一个转子轴(26)和一个转子圆盘(66)的转子组件(62)；该转子圆盘包括一个径向的外边缘(68)，一个径向的轮毂(70)和一个在它们之间延伸的整体辐板(72)；其中，该转子组件可围绕穿过该转子轴的回转轴线(28)转动，
其特征在于，
将包括至少一根排放管(164)的圆盘座(82)与该转子圆盘连接，其中，该排放管从该圆盘座向外伸出，用于在与回转轴线垂直的方向上泵送，然后排放冷却流体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征为，将包括至少一根排放管(164)的圆盘座(82)与转子圆盘(66)连接的步骤还包括：将圆盘座与该转子圆盘连接，使得该至少一根排放管位于后部冷却板(160)和整体形成的圆盘短轴(162)之间。
3.如权利要求2所述的方法，其特征为，将圆盘座(82)与转子圆盘(66)连接的步骤还包括：将该圆盘座与转子圆盘连接，使该后部冷却板(160)连接支靠该转子圆盘辐板(72)上，和使得该圆盘短轴与该转子轴连接。
4.如权利要求2所述的方法，其特征为，将包括至少一根排放管(164)的圆盘座(82)与该转子圆盘连接的步骤还包括：将该圆盘座与该转子圆盘连接，使得该至少一根排放管按流动连通关系与至少部分地由该转子圆盘的径向内轮毂(70)限定的孔腔(190)连接。
5.如权利要求2所述的方法，其特征为，将包括至少一根排放管(164)的圆盘座(82)与该转子圆盘(66)连接的步骤还包括：将一个环形圆盘座与包括多个围绕着转子轴(26)沿圆周间隔的排放管的转子圆盘连接。
6.一种包括一回转中心轴线的燃气涡轮发动机(10)的转子组件(62)，所述转子组件包括：
一根转子轴(26)；
一个转子圆盘(66)，它与所述转子轴连接，并包括一个径向的外边缘(68)，一个径向的内轮毂(70)和一个在它们之间延伸的整体的辐板(72)，
其特征在于，
所述转子组件还包括一个圆盘座(82)，它与所述的转子圆盘连接，并包括至少一根从所述圆盘座径向向外伸出，用于沿与该燃气涡轮发动机的回转轴线(28)垂直的方向泵送、然后排出冷却流体的排放管(164)。
7.如权利要求6所述的转子组件(62)，其特征为，它还包括一个与圆盘座排放管(164)流动连通的冷却回路(38)，所述冷却回路将放出的空气供给所述至少一根排放管，所述至少一根排放管向所述转子圆盘的径向外边缘(68)的下游排出冷却流体。
8.如权利要求6所述的转子组件(62)，其特征为，所述圆盘座(82)还包括一根圆盘短轴(162)和一块整体的后部冷却板(160)，所述至少一根排放管在所述圆盘短轴和所述后部冷却板之间，所述圆盘短轴与所述转子轴(26)连接。
9.如权利要求6所述的转子组件(62)，其特征为，它还包括一个按流动连通关系与一个冷却流体源，孔腔(190)和所述至少一根排放管(164)连接的冷却回路(38)，所述孔腔至少部分地由所述转子圆盘轮毂(70)限定，所述至少一根排放管用于从所述孔腔(190)泵送和然后排出冷却流体。
10.如权利要求9所述的转子组件(62)，其特征为，所述至少一根排放管(164)便于以正压力向所述转子圆盘的径向外边缘(68)的下游排出冷却流体。
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