CN101178014B - 双重级间冷却发动机 - Google Patents

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Abstract

燃气轮机(10)包括操作地连接在一起的压缩机(18)，燃烧室(20)，和高压(HP)涡轮机(22)。第一级间抽气回路(56)流连通地连接在压缩机(18)的第一最后之前级(5)和涡轮机(22)中的空心叶片(44)之间，以此提供压缩初级空气。第二级间抽气回路(58)流连通地连接在压缩机(18)的第二最后之前级(3)和涡轮机叶片(44)之间用于提供比初级空气压力低的压缩次级空气。

Description

双重级间冷却发动机
技术领域
本发明总体涉及燃气轮机，且更特别地涉及其中的涡轮机冷却。
背景技术
在燃气轮机中，空气在压缩机中压缩并且在燃烧室中与燃料混合，用于产生热燃气。在涡轮级中从燃气中提取能量，通过一个驱动轴供给压缩机动力，且产生附加功来给涡轮风扇航空发动机中的上游风扇提供动力，或者用于驱动船用和工业(M&I)装置中的外驱动轴。
基本核心发动机通常包括具有多排压缩机叶片和对应导向叶片的多级轴向式压缩机，该轴向式压缩机在级中压缩环境空气并相应地升高它们的温度。从压缩机尾部排出的空气具有最高的压力，通常被称为压缩机排气压力(CDP)，还具有相对高的温度。
在示例性结构中，压缩机可以具有七级，由于压缩循环，用于将空气压力升高到环境压力的许多倍，同时提高好几百度的温度。根据燃气轮机具体设计的期望和它预期的使用，可以采用更少或者更多数目的压缩级。
从压缩机排出的CDP空气的大部分在燃烧室中与燃料混合用于产生热燃气。然后这些燃气在多级涡轮级中经过膨胀循环来从中提取能量，相应地降低了燃气的压力和它的温度。高压涡轮机(HPT)紧跟着燃烧室，并用来给核心发动机中的压缩机叶片提供动力。
低压涡轮机(LPT)紧跟着HPT，并驱动第二轴来给涡轮风扇发动机应用中的上游风扇提供动力，或者驱动M&I装置中的外驱动轴。
燃气轮机的总效率取决于空气压缩效率，燃烧效率，和涡轮级中燃气膨胀效率。
由于涡轮机部件在运行中直接接触热燃气，它们需要给它们的适当冷却来确保长期的使用寿命。例如，部分压缩机排气从燃烧过程中引出来冷却燃烧室自身的衬套，同时冷却HPT的各个部件。
每个涡轮机级通常包括具有一排喷嘴叶片的上游涡轮喷嘴或者定子，其引导燃气沿下游方向通过一排对应的涡轮机转子叶片。这些叶片通常安装在支承转子盘的周边上，其中支承转子盘的周边上形成有相应的燕尾槽。
涡轮机转子叶片和定子叶片通常是空心翼面，其内具有相应的内冷却通道，该冷却通道在运行期间中接收用于冷却它的压缩机排气。空心的转子叶片和定子叶片通常包括穿过压力侧和负压侧的多排膜式冷却孔和其它排气孔，用于通过相应的外膜排出用过的内部冷却空气以此来进一步地保护翼面。
而且，支承第一级涡轮叶片的涡轮机转子盘是相对大部件，其轮缘上安装有叶片，狭窄的腹板从那径向向内延伸直到具有中心孔的较宽轮毂。转子盘在运行期间要承受相当大的离心负荷和受热，而且还必须设计成长寿命。
相反，由于在膨胀循环中燃气温度和压力的减小，LPT比HPT需要的冷却要少些。因此冷却需求减少，通常可以采用级间抽气来冷却其中各种部件。
设计主涡轮机流动路径来限制燃气，当它们流过发动机且温度和压力比从燃烧室出来时降低。用于涡轮机部件的各个冷却回路与主流动路径无关，在运行过程中必须提供足够压力的冷却空气来防止吸入热燃气。
例如，在静止的涡轮喷嘴和转动的涡轮叶片之间设置合适的旋转密封，以此防止热燃气吸入或者回流到冷却回路中。由于喷嘴叶片和涡轮叶片的翼面通常包括多排冷却空气出口孔，冷却空气必须具有大于外部燃气压力的足够大的压力，来提供合适的回流余量防止热燃气吸入到涡轮机翼面自身中。
因此，HPT的部件通常使用全压CDP空气来进行冷却，而LPT部件可以使用低压级间抽气进行冷却。
这样，用于冷却涡轮机部件的压缩机空气的使用可以通过减少其使用来适应HPT和LPT不同的冷却需求，并且因此提高发动机效率。
然而，提高发动机效率是在现有燃气轮机中持续的和首要的设计目的，并因此期望通过减少从压缩机抽取压缩空气，进一步提高发动机效率。
发明内容
燃气轮机包括操作地连接在一起的压缩机，燃烧室，和高压涡轮机。第一级间抽气回路流连通地连接在压缩机的第一最后之前级和涡轮机中的空心叶片之间，为其提供压缩初级空气。第二级间抽气回路流连通地连接在压缩机的第二最后之前级和涡轮机叶片之间，为其提供比初级空气压力低的压缩次级空气。
附图说明
根据优选和示例性实施例，本发明和其进一步的目的和益处，结合附图在接下来的详细说明书中将更特别地进行描述，其中：
图1是涡轮风扇燃气轮机的局部剖视轴向示意图；
图2是通过图1所示的核心发动机一部分的放大轴向剖视图；
图3是图2所示的高压涡轮机的放大轴向示意图；
图4是图3所示的高压涡轮机的进一步的放大轴向剖视图。
具体实施方式
图1中示出的是示例性的涡轮风扇航空燃气轮机10。发动机沿纵向或者轴向中心轴线12轴对称，且在一个示例性的应用中适当地安装到航空发动机(未示出)的翼或者机身上用来给飞行的飞行器提供动力。
发动机包括顺次连通的风扇14，低压或者增压压缩机16，高压(HP)压缩机18，环形燃烧室20，高压涡轮机(HPT)22，和低压涡轮机(LPT)24.
环形舱26围绕着风扇14并限定了环绕着增压压缩机16向后延伸的环形旁通管28。第一驱动轴30将HPT20和HP压缩机18连接在一起，而第二驱动轴32将LPT24、风扇14和增压压缩机16连接在一起。两个驱动轴以上述各个发动机部件的常规结构，合适地安装在发动机中相应支架中的轴承中。
在运行期间，环境空气34进入发动机入口，并在某种程度上通过风扇14增压，并通过旁通管28排出来提供大部分推进力。经过风扇的空气34的一部分进入增压压缩机16，并且在它的多个轴向级中经受进一步的压缩循环，并且还由HP压缩机18它的多个轴向级提供另外的压缩。
压缩空气34从压缩机中排出，在燃烧室20中与燃料36适当地混合，用来产生热燃气38。在HPT22中从燃气38中提取能量来驱动第一轴30并且给HP压缩机18提供动力。在LPT24中从燃气中提取另外的能量来驱动第二轴32并且给风扇14和增压压缩机16提供动力。
如上所述的发动机在结构和操作上是常规的，并包括多个压缩级和多个涡轮级。例如，增压压缩机16可以具有四个轴向级，该四个轴向级包括与四排进口导向叶片轴向地交替分布的四排压缩机叶片。
高压压缩机18可以包括七个轴向级，例如，具有如图2详细地示出的与对应排的进口导向叶片40轴向交替分布的七排压缩机叶片1-7，和通过常规的扩散器排出CDP空气。
HPT22优选地是单级涡轮机，其后依次跟着示例性的五级LPT24。
图2更加详细地示出了基本核心发动机，包括串联流连通地设置的高压压缩机18，环形燃烧室20和HPT22。
图2中示出的HPT22包括第一级或者HP涡轮机喷嘴，具有一排适当地安装在外带和内带的定子叶片42。紧跟着叶片的是单排HP涡轮机叶片44，该涡轮机叶片可拆卸地安装在第一级或者HP转子盘46周边或者轮缘上。盘46固定连接到第一驱动轴30上，该驱动轴又固定连接到支撑着高压压缩机18的压缩机叶片1-7的转子盘上。
HP压缩机18和HPT22的构造和操作是常规的，用来增压空气34和使随后的燃气38膨胀用于从中提取能量。特别地，当空气向下游方向流过七级压缩机叶片1-7时，空气34的压力和温度轴向逐渐升高。在这个示例性结构中，第七排压缩机叶片7限定了压缩机的最后一级并排出增压空气，该增压空气具有最大压力P7和相应最高温度T7且与压缩机排出压力(CDP)空气相关。
CDP空气与燃料在燃烧室混合以此产生热燃气38，该热燃气从在第一级涡轮机喷嘴叶片42之间的燃烧室出口排出。这些喷嘴叶片轴向设置在燃烧室和第一级涡轮机叶片44之间，并常规地构造成沿着翼面弦和穿过喷嘴叶片的前缘和后缘来降低或者减小燃气压力。
每个喷嘴叶片42具有通常凹的压力侧面和通常凸的负压侧面，这些侧面在上游前缘和下游后缘之间在弦向上轴向延伸。喷嘴叶片42的外形可以适当地选择，以至于当燃气向下游流过涡轮机喷嘴入口端和出口端之间时产生相当大的压降。流过涡轮机喷嘴的气体被加速并转向，这导致总压上的小压降和静压上的大压降。
相应地，也在图2中示出的第一级涡轮机叶片44具有在其前缘和后缘之间轴向延伸的通常凹的压力侧和通常凸的负压侧。涡轮机叶片44的轮廓也常规地选择，用来另外沿着翼面弦和穿过其前缘和后缘来降低或者减小燃气38的压力。功或者能量从流过涡轮机转子叶片的气体中提取，这导致总压和静压两者的大压降。
图3和4详细示出了包括涡轮机叶片44的HPT22，该涡轮机叶片在运行期间由于热燃气38需要进行适当的冷却。叶片44通常是中空的，用来以常规的模式提供它的内部冷却，除了如下面所述的改进。
叶片可以具有任何合适的内冷却结构，且图4示出了示例性三通式前蛇行冷却通道48，该冷却通道具有在它的轴向进口燕尾榫底部处的入口，并终止在冲击通道内，该冲击通道直接在前缘之后跨过翼面长度。前通道48供给一排或者多排膜式冷却孔50，该膜式冷却孔覆盖在翼面前缘并且当用过的冷却空气以通常的形式从这些孔中排出时提供它的附加膜式冷却。
图4示出的示例性的涡轮机叶片也包括后冷却通道52，其直接在薄后缘的前方跨过翼面长度来供给一排后缘冷却孔54，该冷却孔沿着压力侧的后端排放废气。后冷却通道52在燕尾榫上方叶柄的后端具有合适的入口，下面将进一步的进行描述。
在图4示出的示例性结构中，叶片44也包括三通式蛇行中间通道，在燕尾榫的底部也具有相应的入口。
这样，压缩空气从压缩机抽取并且引导通过叶片44的几个内冷却回路，从而以任何常规的方式提供其内冷却，然后废气通过多排出口孔排出，这些出口孔设置在从前缘到后缘的翼面压力侧和负压侧上。
涡轮机级降低燃气的压力和温度用于从中提取能量，而压缩级提高空气压力和温度同时能量增加。
由于如图2所示的单级HPT22的采用使得燃气首先穿过喷嘴叶片42然后穿过涡轮机叶片时存在相当大的压降，可以采用改进的HPT22的冷却系统来进一步提高发动机的效率。
更特别地，图2最初示出了第一级间抽气回路56，适当地流连通地连接在HP压缩机18第一最后之前级(preultimate stage)和HP叶片44的前冷却通道48之间，从而为其提供从压缩机中抽取的具有相应的第一压力和温度的初级压缩空气34a。
预最后压缩机级是压缩机最后级之前的任何合适的级，该最后级排放CDP空气34到燃烧室中。如上所表示的，HP压缩机18具有七个示例性级，第七级是最后级，并且合适的第一最后之前级是包括第五级叶片5的第五级。
初级空气34a可以通过任何常规的方式从第五级抽取，通常在紧接着的导向叶片处，具有相应的第五级压力P5和第五级温度T5，其第五级压力P5和第五级温度T5大大地小于压缩机排气的压力P7和温度T7。
相应地，第二级间抽气回路58流连通地连接在不同的压缩机18第二最后之前级和相同HP叶片44的后冷却通道52之间，从而提供它的双重级间冷却用于提高发动机的性能和效率。第二回路58抽取具有第二压力和第二温度的次级压缩空气34b，其第二压力和第二温度相应地低于初级空气34a的第一压力和第一温度。
例如，第二预最后压缩机级可以是具有第三排压缩机叶片3的第三级，第二压缩气体34b可以在紧跟着的导向叶片处抽取，具有相应的第三级压力P3和第三级温度T3，第三级压力P3和第三级温度T3大大低于抽取初级空气34a的相应的第五级压力P5和第五级温度T5。
这样，非CDP空气可以用于适当地冷却第一级HP叶片44来提高发动机效率。该CDP前空气(pre-CDP air)由于没有经过全压缩循环，因此没有CDP空气贵，且相应地，CDP前空气的温度大大低于CDP空气的温度达好几百度。
如图2最初所示，第一抽气回路56可以适当地构造成环形燃烧室20内侧从第五级抽气径向向内地延伸，沿着它们的支承转子盘46到达HP叶片44。
相应地，第二抽气回路58可以适当地构造成环形燃烧室20外侧从第三级抽气径向向外地延伸到相同第一级叶片44。
更特别地，在图3和4详细地示出了与HPT22串联流连通的LPT24。该LPT如期望地具有多级，其中包括直接接在一排HP叶片44后的第一级LP喷嘴60。
喷嘴60包括一排空心LP叶片62，该空心LP叶片安装在径向内外环带64，66之间。且，一排第一级LP转子叶片68紧跟着定子叶片62，并以常规的方式从支承转子盘径向向外延伸。
因为LP喷嘴叶片62直接连接到第一级HP叶片44，它们提供了引导第二抽气34b通过的有效结构。
由此，第二抽气回路58可以常规地径向向内地引导通过LP喷嘴60中的一个或者更多的叶片，然后到达HP叶片44，同时还提供定子叶片62自身的有效冷却。
最好如图4所示，HP叶片44可以具有任何常规结构，但是进行了修改来接收用于冷却其的两支CDP前空气源。每个叶片的翼面部分在燃烧流动路径中径向延伸，其流动路径通过叶片的径向内平台限定，该平台由轴向进口燕尾榫的柄支承。每个叶片燕尾榫适当地安装在相应轴向燕尾槽70中，该槽设置在支承转子盘46的周缘。
整排叶片44轴向地被对置的前后环形叶片保持器72，74挡住。因此第一抽气回路56可以在前叶片保持器72处连接到那排叶片44，以此供给初级抽气34a，同时第二抽气回路58可以在后叶片保持器74处常规地连接到该排叶片44，以此供给不同压力和温度下的次级抽气34b。
图4示出的单个叶片44通常通过铸造形成，并且包括从燕尾榫的底部到径向外顶端整个径向跨度上延伸的内冷却通道。前冷却通道48以及中间通道，在燕尾榫底部具有相应的入口，该燕尾榫设置为与燕尾槽70直接连通。
相应地，后冷却通道52也延伸到燕尾榫底部，但是其中铸造入口通过适当地铜焊到其上的薄板合适地密封封闭，来阻止与燕尾槽连通。替代地，可以在叶柄后表面上铸造或钻出入口孔76与后冷却通道52连通。
这样，叶片的后冷却通道52在后叶片保持器74处具有穿过它的柄的合适入口，该入口可以常规地设置成与第二抽气回路58连通，第二抽气回路延伸穿过LP喷嘴60和内带64。
LP喷嘴优选地包括安装在内带64内侧的后环形集流腔78，具有设置在其前端的后流动导向器80，该导向器通过相应柄入口和通过后叶片保持器的相应孔与叶片后通道52连通。流动导向器80可以具有任何常规结构并且通常包括一排叶片，用于成切线地加速从静止后集流腔78到达转动的后叶片保持器和盘的次级空气34b。这提供了有效的机构，用于引导压缩次级空气34b到转动叶片中而基本上没有什么压力损失。
图2-4显示出第一抽气回路56可以常规地设置在第一驱动轴30内侧，该驱动轴在压缩机18和HP盘46之间轴向延伸。如上所述，单个涡轮机叶片44具有常规的燕尾榫，该燕尾榫安装在相应的燕尾槽70中，该燕尾槽轴向穿过涡轮盘46的周边。抽气回路56优选地构造成径向向外地在盘的前表面上引导初级抽气34a并且进入到燕尾槽70，用于加强涡轮机盘自身的冷却。
图2和3示出的燃烧室20以常规的方式径向环绕着环形内燃烧室壳体82被支承，该燃烧室壳体圆周地为来自压缩机的CDP空气提供附近内边界，该CDP空气用于冷却冷却燃烧室自身径向内衬和外衬。因而第一抽气回路56优选与围绕燃烧室内壳82的CDP空气通道独立。
图3示出的前叶片保持器72是沿着盘前表面径向延伸的环形板，并且轴向向前地间隔设置，以此限定前分配通道或者集流腔84，前分配通道或者集流腔设置地与环绕盘周边的燕尾槽70相通。第一抽气回路56继续向后与集流腔84的内端连通。
这样，当运行期间盘46转动来传送抽气进入整排燕尾槽70时，初级抽气34a在离心力的作用下径向向外地流过前集流腔84。止动板72可以包括在集流腔84中的泵轮叶片(未示出)，从而在希望时可进一步地增加空气压力。
如图3所示的涡轮盘46具有一般的宽周缘，其中形成有轴向燕尾槽70，具有较薄的环形腹板，该腹板径向向内延伸且在较宽的中心盘轮毂内终止，该中心盘轮毂具有穿过其中的中心孔。第一驱动轴30在后法兰处通过一排螺栓固定地连接到盘腹板上。
第二轮毂86整体地连接在前叶片保持器72的底端，并且使用同样的螺栓固定安装在栓接法兰上。穿过止动板72和第二轮毂86设置合适的孔，从而使得第一抽气回路56的前部分和集流腔84之间连通。
第一抽气回路56由驱动轴30限定外侧并且优选由管状隔板88限定内侧，该管状隔板从第二轮毂86的孔轴向向前沿上游方向延伸到压缩机中间级。
例如，如2所示的七级HP压缩机18的每级包括支承一排相应压缩机叶片1-7的相应压缩机转子盘90，该转子盘具有以常规结构设置在盘周边的相应燕尾榫和燕尾槽。管状隔板88优选地以与其密封接触的方式向前延伸到第五级压缩机盘的轮毂的中心孔处。
第一抽气回路56优选地还包括多个圆周间隔设置的进口管92，其从第五级压缩机叶片5的底部沿着相应的压缩机盘90径向向内延伸，从而径向向内且轴向地围绕隔板88引导初级抽气34a流入到出口集流腔84。进口管92可以具有常规的结构，通过在相邻排的压缩机叶片之间的压缩机转子的相应孔来抽出级间压缩空气，优选在其间的相应排导向叶片区域。
叶片44的内冷却通道适当地通过两个抽气回路56，58与HP压缩机18流连通地连接，用来接收来自其中的压缩空气来内部冷却每个叶片。然而，内冷却空气的压力比起外燃气的压力来说必须大得多，用于在叶片前缘和后缘处和在它们之间保持合适的回流余量，以此防止在运行期间燃气吸入或者回流到涡轮机叶片中。
由于燃气38的压力在涡轮机叶片44的前缘和后缘之间相当大地降低，两个抽气回路56，58可以选择来补充该压降。特别地，压缩机的第一最后之前级优选是第五级，该第五级适当地设置在压缩机最后级的上游，用来为前缘孔50处的初级空气34a提供合适的回流余量。且，在优选的实施例中，第二最后之前级是第三压缩级，该级设置在第五级的上游，以此为后缘孔54处的次级抽气34b提供相应的回流余量。
在图4所示的示例性实施例中，前叶片通道48设置为与前集流腔84连通，用来接收来自第一抽气回路56的初级抽气34a。这样，可以给第一级涡轮机叶片44供给具有相应第五级压力P5和温度T5的第五级抽气，用来在其内具有充足的回流余量的情况下增强涡轮机叶片自身的冷却。
在图2中，由于第五级能实现初级抽气34a的静压，该静压大于燃气38的总相对压力(PTR)，该燃气在第一级涡轮机叶片44前缘处靠近其上的相应排第一冷却孔50，因此选择第五压缩级提供冷却空气到HPT转子中。
由于在运行期间涡轮机叶片44转动，首先接收沿其前缘入射的燃气38，通过前缘孔50排出的冷却空气的内部压力必须适当地大于外部燃气的总相对压力，以此提供合适的回流余量来防止燃气吸入到涡轮机叶片中。
然而，由于在运行期间在涡轮机叶片44上燃气的压降，第五级初级抽气34a具有比在叶片后缘处较低压力的燃气更加足够大的压力。替代地，第二抽气回路58用于提供较低压力的次级抽气34b给涡轮机叶片的后冷却通道52。示例性的第三级抽气34b具有静压，该静压适当地大于叶片后缘孔54处的燃气38的静压，以此提供足够的回流余量。
由于在叶片44的前缘和后缘处的回流余量的需求是基于不同的压力，那么不同抽气源可以选择压缩机的不同级，用于最佳匹配这些不同。压缩机中间级的选择依赖于HP压缩机18中的压缩循环和HPT22中相应的膨胀循环。
由于HPT22是单级涡轮机，在燃气38中的大量压降在通过其喷嘴和叶片时产生。压力低于CDP空气的级间抽气可以从压缩机抽取，并且在压差的作用下适当地传送到HPT中，同时仍然保持合适的回流余量并在涡轮机叶片44的前缘和后缘处具有比燃气压力大的压力。
如上所述，空气34的压力和温度在HP压缩机18的七级的每一级中逐级升高，其由压缩机叶片1-7的相应排来表示。压缩机中空气压力集体的或者总的升高可以很大，例如，可达到10-30大气压。相应地，压缩空气34通过压缩机18时温度上的升高可以有好几百度。
在压缩机18多级中压力和温度的大范围，允许两个抽气回路56，58的多种选择。在一个实施例中，供给第一抽气回路56的压缩机的第一最后之前级是第五级，该第五级至少比压缩机的最后级或者第七级要靠前至少两级。
相应地，供给第二抽气回路58的第二最后之前级是压缩机的第三级，该第三级至少比用于第一抽气回路的第五级要靠前至少两级。
第三和第五压缩机级具有相应的不同压力和温度的空气，其压力可以选择用来最佳匹配第一级涡轮机叶片44所经受的外部压力，以此提供足够的回流余量而在运行期间没有浪费昂贵的或压缩空气。相应地，用于冷却涡轮机叶片的更低温度的级间抽气由于其更低的温度对于叶片的冷却将更加有效。
如上公开的，通过在两个抽气回路56，58中利用非CDP空气，CDP空气分流的有效降低可以得到发动机效率相对大的提高。由于CDP空气在发动机中是最贵的空气，可归因于为了得到其高压所作用在其上的最大功，任何来自燃烧过程自身的分流相应地降低了发动机效率。因此通过限制CDP空气的分流，发动机总效率可以提高。
在图3所示的示例性实施例中，CDP空气并不用于冷却第一级涡轮机叶片或者转子盘，因此常规的流体导向器在这个设计中可以取消，这消除了相应的复杂性。替代地，单个环形密封支架94从内壳体82径向向内地延伸，并且包括在中心孔上的环形密封衬垫，用来密封地连接迷宫式密封齿，该迷宫式密封齿从第二轮毂86径向向外延伸且到给排安装螺栓之上。
为提供用于冷却其涡轮机的独立的第一和第二抽气回路56、58，上面所公开的高压涡轮机22的修改可以具有各种结构来享有其益处。抽取级间压缩机空气在现有技术中是公知的并且用于实现各种目的。然而，为了保证第一级涡轮机叶片充分的冷却和回流余量的需求，CDP空气通常用于冷却第一级涡轮机叶片。
现在意识到通过涡轮机叶片时压力的大量降低，初级空气34a可以从压缩机18的第一最后之前级抽取来供给涡轮机叶片44的前冷却通道48，在合适的回流余量的情况下从前缘冷却孔50排出。
相应地，次级抽气34b可以从压缩机18不同的，第二预最后第三级抽取供给到涡轮机叶片44的后冷却通道52，在合适的回流余量下从后缘冷却孔54排出。
初级抽气34a可以常规地在环形燃烧室20内侧引入到涡轮机叶片44中，其静压适当地大于在叶片前缘孔50处燃气的总相对压力，用于提供期望的回流余量。且，次级抽气34b可以常规地在燃烧室20外侧，通过下游的喷嘴叶片62以不同的静压引入到涡轮机叶片44中，该静压大于在叶片后缘孔54处的燃气静压，以此提供期望的回流余量。
次级抽气34b的静压适当地少于初级抽气34a的静压，且可以用于更好匹配第一级涡轮机叶片44外部的燃气的不同压力。
用于冷却第一级涡轮盘和叶片的非CDP空气的使用，对于其增强冷却和在改进发动机结构和总效率上的复合效应来说是有效的。由于昂贵的CDP空气没有用于涡轮机转子的冷却，发动机总效率升高。
较冷空气用于冷却涡轮机转子和叶片，因此其需要较少的冷却空气并且还允许具有较长的叶片寿命。然后考虑到其较低的工作温度，较冷的工作涡轮机转子可以由不太昂贵的合金形成。
用于CDP空气的导向器系统如上所述地消除，这简化了发动机的设计并且允许较低的重量。
且用于冷却涡轮机转子的CDP空气的取消，容许HPT自身结合压缩机18和燃烧室20的再设计，以此进一步提高其共同效率。
然而这里已经描述了考虑为本发明最优的和示例性的实施例，根据这里的教导，本发明的其它修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，因此，期望落入在本发明真正精神和范围内的所有这种修改在所附的权利要求中得到保护。
因此，期望由美国专利证书保护的是在接下来的权利要求中限定并区别的本发明。
部件列表
  1-7   压缩机叶片
  10   燃气轮机
  12   中心轴线
  14   风扇
  16   增压压缩机
  18   HP压缩机
  20   燃烧室
  22   高压涡轮机(HPT)
  24   低压涡轮机(LPT)
  26   舱
  28   旁通管
  30   第一驱动轴
  32   第二驱动轴
  34   空气
  36   燃料
  38   燃气
  40   导向叶片
  42   定子叶片
  44   涡轮机叶片
  46   转子盘
  48   前冷却通道
  50   前缘冷却孔
  52   后冷却通道
  54   后缘冷却孔
  56   第一抽气回路
  58   第二抽气回路
  60   LP喷嘴
  62   LP叶片
  64   内带
  66   外带
68 LP叶片
70 燕尾槽
72 前叶片保持器
74 后叶片保持器
76 入口
78 后集流腔
80 流动导向器
82 燃烧室壳体
84 前集流腔
86 第二轮毂
88 隔板
90 转子盘
92 进口管
94 密封支架

Claims (25)

1.一种燃气轮机(10)，包括：
串联连通的风扇(14)，压缩机(18)，燃烧室(20)，高压(HP)涡轮机(22)和低压(LP)涡轮机(24)；
所述压缩机(18)包括多排压缩机叶片(1-7)用于在相应级中逐级压缩空气(34)；
所述HP涡轮机(22)包括一排单级空心转子叶片(44)，该转子叶片安装在支承转子盘(46)周边上的相应燕尾槽(70)中；
所述LP涡轮机(24)包括跟随在所述HP叶片(44)后的一排中空的第一级LP叶片(62)；
第一级间抽气回路(56)，在燃烧室(20)内侧流连通地连接在所述压缩机(18)的第一最后之前级(5)和所述HP叶片(44)之间；
第二级间抽气回路(58)，在燃烧室(20)外侧并且通过LP叶片(62)流连通地连接在所述压缩机(18)的第二最后之前级(3)和所述HP叶片(44)之间。
2.如权利要求1所述的发动机，其特征在于：
所述HP叶片(44)通过前后叶片保持器(72，74)挡在所述盘(46)周边上的相应燕尾槽(70)中；
所述第一抽气回路(56)在所述前叶片保持器(72)处与所述排叶片(44)连接；
所述第二抽气回路(58)在所述后叶片保持器(74)处与所述排叶片(44)连接。
3.如权利要求2所述的发动机，其特征在于：
所述HP叶片(44)通过在燃烧室(20)内侧延伸的驱动轴(30)与压缩机叶片(1-7)连接；
所述前叶片保持器(72)沿着HP盘(46)的前表面向内延伸，从而限定了环形集流腔(84)，该环形集流腔设置为与围绕所述盘周边的燕尾槽(70)流连通；且
所述第一抽气回路(56)与所述集流腔(84)流连通地连接。
4.如权利要求3所述的发动机，其特征在于每个HP叶片(44)包括：
从所述燕尾槽(70)向前缘冷却孔(50)进行供给的前通道(48)；和
在后叶片保持器(74)处从其柄向后缘冷却孔(54)进行供给的后冷却通道(52)。
5.如权利要求4所述的发动机，进一步包括安装在所述LP叶片(62)内侧的环形后集流腔(78)，该后集流腔具有设置在其前端的流动导向器(80)，该流动导向器与所述叶片后通道(52)相通。
6.如权利要求5所述的发动机，其特征在于：
所述HP涡轮机(22)进一步包括具有一排定子叶片(42)的第一级涡轮喷嘴，该排定子叶片设置在所述燃烧室(20)和HP叶片(44)之间用于降低通过所述HP叶片(42)前缘和后缘的燃气(38)的压力；
所述HP叶片(44)被构造为额外地降低通过其前缘和后缘的燃气(38)的压力；
所述第一最后之前级(5)布置在所述压缩机的最后级(7)上游以从所述压缩机抽取第一压力下的初级空气(34a)；和
所述第二最后之前级(3)布置在所述第一最后之前级(5)上游以从所述压缩机抽取较低第二压力下的次级空气(34b)。
7.如权利要求6所述的发动机，其特征在于所述第一抽气回路(56)构造成使得所述初级气体(34a)的静压大于在所述叶片前缘孔(50)处所述燃气(38)的总相对压力。
8.如权利要求6所述的发动机，其特征在于所述第二抽气回路(58)构造成使得所述次级空气(34b)的静压大于在所述叶片后缘孔(54)处所述燃气(38)的静压。
9.如权利要求6所述的发动机，其特征在于所述第一最后之前级(5)从最后压缩级向上游至少两级，并且所述第二最后之前级(3)从所述第一最后之前级(5)向上游至少两级。
10.一种使用如权利要求6所述的发动机的方法，包括：
将所述初级空气(34a)从所述压缩机(18)的所述第一最后之前级通过所述第一级间抽气回路引导到所述HP叶片(44)中的所述前通道，用来在所述叶片前缘孔(50)处产生回流余量；且
将所述次级空气(34b)从所述压缩机(18)的所述第二最后之前级通过所述第二级间抽气回路引导到所述HP叶片(44)中的所述后通道，用来在所述叶片后缘孔(54)处产生回流余量。
11.一种燃气轮机，包括：
布置为与燃烧室和高压(HP)涡轮机串联连通的多级压缩机；
所述涡轮机包括从支承转子盘径向向外延伸的一排第一级涡轮机转子叶片；
每个所述叶片包括向前缘冷却孔进行供给的前冷却通道和向后缘冷却孔进行供给的后冷却通道；
第一级间抽气回路，流连通地连接在所述压缩机的第一最后之前级和所述叶片的前通道之间以向其提供第一压力的加压初级空气；和
第二级间抽气回路，流连通地连接在所述压缩机的第二最后之前级和所述叶片的后通道之间以向其提供第二压力的加压次级空气，第二压力小于所述第一压力。
12.根据权利要求11所述的发动机，其特征在于：
所述压缩机包括多排压缩机叶片用于在相应级中逐级压缩空气；
所述第一抽气回路在所述燃烧室内侧从所述第一最后之前级径向向内延伸到所述叶片；并且
所述第二抽气回路在所述燃烧室外侧从所述第二最后之前级径向向外延伸到所述叶片。
13.根据权利要求12所述的发动机，还包括：
串联连通地跟随在所述HP涡轮机之后的低压(LP)涡轮机，所述低压涡轮机包括直接跟随在所述HP叶片后的第一级LP喷嘴；和所述第二抽气回路通过所述LP喷嘴径向向内地引导到所述HP叶片。
14.根据权利要求13所述的发动机，其特征在于：
所述HP叶片通过前后叶片保持器挡在所述盘的周边上的相应燕尾槽中；
所述第一抽气回路在所述前叶片保持器处与所述排叶片连接；并且
所述第二抽气回路在所述后叶片保持器处与所述排叶片连接。
15.根据权利要求14所述的发动机，其特征在于：
所述HP涡轮机进一步包括具有一排定子叶片的第一级涡轮喷嘴，该排定子叶片设置在所述燃烧室和HP叶片之间用于降低通过所述HP叶片前缘和后缘的燃气的压力；
所述HP叶片被构造为额外地降低通过其前缘和后缘的燃气的压力；
所述第一最后之前级布置在所述压缩机的最后级上游以在所述所述前缘孔处提供所述初级空气的回流余量；和
所述第二最后之前级布置在所述第一最后之前级上游以在所述所述后缘孔处提供所述次级空气的回流余量。
16.根据权利要求15所述的发动机，其特征在于所述第一抽气回路构造成使得所述初级气体的静压大于在所述叶片前缘孔处所述燃气的总相对压力。
17.如权利要求15所述的发动机，其特征在于所述第二抽气回路构造成使得所述次级空气的静压大于在所述叶片后缘孔处所述燃气的静压。
18.如权利要求15所述的发动机，其特征在于所述第一最后之前级从所述最后压缩级向上游至少两级，并且所述第二最后之前级从所述第一最后之前级向上游至少两级。
19.如权利要求15所述的发动机，其特征在于：
所述HP叶片通过在燃烧室内侧延伸的驱动轴与压缩机叶片连接；
所述前叶片保持器沿着HP盘的前表面向内延伸，从而限定了环形集流腔，该环形集流腔设置为与围绕所述盘周边的所述燕尾槽流连通；且
所述第一抽气回路与所述集流腔流连通地连接。
20.根据权利要求19所述的发动机，其特征在于所述叶片前冷却通道延伸到所述燕尾槽以从其接收初级空气。
21.根据权利要求15所述的发动机，其特征在于：
所述LP喷嘴包括安装在内外带之间的一排中空的LP叶片；和
所述第二抽气回路径向延伸通过所述LP叶片以在所述内带内侧引导所述次级空气。
22.根据权利要求21所述的发动机，其特征在于，所述叶片后冷却通道向后延伸通过所述HP叶片的柄到所述后叶片保持器，以与所述LP喷嘴的所述内带流连通以从其接收所述次级空气。
23.根据权利要求22所述的发动机，其特征在于，还包括安装在所述LP喷嘴的所述内带内侧的环形后集流腔，其中后流导向器布置在所述环形后集流腔的前端处以与所述叶片后通道流连通。
24.一种冷却燃气轮机中的燃烧室和压缩机之后的第一级叶片的方法，包括：
在所述压缩机的第一最后之前级和所述叶片的前冷却通道之间抽取初级空气，以从叶片中的前缘冷却孔排出；和
在所述压缩机的不同的第二最后之前级和所述叶片的后冷却通道之间抽取次级空气，以从叶片中的后缘冷却孔排出。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括：
在大于所述叶片前缘孔处燃气的总相对压力的静压下将所述燃烧室内侧的所述初级空气引导到所述叶片，以在该处提供回流余量；和
在大于所述叶片后缘孔处燃气的静压的不同静压下将所述燃烧室外侧的所述次级空气引导到所述叶片，以在该处提供回流余量。
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