CN101813028B - 燃气涡轮喷射器及操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃气涡轮喷射器及操作方法。公开了一种用于组合高压流体流束与低压流体流束(18)的喷射器系统(34)及操作方法。喷嘴腔室(35)与高压流体流束连通且抽吸腔室(42)与低压流体流束(18)连通。喷嘴腔室(35)的出口(40)引出而进入抽吸腔室(42)中且包括多个喷嘴(48)，使得高压流束以具有用于流之间的层间阻力的多个表面区域的多个流束离开喷嘴腔室(35)。低压流体流束(18)由离开多个喷嘴(48)的高压流体流束夹带，以限定中间压力流束。

Description

燃气涡轮喷射器及操作方法
技术领域
本文所公开的主题涉及一种用于通过利用增大压缩机空气夹带效率的喷射器系统来改进涡轮发动机的冷却性能的系统。
背景技术
从压缩机转移压缩空气以用于冷却涡轮发动机中的多级涡轮，该转移所处的轴向位置或级通过驱动将由该空气提供服务的具体系统所需的压力来决定。从压缩机的最早可能的级转移压缩空气将通过减小投入被转移的空气中的压缩机功的量以及降低被转移且因此被传递的压缩空气的温度而提高总涡轮效率。因此，希望从压缩机的最早和最低压力级获得系统供应压力。
已知的系统从多级压缩机中的多个端口转移压缩空气，以向相关联的多级涡轮提供冷却和/或密封空气。这些系统利用低压提取流动路径和高压提取流动路径，低压提取流动路径用于将压缩空气从压缩机的较低压力、较低温度级传导至涡轮，高压提取流动路径用于将压缩空气从压缩机的较高压力、较高温度级传导至涡轮。可使用交叉流动路径来互连低压提取流动路径与高压提取流动路径。这种交叉允许对传递到多级涡轮的压缩空气进行选择性控制，从而从压缩机转移空气的所希望的压力和经济的混合物。
通过使用喷射器系统来组合低压空气和高压空气，该喷射器系统利用通过喷嘴的该高压空气的运动流的动量在喷嘴周围产生低压空气的抽吸流动。在该喷射器系统内，层间剪切在高压空气流束与低压空气流束之间起作用，从而导致高压流束对低压空气的夹带(抽吸流动)。因此，希望提高高压空气流内低压空气流的夹带，以提高喷射器系统的效率。
发明内容
在本发明的一个实施例中，描述了一种用于组合高压流体流束与低压流体流束的喷射器系统。与高压流体流束连通的喷嘴腔室具有入口和出口。与低压流体流束连通的抽吸腔室包括入口、出口且构造成以便接收喷嘴腔室的出口。喷嘴腔室的出口包括多个喷嘴，使得高压流束离开喷嘴腔室，以限定多个流束，该多个流束具有用于抽吸腔室中的多个高压流束与低压流束之间的层间阻力的多个表面区域。这样，低压流体流束由高压流体流束夹带。
在本发明的另一实施例中，一种组合来自多级压缩机的高压流体流束与低压流体流束的方法包括：通过低压提取回路转移低压压缩机空气以及通过高压提取回路来转移高压压缩机空气。低压压缩机空气被传递到喷射器组件中的抽吸腔室的入口。高压压缩机空气被传递到喷嘴腔室的入口，该喷嘴腔室具有设置于抽吸腔室内并靠近其出口的出口。高压压缩机空气通过多个出口喷嘴喷射，以限定这样的多个高压流束：该多个高压流束具有用于多个高压流束之间的层间阻力的多个表面区域，以便由此在抽吸腔室中以中间压力压缩空气流束夹带低压压缩空气。
附图说明
结合附图，在以下详细说明中更具体地描述了根据优选和示例性实施例的本发明及其进一步的优点，在附图中：
图1是根据本发明的一个示例性实施例的燃气涡轮发动机的局部示意轴向截面图；
图2是图1的喷射器组件的一部分的轴向截面图；
图3是图2的喷射器组件的多喷嘴喷射器喷嘴的放大透视图；以及
图4是对于不同周围温度的加权夹带比的加权夹带比曲线图，其 说明了图3的多喷嘴喷射器喷嘴的性能。
部件列表：
10-优化的提取系统
12-多级压缩机
14-多级涡轮
16-第一壳体端口
18-低压压缩空气
20-第一提取回路
22-第一目标端口
24-第二壳体端口
26-高压压缩空气
28-第二提取回路
30-第二目标端口
32-交叉回路
34-喷射器系统
35-喷嘴腔室
36-运动入口
38-抽吸入口
40-多喷嘴出口
42-抽吸腔室
44-多喷嘴入口端
46-多喷嘴出口端
48-多个高压馈给空气喷嘴
52-高压排气与低压排气组合
54-混合管
56-扩散器
58-排放出口
具体实施方式
参看图1和图2，示出了提取系统10，该提取系统10用于从多级压缩机12的多个端口转移压缩空气，以向相关联的多级涡轮14提供冷却和密封空气。第一壳体端口16与压缩机12的低压级相关联，以便从该低压级提取相对低压的压缩空气18。低压第一提取回路20从第一壳体端口16延伸到多级涡轮14的第一目标端口22，以用于冷却和/或密封。第二壳体端口24设于第一壳体端口16下游，且与压缩机的较高压级相关联，以便从该较高压级提取相对高压的压缩空气26。提供了高压第二提取回路28，以用于较高压的压缩空气从第二壳体端口24流向涡轮的第二目标端口30。在所述类型的燃气涡轮发动机中，从多级压缩机12的多个端口16、24提取的冷却空气将通常具有至少16psi的压差，以便在多级涡轮中获得合乎需要的冷却水平。还提供了交叉回路32，其用于较低压第一提取回路20与较高压第二提取回路28之间的选择性流动，以用于它们之间的选择性空气流动。在一个示例性实施例中，喷射器系统34设置于交叉回路32中。该喷射器系统包括喷嘴腔室35，喷嘴腔室35通过运动入口36从第二提取回路28接收高压压缩空气26。喷嘴腔室设置于具有抽吸入口38的抽吸腔室42内，抽吸入口38从第一提取回路20接收较低压的压缩空气18。高压压缩空气26离开喷嘴腔室35并通过喷嘴出口40(图3)进入抽吸腔室42。通过抽吸入口38进入抽吸腔室42的较低压的压缩空气流入到抽吸腔室内、喷嘴出口40附近。
喷嘴出口40包括入口端44和出口端46。喷嘴40的出口端包括多个高压馈给空气喷嘴48，高压压缩空气通过该多个高压馈给空气喷嘴48离开喷嘴腔室35并进入抽吸腔室42。高压压缩空气26到抽吸腔室42中的喷射利用了空气的运动流的动量在抽吸腔室42中形成抽吸流动。优于由单个喷嘴喷射器所限定的表面区域，使用多个喷嘴48增加了用于离开喷嘴腔室35的高压压缩空气26与抽吸腔室42中的较低压的压缩空气18之间的层间阻力的表面区域。因此，优于单喷嘴喷射器，较低压的压缩空气流夹带得到改进。在非限制性实施例中，设置于喷嘴40的出口端46处的多个高压馈给空气喷嘴48的数量优选为奇数，诸如图3所示的三个喷嘴。使用奇数个喷嘴限定了不对称的喷嘴构造，已发现不对称的构造具有降低流动诱发的振动和由此产生的声效应的优先效果。在诸如偶数个喷嘴构造的对称情形下更可能产生这样的声音。
离开抽吸腔室42的压缩空气包括较高压的压缩空气26与较低压的压缩空气18的混合物，较低压的压缩空气18由离开多喷嘴40的喷嘴48的较高压的压缩空气有效地夹带。高压压缩空气和低压压缩空气混合物52产生了离开抽吸腔室42的中间压缩空气压力和温度。中间压缩空气52进入混合管54并穿过扩散器56，之后通过排放出口58传递到涡轮14的第二目标端口30。
在更宽泛的操作条件范围上，用于流动通过抽吸腔室42的高压压缩空气26与低压压缩空气18之间的层间阻力的增大的表面区域导致夹带比(由于高压空气的运动力，低压空气所占的量)增加。由于较低压空气夹带的改进，可提高涡轮系统的效率。
建立计算流体动力学(CFD)模型来评估具有不同喷嘴结构的喷射器性能。如图4所示，本发明的多喷嘴喷射器系统的应用的一个实例得到了优于相同应用中单喷嘴喷射器的改进的夹带比。关于被定义为加权夹带比在周围温度范围上的积分的总效率，对于图4所示的多喷嘴设计，显示了总效率百分之五的增益。这个实例意图显示多喷嘴喷射器系统优于单喷嘴系统的性能改进，且预期总效率的实际百分比增益基于具体应用而不同。虽然本发明的多喷嘴喷射器系统主要被描述为其可应用于提取系统10，以用于将压缩空气从多级压缩机12转移至多级涡轮14，但也构想到多喷嘴喷射器系统具有许多应用-其中以有效的方式组合处于可能低至2psi的压差下的多个流体流(不限于空气)。
本书面说明使用实例来公开本发明，包括最佳方式，且还使得本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明的可获得专利权的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求书的字面语言并无不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言没有实质区别的等效结构元件，则这些实例预期处在权利要求书的范畴内。

Claims (7)

1.一种用于组合高压流体流束(26)与低压流体流束(18)的喷射器系统(34)，包括：
喷嘴腔室(35)，其与所述高压流体流束(26)连通，具有入口(36)与出口(40)；
抽吸腔室(42)，其与所述低压流体流束(18)连通，具有抽吸腔室入口(38)和邻近所述喷嘴腔室出口(40)的抽吸腔室出口；
所述喷嘴腔室出口(40)限定了多个喷嘴(48)，其中，所述高压流束(26)离开所述喷嘴腔室(35)以限定多个高压流束，所述多个高压流束具有用于所述多个高压流束和所述抽吸腔室(42)中的低压流束(18)之间的层间阻力的多个表面区域，其中，所述低压流体流束(18)由所述高压流体流束(26)夹带，且其中，所述喷嘴腔室(35)的出口(40)包括不对称的喷嘴构造。
2.根据权利要求1所述的喷射器系统(34)，其特征在于，所述喷嘴腔室(35)的出口(40)包括三个喷嘴(48)。
3.根据权利要求1所述的喷射器系统(34)，其特征在于，所述喷嘴腔室(35)的出口(40)包括奇数个喷嘴(48)。
4.一种涡轮发动机，包括：
多级压缩机(12)和多级涡轮(14)；
提取系统(10)，其可操作，以便将压缩空气从所述多级压缩机(12)转移到所述多级涡轮(14)，所述提取系统包括：
第一提取回路(20)和第二提取回路(28)，所述第一提取回路(20)用于将低压压缩空气(18)转移到所述涡轮(14)，所述第二提取回路(28)用于将高压压缩空气(26)转移到所述涡轮(14)；
交叉回路(32)，其在所述第一提取回路与所述第二提取回路(20，28)之间延伸，以用于它们之间的选择性流动；
喷射器系统(34)，其设置在所述交叉回路(32)中，用于组合所述低压压缩空气(18)与所述高压压缩空气(26)，包括与所述第二提取回路(28)连通的喷嘴腔室(35)，且具有用于接收所述高压压缩空气(26)的入口(36)和限定了多个高压压缩空气喷嘴(48)的出口(40)；
抽吸腔室(42)，其与所述第一提取回路(20)连通，并且具有用于接收所述低压压缩空气(18)的入口(38)、构造成将所述喷嘴腔室(35)的出口(40)接收在其中的抽吸腔室出口；以及
多个高压流束，其由所述多个高压压缩空气喷嘴(48)限定且具有用于所述多个高压流束之间的层间阻力的多个表面区域，以便由此在所述抽吸腔室(42)中夹带所述低压压缩空气(18)，以限定中间压力压缩空气流束(52)，且其中，所述喷嘴腔室(35)的出口(40)包括不对称的喷嘴构造。
5.根据权利要求4所述的涡轮发动机，其特征在于，所述喷嘴腔室(35)的出口(40)包括三个喷嘴(48)。
6.根据权利要求4所述的涡轮发动机，其特征在于，所述喷嘴腔室(35)的出口(40)包括奇数个喷嘴(48)。
7.一种用于组合来自涡轮发动机的多级压缩机(12)的高压流体流束(26)与低压流体流束(18)的方法，包括：
通过低压提取回路(20)转移低压压缩机空气(18)，且通过高压提取回路(28)转移高压压缩机空气(26)；
将所述低压压缩机空气(18)传递到喷射器组件(34)中的抽吸腔室(42)的入口(38)，
将所述高压压缩机空气(26)传递到喷嘴腔室(35)的入口(36)，所述喷嘴腔室具有设置于所述抽吸腔室(42)内并靠近其出口(40)的奇数数量的多个出口喷嘴(48)；以及
通过所述多个出口喷嘴(48)喷射所述高压压缩机空气(26)以限定多个高压流束，所述多个高压流束由所述多个出口喷嘴(48)限定，具有用于所述多个高压流束之间的层间阻力的多个表面区域，以便由此在所述抽吸腔室(42)中夹带所述低压压缩空气(18)，以限定中间压力压缩空气流束(52)，其中，所述多个出口喷嘴(48)的构造为不对称的。
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