CN101845997B - 用于涡轮发动机冷却空气管理的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于涡轮发动机冷却空气管理的装置，具体地，本发明的一个示例性实施例指向一种涡轮发动机，其具有第一可旋转的涡轮机转子组件；第二固定的喷嘴组件，其邻近该第一可旋转的涡轮机转子组件布置；以及叶轮空间，其限定在该第一可旋转的涡轮机转子组件和该第二固定的喷嘴组件之间。该叶轮空间可操作以在其中容纳冷却空气，并且包括密封特征，该密封特征位于第一可旋转的涡轮机转子组件上并且轴向地延伸进入叶轮空间以在位于该第二固定的喷嘴组件上的密封台的邻近处终止。该密封特征和密封台起作用以控制来自叶轮空间内的冷却空气的释放，并且该密封台由形状记忆合金构成。
Description
技术领域
本文公开的主题涉及燃气涡轮发动机，且更具体地，涉及其中的温度和性能管理。
背景技术
在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中增压并且在燃烧器中与燃料混合，以产生穿过一个或多个涡轮级流向下游的热燃烧气体。涡轮级包括具有定子导叶的固定的喷嘴，定子导叶引导燃烧气体穿过一排下游的涡轮转子叶片。叶片从支承转子径向向外地延伸，支承转子由从气体提取的能量提供动力。
第一级涡轮喷嘴接收来自燃烧器的热燃烧气体，并且将其引向第一级涡轮转子叶片以从它们提取能量。第二级涡轮喷嘴可布置在第一级涡轮转子叶片的下游，并且跟有一排第二级涡轮转子叶片，第二级涡轮转子叶片从燃烧气体提取另外的能量。另外级的涡轮喷嘴和涡轮转子叶片可布置在该第二级涡轮转子叶片的下游。
当从燃烧气体提取能量时，气体的温度相应地降低。然而，由于气体温度相对高，涡轮级典型地由冷却剂冷却，该冷却剂例如为从压缩机转向通过中空的导叶和叶片翼型件而用于冷却涡轮机的各种内部构件的压缩空气。由于该冷却空气转向而不为燃烧器所使用，因而提取的冷却空气的量对发动机的整体效率具有直接的影响。因此需要改善利用冷却空气的效率以改善涡轮发动机的整体效率。
所需的冷却空气的量不仅取决于燃烧气体的温度，还取决于布置在涡轮机的旋转构件和固定构件之间的各种密封件的完整性。转子和叶片的热膨胀及收缩可不同于固定的喷嘴和涡轮机外壳的热膨胀，从而考验密封件的完整性。在某些情况下，密封件可被损害从而引起过量冷却空气进入涡轮机主流气体流，导致压缩机空气的过量转向，直接转化成低于期望的涡轮机效率。
因此需要提供一种燃气涡轮发动机，其具有改善的燃气涡轮机固定构件到旋转构件的接触面的密封。
发明内容
在本发明的一个示例性实施例中，涡轮发动机包括第一可旋转的涡轮机转子组件；第二固定的喷嘴组件，其邻近该第一可旋转的涡轮机转子组件布置；以及叶轮空间(wheel space)，其限定在该第一可旋转的涡轮机转子组件和该第二固定的喷嘴组件之间。该叶轮空间构造成在其中容纳冷却空气，并且包括位于该第一可旋转的涡轮机转子组件上的密封特征，该密封特征轴向地延伸进入叶轮空间以在位于第二固定的喷嘴组件上的密封台(sealing land)的邻近处终止。该密封特征和密封台起作用以控制来自叶轮空间内的冷却空气的释放，且该密封台由形状记忆合金构成。
在本发明的另一个实施例中，涡轮发动机包括第一可旋转的涡轮机转子组件；第二固定的喷嘴组件，其邻近该第一可旋转的涡轮机转子组件布置；以及叶轮空间，其限定在该第一可旋转的涡轮机转子组件和该第二固定的喷嘴组件之间，并且构造成在其中容纳冷却空气。位于该第一可旋转的涡轮机转子组件上的密封特征轴向地延伸进入叶轮空间，以在位于该第二固定的喷嘴组件上的密封台的邻近处终止。该密封特征和该密封台起作用以控制来自叶轮空间内的冷却空气的释放；该密封台由形状记忆合金构成。
在另一个实施例中，涡轮发动机包括具有上游端和下游端的涡轮机外壳。固定的喷嘴组件以固定到外壳上的关系布置在外壳内。涡轮机转子组件支承在外壳内以在其中旋转，并且在涡轮发动机的运行期间可操作以相对于固定的喷嘴组件沿下游方向热膨胀。限定在固定的喷嘴组件和可旋转的涡轮机转子组件之间的叶轮空间构造成在其中容纳冷却空气。位于可旋转的涡轮机转子组件上并且轴向地延伸进入叶轮空间的密封特征在位于该第二固定的喷嘴组件上的密封台的邻近处终止。该密封特征和密封台起作用以控制来自叶轮空间内的冷却空气的释放。该密封台由形状记忆合金构成，该形状记忆合金具有的组成使得从冷的马氏体状态到热的奥氏体状态的相变处在该燃气涡轮发动机的热瞬变内。该形状记忆合金构造成双向合金，其具有冷的马氏体状态下的第一构造和热的奥氏体状态下的第二构造，并且在该涡轮机转子组件的热膨胀期间可操作以将密封特征保持在密封台的邻近处。
附图说明
根据优选的和示例性的实施例，联系附图在以下具体实施方式中更具体地描述了本发明以及它的另外优点，在其中：
图1是根据本发明的一个实施例，穿过示例性燃气涡轮发动机的一部分的轴向截面图；
图2是穿过图1的燃气涡轮发动机的一部分的放大的截面图；
图3是穿过处于冷的非运行状态的图1的燃气涡轮发动机的一部分的放大的截面图；以及
图4是穿过处于热的运行状态的图1的燃气涡轮发动机的一部分的放大的截面图。
部件列表
10燃气涡轮发动机
12多级轴向压缩机
14燃烧器
16多级涡轮
18压缩空气
20热燃烧气体
22第一级喷嘴空气翼型件
24第一级涡轮空气翼型件
26第二级喷嘴空气翼型件
28第二级涡轮空气翼型件
30第三级喷嘴空气翼型件
32第三级涡轮空气翼型件
34内部导叶侧壁
36外部导叶侧壁
38第一级喷嘴组件
40涡轮机外壳
42第一支承轮盘
44第一级护罩
46第一级涡轮机转子组件
48内部导叶侧壁
50外部导叶侧壁
52第二级喷嘴组件
54第二级支承轮盘
56第二级护罩
58第二级涡轮机转子组件
60内部导叶侧壁
62外部导叶侧壁
64第三级喷嘴组件
66第三级支承轮盘
68第三级护罩
70第三级涡轮机转子组件
72叶轮空间
74叶轮空间
76翼型件壁(26)
78翼型件冷却通路(26)
80冷却空气
82膜片组件
84径向地延伸的侧部分(82)
86径向地延伸的侧部分(82)
87内部径向端(82)
88转子表面
90内部冷却通路
92上游密封特征
94下游密封特征
96上游密封特征
98下游密封特征
100第二级上游密封台
102第二级下游密封台
104涡轮机转子组件
110密封台组件
112开口(84)
114支承活塞
116第一外部端(114)
118接收槽
120第二端(114)
122内部端(114)
124弹簧
126开口(120，114)
128返回弹簧
130固定偏移边缘
132壁(112)
134环形(122，114)
具体实施方式
图1和2中图示的是燃气涡轮发动机10的一部分。该发动机关于纵向或轴向中心线轴线轴对称，并且包括成连续流连通的多级轴向压缩机12、燃烧器14以及多级涡轮16。
在运行期间，来自压缩机12的压缩空气18流向燃烧器14，燃烧器14起作用以燃烧燃料与压缩空气以产生热燃烧气体20。该热燃烧气体20穿过多级涡轮16流向下游，该多级涡轮16从热燃烧气体提取能量。
如图1和2中所示，多级轴向涡轮16的一个示例可构造成具有六排翼型件22、24、26、28、30和32的三个级，翼型件轴向地布置，彼此成直序列，用来引导热燃烧气体20穿过其中并且用来从热燃烧气体提取能量。
翼型件22构造成第一级喷嘴导叶翼型件。这些翼型件周向地彼此隔开，并且在内部导叶侧壁和外部导叶侧壁34、36之间径向地延伸，以限定第一级喷嘴组件38。该喷嘴组件38在涡轮机外壳40内是固定的，并且起作用以接收和引导来自燃烧器14的热燃烧气体20。翼型件24从第一支承轮盘42的周界径向向外地延伸，以在邻近第一级护罩(shroud)44处终止。翼型件24和该支承轮盘42限定第一级涡轮机转子组件46，其接收来自第一级喷嘴组件38的热燃烧气体20以使第一级涡轮机转子组件46旋转，从而从热燃烧气体提取能量。
翼型件26构造成第二级喷嘴导叶翼型件。这些翼型件周向地彼此隔开，并且在内部导叶侧壁和外部导叶侧壁48和50之间径向地延伸以限定第二级喷嘴组件52。该第二级喷嘴组件52在涡轮机外壳40内是固定的，并且起作用以接收来自第一级涡轮机转子组件46的热燃烧气体20。翼型件28从第二支承轮盘54径向向外地延伸，以在邻近第二级护罩56处终止。翼型件28和支承轮盘54限定第二级涡轮机转子组件58，用来直接接收来自第二级喷嘴组件52的热燃烧气体20，以从其中另外地提取能量。
同样地，翼型件30构造成第三级喷嘴导叶翼型件，这些翼型件周向地彼此隔开，并且在内部导叶侧壁和外部导叶侧壁60和62之间径向地延伸以限定第三级喷嘴组件64。该第三级喷嘴组件64在涡轮机外壳40内是固定的，并且起作用以接收来自第二级涡轮机转子组件58的热燃烧气体20。翼型件32从第三支承轮盘66径向向外地延伸以在邻近第三级护罩68处终止。翼型件32和该支承轮盘66限定第三级涡轮机转子组件70，用来直接接收来自第三级喷嘴组件64的热燃烧气体20，以从其中另外地提取能量。在多级涡轮16中利用的级的数量可取决于燃气涡轮发动机10的具体应用而改变。
如指出的，第一、第二和第三级喷嘴组件38、52和64相对于涡轮机外壳40是固定的，而涡轮机转子组件46、58和70被安装成在外壳内旋转。这样，在固定的构件和旋转的构件之间限定有可称为叶轮空间的空腔。在图2中图示的示例性叶轮空间72和74位于第二级喷嘴组件52的每一侧上，在喷嘴组件和第一级涡轮机转子组件46以及喷嘴组件和第二级转子组件58之间。
在涡轮发动机10的运行期间，涡轮翼型件及叶轮空间72、74暴露于热燃烧气体20。为保证此类内部构件的希望的耐久性，它们典型地被冷却。例如，第二级喷嘴翼型件26是中空的，且壁76限定冷却剂通路78。在一个示例性实施例中，来自多级轴向压缩机12的压缩空气的一部分从燃烧器转向并且用作冷却空气80，其被引导穿过翼型件26用于内部冷却。膜片组件82径向地向第二级内部导叶侧壁48内延伸。该膜片组件包括径向地延伸的侧部分84和86，并带有紧邻转子表面88的内部径向端87。内部冷却通路90接收穿过翼型件冷却通路78的冷却空气80的一部分，并且将冷却空气散入叶轮空间72和74，以在其中维持可接受的温度水平。密封特征92和94(称为“天使翼”)布置在第一级涡轮翼型件24的上游侧和下游侧上。同样地，密封特征96和98布置在第二级涡轮翼型件28的上游侧和下游侧上。该密封特征(即天使翼)沿轴向方向延伸并且在它们相关的叶轮空间内紧邻例如100和102的互补的密封台而终止，密封台安装在第二级膜片组件82的径向延伸的侧部分84、86中并从该侧部分84、86延伸。在涡轮发动机的运行期间，从膜片组件82的内部冷却通路90流进叶轮空间72和74的冷却空气80的泄漏被上游密封特征以及下游密封特征96、94和密封台100、102的紧密接近所控制。相似的密封特征和密封台也可用在涡轮发动机10的其它涡轮级的固定部分和旋转部分之间。
在燃气涡轮发动机10的运行期间，尤其当发动机的温度在启动后从冷状态过渡到热状态时，以上已述，发动机的各种构件可经历某些程度的热膨胀，导致必须解决的发动机10中的尺寸改变。例如，当温度上升时，整个涡轮机转子组件104可相对于固定的喷嘴组件和涡轮机外壳40轴向地膨胀。由于涡轮机转子组件104在涡轮机外壳40内被支承的方式，此类轴向膨胀主要是沿相对于外壳的下游方向，如图1所示。作为向下游相对移动的结果，在第一级涡轮机转子组件46的下游密封特征94和第二级上游密封台100之间的轴向交迭间距可增加，导致从叶轮空间72进入主气体流20的冷却空气80的泄漏的减少。相反，在第二级下游密封台102和第二级涡轮机转子组件58的上游密封特征96之间的轴向交迭间距可减少。除了接触，密封特征之间的增加/减少具有较轻的后果。然而，由于冷却空气80是从轴向压缩机转向的空气，其为了燃烧以外的目的的用途将直接影响燃气涡轮发动机10的效率和叶轮空间的设计操作。各叶轮空间被设计成维持冷却空气的特定流量，以防止将主气体流20吸入叶轮空间。因为不正确的流的量被转向此叶轮空间74，因此，在第二级涡轮机转子组件58的上游密封特征96和第二级下游密封台102之间的轴向交迭间距的减少是不希望的。因此，其轴向交迭距离减少的叶轮空间74将使比设计的流更多的流漏入主气体流20。
在一个示例性实施例中，该第二级下游密封台102包括带条，该带条由例如镍钛(“NiTi”)合金的双向形状记忆金属构成。形状记忆合金可以以两种不同的依赖于温度的晶体结构或相(即马氏体(较低的温温度)和奥氏体(较高的温度))而存在，且发生相变的温度取决于合金的成分。双向形状记忆合金具有在转变温度以上加热后恢复预设形状，以及在转变温度以下冷却后返回到某个备选形状的能力。密封台102构造成使用NiTi合金，具有在燃气涡轮发动机10的热瞬变内的相变。通过机械加工和热处理的工艺，对该台102进行设计加工，其中马氏体构造具有比奥氏体构造轴向较短的长度，奥氏体构造轴向较长。在某些情况下，马氏体构造还可设计成与奥氏体构造相比相对于径向密封特征96具有径向上不同的位置。由于燃气涡轮发动机10在启动后从冷转变到热，该密封台102将从其图3的马氏体相变化至其图4的奥氏体相，导致台的轴向增长并维持第二级涡轮机转子组件58的上游密封特征96和第二级下游密封台102之间的紧密物理间距，而不管涡轮机转子组件104的下游轴向增长如何。结果是来自下游叶轮空间74内的冷却空气80的通过减少，该下游叶轮空间74位于第二级涡轮机转子组件58和第二级喷嘴组件52的膜片组件82之间，从而改善燃气涡轮发动机的效率并且维持叶轮空间冷却空气流的控制。如果需要，可设想当燃气涡轮发动机10从冷到热转变时，该密封台102还可设计成包括余隙的径向和轴向变化。
在本发明的另一个实施例中，该第二级下游密封台102包括带条，该带条由例如镍钛(“NiTi”)合金的单向形状记忆金属构成。和双向形状记忆合金一样，单向形状记忆合金可以依赖于温度的两种不同晶体结构或相(即马氏体(较低的温度)和奥氏体(较高的温度))而存在，且相变发生的温度取决于合金的成分。不同于双向形状记忆合金，单向合金具有在其冷的马氏体状态下的机械变形后，在转化温度以上加热后恢复预设形状的能力。在冷却后，机械变形的结果被消除。密封台102构造成使用NiTi合金，其具有在燃气涡轮发动机10的热瞬变内的相变。由于燃气涡轮发动机10在停机后从热转变成冷，该密封台102将从它的奥氏体状态转变至其马氏体状态。涡轮机转子组件104的冷却导致该密封台102和第二级涡轮机转子组件58的上游密封特征96之间的轴向交迭间距增加。在到冷的马氏体相的转变之后，该密封台102可接触密封特征96从而导致密封台的变形。在燃气涡轮发动机10的再启动以及密封台120经过从它的马氏体到奥氏体的相变之后，第二级下游密封台102将返回到它的非变形的最初状态，与第二级涡轮机转子组件58的上游密封特征96紧密地物理接近。结果是减少来自下游叶轮空间74内的冷却空气80的泄漏，该下游叶轮空间74位于第二级涡轮机转子组件58和第二级喷嘴组件52的膜片组件82之间，从而改善燃气涡轮发动机的效率并且维持对叶轮空间冷却空气流的控制。
虽然以主要对多级涡轮的第二级的应用来描述了本发明的示例性实施例，但该集中的描述仅为了简化并且本发明的范围并非意图限于该单个应用。所描述发明的应用可被应用于贯穿各级的相似涡轮发动机组件和构件。
虽然参考镍钛成分的形状记忆合金对本发明的示例性实施例进行了描述，但在涡轮发动机的预期温度下展现适当特性其它成分，例如镍金属钴、铜锌或其它成分均可使用。另外，以上描述参考在密封台中的轴向增长构件而进行。认识到由于形状记忆合金的多功能性，该密封台102可在从冷到热的变化中包括间隙的径向和轴向改变。
该书面说明书使用示例公开了本发明，包括最佳模式，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结合的方法。本发明可被授予权利的范围由权利要求书限定，并可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求书的书面语言并非不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的书面语言无本质不同的等同结构元件，则此类其它示例意图处在权利要求书的范围内。
Claims (12)
1.一种涡轮发动机，包括：
第一涡轮发动机组件；
第二涡轮发动机组件，其邻近所述第一涡轮发动机组件布置；
叶轮空间，其限定在所述第一涡轮发动机组件和所述第二涡轮发动机组件之间，并且构造成在其中容纳冷却空气；以及
密封特征，其位于所述第一涡轮发动机组件上并且轴向地延伸进入所述叶轮空间，以在位于所述第二涡轮发动机组件上的密封台的邻近处终止，所述密封特征和所述密封台能够起作用以控制来自所述叶轮空间内的所述冷却空气的释放，所述密封台由形状记忆合金构成，具有在冷的马氏体状态下的第一轴向长度和在热的奥氏体状态下的较长的第二轴向长度。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，由形状记忆合金构成的所述密封台由双向合金构造而成。
3.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，由形状记忆合金构成的所述密封台具有的组成使得从冷的马氏体状态到热的奥氏体状态的相变处在所述涡轮发动机的热瞬变内。
4.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述形状记忆合金包括镍钛合金。
5.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，由形状记忆合金构成的所述密封台由单向合金构造而成，具有在热的奥氏体状态下的较长的第二轴向长度，并且通过在冷的马氏体状态下与位于所述第一涡轮发动机组件上的所述密封特征接触而变形，且在过渡到热的奥氏体状态后返回到所述较长的第二轴向长度。
6.一种涡轮发动机，包括：
可旋转的涡轮机转子组件；
固定的喷嘴组件，其邻近所述可旋转的涡轮机转子组件布置；
叶轮空间，其限定在所述可旋转的涡轮机转子组件和所述固定的喷嘴组件之间，并且构造成在其中容纳冷却空气；以及
密封特征，其位于所述可旋转的涡轮机转子组件上，并且轴向地延伸进入所述叶轮空间，以在位于所述固定的喷嘴组件上的密封台的邻近处终止，所述密封特征和所述密封台能够起作用以控制来自所述叶轮空间内的所述冷却空气的释放，所述密封台由形状记忆合金构成，具有在冷的马氏体状态下的第一轴向长度和在热的奥氏体状态下的较长的第二轴向长度。
7.根据权利要求6所述的涡轮发动机，其特征在于，由形状记忆合金构成的所述密封台由双向合金构造而成。
8.根据权利要求6所述的涡轮发动机，其特征在于，由形状记忆合金构成的所述密封台具有的组成使得从冷的马氏体状态到热的奥氏体状态的相变处在所述涡轮发动机的热瞬变内。
9.根据权利要求6所述的涡轮发动机，其特征在于，所述形状记忆合金包括镍钛合金。
10.根据权利要求6所述的涡轮发动机，其特征在于，所述形状记忆合金构造成单向合金，具有在热的奥氏体状态下的较长的第二轴向长度，并且通过在冷的马氏体状态下与位于所述可旋转的涡轮机转子组件上的所述密封特征接触而变形，且在过渡到热的奥氏体状态后返回到所述较长的第二轴向长度。
11.一种涡轮发动机，包括：
涡轮机壳体，其具有上游端和下游端；
固定的喷嘴组件，其与所述壳体成固定关系而设置在所述壳体内；
涡轮机转子组件，其支撑在所述壳体内以在所述壳体中旋转，并且在所述涡轮发动机的运行期间能够起作用以相对于所述固定的喷嘴组件沿下游方向热膨胀；
叶轮空间，其限定在所述固定的喷嘴组件和可旋转的所述涡轮机转子组件之间，并且构造成在其中容纳冷却空气；
密封特征，其位于可旋转的所述涡轮机转子组件上，并且轴向地延伸进入所述叶轮空间，以在位于所述固定的喷嘴组件上的密封台的邻近处终止，所述密封特征和所述密封台能够起作用以控制来自所述叶轮空间内的所述冷却空气的释放；
所述密封台由形状记忆合金构成，具有的组成使得从冷的马氏体状态到热的奥氏体状态的相变处在所述涡轮发动机的热瞬变内；以及
所述形状记忆合金构造为双向合金，具有在冷的马氏体状态下的第一轴向长度和在热的奥氏体状态下的第二轴向长度，并且能够起作用以在所述涡轮机转子组件的热膨胀期间将所述密封特征保持邻近所述密封台。
12.根据权利要求11所述的涡轮发动机，其特征在于，所述形状记忆合金包括镍钛合金。
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