CN101852101B - 用于涡轮发动机冷却空气管理的设备 - 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设备。具体而言，涉及一种涡轮发动机，其具有可旋转的涡轮转子组件，设置成邻近其的静止喷嘴组件以及限定于其间的叶轮空间。叶轮空间将冷却空气收容于其中，且包括密封器件和密封台肩组件，该密封器件定位在第一可旋转的涡轮转子组件上且沿轴向延伸到叶轮空间中，该密封台肩组件具有与活动部件相关联的密封台肩，安装在第二静止喷嘴组件中的开口内。由形状记忆合金构成的偏压部件与活动部件相关联，且工作成用以在涡轮发动机从冷态转变至热态时将活动部件和相关联的密封台肩沿轴向朝向密封器件偏压到叶轮空间中，以便减少来自于叶轮空间内的冷却空气的释放。
Description
技术领域
本文所公开的主题涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及在其中的温度和性能管理。
背景技术
在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中加压，且在燃烧器中与空气相混合用于产生热的燃烧气体，该燃烧气体经由一个或多个涡轮级向下游流动。涡轮级包括具有定子导叶的静止喷嘴，该定子导叶引导燃烧气体穿过下游的一列涡轮转子叶片。叶片从支承转子沿径向向外延伸，该支承转子通过从气体中获取能量而被供以动力。
第一级涡轮喷嘴接收来自于燃烧器的热燃烧气体，且将其引导至第一级涡轮转子叶片以便自其获取能量。第二级涡轮喷嘴可设置在第一级涡轮转子叶片的下游，跟随之后的是第二级涡轮转子叶片列，其从燃烧气体中获取额外能量。附加级的涡轮喷嘴和涡轮转子叶片可设置在第二级涡轮转子叶片的下游。
随着从燃烧气体中获取能量，气体的温度相应地降低。然而，由于气体温度相对较高，故涡轮级通常由诸如压缩空气的冷却剂来进行冷却，该压缩空气引导自压缩机，穿过中空的导叶和叶片翼型件，用于冷却涡轮的各种内部构件。由于引导来的冷却空气由燃烧器使用，故获取的冷却空气量对发动机的总体效率有直接影响。因此，期望改善冷却空气的利用效率，用以改善涡轮发动机的总体效率。
所需的冷却空气量不但取决于燃烧气体的温度，而且还取决于设置在涡轮的旋转构件与静止构件之间的各种密封件的完整性。转子和叶片的热膨胀和收缩可能不同于静止喷嘴和涡轮壳体的热膨胀，从而对密封件的完整性形成挑战。在一些情况下，密封件可能受损，造成过多冷却空气进入涡轮主流气流中，导致转移过多的压缩机空气，直接转变为导致涡轮效率比所期望的要低。
因此，期望提供一种燃气涡轮发动机，其改善了对燃气轮机静止构件与旋转构件界面的密封。
发明内容
在本发明的示例性实施例中，一种涡轮发动机包括第一涡轮发动机组件和设置在其附近的第二涡轮发动机组件。叶轮空间限定在第一涡轮发动机组件与第二涡轮发动机组件之间，且构造成用以将冷却空气收容于其中。密封器件定位在第一涡轮发动机组件上，且沿轴向延伸到叶轮空间中。具有与活动部件相关联的密封台肩(land)的密封台肩组件安装在第二涡轮组件中的开口内。由形状记忆合金构成的偏压部件与活动部件相关联，且构造成用以在涡轮发动机从冷态转变至热态时将活动部件和相关联的密封台肩沿轴向朝向密封器件偏压到叶轮空间中。
在本发明的另一示例性实施例中，一种涡轮发动机包括第一可旋转的涡轮转子组件和设置在该第一可旋转的涡轮转子组件附近的第二静止的喷嘴组件。限定在第一可旋转的涡轮转子组件与第二静止的喷嘴组件之间的叶轮空间构造成用以将冷却空气收容于其中。定位在第一可旋转的涡轮转子组件上的密封器件沿轴向延伸到叶轮空间中。具有与活动部件相关联的密封台肩的密封台肩组件安装在第二静止的喷嘴组件中的开口内，以及由形状记忆合金构成的偏压部件与活动部件相关联，且构造成用以在涡轮发动机从冷态转变至热态时将活动部件和相关联的密封台肩沿轴向朝向密封器件偏压到叶轮空间中。
在本发明的另一示例性实施例中，一种涡轮发动机包括具有上游端和下游端的涡轮壳体。静止喷嘴组件相对于壳体成固定关系地设置在壳体内。涡轮转子组件支承在壳体内以便在其中旋转，且在涡轮发动机工作期间可操作成相对于静止喷嘴组件热膨胀。限定在静止喷嘴组件与可旋转的涡轮转子组件之间的叶轮空间构造成用以将冷却空气收容于其中。密封器件定位在涡轮转子组件上，且沿轴向延伸到叶轮空间中，以及具有与活动部件相关联的密封台肩的密封台肩组件安装在静止喷嘴组件中的开口内。由形状记忆合金构成的偏压部件具有一定的成分使得在燃气涡轮发动机的热瞬变期间发生从冷的马氏体状态至热的奥氏体状态的相变。偏压部件与活动部件相关联，且构造成用以在涡轮发动机从冷态转变至热态时将活动部件和相关联的密封台肩沿轴向朝向密封器件偏压到叶轮空间中。
附图说明
在结合附图的如下详细说明中更为具体地描述了根据优选实施例和示例性实施例的本发明及其另外的优点，在附图中：
图1为经过根据本发明实施例的示例性燃气涡轮发动机的一部分的轴向截面视图；
图2为经过图1中的燃气涡轮发动机的一部分的放大截面视图；
图3为经过图1中的燃气涡轮发动机的一部分处于非工作的冷态的放大截面视图；
图4为经过图1中的燃气涡轮发动机的一部分处于工作的热态的放大截面视图；
图5为在图3中圆圈5处所截取的一部分的放大截面视图；以及
图6为在图4中圆圈6处所截取的一部分的放大截面视图。
零件清单
10 燃气涡轮发动机
12 多级式轴流压缩机
14 燃烧器
16 多级式涡轮
18 压缩空气
20 热燃烧气体
22 第一级喷嘴翼型件
24 第一级涡轮翼型件
26 第二级喷嘴翼型件
28 第二级涡轮翼型件
30 第三级喷嘴翼型件
32 第三级涡轮翼型件
34 内部导叶侧壁
36 外部导叶侧壁
38 第一级喷嘴组件
40 涡轮壳体
42 第一支承盘
44 第一级护罩(shroud)
46 第一级涡轮转子组件
48 内部导叶侧壁
50 外部导叶侧壁
52 第二级喷嘴组件
54 第二支承盘
56 第二级护罩
58 第二级涡轮转子组件
60 内部导叶侧壁
62 外部导叶侧壁
64 第三级喷嘴组件
66 第三支承盘
68 第三级护罩
70 第三级涡轮转子组件
72 叶轮空间
74 叶轮空间
76 翼型件壁(26)
78 翼型件冷却剂通道(26)
80 冷却空气
82 隔板组件
84 径向延伸的侧部(82)
86 径向延伸的侧部(82)
87 径向内端(82)
88 转子表面
90 内部冷却通道
92 上游密封器件
94 下游密封器件
96 上游密封器件
98 下游密封器件
100 第二级上游密封台肩
102 第二级下游密封台肩
104 涡轮转子组件
110 密封台肩组件
112 开口(84)
114 承载活塞
116 第一外端(114)
118 收容槽口
120 第二端(114)
122 内端(114)
124 弹簧
126 开口(120，114)
128 复位弹簧
130 固定的偏压凸部
132 壁(112)
134 环形体(122，114)
具体实施方式
图1和图2中示出了燃气涡轮发动机10的一部分。发动机关于纵向或轴向的中心轴线成轴对称，且包括串流连通的多级式轴流压缩机12、燃烧器14和多级式涡轮16。
在工作期间，来自于压缩机12的压缩空气18流至燃烧器14，燃烧器14进行工作利用压缩空气燃烧燃料，以产生热燃烧气体20。热燃烧气体20向下游流经多级式涡轮16，多级式涡轮16从其中获取能量。
如图1和图2中所示，多级式轴流涡轮16的一个实例可构造成具有沿轴向彼此以直接顺序设置的六列翼型件22，24，26，28，30，32的三级，用于引导热燃烧气体20穿过其间，以及用于从其中获取能量。
翼型件22构造为第一级喷嘴导叶翼型件。该翼型件沿周向彼此间隔开，且在内部导叶侧壁34与外部导叶侧壁36之间沿径向延伸，以限定第一级喷嘴组件38。喷嘴组件38在涡轮壳体40内为静止的，且工作成用以收容和引导来自于燃烧器14的热燃烧气体20。翼型件24从第一支承盘42的圆周沿径向向外延伸，以便端接相邻的第一级护罩44。翼型件24和支承盘42限定第一级涡轮转子组件46，该第一级涡轮转子组件46接收来自于第一级喷嘴组件38的热燃烧气体20，以便使第一级涡轮转子组件46旋转，从而从热燃烧气体中获取能量。
翼型件26构造为第二级喷嘴导叶翼型件。该翼型件沿周向彼此间隔开，且在内部导叶侧壁48与外部导叶侧壁50之间沿径向延伸，以限定第二级喷嘴组件52。第二级喷嘴组件52在涡轮壳体40内为静止的，且工作成用以收容来自于第一级涡轮转子组件46的热燃烧气体20。翼型件28从第二支承盘54沿径向向外延伸，以便端接相邻的第二级护罩56。翼型件28和支承盘54限定第二级涡轮转子组件58，用于直接接收来自于第二级喷嘴组件52的热燃烧气体20，以便从其中额外地获取能量。
类似的是，翼型件30构造为第三级喷嘴导叶翼型件，其沿周向彼此间隔开，且在内部导叶侧壁60与外部导叶侧壁62之间沿径向延伸，用以限定第三级喷嘴组件64。第三级喷嘴组件64在涡轮壳体40内为静止的，且工作成用以接收来自于第二级涡轮转子组件58的热燃烧气体20。翼型件32从第三支承盘66沿径向向外延伸，以便端接相邻的第三级护罩68。翼型件32和支承盘66限定第三级涡轮转子组件70，用于直接接收来自于第三级喷嘴组件64的热燃烧气体20，以便从其中额外地获取能量。在多级式涡轮16中所使用的级的数目可取决于燃气涡轮发动机10的具体应用场合而变化。
如所指出的那样，第一级喷嘴组件38、第二级喷嘴组件52和第三级喷嘴组件64相对于涡轮壳体40为静止的，而涡轮转子组件46，58和70则安装成用于在其中旋转。因此，便在静止构件与旋转构件之间限定了可称为叶轮空间的空腔。图2中示出的示例性叶轮空间72和74存在于第二级喷嘴组件52的两侧，处于该喷嘴组件和第一级涡轮转子组件46之间以及该喷嘴组件和第二级转子组件58之间。
涡轮翼型件以及叶轮空间72，74在涡轮发动机10工作期间暴露于热燃烧气体20。为了确保此类内部构件所期望的耐用性，通常对其进行冷却。例如，第二级喷嘴翼型件26为中空的，且壁76限定冷却剂通道78。在示例性实施例中，来自于多级式轴流压缩机12的部分压缩空气引导自燃烧器，且用作冷却空气80，该冷却空气80经引导穿过翼型件26用于内部冷却。隔板组件82从第二级内部导叶侧壁48沿径向向内延伸。隔板组件包括沿径向延伸的侧部84和86，且径向内端87紧密邻近转子表面88。内部冷却通道90收容穿过翼型件冷却剂通道78的部分冷却空气80，且将该冷却空气分散到叶轮空间72和74中，以在其中保持可接受的温度水平。称为″天使翼″的密封器件92和94设置在第一级涡轮翼型件24的上游侧和下游侧上。类似的是，密封器件96和98设置在第二级涡轮翼型件28的上游侧和下游侧上。密封器件或天使翼沿轴向方向延伸，且端接在其紧密邻近诸如100和102的互补密封台肩的相关联的叶轮空间内，该互补密封台肩安装在第二级隔板组件82的沿径向延伸的侧部84，86中且自其延伸。在涡轮发动机工作期间，冷却空气80的泄漏(从隔板组件82的内部冷却通道90流入叶轮空间72和74中)，通过上游和下游密封器件94，96与密封台肩100，102的紧密邻近进行控制。在涡轮发动机10的其它涡轮级的静止部分与旋转部分之间也可使用类似的密封器件和密封台肩。
在燃气涡轮发动机10工作期间，尤其是发动机温度随着启动而从冷态转变至热态时，上文已经描述的各种发动机构件或会经受一定程度的热膨胀，导致发动机10的尺寸变化，这必须得到解决。例如，当温度升高时，整个涡轮转子组件104可相对于固定的喷嘴组件和涡轮壳体40沿轴向膨胀。由于涡轮转子组件104支承在涡轮壳体40内的方式，此类轴向膨胀主要相对于壳体(图1)沿下游方向。由于向下游的相对运动，在第一级涡轮转子组件46的下游密封器件94与第二级上游密封台肩100之间的轴向交叠间距(overlap spacing)或会增大，导致从叶轮空间72泄漏到主气流20中的冷却空气80减少。相反，在第二级下游密封台肩102与第二级涡轮转子组件58的上游密封器件96之间的轴向交叠间距或会减小。脱离接触，在密封器件之间的增大和/或减小存在轻微的后果。然而，由于冷却空气80引导了来自于轴流压缩机的空气，其除了燃烧目的外的使用将直接影响燃气涡轮发动机10的效率和叶轮空间的设计工作。各叶轮空间设计成用以保持冷却空气的特定流动，用以防止主气流20在其中进行摄取。因此，在第二级涡轮转子组件58的上游密封器件96与第二级下游密封台肩102之间的轴向交叠间距的减小是不期望的，因为不合适的流量输送到叶轮空间74中。因此，叶轮空间74在其轴向交叠间距减小的情况下将比设计流量泄漏更多到主气流20中。
在非限制的示例性实施例中，第二级下游密封台肩102与密封台肩组件110(图5和图6)相关联，安装成以便在隔板组件82的沿径向延伸的侧部86中的开口112内进行相对的轴向运动。密封台肩组件112包括承载活塞114，其具有构造成用以将密封台肩102收容在形成于其中的收容槽口118内的第一外端116。承载活塞114的第二端120位于开口112的内端122附近，且包括第一偏压部件，如设置在其间的弹簧。在所示的实施例中，弹簧124收容在形成于承载活塞114的第二端120内的开口126中，然而还可构思出用于收容和定位弹簧124和其它弹簧构造的其它构造。如所构造出的那样，弹簧124从隔板组件82的沿径向延伸的侧部86向外偏压承载活塞和相关联的密封台肩102，且偏压到叶轮空间74中。
在刚刚描述的非限制性实施例中，偏压弹簧124由通常称为形状记忆合金金属如镍-钛(″NiTi″)混合物的材料构成。形状记忆合金可取决于晶体结构或相(即，马氏体(较低的温度)和奥氏体(较高的温度))而存在于两种不同温度下，且发生相变时的温度主要取决于合金的成分。双向形状记忆合金能够在加热至高于转变温度时恢复预定形状，而在冷却到低于转变温度时则回到一定的备选形状。偏压弹簧124可由NiTi合金构成，该NiTi合金在燃气涡轮发动机10的热瞬变中存在相变。当燃气涡轮发动机10随着启动而从冷变热时，弹簧124将经由其马氏体相(图5)转变成其奥氏体相(图6)，导致承载活塞114和相关联的下游密封台肩102在叶轮空间74和下游密封器件96的方向上受到偏压。结果，不管涡轮转子组件104的下游轴向增长，仍可保持在第二级涡轮转子组件58的上游密封器件96与第二级下游密封台肩102之间所期望的紧密物理间距。结果使得来自于在第二级涡轮转子组件58与第二级喷嘴组件52的隔板组件82之间的下游叶轮空间74内的冷却空气80的通过减少，从而改善了燃气涡轮发动机的效率，且保持了对叶轮空间冷却空气流的控制。
密封台肩组件110还可包括第二偏压部件，如复位弹簧128，在图5和图6中所示的实施例中，复位弹簧128围绕承载活塞114的外周设置，位于从开口112的壁132沿径向向内延伸的固定环形偏压凸部130与设置在承载活塞114内端122附近的对应环形体134之间。当燃气涡轮发动机10随着停机而从热变冷时，形状记忆合金弹簧124将经由其奥氏体相(图6)变成其马氏体相(图5)，导致承载活塞114和相关联的下游密封台肩102沿轴向偏压出叶轮空间74并远离下游的密封器件96。结果，不管涡轮转子组件104在其冷却时向上游的轴向收缩，仍可保持在第二级涡轮转子组件58的上游密封器件96与第二级下游密封台肩102之间所期望的紧密物理间距。通过抵靠固定的偏压凸部130和活塞环形体134施加弹簧负载，除弹簧124所提供的任何偏压之外，复位弹簧128还将偏压施加在承载活塞114上，从而确保承载活塞114回到开口112内的完全就位位置。承载活塞114和相关联的密封台肩102的完全缩进是必需的，用以在拆卸多级式涡轮16以便保养和改进时避免在喷嘴组件与涡轮转子组件之间的间隙问题。
尽管文中将本发明的示例性实施例描述为主要应用于多级式涡轮的第二级，但集中的描述仅是为了简化，而非意图将本发明的范围限于该单一的应用。所述发明的应用可用于所有各级的类似的涡轮发动机组件和构件。
尽管已参照镍-钛成分的形状记忆合金描述了本发明的示例性实施例，但也可使用在涡轮发动机的所需温度下表现出适合特性的其它成分，如镍-金属钴、铜-锌或其它。此外，尽管所述实施例已举例说明了使用具有膨胀特征的形状记忆合金，例如，该膨胀特征会在发动机温度升高时使密封台肩102膨胀，但预料到的是，形状记忆合金应用(在其中，材料构造成在其从其马氏体相变成其奥氏体相时具有收缩反应)可导致下游密封台肩的缩进、远离叶轮空间，以便例如在由于涡轮转子组件104随着涡轮发动机10的启动和加热而向下游增长导致密封器件94占据台肩100时保持该台肩和密封器件的所需间距。
本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何所结合的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员所想到的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的书面语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的书面语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例落在权利要求的范围之内。
Claims (13)
1.一种涡轮发动机，包括：
第一涡轮发动机组件；
设置成邻近所述第一涡轮发动机组件的第二涡轮发动机组件；
叶轮空间，其限定在所述第一涡轮发动机组件与所述第二涡轮发动机组件之间且构造成用以将冷却空气收容于其中；
密封器件，其定位在所述第一涡轮发动机组件上且沿轴向延伸到所述叶轮空间中；
密封台肩组件，其具有与活动部件相关联的密封台肩，安装在所述第二涡轮发动机组件中的开口内，由形状记忆合金构成的偏压部件，与所述活动部件相关联且构造成用以在所述涡轮发动机从冷态转变至热态时将所述活动部件和相关联的密封台肩沿轴向朝向所述密封器件偏压到所述叶轮空间中。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述偏压部件作为在冷的马氏体状态下具有第一轴向长度而在热的奥氏体状态下具有更长的第二轴向长度的双向形状记忆合金构造而成。
3.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述形状记忆合金具有一定成分，使得在所述涡轮发动机从冷态转变至热态时出现从冷的马氏体状态至热的奥氏体状态的相变。
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，所述偏压部件构造成用以在所述涡轮发动机从热态转变至冷态时将所述活动部件和相关联的密封台肩沿轴向偏压出所述叶轮空间并远离所述密封器件。
6.一种涡轮发动机，包括：
第一可旋转的涡轮转子组件；
设置成邻近所述第一可旋转的涡轮转子组件的第二静止喷嘴组件；
叶轮空间，所述叶轮空间限定在所述第一可旋转的涡轮转子组件与所述第二静止喷嘴组件之间且构造成用以将冷却空气收容于其中；以及
密封器件，其定位在所述第一可旋转的涡轮转子组件上且沿轴向延伸到所述叶轮空间中；
密封台肩组件，其具有与活动部件相关联的密封台肩，安装在所述第二静止喷嘴组件中的开口内；
由形状记忆合金构成的偏压部件，其与所述活动部件相关联，且构造成用以在所述涡轮发动机从冷态转变至热态时将所述活动部件和相关联的密封台肩沿轴向朝向所述密封器件偏压到所述叶轮空间中。
7.根据权利要求6所述的涡轮发动机，其特征在于，所述偏压部件作为在冷的马氏体状态下具有第一轴向长度而在热的奥氏体状态下具有更长的第二轴向长度的双向形状记忆合金构造而成。
8.根据权利要求6所述的涡轮发动机，其特征在于，所述形状记忆合金具有一定成分，使得在所述涡轮发动机从冷态转变至热态时出现从冷的马氏体状态至热的奥氏体状态的相变。
9.根据权利要求6所述的涡轮发动机，其特征在于，所述偏压部件构造成用以在所述涡轮发动机从热态转变至冷态时将所述活动部件和相关联的密封台肩沿轴向偏压出所述叶轮空间并远离所述密封器件。
10.根据权利要求6所述的涡轮发动机，其特征在于，所述形状记忆合金包括镍-钛合金。
11.一种涡轮发动机，包括：
具有上游端和下游端的涡轮壳体；
相对于所述壳体成固定关系地设置在所述壳体内的静止喷嘴组件；
涡轮转子组件，所述涡轮转子组件支承在所述壳体内以便在其中旋转且在所述涡轮发动机的工作期间可操作成相对于所述静止喷嘴组件热膨胀；
叶轮空间，所述叶轮空间限定在所述静止喷嘴组件与可旋转的所述涡轮转子组件之间且构造成用以将冷却空气收容于其中；
密封器件，其定位在所述涡轮转子组件上且沿轴向延伸到所述叶轮空间中；
密封台肩组件，其具有与活动部件相关联的密封台肩，安装在所述静止喷嘴组件中的开口内；
由形状记忆合金构成的偏压部件，所述偏压部件具有一定的成分使得在所述涡轮发动机的热瞬变期间发生从冷的马氏体状态至热的奥氏体状态的相变，所述偏压部件与所述活动部件相关联且构造成用以在所述涡轮发动机从冷态转变至热态时将所述活动部件和相关联的密封台肩沿轴向朝向所述密封器件偏压到所述叶轮空间中。
12.根据权利要求11所述的涡轮发动机，其特征在于，所述偏压部件构造成用以在所述涡轮发动机从热态转变至冷态时将所述活动部件和相关联的密封台肩沿轴向偏压出所述叶轮空间并远离所述密封器件。
13.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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