CN101876261A - 具有冷却压盖的涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有冷却压盖的涡轮发动机。在一个实施例中，涡轮(22)可包括具有沿着转子轴(26)的旋转轴线(27)的通道(49)的用于转子的轴承箱(36)。可用安装结构(46)将构造成以便将冷却流体传送到通道(49)的冷却压盖(48)安装到轴承箱(36)上，安装结构(46)构造成以便将冷却压盖(48)安装成与转子的通道(49)基本成直线。

Description

具有冷却压盖的涡轮发动机
技术领域
本文公开的主题涉及燃气涡轮发动机，且更具体地讲，涉及用于冷却压盖的安装件。
背景技术
一般而言，燃气涡轮发动机燃烧压缩空气和燃料的混合物，以产生热的燃烧气体。燃烧气体可流过涡轮叶片的一个或多个级，以产生用于负载和/或压缩机的动力。由于涡轮内的高温，可对涡轮转子提供冷却气体，以帮助控制温度。
发明内容
下面对在范围方面与原本要求保护的发明相当的某些实施例进行概述。这些实施例不意图限制要求保护的发明的范围，而是相反，这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要概述。实际上，本发明可包括可能类似于或异于下面所阐述的实施例的各种形式。
在一个实施例中，一种涡轮发动机包括具有沿着轴的旋转轴线的通道的轴承箱；构造成以便将冷却流体传送到通道的冷却压盖；以及构造成以便将冷却压盖安装成与通道基本成直线(即成一列)的安装结构。
在另一个实施例中，一种系统包括具有沿着轴的旋转轴线的通道的用于转子的轴承箱；以及构造成以便将冷却流体传送到通道的冷却压盖，其中，冷却压盖联接到轴承箱上，并且其中，冷却压盖沿着旋转轴线以机械的方式与轴承箱隔开。
在另一个实施例中，一种系统包括构造成以便将冷却流体传送到转子的通道的冷却压盖；以及安装结构。安装结构包括构造成以便安装到转子轴承箱上的附连部分；构造成以便保持冷却压盖的支承部分；以及联接到附连部分和支承部分上的偏置部分，偏置部分构造成以便使冷却压盖与转子轴承箱轴向地分开。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将得到更好的理解，在附图中，相同字符在所有的图中表示相同部件，其中：
图1是可采用冷却压盖的燃气涡轮发动机的一个实施例的示意性流程图；
图2是通过纵向轴线截取的图1的燃气涡轮发动机的一个实施例的截面图；
图3是通过纵向轴线截取的图1的排气段的一个实施例的截面图；
图4是安装到轴承箱上的冷却压盖的一个实施例的透视图；
图5是安装到轴承箱上的冷却压盖的透视图，其中将垫片应用于安装结构以有利于对准；
图6是到轴承箱上的备选的直接冷却压盖安装的透视图；以及
图7是冷却压盖的截面图。
部件列表
10系统
12燃气涡轮发动机
16进气段
18压缩机
20燃烧器段
22涡轮
24排气段
26轴
27旋转轴线
28燃烧器壳体
30燃烧器
36轴承箱
37支承件
38支承件/外部排气框架
39支承支柱
40内部壳桶
42腔体
44冷却压盖安装组件
46安装结构
47冷却流体供应
48冷却压盖
49通道
50环件
52肋条
53切口空间
54附连部分
55夹条
56垫片
57周边
58垫耳/肋条
59定子支承件
60局部笼
62耳部
64半环形结构
66内部通道
68涡管/腔体
70环形缺口或槽道
72外表面
74管法兰
76和78密封件
80路径
具体实施方式
以下将对本发明的一个或多个具体实施例进行描述。为了致力于提供这些实施例的简要描述，可能不会在说明书中描述实际实现的所有特征。应当理解，在例如在任何工程或设计项目中的任何这种实际实现的开发中，必须作出许多对于实现而言专有的决定来实现开发者的具体目标，例如符合与系统有关及与商业有关的约束，开发人员的具体目标可根据不同的实现而彼此有所不同。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但尽管如此，对具有本公开的益处的普通技术人员来说，这种开发工作将是设计、生产和制造的例行任务。
当介绍本发明的各实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意图表示存在一个或多个元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图为包括性的，且表示除了列出的元件之外，可存在另外的元件。
本公开涉及燃气涡轮发动机，其包括用于在旋转的涡轮发动机构件和静止的涡轮发动机构件之间提供冷却流体的压盖。旋转式涡轮的热气路径构件的蒸汽冷却包括将冷却蒸汽(例如空气或蒸汽)从固定的或静止的供应气室传送到旋转的转子，以便随后分配到转子的热气路径构件。冷却流体的有效传送使冷却流体的压力损失以及到燃气涡轮中的蒸汽泄漏最小。使用压盖密封件来在旋转的元件和静止的元件之间提供有效的密封接口布置，且可使用压盖密封件来在旋转的轴和静止的蒸汽涡轮壳体之间提供密封。涡轮发动机中的压盖密封件可包括用于冷却流体的管道或其它输入的连接件，以允许将加压冷却流体传送到排气中，同时防止蒸汽从涡轮发动机内泄漏到大气中。
可通过将安装笼或安装结构直接应用于涡轮转子的后端(例如排气框架内)来使这种压盖固定就位。在某些实施例中，如下面所论述，可将安装组件(例如压盖和安装结构)应用于轴承箱，使得压盖与转子轴的轴线同心地对准。此布置降低了复杂性、劳动，以及与现有技术的冷却压盖安装结构相关联的材料成本，在现有技术的冷却压盖安装结构中，各个冷却供应管通常与排气壳体对准且单独地安装到排气壳体上，而非轴承箱。另外，当压盖安装组件直接安装到轴承箱上时，压盖-转子对准在结构上和轴承箱与转子的对准有关。因此，如果轴承箱基本对准转子，压盖也将基本对准。这种布置可消除用于压盖的单独的对准步骤。另外，这种对准可产生改进的发动机性能，因为压盖相对于转子的相对运动(其可导致泄漏)仅取决于轴承箱相对于转子的相对运动。换句话说，冷却压盖和轴承的直接连接或集成将安装和对准过程减少为单个步骤，而不是与单独地安装和对准冷却压盖相关联的多个步骤。因此，具有统一的冷却压盖和轴承的公开的实施例简化了初始对准和后面的对准保持。
在某些实施例中，通过安装结构使压盖与轴承箱热隔离。虽然安装结构可直接接触轴承箱，但是压盖本身可不与轴承箱直接接触。这种布置热隔离了相对于轴承中的油大体处于更高温度的转子冷却空气，从而防止了轴承箱中的油焦化。
图1是包括可采用本文提供的冷却压盖的燃气涡轮发动机12的示例性系统10的简图。在某些实施例中，系统10可包括航空器、船舶、机车、动力产生系统或者它们的组合。所示燃气涡轮发动机12包括进气段16、压缩机18、燃烧器段20、涡轮22和排气段24。涡轮22通过轴26以驱动的方式联接到压缩机18上，轴26沿着旋转轴线27旋转。
如由箭头所表明，空气可通过进气段16进入燃气涡轮发动机12，且流到压缩机18中，压缩机18在空气进入燃烧器段20中之前压缩空气。所示燃烧器段20包括在压缩机18和涡轮22之间围绕轴26同心地或环形地设置的燃烧器壳体28。来自压缩机18的压缩空气进入燃烧器30，其中压缩空气可在燃烧器30内与燃料混合和燃烧，以驱动涡轮22。
从燃烧器段20起，热的燃烧气体流过涡轮22，从而通过轴26驱动压缩机18。例如，燃烧气体可对涡轮22内的涡轮转子叶片施加原动力，以使轴26旋转。在流过涡轮22之后，热的燃烧气体可通过排气段24离开燃气涡轮发动机12。可通过安装到轴承箱36上的冷却压盖安装组件44将来自冷却流体供应47的冷却流体传送到涡轮发动机22的热的构件，组件44和轴承箱36是排气段24的一部分。在实施例中，冷却流体供应可为例如环境空气的外部供应。在其它实施例中，可从涡轮发动机的较冷的部分中抽取冷却流体。
如以上关于图1所描述的，空气可通过进气段16进入，且由压缩机18压缩，如图2所示。然后可将来自压缩机18的压缩空气引导到燃烧器段20中，其中压缩空气可与燃料气体混合。压缩空气和燃料气体的混合物大体在燃烧器段20内燃烧，以产生高温高压燃烧气体，可使用该高温高压燃烧气体在涡轮22内产生扭矩。因此，发动机的涡轮段22包括运动的零件和热气。该热气可被排出排气段24。包括轴26的运动的零件可构造成以便由轴承箱36支承且在该轴承箱36内旋转，轴承箱36可在排气框架内桶40内由支承件38联接到排气段24上。大体上，轴22可在该轴22的任何一端处由轴承箱支承。轴承箱36可具有轴可在其上旋转的弯曲结构。轴承箱36可包括润滑剂，以有利于轴的高效旋转。如在下面详细论述的，直接安装到轴承箱上的冷却压盖安装结构可允许冷却压盖为轴22和轴承箱提供冷却流体。
排气段24可组装成自涡轮段22延伸的排气定子。如图3中的截面图所示，排气段24可包括具有支承支柱39的外部排气框架38，支承支柱39穿过排气段24的流径。另外，排气段24可包括包围腔体42的内部壳桶40。包围转子轴26的转子轴承箱36可由支承件37联接到该内部壳桶上。轴承箱36可包围用以使润滑流体返回到箱内的转子轴承的各种通路。轴承箱36可由本文提供的安装结构联接到冷却压盖48上，冷却压盖48对箱36内的转子轴承提供冷却空气。
图4是轴承箱36的一个实施例的透视图，其中压盖安装组件44固定到后端上。压盖安装组件44包括安装结构46(此处显示为安装笼)和冷却压盖48。冷却压盖48由安装结构46的环件50支承，且保持与轴承箱36的通道49基本成直线。转子22(未显示)可自轴承箱22延伸，以在冷却压盖48内旋转。通道49可与旋转轴26的轴线基本成直线。安装结构46包括肋条52，肋条52使环件50和冷却压盖48偏置，以免它们直接接触轴承箱36。肋条52可为任何适当的大小和材料合成物，以便使冷却压盖48与轴承箱36基本热隔离。安装结构46还可包括可与通道49同心地对准的附连部分54，附连部分54在图4中显示为环件。因此，附连部分54可适当地大小设置和成形成使得附连部分54在轴承箱36的外部上的布置允许冷却压盖48和通道49同心地对准。
在某些实施例中，冷却压盖48和安装结构46可为可分开的构件，或者可为单个整体的构件。大体上，安装结构46可由能够支承冷却压盖48的负载的材料(例如铸造金属)构造成。安装结构46可包括适用于可将安装结构46固定到轴承箱36的外部上的紧固件(例如螺栓)的预钻孔。类似地，轴承箱36可包括对应的预钻孔，例如带螺纹螺栓插孔。预钻孔的存在可协助安装组件44的恰当对准。安装结构46还可具有对准特征，例如使该结构与压盖和/或轴承箱同心地组装的榫头或引导件。
安装结构46保持冷却压盖48与轴承箱热隔离，例如保持冷却压盖48沿着轴线27与轴承箱轴向地隔开。这种布置可提供降低从相对冷的轴承箱36到相对热的冷却压盖48的热传递的好处。换句话说，冷却压盖空气处于比轴承的某些部分(例如润滑油，如果暴露于较高温度，润滑油可能会燃烧掉或者变焦化)相对较高的温度处。例如，冷却压盖可将1000°F的蒸汽用作转子冷却剂，1000°F的蒸汽比使用油(通常可处于160°F或更低温度)的轴承箱热得多。另外，还可以以使得不直接接触排气段24的壳体的方式来保持冷却压盖48。与其中冷却压盖48可与轴承箱36直接接触的组件相比，安装结构46可使从冷却压盖48到轴承箱36的热传递降低至少约10％、至少约20％、至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％或至少约90％。另外，安装结构46可设计成以便使热传递最小。为此，安装结构46可包括相对薄的肋条52，以使从肋条52到轴承箱36的热传递最小。肋条52之间的切口空间53可相对较大，因为较大的切口空间53可进一步降低传递到轴承箱36的热量。在实施例中，沿着安装结构46的周边57的切口空间53的表面积与肋条52的表面积的比率可为至少约2∶1、至少约3∶1或至少约4∶1。在某些实施例中，肋条52还可在肋条自身内包括切口区域。
肋条52还可充当散热器，以消散来自冷却压盖48的热。在实施例中，肋条52可包括自肋条垂直地延伸的翅片或其它结构，以有利于传递来自冷却压盖48的热能。
图5是安装组件44的实施例的透视图，其中将垫片56应用到了安装结构46和轴承箱36之间，以便使冷却压盖48与通道49对准。使用垫片56来优化冷却压盖48的精确对准可简化对准过程。例如，冷却压盖48和安装结构46可以以大体与通道49对准的方式应用于轴承箱。可通过基本使环形附连部分54沿着轴旋转轴线27与通道49同心地或同轴地对准来实现这一点。在粗略对准之后，可通过将垫片56插入安装结构46和轴承箱36之间的空间中来修正任何未对准，以确保沿着通道49的轴线的轴向对准。在实施例中，不是使用可移除的垫片56，附连部分54可包括引导件(例如槽口或突片)或可与轴承箱36上的对应的结构匹配的其它结构。在匹配之后，可通过上紧、调松，或者以别的方式调节引导件来优化对准。应用于安装结构46和轴承箱36之间的垫片可改变轴承箱和冷却压盖之间的轴向距离。另外，轴承箱可通过自轴承箱36突出的垫耳58或夹条(gib)55来对准，以使轴承箱与定子支承件59对准，从而使得轴承与转子同心。可自轴承箱36突出的耳部58可垫在四侧中的任何一侧上，以便竖直或轴向地对准轴承箱。使压盖刚性地且同心地固定到轴承箱上可允许用垫片56进行简单的轴向调节。
图6是安装组件44的一个备选实施例的透视图，其中使用局部笼60来保持冷却压盖48与轴承箱36热隔离。局部笼60可包括用于将局部笼固定到轴承箱36上的附连部分54，附连部分54在此处显示为两个半环形结构64。肋条58可在半环形结构周围周向地隔开，以支承耳部62。耳部62可沿着旋转轴线27大体保持冷却压盖48与轴承箱36热隔离。局部笼60可降低传到冷却压盖48的热传递，因为耳部62没有完全包围冷却压盖48。
图7是示例性冷却压盖48的截面图。冷却压盖48可限定内部通道66，冷却流体可穿过该内部通道66。冷却压盖48还可包括任何适当数量的涡管68，以有利于将冷却流体传送到转子段22。涡管可与任何数量的冷却流体入口管(未显示)流体连通，以对转子提供冷却流体。冷却压盖48可以包括大小设置成及成形为以便容纳安装结构(例如安装结构46)的外表面72上的环形缺口或槽道70。管法兰74为包含转子冷却流体的源(例如管)提供附连点，该源(例如管)附连到压盖48上，使得冷却流体可通过路径80进入转子。冷却压盖可包括用于将压盖密封到轴22上的密封件76和78。过量的或泄漏的流体可被截留在腔体68中。另外，冷却压盖48可包括一个或多个，为转子提供额外的冷却回路是可行的。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且使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。本发明的可授予专利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。如果这样的其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种涡轮发动机(12)，包括：
具有沿着轴(26)的旋转轴线(27)的通道(49)的轴承箱(36)；
构造成以便将冷却流体传送到所述通道(49)的冷却压盖(48)；以及
构造成以便将所述冷却压盖(48)安装成与所述通道(49)基本成直线的安装结构(46)。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机(12)，其特征在于，所述安装结构(46)将所述冷却压盖(48)直接联接到所述转子轴承箱(36)上。
3.根据权利要求1所述的涡轮发动机(12)，其特征在于，所述涡轮发动机(12)包括在所述轴承箱(36)和所述安装结构(46)之间的一个或多个垫片(56)或引导件，所述一个或多个垫片(56)或引导件构造成以便使所述冷却压盖(48)与所述通道(49)对准。
4.根据权利要求1所述的涡轮发动机(12)，其特征在于，所述涡轮发动机(12)包括构造成以便对准所述轴承箱(36)的一个或多个榫头(54)。
5.根据权利要求1所述的涡轮发动机(12)，其特征在于，所述冷却压盖(48)与所述转子轴承箱(36)隔开。
6.根据权利要求1所述的涡轮发动机(12)，其特征在于，所述安装结构(46)和所述冷却压盖(48)可彼此分开。
7.根据权利要求1所述的涡轮发动机(12)，其特征在于，所述安装结构(46)和所述冷却压盖(48)彼此成整体。
8.根据权利要求1所述的涡轮发动机(12)，其特征在于，所述涡轮发动机(12)包括联接到所述轴承箱(36)和/或所述冷却压盖(48)上的压缩机(18)、燃烧器(30)、涡轮(22)或它们的组合。
9.一种系统，包括：
具有沿着轴(26)的旋转轴线(27)的通道(49)的用于转子的轴承箱(36)；以及
构造成以便将冷却流体传送到所述通道(49)的冷却压盖(48)，其中，所述冷却压盖(48)联接到所述轴承箱(36)上，并且其中，所述冷却压盖(48)沿着所述旋转轴线(27)以机械的方式与所述轴承箱(36)隔开。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述冷却压盖(48)以与所述通道(49)基本成直线的方式联接到所述转子轴承箱(36)上。
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