CN101900032B - 燃气涡轮发动机冷却系统和方法 - Google Patents

Abstract

供应至旋转流体圈闭(42)的燃料(12)在邻近转子(24)的第一侧(48)的第一空腔(46)内被以离心方式加速，然后被引导通过多个第一通道(66)，第一通道(66)延伸通过叶片(26)之间且接近叶片(26)的转子(24)，且成形为至少部分符合叶片(26)的形状。第二通道(100)在叶片(26)内从第一通道(66)延伸，并终止在接近叶片(26)的尖端(112)的相关空腔(110)内。第一通道(66)中的相对较冷燃料(12.2)与第二通道(100)中的相对较热燃料(12.3)以热虹吸的方式进行交换，以冷却叶片(26)。加热的燃料(12.3)流入邻近于转子(24)的第二侧(72)的第二空腔(74)内，并且被从参考旋转框架通过第二旋转流体圈闭(96)而直接排入燃烧室(16)内。分离的燃料分配回路(130)用于启动和预热。

Description

燃气涡轮发动机冷却系统和方法

分案申请

本申请是200580049591.0号申请(国际申请号PCT/US2005/013950)的分案申请。200580049591.0号申请的申请日为2005年4月25日，发明名称为“燃气涡轮发动机冷却系统和方法”。

附图说明

在附图中：

图1表示结合了冷却涡轮转子和其相关叶片的系统的燃气涡轮发动机的剖视图；

图2表示装有叶片的转子的一部分的等距视图和其相关的不连续的剖视图；

图3表示图1所示的燃气涡轮发动机的装有叶片的转子内的燃料压力和径向位置之间的关系的图表；

图4表示作为温度和压力的函数的燃料的密度和状态的图表；

图5表示装有叶片的转子的一部分和其中的相关热虹吸过程的剖视图；和

图6表示结合了冷却涡轮转子和其相关叶片的系统的另一实施例的燃气涡轮发动机的剖视图。

具体实施方式

参考图1，在燃气涡轮发动机10中，燃料12和空气14在燃烧室16中燃烧，产生相对较热的、较高压力的排出气体18.1，排出气体18.1被引导通过包括装有叶片的转子22的涡轮20，装有叶片的转子22例如在其周边包括结合了多个叶片26的转子24。涡轮20例如利用螺栓30、通过相关凸缘32而运转地联接至轴组件28，并且轴组件28通过为轴组件28和相对于其旋转的涡轮20而设置的一个或多个轴承35，从燃气涡轮发动机10的外壳34处被支撑。排出气体18.1对叶片26的作用使得涡轮20和轴组件28旋转，轴组件28例如运转地联接至设置用来将空气14泵入燃烧室16内的压缩机(未示出)。由于排出气体18.1对涡轮20所作的功，因此从涡轮20排出的排出气体18.2的压力相对低于位于其上游的排出气体18.1的压力。

在一些情况下，例如，当它作为涡轮喷气式发动机进行工作，从而以高马赫数推动高速飞行器时，供给到燃气涡轮发动机10的空气14相对较热，这有助于增加排出气体18.1的温度，且这对于另外足够地冷却涡轮20来说不够冷，从而使得相关叶片26的温度可能变得过高。在这些情况下，燃料12通常足够得冷，从而提供足够的冷却能力，以冷却燃气涡轮发动机10，尤其是冷却燃气涡轮发动机10的涡轮20，涡轮20否则可能容易受到热导致的失效，由此通过从燃料源36通过涡轮20的转子24和叶片26引导燃料12，以冷却涡轮20的转子24和叶片26，从而冷却燃气涡轮发动机10，然后在燃烧室16中燃烧通过冷却过程而被加热的燃料12。

例如，来自包括燃料箱和相关燃料泵的燃料源36的燃料12通过第一控制阀37而供应至相对于燃气涡轮发动机10的外壳34相对固定的孔口38。燃料12从孔口38排出至第一旋转流体圈闭42的进口40，该第一旋转流体圈闭42运转地联接至转子24，以便与之一起旋转。第一旋转流体圈闭42的出口44与第一空腔46的第一部分46.1流体连通，该第一空腔46由转子24的第一侧48的一部分和后盖50的第一边界面定界，其中第一个旋转流体圈闭42为后盖50的一部分。

第一旋转流体圈闭42包括为进口40和出口44之间的流体连通而设置的通道52，其中，根据美国专利No.4,870,825和No.6,269,647，以及美国申请No.10/249,967的教导(各文献以参考的方式结合于此)，通道52适合于当第一旋转流体圈闭42旋转时，通道52内的任一点处的离心加速度都大于进口40或出口44上的任一点处的离心加速度。因此，当旋转通道52充满了较高密度的介质，诸如液体燃料12.1时，进口40和出口44的径向水平在进口40和出口44之间不存在压力差时相等，否则将不相等，差量取决于压力差和旋转速度。对于相对较低压力的液体燃料12.1供给到在出口44处供给较高压力区域的通道52的进口40，通道52可阻止通过通道52的回流。因此，第一旋转流体圈闭42用于隔离开可能较高的、第一空腔46中的压力和可能较低的、位于通道52的进口40处的压力，从而在旋转进口40和相对固定的孔口38之间的旋转汇合处54上，将燃料12供应至第一旋转流体圈闭42的进口40，由此，由于在液体燃料12.1撞击内部沟槽56并与之一起旋转时，作用在液体燃料12.1上的离心加速度，因此从相对固定的孔口38喷出的液体燃料12.1变成由与第一旋转流体圈闭42的进口40相关的内部沟槽56所捕获。

后盖50包括与形成在转子24的第一侧48上的相应的第一唇缘62.1和第二唇缘62.2相接合的中间边缘58和外边缘60。外边缘60被密封至第二唇缘62.2上，以便阻止燃料12从其之间的连接处泄漏。中间边缘58包括用于第一空腔46的第一部分46.1和第二部分46.2之间的流体连通而设置的至少一个通道64。第一空腔46的第二部分46.2与延伸贯穿转子24的多个第一通道66流体连通。还参考图2，每个第一通道66在转子24的第一侧48上都具有第一开口68，并且在转子24的第二侧72上具有第二开口70，第一侧48和第二侧72彼此相对。

第一通道66与第二空腔74的第二部分74.2流体连通，第二空腔74由转子24的第二侧72的一部分和前盖76的第二边界面定界，其中前盖76包括与形成在转子24的第二侧72上的相应的第一唇缘82.1和第二唇缘82.2相接合的中间边缘78和外边缘80。外边缘80被密封至第二唇缘82.2上，以便阻止燃料12从其之间的连接处泄漏。中间边缘78包括用于第二空腔74的第二部分74.2和其第一部分74.1之间的流体连通而设置的至少一个通道84。第二空腔74的第一部分74.1经由通过轴88的至少一个通道90，与轴组件28的轴88的内部86流体连通，并且轴88的内部86经由通过轴88的至少一个其它通道94，与第一排出孔口92流体连通。第一排出孔口92与燃烧室16流体连通，从而使燃料12直接从旋转轴88排出至燃烧室16。第一排出孔口92是例如第二旋转流体圈闭96的一部分，第二旋转流体圈闭96用来隔离燃烧室16的相对较高压力与轴88的内部和第二空腔74的第一部分74.1的相对较低压力，由此第二旋转流体圈闭96的结构和工作的原理与上述第一旋转流体圈闭42的结构和工作的原理相同。

参考图2和5，第一通道66和相关的第一开口68和第二开口70在大小与形状上基本一致，且它们均匀分布，从而提供机械平衡的转子24。第一通道66的轴向形状98适合于至少部分地符合相关叶片26的轮廓。例如，在图2所示的实施例中，第一通道66具有人字形轴向形状98.1，至少部分符合叶片26的拱形。第一通道66的第一组通道66.1在相关圆周位置(基本上位于相关叶片26的相关圆周位置之间)处延伸贯穿转子24，并且第一通道66的第二组通道66.2在基本上与相关叶片26的相关圆周位置对齐的相关圆周位置处延伸贯穿转子24，由此第一通道66的第一组通道66.1和第二组通道66.2相对彼此交错。每个叶片26都包括在其内基本上径向延伸的多个第二通道100，每个第二通道100在其第一端102处和与之对齐的第二组通道66.2的相关第一通道66相交。例如，第二通道100沿其长度基本上是直线性的。如图2所示，特定的叶片26内的第二通道100的直径可适合于和与之接近的相关叶片厚度一致，以便在叶片26的外表面104和相关第二通道100的表面106之间提供充分的热传递，同时提供足够的叶片强度。第二通道100的远端侧的第二端108终止在接近叶片26的尖端112的第三空腔110中，其中第三空腔110提供相关叶片26内的第二通道100之间的流体连通。例如，第三空腔110由与第二通道100的第二端108分离开的端盖114形成，且该端盖114在其外围被固定至叶片26的边缘116。对于叶片26内的燃料12，叶片26相对于燃烧室16关闭，以便使得所有的燃料12都在叶片26的径向向内的位置处进入燃烧室12。

因此，燃气涡轮发动机10包括：可相对于燃气涡轮发动机10的外壳34旋转的可旋转部分118，其中可旋转部分118包括涡轮20/装有叶片的转子22，其包括转子24和叶片26；后盖50和相关的第一旋转流体圈闭42；前盖76；以及轴组件28/轴88和相关的第一排出孔口92/第二旋转流体圈闭96，所有这些都与参考旋转框架一致地旋转。在燃料12从相对固定的孔口38排出之后，燃料12被容纳在可旋转部分118内，直到燃料从参考旋转框架中的可旋转部分118的第一排出孔口92直接排出至燃烧室16内。因此，由于可旋转部分118的所有元件都与参考旋转框架一致地旋转，因此例如，在第一分界面50和第二分界面76的外缘60，80与转子24的第二唇缘62.2，82.2的汇合处，这些元件可根据需要而容易地彼此密封在一起，以将燃料12容纳于其中，否则，如果必需提供在元件的相对移动汇合处上的密封，以相互密封，这将是成问题的。

在燃气涡轮发动机10的工作时，由燃料源36提供的且由第一控制阀37调节的液体燃料12.1从相对固定的孔口38排出至第一旋转流体圈闭42的进口40的内部沟槽56内。由于作用在排出的液体燃料12.1上的离心加速度，因此所排出的液体燃料12.1由内部沟槽56捕获，液体燃料12.1在与内部沟槽56或容纳在其中的液体燃料12.1碰撞之后开始与可旋转部分118一起旋转。进入第一旋转流体圈闭42的进口40的液体燃料12.1在作用在容纳在第一旋转流体圈闭42之内的液体燃料12.1上的离心加速度力的作用下，泵送通过第一旋转流体圈闭42的相关通道52，离心加速度力的作用还隔离了第一旋转流体圈闭42的进口40处的相对较低压力和其出口44处的相对较高压力。燃料12在离开第一旋转流体圈闭42的出口44之后，燃料12径向向外加速，由此相比于相关燃料蒸汽的密度相对较大的液体燃料12.1倾向于跟随后盖50的内部。

在燃气涡轮发动机10的正常工作期间，涡轮20/装有叶片的转子22的最热部分是直接暴露于来自燃烧室16的较热排出气体18.1的叶片26。来自叶片26的热量被传递至转子24和相关的第一分界面50和第二分界面76，它用于加热邻近于转子24的第一侧48和第二侧72的相关的第一空腔46和第二空腔74中的任何燃料12。因此，转子24和邻近的后盖50的温度随着离叶片26的距离减小而增加，使得第一空腔46内的燃料12在其向外径向流动时被加热。此外，参考图3，作用在燃料12上的离心加速度随着第一空腔46内的径向距离增加而增加，这将增加其相关的压力。第一空腔46或第二空腔74中的燃料12通过粘性力而进行旋转，粘性力由于相对于相关的第一空腔46或第二空腔74中的液体或蒸汽起作用的转子24和后盖50的相对运动而产生，而第一通道66或第二通道100中的燃料12被强迫与转子24和叶片26一起旋转。因此，如图3所示，在粘性旋转的较前区域中，燃料压力以相对于径向距离比较后强迫区域中要低的速率增加，这是因为流动流内的滑移可发生在较前区域中而非较后区域中。参考图4，当燃料12在第一空腔46的第一部分46.1中加热时，燃料12从饱和液体转化为饱和蒸汽，如标记为“A”的点的轨迹所示，这也在图1中示出。当燃料12从第一空腔46的第一部分46.1流动至第一空腔46的第二部分46.1时，燃料12变得过热，且可呈现出如图1和4中的标记为“B”和“C”的点所示的状态的混合。

当燃料12通过第一开口68流入第一通道66时，燃料12进一步被加热和加压。第一通道66的第一组通道66.1中的燃料12从其中流过，从其第二开口70流出，然后流入第二空腔74的第二部分74.2，在此过程中，燃料12用于冷却位于叶片26之间的区域中的转子24的边缘120。参考图5，离心加速度场使第一通道66的第二组通道66.2中的相对较稠密的燃料12流入与之相交的第二通道100，第二通道100响应于热虹吸过程，排出在其内部的、已经变得更热且密度较低的燃料12，其中热虹吸过程在燃料12由于从叶片26传递的热量(冷却叶片26)而被加热时，由离心加速度场和密度上的减小所驱动。第二通道100内以及第一通道66和第二通道100之间的热虹吸流122引起较冷燃料12.2连续地交换较热燃料12.3，这也由图4和5中的点“D”“E”和“F”示出。较热燃料12.3最后流过第一通道66的第二组通道66.2的第二开口70，并流入第二空腔的第二部分74.2。第一通道66的第二组通道66.2用于使燃料12沿第一流动路径124直接地从第一开口68通过第二组66.2通到流动至第二开口70，这用于在相关叶片26的基部处冷却转子24；或者响应于热虹吸过程，在首先沿包括一个或多个第二通道100的第二流动路径126流动之后间接地流动，这用于冷却涡轮20的相关叶片26。

第二空腔74的第二部分74.1中的较低密度的加热的燃料12.3在由来自第一通道66的相对更稠密的、较少被加热的燃料12排出之后，流动通过通道84进入第二空腔74的第一部分74.1。随着燃料在第二空腔74中径向向内流动，燃料的压力减小，并且燃料12通过与较冷外界的热交换而被冷却，从过热蒸汽转化为饱和蒸汽，然后转化为饱和液体，如与在图1相似地标记的位置对应的、图4上的标记为“G”的点的轨迹所示。然后，燃料12流过通过轴88的通道90，流过轴88的内部86，流出通过轴88的第二通道，并通过为第二旋转流体圈闭96的一部分的第一排出孔口92而流入燃烧室16。

当涡轮20处于足以使燃料12蒸发的温度下时，有利地是使用上述冷却涡轮20的系统和方法，以便减轻与涡轮20的机械平衡的干涉，在上述系统和方法中，燃料12由第一燃料分配回路128，从燃料源36通过第一控制阀37而输送至转子24和叶片26。根据另一个方面，有利地是，利用第二燃料分配回路130，第二燃料分配回路130用于直接将燃料喷入燃烧室16内，而无需流过转子24和叶片26。参考图1，从燃料源36供给的液体燃料12.1由第二控制阀132调节，并且被输送至第二排出孔口134，第二排出孔口134例如是第三旋转流体圈闭136的一部分，第三旋转流体圈闭136例如运转地联接至轴88，其中燃料12从第二控制阀132通过轴88内部的独立的通道138供应。例如，第一控制阀37和第二控制阀130将被控制，使得在启动和预热状态期间，到达燃气涡轮发动机10的所有燃料12都由第二燃料分配回路130输送。在燃气涡轮发动机10预热之后，在一个实施例中，第二燃料分配回路130提供足够量的燃料12，以维持空转运行条件，并且响应于根据运行的要求，由第一控制阀38经由第一燃料分配回路128提供剩余的燃料12。在另一个实施例中，在燃气涡轮发动机10预热之后，所有的燃料12都可由第一燃料分配回路128输送。在又一个实施例中，采用第一燃料分配回路128和第二燃料分配回路130之间的燃料12的一些其它相对分配。

参考图6，根据另一个实施例，第一排出孔口92和相关的第二旋转流体圈闭96被结合在前盖76中，以便用于将燃料12从前盖76直接喷入燃烧室16内，而无需引入轴88作为相关的流动路径。

除用于冷却涡轮20的叶片26和转子24之外，第一燃料分配回路128还用于再生回收来自排气18.1的热量，以便提高运行效率，特别是对于固定应用而言。

虽然在上述详细说明中详细描述了具体实施例，并且在附图中示出了具体实施例，但是本领域的技术人员将理解的是，根据本公开内容的整体教导，可以对那些细节进行各种修改和替换。因此，所公开的具体布置仅仅是说明性的，并且对本发明的范围不具有限制性，本发明的范围由所附权利要求及其任何和所有的等同物的全部范围给出。

Claims (4)

1.一种用于冷却燃气涡轮发动机的方法，包括以下步骤：

a.使流体从所述燃气涡轮发动机的转子的第一侧沿至少一个第一流动路径流动至所述转子的第二侧；和

b.使所述流体在至少一个第二流动路径内进行热虹吸流动，其中所述至少一个第二流动路径与所述至少一个第一流动路径流体连通，所述至少一个第二流动路径与运转地联接至所述转子或者是所述转子的一部分的至少一个叶片热连通；并且所述至少一个第一流动路径适合于使得所述流体能够沿其流动，而不必需沿所述至少一个第二流动路径流动，并且所述至少一个第二流动路径在至少一个所述叶片内包括多个所述第二流动路径；和

c.使所述多个所述第二流动路径在所述第二流动路径的第二端附近彼此连通，第二端在与所述至少一个第一流动路径连通的第一端的远端侧。

2.一种用于冷却燃气涡轮发动机的方法，包括以下步骤：

a.使流体从所述燃气涡轮发动机的转子的第一侧沿至少一个第一流动路径流动至所述转子的第二侧，其中，所述至少一个第一流动路径包括多个第一流动路径；和

b.使所述流体在至少一个第二流动路径内进行热虹吸流动，其中所述至少一个第二流动路径与所述至少一个第一流动路径流体连通，所述至少一个第二流动路径与运转地联接至所述转子或者是所述转子的一部分的至少一个叶片热连通；并且所述至少一个第一流动路径适合于使得所述流体能够沿其流动，而不必需沿所述至少一个第二流动路径流动；并且所述多个第一流动路径中的至少一个不与所述至少一个第二流动路径流体连通，并且使所述流体从所述燃气涡轮发动机的转子的第一侧沿至少一个第一流动路径流动至所述转子的第二侧的操作使小于所述流体的全部的一部分流体流过不与所述至少一个第二流动路径流体连通的至少一个所述第一流动路径。

3.一种燃气涡轮发动机的装有叶片的转子，包括：

a.转子；

b.运转地联接至所述转子或者是所述转子的一部分的至少一个叶片；

c.在所述转子的第一侧上的至少一个第一开口；

d.在所述转子的第二侧上的至少一个第二开口，其中所述第二侧与所述第一侧相对；

e.至少一个第一通道，其中所述第一通道位于所述转子中，且使得至少一个所述第一开口和至少一个所述第二开口之间流体连通；和

f.至少一个第二通道，其中所述至少一个第二通道位于至少一个所述叶片中，所述至少一个所述第二通道的一端与至少一个所述第一通道流体连通，并且所述至少一个所述第二通道的另一端位于所述至少一个所述叶片内，所述至少一个第一通道适合于使得流体能够在所述至少一个所述第一开口和所述至少一个所述第二开口之间流动，而不必需在所述至少一个所述第二通道中流动，所述至少一个第二通道适合于将热量从所述至少一个所述叶片传递至位于所述至少一个第二通道中的流体，当所述转子运行时，所述至少一个第二通道适合于使所述流体在其内进行热虹吸流动，所述至少一个第二通道包括位于至少一个所述叶片内的多个第二通道，所述至少一个所述叶片包括与所述多个所述第二通道在所述多个第二通道的第二端处流体连通的空腔，所述多个第二通道的第一端运转地联接至所述至少一个第一通道，其中对于所述至少一个叶片，所述第二端为所述第一端的远端侧。

4.如权利要求3所述的燃气涡轮发动机的装有叶片的转子，其中，所述空腔接近所述至少一个所述叶片的尖端。

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