CN101915165A - 用于燃气涡轮发动机温度管理的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮发动机温度管理的方法和装置，具体而言，涡轮发动机具有用于向燃烧器输送压缩空气的压缩机。燃烧器经出口向涡轮输送热燃烧气体。涡轮包括喷嘴组件、下游涡轮叶片以及与涡轮转子叶片的径向远端相邻的护罩组件。喷嘴和护罩组件包括用于从压缩机接收压缩空气的内部冷却通道，以及穿过导叶和护罩的壁开口进入热气体通路以释放膜冷却空气的冷却空气孔口。孔口的数量、孔口面积和孔口图案与燃烧气体的周向温度轮廓相关地变化，且较大的孔口面积和/或数量较多的孔口处于高温区域中，而较小的孔口面积和/或数量较少的孔口处于低温区域中。

Description

用于燃气涡轮发动机温度管理的方法和装置

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管理。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中被加压并与燃料在燃烧器中混合以产生向下游流经一个或多个涡轮级的热燃烧气体。涡轮级包括具有定子导叶的静止涡轮喷嘴，定子导叶引导燃烧气体通过下游的一排涡轮转子叶片。叶片从通过从气体提取能量而被驱动的支承盘径向向外地延伸。

第一级涡轮喷嘴从燃烧器接收热燃烧气体，该热燃烧气体被引导至第一级涡轮转子叶片以从其提取能量。第二级涡轮喷嘴可设置在第一级涡轮转子叶片的下游，并且跟有一排从燃烧气体提取额外能量的第二级涡轮转子叶片。涡轮喷嘴和涡轮转子叶片的另外的级可设置在第二级涡轮转子叶片的下游。

随着能量从燃烧气体被提取，气体的温度相应地下降。然而，由于气体温度相对高，所以典型地通过使空气从压缩机转向经过中空导叶和叶片翼型件以及侧壁和护罩(shroud)来冷却涡轮级。由于冷却空气被转向而不为燃烧器所使用，所以提取的冷却空气的量对发动机的整体效率具有直接影响。因此希望提高利用冷却空气的效率来改善涡轮发动机的整体效率。

所需的冷却空气的量取决于燃烧气体的温度。由于燃烧气体温度直接影响燃气涡轮构件满足工作寿命要求的能力，所以对涡轮级的冷却空气需求必须有效以经受发动机的高温运行。

燃烧气体温度随着发动机的运行或运转条件而暂时地变化，并且还基于气体从燃烧器的出口排放的位置而周向地变化。在环管式燃烧系统中尤其存在大的周向温度变化，此处多个燃烧管的出口形成环形燃烧出口。燃烧气体的温度在各管出口的中心处达到峰值，而在管出口的侧面处的温度由于燃烧后框架泄漏而较低。这种空间温度变化典型地由在常规已知的燃烧器图案和轮廓系数代表。

因此，各涡轮级的静止构件特别设计成经受峰值燃烧气体温度。由于各排导叶翼型件、导叶侧壁和护罩的节段常彼此相似，所以冷却构造也相似。结果，冷却构造在单独的级所经历的峰值燃烧气体温度下有效地提供合适的冷却。基于燃烧器图案轮廓上的峰值温度冷却各导叶翼型件、导叶侧壁和护罩。这导致对位于燃烧器出口的较低温度区域下游的节段的过冷。过冷直接转变成低于希望的涡轮效率。

因此，希望提供一种具有改善的燃气涡轮机静止构件的冷却的燃气涡轮发动机。

发明内容

在本发明的一个实施例中，涡轮发动机包括涡轮、燃烧器以及用于向燃烧器输送压缩空气的压缩机。燃烧器燃烧燃料以及压缩空气，以通过出口向涡轮输送热燃烧气体。静止构件包括设置在具有由侧壁支承的导叶的涡轮中的喷嘴组件，用于将热燃烧气体引向下游涡轮叶片。导叶和侧壁中的冷却通道构造成从压缩机接收压缩空气，并且冷却空气孔口穿过导叶的外壁和侧壁开口以释放冷却空气。多个孔口在导叶和侧壁中具有与热燃烧气体的温度轮廓相关的孔分布，且较大的孔面积被放置在高温区域中而较小的孔面积被放置在低温区域中。

在本发明的另一实施例中，涡轮发动机包括涡轮、包括具有位于涡轮上游的周向隔开的环形燃烧器管出口的多个周向隔开的燃烧器的环管式燃烧系统，以及用于向燃烧器输送压缩空气的压缩机。燃烧器燃烧燃料以及压缩空气，以通过隔开的环形燃烧器管出口向涡轮输送热燃烧气体。静止构件在涡轮机中设置在隔开的环形燃烧器管出口的下游，并且具有构造成从压缩机接收压缩空气的冷却通道。冷却空气孔口穿过静止构件的外壁开口以释放冷却空气。多个孔口具有与离开隔开的环形燃烧器出口的热燃烧气体的温度轮廓相关的变化的孔面积，且较大的孔面积被放置在高温区域中而较小的孔面积被放置在低温区域中。

在本发明的又另一实施例中，公开了一种用于冷却从上游燃烧器接收热燃烧气体的涡轮的静止导叶、侧壁和护罩的方法。该方法包括将压缩的冷却空气从压缩机引导到穿过静止导叶、侧壁和护罩延伸的冷却空气通道中，并且经穿过静止导叶的外壁、侧壁和护罩开口的孔口释放冷却空气。孔口与热燃烧气体的温度轮廓相关地定位，且较大的孔面积位于高温区域中而较小的孔面积放置在低温区域中。

附图说明

在以下结合附图的详细描述中，更具体地描述了根据优选和示例性实施例的发明及其更多优点，在附图中：

图1是穿过根据本发明的一个实施例的示例性燃气涡轮发动机的一部分的轴向剖面图；

图2是穿过图1的燃气涡轮发动机的一部分的放大剖面图；

图3是沿着图1的线3-3截取的喷嘴环组件的视图，以阴影示出了上游燃烧管出口；

图4是离开单独的燃烧管后框架的燃烧气体的温度轮廓，示出了高温区域(“H”)、中温区域(“I”)和低温区域(“L”)；

图5是图3的喷嘴节段的放大图，示出了本发明的一个实施例的冷却特征；以及

图6是图3的喷嘴节段的放大图，示出了本发明的另一实施例的冷却特征。

部件列表

10燃气涡轮发动机；12多级轴流式压缩机；14周向隔开的燃烧器；15环形燃烧器管；16多级涡轮；18压缩空气；19冷却空气；20热燃烧气体；22翼型件；24翼型件；25翼型件；26翼型件；27翼型件；28翼型件；30外导叶侧壁；32外导叶侧壁；33喷嘴组件；34第一支承盘；35第一级护罩组件；36内侧壁和外侧壁；38内侧壁和外侧壁；40第二支承盘；41第二级喷嘴组件；42冷却孔或孔口；44燃烧器管出口；45第二级护罩组件；46冷却孔或孔口；48冷却孔或孔口；50内侧壁和外侧壁；52内侧壁和外侧壁；54第三支承盘；55第三级护罩组件；56第三级喷嘴组件；

具体实施方式

本发明一般地涉及燃气涡轮发动机，其中具有多个燃烧管的燃烧器系统将热气体排放到常规的涡轮发动机中。燃烧器后框架以及下游的涡轮喷嘴和护罩节段具有定制的冷却图案和冷却区域，该冷却图案和冷却区域与燃烧管的周向燃烧气体温度分布对齐。

图1和图2中示出了燃气涡轮发动机10的一部分。该发动机关于纵向或轴向中心线轴线轴对称，并且包括成串行流动连通的多级轴流式压缩机12、一系列周向隔开的燃烧器14和多级涡轮16。

在运行期间，来自压缩机12的压缩空气18流向燃烧器14，该燃烧器14运行以燃烧燃料以及压缩空气，从而产生热燃烧气体20。热燃烧气体20经环形燃烧器管15离开各燃烧器并经从其提取能量的多级涡轮16流向下游。

如图1和图2中所示，多级轴向涡轮16的示例可构造成具有轴向地设置的六排翼型件22、24、25、26、27、28的三个级，这三个级彼此成直序列，用于经其引导热燃烧气体20以从其提取能量。

翼型件22构造成第一级喷嘴导叶翼型件，这些翼型件彼此周向隔开并且在内导叶侧壁30与外导叶侧壁32之间径向延伸以限定喷嘴组件33。喷嘴组件33从燃烧器14的环形燃烧器管15接收热燃烧气体20。翼型件24从第一支承盘34的周边径向向外延伸，以终止相邻的第一级护罩组件35，并且构造成第一涡轮转子叶片，该第一涡轮转子叶片从第一级涡轮喷嘴33接收热燃烧气体20以旋转盘34，从而从热燃烧气体提取能量。

翼型件25构造成第二级喷嘴导叶翼型件，这些翼型件彼此周向隔开并且在内侧壁36与外侧壁38之间径向延伸以限定第二级喷嘴组件41。第二级喷嘴组件从第一级涡轮转子叶片24接收热燃烧气体20。翼型件26从第二支承盘40径向向外延伸以终止相邻的第二级护罩组件45，并且构造成用于从第二级喷嘴组件41直接接收燃烧气体以额外地从其提取能量的第二级涡轮转子叶片。

类似地，翼型件27构造成第三级喷嘴导叶翼型件，这些翼型件彼此周向隔开并且在内侧壁50与外侧壁52之间径向延伸以限定第三级喷嘴组件56。第三级喷嘴组件从第二级涡轮转子叶片26接收燃烧气体20。翼型件28从第三支承盘54径向向外延伸以终止相邻的第三级护罩组件55，并且构造成用于从第三级喷嘴组件56接收燃烧气体以额外地从其提取能量的第三级涡轮转子叶片。多级涡轮16中所采用的级数可取决于燃气涡轮发动机10的具体应用而变化。

由于涡轮翼型件在涡轮发动机运行期间暴露于热燃烧气体20，所以它们典型地被冷却。例如，翼型件是中空的并且可包括各种内部冷却特征。在一个示例性实施例中，一部分压缩空气18从压缩机12转向并被用作经若干翼型件引导以用于内部冷却的冷却空气19。

典型地，翼型件、侧壁和护罩组件被膜冷却。如图5和6所示，冷却孔或孔口42穿过翼型件和侧壁延伸以将冷却空气19排放到气体流路中。孔口42可构造成多排常规的膜冷却孔或后缘孔，并且可设置在各翼型件的任一侧壁或两个侧壁中。图中所示的孔口42为大致圆形，但应该理解的是，例如，也可使用其它截面诸如扩散形、椭圆形或槽形而不脱离本发明的范围。

冷却空气经不同的孔口42排放以在翼型件、侧壁和护罩的外表面上提供冷却空气膜，用于保护它们免受热燃烧气体20影响。此外，在运行期间，从环形燃烧器管15排放的燃烧气体20的空间温度分布可径向和周向地变化。

现参照图3、5和6所示的第一级喷嘴组件33，第一级喷嘴导叶翼型件22构造成将热燃烧气体20引导到下游的第一级涡轮翼型件24，翼型件24从热燃烧气体20提取能量。图4示出了热燃烧气体20的总相对温度的示例性轮廓或分布，该相对温度在各燃烧器管出口44上周向地变化。可使用三维(3D)数值计算来分析确定这种示例性温度分布。图4示出了从相对热的“H”至中间的“I”、至相对凉的“C”的燃烧气体的不同温度的等斜线。温差可超过1000℉。如图所示，将涡轮喷嘴导叶翼型件、侧壁和护罩组件保持在一定极限以下所需的冷却空气从压缩机12转向，并且因此对涡轮发动机10的效率具有直接影响。

在本发明的一个示例性实施例中，并且参照涡轮16的第一级的各种静止构件，设想基于离开燃烧器14的环形燃烧管15的燃烧气体20的周向温度轮廓或分布，冷却喷嘴组件33的喷嘴导叶翼型件22和侧壁30、32，并选择性地冷却第一级护罩组件35。再次参照图3，为了说明的目的，示出了喷嘴组件33，以及叠置在其上的燃烧器管15的环形阵列的六个周向隔开的燃烧器出口44的轮廓。各燃烧器出口44在第一级喷嘴组件33的给定周向跨度上输送热燃烧气体20。通过改变孔面积，诸如通过改变单独的第一级喷嘴导叶翼型件22、侧壁30、32以及护罩组件35中冷却孔42的数量、图案和/或尺寸，基于导叶相对于在上述类型的环管式燃烧系统的各燃烧器喷嘴出口44处的周向温度轮廓或分布的位置，可更有效地管理喷嘴组件33的冷却。如图5中所示，较大数量的冷却孔42形成在对应于图3的轮廓的高温“H”区段的喷嘴导叶翼型件、侧壁和护罩组件中，而较小数量的冷却孔42则被放置在中间“I”和凉的“C”区段中。

基于导叶翼型件、侧壁和护罩组件相对于在各燃烧器管15的燃烧器出口44处的周向温度轮廓或分布的位置在静止涡轮节段中选择性地分布冷却孔42的结果是，可降低跨喷嘴组件33的金属温差，形成相对均匀的温度。第一级喷嘴组件38的选择性冷却具有的好处是，由于减少了到喷嘴翼型件、侧壁和护罩的较凉区域的空气流量，所以减小了为了冷却目的而需要的来自压缩机12的旁通压缩空气18的体积。减少的冷却空气需求导致提高的燃气涡轮发动机10的整体效率。

在本发明的另一示例性实施例中，设想基于离开燃烧器14的燃烧器管15的热燃烧气体的温度轮廓或分布而选择性地冷却涡轮16的静止节段。如图6中所示，此处相似标号代表已经描述的相似构件，诸如通过改变单独的喷嘴导叶翼型件、侧壁和护罩组件中的冷却孔或孔口42的相对尺寸来改变孔口面积，基于构件相对于在各燃烧器管15的燃烧器出口44处的温度轮廓或分布的周向位置，可更有效地管理喷嘴组件33的冷却。冷却孔口42的相对直径在对应于图3的轮廓的高温“H”区段的喷嘴位置处扩大，而定位在中间“I”区中的中间冷却孔46和定位在凉的“C”区段中的小冷却孔48的直径则根据周向温度轮廓限定的特定冷却需要缩小。

基于导叶相对于在燃烧器管15的燃烧器出口14处的温度轮廓或分布的周向位置而选择性地改变静止涡轮节段的冷却孔或孔口42、46、48的直径的结果是，可降低跨喷嘴组件33的整体温差，形成相对均匀的喷嘴温度。选择性冷却具有的另外的好处是由于减少了到涡轮16的静止构件的较凉区域的冷却空气的流量而减小了来自压缩机12的所需压缩冷却空气18的体积。如上所述，更低的冷却空气需求导致提高的燃气涡轮发动机10的整体效率。

虽然已将本发明的示例性实施例描述成应用于多级涡轮的第一级喷嘴组件，但本发明的范围并不意图限于该单一应用。基于导叶相对于温度轮廓或分布的位置而通过改变冷却孔或孔口的面积来选择性地冷却燃气涡轮发动机翼型件的应用可应用于遍布各个涡轮级的静止构件。

此书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造并利用任何装置或系统并且执行任何所结合的方法。本发明可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它实例。如果此类其它实例没有不同于权利要求的文字语言所描述的结构元件，或者它们包括与权利要求的文字语言无实质性区别的等同结构元件，则认为此类其它实例包含在权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种涡轮发动机(10)，包括：

涡轮(16)；

燃烧器(14)；

压缩机(12)，其用于向所述燃烧器(14)输送压缩空气(18)，其中所述燃烧器(14)燃烧燃料与所述压缩空气(18)，以通过出口向所述涡轮(16)输送热燃烧气体(20)；

静止构件，其包括设置在具有由侧壁(30，32)支承的导叶(22)的所述涡轮(16)中的喷嘴组件(33)，用于将所述热燃烧气体(20)引向下游的涡轮叶片(24)；

所述导叶和侧壁中的冷却通道，其构造成从所述压缩机(12)接收压缩空气(18)；以及

冷却空气孔口(42)，其穿过所述导叶(22)的外壁和侧壁(30，32)开口，以释放所述冷却空气(19)，所述孔口(42)在所述导叶(22)和侧壁(30，32)中具有与所述热燃烧气体(20)的温度轮廓相关的孔口分布，且较大的孔口面积被放置在高温区域中，而较小的孔口面积被放置在低温区域中。

2.根据权利要求1所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述孔口面积通过改变所述孔口(42)的数量而改变。

3.根据权利要求1所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述孔口分布跨所述喷嘴组件(33)周向地变化。

4.根据权利要求1所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述静止构件包括邻近涡轮转子叶片(24)的径向远端设置的护罩组件(35)。

5.一种涡轮发动机(10)，包括：

涡轮(16)；

环管式燃烧系统(15)，其包括在所述涡轮(16)上游的具有周向隔开的环形燃烧器管出口(44)的多个周向隔开的燃烧器(14)；

压缩机(12)，其用于向所述燃烧器(14)输送压缩空气(18)，其中所述燃烧器(14)燃烧燃料与所述压缩空气(18)，以通过所述隔开的环形燃烧器管出口(44)向所述涡轮(16)输送热燃烧气体(20)；

静止构件，其在所述隔开的环形燃烧器管出口(44)下游设置在所述涡轮(16)中；

所述静止构件中的冷却通道，其构造成从所述压缩机(12)接收压缩空气(18)；以及

冷却空气孔口(42)，其穿过所述静止构件的外壁开口，以释放所述冷却空气(19)，所述孔口(42)具有与离开所述隔开的环形燃烧器出口(44)的所述热燃烧气体(20)的温度轮廓相关的变化的孔口面积，且较大的孔口面积被放置在高温区域中，而较小的孔口面积被放置在低温区域中。

6.根据权利要求5所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述静止构件包括具有由侧壁(30，32)支承的导叶(22)的喷嘴组件(33)。

7.根据权利要求5所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述静止构件包括邻近涡轮转子叶片(24)的径向远端设置的护罩组件(35)。

8.根据权利要求5所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述孔口面积通过改变所述孔口(42)的尺寸而改变。

9.根据权利要求5所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述孔口面积通过改变所述孔口(42)的数量而改变。

10.根据权利要求5所述的涡轮发动机(10)，其特征在于，所述孔口面积跨每个所述环形燃烧器管出口轮廓而周向地变化。

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