CN103375204A - 涡轮冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮冷却系统。具体而言，一种系统包括涡轮。该涡轮包括转子、定子和冷却插入件。转子包括多个涡轮叶片。定子围绕转子，并且包括围绕多个涡轮叶片的内壁、围绕内壁的外壁、以及在内壁和外壁之间的冷却室。冷却插入件延伸穿过外壁中的开口到冷却室中。插入件包括围绕轴线延伸的侧壁、横向于轴线的端壁、延伸穿过侧壁的一组横向端口、以及延伸穿过端壁的端部端口。冷却插入件配置为引导冷却流体穿过一组横向端口和端部端口到冷却室中。

Description

涡轮冷却系统

技术领域

本文所公开的主题涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言，涉及流控制装置，该流控制装置用于调节冷却流体到燃气涡轮发动机的构件的流。

背景技术

燃气涡轮发动机包括涡轮，该涡轮具有附连至中央转子的多个叶片。来自燃烧器的热燃烧气体流动通过这些叶片，引起转子旋转。最大限度地减少绕过叶片的气体的量可增加从气体流到涡轮转子的能量转移。在高温操作下，燃气涡轮发动机构件(尤其是气体通路中的旋转构件)可经历热膨胀、应力和磨损。这些构件可通过构件中和周围的冷却流体的流来冷却。可惜，由于涡轮构件中的温度变化，这些冷却流体的非均匀分布和因此非均匀冷却也可导致热应力。

发明内容

下面概述了在范围上与原始要求保护的发明相称的某些实施例。这些实施例并不意图限制要求保护的本发明的范围，而是，这些实施例仅意图提供本发明的可能形式的简要概述。事实上，本发明可涵盖可类似于或不同于下面阐述的实施例的多种形式。

在一个实施例中，一种系统包括涡轮。该涡轮包括转子、定子和涡轮冷却插入件。转子包括多个涡轮叶片。定子围绕转子并包括围绕多个涡轮叶片的内壁、围绕内壁的外壁、以及在内壁与外壁之间的冷却室。涡轮冷却插入件延伸穿过外壁中的开口到冷却室中。涡轮插入件包括围绕轴线延伸的侧壁、横向于轴线延伸的端壁、延伸穿过侧壁的一组横向端口以及延伸穿过端壁的端部端口。涡轮冷却插入件配置为引导冷却流体通过该组横向端口和端部端口到冷却室中。

在另一实施例中，一种系统包括涡轮冷却插入件。该冷却插入件包括围绕涡轮冷却插入件的轴线延伸的侧壁。侧壁包括延伸穿过该侧壁的一组横向端口。冷却插入件还包括横向于该冷却插入件的轴线延伸的端壁。端壁包括延伸穿过该端壁的一组端部端口。涡轮冷却插入件配置为引导冷却流体通过该组横向端口和该组端部端口到中空涡轮壳体的冷却室中。

在另一实施例中，一种方法包括将冷却流体接收到延伸至涡轮的中空涡轮壳体中的涡轮冷却插入件中。该方法包括将冷却流体通过涡轮冷却插入件中的多个端口分布到中空涡轮壳体的冷却室中。端口包括设置在涡轮冷却插入件的侧壁中的一组横向端口、以及设置在涡轮冷却插入件的端壁中的一组端部端口。

根据一方面，一种系统包括涡轮，其包括：转子，其包括多个涡轮叶片；定子，其围绕转子，其中，定子包括围绕多个涡轮叶片的内壁、围绕内壁的外壁、以及在内壁与外壁之间的第一冷却室；以及第一涡轮冷却插入件，其延伸穿过外壁中的第一开口到第一冷却室中，其中，第一涡轮冷却插入件包括围绕第一轴线延伸的第一侧壁、横向于第一轴线延伸的第一端壁、延伸穿过第一侧壁的第一组横向端口以及延伸穿过第一端壁的第一组端部端口，其中，第一涡轮冷却插入件配置为引导第一冷却流体通过第一组横向端口和第一组端部端口到第一冷却室中。

优选地，第一涡轮冷却插入件配置为引导第一冷却流体的第一部分通过第一组横向端口且第一冷却流体的第二部分通过第一组端部端口到第一冷却室中，并且第一部分大于第二部分。

优选地，第一冷却流体的第一部分相对于第二部分的比值大于或等于约2:1。

优选地，第一冷却流体的第一部分相对于第二部分的比值在约5:1和约15:1之间。

优选地，第一组横向端口中的每个横向端口具有第一宽度，第一组端部端口中的每个端部端口具有第二宽度，并且第一宽度大于第二宽度。

优选地，第一侧壁包括环形侧壁，第一端壁包括平坦端壁，第一组横向端口中的每个横向端口相对于第一轴线定向在径向方向上，并且第一组端部端口中的每个端部端口相对于第一轴线定向在轴向方向上。

优选地，第一端壁包括弯曲的端壁。

优选地，第一组端部端口包括相对于第一轴线具有不同角度的多个不同地成角度的端部端口。

优选地，该系统包括联接至第一涡轮冷却插入件的空气冷却供给。

优选地，该系统包括第二涡轮冷却插入件，其延伸穿过外壁中的第二开口到第二冷却室中，其中，第二涡轮冷却插入件包括围绕第二轴线延伸的第二侧壁、横向于第二轴线延伸的第二端壁、延伸穿过第二侧壁的第二组横向端口以及延伸穿过第二端壁的第二组端部端口，其中，第二涡轮冷却插入件配置为引导第二冷却流体通过第二组横向端口和第二组端部端口到第二冷却室中。

优选地，第一和第二涡轮冷却插入件设置在涡轮的不同级中。

优选地，第一和第二涡轮冷却插入件设置在涡轮的共同级中。

优选地，该系统包括第一流体管道和第二流体管道，第一流体管道配置为将第一冷却流体供给至第一涡轮冷却插入件，第二流体管道配置为将第二冷却流体供给至第二涡轮冷却插入件。

优选地，该系统包括具有涡轮的涡轮系统，涡轮联接至压缩机、燃烧器、发电机或其组合中的至少一个。

根据另一方面，一种系统，包括涡轮冷却插入件，其包括：侧壁，其围绕涡轮冷却插入件的轴线延伸，其中，侧壁包括延伸穿过侧壁的一组横向端口；端壁，其横向于轴线延伸，其中，端壁包括延伸穿过端壁的一组端部端口，其中，涡轮冷却插入件配置为引导冷却流体通过一组横向端口和一组端部端口到中空涡轮壳体的冷却室中。

优选地，该系统包括具有涡轮冷却插入件的燃气涡轮发动机。

优选地，涡轮冷却插入件配置为引导冷却流体的第一部分通过一组横向端口且冷却流体的第二部分通过一组端部端口到冷却室中，并且第一部分大于第二部分。

优选地，第一冷却流体的第一部分相对于第二部分的比值在约2:1和约20:1之间。

根据又一方面，一种方法包括：将冷却流体接收到延伸至涡轮的中空涡轮壳体中的涡轮冷却插入件中；将冷却流体通过涡轮冷却插入件中的多个端口分布到中空涡轮壳体的冷却室中，其中，多个端口包括设置在涡轮冷却插入件的侧壁中的一组横向端口，并且多个端口包括设置在涡轮冷却插入件的端壁中的一组端部端口。

优选地，分布冷却流体包括：引导冷却流体的第一部分通过一组横向端口；和  引导冷却流体的第二部分通过一组端部端口，其中，第一部分大于第二部分。

附图说明

当参考附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其它的特征、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中类似的标号表示类似的部件，其中：

图1是涡轮系统的实施例的框图，该涡轮系统配备有一个或多个冷却插入件以改善冷却剂(例如冷却空气)的分布；

图2是如图1中所示的涡轮部段的实施例的局部截面侧视图，示出了冷却插入件；

图3是在图2的线3-3内得到的涡轮部段的实施例的局部截面图，示出了冷却插入件；

图4是冷却插入件的实施例的透视图；

图5是带有成角度的端部端口的冷却插入件的实施例的局部截面侧视图；以及

图6是带有弯曲的端壁的冷却插入件的实施例的局部截面侧视图。

附图标记：

2       轴向方向

3       纵向方向

4       径向方向

6       周向方向

10     涡轮系统

12     燃料喷嘴

14     燃料供给

16     燃烧器

17     箭头

18     叶片

20     涡轮

21     涡轮级

22     轴

24     压缩机

26     负载

28     空气供给

30     进气口

32     叶片

33     箭头

34     排气口

35     流体管道

36     冷却空气供给

37     穿孔部分

38     冷却插入件

39     冷却端口

40     冷却室

42     控制器

44     节流阀

46     反馈信号

47     传感器

48     第一冷却室

49     第二冷却室

52     第一级喷嘴

54     第一级叶片

56     转子

58     第二级喷嘴

60     第二级叶片

62     第三级喷嘴

64     第三级叶片

66     壳体

68     内壁

70     外壁

72     冷却流体管道

74     开口

76     紧固件

77     径向深度

78     冷却流体流

79     径向距离

80     轴线

82     侧壁

84     端壁

86     安装端部

87     轴线

88     横向端口

89     直径

90     端部端口

91     直径

92     插入深度

93     轴线

94     流通路

95     内径

96     流通路

98     区域

100   轴向方向

102   径向方向

104   周向方向

105   中央区域

106   孔

108   中央端部端口

110   第一组

112   第二组

120   弯曲端壁

122   轴线

124   横向端口

126   轴线

128   横向端口。

具体实施方式

下面将描述本发明的一个或多个具体实施例。为了提供对这些实施例的简要描述，可能未在说明书中描述实际实施方案的所有特征。应当理解，在任何这种实际实施方案的开发中，如在任何工程或设计项目中，可做出许多针对实施方案的决定以实现开发者的特定目标，例如符合系统相关和商业相关的约束，这些约束可随实施方案而变化。此外，应当理解，这种开发努力可能是复杂且耗时的，但对受益于本公开的普通技术人员而言却将是设计、生产和制造的例行任务。

当介绍本发明的各个实施例的元件时，用词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表示存在一个或多个该元件。用语“包含”、“包括”和“具有”意图为包含性的，并且意味着可存在除了所列元件之外的额外元件。

所公开的实施例包括冷却插入件以用于计量供应并扩散冷却剂(例如冷却流体)的内部流到燃气涡轮发动机的构件。在操作期间，涡轮发动机产生热燃烧气体，其被引导通过发动机的部件。在发动机效率方面，期望阻止这些燃烧气体的泄漏并传送气体通过一个或多个涡轮级以产生动力。因此，发动机的定子构件可被设计成承受较高温度。然而，即使带有耐温度的壳体和其它定子构件，可能有利的是，策略性地引导冷却流体到发动机的某些构件以维持期望的操作温度。所公开的冷却插入件配置为使冷却剂(例如压缩空气流)分布在多个方向(例如轴向、径向和周向)上以增加冷却涡轮构件的均匀性。所公开的冷却插入件可包括多个端口，例如大约2至1000个、10至500个、或者20至100个端口，以便以在涡轮部段中维持更均匀温度分布的方式计量供应、扩散和引导冷却剂。

发动机的定子构件可沿轴向方向分段组装(例如节段沿着发动机的旋转轴的轴线接连地组装)和/或沿周向方向分段组装(例如节段组装成基本围绕轴或其它机械构件)。在任一示例中，节段可组装为以包封旋转和/或可移动构件为目标。此外，节段可围绕旋转构件，其相对于定子构件对准以保持期望的最小间隙以提高效率。所公开的冷却插入件帮助在冷却定子构件时提高均匀性，从而帮助更均匀地控制定子构件围绕旋转和/或可移动构件的热膨胀(和间隙)。

现在转到附图且首先参考图1，示出了涡轮系统10(例如燃气涡轮发动机)的实施例的框图，该涡轮系统10配备有一个或多个冷却插入件38以改善冷却剂(例如冷却空气)的分布。如前面论述的，冷却插入件38配置为使冷却剂分布在多个方向上，以在冷却涡轮构件时增加均匀性。在下面的论述中，可进行如下参考：相对于纵向轴线3的轴向方向或轴线2，远离轴线3的径向方向或轴线4，以及围绕轴线3的周向方向6。如图所示，涡轮系统包括燃料喷嘴12、燃料供给14和燃烧器16。燃料供给14传送液体燃料或气体燃料(例如天然气)至涡轮系统10，通过燃料喷嘴12到燃烧器16中。在与加压空气混合之后(如由箭头17所示)，在燃烧器16中发生点火，并且所得到的排出气体引起涡轮20(例如一个或多个涡轮级21)内的叶片18旋转。涡轮20中的叶片18与轴22之间的联接引起轴22的旋转，轴22还联接至整个涡轮系统10的若干构件。例如，所示的轴22传动地联接至压缩机24和负载26。如所理解的，负载26可为可经由涡轮系统10的旋转输出产生动力的任何合适装置，例如发电机或交通工具。

空气供给28可经由管道传送空气至进气口30，进气口30然后传送空气到压缩机24中。压缩机24包括传动地联接至轴22的多个叶片32，从而压缩来自进气口30的空气并将其传送至燃料喷嘴12和燃烧器16，如由箭头33所示。燃料喷嘴12然后可使加压空气和燃料以最佳比值混合以用于燃烧，如由标号17所示，例如使燃料更完全燃烧以便不浪费燃料或导致过量排放的燃烧。在通过涡轮20之后，热排出气体在排气口34处离开系统。涡轮系统10包括多个构件(例如轴22)，其在系统10的操作期间相对于其它静止的构件移动和/或旋转。

涡轮系统10可包括用以冷却涡轮20的内部的系统。如图所示，来自压缩机24(或另一单独源)的空气的一部分通过流体管道35(例如抽气管)被传送至冷却空气供给36。如图所示，空气被传送通过布置在压缩机24的不同级处的三个流体管道35。在其它实施例中，空气可被传送通过1、2、3、4、5个或更多流体管道35。压缩机24的各级中的空气可具有不同的温度和/或压力，并且可能需要使用带有不同热力学性质的空气来冷却涡轮20。在某些实施例中，供给36可包括换热器(例如冷却器)，以冷却用于在冷却涡轮20时使用的空气。来自冷却空气供给36的空气被传送通过一个或多个涡轮冷却插入件38到一个或多个涡轮腔(例如冷却室40)中。每个冷却插入件38包括带有多个冷却端口39的穿孔部分37(例如穿孔端部)。空气冷却涡轮内部，并且通过一个或多个出口离开冷却室40。例如，冷却空气可离开并与通过排气口34离开的排出气体结合。

在某些实施例中，冷却室40位于涡轮级21处，并且这些涡轮级21可具有4个冷却室40。一些涡轮级21可不具有冷却室40，而其它涡轮级21可具有1、2、3、4、5或6个或者更多冷却室40。因此，每涡轮级21的冷却室40的数量可不同。各冷却室40具有至少一个涡轮冷却插入件38。如下面所论述的，冷却插入件38配置为计量供应、扩散和/或分布冷却空气到冷却室40中，以提高涡轮20的冷却的均匀性。例如，各插入件38可包括定向在各个方向上的多个冷却端口39，以便以在涡轮20中提供更均匀温度分布的方式控制冷却空气流。因此，可将来自冷却空气供给36的空气供应至冷却涡轮20的不同级21的多个插入件38。另外，可将空气供应至冷却涡轮20的共同级21的多个插入件38。此外，可将空气供应至将涡轮20的级21的共同冷却室40冷却的多个插入件38。根据某些实施例，冷却流体可从冷却空气供给36连续地流来以连续地冷却涡轮20。

可通过插入件38和/或其它流控制装置完全调节涡轮20的冷却。如可理解的，插入件38具有可流经它们的最大流率，并且涡轮系统10的某些实施例可能期望该最大流率在涡轮系统10操作时连续地进入冷却室40。然而，涡轮系统10还可包括控制器42以调节被传送至冷却室40的冷却空气的量。控制器42可基于来自一个或多个传感器47的反馈信号46而将阀44节流，以增加或减少用于冷却涡轮20的冷却空气的流。例如，如果第一冷却室48过冷且第二冷却室49欠缺冷却空气，则控制器42可调整阀44，使得过冷的冷却室48接收较少冷却空气且欠缺的冷却室49接收较多冷却空气。因此，使用所公开的冷却插入件38，可减少跨涡轮20的温度梯度。传感器47可测量冷却室40的温度，或者取决于调整阀44的一些其它变量。

图2是涡轮20的部段的实施例的局部截面侧视图，示出了冷却插入件38。如前面所述的，冷却插入件38配置为在各个方向上计量供应、扩散和/或分布冷却空气到冷却室40中，以提高涡轮20的冷却的均匀性。如图2中所示，来自燃烧器16的热气体在轴向方向6上流到涡轮20中。在本实施例中示出的涡轮20包括三个涡轮级21。涡轮20的其它实施例可包括更多或更少的涡轮级21。例如，涡轮可包括1、2、3、4、5、6个或更多涡轮级21。各涡轮级21包括多个喷嘴(例如静止叶片)和多个旋转动叶或叶片18。第一涡轮级21包括围绕涡轮20的轴线3在周向方向6上大致等距间隔开的喷嘴52和叶片54。第一级喷嘴52被刚性地安装至涡轮20，并且配置为朝叶片54引导燃烧气体。第一级叶片54被安装至转子56，该转子56在燃烧气体流经叶片54时旋转。转子56继而联接至轴22，该轴22驱动压缩机24和负载26(参见图1)。燃烧气体然后流经第二级喷嘴58和第二级叶片60。第二级叶片60也联接至转子56。最后，燃烧气体流经第三级喷嘴62和叶片64。在其它实施例中，涡轮20的涡轮级21的数量可变化(例如大约1至20个、2至10个或者3至5个涡轮级21)。当燃烧气体流经各级时，来自燃烧气体的能量被转换为转子56的旋转能。在经过各涡轮级21之后，燃烧气体在轴向方向2和/或径向方向4上离开涡轮20。

包括叶片54、60和64的转子56被定子构件围绕，定子构件包括中空的涡轮壳体66。壳体66包括围绕叶片54、60和64的内壁68以及围绕内壁68的外壁70。冷却室40被容纳在外壁70与内壁68之间的壳体66内。壳体66可由能够承受高温的材料制成。冷却流体管道72将冷却流体从冷却空气供给36(图1)通过外壁70中的开口74输送至冷却室40。插入件38联接至管道72和外壁70，并且插入件38延伸穿过开口74到室40中。可利用紧固件76将插入件38联接至管道72和外表面70。例如，可利用螺栓、焊接、钎焊或另一合适附连机构将插入件38联接至管道72。冷却流体从管道72流到插入件38中，并且插入件38遍及整个冷却室40分布冷却流体。流向箭头78示出了冷却流体在填充冷却室40时的可能通路。冷却流体可通过出口离开冷却室40，该出口可将经加热的冷却流体传送到涡轮排气34中。如图所示，插入件38沿径向4延伸穿过外壁70，并且部分地突出到室40中。同样，各室40可具有大约1至100个插入件38，以遍及整个室40计量供应、扩散和分布冷却流体流78。各插入件38包括穿孔端部37，其带有定向在各个方向(例如轴向2、径向4和/或周向6)上的多个冷却孔39，以确保冷却流体流至室40中的各个热点和/或关键区域。冷却端口39还可具有多种尺寸以控制冷却流体流到室40中的分布和速度。如进一步示出的，插入件38可远离外壁70延伸到室40中到径向深度77，从而使冷却端口39定向在更合适的位置以加强冷却。在某些实施例中，径向深度77可为内壁68与外壁70之间的径向距离79的大约0%至95%、1%至75%、2%至50%、3%至25%或4%至15%。下面进一步详细地论述插入件38的具体细节。

图3是在图2的线3-3内得到的涡轮20的实施例的局部截面图，示出了冷却插入件38。插入件38延伸穿过外壁70中的开口74并进入冷却室40中。插入件38围绕轴线80定向，轴线80横向于外壁70。插入件38包括围绕轴线80延伸的侧壁82(例如中空环形壁)、横向于轴线80延伸的端壁84以及安装端部或凸缘86。安装端部86配置为经由焊接接头、钎焊接头、螺栓或其它紧固件与涡轮壳体66的外壁70安装在一起。如上面所论述的，插入件38包括带有多个冷却端口39的穿孔部分37。在所示实施例中，穿孔部分37在侧壁82和端壁84中均包括端口39。一组横向端口39、88延伸穿过侧壁82。各横向端口88具有轴线87和宽度或直径89。一组端部端口90延伸穿过端壁84。各端部端口90具有宽度或直径91和轴线93。

根据某些实施例，各端口39(例如88、90)的直径89、91和轴线87、93可不同，以实现冷却流体在冷却冷却室40中的受控和/或均匀的分布。例如，横向端口88的直径89与端部端口90的直径91的比值可大于或等于大约20:1、15:1、10:1、5:1，4:1、3:1、2:1或1:1。备选地，端部端口90的直径91与横向端口88的直径89的比值可大于或等于大约20:1、15:1、10:1、5:1、4:1、3:1、2:1或1:1。换言之，直径89可以以某系数大于直径91，反之亦然。此外，直径89、91的大小可相对于插入件38的内径95而言。例如，横向端口88的直径89与插入件38的内径95的比值可小于或等于大约1:20、1:15、1:10、1:5或1:2。类似地，端部端口90的直径91与插入件38的内径95的比值可小于或等于大约1:20、1:15、1:10、1:5或1:2 。换言之，端口88、90的直径89、91可以以某系数小于插入件38的直径95。

如图3中所示，横向端口88的轴线87垂直于冷却插入件38的轴线80。另外，端部端口90的轴线93平行于冷却插入件38的轴线80。在其它实施例中且如图5和图6中进一步示出的，端口88、90的轴线87、93可与冷却插入件38的轴线80成不同角度。例如，轴线87、93与轴线80形成的角度可为大约0至90度、10至80度、20至70度、30至60度或者40至50度。如可理解的，轴线87、93与轴线80形成的各个角度可影响冷却流体在冷却室40中的分布。另外，各端口39(例如88、90)的形状可不同。例如，端口39可具有圆形、方形、圆锥形或另一合适形状。因此，各端口39(例如88、90)的期望的直径、轴线定向以及形状可变化。由于涡轮20内的各冷却室40可具有不同的形状，因而各插入件38可具有不同的设计以适应冷却室40。插入件38具有沿径向4到涡轮壳体66中的插入深度92，其控制如上面所论述的径向深度77。在某些实施例中，插入深度92(和径向深度77)可变化，以允许冷却流体渗透到冷却室40中的不同程度。类似地，横向端口88可在侧壁82上沿轴线80位于不同轴向位置处，以实现冷却流体到冷却室40中的不同分布。

冷却流体(例如压缩空气)进入开口74并沿轴线80流动通过插入件38，如由冷却流通路78指示的。当冷却流体流78到达穿孔部分37时，插入件38引导冷却流体流78的一部分沿着流通路78、94通过端部端口39、90到冷却室40中。插入件38引导冷却流体流78的另一部分沿着流通路96通过横向端口39、88到冷却室40中。通过横向端口88的冷却流体流78相对于通过端部端口90的流体流的LF:EF比值(即，横向流(LF)与轴向流(EF)的比值)影响冷却室40中流体的分布。如前面所论述的，在某些实施例中，插入件38具有大于约1:1的LF:EF比值(例如，流过横向端口88的流体的部分大于流过端部端口90的流体的部分)。在一些实施例中，冷却插入件38的LF:EF比值大于约3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1或10:1，或者在约2:1至20:1、5:1至15:1或8:1至12:1之间。然而，可基于针对特定室40的各种冷却目标来调整LF:EF比值。

横向端口88和端部端口90使得插入件38能够以受控的方式将冷却流体流78计量供应、扩散和分布到室40中。此外，当不利用外壁70中的插入件38供应冷却流体通过多个分立开口74时，冷却流体可在没有插入件38的情况下以不同的速率进入各冷却室40。某些室40可欠缺冷却流体而其它室40过冷。插入件38的穿孔部分37(例如多个冷却孔39)帮助减少冷却室40之间的冷却流体流78的变化。某些实施例可使用带有不同直径、轴线定向和/或形状的端口39(例如88，90)的多个插入件38，以便以其它方式控制冷却流78(例如根据需要更多的流或更少的流)。

另外，插入件38通过迫使冷却流体流78分成多个方向(例如，部分通过横向端口88且部分通过端部端口90)而改善冷却室40内冷却流体流78的分布。在没有横向端口88的情况下，区域98可接受很少冷却，因为通过端部端口90离开的冷却流体优选地朝内壁68继续流动。因此，插入件38为冷却室40内的冷却流体提供改进的扩散和分布，从而提供涡轮壳体66的更均匀和受控的冷却。插入件38可采用现有的涡轮系统10以通过将插入件38改装到外壁70中的各开口74中而达到上述特征。

图4是冷却插入件38的实施例的透视图。如图所示，插入件38具有由侧壁82(例如环形侧壁)、端壁84(例如平坦端壁)和安装端部86限定的环形形状。参考插入件38的轴线80，插入件38的形状和构造可参考轴向方向100、径向方向102和周向方向104来描述。侧壁82绕轴线80沿周向104设置，而端壁84横向或径向102于(例如垂直于)轴线80延伸。根据其它实施例，插入件38可具有圆锥形的管状形状、多面体管状形状、方形或矩形管状形状或者适合于将冷却流体输送至冷却室40的任何其它形状。如图所示，冷却端口39具有圆形形状，但端口39可成形为椭圆、方形、三角形、人字形、X、T、V、I或其任何组合。横向端口88相对于轴线80定向在径向方向102上，而端部端口90相对于轴线80定向在轴向方向100上。因此，横向端口88和端部端口90可相对于轴线80以不同角度定向。如前面所论述的，横向端口88相对于轴线80所形成的角度可为大约0至90度、10至80度、20至70度、30至60度或40至50度。类似地，端部端口90相对于轴线80所形成的角度可为大约0至90度、10至80度、20至70度、30至60度或40至50度。横向端口88相对于轴线80所形成的角度可与端部端口90相对于轴线80所形成的角度相同或不同。

如图所示，横向端口88的直径89大于端部端口90的直径91。如前面所论述的，横向端口88的直径89与端部端口90的直径91的比值可大于或等于约20:1、15:1、10:1、5:1、4:1、3:1、2:1或1:1。此外，端口39可包括任意数量的横向端口88(例如1至50个)和端部端口90(例如1至100个)。例如，插入件38可包括大约5至50个、10至40个或20至30个横向端口88，以及大约1至200个、25至100个或50至75个端部端口90。如图所示，横向端口88沿轴线80共用侧壁82上的共同轴向100位置。然而，横向端口88可在侧壁82上以不同的布置放置，使得端口88沿轴线80占据侧壁82上的一个或多个不同的轴向100位置(例如2、3、4、5个或更多)。端部端口90围绕端壁84的中央区域105设置。然而，端部端口90也可绕端壁84的圆周设置、绕端壁84随机分布或者呈现另一合适布置，以用于相对于轴线80沿轴向100方向引导冷却流体。如图所示，安装端部86包括周向间隔开的孔106以接纳紧固件76，以用于将插入件38安装至外壁70。如前面论述的，在一些实施例中，管道62、插入件38和外壁70可利用一个或多个焊接接头、钎焊接头或其它紧固机构联接。

图5是带有成角度的端部端口90的冷却插入件38的实施例的局部截面侧视图。插入件38具有绕轴线80沿周向104延伸的侧壁82、以及横向或径向于102(例如垂直于)轴线80延伸的端壁84。横向端口88沿径向102延伸穿过侧壁82，而端部端口90相对于轴线80以不同角度延伸穿过端壁84。成角度的端部端口90可使得冷却流体流78能够更均匀地填充冷却室40。冷却流体进入插入件38并沿通路78流动。冷却流体流78的一部分顺着通路96并通过横向端口88离开插入件38。冷却流体流78的另一部分顺着通路94并通过成角度的端部端口90离开插入件38。

在所示实施例中，横向端口88的轴线87横向于(例如垂直于)插入件38的轴线80，而端部端口90的轴线93平行于轴线80和/或相对于轴线80成角度。如前面所论述的，横向端口88的轴线87可相对于轴线80成以下角度：在大约30至90度之间，或者大约30、45、60或90度。还例如，端部端口90的轴线93可相对于轴线80成以下角度：在大约0至75度、10至60度、20至50度、30至40度之间，或者大约45度。在一些实施例中，各端口90的轴线93可相对于轴线80具有共同角度(例如15、30、45、60、75或90度)。在其它实施例中，如图所示，各端口90的轴线93可相对于轴线80可变地成角度，使得该角度随着离轴线80的径向102距离逐渐变化(例如增加或减少)。如图所示，中央端部端口90(例如108)可平行于轴线80，第一组环绕的端部端口90(例如110)可相对于轴线80以第一角度成角度，并且第二组环绕的端部端口90(例如112)可相对于轴线80以第二角度成角度。例如，第一角度可为大约10至30度，并且第二角度可为大约40至60度。如所理解的，任何数量的端部端口90可沿端壁84逐渐改变角度(例如1至20个角度)。横向端口80和端部端口90的角度可被选择为改善冷却流体流78在室40中的扩散或分布。在一些实施例中，端口39可关于轴线80成角度以赋予涡旋流。例如，成角度的端部端口90可成角度以赋予涡旋运动至冷却流体流78。另外，横向端口88和端部端口90可在相同或不同的方向上赋予涡旋运动。例如，横向端口88可赋予顺时针方向的涡旋运动，而端部端口90可赋予逆时针方向的涡旋运动，反之亦然。

图6是带有弯曲的端壁120的冷却插入件38的实施例的局部截面侧视图。插入38件具有绕轴线80沿周向104延伸的侧壁82、以及横向于轴线80延伸的端壁84。如图所示，弯曲的端壁120是凸形的。然而，弯曲的端壁120可为凹形的、半球形的、二次曲面或者用以将冷却流体输送至冷却室40的任何合适的弯曲形状。横向端口88沿径向102延伸穿过侧壁82，并且端部端口90相对于轴线80以各个角度延伸穿过弯曲的端壁120。端部端口90可正交于弯曲的端壁120、平行于轴线80、相对于轴线80成角度、或者以其它合适的定向布置。如前面论述的，横向端口88的轴线87可相对于轴线80成以下角度：在大约30至90度之间，或者大约30、45、60或90度。如图所示，横向端口88、124的轴线87、122相对于轴线80成大约90度的角度。另外，横向端口88、128的轴线87、126相对于轴线80成大约45、60或75的角度。因此，横向端口88(124和128)可彼此不同地成角度，以控制到室40中的冷却空气的分布。还例如，端部端口90的轴线93可相对于轴线80成以下角度：在大约0至75度、10至60度、20至50度、30至40度之间，或者大约45度。在一些实施例中，各端口90的轴线93可相对于轴线80具有共同角度(例如15、30、45、60、75或90度)。在其它实施例中，如图所示，各端口90的轴线93可相对于轴线80可变地成角度，使得该角度随着离轴线80的径向102距离逐渐变化(例如增加或减少)。例如，各端口90可垂直于端壁120，使得端部的弯曲控制端口90相对于轴线80的角度。端壁120的非平坦(例如弯曲的)形状还提供更多表面积，其可用于增加更多的端部端口90。

如可理解的，弯曲的端壁120可允许冷却流体更均匀地填充冷却室40。冷却流体进入插入件38并沿通路78流动。冷却流体流78的一部分顺着路径96并通过横向端口88离开插入件38。冷却流体流78的另一部分顺着路径94并通过端部端口90离开插入件38。端部端口90可关于轴线80成角度，以赋予涡旋运动至冷却流体。例如，成角度的端部端口90可成角度，以赋予涡旋运动至冷却流体流78。另外，横向端口88和端部端口90可在相同或不同的方向上赋予涡旋运动。例如，横向端口88可赋予顺时针方向的涡旋运动，而端部端口90可赋予逆时针方向的涡旋运动，反之亦然。

所公开实施例的技术效果包括涡轮冷却插入件，以改善在位于涡轮壳体中的冷却室内的冷却流体分布。涡轮冷却插入件包括将冷却流体引导到冷却室中的横向端口和端部端口。涡轮冷却插入件提供冷却流体的流控制和扩散，使得涡轮壳体中的各个冷却室之间的流的变化减少。

该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且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的字面语言没有差别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则此类其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种系统，包括：

涡轮，其包括：

      转子，其包括多个涡轮叶片；

      定子，其围绕所述转子，其中，所述定子包括围绕所述多个涡轮叶片的内壁、围绕所述内壁的外壁、以及在所述内壁与所述外壁之间的第一冷却室；以及

      第一涡轮冷却插入件，其延伸穿过所述外壁中的第一开口到所述第一冷却室中，其中，所述第一涡轮冷却插入件包括围绕第一轴线延伸的第一侧壁、横向于所述第一轴线延伸的第一端壁、延伸穿过所述第一侧壁的第一组横向端口以及延伸穿过所述第一端壁的第一组端部端口，其中，所述第一涡轮冷却插入件配置为引导第一冷却流体通过所述第一组横向端口和所述第一组端部端口到所述第一冷却室中。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一涡轮冷却插入件配置为引导所述第一冷却流体的第一部分通过所述第一组横向端口且所述第一冷却流体的第二部分通过所述第一组端部端口到所述第一冷却室中，并且所述第一部分大于所述第二部分。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一冷却流体的所述第一部分相对于所述第二部分的比值大于或等于约2:1。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一冷却流体的所述第一部分相对于所述第二部分的比值在约5:1和约15:1之间。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一组横向端口中的每个横向端口具有第一宽度，所述第一组端部端口中的每个端部端口具有第二宽度，并且所述第一宽度大于所述第二宽度。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一侧壁包括环形侧壁，所述第一端壁包括平坦端壁，所述第一组横向端口中的每个横向端口相对于所述第一轴线定向在径向方向上，并且所述第一组端部端口中的每个端部端口相对于所述第一轴线定向在轴向方向上。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一端壁包括弯曲的端壁。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一组端部端口包括相对于所述第一轴线具有不同角度的多个不同地成角度的端部端口。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括联接至所述第一涡轮冷却插入件的空气冷却供给。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，包括第二涡轮冷却插入件，其延伸穿过所述外壁中的第二开口到第二冷却室中，其中，所述第二涡轮冷却插入件包括围绕第二轴线延伸的第二侧壁、横向于所述第二轴线延伸的第二端壁、延伸穿过所述第二侧壁的第二组横向端口以及延伸穿过所述第二端壁的第二组端部端口，其中，所述第二涡轮冷却插入件配置为引导第二冷却流体通过所述第二组横向端口和所述第二组端部端口到所述第二冷却室中。

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