CN104685158B - 具有斜孔的燃气涡轮发动机预旋流器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有斜孔的燃气涡轮发动机预旋流器及其制造方法。燃气涡轮发动机预旋流器(470)包括外环(471)和内环(472)。内环(472)包括多个斜孔(490)。每个斜孔(490)沿着在至少一个平面中倾斜的矢量。该矢量的一分量位于垂直于自预旋流器(470)的轴线延伸的径向线的平面上。该角度的所述分量相对于预旋流器(470)的轴向倾斜。

Description

具有斜孔的燃气涡轮发动机预旋流器及其制造方法
技术领域
本发明总体上涉及燃气涡轮发动机，且更具体地涉及一种具有构造成用于冷却下游构件的斜孔的预旋流器。
背景技术
燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧室和涡轮部。燃气涡轮发动机的各部分经受高温。具体地，涡轮部的第一级经受这种高温，因此利用从压缩机中被引导经过内部冷却通道的空气使第一级冷却。在一个这种通道中，引导空气经过燃气涡轮发动机的隔板进入预旋流器。不受控制的冷却空气会导致效率损失和不适当的冷却。
授予J.Montgomery的美国专利第7,341,429号公开一种制造燃气涡轮发动机的方法，该方法包括设置涡轮中框架、将多个转子叶片联接到转子盘，该转子盘从涡轮中框架轴向地向后联接，使得在转子盘和涡轮中框架之间限定空腔，并且形成延伸通过涡轮中框架以便于将冷却空气引导进入所述间隙的至少一个开口，该开口能够为从开口中释放出的冷却空气赋予高的相对切向速度。
本发明旨在解决由发明人所发现的问题中的一个或多个。
发明内容
燃气涡轮发动机预旋流器包括外环和内环。内环包括多个斜孔。每个斜孔沿着在至少一个平面中倾斜的矢量。该矢量的一分量位于垂直于自预旋流器的轴线延伸的径向线的平面上。该角度的所述分量相对于预旋流器的轴向而倾斜。
本发明还提供一种用于形成预旋流器的方法。该方法包括相对于预旋流器的轴向成20至85度的角度地形成通过预旋流器的斜孔。该方法还包括与斜孔相邻地形成第一应力解除区。第一应力解除区构造成与斜孔流体连通。
附图说明
图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图。
图2是燃气涡轮发动机的涡轮第一级的一部分的剖视图。
图3是预旋流器的上部的正视图。
图4是具有由箭头所指的视线方向的、沿直线4-4所截取的图3的预旋流器的一部分的剖视图。
图5是预旋流器的透视图。
图6是用于在预旋流器中形成具有应力解除区的冷却孔的方法的流程图。
具体实施方式
本文中所公开的系统和方法包括具有斜孔的燃气涡轮发动机预旋流器。在实施例中，该预旋流器可构造成为在预旋流器后部的下一级涡轮转子盘和减震器提供可预测量的冷却空气。这些斜孔可构造成使冷却空气旋流，使得冷却空气的角速度与下一级涡轮转子盘的角速度相匹配。使冷却空气的角速度与涡轮转子盘的角速度匹配可以减小冷却空气中的任何温度升高或压力下降，由此可以促成效率的提高。
图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图。燃气涡轮发动机100通常包括压缩机200、燃烧室300、涡轮400和轴120。燃气涡轮发动机100可具有单轴或双轴配置。就本发明中的惯例而言，除非另有说明，关于径向、轴向和圆周方向以及量度(尺寸)的所有引述参照中心轴线95。中心轴线95通常可由轴120的纵向轴线所限定。中心轴线95可以是其它燃气涡轮发动机同心构件共有的或者共用的。
空气10作为“工作流体”进入进气口15并且被压缩机200压缩。将燃料35添加到在燃烧室300中的压缩空气中，然后将该燃料点燃以产生高能燃烧气体。通过涡轮400从燃烧的燃料/空气混合物中提取能量并且通常可通过动力输出联接器5利用该能量。图中显示动力输出联接器5是在燃气涡轮发动机100的前侧，但在其它配置中，可将动力输出联接器5设置在燃气涡轮发动机100的后端。排气90可离开所述系统或者被进一步处理(例如，以减少有害的排放物或者从排气90中回收热量)。
压缩机200包括压缩机转子组件210和压缩机静止叶片(“定子”)250。压缩机转子组件210机械地联接到轴120。如图所示，压缩机转子组件210是轴向流动转子组件。压缩机转子组件210包括一个或多个压缩机盘组件220。每个压缩机盘组件220包括周向地组装有压缩机转子叶片的压缩机转子盘。定子250轴向地位于每个压缩机盘组件220的前面。
涡轮400包括涡轮转子组件410和涡轮喷嘴组件450。涡轮转子组件410机械地联接到轴120。如图所示，涡轮转子组件410是轴向流动转子组件。涡轮转子组件410包括一个或多个涡轮盘组件420。每个涡轮盘组件420包括轴向地组装有涡轮转子叶片425(示于图2)的涡轮转子盘。涡轮喷嘴组件450轴向地位于每个涡轮盘组件420的前面。涡轮喷嘴组件450具有周向分布的涡轮喷嘴叶片。涡轮喷嘴叶片使被输送至涡轮转子叶片425的燃烧气体成螺旋状重新取向，其中燃烧气体中的能量转换成机械能并使轴120旋转。
涡轮喷嘴组件450与位于其后的涡轮盘组件420配对，二者被认为是燃气涡轮发动机100的涡轮级。涡轮第一级415是与燃烧室300轴向地相邻的级。涡轮第一级415包括第一级涡轮喷嘴组件451和第一级涡轮盘组件421。第一级涡轮喷嘴组件451包括隔板460、预旋流器470和涡轮喷嘴455(示于图2)。
压缩机200的各种构件被容纳在大致呈圆柱形的压缩机外壳201中。燃烧室300和涡轮400的各种构件被分别容纳在燃烧室外壳301和涡轮外壳401中。
图2是图1的涡轮第一级415的一部分的剖视图。关于预旋流器470的各元件的径向、轴向和圆周方向以及量度的所有引述参照预旋流器470的轴线，该轴线与中心轴线95是同心的。预旋流器470的轴向99(示于图4)是沿着与预旋流器470的轴线同心或平行的通道从预旋流器470的前侧或上游侧行进到预旋流器470的后侧或下游侧的方向。第一级涡轮喷嘴组件451与燃烧室310相邻。来自压缩机200的冷却空气沿着用于冷却空气的通道50行进到第一级涡轮喷嘴组件451、通过隔板460进入预旋流器470。预旋流器470使冷却空气改变方向并且为冷却空气的速度赋予切向分量。赋予冷却空气速度的切向分量可与第一级涡轮盘组件421的角速度相匹配。所描述的布置方式也可用于其它级。
预旋流器470包括外环471和内环472，这两个环之间限定用于冷却空气的通道53。外环471可包括外凸缘473和外圆柱形部480。外凸缘473可增厚并且可构造成包括第一孔482(在图2中仅可看见1个孔；参见图3和图5)。外圆柱形部480可从外凸缘473的后端向后延伸。
图3是第一级涡轮喷嘴组件451的预旋流器470的上部的正视图。现在参照图2和图3，内环472从外环471径向地向内定位。如图2中所示，预旋流器470的内环472可包括内凸缘474、内圆柱形部481和背部475。内环472还可包括斜孔490和第一应力解除区491(如图3中所示)以及第二应力解除区492(示于图4)。内凸缘474可与外凸缘473相互间隔。内凸缘474可变厚(如图2中所示)并且可构造成包括第二孔483(在图2中仅可看到一个孔；参见图3和图5)。在图3所示的实施例中，内环472包括凸部476。每个凸部476包括第二孔483。
再次参照图2，内圆柱形部481可径向向内定位并且位于外圆柱形部480的内部。内圆柱形部481和外圆柱形部480可限定在这两者之间的径向间隙54。旋流叶片可从内圆柱形部481跨越径向间隙54到达外圆柱形部480。旋流叶片可相对于预旋流器470的轴线而倾斜。背部475可从内凸缘474的后端径向地向外延伸到内圆柱形部481的前端。背部475也可从内凸缘474轴向地向后延伸到内圆柱形部481。
可在预旋流器470的内环472中形成斜孔490。在图2所示的实施例中，在背部475中形成斜孔490。
隔板460具有包括隔板冷却通道的安装部468。安装部468包括外直径孔465和内直径孔466。外直径孔465与第一孔482对准并且内直径孔466与第二孔483对准。
可用多个外直径联接件461和多个内直径联接件462将预旋流器470安装到隔板460。每一第一孔482可接纳外直径联接件461并且每个第二孔483可接纳内直径联接件462。外直径联接件461经过外直径孔465进入第一孔482。内直径联接件462经过内直径孔466进入第二孔483。构造成安装到隔板460的预旋流器470可具有至少10个第一孔482和至少10个第二孔483，以便将预旋流器470充分地密封到隔板460并且防止失控泄漏。
在一个实施例中，外直径联接件461、外直径孔465和第一孔482各自总共为18个，同时内直径联接件462、内直径孔466和第二孔483也各自总共为18个。然而，也可使用任意数量的外直径联接件461、外直径孔465、第一孔482、内直径联接件462、内直径孔466和第二孔483。外直径联接件461可将内涡轮密封件402固定到隔板460。在一个实施例中，外直径联接件461和内直径联接件462可以是螺栓。也可使用替代的联接件(例如铆钉)。第一孔482和第二孔483可具有螺纹。包括用螺栓将预旋流器470固定到隔板460的一些实施例不包括预旋流器470与隔板460之间的压配合或过盈配合。
图4是图3中所示预旋流器的剖视图。图4中所示的预旋流器可使用于图1的燃气涡轮发动机100中。如前所述，可在内环472中形成斜孔490。在图4所示的实施例中，在背部475中形成斜孔490。斜孔490的取向沿着在至少一个平面中倾斜的矢量。该矢量的分量(直线97)可位于垂直于自预旋流器470的轴线延伸的径向线/半径的平面上，并且可相对于预旋流器470的轴向99以在图4中所示的直线94和97之间的角度98而倾斜。直线94是位于垂直于自预旋流器470的轴线延伸的径向线的平面上并且取向在轴向99上的参考直线。直线97也可以在涡轮转子盘旋转方向上，以便在与涡轮转子盘相同的旋转方向上引导气体或空气。在一个实施例中，角度98为20至85度。在另一个实施例中，角度98为65至80度。在另一个实施例中，角度98为68度。在又一个实施例中，角度98为75度。可基于所需的冷却流量来设计斜孔490的直径。在一个实施例中，在垂直于斜孔490的截面处截取的各斜孔490的直径被设计为1/8”至3/16”。在另一个实施例，在垂直于斜孔490的截面处截取的各斜孔490的直径为0.136”。
可在与各斜孔490相邻的位置形成第一应力解除区491。每个第一应力解除区491与斜孔490流体连通。每个第一应力解除区491可以是细长的凹槽，并且可后退进入内环472由此使斜孔490的开口变宽。每个第一应力解除区491可具有与相邻斜孔490的角度类似的角度。每个第一应力解除区491可具有曲线轮廓并且可包括多个曲线、弧线或半径。第一应力解除区491可以是细长的凹部。该凹部可以比斜孔490的直径更宽。如图4中所示，该凹部的细长长度可沿直线97与斜孔490偏置。在一个实施例中，每个第一应力解除区491位于斜孔490的上游位置并且轴向地向后后退进入内环472。在另一个实施例中，每个第一应力解除区491位于斜孔490的下游位置并且轴向地向前后退进入内环472。
可在与各斜孔490相邻的位置形成第二应力解除区492。每个第二应力解除区492与斜孔490流体连通。每个第二应力解除区492可以是细长的凹槽并且可后退进入内环472由此使斜孔490的开口变宽。每个第二应力解除区492可具有与相邻斜孔490的角度类似的角度。每个第二应力解除区492可具有曲线轮廓并且可包括多种曲率、弧度、或半径。第二应力解除区492可以是细长的凹部。该凹部可以比斜孔490的直径更宽。如图4中所示，该凹部的细长长度可沿直线97与斜孔490偏置。在一个实施例中，每个第二应力解除区492位于与上游第一应力解除区491相反的斜孔490的下游位置。第二应力解除区492轴向地向前后退进入内环472。在另一个实施例中，每个第二应力解除区492位于与下游第一应力解除区491相反的斜孔490的上游位置。第二应力解除区492轴向地向后后退进入内环472。
可利用例如球磨、放电加工或钻孔的制造工艺，而形成每个第一应力解除区491和第二应力解除区492。
图3和图4中所示的预旋流器470具有改良的连接。内环472包括多个凸部476。每个凸部476可以是变厚的材料，并且可构造成接纳用于将预旋流器470安装到隔板460的内直径联接件462。将第二孔483机械加工入各凸部476中。
图5是预旋流器470的透视图。图5的预旋流器470可使用于图1的燃气涡轮发动机100。预旋流器470包括具有多个第一孔482的外环471。外环471还包括多个冷却孔486。进入径向间隙54(示于图2)的冷却空气中的至少一部分经过冷却孔486离开预旋流器470。预旋流器470还包括具有多个第二孔483的内环472。
预旋流器470可包括任意数量的斜孔490。在一个实施例中，预旋流器470包括9至18个斜孔490。在另一个实施例中，预旋流器470包括9个斜孔490。在又一个实施例中，预旋流器470包括18个斜孔490。在图5所示的实施例中，预旋流器470包括相同数量的第一孔482、第二孔483和斜孔490。进入预旋流器470的冷却空气中的至少一部分经过斜孔490离开预旋流器470。
一个或多个上述构件(或者它们的子构件)可由不锈钢和/或被称为“超合金”的耐用高温材料制成。超合金或高性能合金是显示在高温下的优异的机械强度和抗蠕变性、良好的表面稳定性以及耐腐蚀性和耐氧化性的合金。超合金可包括例如HASTELLOY、INCONEL、WASPALOY、RENE合金、HAYNES合金、INCOLOY、MP98T、TMS合金和CMSX单晶合金的材料。
工业适用性
燃气涡轮发动机可适用于任意数量的工业应用，例如石油和天然气工业的各种方面(包括石油和天然气的输送、集输、储存、收回和提升)、发电工业、热电联产、航空航天和其它运输业。
燃气涡轮发动机的工作效率通常随着燃烧温度的升高而提高。因此，在燃气涡轮发动机中存在升高温度的趋势。从燃烧室310到达涡轮第一级415的气体的温度可以在1000华氏温度以上。为了在这种高温下操作，可使燃气涡轮发动机100的压缩机200的压缩空气的一部分转向经过内部通道或室，以使涡轮第一级415中的涡轮转子叶片425冷却。
到达在涡轮第一级415中的涡轮转子叶片425的气体也可在高压之下。从压缩机200中被转向的冷却空气会需要在压缩机排出压力之下，以便有效地使涡轮第一级415中的涡轮转子叶片425和涡轮400的其它构件冷却。含有用于冷却空气的内部通道的燃气涡轮发动机100构件(例如隔板460和预旋流器470)会经受提高水平的应力。
大致径向流动的冷却空气从压缩机排放中转向到用于冷却空气的通道50。冷却空气通过隔板冷却通道进入预旋流器470的用于冷却空气的通道53。一部分的冷却空气可被径向地向外引导并进入径向间隙54。来自径向间隙54的冷却空气可以切向分量从预旋流器470排出，并且以与第一级涡轮盘组件421的角速度相匹配的切向分量从径向间隙54的后端或者从冷却孔486进入第一级涡轮盘组件421。
使冷却空气与第一级涡轮盘组件421之间的角速度相匹配会是理想的，因为这可以防止第一级涡轮盘组件421增加冷却空气的速度。冷却空气的速度增加将会导致冷却空气的温度升高和压力下降，这会降低冷却空气使第一级涡轮盘组件421冷却的效果。由于由第一级涡轮盘组件421传递至冷却空气从而改变冷却空气的速度的功，因而冷却空气的速度增加也可导致效率损失。一旦冷却空气进入第一级涡轮盘组件421，那么冷却空气使包括涡轮转子叶片425的第一级涡轮盘组件421冷却。
经过研究和试验发现，通过压配合或过盈配合和位于预旋流器外直径的附近的多个安装螺栓连接到隔板的预旋流器以及隔板会由于冷却空气的温度、压力、和力的原因而发生变形。各种构件的这种变形会允许冷却空气不受控制地泄漏到在燃气涡轮发动机中的预旋流器后部的构件，例如下一级涡轮转子盘和减震器。
为了控制流到下一级涡轮转子盘和减震器的冷却空气的流动，需要保持隔板460与预旋流器470之间的密封以防止冷却空气泄漏，并且需要添加用于冷却空气的通道以便正确地使在预旋流器470后部的构件冷却。经过研究、计算机建模、和试验确定更刚性的连接可防止预旋流器的变形和随后的不受控制的泄漏。
可通过用多个外直径联接件461和多个内直径联接件462限制预旋流器470和隔板460，而形成更刚性的连接。外直径联接件461被放置成经过外直径孔465进入在外凸缘473中的第一孔482。内直径联接件462被放置成经过内直径孔466进入内环472的第二孔483。该更刚性的连接可增大预旋流器470与隔板460之间的接触面积，由此可减小各种燃气涡轮发动机构件的应力和磨损。
由于斜孔490的使用，可预测到达下一级涡轮转子盘和减震器的冷却空气的量。还确定了斜孔490可提供冷却空气向在燃气涡轮发动机100中的预旋流器470后部的构件的受控制流动。冷却空气中进入用于冷却空气的通道53的部分可经过斜孔490离开预旋流器。斜孔490的倾斜角可有助于在经过斜孔490而离开的冷却空气中产生具有与由旋流叶片所产生的预旋流器470离开旋流速度相匹配的速度的周向旋流。与预旋流器470离开旋流速度匹配可防止冷却空气中的温度升高和压降，由此可形成冷却空气的更有效率的使用。
斜孔490的倾斜角可导致预旋流器470的各区中的应力增加。确定了第一应力解除区491和第二应力解除区492可减小在预旋流器470中的应力集中。
图6是用于在预旋流器中形成具有应力解除区的冷却孔的方法的流程图。该方法包括在步骤510在预旋流器中形成相对于轴向99而倾斜的斜孔490。斜孔490的取向可沿着在至少一个平面中倾斜的矢量。此矢量的分量可位于垂直于自预旋流器470的轴线延伸的径向线的平面上。在形成斜孔490之后是步骤520。在步骤520，在预旋流器中与斜孔490相邻地形成第一应力解除区491并且该应力解除区与斜孔490流体连通。在一个实施例中，在斜孔490的上游位置形成第一应力解除区491。在另一个实施例中，在斜孔490的下游位置形成第一应力解除区491。
在预旋流器中形成具有应力解除区的冷却孔也可包括在步骤530在预旋流器470中与斜孔490相邻地形成第二应力解除区492并且该应力解除区与斜孔490流体连通。在一个实施例中，在斜孔490的下游位置形成与第一应力解除区491相反的第二应力解除区492。在另一个实施例中，在斜孔490的上游位置形成与第一应力解除区491相反的第二应力解除区492。
在一个实施例中，将斜孔490钻孔入预旋流器470。在一些实施例中，利用球磨操作形成第一应力解除区491。一些实施例还包括利用球磨操作形成第二应力解除区492。至少一个实施例包括形成18个斜孔490、18个第一应力解除区491和18个第二应力解除区492。
具有斜孔490的更刚性的连接的应用可促成预旋流器470和涡轮400的下一级中构件的更长使用寿命以及从压缩机200中放出的冷却空气的高效使用。
前面的详细说明在本质上只是示例性的，并非意图限制本发明或本申请以及本发明的用途。所描述的实施例并不局限于特定类型的燃气涡轮发动机。因此，尽管为了便于说明本发明图示并描述了特定的预旋流器和相关的方法，但应了解根据本发明的其它预旋流器和方法可以应用于各种其它的涡轮级、配置和机器类型。此外，本发明没有意图受在前述背景技术或详细说明中所给出任何理论的束缚。也应了解图示说明可包括放大的尺寸以便更好地说明所示出的指示物，并且不认为图示说明是限制性的，除非如此明确地规定。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机预旋流器(470)，其包括：
外环(471)；和
内环(472)，所述内环具有：
多个斜孔(490)，每个斜孔沿着在至少一个平面中倾斜的矢量，并且所述矢量的分量位于垂直于自所述预旋流器(470)的轴线延伸的径向线的平面上，所述矢量的所述分量相对于所述预旋流器(470)的轴向而倾斜，和
多个第一应力解除区(491)，每个第一应力解除区与所述多个斜孔(490)中的一个相邻，每个第一应力解除区具有弯曲并且细长的轮廓，所述第一应力解除区比所述多个斜孔(490)中的一个的直径更宽。
2.根据权利要求1所述的预旋流器(470)，其中，所述内环(472)还包括与每个斜孔(490)相邻的第二应力解除区(492)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的预旋流器(470)，其中，每个斜孔(490)构造成与所述第一应力解除区(491)流体连通且位于所述第一应力解除区(491)的下游。
4.根据权利要求1或2所述的预旋流器(470)，其中，每个斜孔(490)构造成与所述第一应力解除区(491)流体连通且位于所述第一应力解除区(491)的上游。
5.根据权利要求2所述的预旋流器(470)，其中，每个斜孔(490)构造成与所述第一应力解除区(491)和所述第二应力解除区(492)流体连通，并且构造成位于所述第一应力解除区(491)的下游和所述第二应力解除区(492)的上游。
6.根据权利要求1或2所述的预旋流器(470)，其中，所述矢量的所述分量相对于所述预旋流器(470)的轴向倾斜0度和90度之间的角度。
7.根据权利要求1或2所述的预旋流器(470)，其中，每个第一应力解除区具有曲线轮廓。
8.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的预旋流器(470)的燃气涡轮发动机(100)，其包括：
涡轮转子盘；
隔板(460)，所述隔板具有
多个外直径孔(465)，和
多个内直径孔(466)；以及
根据前述权利要求中任一项所述的预旋流器(470)；
其中，所述外环(471)还包括与所述多个外直径孔(465)对准的多个第一孔(482)，并且所述内环(472)还包括与所述多个内直径孔(466)对准的多个第二孔(483)。
9.一种用于形成预旋流器(470)的方法，所述方法包括：
以相对于所述预旋流器(470)的轴向的角度形成通过所述预旋流器(470)的斜孔(490)；
形成与所述斜孔(490)相邻的第一应力解除区(491)，所述第一应力解除区(491)构造成与所述斜孔(490)流体连通，所述第一应力解除区具有弯曲并且细长的轮廓，所述第一应力解除区比所述斜孔(490)的直径更宽。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括形成与所述斜孔(490)相邻的第二应力解除区(492)，所述第二应力解除区(492)构造成与所述斜孔(490)流体连通。
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