CN105121789A - 涡轮发动机停机温度控制系统 - Google Patents

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D·A·里特尔
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Abstract

公开了一种涡轮发动机停机温度控制系统(10)，被构造成促进环绕压气机和涡轮叶片总成(14、16)的腔室(12)内一致的气体温度，以消除燃气涡轮发动机热重启过程中涡轮和压气机叶片(22)尖端摩擦。涡轮发动机停机温度控制系统(10)可以包括位于涡轮壳体(34)中的一个或多个气流放大器(24)。气流放大器(24)的排气出口(26)可以延伸到由涡轮壳体(34)形成的腔室(12)中，并且可以被构造成以大致周向排出气体以使气体进入腔室(12)内沿周向流动从而在腔室(12)内确立一致的气体温度，由此防止在停机之后涡轮发动机部件(38)不均匀冷却并且防止在热重启过程中对涡轮部件的损坏。

Description

涡轮发动机停机温度控制系统
技术领域
本发明一般地涉及涡轮发动机，更特别地涉及能够在不存在压气机和涡轮叶片与径向外侧密封面干涉的风险的情况下使燃气涡轮发动机热启动的系统。
背景技术
典型地，燃气涡轮发动机包括用于压缩气体的压气机、用于将压缩空气与燃料混合并点燃混合物的燃烧室、以及用于产生动力的涡轮叶片总成。燃烧室经常在可能超过2500华氏度的高温下操作。典型的涡轮燃烧室构造将涡轮叶片总成暴露至这些高温。
因为这些燃气涡轮发动机的大质量，发动机在停机以后需要长时间进行冷却。很多部件以不同的速度冷却，结果在不同部件之间发生干涉。涡轮叶片尖端与位于涡轮叶片径向紧外侧的叶片环之间的间隙为经常发生干涉的构造。更具体地，具有叶片环的涡轮导叶承载件典型地比包括涡轮叶片的涡轮转子总成冷却地快。结果，涡轮导叶承载件比涡轮转子总成的直径减小地多。因此，如果期望在完全冷却之前重启燃气涡轮，则存在如下显著的风险：由于叶片环和涡轮导叶承载件比涡轮转子总成冷却和收缩地快，导致涡轮叶片尖端和叶片环之间发生干涉，由于干涉导致的涡轮叶片尖端摩擦，导致损坏涡轮叶片。
此外，环绕压气机和涡轮翼型总成的腔室中的热气体在这些腔室中上升并且在腔室的顶部附近聚集。为此，环绕压气机和涡轮总成的壳体的下部比壳体的上部冷却地快，因此在壳体内产生了热梯度和应力。不均匀的冷却导致在外壳体中发生弓起。因此，存在着在停机之后减慢涡轮导叶承载件和叶片环冷却以及减小外壳体内的热梯度的需求。
发明内容
本发明涉及一种涡轮发动机停机温度控制系统，其被构造成促进环绕压气机和涡轮叶片总成的腔室内一致的气体温度，以消除燃气涡轮发动机热重启过程中涡轮和压气机叶片尖端摩擦。涡轮发动机停机温度控制系统可以包括位于涡轮发动机部件中的一个或多个气流放大器(airamplifier)。气流放大器的排气出口可以延伸到由涡轮壳体形成的腔室中，并且可以构造成以大致周向排出气体以使气体进入腔室内沿周向流动从而在腔室内确立一致的气体温度，由此防止在停机之后涡轮发动机部件不均匀冷却并且防止在热重启过程中对涡轮部件的损坏。
涡轮发动机停机温度控制系统可以包括涡轮发动机部件和至少一个气流放大器，其中所述涡轮发动机部件位于所述涡轮壳体内使得腔室位于所述涡轮发动机部件和涡轮壳体之间。气流放大器可以包括中空室，其中气流放大器可以延伸到腔室中并且可以具有不与涡轮壳体的纵轴线平行的纵轴线。气流放大器的排气出口可以取向为沿不与涡轮壳体的纵轴线平行的方向排出气体。气流放大器可以与气体供给源流体连通，所述气体供给源使得气流放大器能够使气体排出到腔室中。气流放大器可以位于涡轮壳体中，所述涡轮壳体可以是但不限于涡轮排气壳体向前外径腔室或涡轮燃烧壳体中部框架腔室。在涡轮壳体内同心地定位的涡轮发动机部件可以是但不限于涡轮导叶承载件。
气流放大器在腔室中偏置使得气流放大器位于涡轮壳体的纵轴线的径向外侧的方式。在该构造中，从气流放大器的排气出口排出的气体能够在腔室内创建周向流动。气流放大器的排气出口可以定位成离外壁的内表面不超过如下距离，该距离等于从形成腔室的外壁的涡轮壳体的内表面到形成所述腔室的内壁的内表面的径向延伸距离的20％。在一个实施方式中，当沿轴向下游观察时，气流放大器的排气出口可以从上止点、下止点、左侧中心和右侧中心沿周向偏置。
气流放大器可以由支撑接合延伸部和容纳排气出口的排气区域形成。支撑接合延伸部可以延伸通过涡轮壳体，排气区域可以位于所述腔室中。排气区域可以不与支撑接合延伸部平行且不正交。排气区域可以与形成腔室的涡轮壳体的内表面相切地对齐。在另一实施方式中，排气区域可以与支撑接合延伸部正交。
在一个实施方式中，涡轮发动机停机温度控制系统可以包括第一和第二气流放大器。特别地，气流放大器可以包括第一气流放大器，该第一气流放大器延伸到腔室中并且具有不与涡轮壳体的纵轴线平行的纵轴线。第一气流放大器的排气出口可以取向成沿不与涡轮壳体的纵轴线平行的方向排出气体。第二气流放大器可以延伸到腔室中并且具有不与涡轮壳体的纵轴线平行的纵轴线。第二气流放大器的排气出口可以取向成沿不与涡轮壳体的纵轴线平行的方向并且沿与第一气流放大器的排气出口排出的气体相同的周向排出气体。在一个实施方式中，第一和第二气流放大器可以位于腔室的彼此相反侧，以产生周向气流并且在整个腔室中维持一致的气流温度。
本发明的一个优势在于，涡轮发动机停机温度控制系统在环绕压气机和涡轮叶片总成的腔室内产生一致的气体温度，以消除燃气涡轮发动机热重启过程中涡轮和压气机叶片尖端摩擦。
另一个优势在于，涡轮发动机停机温度控制系统通过使已经处于涡轮壳体内的气体进入腔室中而在由涡轮壳体形成的腔室内产生周向气流，由此在不向腔室内注入大量气体的情况下在具有大体上一致温度的腔室内产生气体质量。
本发明的又一优势在于，涡轮发动机停机温度控制系统减小了涡轮壳体的上止点与其他方面之间的温度梯度。
本发明的另一优势在于，涡轮发动机停机温度控制系统减小了叶片环的上止点与其他方面之间的温度梯度，以消除涡轮翼型摩擦。
本发明的又一优势在于，由于涡轮发动机停机温度控制系统的大放大率，不需要诸如四英寸至六英寸等的大管道。相反，气体供给源可以利用3/8英寸直径管连接到一个或多个气流放大器。
本发明的另一优势在于，仅需要非常少量的压缩气体来使气体进入涡轮壳体中的腔室内。
本发明的又一优势在于，由一个或多个气流放大器排出的气体具有近乎与腔室内的气体温度相等的温度，由此消除了对系统热冲击的可能。
本发明的另一优势在于，涡轮发动机停机温度控制系统在盘车左装置操作过程中操作，因此对正常的燃气涡轮发动机操作没有影响。
下面更详细地说明这些及其他实施方式
附图说明
包含在说明书中并形成说明书的一部分的附图说明了本公开发明的实施方式，并且与说明书一起公开了发明的原理。
图1是燃气涡轮发动机的截面侧视图。
图2是包括本发明的涡轮发动机停机温度控制系统的燃气涡轮发动机的截面侧视图。
图3是包括本发明的涡轮发动机停机温度控制系统的燃气涡轮发动机在图2中剖面线3-3处截取的示意图。
图4是位于涡轮排气壳体中的涡轮发动机停机温度控制系统的透视图。
图5是安装在涡轮排气壳体中的气流放大器的详细视图。
图6是安装在涡轮排气壳体中的气流放大器的另一详细视图。
图7是位于涡轮燃烧壳体中的涡轮发动机停机温度控制系统的局部透视图。
图8是位于涡轮燃烧壳体中的涡轮发动机停机温度控制系统的详细视图。
图9是位于涡轮导叶承载件中的涡轮发动机停机温度控制系统的局部透视图。
图10是位于涡轮导叶承载件的水平接头处的涡轮发动机停机温度控制系统的局部截面图。
图11是涡轮壳体的安装气流放大器的部分的俯视图。
具体实施方式
如图1-11所示，本发明涉及涡轮发动机停机温度控制系统10，其被构造成促进环绕压气机和涡轮叶片总成14、16的腔室12内一致的气体温度，以消除燃气涡轮发动机22热重启过程中涡轮和压气机叶片18、20尖端摩擦。涡轮发动机停机温度控制系统10可以包括位于涡轮发动机部件中的一个或多个气流放大器24。气流放大器24的排气出口26可以延伸到由涡轮壳体34创建的腔室12中，并且可以构造成以大致周向排出气体，以使气体进入腔室12内沿周向流动从而在腔室12内确立一致的气体温度，由此防止在停机之后涡轮发动机部件不均匀冷却并且防止在热重启过程中对涡轮部件的损坏。
涡轮发动机停机温度控制系统10可以包括被构造成将气体排入腔室12中的一个或多个气流放大器24。气流放大器24可以包括一个或多个中空室28。气流放大器24可以延伸到腔室12中并且可以具有不与涡轮壳体34的纵轴线32平行的纵轴线30。气流放大器24可以定位成使得气流放大器24的排气出口26可以取向为沿不与涡轮壳体34的纵轴线32平行的方向排出气体。气流放大器24可以与气体供给源36流体连通，使得气流放大器24将气体排入气流放大器24中。
涡轮发动机停机温度控制系统10可以包括涡轮发动机部件38，该涡轮发动机部件38在涡轮壳体34内同心地定位使得腔室12位于涡轮发动机部件38和涡轮壳体34之间。腔室12可以是外侧由涡轮壳体34限定、内侧由涡轮部件38限定的筒状的腔室12。涡轮部件38可以是但不限于压气机叶片总成14、涡轮叶片总成16和燃烧室40。在一个实施方式中，如图4-6所示，涡轮壳体34可以是形成向前外径腔室44的涡轮排气壳体42。在又一实施方式中，如图7-8所示，涡轮壳体34可以形成涡轮燃烧壳体中部框架腔室48的涡轮燃烧壳体46。腔室也可以是内侧由涡轮部件38的外表面限定。在至少一个实施方式中，如图9-10所示，涡轮部件38可以是在涡轮壳体34内同心地定位的涡轮导叶承载件50。
气流放大器24定位在腔室12内使得气流放大器24在腔室12内偏置。特别地，气流放大器24可以以使得气流放大器24位于涡轮壳体34的纵轴线32的径向外侧的方式在腔室12中偏置。当沿轴向下游观察时，气流放大器24的排气出口26可以从上止点52、下止点54、左侧中心56和右侧中心58沿周向偏置。当从涡轮发动机22上方观察时，气流放大器24的排气出口26可以取向成与发动机22和涡轮壳体34的纵轴线32正交。可选地，当从涡轮发动机22上方观察时，气流放大器24的排气出口26可以取向成与发动机22和涡轮壳体34的纵轴线32不正交。这样，从排气出口26排出的气体可以以使得其相对于发动机22和涡轮壳体34的纵轴线32不正交地流动的方式在腔室12内环形地流动。
气流放大器24的排气出口26可以定位成在维持只是有限的轮廓以限制腔室12中气体流动干扰的情况下使气体进入腔室12内。在至少一个实施方式中，气流放大器24的排气出口26可以定位成离外壁64的内表面62不超过距离60，该距离60等于从形成腔室12的外壁64的涡轮壳体34的内表面62到形成腔室12的内壁68的内表面66的径向延伸距离的20％。气流放大器24可以由支撑接合延伸部70和容纳排气出口26的排气区域72形成。支撑接合延伸部70可以延伸通过涡轮壳体34，排气区域72可以位于腔室12中。排气区域72可以不与支撑接合延伸部70平行或者不正交。在另一实施方式中，排气区域72可以与支撑接合延伸部70正交。排气区域72可以与形成腔室12的涡轮壳体34的内表面62相切地对齐。以该位置，从排气出口26排出的气体对腔室12内的气体流动引起最小限度干扰并且继续保持气体在腔室12沿周向流动。
一个或多个气流放大器24可以以不同的构造位于涡轮壳体34内，以经由从气流放大器24排出的气体而使气体进入腔室12内。在一个实施方式中，涡轮发动机停机温度控制系统10可以由第一气流放大器74形成，该第一气流放大器74延伸到腔室12中并且具有不与涡轮壳体34的纵轴线32平行的纵轴线30。第一气流放大器74的排气出口26可以取向为沿不与涡轮壳体34的纵轴线32平行的方向排出气体。涡轮发动机停机温度控制系统10还可以包括第二气流放大器76，该第二气流放大器76延伸到腔室12中并且具有不与涡轮壳体34的纵轴线32平行的纵轴线30。第二气流放大器76的排气出口26可以取向为沿不与涡轮壳体34的纵轴线32平行的方向并且沿与第一气流放大器74的排气出口26排出气体的方向相同的周向排出气体。第一和第二气流放大器74、76可以位于腔室12的彼此相反侧，以产生周向气流并且在整个腔室12中维持一致的气流温度。
第一和第二气流放大器74、76的排气区域72可以与形成腔室12的涡轮壳体34的内表面62相切地对齐。第一和第二气流放大器74、76的排气出口26可以离外壁64的内表面62不超过如下距离，该距离等于从形成腔室12的外壁62的涡轮发动机部件的内表面62到形成腔室12的内壁68的内表面66的径向延伸距离20的20％。
在又一实施方式中，气流放大器24可以定位成紧密靠近涡轮壳体34的水平延伸接头78。一个或多个第一气流放大器74可以在涡轮壳体34的第一侧临近第一水平延伸接头78定位，一个或多个第二气流放大器76可以在涡轮壳体34的第二侧临近第二水平延伸接头78定位，其中第二侧是涡轮壳体34的与第一侧相反的一侧。
涡轮发动机停机温度控制系统10可以用于促进环绕压气机和涡轮叶片总成14,16的腔室12内一致的气体温度，以消除燃气涡轮发动机22热重启过程中的涡轮和压气机叶片18、20尖端摩擦。涡轮发动机停机温度控制系统10通过从气流放大器24的排气出口26向腔室12中排出气体而在气体腔室12内产生了一致的气体温度。另外，排出气体沿周向排出从而在腔室12内产生气体的周向流动，由此防止腔室12最热的气体在上止点52处聚集并防止在停机之后涡轮发动机22冷却时导致不平衡的冷却和不平衡的热收缩。涡轮发动机停机温度控制系统10在盘车装置操作过程中操作，因此对正常的燃气涡轮发动机操作没有影响。
提供上述内容用于教示、解释和说明本发明的实施方式的目的。这些实施方式的变型和修改对于本领域技术人员而言将是明显的，可以在不偏离本发明范围或精神的情况下做出这些变型和修改。

Claims (12)

1.一种涡轮发动机停机温度控制系统(10)，其特征在于，
位于所述涡轮壳体(34)内的涡轮发动机部件(38)，使得腔室(12)位于所述涡轮发动机部件(38)和涡轮壳体(34)之间；
具有中空室的至少一个气流放大器(24)，其中所述至少一个气流放大器(24)延伸到所述腔室(12)中并且具有不与所述涡轮壳体(34)的纵轴线(32)平行的纵轴线(30)，其中所述至少一个气流放大器(24)的排气出口(26)被引导为沿不与所述涡轮壳体(34)的纵轴线(32)平行的方向排出气体；并且
其中所述至少一个气流放大器(24)与气体供给源(36)流体连通，所述气体供给源(36)使得所述至少一个气流放大器(24)能够将气体排出到所述至少一个气流放大器(24)中。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机停机温度控制系统(10)，其特征在于，所述涡轮壳体(34)是形成向前外径腔室(44)的涡轮排气壳体(42)。
3.根据权利要求1所述的涡轮发动机停机温度控制系统(10)，其特征在于，所述涡轮壳体(34)是形成涡轮燃烧壳体中部框架腔室(48)的涡轮燃烧壳体(46)。
4.根据权利要求1所述的涡轮发动机停机温度控制系统(10)，其特征在于，在所述涡轮壳体(34)内同心地定位的所述涡轮发动机部件(38)是涡轮导叶承载件(50)。
5.根据权利要求1所述的涡轮发动机停机温度控制系统(10)，其特征在于，所述至少一个气流放大器(24)在所述腔室(12)中偏置使得所述至少一个气流放大器(24)位于所述涡轮壳体(34)的纵轴线(32)的径向外侧。
6.根据权利要求1所述的涡轮发动机停机温度控制系统(10)，其特征在于，所述至少一个气流放大器(24)包括：第一气流放大器(74)，其延伸到所述腔室(12)中并且具有不与所述涡轮壳体(34)的纵轴线(32)平行的纵轴线(30)，其中所述第一气流放大器(74)的排气出口(26)取向成沿不与所述涡轮壳体(34)的纵轴线(32)平行的方向排出气体；和第二气流放大器(76)，其延伸到所述腔室(12)中并且具有不与所述涡轮壳体(34)的纵轴线(32)平行的纵轴线(30)，其中所述第二气流放大器(76)的排气出口(26)取向成沿不与所述涡轮壳体(34)的纵轴线(32)平行的方向并且沿与所述第一气流放大器(74)的排气出口(26)排出的气体相同的周向排出气体。
7.根据权利要求6所述的涡轮发动机停机温度控制系统(10)，其特征在于，所述第一气流放大器(74)和第二气流放大器(76)位于所述腔室(12)的彼此相反侧，以产生周向气流并且在整个所述腔室(12)中维持一致的气流温度。
8.根据权利要求1所述的涡轮发动机停机温度控制系统(10)，其特征在于，所述至少一个气流放大器(24)由支撑接合延伸部(70)和容纳所述排气出口(26)的排气区域(72)形成，其中所述支撑接合延伸部(70)延伸通过所述涡轮壳体(34)，并且所述排气区域(72)位于所述腔室(12)中，其中所述排气区域(72)不与所述支撑接合延伸部(70)平行且不与其正交。
9.根据权利要求8所述的涡轮发动机停机温度控制系统(10)，其特征在于，所述排气区域(72)与形成所述腔室(12)的所述涡轮壳体(34)的内表面(62)相切地对齐。
10.根据权利要求1所述的涡轮发动机停机温度控制系统(10)，其特征在于，所述至少一个气流放大器(24)由支撑接合延伸部(70)和容纳所述排气出口(26)的排气区域(72)形成，其中所述支撑接合延伸部(70)延伸通过所述涡轮壳体(34)，并且所述排气区域(72)位于所述腔室(12)中，其中所述排气区域(72)与所述支撑接合延伸部(70)正交。
11.根据权利要求1所述的涡轮发动机停机温度控制系统(10)，其特征在于，所述至少一个气流放大器(24)的所述排气出口(26)被定位成离外壁(64)的内表面(62)不超过如下距离，所述距离等于从形成所述腔室(12)的所述外壁(64)的所述涡轮壳体(34)的内表面(62)到形成所述腔室(12)的内壁(68)的内表面(66)的径向延伸距离的20％。
12.根据权利要求1所述的涡轮发动机停机温度控制系统(10)，其特征在于，当沿轴向下游观察时，所述至少一个气流放大器(24)的所述排气出口(26)从上止点(52)、下止点(54)、左侧中心(56)和右侧中心(58)沿周向偏置。
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