CN105189938A - 用于燃气涡轮发动机的带喷嘴注射的涡轮发动机停机温度控制系统 - Google Patents
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Abstract
公开了一种涡轮发动机停机温度控制系统(10)，其被配置成在燃气涡轮发动机(16)停机期间，限制在包围涡轮叶片组件(14)的外壳(12)内产生的热梯度。通过减少在所述外壳(12)的中间区域空腔(18)内由热空气浮力所造成的热梯度，可以防止所述外壳(12)的拱形和背凹弯曲，从而减少所述燃气涡轮发动机(16)的热重启动期间，叶片尖端摩擦以及潜在的叶片损坏的可能性。所述涡轮发动机停机温度控制系统(10)可在其中所述转子(26)仍然由燃烧气体供给动力的所述停机过程期间或在所述燃气涡轮发动机(16)停机后转动齿轮系统操作期间，或在两个期间操作，以允许外壳(12)均匀地从上到下冷却。
Description
技术领域
本发明一般涉及涡轮发动机，并且更具体地涉及能够进行燃气涡轮发动机的热启动而无涡轮叶片与径向向外的密封表面干涉的风险的系统。
背景技术
通常，燃气涡轮发动机包括用于压缩空气的压缩机，用于混合压缩空气和燃料并点燃混合物的燃烧器，和用于产生动力的涡轮叶片组件。燃烧器通常在可能会超过2500华氏度的高温下工作。典型的涡轮机燃烧器的配置将涡轮叶片组件暴露于这样的高温。
由于这些大的燃气涡轮发动机的质量，发动机在停机后花费很长时间来冷却。许多组件以不同的速率冷却，其结果是在各种组件之间产生干涉。涡轮叶片尖端和恰好被定位在涡轮叶片的径向向外的叶片环之间的间隙，就是其中经常发生干涉的这种配置。由于自然对流，壳体组件从上到下以不同的速率冷却。其结果是，壳体在底部与顶部相比冷却速度更快，并且在被充分冷却之前在停机期间壳体呈现变形的形状。壳体的较热的上表面对较冷的下表面使壳体向上热弯曲或弯成弓形。如果在壳体被扭曲时刻期间发动机经历重新启动，叶片尖端将由于向上弯成弓形而具有在底部位置干涉的倾向。因此，如果期望在完全冷却之前启动燃气涡轮机，存在损坏涡轮叶片的显著风险，这是因为涡轮叶片尖端由于外壳的变形形状而从涡轮叶片尖端和发动机底部的轮叶载体之间的干涉发生摩擦。因此，存在对减少涡轮轮叶载体和轮叶载体在关机后的冷却的需求。
发明内容
披露了一种涡轮发动机停机温度控制系统，其被配置成在燃气涡轮发动机关机期间，限制在包围涡轮叶片组件的外壳内产生的热梯度。通过减少由热空气浮力在外壳的中间区域腔内引起的热梯度，可以防止外壳的拱形和背凹弯曲，从而在燃气涡轮发动机的热再启动期间减小叶片尖端摩擦和潜在的叶片损坏的可能性。涡轮发动机停机温度控制系统还可以颠倒局部外壳垂直温度梯度，以优化总的外壳变形和涡轮叶片尖端间隙。涡轮发动机停机温度控制系统可以在其中转子仍然由燃烧气体提供动力的关机过程期间，或在燃气涡轮发动机停机后转动齿轮系统操作期间，或在两个期间都操作，以允许外壳均匀地从上到下冷却。在其他实施例中，涡轮发动机停机温度控制系统可以在正常的燃气涡轮发动机操作期间操作。
涡轮发动机停机温度控制系统可以由具有多排从涡轮转子径向向外延伸的涡轮叶片的涡轮叶片组件形成。包围涡轮叶片组件的外壳可具有在外壳中的在限定外壳的上半部分的水平轴线上方的多个检查孔，由此外壳可部分地限定至少一个中间排区域空腔。涡轮发动机停机温度控制系统可包括一个或多个喷嘴，其被定位在外壳内并被定位成从涡轮叶片组件的中间排区域径向向外。中间排区域可以从前排区域向下游，并从下游排区域向上游被定位。中间排区域腔可以在三排涡轮叶片的径向外侧。此外，中间排区域空腔可以在四排涡轮叶片的径向外侧。该喷嘴可具有喷雾模式，其小于所述至少一个中间排区域空腔的宽度。该喷嘴可具有高速度、低量喷嘴，其被配置为发射流体进入中间排区域空腔内。
该喷嘴可从外壳的上止点沿周向被偏移。在至少一个实施例中，喷嘴可以从上止点偏移，并且可以被定位在壳体的顶部内的任意位置。在另一个实施例中，喷嘴可以从外壳的上止点沿周向被偏移使得喷嘴被定位成距外壳的上止点在45度至75度之间。喷嘴可以被定位成使得从喷嘴排出的流体撞击外壳的内表面。特别地，喷嘴可以被定位成使得从喷嘴排出的流体在上止点处撞击外壳的内表面。喷嘴可以被定位成使得从喷嘴排出的流体在外壳的中间排区域孔腔内产生流体的周向流。
涡轮发动机停机温度控制系统可被用于改装燃气涡轮发动机或用于新的燃气涡轮发动机内。在至少一个实施例中，喷嘴可在内孔窥视端口，其他可用的预先存在的孔口中被联接到外壳或可以被联接到单独为喷嘴创建的孔口。更具体地说，喷嘴在内孔窥视端口中被可释放地联接到外壳。涡轮发动机停机温度控制系统可以包括与至少一个喷嘴连通的环境空气供给部，用于供应环境空气到喷嘴。
在至少一个实施例中，涡轮发动机停机温度控制系统可以包括至少一个喷嘴，所述至少一个喷嘴由在外壳的上止点的第一侧从外壳延伸到中间排区域空腔内的第一喷嘴和在外壳的上止点的第二侧从外壳延伸到中间排区域空腔内的第二喷嘴形成。第二侧可以在第一侧的相反侧上。第一和第二喷嘴可以朝向外壳的上止点被引导。
涡轮发动机停机温度控制系统的一个优点是，系统限制在外壳的中间区域空腔内由热空气浮力引起的热梯度，可以防止外壳的拱形和背凹弯曲，从而降低了在燃气涡轮发动机的热重启期间叶片尖端摩擦以及潜在的叶片损坏的可能性。
涡轮发动机停机温度控制系统的另一个优点是，该系统可以颠倒局部外壳垂直温度梯度，以便优化总的壳体变形和涡轮叶片尖端间隙。
涡轮发动机停机温度控制系统的又一个优点是，该系统可以被安装在当前存在的燃气涡轮发动机内，从而通过使热启动能够发生而不是等待几天使气体涡轮发动机足够冷却以安全启动，使得当前正在使用的燃气涡轮发动机更有效。
涡轮发动机停机温度控制系统的另一个优点是，该系统有助于减轻外壳内的垂直梯度。
这些和其他实施例将在下文中更详细地描述。
附图说明
包含在说明书中并形成说明书的一部分的附图示出了目前公开的发明的实施例，并且与说明书一起，公开了本发明的原理。
图1是包括涡轮发动机停机温度控制系统的燃气涡轮发动机的横截面侧视图。
图2是具有涡轮发动机停机温度控制系统的外壳的以图1中的剖面线2-2截取的轴视图。
图3是从燃气涡轮发动机移除的外壳的上半部分的俯视图。
图4是从三排涡轮叶片组件径向外侧插入中间排区域空腔的喷嘴的局部剖面图。
图5是从四排涡轮叶片组件径向外侧插入中间排区域空腔的喷嘴的局部剖面图。
图6是具有涡轮发动机停机温度控制系统的外壳的以图1中的剖面线6-6截取的轴视图。
图7是具有涡轮发动机停机温度控制系统的另一实施例的外壳的以图1中的剖面线6-6截取的轴视图。
图8是如图7所示的多排出喷嘴的细节剖面图。
具体实施方式
如图1-8所示，公开了一种涡轮发动机停机温度控制系统10，其被配置成在燃气涡轮发动机16的停机期间，限制在包围涡轮叶片组件14的外壳12内产生的热梯度。通过减少在外壳12的中间区域空腔18内由热空气浮力所造成的热梯度，可以防止外壳12的拱形和背凹(sway-back)弯曲，从而减少燃气涡轮发动机16的热重启动期间，叶片尖端摩擦以及潜在的叶片损坏的可能性。涡轮发动机停机温度控制系统10还可以颠倒局部外壳垂直温度梯度，以便优化总的壳体变形和涡轮机叶片尖端间隙。涡轮发动机停机温度控制系统10可在其中转子仍然由燃烧气体供给动力的停机过程期间或在燃气涡轮发动机16停机后转动齿轮系统操作期间，或在两个期间都操作，以允许外壳12均匀地从上到下冷却。在其他实施例中，涡轮发动机停机温度控制系统10可在正常的燃气涡轮发动机操作期间操作。
涡轮发动机停机温度控制系统10可包括涡轮机叶片组件20，其具有从涡轮转子26径向向外延伸的多排22涡轮叶片24。外壳12可以在外壳12和叶片环之间形成内部空腔28。包围涡轮叶片组件14的外壳12具有多个检查孔30，所述多个检查孔在外壳12内位于限定外壳12的上半部分33的水平轴线32的上方。外壳22可至少部分地限定至少一个中间排区域空腔18。中间排区域空腔18可以由如图1和4所示的三排涡轮叶片34，或如图1和5所示的四排涡轮叶片36，或两种情况径向向外定向。中间区域空腔18可围绕涡轮叶片组件14周向地延伸并可被定位在外壳12内。外壳12可以是单个畅通无阻的腔28，如图2所示，或者可以包括多个在外壳12内形成分区腔的分区。
如图2-5所示，涡轮发动机停机温度控制系统10可以包括一个或多个定位在燃气涡轮发动机16的外壳内的喷嘴38。喷嘴38可延伸到空腔18内，所述空腔18被定位在燃气涡轮发动机16内的涡轮叶片组件14的径向向外的任何合适位置。在至少一个实施例中，一个或多个喷嘴38可被定位在外壳12内，并被定位成从涡轮叶片组件14的中间排区域40径向向外。中间排区域40可从前排区域42向下游，并从下游排区域44向上游被定位。喷嘴38可被配置成以高压和低体积排出流体，例如但不限于空气。在一个实施例中，环境空气供给部62可以与喷嘴38连通，以将空气供给到喷嘴38。空气可以比外壳12的温度更冷。喷嘴38可以是高速度、低体积喷嘴38，其被配置成排出流体进入外壳12内的中间排区域空腔18中。在至少一个实施例中，喷嘴38可以是高速度，低体积喷嘴38，其被配置为在每分钟120转的转动齿轮操作中以6:1的压力比将流体发射到外壳12内的中间排区域空腔18中。在其他实施例中，可以使用其他的压力比和速度。
喷嘴38可以被定位成使得从喷嘴38排出的流体撞击在外壳12的内表面46。在至少一个实施例中，喷嘴38可被定位成使得从喷嘴38排出的流体在外壳12的上止点48处撞击外壳12的内表面46。喷嘴38可具有小于中间排区域空腔18的宽度的流体的喷雾模式。优选的是从喷嘴38排出的流体撞击外壳12，而不撞击叶片环和外壳12的其它径向向内部件，以阻止因为不必要的冷却在这些部件内发展热梯度。喷嘴38可以被定位成在空腔18内沿周向喷射流体，以在其中产生周向流动模式。
在至少一个实施例中，如图2所示，喷嘴38可从外壳12的上止点48沿周向偏移。特别地，喷嘴38可从外壳12的上止点48沿周向偏移使得喷嘴38被定位成距外壳12的上止点48在45度和75度之间。在一个实施例中，喷嘴38可从外壳12的上止点48沿周向偏移，使得喷嘴38被定位成距外壳12的上止点48大约60度。喷嘴38可以被定位成使得从喷嘴38排出的流体在外壳12的中间排区域空腔18内产生流体的周向流。
在另一个实施例中，如图6所示，喷嘴38可由在外壳12的上止点48的第一侧52从外壳12延伸到中间排区域空腔18内的第一喷嘴50和在外壳12的上止点48的第二侧56从外壳12延伸到中间排区域空腔18内的第二喷嘴54形成。第二侧56可被定位在与第一侧52相对的一侧。第一和第二喷嘴50，54可朝向外壳12的上止点48被引导。在一个实施例中，第一喷嘴50可从外壳12的上止点48沿周向偏移，使得第一喷嘴50被定位成距外壳12的上止点48在45度和75度之间。在另一个实施例中，第一喷嘴50可从外壳12的上止点48沿周向偏移，使得第一喷嘴50被定位成距外壳12的上止点48大约60度。同样地，第二喷嘴54可从外壳12的上止点48沿周向偏移，使得第二喷嘴54被定位成距外壳12的上止点48在45度和75度之间。在另一实施例中，第二喷嘴54可以从外壳12的上止点48沿周向偏移，使得第二喷嘴54被定位成距外壳12的上止点48大约60度。第一和第二喷嘴50，54可被定位为关于外壳12的上止点48彼此镜像。或者，第一和第二喷嘴50，54可相对于外壳12的上止点48被定位成不同的取向。
在另一个实施例中，如图7所示，第一喷嘴50可以在外壳12的上止点48的第一侧52从外壳12延伸进入中间排区域空腔18中，并且第二喷嘴54可在外壳12的上止点48的第二侧56从外壳12延伸进入中间排区域空腔18中。第二侧56可以被定位在与第一侧52相对的一侧。第一和第二喷嘴50，54可以远离外壳12的上止点48被引导。多排出喷嘴70可延伸进入外壳12内的一个或多个空腔，例如但不限于中间排区域空腔18。多排出喷嘴70可以包括被定位成从喷嘴70排出流体的两个或更多个排出口72。多排出喷嘴70的排出口72可能通常彼此背离，并且可以被定位成大致正交于燃气涡轮发动机16的纵向轴线排出流体。在至少一个实施例中，如图7所示，排出口72可以与轴线74成微小的角度78排出流体，所述轴线74正于多排出喷嘴70的纵向轴线76。在另一个实施例中，如图8所示，排出口72可以正交于多排出喷嘴70的纵向轴线76排出流体。在一个实施例中，多排出喷嘴70可与第一和第二喷嘴50，54结合使用。在另一个实施例中，多排出喷嘴70可以在没有第一和第二喷嘴50，54的情况下使用。多排出喷嘴70可以被定位在外壳12的上止点48处，如图7所示，或者可以定位在外壳12中的其它位置。
如图8所示，多排出喷嘴70可包括流动引导件80，其被定位在多排出喷嘴70的近端82处以将流体引导至排出口72。流动引导件80可具有任何适当的配置。在至少一个实施例中，流动引导件80可以被形成为改进的圆锥形状，其具有过渡到宽基部84的细长尖端86。流动引导件80也可以是由第一和第二侧88，90形成的非圆锥构造，其可以是弯曲的或以其他方式配置成将流体引导至排出口72。排出口72可具有任何适当的形状。
喷嘴38可以被定位在外壳12的孔30内。孔30可以是大致圆形的或具有任何适当的形状。在至少一个实施例中，涡轮发动机停机温度控制系统10可以被用于改装现有的燃气涡轮发动机16或用于新的燃气涡轮发动机内。在这种实施例中，如图3所示，喷嘴38可在内孔窥视端口60、其他可用的预先存在的孔内被联接到外壳12，或可以被联接到单独为喷嘴38创建的孔。特别地，喷嘴38可以在内孔窥视端口60内被可释放地联接到外壳12。
涡轮发动机停机温度控制系统10可在其中转子仍然由燃烧气体供给动力的关机过程期间或在燃气涡轮发动机16停机后转动齿轮系统期间，或在两个期间都操作。在一个实施例中，涡轮发动机停机温度控制系统10可以与燃气涡轮发动机16的转动齿轮系统一起被操作。转动齿轮系统在燃气涡轮发动机停机后，并在其中燃气涡轮发动机冷却而不从以不同的速度热收缩的组件被损坏的整个冷却过程中被操作。涡轮发动机停机温度控制系统10的一个或多个喷嘴38可以排出流体，例如空气，进入到中间排区域空腔18内，以限制上止点48与外壳12的底部方面之间的热梯度。转动齿轮系统的操作越慢，需要的空气体积越大。这种操作可以防止外壳12弯曲，包括没有拱形弯曲并且没有背凹弯曲。涡轮发动机停机温度控制系统10可操作10小时或更长时间。操作控制系统10超过10小时不会导致对外壳12或燃气涡轮发动机16的其它部件的损坏。
上述被提供用于图示说明、解释和描述本发明的实施例的目的。对于本领域技术人员，对这些实施方案的修改和改变将是显而易见的并且可以不脱离本发明的范围或精神作出。
Claims (14)
1.一种涡轮发动机停机温度控制系统(10)，其特征在于：
涡轮叶片组件(14)，其具有从涡轮转子(26)径向向外延伸的多排(22)涡轮叶片(24)；
包围所述涡轮叶片组件(14)的外壳(12)，其在限定所述外壳(12)的上半部分(33)的水平轴线(32)上方具有在所述外壳(12)内的多个检查孔(30)，其中，所述外壳(12)部分地限定至少一个空腔(28)；和
至少一个喷嘴(38)，其被定位在所述外壳(12)内并从所述涡轮叶片组件(14)径向向外定位。
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，所述至少一个喷嘴(38)具有小于至少一个中间排区域空腔(18)的宽度的喷雾模式。
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，所述至少一个喷嘴(38)从所述外壳(12)的上止点(48)沿周向被偏移。
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，所述至少一个喷嘴(38)从所述外壳(12)的上止点(48)沿周向被偏移，使得所述至少一个喷嘴(38)被定位成距所述外壳(12)的上止点(48)在45度和75度之间。
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，所述至少一个喷嘴(38)被定位成使得从所述至少一个喷嘴(38)排出的流体撞击所述外壳(12)的内表面(46)。
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，所述至少一个喷嘴(38)被定位成使得从所述至少一个喷嘴(38)排出的流体在上止点(48)处撞击所述外壳(12)的内表面(46)。
7.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，所述至少一个喷嘴(38)被定位成使得从所述至少一个喷嘴(38)排出的流体在所述外壳(12)的所述空腔(28)内产生流体的周向流。
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，所述至少一个喷嘴(38)在内孔窥视端口(60)内被联接到所述外壳(12)。
9.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，所述至少一个喷嘴(38)是多排出喷嘴(70)。
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)，其特征还在于，环境空气供给部(62)与所述至少一个喷嘴(38)连通。
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)，其中所述至少一个空腔(28)是至少一个由所述外壳(12)形成的中间排区域空腔(18)，并且其中所述至少一个喷嘴(38)被定位在所述外壳(12)内并从所述涡轮叶片组件(14)的中间排区域(18)径向向外定位，其中所述中间排区域(18)被定位在前排区域(42)的下游和下游排区域(44)的上游。
12.根据权利要求11所述的涡轮发动机停机温度控制系统(10)，其特征在于，所述至少一个喷嘴(38)由在所述外壳(12)的上止点(48)的第一侧(52)从所述外壳(12)延伸进入所述中间排区域空腔内的第一喷嘴(50)和在所述外壳(12)的上止点(48)的第二侧(56)从所述外壳(12)延伸进入所述中间排区域空腔(18)内的第二喷嘴(54)形成，其中，所述第二侧(56)在所述第一侧(52)的相反侧上，并且其中所述第一喷嘴(50)和所述第二喷嘴(54)朝向所述外壳(12)的所述上止点(48)被引导。
13.根据权利要求11所述的涡轮发动机停机温度控制系统(10)，其特征在于，所述至少一个喷嘴(38)由在所述外壳(12)的上止点(48)的第一侧(52)从所述外壳(12)延伸进入所述中间排区域空腔内的第一喷嘴(50)和在所述外壳(12)的上止点(48)的第二侧(56)从所述外壳(12)延伸进入所述中间排区域空腔(18)内的第二喷嘴(54)形成，其中，所述第二侧(56)在所述第一侧(52)的相反侧上，并且其中所述第一喷嘴(50)和所述第二喷嘴(54)远离所述外壳(12)的所述上止点(48)被引导。
14.根据权利要求13所述的涡轮发动机停机温度控制系统，其特征还在于，被定位在所述第一喷嘴(50)和所述第二喷嘴(54)之间的多排出喷嘴(70)。
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