CN105209723B - 用于燃气涡轮发动机的中框架壳体的热屏蔽歧管系统 - Google Patents
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Abstract
公开一种用于压气机(14)与涡轮组件(16)之间的内壳(12)的热屏蔽歧管系统(10)。热屏蔽歧管系统(10)保护外壳体(18)不受高温压气机排放空气的影响，由此使得在压气机(14)与涡轮组件(16)之间延伸的外壳体(18)能够由与否则的话将要求的相比不太昂贵的材料形成。另外，热屏蔽歧管系统(10)可以被配置成使得压气机泄放空气被从压气机(14)传递到热屏蔽歧管系统(10)内而没有经过易发生泄漏的传统凸缘‑凸缘接头。
Description
关于联邦资助研究或开发的声明
本发明的开发部分地由美国能源部关于先进涡轮机开发计划的合同编号为DE-FC26-05NT42644-Sub011的支持。因此，美国政府可以具有本发明中的某些权利。
技术领域
本发明大体指向于涡轮发动机，并且更特别地指向于涡轮发动机中的冷却流体供给系统。
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、用于将压缩气体与燃料混合并将混合物点燃的燃烧器和用于产生动力的涡轮叶片组件。燃烧器经常在可超过2,500华氏度的高温下操作。典型的涡轮燃烧器配置使涡轮叶片组件暴露于这些高温中。作为结果，涡轮叶片和涡轮翼片必须由能够承受这样的高温的材料制成。涡轮叶片、翼片和其他部件经常含有用于延长这些物品的寿命并降低作为过高温度的结果而故障的可能性的冷却系统。
典型地，中框架壳体在压气机与排出壳体之间并且在一些配置中在压气机壳体与排出壳体之间延伸。中框架壳体经常将压气机泄放空气经过通道输送至涡轮转子组件。当中框架外壳空气温度超过450摄氏度时，大部分常用的钢合金变成蠕变极限。随时间推移，材料变得脆化并且在高于450摄氏度的温度时遭受永久蠕变变形。因此，当设计要求增加并且峰值压气机排放温度接近550摄氏度时，使用标准合金和传统技术来满足160,000小时且5,000起动部件寿命周期阈值变得不太可能。
发明内容
本发明涉及公开一种用于压气机与涡轮组件之间的内壳的热屏蔽歧管系统。热屏蔽歧管系统保护外壳体不受高温压气机排放空气的影响，由此使得在压气机与涡轮组件之间延伸的外壳体能够由与否则的话将要求的相比不太昂贵的材料形成。另外，热屏蔽歧管系统可以被配置成使得压气机泄放空气被从压气机传递到热屏蔽歧管系统内而没有经过易发生泄漏的传统凸缘-凸缘接头。
热屏蔽歧管系统可以被包括在涡轮发动机内并且可以包括位于转子组件上游的一个或多个燃烧器。转子组件可以包括从转子径向向外延伸的至少第一、第二排的涡轮叶片。涡轮发动机还可以包括位于燃烧器上游的压气机并可以包括径向向内延伸且终止于转子组件附近的一个或多个排的涡轮翼片。涡轮发动机还可以包括与涡轮翼型连通的涡轮翼型冷却室和从压气机的下游端部区域延伸至转子组件的上游端部区域的内壳体。涡轮发动机可以包括位于内壳体的径向向外且周向上包封内壳体的热屏蔽壁，由此在内壳体的外表面上形成热屏蔽歧管。热屏蔽壁可以与压气机排气连通使得压气机排气将冷却流体供给至热屏蔽歧管，并且与涡轮翼型冷却室连通使得热屏蔽歧管将冷却流体供给至涡轮翼型冷却室。在一个实施例中，涡轮翼型冷却室可以是将冷却流体提供至第二排涡轮翼片的涡轮翼片第二排冷却空气室。
涡轮发动机也可以包括从压气机的下游端部区域延伸至转子组件的上游端部区域且周向上包封热屏蔽壁的外壳体。在一个实施例中，热屏蔽歧管可以通过外壳体的径向向内的支撑凸缘中的至少一个孔与压气机连通，这消除了凸缘-凸缘泄漏的可能性。在另一实施例中，跨接导管可以在压气机与热屏蔽歧管之间延伸。跨接导管可以至少部分地在从压气机的下游端部区域延伸至转子组件的上游端部区域且周向上包封热屏蔽壁的外壳体的外部延伸。热屏蔽歧管系统还可以包括被配置成在冷却流体被传递到热屏蔽歧管之前使来自压气机的冷却流体变冷的热交换器。在又一实施例中，热屏蔽歧管系统可以包括在压气机与涡轮翼型冷却室之间延伸的排气导管。排气导管可以至少部分地在从压气机的下游端部区域延伸至转子组件的上游端部区域且在周向上包封热屏蔽壁的外壳体的外部延伸。
热屏蔽歧管系统可以包括被配置成使压气机泄放流体动态节流到跨接导管内的一个或多个跨接节流系统，或可以包括被配置成使压气机泄放流体动态节流到涡轮翼型冷却室内的一个或多个翼型冷却室节流系统，或者可以包括这两个系统。在一个实施例中，跨接节流系统可以由控制通过跨接导管的冷却流体的流动的至少一个阀形成。翼型冷却室节流系统可以由控制通过排气导管进入涡轮翼型冷却室内的冷却流体的流动的至少一个阀。
本发明的优点在于，发明保护从压气机的下游端部区域延伸至转子组件的上游端部并且周向上包封内屏蔽件的外壳体不受高温压气机排放空气的影响。
本发明的另一优点在于，通过使外壳体与高温压气机排放空气屏蔽使得外壳体能够由诸如但不限于低成本的钢合金等的不太昂贵的材料形成。
本发明的又一优点在于，本发明在压气机排放空气的温度接近或超过对于钢的蠕变机制(creep regime)的高端或者脆化温度的涡轮发动机中是有用的。
本发明的另一优点在于，它可以在具有或没有冷却器或加热器或两者的状态下使用，来调节瞬态期间的壳温度以通过降低转子与壳之间的热滞后主动地控制叶片顶端间隙。
下面更加详细地描述这些以及其他实施例。
附图说明
被包含在说明书中并形成其一部分的附图图示出当前公开的发明的实施例并且与描述一起公开了发明的原理。
图1是包括位于涡轮组件的上游并且经由中框架内壳体被联接到一起的压气机并进一步包括热屏蔽歧管系统的涡轮发动机的一部分的截面侧视图。
图2是热屏蔽歧管系统的另一实施例的截面侧视图。
图3是热屏蔽歧管系统的另一实施例的截面侧视图。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明指向于公开一种用于压气机14与涡轮组件16之间的内壳12的热屏蔽歧管系统10。热屏蔽歧管系统10保护外壳体18不受高温压气机排放空气的影响，由此使得在压气机14与涡轮组件16之间延伸的外壳体18能够由与否则的话将要求的相比不太昂贵的材料形成。另外，热屏蔽歧管系统10可以被配置成使得压气机泄放空气被从压气机14传递到热屏蔽歧管系统10内而没有经过易发生泄漏的传统凸缘-凸缘接头。
热屏蔽歧管系统10可以位于涡轮发动机20内，涡轮发动机20可由位于转子组件24上游的一个或多个燃烧器22形成。转子组件24可以包括从转子32径向向外延伸的至少第一和第二排26、28的涡轮叶片30。压气机14可以位于燃烧器22的上游。一个或多个排的涡轮翼片34可以径向向内延伸并且可以终止于转子组件24附近。涡轮翼型冷却室36可以与涡轮翼型38连通，并且更特别地与诸如但不限于涡轮翼片34等的涡轮翼型38内的冷却系统40连通。
内壳体12可以从燃烧器22的下游端部区域42延伸至转子组件24的上游端部区域44。热屏蔽壁46可以位于内壳体12的径向外侧。在至少一个实施例中，热屏蔽壁46可以在周向上包封内壳体12，由此在内壳体12的外表面50上形成热屏蔽歧管48。热屏蔽壁46可以与压气机排气52连通使得压气机排气52将冷却流体供给至热屏蔽歧管48。热屏蔽壁46也可以与涡轮翼型冷却室36连通使得热屏蔽歧管48将冷却流体供给至涡轮翼型冷却室36。在至少一个实施例中，涡轮翼型冷却室36可以是将冷却流体提供至第二排涡轮翼片34的涡轮翼片第二排冷却空气室。
热屏蔽壁46可以由一个或多个隔开的支撑件72支撑。隔开的支撑件72可以从内壳体12径向向外延伸，并且可以在周向和轴向上间隔开以为热屏蔽壁46提供抵着压力负载的支撑。隔开的支撑件72的间距和高度可以被调整以提供热屏蔽壁46的适当的冷气流动需求和结构支撑。热屏蔽壁46的前、后端部74、76可以借助于诸如但不限于角焊(fillet weld)等的焊接被附接至外壳体18。另外，热屏蔽46可以包括燃烧入口使得燃烧器火焰筒(combustor basket)能够延伸穿过热屏蔽壁46和内壳体12。热屏蔽壁46可以经由对外壳18的满箍(full hoop)角焊被焊接至燃烧入口。这些焊接防止高温压气机排放空气的流入受到热屏蔽歧管48的影响。
热屏蔽壁46可以由能够承受外壳体18与热屏蔽壁46之间的热生长差异的诸如但不限于低强度延展性钢合金等的任何合适的延展性材料形成。为了抵消外壳体18与热屏蔽壁46之间的热应力，犬腿部78被包含在热屏蔽壁46的后端部76上以提供轴向柔性。犬腿部78可以围绕内壳体12周向地延伸。与外壳体18相似，热屏蔽壁46可以在水平接头处被分开以形成两个部分。这些部分可以经由水平夹持负载在这些水平接头处被密封。
涡轮发动机20还可以包括从燃烧器22的下游端部区域42延伸至转子组件24的上游端部区域44并周向上包封热屏蔽壁46的外壳体18。在至少一个实施例中，如图1和图3所示，热屏蔽歧管系统10可以包括在压气机14与热屏蔽歧管48之间延伸的跨接导管54。跨接导管54可以具有任何截面形状并且可以具有任何尺寸以创建跨越跨接导管54的必要的压力轮廓。在至少一个实施例中，一个或多个热交换器56可以被配置成在冷却流体被传递到热屏蔽歧管48之前使来自压气机14的冷却流体变冷。热交换器56可以被配置成用作冷却器或可以被配置成用作加热器。在又一实施例中，一个或多个热交换器56可以起到冷却器的作用并且一个或多个热交换器56可以起到加热器的作用。
在另一实施例中，如图3所示，热屏蔽歧管系统10可以包括在压气机14与涡轮翼型冷却室36之间延伸以将冷却流体直接提供至涡轮翼型冷却室36的一个或多个排气导管58。热屏蔽歧管系统10还可以包括被配置成使压气机泄放流体动态节流到跨接导管54内的一个或多个跨接节流系统60。在至少一个实施例中，跨接节流系统60可以由控制通过跨接导管54的冷却流体的流动的一个或多个阀62形成。热屏蔽歧管系统10还可以包括被配置成使压气机泄放流体动态节流到涡轮翼型冷却室36内的一个或多个翼型冷却室节流系统64。在至少一个实施例中，翼型冷却室节流系统64可以由控制通过排气导管58进入到涡轮翼型冷却室36内的冷却流体的流动的一个或多个阀66形成。跨接导管54可以至少一部分在从燃烧器22的下游端部区域42延伸至转子组件24的上游端部区域44并周向上包封热屏蔽壁46的外壳体18的外部延伸。
在又一实施例中，如图2所示，排气导管58可以在压气机14与涡轮翼型冷却室36之间延伸。排气导管58可以至少部分地在从燃烧器22的下游端部区域42延伸至转子组件24的上游端部区域44并可周向上包封热屏蔽壁46的外壳体18的外部延伸。热屏蔽歧管48可以通过位于外壳体18的径向内侧的支撑凸缘70中的一个或多个孔68与压气机14连通，这消除了凸缘-凸缘泄漏的可能性。
在使用期间，诸如但不限于空气等的压气机泄放流体可以从压气机14通过热屏蔽歧管系统10流动至涡轮翼型冷却室36，以防止压气机泄放流体接触外壳体18。如图2所示，压气机泄放流体可以从压气机14流动通过支撑凸缘70中的孔68并进入热屏蔽歧管48内。流体可以接着流过热屏蔽歧管48并进入涡轮翼型冷却室36内。在另一实施例中，如图1所示，压气机泄放流体可以从压气机14流动通过跨接导管54并进入热屏蔽歧管48内。流体可以接着流过热屏蔽歧管48并进入涡轮翼型冷却室36。在又一实施例中，如图3所示，压气机泄放流体可以从压气机14流动通过跨接导管54并进入热屏蔽歧管48内。流体可以接着流过热屏蔽歧管48并进入涡轮翼型冷却室36内。压气机泄放流体也可以从压气机14通过排气导管58流动至涡轮翼型冷却室36。压气机泄放流体的通过跨接导管54和排气导管58的流动可以通过跨接节流系统60和翼型冷却室节流系统64的使用来调节。跨接节流系统60和翼型冷却室节流系统64可以被手动或自动地控制。
之前所述是为了图示、说明和描述本发明的实施例的目的而提供的。对这这些实施例进行修改和改变对本领域技术人员而言是显而易见的并且可以在不脱离本发明的范围或精神的情况下进行。
Claims (14)
1.一种涡轮发动机(20)，其特征在于：
位于转子组件(24)的上游的至少一个燃烧器(22)，其中所述转子组件(24)包括从转子(32)径向向外延伸的至少第一和第二排(26，28)的涡轮叶片(30)；
位于所述至少一个燃烧器(22)的上游的压气机(14)；
径向向内延伸且终止于所述转子组件(24)附近的至少一排的涡轮翼片(34)；
与涡轮翼型(38)连通的涡轮翼型冷却室(36)；
从所述压气机(14)的下游端部区域延伸至所述转子组件(24)的上游端部区域(44)的内壳体(12)；和
位于所述内壳体(12)的径向向外并在周向上包封所述内壳体(12)的热屏蔽壁(46)，由此在所述内壳体(12)的外表面(50)上形成热屏蔽歧管(48)；
其中所述热屏蔽壁(46)与压气机排气(52)连通，使得所述压气机排气(52)将冷却流体供给至所述热屏蔽歧管(48)，并且与涡轮翼型冷却室(36)连通，使得所述热屏蔽歧管(48)将冷却流体提供至所述涡轮翼型冷却室(36)。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机(20)，其特征在于，所述涡轮翼型冷却室(36)是将冷却流体提供至第二排涡轮翼片(34)的涡轮翼片第二排冷却空气室。
3.根据权利要求1所述的涡轮发动机(20)，其特征进一步在于，外壳体(18)从所述压气机(14)的下游端部区域延伸至所述转子组件(24)的上游端部区域(44)并在周向上包封所述热屏蔽壁(46)。
4.根据权利要求1所述的涡轮发动机(20)，其特征进一步在于，跨接导管(54)在所述压气机(14)与所述热屏蔽歧管(48)之间延伸。
5.根据权利要求4所述的涡轮发动机(20)，其特征进一步在于，热交换器(56)被配置成在所述冷却流体被传递到所述热屏蔽歧管(48)之前使来自所述压气机(14)的冷却流体变冷。
6.根据权利要求4所述的涡轮发动机(20)，其特征进一步在于，排气导管(58)在所述压气机(14)与所述涡轮翼型冷却室(36)之间延伸。
7.根据权利要求6所述的涡轮发动机(20)，其特征进一步在于，至少一个跨接节流系统(60)被配置成动态地节流进入到所述跨接导管(54)内的压气机泄放流体。
8.根据权利要求7所述的涡轮发动机(20)，其特征进一步在于，至少一个翼型冷却室节流系统(64)被配置成动态地节流进入到所述涡轮翼型冷却室(36)内的压气机泄放流体。
9.根据权利要求7所述的涡轮发动机(20)，其特征在于，所述至少一个跨接节流系统(60)是控制通过所述跨接导管(54)的冷却流体的流动的至少一个阀(62)。
10.根据权利要求6所述的涡轮发动机(20)，其特征进一步在于，至少一个翼型冷却室节流系统(64)被配置成动态节流进入到所述涡轮翼型冷却室(36)内的压气机泄放流体。
11.根据权利要求10所述的涡轮发动机(20)，其特征在于，所述至少一个翼型冷却室节流系统(64)是控制通过所述排气导管(58)进入到所述涡轮翼型冷却室(36)内的冷却流体的流动的至少一个阀(66)。
12.根据权利要求4所述的涡轮发动机(20)，其特征在于，所述跨接导管(54)至少部分地在外壳体(18)的外部延伸，所述外壳体(18)从所述压气机(14)的下游端部区域(42)延伸至所述转子组件(24)的上游端部区域(44)并在周向上包封所述热屏蔽壁(46)。
13.根据权利要求1所述的涡轮发动机(20)，其特征进一步在于，排气导管(58)在所述压气机(14)与所述涡轮翼型冷却室(36)之间延伸；其中所述排气导管(58)至少部分地在外壳体(18)的外部延伸，所述外壳体(18)从所述压气机(14)的下游端部区域(42)延伸至所述转子组件(24)的上游端部区域(44)并周向上包封所述热屏蔽壁(46)。
14.根据权利要求1所述的涡轮发动机(20)，其特征在于，所述热屏蔽歧管(48)通过外壳体(18)的径向向内的支撑凸缘(70)中的至少一个孔(68)与所述压气机(14)连通，这消除了凸缘-凸缘泄漏的可能性。
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