CN105247169B - 调节的涡轮冷却系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于将冷却流从主气体流路(P)传递至涡轮转子(128)的流传递设备。该设备包括：第一供应气室(92)，其与主气体流路(P)和第一诱导器(148A)连通，第一诱导器(148A)配置成加速来自第一供应气室(92)的第一流体流并朝转子以切向速度排出第一流体流；第二供应气室(96)，其与主气体流路(P)和第二诱导器(148B)连通，第二诱导器(148B)配置成朝转子以切向速度加速来自第二供应气室(96)的第二流体流；以及冷却调节阀(98)，其可操作的以选择性地允许或阻止从主气体流路(P)到第二供应气室(96)的第二流体流。阀包括设置在主气体流路(P)中的流控制结构(108，110)和延伸到限定主气体流路(P)的壳体(76)的径向外侧位置的致动结构。

Description

调节的涡轮冷却系统
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机，更具体地，涉及用于给燃气涡轮发动机内的涡轮翼型提供冷却空气的方法和设备。
背景技术
在燃气涡轮发动机中，热气离开燃烧器并被涡轮利用于转换成机械能。该机械能驱动上游的高压压缩机。涡轮包括多个由涡轮转子承载的、与静止喷嘴列交替的叶片列。涡轮叶片和喷嘴经历腐蚀的高温燃气的流。这些“热段”构件通常由相对低温的冷却剂流冷却，比如从压缩机抽出(流出)的空气或压缩机排气。以这种方式使用从循环抽出的空气是可充气至热力循环，增加了燃料消耗率(“SFC”)，并且一般只要可能就避免或极小化。
一种已知类型的涡轮冷却系统使用诱导器来收集压缩机排气，使其加速并切向转弯，然后供给至涡轮转子。通常，涡轮冷却系统物理地配置成满足在例如起飞或初始爬升的高功率运行期间将经历的最大冷却需求。这导致在例如巡航飞行或下降的其他运行状态期间的过度的冷却能力。在这些状态下的冷却需求低得多，且实际地表示了发动机运行的主要时间。
已经做出尝试以在其他运行状态期间调节涡轮冷却流。这些通常需要遭受不期望的失效模式的发动机壳体外部的管系，或者在发动机内的高温环境下难以保持良好运行状态的内部控制阀。
因此，需要一种将以强健且经济的方式给翼型提供冷却的改进冷却系统。
发明内容
该需求通过本发明来解决，本发明提供一种涡轮冷却系统，其可操作的以调节冷却流至由诱导器阵列供给的旋转的涡轮叶片。在发动机运行期间，诱导器中的一些接收恒定的冷却空气流，同时其他诱导器通过能选择性关闭的装阀门的流路来供给。
根据本发明的一个方面，提供了调节的流传递设备，用于将冷却流从主气体流路传递至燃气涡轮发动机的涡轮转子，该设备包括：第一供应气室，其与主气体流路和多个第一诱导器连通，第一诱导器中的每一个配置成加速从第一供应气室接收的第一流体流，并且朝转子以切向速度分量排出第一流体流；第二供应气室，其与主气体流路和多个第二诱导器连通，第二诱导器中的每一个配置成朝转子以切向速度分量加速从第二供应气室接收的第二流体流；以及冷却调节阀，其可操作的以选择性地允许或阻止从主气体流路到第二供应气室的第二流体流，其中冷却调节阀包括设置在主气体流路中的流控制结构和从流控制结构延伸到限定主气体流路的壳体的径向外侧位置的阀动结构。
根据本发明的另一方面，提供了一种将冷却流从主气体流路传递至具有至少两种不同运行状态的燃气涡轮发动机的涡轮转子的方法。方法包括：在所有的发动机运行状态下，使第一流体流从主气体流路流过第一供应气室至多个第一诱导器，第一诱导器的每一个配置成加速第一流体流并朝涡轮转子以切向速度分量排出第一流体流；以及在部分但不是所有的运行状态下，使第二流体流从主气体流路流过冷却调节阀和第二供应气室至多个第二诱导器，第二诱导器中的每一个配置成加速第二流体流并朝涡轮转子以切向速度分量排出第二流体流；其中冷却调节阀包括设置在主气体流路中的流控制结构，以及从流控制结构延伸到限定主气体流路的壳体的径向外侧位置的阀动结构。
附图说明
本发明可通过参考下面结合附图的描述被最好地理解，其中：
图1是示例性的燃气涡轮发动机的剖视图；
图2是图1的发动机的一部分的半剖视图，示出了根据本发明的一个方面构造的涡轮冷却系统；
图3是图2的涡轮冷却系统的一部分的透视图；
图4是在关闭位置的冷却调节阀的剖视图；
图5是在打开位置的冷却调节阀的剖视图；以及
图6是并入备选的冷却调节阀的涡轮冷却系统的一部分的剖视图。
具体实施方式
本发明提供用于调节冷却流至由诱导器阵列供给的旋转的涡轮叶片的系统。在发动机运行期间，诱导器中的一些接收恒定的冷却空气流，同时其余诱导器通过装阀门的流路来供给，该流路能在选定的发动机运行状态期间选择性地关闭。
现在，参见附图，其中遍及各种视图相同的附图标记指示相同的元件，图1示出了示例性的燃气涡轮发动机组件10，其具有纵向轴线11。燃气涡轮发动机组件10包括风扇组件12和核心燃气涡轮发动机13。核心燃气涡轮发动机13包括高压压缩机14、燃烧器16和高压涡轮18。在示例性的实施例中，燃气涡轮发动机组件10还包括低压涡轮20和多级增压压缩机32，以及基本上围绕增压器32的分流器34。
风扇组件12包括从转子盘26径向向外延伸的风扇叶片24的阵列，其前部部分被流线型整流罩25封装。燃气涡轮发动机组件10具有进气侧28和排气侧30。风扇组件12、增压器32、和涡轮20通过第一转子轴21联接在一起，并且压缩机14和涡轮18通过第二转子轴22联接在一起。
在运行中，空气流动穿过风扇组件12且空气流的第一部分50被引导穿过增压器32。从增压器32排出的压缩空气被引导穿过压缩机14，在其中空气流被进一步压缩，然后输送到燃烧器16。来自燃烧器16的热的燃烧产物(图1中未示出)被用于驱动涡轮18和20，并且涡轮20被用于通过轴21驱动风扇组件12和增压器32。燃气涡轮发动机组件10在设计的运行状态和非设计的运行状态之间的运行状态范围内是可操作的。
从风扇组件12排出的空气流的第二部分52被引导穿过外涵道40，以使来自风扇组件12的空气流的一部分从核心燃气涡轮发动机13周围绕过。更具体地，外涵道40在风扇壳体或者护罩36与分流器34之间延伸。因此，来自风扇组件12的空气流的第一部分50如上所述的那样被引导穿过增压器32然后进入压缩机14，并且来自风扇组件12的空气流的第二部分52被引导穿过外涵道以给例如飞行器提供推力。分流器34将输入空气流分别分为第一部分50和第二部分52。燃气涡轮发动机组件10还包括风扇框架组件60，以给风扇组件12提供结构支撑，并且还被用于将风扇组件12联接至核心燃气涡轮发动机13。
风扇框架组件60包括在径向外侧安装法兰和径向内侧安装法兰之间基本径向地延伸的且在外涵道内周向地间隔的多个出口导叶70。风扇框架组件60还可包括联接在径向外侧安装法兰和径向内侧安装法兰之间的多个支柱。在一个实施例中，风扇框架组件60以弧形段制造，其中法兰联接到出口导叶70和支柱。在一个实施例中，出口导叶和支柱同轴地联接在外涵道内。任选地，出口导叶70可在外涵道40内联接在支柱的下游。
风扇框架组件60是用于有助于维持燃气涡轮发动机组件10内的各种构件的定向的燃气涡轮发动机组件10的各种框架和支撑组件中的一个。更具体地，这样的框架和支撑组件与静止的构件互连，并提供转子轴承支撑。风扇框架组件60在外涵道内联接在风扇组件12的下游，使得出口导叶70和支柱在风扇组件12的出口周围周向地隔开并延伸越过从风扇组件12排出的空气流路径。
尽管示出的发动机10是高涵道比涡轮风扇发动机，但是本文中描述的原理同样可应用于涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷射发动机、和涡轮轴发动机，以及用于其他车辆或静止应用中的涡轮发动机。
应指出，如本文中所使用的，术语“轴向的”或“纵向的”是指平行于纵向轴线11的方向，而“径向的”是指垂直于轴向方向的方向，并且“切向的”或“周向的”是指与轴向和切向方向相互垂直的方向。(见图3中的箭头“A”，“R”和“T”)。如本文中所使用的，术语“前”或“前面”是指相对于经过发动机10的空气流的相对上游的位置，术语“后”或“后面”是指在经过发动机10或在发动机10周围的空气流中的相对下游的位置。该流动的方向在图1中以箭头“F”示出。这些方向性术语仅用于方便描述，并且不要求由此描述的结构的特别定位。
图2更详细地示出了燃烧器16和直接围绕它的发动机结构。环形扩散器72设置在高压压缩机14的后面并用来引导压缩机排气到燃烧器16。扩散器72的外侧臂74连接到环形燃烧器壳体76，该壳体继而连接到环形涡轮壳体78。
扩散器72的内侧臂80连接到环形燃烧器支撑件82，该支撑件继而连接到被称为前内侧喷嘴支撑件84的环形结构。
燃烧器16包括环形内侧衬套86和外侧衬套88，以及在其前端处的环形穹顶结构90。穹顶结构90还连接到燃烧器壳体76。扩散器72、穹顶结构90、内侧衬套86、和外侧衬套88共同地限定主气体流路，标记为“P”。
燃烧器支撑件82、内侧衬套86、和内侧喷嘴支撑件84共同地限定位于燃烧器16的径向内部的第一供应气室92。该第一供应气室92通过在燃烧器支撑件82中形成的通道94的阵列对主气体流路P开放(最好参见图3)。
燃烧器支撑件82还限定设置在第一供应气室92的轴向前方的环形第二供应气室96。
提供一个或更多个冷却调节阀98，其与主气体流路P和第二供应气室96连通。一个冷却调节阀98在图2中示出，应理解所有的冷却调节阀98具有相同的构造。
冷却调节阀98并入设置在主气体流路P中的流控制结构，以及从流控制结构延伸到燃烧器壳体76外侧的阀动结构。如本文中所使用的，术语“流控制结构”是指用于实际限定流体流路以及允许或阻止穿过该流路的流的冷却调节阀98的元件。如本文中所使用的，“阀动结构”是指用于物理地操作流控制结构的冷却调节阀98的元件。
在示出的示例中(见图2，4，和5)，冷却调节阀98包括从第二供应气室96的套环外壳102延伸到燃烧器壳体76的大致圆柱形的阀体100。阀体100的径向内侧端104并入接收活塞108的圆柱形孔106。一个或更多个窗口110穿过径向内侧端104形成，与孔106连通。活塞108在关闭位置(图4)和打开位置(图5)之间是可移动的，在关闭位置它阻塞窗口110和孔106之间的流，在打开位置它允许从窗口110到孔106，并进而到第二供应气室96的流。活塞108、孔106、和窗口110共同限定用于所示的冷却调节阀98的“流控制结构”。
操作杆112设置在阀体100中并具有连接到活塞108的下端114和延伸到燃烧器壳体76的外侧、终止带有例如所示的杆端轴承的合适的连接器118的上端116。操作杆112可与活塞108成为一体。操作杆112连接到可操作以在两个阀位置之间移动操作杆112的合适的致动器(例如，机械的，电气的，气动的，或液压的—以113示意地显示)。操作杆112限定冷却调节阀98的“阀动结构”。冷却调节阀98可以是能移动到中间位置的“调节”型的，但是认为只使用两个位置(完全打开或完全关闭)的阀在燃气涡轮发动机的运行环境下提供更好的可靠性。
阀体100的径向外端包括例如使用螺纹紧固件(未示出)固定到燃烧器壳体76的法兰120。阀体100的径向内侧端被接收在套环外壳102中。环状套环122被设置在内侧端104周围的套环外壳102中并例如使用所示的活塞环124来密封至内侧端104和套环外壳102。这提供了空气密封，同时允许阀体100和燃烧器支撑件82的相对径向移动，由此适应发动机运行期间不相等的热增长。
上面描述的线性作用的阀98具有某些期望的性能。具体地，它表现出良好的密封性能，而且如果致动器113失效，占优势的流体压力趋于打开阀98，从而确保冷却空气被供应。其他类型的阀可以被使用。例如，图6描绘了备选的冷却调节阀198，其包括大致圆柱形的阀体200。阀体200的径向内侧端204并入接收插塞208的圆柱形孔206。窗口210形成穿过径向内侧端204，与孔206连通。插塞208大致上为D形截面，且在关闭位置和打开位置之间是可旋转的，在关闭位置它阻塞窗口210和孔206之间的流，在打开位置它允许从窗口210到孔206进而到第二供应气室96的流。插塞208、孔206、和窗口210共同定义用于示出的冷却调节阀198的“流控制结构”。操作杆212设置在阀体200中并具有连接到插塞208的下端214和延伸到燃烧器壳体76的外侧、终止带有例如示出的曲柄臂的合适的连接器218的上端216。连接器218连接到可操作以在两个阀位置之间移动操作杆212的合适的致动器(例如，机械的，电气的，气动的，或液压的—未示出)。操作杆212限定冷却调节阀198的“阀动结构”。
回头参考图2，包括一列静止的翼型状喷嘴翼型或叶片126的涡轮喷嘴设置在燃烧器16的下游端且由前内侧喷嘴支撑件84物理地支撑。
包括运载一列翼型状涡轮叶片130的可旋转盘128的涡轮转子直接设置在涡轮喷嘴翼型126的下游。各个涡轮叶片130包括燕尾榫132、柄部134、和翼型136。翼型136的内部空间138是中空的，并可以包括多种已知冷却配置中的任何一种，例如包括平行的径向或蛇形流动通道，其带有形成在其中的例如紊流器的各种结构以用于改善冷却空气效果。来自翼型内部空间138的用过的冷却空气可排出穿过例如后缘槽140的通路。冷却空气通过延伸穿过燕尾榫132和柄部134进入翼型136的一个或更多个供应通道142来供给给至翼型136。
环形旋转密封部件安装到盘128的向前面，并具有形成在其中的冷却入口孔洞的阵列。结合盘128，旋转密封部件限定用于冷却空气从冷却入口孔洞到涡轮叶片130的流路。
内侧喷嘴支撑件84并入多个诱导器148A，148B。诱导器148A，148B是被成形、确定大小、以及定位以沿与转子基本相切的方向引导空气流并将空气流加速到基本等于密封部件的切向速度的独立管道。
诱导器中的一些在本文中称为“非调节的诱导器”，并以148A指示。它们具有与第一供应气室92直接连通的上游端150A，以及直接定位在旋转密封部件的上游的下游端152A。从扩散器72穿过通路94和第一供应气室92至非调节的诱导器148A的空气流路在图2中用箭头U显示。
诱导器中的一些在本文中称为“调节的诱导器”，并以148B指示。每一个具有穿过轴向地延伸传递管154与第二供应气室96连通的上游端150B，以及直接定位在旋转密封部件的上游的下游端152B。从扩散器72穿过冷却调节阀98和第二供应气室96至调节的诱导器148B的空气流路在图2中用箭头M显示。
当冷却调节阀(或多个阀)98打开时，流路M从主气体流路P给调节的诱导器148B供应空气。当冷却调节阀(或多个阀)98关闭时，没有空气流被提供至调节的诱导器148B。
在例如起飞的最大需求或“最糟情况”的发动机运行状态期间，冷却系统被实施于特定的发动机，使得在所有的诱导器148A和148B是流动的时所有的涡轮冷却和扫气流需求被满足。这涉及对密封流、泄漏率、以及冷却孔洞大小、以及阀门、气室和系统内通路的大小的考量。
在例如高空巡航的需求较小的更普遍的发动机运行状态期间，选择许多的非调节的诱导器148A使得在只有非调节的诱导器148A是流动的时所有的涡轮冷却和扫气流被满足。当需要更高的冷却流时，运行调节的诱导器148B。该穿过调节的诱导器148B的流每次在空穴扫气流过量以及涡轮叶片冷却空气超出针对扫气流、盘和其他硬件的温度、以及叶片金属温度和返流余量的设计要求所需的量时被切断。例如，例如在图2中以156示意性示出的已知类型的全权数字发动机控制(FADEC)的发动机控制装置可联接到恰当的传感器，且可以根据需要命令致动器133打开冷却调节阀98。
上面描述的系统的优点是降低了燃料消耗并改善了发动机性能，同时仍然按照需求提供充足的冷却。
前面已经描述了用于燃气涡轮发动机的涡轮冷却系统和它的操作方法。在本说明书中(包括任何附随的权利要求，摘要和附图)所公开的所有特征，和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以任意组合来组合，除非组合中至少一些这样的特征和/或步骤是相互排斥的。
本说明书(包括任何附随的权利要求，摘要和附图)中所公开的每一个特征可以被供应相同、等同或类似目的的备选的特征取代，除非另有说明。因此，除非另有说明，所公开的每个特征仅是一类等同或类似特征的系列的一个示例。
本发明不限于前述(多个)实施例的细节。本发明延展本说明书(包括任何附随的权利要求，摘要和附图)中所公开特征的任何新颖的一个，或任何新颖的组合，或者至如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖的一个，或任何新颖的组合。

Claims (20)

1.一种调节的流传递设备，用于将冷却流从主气体流路(P)传递至燃气涡轮发动机的涡轮转子(128)，所述设备包括：
第一供应气室(92)，其与所述主气体流路(P)和多个第一诱导器(148A)连通，所述多个第一诱导器(148A)中的每一个配置成加速从所述第一供应气室(92)接收的第一流体流，并且朝所述涡轮转子以切向速度分量排出所述第一流体流；
第二供应气室(96)，其与所述主气体流路(P)和多个第二诱导器(148B)连通，所述多个第二诱导器(148B)中的每一个配置成朝所述涡轮转子以切向速度分量加速从所述第二供应气室(96)接收的第二流体流；以及
冷却调节阀(98)，其可操作的以选择性地允许或阻止从所述主气体流路(P)到所述第二供应气室(96)的所述第二流体流，其中所述冷却调节阀(98)包括设置在所述主气体流路(P)中的流控制结构和从所述流控制结构延伸到限定所述主气体流路(P)的壳体(76)的径向外侧位置的阀动结构。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一供应气室(92)部分地由内侧燃烧器衬套(86)和环形内侧喷嘴支撑件(84)之间的环形空间限定。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二供应气室(96)直接设置在所述第一供应气室(92)的轴向上游。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述多个第二诱导器(148B)中的每一个通过设置在所述第一供应气室(92)内的轴向延伸的传递管(154)来连接至所述第二供应气室(96)。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述流控制结构包括：
阀体(100)，其带有圆柱形孔(106)和形成穿过所述阀体(100)、与所述圆柱形孔(106)连通的窗口(110)；以及
活塞(108)，其被接收在所述圆柱形孔(106)中且在关闭位置和打开位置之间是可平移的，在该关闭位置它阻塞所述窗口(110)和所述圆柱形孔(106)之间的流，在该打开位置它允许从所述窗口(110)到所述圆柱形孔(106)的流。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，操作杆(112)设置在所述阀体(100)中并具有连接到所述活塞(108)的下端(114)和延伸到所述壳体(76)的外侧的上端(116)。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，还包括设置在所述壳体(76)的外侧并联接到所述操作杆的所述上端的致动器(113)。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述流控制结构包括：
阀体(200)，其带有圆柱形孔(206)和形成穿过所述阀体(200)、与所述圆柱形孔(206)连通的窗口(210)；
插塞(208)，其被接收在所述圆柱形孔(206)中且在关闭位置和打开位置之间是可旋转的，在该关闭位置它阻塞所述窗口(210)和所述圆柱形孔(206)之间的流，在该打开位置它允许从所述窗口(210)到所述圆柱形孔(206)的流。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述冷却调节阀(98)包括沿径向方向从所述第二供应气室(96)的套环外壳(102)延伸到所述壳体(76)的大致圆柱形的阀体(100)；
所述阀体(100)沿径向方向相对于所述套环外壳(102)是可移动的。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，环状套环(122)设置在围绕所述阀体(100)的内侧端的所述套环外壳(102)内。
11.一种将冷却流从主气体流路(P)传递至具有至少两种不同运行状态的燃气涡轮发动机的涡轮转子(128)的方法，所述方法包括：
在所有的发动机运行状态下，使第一流体流从所述主气体流路(P)流过第一供应气室(92)至多个第一诱导器(148A)，所述多个第一诱导器(148A)中的每一个配置成加速所述第一流体流并朝所述涡轮转子(128)以切向速度分量排出所述第一流体流；以及
在一些但不是所有的所述运行状态下，使第二流体流从所述主气体流路(P)流过冷却调节阀(98)和第二供应气室(96)至多个第二诱导器(148B)，所述多个第二诱导器(148B)中的每一个配置成加速所述第二流体流并朝所述涡轮转子(128)以切向速度分量排出所述第二流体流；
其中所述冷却调节阀(98)包括设置在所述主气体流路(P)中的流控制结构，和从所述流控制结构延伸到限定所述主气体流路(P)的壳体(76)的径向外侧位置的阀动结构。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一供应气室(92)部分地由内侧燃烧器衬套(86)和环形内侧喷嘴支撑件(84)之间的环形空间限定。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二供应气室(96)直接设置在所述第一供应气室(92)的轴向上游。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第二流体流通过设置在所述第一供应气室(92)内的轴向延伸的传递管(154)从所述第二供应气室(96)传递到所述多个第二诱导器(148B)中的每一个。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述流控制结构包括：
阀体(100)，其带有圆柱形孔(106)和形成穿过所述阀体(100)、与所述圆柱形孔(106)连通的窗口(110)；
活塞(108)，其被接收在所述圆柱形孔(106)中且在关闭位置和打开位置之间是可平移的，在该关闭位置它阻塞所述窗口(110)和所述圆柱形孔(106)之间的流，在该打开位置它允许从所述窗口(110)到所述圆柱形孔(106)的流。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，操作杆(112)设置在所述阀体(100)中，并具有连接到所述活塞(108)的下端(114)和延伸到所述壳体(76)的外侧的上端(116)。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，致动器(113)设置在所述壳体(76)的外侧并联接到所述操作杆(112)的所述上端。
18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述流控制结构包括：
阀体(200)，其带有圆柱形孔(206)和形成穿过所述阀体(200)、与所述圆柱形孔(206)连通的窗口(210)；
插塞(208)，其被接收在所述圆柱形孔(206)中且在关闭位置和打开位置之间是可旋转的，在该关闭位置它阻塞所述窗口(210)和所述圆柱形孔(206)之间的流，在该打开位置它允许从所述窗口(210)到所述圆柱形孔(206)的流。
19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：
所述冷却调节阀(98)包括沿径向方向从所述第二供应气室(96)的套环外壳(102)延伸到所述壳体(76)的大致圆柱形的阀体(100)；
所述阀体(100)沿径向方向相对于所述套环外壳(102)是可移动的。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，环状套环(122)设置在围绕所述阀体(100)的内侧端(104)的所述套环外壳(102)内。
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