CN105264179B - 涡轮汽缸腔室加热循环系统 - Google Patents

涡轮汽缸腔室加热循环系统 Download PDF

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Abstract

公开了一种涡轮发动机加热系统(10)，被构造成加热压气机和涡轮叶片总成(12、14)以消除燃气涡轮发动机(16)热重启过程中的涡轮机和压气机叶片顶端摩擦。涡轮发动机加热系统(10)可以包括加热气体抽取系统(18)，其被构造成从所述涡轮发动机(16)回收气体，然后将该气体送至加热元件(20)，加热元件(20)被构造成增大由加热气体抽取系统(18)供给的气体的温度。气体然后经由气体移动设备(24)送到加热气体供给系统(22)。加热气体供给系统(22)可以与涡轮发动机(16)的位于至少一个涡轮总成(14)径向外侧的涡轮汽缸腔室(26)连通。经加热的气体可以被送到涡轮汽缸腔室(26)中以降低在熄火之后热重启之前涡轮导叶承载件(28)的冷却速率，从而限制顶端摩擦。

Description

涡轮汽缸腔室加热循环系统
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机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给这些高温。
因为这些燃气涡轮发动机的大质量，发动机在熄火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。壳体部件由于自然对流从上到下以不同速率冷却。结果，壳体在下部相对于上部冷却较快，在完全冷却之前，壳体在熄火过程中呈现变形的形状。相对于较冷的下表面，壳体的较热的上表面使壳体热地弯曲或者向上弓起。如果发动机在壳体变型的时候进行重启，则叶片顶端将具有由于向上弓起而在下部位置处干涉的趋势。因此，如果期望在完全冷却之前启动燃气涡轮，则存在如下显著的风险：由于外壳体的变形的形状，涡轮叶片顶端和发动机的下部的叶片环之间发生干涉，由于干涉导致的涡轮叶片顶端摩擦，导致损坏涡轮机叶片。因此，存在熄火之后减少涡轮导叶承载件和叶片环冷却的需求。
发明内容
本发明涉及被构造成加热压气机和涡轮叶片总成以消除燃气涡轮发动机热重启过程中涡轮机和压气机叶片顶端摩擦的涡轮发动机加热系统。涡轮发动机加热系统可以包括加热气体抽取系统，其被构造成从涡轮发动机回收气体并将使气体经过加热元件，该加热元件被构造成增大由加热气体抽取系统供给的气体的温度。气体然后经由气体移动设备送到加热气体供给系统。加热气体供给系统可以与涡轮发动机的位于至少一个涡轮总成径向外侧的涡轮汽缸腔室连通。经加热的气体可以被送到涡轮汽缸腔室中以通过加热涡轮导叶承载件降低在熄火之后热重启之前的涡轮导叶承载件的冷却速率，从而限制顶端摩擦。类似地，经加热的气体可以经由压气机加热系统送至压气机壳腔室以加热压气机导叶承载件，从而防止涡轮导叶承载件由于压气机导叶承载件的上段和中段之间的热学梯度导致的材料生长而形成椭圆形截面。
具有涡轮发动机加热系统的涡轮发动机可以被构造成用于控制发动机熄火之后热重启之前的涡轮导叶承载件温度，并且可以包括被构造成从涡轮发动机回收气体的加热气体抽取系统和被构造成增大由加热气体抽取系统供给的气体的温度的加热元件。涡轮发动机加热系统还可以包括加热气体供给系统，该加热气体供给系统具有与加热元件连通的入口并且包括与涡轮发动机的位于一个或多个涡轮总成径向外侧的涡轮汽缸腔室连通的一个或多个出口。
加热气体供给系统的出口可以由第一出口形成，所述第一出口位于第一水平接头的30度范围内，所述第一水平接头接合壳体的形成涡轮汽缸腔室的至少一部分的第一和第二段，其中所述第一出口可以位于壳体的第一侧。第二出口可以位于壳体的形成涡轮汽缸腔室的至少一部分的第一和第二段之间的第二水平接头的30度范围内，其中，所述第二出口位于壳体的第二侧。在另一实施方式中，第三出口在第一水平接头的30度范围内并且在第一水平接头的与所述第一出口相反的一侧被定位在壳体的第一侧；第四出口在第二水平接头的30度范围内并且在第二水平接头的与所述第二出口相反的一侧被定位在壳体的第二侧。
加热气体抽取系统可以构造成从涡轮发动机的涡轮发动机燃烧室壳回收气体。加热气体抽取系统还可以包括与涡轮发动机燃烧室壳连通的至少一个入口。入口可以包括喇叭口以使压力损失最小化。
涡轮发动机加热系统还可以包括与加热元件流体连通的气体移动设备。在一个实施方式中，气体移动设备可以是，但是不限于鼓风机。鼓风机可以位于加热元件的上游。鼓风机可以构造成以至少高达2500rpm运转。
涡轮发动机加热系统还可以包括压气机加热系统，该压气机加热系统从涡轮汽缸腔室延伸，并且终止于压气机供气装置。在一个实施方式中，压气机供气装置可以是压气机壳腔室。压气机加热系统还可以包括在上止点的30度范围内与涡轮汽缸腔室连通的第一入口。压气机加热系统还可以包括在下止点的30度范围内与涡轮汽缸腔室连通的第二入口。在另一实施方式中，在上止点不存在入口的情况下，压气机加热系统还可以包括在下止点的30度范围内与涡轮汽缸腔室连通的入口。涡轮发动机加热系统可以包括用于隔离所述加热气体抽取系统以防止气体与涡轮发动机交换的至少一个阀以及用于将加热气体供给系统与涡轮发动机的涡轮汽缸腔室隔离的至少一个阀。
本发明的优势在于，输送到涡轮汽缸腔室的经加热的气体降低了熄火之后涡轮导叶承载件的冷却速率，由此防止了涡轮导叶承载件发展成椭圆截面并且在燃气涡轮发动机热启动过程中产生涡轮叶片顶端摩擦。
本发明的另一优势在于，输送到压气机壳腔室的经加热的气体降低了熄火之后压气机导叶承载件的冷却速率，由此防止了压气机导叶承载件发展成椭圆截面并且在燃气涡轮发动机热启动过程中产生压气机叶片顶端摩擦。
本发明的又一优势在于，涡轮发动机加热系统可以安装在现有燃气涡轮发动机中，由此通过使得能够发生热启动而不是等上数天使燃气涡轮发动机足够冷却到安全启动，而使得正在使用的燃气涡轮发动机更有效率。
本发明的另一优势在于，由涡轮发动机加热系统经加热的气体在涡轮汽缸腔室以及在压气机壳腔室中均匀的温度分布克服了任何浮力效应的形成，因此防止了环形的涡轮汽缸腔室和压气机壳腔室由于竖直温度梯度而成椭圆形。
本发明的又一优势在于，涡轮汽缸腔室和压气机壳腔室中的均匀的腔室气体有助于减轻形成涡轮汽缸腔室的壳体和压气机壳的竖向梯度。
本发明的另一优势在于，将大约350摄氏度的经加热的气体注入涡轮汽缸腔室导致1号和2号涡轮导叶承载件保持热膨胀，由此将第1排中的叶片环增大大约0.40mm，将第2排中的叶片环增大大约0.65mm。
本发明的又一优势在于，涡轮发动机加热系统通过减小从上到下的温度梯度而减小了弓起情形。
本发明的另一优势在于，涡轮发动机加热系统的使用在燃气涡轮发动机的冷启动条件下也是有益的，其中两小时的预热可以将冷启动扭点(pinch point)间隙增大1mm，四小时的预热可以将冷启动扭点间隙增大1.2mm。
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是本发明的包括涡轮发动机加热系统的燃气涡轮发动机的横截面侧视图。
图2是示出图1中细节2处具有邻近的涡轮导叶承载件的涡轮转子总成的、燃气涡轮发动机的局部的详细视图。
图3是图2中细节3处第1排涡轮机叶片和邻近的叶片环之间的间隙的详细视图。
图4是图2中细节4处第2排涡轮机叶片和邻近的叶片环之间的间隙的详细视图。
图5是具有细节5处涡轮发动机加热系统的一部分的燃气涡轮发动机的局部横截面侧视图。
图6是关于从图1中截面线6-6的视角观察的涡轮发动机加热系统的、图1中示出的涡轮发动机的涡轮汽缸腔室的示意图。
图7是形成涡轮汽缸并且局部地形成涡轮汽缸腔室的壳体的侧视图。
图8是沿图7中截面线8-8截取的涡轮汽缸的截面图。
图9是图8中细节9处涡轮腔室的壳体端口的详细视图。
图10是形成燃烧室壳并且局部地形成燃烧室壳腔室的壳体的右侧视图。
图11是燃烧室壳的前视图。
图12是图10中细节12A处燃烧室壳的壳体端口的详细视图。
具体实施方式
如图1-12所示，本发明涉及涡轮发动机加热系统10，其被构造成在燃气涡轮发动机16的热重启过程中加热压气机和涡轮叶片总成12、14以消除涡轮和压气机叶片顶端摩擦。涡轮发动机加热系统10可以包括加热气体抽取系统18，该加热气体抽取系统18被构造成从涡轮发动机16回收气体并使该气体经过加热元件20，该加热元件20被构造成增大由加热气体抽取系统18供给的气体的温度。气体然后经由气体移动设备24被送至加热气体供给系统22。加热气体供给系统22可以与涡轮发动机16的位于至少一个涡轮总成14的径向外侧的涡轮汽缸腔室26连通。经加热的气体可以被送入涡轮汽缸腔室26以降低涡轮导叶承载件28在熄火之后热重启之前的冷却速率，从而限制顶端摩擦。
如图2、6和8所示，加热气体供给系统22可以被构造成用于通过在接近水平接头36、48的位置将经加热的气体送到涡轮汽缸腔室26来控制发动机熄火之后且热重启之前的涡轮导叶承载件温度，水平接头36、48通常位于涡轮汽缸腔室26的上止点56和下止点58之间。该构造能够将经加热的气体送到涡轮汽缸腔室26中并限制涡轮叶片总成14的冷却速率。在一个实施方式中，如图6所示，加热气体供给系统22可以包括与加热元件20连通的入口30，并且如图7-9所示，可以包括与涡轮发动机16的位于一个或多个涡轮总成14的径向外侧的涡轮汽缸腔室26连通的至少一个出口32。加热气体供给系统的出口32可以由位于第一水平接头36的30度范围内的第一出口34形成，第一水平接头将形成涡轮汽缸腔室26的至少一部分的壳体42的第一和第二段38、40接合，其中第一出口34位于壳体42的第一侧44。在另一实施方式中，出口32可以位于第一水平接头36的10度范围内。加热气体供给系统22还可以包括位于第二水平接头48的30度范围内的第二出口46，第二水平接头48位于形成涡轮汽缸腔室26的至少一部分的壳体42的第一和第二段38、40之间，其中第二出口46位于壳体42的第二侧50。壳体42的第二侧50可以位于第一侧44的相反侧。在另一实施方式中，第二出口46可以位于第二水平接头48的10度范围内。
在又一实施方式中，如图6所示，加热气体供给系统22可以包括第三出口52，该第三出口52在第一水平接头36的30度范围内并且在第一水平接头36的与第一出口34相反的一侧被定位在壳体42的第一侧44。在另一实施方式中，第三出口52可以位于第一水平接头36的10度范围内。加热气体供给系统22还可包括第四出口54，该第四出口54在第二水平接头48的30度范围内并且在第二水平接头48的与第二出口46相反的一侧被定位在壳体42的第二侧50。在另一实施方式中，第四出口54可以位于第二水平接头48的10度范围内。
如图1和5所示，涡轮发动机加热系统10还可以包括被构造成从涡轮发动机16回收气体的加热气体抽取系统18。在至少一个实施方式中，加热气体抽取系统18可以构造成从涡轮发动机16的中间框架腔室60回收气体。在至少一个实施方式中，中间框架腔室60可以是涡轮发动机燃烧室壳62。因此，加热气体抽取系统18可以构造成从涡轮发动机16的涡轮发动机燃烧室壳62回收气体。加热气体抽取系统18还可以包括与涡轮发动机燃烧室壳62连通的一个或多个入口64。加热气体抽取系统18的入口64还可以包括喇叭口66，如图12所示，以使压力损失最小化。涡轮发动机加热系统10还可以包括用于隔离加热气体抽取系统18以防止气体与涡轮发动机16交换的一个或多个阀80。涡轮发动机加热系统10还可以包括用于将加热气体供给系统10与涡轮发动机16的涡轮汽缸腔室26隔离的一个或多个阀80。
涡轮发动机加热系统10还可以包括被构造成增大由加热气体抽取系统18供给的气体的温度的加热元件20。加热元件20可以构造成将气体加热到300摄氏度和500摄氏度之间。在至少一个实施方式中，加热元件20可以构造成将气体加热到335摄氏度和365摄氏度之间。在又一实施方式中，加热元件20可以构造成将气体加热到350摄氏度。
涡轮发动机加热系统10还可以包括与加热元件20流体连通的一个或多个气体移动设备24。在一个实施方式中，气体移动设备24可以是鼓风机68。鼓风机68可以位于加热元件20的上游。鼓风机68可以经由一个或多个充气室或其他适应的结构连接到加热元件20。鼓风机68可以构造成以至少高达2500转每分(rpm)来运行。
涡轮发动机加热系统10还可以包括用于在熄火之后热重启之前加热压气机叶片总成12以消除燃气涡轮发动机16热重启过程中的压气机叶片顶端摩擦的一个或多个压气机加热系统70。压气机加热系统70可以从涡轮汽缸腔室26延伸，并且可以终止于压气机供气装置72。在至少一个实施方式中，压气机供气装置72可以是压气机壳腔室74。如图10-12所示，压气机加热系统70还可以包括第一入口76，该第一入口76在上止点56的30度范围内与涡轮汽缸腔室26连通。在另一实施方式中，第一入口76可以位于上止点56的10度范围内。压气机加热系统70还可以如下入口：该入口可以作为除第一入口76以外的与涡轮汽缸腔室26连通的第二入口78或者在没有第一入口76的情况下与涡轮汽缸腔室26连通的第二入口78。第二入口78可以位于下止点58的30度范围内。在另一实施方式中，第二入口78可以位于下止点58的10度范围内。
涡轮发动机加热系统10经常可以用于消除在燃气涡轮发动机16热重启过程中涡轮机和压气机叶片顶端摩擦，该摩擦可以发生在涡轮机叶片90的顶端88和叶片环92位置处，如图3和4所示。涡轮发动机加热系统10可以用于加热气体以降低涡轮导叶承载件28在熄火之后热重启之前的冷却速率，从而限制顶端摩擦。在使用过程中，气体可以被送至加热元件20进行加热。气体可以由加热气体抽取系统18供给。加热气体抽取系统18可以从中间框架腔室60接收气体，在至少一个实施方式中可以从涡轮发动机燃烧室壳62接收气体。气体移动设备24可以将气体抽到或压入加热元件20中。气体在加热元件20中加热。经加热的气体然后被送到涡轮汽缸腔室26中。在至少一个实施方式中，经加热的气体可以被送至在径向外侧与一组第2排涡轮导叶间隔开的2号涡轮导叶承载件。在其他实施方式中，涡轮发动机加热系统10可以与其他涡轮导叶腔室流体连通。
气体被送至涡轮汽缸腔室26中以降低冷却速率。气体可以经由涡轮发动机加热系统10的一个或多个出口34、46、52、54送入涡轮汽缸腔室26中。气体可以加热涡轮汽缸腔室26并且加热涡轮导叶承载件28，由此限制冷却速率并防止涡轮导叶承载件28发展成椭圆形截面。至少一部分气体可以流经叶片环，剩余的经加热的气体可以从涡轮汽缸腔室26流入压气机加热系统70。气体可以流入例如但不限于压气机加热系统70的第一和第二入口76、78等一个或多个入口。气体可以流入压气机壳腔室74中，气体在压气机壳腔室74中被用于降低压气机导叶承载件84的冷却速率。
通过降低压气机导叶承载件84和涡轮导叶承载件28的冷却速率，壳体42经受较少的热收缩。涡轮发动机加热系统10可以典型地当涡轮发动机16处于盘车装置操作并且被减压时在涡轮发动机熄火序列中被操作。
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)

1.一种具有涡轮发动机加热系统(10)的涡轮发动机(16)，所述涡轮发动机加热系统(10)用于在发动机熄火之后并且在热重启之前控制涡轮导叶承载件温度，其特征在于，
加热气体抽取系统(18)，其被构造成从所述涡轮发动机(16)回收气体；
加热元件(20)，其被构造成增大由所述加热气体抽取系统(18)供给的气体的温度；
加热气体供给系统(22)，其具有与所述加热元件(20)连通的入口(30)，并且包括与所述涡轮发动机(16)的位于至少一个涡轮总成(14)径向外侧的涡轮汽缸腔室(26)连通的至少一个出口(32)；
其中所述加热气体供给系统(22)的所述出口(32)由第一出口(34)形成，所述第一出口(34)定位于第一水平接头(36)的10度范围内，所述第一水平接头(36)将壳体(42)的形成所述涡轮汽缸腔室(26)的至少一部分的第一段(38)和第二段(40)接合，并且其中所述第一出口(34)位于所述壳体(42)的第一侧(44)；
其中第二出口(46)定位于所述壳体(42)的形成所述涡轮汽缸腔室(26)的至少一部分的所述第一段(38)和所述第二段(40)之间的第二水平接头(48)的10度范围内，并且其中所述第二出口(46)位于所述壳体(42)的第二侧(50)；其中第三出口(52)在所述第一水平接头(36)的10度范围内并且在所述第一水平接头(36)的与所述第一出口(34)相反的一侧被定位在所述壳体(42)的所述第一侧(44)；
其中第四出口(54)，在所述第二水平接头(48)的10度范围内并且在所述第二水平接头(48)的与所述第二出口(46)相反的一侧被定位在所述壳体(42)的所述第二侧(50)；以及
压气机加热系统(70)，从所述涡轮汽缸腔室(26)延伸，并且终止于压气机供气装置(72)。
2.根据权利要求1所述的具有涡轮发动机加热系统(10)的涡轮发动机(16)，其特征在于，所述加热气体抽取系统(18)被构造成从所述涡轮发动机(16)的涡轮发动机燃烧室壳(62)回收气体。
3.根据权利要求2所述的具有涡轮发动机加热系统(10)的涡轮发动机(16)，其特征在于，所述加热气体抽取系统(18)还包括与所述涡轮发动机燃烧室壳(62)连通的至少一个入口(64)，其中所述入口(64)包括喇叭口(66)以使压力损失最小化。
4.根据权利要求1所述的具有涡轮发动机加热系统(10)的涡轮发动机(16)，其特征在于，气体移动设备(24)与所述加热元件(20)流体连通。
5.根据权利要求4所述的具有涡轮发动机加热系统(10)的涡轮发动机(16)，其特征在于，所述气体移动设备(24)是鼓风机(68)。
6.根据权利要求5所述的具有涡轮发动机加热系统(10)的涡轮发动机(16)，其特征在于，所述鼓风机(68)位于所述加热元件(20)的上游。
7.根据权利要求6所述的具有涡轮发动机加热系统(10)的涡轮发动机(16)，其特征在于，所述鼓风机(68)被构造成以至少高达2500rpm运转。
8.根据权利要求1所述的具有涡轮发动机加热系统(10)的涡轮发动机(16)，其特征在于，所述压气机供气装置(72)是压气机壳腔室(74)。
9.根据权利要求1所述的具有涡轮发动机加热系统(10)的涡轮发动机(16)，其特征在于，所述压气机加热系统(70)还包括在上止点(56)的30度范围内与所述涡轮汽缸腔室(26)连通的第一入口(76)。
10.根据权利要求9所述的具有涡轮发动机加热系统(10)的涡轮发动机(16)，其特征在于，所述压气机加热系统(70)还包括在下止点(58)的30度范围内与所述涡轮汽缸腔室(26)连通的第二入口(78)。
11.根据权利要求1所述的具有涡轮发动机加热系统(10)的涡轮发动机(16)，其特征在于，所述压气机加热系统(70)还包括在下止点(58)的30度范围内与所述涡轮汽缸腔室(26)连通的入口(76)。
12.根据权利要求1所述的具有涡轮发动机加热系统(10)的涡轮发动机(16)，其特征在于，至少一个阀(80)用于隔离所述加热气体抽取系统(18)以防止气体与所述涡轮发动机(16)交换；和至少一个阀(80)用于将所述加热气体供给系统(22)与所述涡轮发动机(16)的涡轮汽缸腔室(26)隔离。
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