CN105298648A - 经由支柱冷却通路的排气框架冷却 - Google Patents

Abstract

提供了一种包括涡轮排气区段的系统。涡轮排气区段包括排气流动路径。涡轮排气区段还包括外部结构，其具有外壳、沿排气流动路径设置的外排气壁，以及设置在外排气壁与外壳之间的外腔。涡轮排气区段还包括内部结构，其具有沿排气流动路径设置的内排气壁、设置在内壳与轴承壳体之间的轴承腔。此外，涡轮排气区段包括在外部结构与内部结构之间延伸的支柱。支柱包括构造成使流体从轴承腔流至外腔的第一流动通路。流体流与支柱热隔离。

Description

经由支柱冷却通路的排气框架冷却

技术领域

本发明大体上涉及燃气涡轮冷却，并且更具体地涉及排气区段冷却。

背景技术

燃气涡轮发动机燃烧燃料和压缩空气的混合物来生成热燃烧气体，其驱动涡轮叶片，从而产生能量。涡轮叶片的旋转引起由轴承支承的轴的旋转。轴的旋转在轴承中生成显著量的热。此外，通过涡轮排气区段离开的热燃烧气体将热转移至涡轮排气区段构件。令人遗憾的是，在没有涡轮排气区段中的充分冷却的情况下，该热可引起对涡轮构件的破坏。此外，可出现在冷却系统中的问题由高拉伸应力引起，该高拉伸应力施加在涡轮排气区段的支柱上。此类应力可引起支柱与涡轮排气系统的内部结构分开。

发明内容

公开的技术的一个方面涉及一种支柱，其包括构造成将冷却空气流从涡轮排气区段的轴承腔传送至外腔的第一流动通路。

公开的技术的另一个方面涉及一种设在冷却空气流与支柱之间的热障，以将空气流与支柱热隔离。

公开技术的一个示例性但非限制性的方面涉及一种用于燃气涡轮的系统，其包括涡轮排气区段，该涡轮排气区段包括排气流动路径；外部结构，其包括外壳、沿排气流动路径设置的外排气壁，以及设置在外排气壁与外壳之间的外腔；内部结构，其包括沿排气流动路径设置的内排气壁，以及设置在内壳与轴承壳体之间的轴承腔；在外部结构与内部结构之间延伸的支柱，支柱包括承载的内本体和外本体，支柱包括构造成将第一流体流从轴承腔传送至外腔的第一流动通路；以及用以防止热从内本体传递至第一流的、支柱的内本体与第一流之间的热障。

公开技术的另一个示例性但非限制性方面涉及一种用于燃气涡轮的系统，其包括涡轮排气区段，该涡轮排气区段包括：排气流动路径；外部结构，其包括外壳、沿排气流动路径设置的外排气壁，以及设置在外排气壁与外壳之间的外腔；内部结构，其包括沿排气流动路径设置的内排气壁，以及设置在内壳与轴承壳体之间的轴承腔；以及在外部结构与内部结构之间延伸的支柱，支柱包括承载的内本体和外本体，内本体包括穿过其的多个支柱孔，该多个支柱孔形成了构造成将第一流体流从轴承腔传送至外腔的第一流动通路。

技术方案1.一种用于燃气涡轮的系统，包括：

涡轮排气区段，包括：

排气流动路径；

外部结构，其包括外壳、沿所述排气流动路径设置的外排气壁，以及设置在所述外排气壁与所述外壳之间的外腔；

内部结构，其包括沿所述排气流动路径设置的内排气壁，以及设置在内壳与轴承壳体之间的轴承腔；

在所述外部结构与所述内部结构之间延伸的支柱，所述支柱包括承载的内本体和外本体，所述支柱包括构造成将第一流体流从所述轴承腔传送至所述外腔的第一流动通路；以及

所述支柱的所述内本体与所述第一流之间的热障，其用以将所述第一流与所述内本体热隔离。

技术方案2.根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述支柱的所述内本体包括穿过其的多个支柱孔，所述多个支柱孔形成所述第一流动通路。

技术方案3.根据技术方案2所述的系统，其特征在于，所述热障包括所述支柱孔中的至少两个的内壁上的热隔离涂层。

技术方案4.根据技术方案3所述的系统，其特征在于，所述热隔离涂层设在所述支柱孔中的各个的所述内壁上。

技术方案5.根据技术方案2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括管状部件，其分别安装在所述支柱孔中的至少两个中以使所述第一流穿过各个管状部件的中空部分。

技术方案6.根据技术方案5所述的系统，其特征在于，各个管状部件的外壁与相应支柱孔的相应内壁间隔开，以在其间形成间隙。

技术方案7.根据技术方案6所述的系统，其特征在于，气体占据所述间隙并且形成所述热障。

技术方案8.根据技术方案6所述的系统，其特征在于，所述管状部件的各个外壁包括布置成接合所述相应支柱孔的所述相应内壁来形成所述间隙的多个凸起节段。

技术方案9.根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述外本体未承载。

技术方案10.根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用以将流体流供应至所述轴承腔的鼓风机。

技术方案11.根据技术方案1所述的系统，其特征在于，所述外排气壁包括构造成使所述第一流体流从所述外腔流入所述排气流动路径中的多个开口。

技术方案12.一种用于燃气涡轮的系统，包括：

涡轮排气区段，包括：

排气流动路径；

外部结构，其包括外壳、沿所述排气流动路径设置的外排气壁，以及设置在所述外排气壁与所述外壳之间的外腔；

内部结构，其包括沿所述排气流动路径设置的内排气壁，以及设置在内壳与轴承壳体之间的轴承腔；以及

在所述外部结构与所述内部结构之间延伸的支柱，所述支柱包括承载的内本体和外本体，所述内本体包括穿过其的多个支柱孔，所述多个支柱孔形成了构造成将第一流体流从所述轴承腔传送至所述外腔的第一流动通路。

技术方案13.根据技术方案12所述的系统，其特征在于，空气间隙设置在所述第一流与所述支柱孔的内壁之间来形成热障。

技术方案14.根据技术方案12所述的系统，其特征在于，所述外本体未承载。

技术方案15.根据技术方案12所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用以将流体流供应至所述轴承腔的鼓风机。

技术方案16.根据技术方案12所述的系统，其特征在于，所述外排气壁包括构造成使所述第一流体流从所述外腔流入所述排气流动路径中的多个开口。

技术方案17.根据技术方案12所述的系统，其特征在于，热障设置在所述支柱的所述内本体与所述第一流之间，以防止热从所述内本体传递至所述第一流。

技术方案18.根据技术方案17所述的系统，其特征在于，所述热障包括所述支柱孔中的至少两个的内壁上的热隔离涂层。

技术方案19.根据技术方案17所述的系统，其特征在于，所述系统还包括管状部件，其分别安装在所述支柱孔中的至少两个中来使所述第一流穿过各个管状部件的中空部分，

其中各个管状部件的外壁与相应支柱孔的相应内壁间隔开，以在其间形成间隙，并且其中气体占据所述间隙，并且形成所述热障。

技术方案20.一种燃气涡轮，包括：

压缩机；

燃烧器区段；

涡轮区段；以及

根据技术方案12所述的系统。

本技术的其它方面、特征和优点将从在连同附图进行时的以下详细描述变得显而易见，该附图为本公开的一部分，并且经由实例示出本发明的原理。

附图说明

附图便于理解本技术的各种实例。在此类附图中：

图1为具有燃气涡轮发动机的示例性涡轮系统的示意性流程图，该燃气涡轮发动机可使用根据公开技术的实例的排气区段冷却；

图2为涡轮系统的示例性排气区段的透视图；

图3为图2的排气区段的截面侧视图，示出了根据公开技术的实例的排气区段冷却；

图4为沿图3中的线4-4的截面视图；

图5示出了具有插入在其中的管状部件的公开技术的示例性支柱的截面的放大详图；

图6为示例性支柱的内本体的截面视图；

图7为图6的内本体的放大详图，示出了排气区段的外部结构附近的内本体的一部分；

图8为图6的内本体的放大详图，示出了排气区段的内部结构附近的内本体的一部分；

图9为公开技术的示例性管状部件的透视图；

图10为图9的管状部件的放大详图，示出了管状部件的凸缘部分；

图11为图9的管状部件的放大详图，示出了管状部件的外壁上的周向凸起；以及

图12为图9的管状部件的放大详图，示出了管状部件的外壁上的凸起节段。

部件列表

10涡轮系统

12燃气涡轮发动机

16进气区段

18压缩机

20压缩机区段

22涡轮

24排气区段

26轴

28燃烧器壳体

30燃烧器

31热燃烧气体

33排气流动路径

38内部结构

40支柱

42外部结构

44鼓鼓风机

46控制器

48外本体

50内本体

51支柱孔

52第一流动通路

53第二流动通路

54内壁

59交叉孔

60管状部件

62凸缘

63内壁

64外壁

65第一开口

66第二开口

67热隔离涂层

70接头(例如，焊接)

73周向凸起

75凸起节段

77间隙

80内排气壁

82轴承腔

83内壳

85轴承壳体

92第一流

93第二流

106外排气壁

108外壳

110外腔。

具体实施方式

参照图1，示出了示例性涡轮系统10的示意性流程图。涡轮系统10具有可使用排气区段冷却的燃气涡轮发动机12。例如，系统10可包括排气区段冷却系统11，其具有穿过排气区段支柱的一个或更多个冷却流动路径。在某些实施例中，涡轮系统10可包括飞行器、火车头、发电系统或它们的组合。

如图1中所示，所示燃气涡轮发动机12包括空气进气区段16、压缩机18、燃烧器区段20、涡轮22和排气区段24。涡轮22经由轴26联接于压缩机18。如箭头指示的，空气可通过进气区段16进入燃气涡轮发动机12，并且流入压缩机18中，压缩机18在空气进入到燃烧器区段20中之前压缩空气。

所示的燃烧器区段20包括围绕轴26同心地或环形地设置在压缩机18与涡轮22之间的燃烧器壳体28。来自压缩机18的压缩空气进入燃烧器30，其中，压缩空气可在燃烧器30内与燃料混合和燃烧来驱动涡轮22。热燃烧气体从燃烧器区段20流过涡轮22，经由轴26驱动压缩机18。例如，燃烧气体可将原动力施加于涡轮22内的涡轮转子叶片来旋转轴26。在流过涡轮22之后，热燃烧气体可通过排气区段24离开燃气涡轮发动机12。如下文所述，排气区段24可包括多个支柱，各个具有排气区段冷却系统11的一个或更多个冷却流动路径。

如图2中所示，排气区段24可包括内部结构(即，内筒)38、至少一个支柱40，以及外部结构(即，外筒)42。支柱40提供了外部结构42与内部结构38之间的支承。当热燃烧气体离开涡轮22并且轴26旋转时，排气区段24中的构件可经历高温条件。更具体而言，高温条件可引起对支柱40、内部结构38和外部结构42的热应力、磨损和/或破坏。因此，如图3中所示，排气区段冷却系统11可包括联接于控制器46的鼓风机44，鼓风机44控制穿过内部结构38、支柱40和外部结构42的冷却空气流，以减小设置在其中的这些构件和部分的热应力和磨损。

参照图2-4，支柱40包括外本体48和内本体50。内本体50限定用于传送第一流92的第一流动通路52(例如，内部流动通路)，而外本体48可限定用于传送排气区段冷却系统11的第二流93的第二流动通路53(例如，外部流动通路)。如图4中所示，第一流动通路52由多个支柱孔51形成，多个支柱孔51从内部结构38延伸穿过内本体50至外部结构42。在实例中，各个支柱40可包括六个支柱孔51(例如，各个具有1.5英寸的直径)。第二流动通路53由内本体与外本体48之间的空间形成。

在所示的实例中，支柱40的内本体50为承载结构支承件，其构造成承载排气区段24的内部结构38与外部结构42之间的相当大的机械负载，同时支柱40的外本体48不是承载结构支承件。例如，可包括外本体48，以通过使热与内本体50阻隔来保护内本体50。具体而言，如图3中所示，外本体48可设计成使冷却空气沿内本体50在外部流动，以提供内本体50与排气区段24中的热燃烧气体31之间的热障。在实例中，内本体50可由碳钢制成，而外本体48可为不锈钢。

相比于内本体50，外本体48还可具有对热燃烧气体31的更大热阻。例如，内本体50可具有低于外本体48的温度极限。在一些实施例中，内本体50可具有低于热燃烧气体31的温度的温度极限，而外本体48可具有大致高于热燃烧气体的温度的温度极限。因此，外本体48热保护内本体50，使得内本体50能够有效地承载排气区段24的内部结构38与外部结构42之间的机械负载。

参照图3，内部结构38限定内部排气壁80、轴承腔82、收纳在轴承壳体85中的轴承组件(未示出)，以及内壳83。外部结构42包括外排气壁106和外壳108，其限定中间外腔110(例如，环形空间)。第一流92通过形成在内壳83中的第一开口65进入第一流动通路52。第二流93通过形成在内壳83中的第二开口66进入第二流动通路53。

如图3中所示，当第一流92和第二流93离开支柱40时，它们进入外腔110用于在排出到排气流动路径33中之前控制外部结构42的温度。如图6中所示，第一流92经由交叉孔59远离内本体50引导，交叉孔59形成在内本体50中。例如，交叉孔59可具有1.75英寸的直径。第一流92和第二流93最终通过外部结构42(例如，外排气壁106)中的孔口(未示出)排出到排气流动路径33中。

如图4中所示，外本体48可具有椭圆形形状(例如，翼型形状)，而内本体50为具有锥形端部部分的大体矩形。在其它实例中，内本体50和外本体48可具有其它形状，例如，矩形中的矩形、翼型中的翼型、椭圆中的椭圆等。不管特定形状，内本体50和外本体48设置成一个在另一个内，使得第一流动通路52和第二流动通路53一个在另一个内隔离开(例如，同轴)。

如图4中所示，支柱孔51具有内壁54。可引起的问题由施加在内本体50上的高拉伸应力引起。此类应力可引起内部结构38处的内本体50的凸缘开启(或拉离内部结构38)。该应力可通过提供内壁54与第一流92之间的热障，以便减小从内本体50到第一流92的热传递来减小。即，当内本体50保持在较高温度下时，内本体50趋于在减小拉伸应力的压缩下。

在实例中，如图4中所示，内壁54可涂覆有热隔离涂层67，以提供内壁54与第一流之间的热障。如图4中所示，热隔离涂层67可提供至任何数量的支柱孔51，例如，热隔离涂层67可提供至两个支柱孔，而另一个支柱孔并未设有热障。当然，热隔离涂层67可提供至各个支柱孔51。

在另一个实例中，如图5到8中所示，支柱孔51可设有插入的管状部件60。管状部件60相对于支柱孔51的内壁54定位，以便在其间形成间隙77。各个管状部件60可包括其外壁64上的多个凸起节段75，以将外壁64与支柱孔51的内壁54间隔开。间隙77填充有气体(例如，空气)，其作用为将第一流92(其穿过管状部件60)与内本体50的内壁54隔离开，从而形成第一流92与内壁54之间的热障。

如图6和7中所示，管状部件60可提供至任何数量的支柱孔51，例如，管状部件60可提供至所有支柱孔。当然，管状部件60可提供至支柱孔51的仅一部分。

如图6和7中所示，管状部件60在交叉孔59之前终止。参照图8和9，管状部件60的内壁63形成第一流穿过其的中空部分。在内部结构38处，各个管状部件60通过凸缘62附接于内本体50，凸缘62从管状部件的端部突出，并且邻接抵靠内本体50的端部。凸缘62可经由合销和焊接接头附接于内部结构38。该连接使管状部件60与内部结构38密封。

如图10中所示，凸缘62可通过接头70(例如，焊接接头)附接于管状部件60的外壁64。如图9中所示，凸起节段75还向管状部件60提供支承，并且可以以间隔布置来布置在管状部件60的外壁64上。如本领域技术人员将理解的，外壁64上的凸起节段75的位置、凸起节段的数量，以及凸起节段的尺寸可根据支柱40的尺寸以及其它因素变化。

如图9和11中所示，周向凸起73可在布置在外部结构42处的管状部件60的端部附近包绕外壁64。周向凸起73向管状部件60提供支承，并且还密封支柱孔的内壁54与管状部件60的外壁64之间的间隙77。周向凸起73可焊接于管状部件60的外壁64。

如图3中所示，冷却空气可在排气区段24的下游位置处或附近由鼓风机44引入。换言之，冷却空气中的一些可在支柱40和轴承组件(除了排气区段24的其它构件以外)下游引入到内部结构38中。吹入内部结构38中的冷却空气的部分循环穿过内部结构38(例如，横跨轴承壳体85)，并且接着通过支柱40的第一流动通路52和第二流动通路53离开，并且进入外部结构42中用于排出到排气路径33中。

冷却空气的源58可为燃气涡轮发动机12的压缩机18，或一些其它外部空气源。

控制器46可构造成主动地控制鼓风机44和排气区段冷却系统11的其它构件的操作。控制器46可包括处理器，其可从存储器读取和写入至存储器，如，非暂时性的计算机可读介质(例如，硬盘、闪速驱动器、随机存取存储器(RAM)、光盘(CD)等)，其具有在其上编码的计算机指令，该计算机指令构造成执行主动控制操作。更具体而言，控制器46可构造成接收关于排气区段冷却系统11的操作参数的信号(例如，关于支柱40、流动通路52,53、轴承壳体85、轴承腔82等中和周围的温度的信号)，并且生成和传输用于鼓风机44的控制信号。

尽管关于当前认作是最实用且优选的实例描述了本发明，但将理解的是，本发明不限于公开的实例，而相反，旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种改型和等同布置。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮的系统，包括：

涡轮排气区段，包括：

排气流动路径；

外部结构，其包括外壳、沿所述排气流动路径设置的外排气壁，以及设置在所述外排气壁与所述外壳之间的外腔；

内部结构，其包括沿所述排气流动路径设置的内排气壁，以及设置在内壳与轴承壳体之间的轴承腔；

在所述外部结构与所述内部结构之间延伸的支柱，所述支柱包括承载的内本体和外本体，所述支柱包括构造成将第一流体流从所述轴承腔传送至所述外腔的第一流动通路；以及

所述支柱的所述内本体与所述第一流之间的热障，其用以将所述第一流与所述内本体热隔离。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述支柱的所述内本体包括穿过其的多个支柱孔，所述多个支柱孔形成所述第一流动通路。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述热障包括所述支柱孔中的至少两个的内壁上的热隔离涂层。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述热隔离涂层设在所述支柱孔中的各个的所述内壁上。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括管状部件，其分别安装在所述支柱孔中的至少两个中以使所述第一流穿过各个管状部件的中空部分。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，各个管状部件的外壁与相应支柱孔的相应内壁间隔开，以在其间形成间隙。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，气体占据所述间隙并且形成所述热障。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述管状部件的各个外壁包括布置成接合所述相应支柱孔的所述相应内壁来形成所述间隙的多个凸起节段。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述外本体未承载。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用以将流体流供应至所述轴承腔的鼓风机。