CN105392964A - 具有有预旋流器的环境空气冷却布置的燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

燃气涡轮发动机包括：具有布置在涡轮叶片(22)中且与环境空气的源(12)流体连通的冷却通道(26)的环境空气冷却回路(10)；和具有内罩(38)、外罩(56)及每个均从内罩跨越至外罩的多个引导翼片(42)的预旋流器(18)。周向上相邻的引导翼片(46，48)限定了在之间的对应的管嘴(44)。由涡轮叶片的转动创建的力激发环境空气通过冷却回路。预旋流器被配置成赋予被吸引通过管嘴的环境空气打旋并将打旋的环境空气朝向涡轮叶片的基部指向。预旋流器的端壁(50，54)可以形成波状轮廓。

Description

具有有预旋流器的环境空气冷却布置的燃气涡轮发动机

本申请是2011年4月12日提交的美国申请13/084,618(代理所案号2010P26648US)的部分继续申请，该申请通过引用合并于此。

关于联邦资助开发的声明

用于该发明的开发部分地由美国能源部授予的编号为DE-FC26-05NT42644的合同支持。因此，美国政府可以具有该发明中的某些权利。

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机的涡轮叶片的环境空气诱发的冷却。特别地，本发明涉及在这样的系统中的具有降低了的压降的预旋流器(pre-swirler)。

背景技术

发动机的涡轮部中使用的燃气涡轮发动机叶片典型地经由内部冷却通道来冷却，压缩空气被迫使通过内部冷却通道。该压缩空气典型地自发动机的压气机所创建的压缩空气供给引入。然而，用于冷却的压缩空气的引入使可用于燃烧的压缩空气的量减少。这进而降低了发动机效率。结果，将用于冷却的吸取自压气机的冷却空气的量最小化是现代燃气涡轮设计中的重要技术。

在一些燃气涡轮发动机模型中，下游叶片在径向方向上相对远地延伸。下游叶片可以包括例如最后一排叶片。冷却通道典型地使冷却空气从叶片的基部朝向顶部引导，在那里被排出到燃烧气体流动。凭借在叶片内沿径向向外延伸一定程度的冷却通道，叶片的转动与布置在其中的冷却通道在冷却空气上创建了将冷却通道中的冷却空气沿径向向外推的离心力。冷却空气离开叶片并且这创建了在冷却通道内的冷却空气流。冷却通道内的该流创建了将更多冷却空气从叶片的基部周围的转子腔吸引到冷却通道内的抽吸。结果，与压缩空气被迫使通过冷却通道的传统冷却不一样，诸如存在于燃气涡轮发动机外侧的环境空气等的未被压缩的空气可以用于冷却下游叶片。

环境空气的静压力充分地大于转子腔中的静压力以产生从环境空气的源朝向转子腔的冷却流体流。因此，环境空气的静压力可以将环境空气的供给朝向转子腔推动，在那里由叶片的转动生成的抽吸接着将环境空气从转子腔吸引通过涡轮叶片中的冷却通道，由此完成环境空气冷却回路。抽吸力帮助将环境空气吸引到转子腔内。以该方式，可以维持在整个冷却回路上的环境空气流。

然而，虽然环境空气的静压力和所生成的离心力足以生成冷却通道中的流，但是在实际存在以驱动流体的压力差异与引起冷却流体流动所需的最小静压力差异之间有小的余量。作为其结果，注意力正投向确保冷却回路被设计用于最大空气传送效率。

附图说明

在下面的描述中结合附图说明了本发明，附图示出：

图1是所诱发的空气冷却回路的一部分的侧视图的示意性截面。

图2是图1的所诱发的空气冷却回路的预旋流器的示意性立体图

图3是图2的预旋流器的入口的图。

图4是图3的预旋流器的剖视图，示出了引导翼片与内罩的一部分。

图5是图3的预旋流器的剖视图，示出了引导翼片与外罩的一部分。

图6是示出图4的预旋流器的形貌的俯视图。

图7是示出图5的预旋流器的形貌的图。

图8是在不具有这里所公开的特征的预旋流器中的冷却流体的流线的图示。

图9是在具有这里所公开的特征的预旋流器中的冷却流体的流线的图示。

具体实施方式

本发明人设想出了一种用于环境空气诱发的冷却布置的旋流器，环境空气诱发的冷却布置y用于冷却燃气涡轮发动机中的涡轮叶片，其中预旋流器具有波状轮廓(contoured)的端壁以改善由流过预旋流器的冷却流体流展现的流动特性。预旋流器在环境空气流被导入转动的涡轮叶片之前诱发该流旋转，由此提供了至叶片中的冷却通道的入口的冷却流体流的更高效的输送。波状轮廓的端壁降低了流中的压力损失，由此增加了通过预旋流器的流的效率，这进而增加燃气涡轮发动机的效率。

图1示出环境空气冷却回路10的示例性实施例的一部分的侧视图的示意性截面，空气冷却回路包括：环境空气的源12；提供源12与预旋流器增压室16之间的流体连通并且可选择地布置在支撑预旋流器18的支架(strut)17中的至少一个空气供给通道14；与涡轮叶片22相邻的转子腔20；以及涡轮叶片22中的每一个内的冷却通道入口(未示出)、冷却通道26和可以布置在或可以不布置在涡轮叶片22的顶部的冷却通道出口29。一旦在空气供给通道14内，环境空气就变成冷却流体28。冷却流体28行进通过空气供给通道14，在那里进入作为将冷却流体28供给至预旋流器18的环形增压室的预旋流器增压室16。在预旋流器18中冷却流体28被围绕转子盘31的纵向轴线30旋转。冷却流体28例如从预旋流器18直接地进入冷却通道入口，或者在冷却流体28行进通过转子盘31与涡轮叶片22的基部之间的间隙之后进入冷却通道入口，并接着冷却流体28行进通过各冷却通道26。当在冷却通道26中时，涡轮叶片22的围绕转子盘31的纵向轴线30(又称为旋转轴线)的转动创建了激发冷却流体28通过冷却通道26的径向向外方向32上的离心力。冷却流体28被从冷却通道出口29喷出并进入热气体36流动所在的热气体路径34内。冷却流体28的通过冷却通道26并离开冷却通道出口29的移动创建了将冷却流体28从转子腔20吸引到冷却通道26内以取代已经被喷出的冷却流体28的抽吸力。环境空气的静压力将冷却流体28朝向转子腔20推动以取代被吸引到冷却通道26内的冷却流体28，由此完成了环境空气冷却回路10。

图2是在外罩去除的状态下的从燃气涡轮发动机的后端观察的环境空气冷却回路10的预旋流器18的示例性立体图。可以看见具有恒定直径40的内罩38和围绕转子盘31的纵向轴线30以环形阵列布置的多个引导翼片42。预旋流器18接收轴向流动的由预旋流器增压室16输送的冷却流体28的环形流动，并且赋予导致围绕转子盘31的纵向轴线30的旋转的周向运动。如可以在示出预旋流器18的示例性实施例的入口侧的图3中看到的，多个引导翼片42限定了：引导冷却流体28的多个管嘴44，各管嘴44形成在第一引导翼片46之间并由其限定；周向上相邻的引导翼片48；引导翼片42所跨越的内罩38的外端壁50和外罩56的内端壁54。各管嘴44因此限定了冷却回路10的一部分。与传统管嘴不一样，这里所公开的端壁不具有恒定直径40。而是，端壁不仅在周向方向60上而且在轴向方向62上都形成波状轮廓并且可以关于恒定直径40波动。

与引导翼片相关联的一个气动损失已知为可能在引导翼片42的前缘74与端壁的交叉72处发展的马蹄形漩涡70。在管嘴44内，这些漩涡趋向于在有着相对高的静压力所在的流体流的相对较慢的区域中发展。靠近于端壁以及压力侧76和/或吸入侧78的冷却流体通过包括了与这些表面相关联的摩擦在内的各种气动因素而相对于冷却流体28内的其他区域被减慢。作为结果，当与管嘴44内的中央区域82相比时，接近交叉72的区域80中的冷却流体28可能会相对慢地流动。另外，遇到引导翼片42的前缘74的冷却流体28引起在前缘74前方的弓形波，在前缘74前方处建立了当与流中的其他区域内的静压力相比时较高的静压力。结果，当与管嘴44内的中央区域82相比时，在接近交叉72的区域80中不仅存在相对慢流动的流体而且存在相对高的静压力。由于马蹄形漩涡的强度与两个区域之间的速率梯度的幅值和两个区域之间的静压力梯度的幅值相关，所以相当强的马蹄形漩涡70可以在这里所公开的类型的管嘴44中发展。当引导翼片具有低高宽比(aspectratio)时，与马蹄形漩涡相关联的损失被放大。翼面的较短的径向高度和较长的长度给予马蹄形漩涡更多的机会移动靠近中央区域82。结果，在具有低高宽比的引导翼片42的预旋流器18的示例性实施例中的具有波状轮廓的端壁(50，54)的益处也是显著的。

另外，在流的相对较快移动区域中的冷却流体28将趋向于随着马蹄形漩涡70的腿部84向下游流动而将腿部84朝向相对较快移动区域吸引。在旋流器的管嘴44中，由于相对较快移动区域是中央区域82，所以径向内侧的马蹄形漩涡86的腿部84可以被沿径向向外方向32吸引。与如果腿部84留在流量较低并因此该区域中的气动损失不太成问题所在的接近交叉72的区域80中时可能出现的气动损失相比，将腿部84吸引到管嘴44内的中央区域82内创建了在流中的较大量的气动损失。

在未持有特定理论的情况下，认为减小速率梯度和/或静压力梯度会降低漩涡的强度。结果，这里所公开的端壁对减小速率梯度和/或静压力梯度是有效的，这降低了马蹄形漩涡70的强度。另外，端壁几何形状有助于马蹄形漩涡70的腿部84保持靠近接近交叉72的区域80，由此减轻了管嘴44内的中央区域82内的气动损失。波状轮廓造型包括在各端壁上的毗邻引导翼片42的压力侧76的隆起100，也看作升高区。这里所公开的隆起100是与没有隆起100的端壁相比端壁更远地突出到管嘴内所在的区域。波状轮廓造型进一步包括在各端壁上的在引导翼片42之间的低谷102，或凹陷区。这里所公开的低谷102是当与没有低谷102的端壁相比时端壁从管嘴后退所在的区域。没有隆起100或低谷102的管嘴端壁的任何区域都可以被视作恒定直径区域。各端壁可以具有各自的恒定直径区域、即端壁以恒定直径存在所在的区域，或者可以仅具有限定了端壁的恒定直径部分的理论尺寸，而端壁实际上是理论尺寸的径向向内和径向向外而成形的波状轮廓。换言之，各端壁可以具有仅占据各自的端壁的一小部分的隆起100或低谷102，或者各端壁可以全部由隆起100和低谷102限定，没有留下实际的恒定尺寸(即，中性)区域。

认为隆起100一起起作用以通过减小管嘴44在接近交叉72的区域80中的横截面积而引起接近交叉72的区域80中的冷却流体28比没有隆起100时更快地流动。由于将流过的面积较小，所以冷却流体28必然加速。还认为低谷102一起起作用以归因于管嘴44的增加的横截面积而引起管嘴44内的中央区域82中的冷却流体28慢下来。增加接近交叉72的区域80中的冷却流体28的速度并且较小管嘴44内的中央区域82中的冷却流体28的速度产生了较小的速率梯度，这进而产生了较弱的马蹄形漩涡70。

在没有隆起100的情况下，接近交叉72的区域80中的静压力归因于冷却流体28的慢速率而相对高。通过增加接近交叉72的区域80中的速率，静压力减小。在没有低谷102的情况下，管嘴44内的中央区域82中的静压力归因于冷却流体28的高速率而相对低。通过减小管嘴44内的中央区域82中的速率，静压力增加。减小接近交叉72的区域80中的相对高的静压力并且增加管嘴44内的中央区域82中的相对低的静压力产生了较小的压力梯度，这进而产生的较弱的马蹄形漩涡70。

另外，因为管嘴44内的中央区域82中的冷却流体已经慢了下来，所以有着较小的径向内侧的马蹄形漩涡70的腿部84被沿径向向外方向32抽吸的趋势。随着马蹄形漩涡70越过低谷，端壁以相对的方式从马蹄形漩涡70后退，并且认为这有利于马蹄形漩涡70不被吸引远到管嘴44的中央区域82内。换句话说，马蹄形漩涡70更好地附着于端壁。通过更好地附着于端壁，与马蹄形漩涡70相关联的气动损失的扩散到管嘴44内的中央区域82中的扩散被减轻。这总体上降低了气动损失，这增加了发动机效率。

图4是在引导翼片42的径向向外部分和外罩56被去除的状态下的图3的预旋流器18的剖视图，示出了引导翼片42的径向向内部分和内罩38。示出了多个管嘴44的径向向内部分，每个均由内罩38的外端壁50、第一引导翼片46的压力侧76和周向上相邻的引导翼片48的吸入侧78部分地限定。冷却流体28在主要相对于转子盘31的纵向轴线30在轴向方向上行进的状态下进入管嘴44的入口端110，并且在具有轴向方向上的分量和周向60上的分量的行进方向上行进地从出口端112离开。

在示例性实施例中内罩38和/或外罩56可以是整块体。用于引导涡轮中的燃烧气体的翼片组件传统上由组装成翼片环的子组成部件制成。这样的配置是有必要的，归因于与这些翼片环的较大尺寸相关联的因素，包括：制造该尺寸的单块体的高成本、热生长问题以及往往需要拆卸翼片环的涡轮自身的组装和拆卸。这些组装起来的翼片环往往具有改变整个操作的子组成部件之间的接合。例如，在管嘴中在相邻的子组成部件之间可以没有周向间隙，或者可以有周向间隙。这单独提供用于改变空气动力。接合可以是或者可以不是径向地对齐的。例如，一个子组成部件可以在径向上进一步延伸出来超过另一个。因此，当行进通过管嘴的气体横穿相邻的子组成部件之间的间隙时，如当管嘴具有轴向组成部件时，气体可以遇到台阶。它可以是台阶升高或者是台阶降低，取决于第一子组成部件是在径向上更远地向外延伸超过相邻的子组成部件，还是在径向上没有延伸那么远。两种类型的台阶都在流动中创建了漩涡，并且这些漩涡创建了与马蹄形漩涡70产生的气动损失相同类型的气动损失。归因于较小的尺寸和较低的操作温度，内罩38和外罩56未遭受上述局限性并因此它们可以作为单块零件组成部件制造。具有单块零件/整块构造允许管嘴避免与组装起来的子组成部件之间的接合相关联的气动损失。这进而导致由行进通过管嘴44产生的降低的压力损失。

图5是在引导翼片42的径向向内部分和内罩38被去除的状态下的图3的预旋流器18的剖视图，示出了引导翼片42的径向向外部分和外罩56。示出了多个管嘴44的径向向外部分，每个均由外罩56的内端壁54、第一引导翼片46的压力侧76和周向上相邻的引导翼片48的吸入侧78限定。

图6是示出预旋流器18的内罩38的示例性实施例的形貌的俯视图。在示出的示例性实施例中，可以看见隆起100与第一引导翼片46的压力侧76相邻，并且隆起100的峰部可以布置在从第一引导翼片的前缘74到后缘126的弦线122的下降路途的近似三分之一处。在示出的示例性实施例中，可以看见低谷102在周向方向60上在第一引导翼片46与在周向上相邻的引导翼片48之间的近似一半路途处。可以看见马蹄形漩涡70从第一引导翼片46的前缘74流出。在示出的示例性实施例中，低谷的最低点120布置在从第一引导翼片的前缘74到后缘126的弦线122的下降路途的近似三分之二处。它也可以位于马蹄形漩涡70的腿部84的下游，使得腿部84被迫使越过(如图6中看到的)低谷102行进。

图7是示出预旋流器18的外罩56的示例性实施例的形貌的图，好像是在置于外罩56下方的毂上的镜子处径向向内观看。由于外罩56更远地径向向外所以它较长，并因此在相邻的引导翼片42之间有更多空间。通过消除该额外的长度以匹配图6的尺寸，隆起100和低谷102显得较小，但是实际上可能不小。示出的隆起100和低谷102是示例性的。产生期望的气动效果的任何轮廓都被视为在公开的范围内。

图8是利用流体建模在没有这里所公开的特征的预旋流器中的冷却流体28的流线的图示。流线124代表马蹄形漩涡70的腿部84。可以看出，当遇到第一引导翼片46的前缘74时，腿部84开始与第一引导翼片46的压力侧分开。随着它横穿管嘴44，流线124朝向周向相邻的引导翼片48的前缘126、朝向周向相邻的引导翼片48的吸入侧78迁移。当这样做时，流线124也朝向管嘴44内的中央区域82向上移动脱离纸面，并引起气动损失。

图9是利用流体建模在具有这里所公开的特征的预旋流器18中的冷却流体28的流线的图示。当遇到第一引导翼片46的前缘74时，马蹄形漩涡70的腿部84的流线124从压力侧76稍微脱离。与图8相比，随着在管嘴44内朝向周向相邻的引导翼片48的后缘126行进，流线124没有朝向周向相邻的引导翼片48的吸入侧78迁移。而是，流线124在较长一段距离内附着于第一引导翼片46的压力侧76。另外，流线124不太可能从纸面脱离到相同程度。作为结果，在这里所公开的预旋流器中，马蹄形漩涡70的腿部84生成较少气动损失，产生了燃气涡轮发动机的更加高效的操作。

从上述内容显而易见的是，发明人认识到了改善用于涡轮叶片的环境空气诱发的冷却布置中的空气动力的新途径，包括使用预旋流器。发明人还对预旋流器做出进一步改进，以进一步改善预旋流器内的空气动力。因此，上述内容代表现有技术的改进。

虽然在这里示出了并描述了本发明的各种实施例，但是显然这样的实施例是仅借助于示例提供的。可以在不脱离这里的发明的情况下做出数个变化、改变和等同替换。于是，旨在发明仅由随附权利要求的精神和范围限制。

Claims (18)

1.一种燃气涡轮发动机，包括：

环境空气冷却回路，包括布置在涡轮叶片中并且与提供冷却流体的环境空气的源流体连通的冷却通道；和

预旋流器，包括：

内罩；

外罩；和

多个引导翼片，每个引导翼片从所述内罩跨越至所述外罩，

其中周向上相邻的引导翼片在其间限定出对应的管嘴，所述管嘴限定所述冷却回路的一部分，每个管嘴由第一引导翼片的压力侧、相邻的引导翼片的吸入侧、由所述外罩限定的外端壁以及由所述内罩限定的内端壁限定；

其中由所述涡轮叶片的转动创建的力激发所述冷却流体通过所述冷却回路；并且

其中所述预旋流器被配置成赋予被吸引通过所述管嘴的冷却流体打旋，并且将打旋的冷却流体朝向所述涡轮叶片的基部引导。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述内罩被形成为整块体。

3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述外罩被形成为整块体。

4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述内端壁和所述外端壁均包括布置在相邻的引导翼片之间的低谷。

5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其中所述低谷相对于在所述涡轮叶片的转动期间由所述第一引导翼片的前缘在被吸引的冷却流体中形成的漩涡被布置在下游侧。

6.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述内端壁和所述外端壁均包括毗邻所述第一引导翼片的所述压力侧的隆起。

7.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其中所述隆起的峰部被布置在所述第一引导翼片的弦线的长度的从所述第一引导翼片的前缘开始的近似三分之一处。

8.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，所述冷却回路进一步包括被配置成将所述冷却流体从所述环境空气的源供给至所述预旋流器的空气供给通道。

9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机，进一步包括支撑所述预旋流器的支架，所述供给通道被布置在所述支架中。

10.一种燃气涡轮发动机，包括：

环境空气冷却回路，包括布置在涡轮叶片中并且与提供冷却流体的环境空气的源流体连通的冷却通道，其中由所述涡轮叶片的转动创建的力激发所述冷却流体通过所述冷却回路，改进包括：

预旋流器，包括：形成为整块的内罩；形成为整块的外罩；和以环形阵列布置在其间的多个引导翼片，所述预旋流器限定了限定所述冷却回路的一部分的多个管嘴，每个管嘴包括：在相邻的引导翼片之间由所述外罩限定的外端壁；在所述相邻的引导翼片之间由所述内罩限定的内端壁；和相邻的引导翼片的压力侧和吸入侧，

其中所述预旋流器被配置成赋予被吸引通过所述管嘴的所述冷却流体围绕转子盘的纵向轴线的周向运动，并且将打旋的冷却流体朝向所述涡轮叶片的基部引导。

11.根据权利要求10所述的燃气涡轮发动机，其中每个管嘴的所述内端壁和所述外端壁包括对应的低谷。

12.根据权利要求10所述的燃气涡轮发动机，其中每个管嘴的所述内端壁和所述外端壁包括毗邻对应的引导翼片的所述压力侧的对应的隆起。

13.根据权利要求10所述的燃气涡轮发动机，其中所述冷却回路进一步包括被配置成将所述冷却流体从所述环境空气的源供给至所述预旋流器的空气供给通道，其中所述空气供给通道布置在支撑所述预旋流器的支架内。

14.一种燃气涡轮发动机，包括：

环境空气冷却回路，包括布置在涡轮叶片中并且与提供冷却流体的环境空气的源流体连通的冷却通道；和

预旋流器，包括：

内罩；

外罩；和

布置在所述内罩与所述外罩之间的多个引导翼片；

其中所述内罩、所述外罩和所述多个引导翼片限定了限定所述环境空气冷却回路的一部分的环形阵列的管嘴，每个管嘴通过两个相邻的引导翼片、所述外罩的内端壁和所述内罩的外端壁划界；

其中所述管嘴被配置成将从中行进通过的所述冷却流体朝向存在于相邻布置的转动叶片的基部中的多个冷却流体入口引导，并且

其中所述管嘴赋予围绕转动轴线从中流过的所述冷却流体周向运动，所述转动叶片围绕所述转动轴线转动。

15.根据权利要求14所述的燃气涡轮发动机，其中所述内罩和所述外罩均形成为对应的整块体。

16.根据权利要求14所述的燃气涡轮发动机，其中每个管嘴的所述外罩的所述内端壁和所述内罩的所述外端壁包括对应的低谷。

17.根据权利要求14所述的燃气涡轮发动机，其中每个管嘴的所述外罩的所述内端壁和所述内罩的所述外端壁包括毗邻对应的引导翼片的压力侧的对应的隆起。

18.根据权利要求14所述的燃气涡轮发动机，所述冷却回路进一步包括被配置成将所述环境空气从所述环境空气的源供给至所述预旋流器的空气供给通道，其中所述空气供给通道被布置在支撑所述预旋流器的支架内。