CN105715310A - 发动机和用于操作所述发动机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机和用于操作所述发动机的方法。具体而言，公开了一种发动机，所述发动机包括压缩机、膨胀机和轴(21)，轴具有旋转方向。发动机包括压缩流体主流径、设置在压缩流体主流径处且流体地连接至压缩流体主流径的分流器部件(4)以及流体地连接分流器和膨胀机的构件的管道(12)。该管道设置为使得，当操作发动机时，将流体(7)通过管道从分流器朝所述膨胀机构件引导。流偏转器装置(8)设置在由分流器部件和/或所述管道中的任何一者提供的流径内，所述流偏转器装置设置为并且适于使经过所述流偏转器装置从分流器朝膨胀机构件导向的流在切向方向上偏转并因而加速，其中，所述偏转特别是在轴旋转方向上产生。

Description

发动机和用于操作所述发动机的方法

技术领域

本公开涉及如权利要求1的前序部分中所述的发动机的领域。具体地，本公开可涉及工作发动机，并且更具体地涉及燃气涡轮。本公开还涉及引导静叶元件，特别是适合用于这种发动机的涡轮压缩机。本公开还涉及用于冷却发动机的构件的方法。

背景技术

高效率发动机通常需要高工作温度。内燃机可以提供温度远远超过大多数材料能忍受的温度的工作流体，特别是当同时需要维持机械强度的时候。用于使热压缩工作流体膨胀的发动机构件因此可能需要适当的冷却。对于暴露于高温流体的不间断流的构件更是如此，该高温流体特别是燃烧气体，诸如在燃气涡轮发动机的膨胀涡轮的热气通道中的构件的情况。燃烧器以及现今的内燃式燃气涡轮的至少第一级的引导静叶和旋转叶片需要可靠冷却。同样，涡轮定子和转子的部分，诸如，例如轴或者设置在压缩机的下游的轴的部分可能需要冷却。一种提供冷却剂的方法是，从燃气涡轮压缩机内或者从燃气涡轮压缩机后抽取一些空气，利用所述抽取的空气流绕过燃烧器，以及将所述空气引导至需要冷却的构件。应该理解，从压缩机抽取空气(然后至少部分地绕过热动力过程)是昂贵的，且因此，应该尽可能高效地使用冷却空气以便减少由抽取冷却空气造成的效率损失。

虽然将冷却空气引导至燃气涡轮的固定部分相对容易，但将冷却空气引导至转子部分更具挑战性。本领域已知的是例如在最后压缩机叶片与静叶排之间抽取空气。这是转子轴通常与固定盖接触的地方。在这个位置处出现可用于抽取冷却剂的环形泄漏间隙。然后，例如，通过形成在转子内的管道或者通过形成在转子或者轴外表面与盖的内壁之间的环形间隙来引导所抽取的冷却剂以使涡轮部分旋转。

然而，由于流过第一涡轮静叶排的气体的压力比远远高于由最后的压缩机静叶排产生的压力比，需要将复杂密封机构设置在该冷却剂管道的下游端，并且，通常应用某些测量以在冷却剂被供给到例如旋转涡轮叶片且然后被排放到涡轮热气流之前调整冷却剂的压力。

此外，应该注意，根据发动机压力比和周围温度，在从压缩机抽取时应用于冷却的流体的温度容易在300°C到500°C以上的范围内。

发明内容

本文公开的装置和方法的一个目的是改善现有技术。本文公开的装置和方法的另一目的是克服现有技术(并且更具体地上面所述的现有技术)中的某些缺点。

这通过如权利要求1中所述的发动机实现，并且进一步通过进一步的独立权利要求中所述的构件和方法实现。

本公开教导了一种发动机，所述发动机包括压缩机、膨胀机和轴，该轴具有旋转方向。所述发动机可以是工作发动机。另外，所述发动机可以是燃气涡轮，并且特别是内燃式燃气涡轮。

应该注意，在本公开内，“轴”和“转子”在很大程度上被同义地使用，因此，转子包括固定到该转子或者另外安装到该转子上的轴和任何旋转部分，诸如，例如旋转叶片、隔热罩等等。

另外，在本公开内，静叶表示固定到发动机定子上或者另外连接至发动机定子的固定流引导元件，而叶片表示固定到发动机转子或者另外安装至发动机转子的旋转流偏转元件。

发动机包括压缩流体主流径，应该理解，在本公开的含意中，该压缩流体主流径包括在压缩机内的主流径，并且还可以包括从压缩机出口到燃烧器或者任何其他压缩流体加热装置的流径。分流器部件设置在压缩器主流径处并且流体地连接至压缩器主流径。管道流体地连接分流器和膨胀机的构件，并且设置为使得，当操作发动机时，将流体通过管道从分流器引导至所述构件。此外，流偏转器装置设置在由分流器部件和/或所述管道中的任何一者提供的流径内。流偏转器装置设置为并且适于使经过所述流偏转器装置从分流器朝膨胀机构件导向的流在切向方向上偏转且特别地因此加速。偏转器装置可以设置在管道的上游侧或者特别是端部处。在这种情况下，使流过管道的流体流偏转的效果在整个管道内变得有效。

在本公开的一个方面中，偏转器装置设计为并且设置为使得所述偏转在轴旋转方向上实现。然而，可构想其中偏转器装置设计为并且设置为使得所述偏转与轴旋转方向相反实现。

如将变得显而易见，在使可压缩流体加速时，温度和静压降低。如进一步变得显而易见，所述抽取的压缩流体局部流意图用作用于发动机构件的冷却剂。因为温度降低，所以冷却效率增强。具体地，当引导冷却剂沿轴的外表面或者通过转鼓时，如在下面更详细地标明的那样，改善了转子冷却，或者减少从介质到本身形成转子的一部分的轴的吸热。将进一步认识到，由于冷却剂管道中的静压减小，在冷却剂管道的下游热气侧的冷却剂泄漏可能减小，且/或冷却剂管道与热工作流体主流之间的密封可能较便宜。如还将认识到，在切向方向上使冷却剂流加速时，所述加速可以在不改变冷却剂管道截面的情况下实现。在轴旋转的方向上导向冷却剂流时可发现进一步的益处。即，一方面，特别是当冷却剂管道形成在间隙(例如，在轴与固定部分(例如，如将在下面更详细的标明盖)之间的环形间隙)中时，冷却剂与转子之间的摩擦损失会减小。特别对于大型发动机而言，诸如固定式发电燃气涡轮，在轴的外表面处的切向速度可以达到远远超过100m/s的相当大的量级。如将认识到，并且，在进一步考虑这种轴的大的表面积时，相对于轴的外表面具有很大程度上不同的切向速度的冷却剂流与轴之间的摩擦损失可能相当大。由于提出的流的切向加速度，流的切向速度与轴外表面的切向速度可以具有更紧密的匹配，并且可以大大减少所述摩擦损失。还将变得显而易见的是，如果压缩流体局部流从涡轮压缩机旋转叶片排的下游抽取，并且特别是当旋转叶片设置在轴上时，流在抽取时已经具有在轴旋转的方向上的切向速度，且因此在偏转器中需要较少的额外流加速和偏转来实现期望效果。

在所抽取的流体流的雷诺数由于加速而增加时，可增强构件与所抽取的流体流之间的热传递。

此外，在本公开的另一方面中，如果压缩流体局部流被引导至转子腔内，那么可以使偏转器成形为使得偏转器将额外的速度分量加到朝转子导向的抽取的介质流，即，例如，径向向内的范围。偏转器然后将调整、配置和设置为使得所抽取的流体流在径向向内范围中且在周向方向上偏转。具体地，在增加该径向向内范围，向心速度分量，以及联合轴旋转方向上的上述切向速度分量的过程中，流可以朝轴的入口开口导向，其在轴或者转子的外部与转子腔之间(或者，换言之，在所抽取的流体流与转子或者轴腔之间)提供流体连接。流的切向速度分量可以具有与转子轴外部且因而与所述入口开口的切向速度的匹配。由于该匹配和流朝所述开口的方向，可以在不提供所述入口开口的复杂几何的情况下很大程度上促进介质流入该入口开口。

可能被明确标明或者可能未被明确标明的本公开的教导的进一步的效果和益处可为固有的，或者对本领域技术人员可为显而易见的。

应该理解，在如提出的发动机中应用的分流器中，对上述标明的特性而言额外的特性可以发现是有益的。例如，这已经被证明有益于将这种分流器设计为争取尽可能平稳的流偏转。具体地，应该避免造成涡流的急剧偏转。因此，当静压的下降已经表现为合乎需要时，避免将对总体发动机效率不利的抽取的流体流的总压力损失，或者至少将其减少到最小。

在发动机的一个实施例中，压缩机为涡轮压缩机，该涡轮压缩机包括设置在轴上的至少一排旋转或者运转的叶片以及设置在所述排运转叶片的下游的相应排固定静叶，并且，分流器设置在例如所述排叶片与所述相应排静叶之间。所述布置的一个优点在于：压缩流体在被分流器抽取时因旋转叶片所产生的流体的加速将具有在轴的方向或者转子旋转的方向上的第一切向速度分量，或者，换言之，压缩机级中的静压累积未完全产生。因此，在偏转器装置中需要较少偏转来实现期望效果。在另一个实施例中，涡轮压缩机为多级涡轮压缩机，并且分流器可以设置在最下游(即，最后的)的压缩机级的相应叶片排与静叶排之间。

流偏转器装置可以包括多个翼型件。这些翼型件可设置为提供上游公称流动角和下游公称流动角，或者，对于流管道中的翼型件阵列而言通常还被称为，流入角和流出角，每个角度相对于流体流的轴向方向测量。流体流的所述轴向方向可以被认为与轴的轴向方向相同，特别是在轴向流涡轮发动机中。所述角度例如分别由前缘和后缘处的翼型件倾斜线的方向限定。特别地，下游公称流动角或者流出角大于上游公称流动角或者流入角，并且朝轴旋转方向倾斜，以便当流体流相应地沿翼型件流动时或者穿过翼型件阵列时使流体流偏转到轴旋转方向。偏转装置因此可以类似于设置在分流器上或者设置在冷却剂管道中的引导静叶排。应该理解，流也可以相对于轴旋转方向偏转，这将需要大的偏转角。下面将更详细地标明将这种大偏转角应用于具有相对于轴旋转方向引导的切向速度的优点。

可构想进一步的实施例，其中，偏转装置可为适当成形的喷嘴或者孔口，或者相应地多个喷嘴或者孔口。

应该理解，偏转器是发动机的固定构件。

在进一步的实施例中，偏转装置设置在发动机的固定部分上，并且可以特别地设置在形成在转子轴与所述固定部分之间的间隙内。偏转装置可以特别地设置在围绕轴的盖、引导静叶径向内侧部分(特别是引导静叶的径向内护罩)或者分流器中的一者上。同样，分流器可以由盖或者引导静叶径向内侧部分(特别是引导静叶的径向内护罩)中的一者形成。

在发动机的进一步的实施例中，涡轮压缩机的引导静叶排，特别是多级涡轮压缩机的最下游的引导静叶排可以包括径向内护罩或者护罩元件。即，所述级的静叶包括设置在静叶排的径向外侧上的基座，其面向发动机外壳并且特别是装备有用于将静叶附接至发动机外壳的部件，以及设置在面向轴的径向内侧上的末梢。所述末梢可以连接至护罩且/或可以装备有护罩元件。所述护罩元件可以是具有静叶的整体元件，即，可以被制造为具有静叶的整体。护罩然后可以形成围绕轴的盖的一部分。

偏转装置继而可以设置在压缩机引导静叶的径向内护罩上，并且可以形成为具有护罩或者护罩元件的主要部分的整体，且形成为护罩或者护罩元件的主要部分。

发动机构件可以是旋转发动机构件并且可以设置在轴上，所抽取的压缩流体局部流(例如，如冷却剂流)导向到该发动机构件。在一个实施例中，发动机可以是燃气涡轮发动机，特别是内燃式燃气涡轮。将认识到，这种燃气涡轮发动机包括至少一个涡轮压缩机和至少一个膨胀涡轮。膨胀涡轮的至少一些旋转叶片然后通常可以设置在具有至少一些涡轮压缩机旋转叶片的一个公共轴上或者设置在另外驱动地连接至涡轮压缩机轴的轴上，从而向涡轮压缩机提供驱动力。技术人员将容易理解，这如何适用于，例如，如通常应用于固定式发电燃气涡轮发动机的具有驱动端的单轴燃气涡轮，如例如应用于飞行器推进的多轴燃气涡轮发动机，如可以例如应用于自动驱动或者一些直升机或者涡轮螺旋桨发动机的包括专用用途动力膨胀涡轮和专用驱动轴的燃气涡轮发动机，以及其他类型的发动机。所述发动机构件是旋转构件，并且特别是设置在轴上，且可以是例如旋转叶片或者轴盖或者屏蔽元件(需要对其进行冷却)。

在所公开的发动机的一个实施例中，偏转器装置可以设计为将所抽取的压缩流体引导至由轴内的腔提供的内转鼓中。用于引导所抽取的流体流或者冷却剂的流管道包括所述转鼓。在另一个实施例中，流管道设置在间隙中，特别是在形成在旋转轴与固定盖之间的环形间隙中。此外，形成成形流道的旋转翼型件或者其他合适的部件可以设置或者形成在轴上，所述翼型件或者其他部件设置在固定偏转器装置下游的管道中，该固定偏转器装置设置为用于使流偏转到转子旋转方向中。旋转翼型件具有相对于转子旋转方向定向的偏转。更具体而言，旋转流道将设置为使旋转通道内的流体产生加速，并且使流切向绝对速度产生减速。这种部件可以是设置在轴中的环，所述环继而装备有适当地设置和定向的喷嘴或者孔。由此，膨胀涡轮级形成在轴与盖之间的间隙内，用来减小管道内的抽取的流体或者冷却剂流的总压力和温度，同时将有用驱动力添加至轴。然后可以发现有利的是，在间隙内设置另一个固定偏转器装置，例如，另一排固定翼型件，其中所述偏转器装置设置和配置为进一步添加在轴旋转方向上导向或者与轴旋转方向相反的切向速度分量，从而再次使流加速，并且进一步降低静压和温度。

在本公开的一个方面中，发动机是燃气涡轮发动机且/或膨胀机构件是旋转构件并且特别是设置在轴上，冷却剂将被引导至该膨胀机构件。

在本公开的另一个方面中，描述了引导静叶元件，特别是如上文公开的用于发动机的压缩机的引导静叶元件。引导静叶元件包括至少一个引导静叶翼型件，该至少一个引导静叶翼型件具有从引导静叶的基座延伸到引导静叶的末梢的跨距宽度，静叶的基座设计为位于引导静叶环的外径处，该基座因此组成引导静叶或者引导静叶元件的径向外侧；以及末梢，该末梢设计为位于引导静叶环的内直径处，该末梢因此组成引导静叶或者引导静叶元件的径向内侧。引导静叶元件进一步包括在引导静叶翼型件的末梢处的护罩。该护罩包括朝翼型件设置的第一面以及设置在护罩的相对侧上的第二面。至少一个偏转器翼型件设置在第二面上。在发动机中的安装状态下，偏转器翼型件然后可以设置在间隙中，特别是在环形间隙中。所述环形间隙形成在护罩与轴或者转子之间。偏转器翼型件是如上文所述的偏转器装置的部分。在本公开的一个方面中，设置在引导静叶元件上的偏转器翼型件的数量可能超过设置在引导静叶元件上的引导静叶翼型件的数量。在安装状态下，偏转翼型件的得到的间距将小于引导静叶翼型件的间距。如果由偏转器翼型件所形成的偏转器装置提供的流偏转超过由引导静叶翼型件所提供的引导静叶排提供的流偏转，那么这可以证明是有益的。然而，在另一个可构想的实施例中，由于使流在沿偏转器翼型件流动的同时加速的事实，偏转器翼型件的数量可等于或者小于引导静叶翼型件的数量。

偏转器翼型件从前缘到后缘的曲率可以定向为与引导静叶翼型件的偏转相反。此外，偏转器翼型件的外倾角可以超过引导静叶翼型件的外倾角。即，引导静叶翼型件的偏转可以定向为与轴旋转方向相对，从而引起通过引导静叶排的流的减速以及压缩机中的工作流体流的静压累积，而偏转器翼型件可以设置为引起通过偏转器装置的流的加速，且因而减小静压。在引导静叶翼型件是挠曲翼型件的情况下，至少对于在引导静叶翼型件末梢处测量的引导静叶几何形状可以满足上述几何条件中的每个条件。

在引导静叶元件的还有另一个实施例中，护罩的第二面成形为使沿所述第二面引导的流相对于引导静叶环沿径向向内偏转。在该实施例中，护罩的第二面或者径向内面因此构成偏转器装置的一部分。如上所述，由所述第二面限定的流管道可成形为产生平稳的沿径向向内定向的流偏转。可以发现这有利的是，在争取减小抽取的流体局部流的静压的同时避免或者减小总压力损失。

此外，如果护罩设置在盖的上游侧，那么该护罩本身可以构成用于从压缩器主流抽取压缩的流体局部流的分流器元件。

在还有另一个方面中，偏转翼型件护罩可以设置在与引导静叶护罩第二表面相对的至少一个偏转翼型件的末梢上，并且，特别地，用于密封偏转翼型件护罩与轴之间的在安装状态下出现的间隙的至少一个密封元件可以设置在偏转翼型件护罩上。这种措施用来减少绕过偏转器装置的泄漏流，且因而提高偏转效率。

进一步公开了用于操作如本文中公开的发动机的方法，其中，所述发动机包括压缩机、膨胀机、转子和定子，该方法包括用于冷却发动机的构件的方法。如进一步公开的冷却方法包括：从压缩流体主流抽取压缩流体局部流，使该压缩流体局部流的切向速度分量加速，由此在局部流从压缩流体主流抽取之后降低压缩流体局部流的静压并且因而降低该压缩流体局部流的静温，以及将具有加速的切向速度分量的压缩流体局部流馈送到膨胀机构件，特别是旋转涡轮构件。特别地，切向速度分量的方向具有与转子旋转方向(U)相同的方向。然而，可能使流偏转，并且添加与转子旋转的方向相反导向的切向速度分量，使得与转子旋转方向相反的得到的切向速度(作为绝对值)大于偏转前的切向速度分量。这将意味着静压和静温下降，并且，在轴表面与冷却剂流之间生成大的相对速度，这可以在很大程度上使轴与冷却剂之间的热传递加强。

如上所述的分流器可以应用于抽取流。如上所述的分流器可以应用于使所抽取的压缩流体局部流产生加速，这将随后用作用于膨胀机构件的冷却剂。

应用于所述方法中的压缩机可以是涡轮压缩机，该涡轮压缩机包括至少一排旋转压缩机叶片和相应排的固定压缩机引导静叶，所述相应引导静叶设置在压缩机叶片的下游。该方法然后可以包括：在压缩机旋转叶片排下游和在相应压缩机固定静叶排的上游抽取压缩流体局部流，使得压缩流体局部流在从压缩机抽取时具有在转子旋转的方向上的第一切向速度分量；且进一步使该压缩流体局部流偏转以在转子旋转的方向上添加第二切向速度分量，从而产生切向速度分量的加速。特别地，所述叶片排和静叶排是多级压缩机的最后级(即，最后的或者最下游的级)的叶片和静叶排。

该方法还可以包括：使工作机中的所述压缩流体局部流在已经加速之后并且在将其馈送到构件之前膨胀。就此而言，例如，涡轮叶片可以设置在轴上，特别是间隙中，更特别地在形成在轴与固定盖之间的间隙中，所述间隙用作冷却剂流管道，并且所述涡轮叶片设置在偏转器装置的下游。涡轮叶片的特征在于固定地设置在轴或者转子上，并且具有与转子旋转方向相反导向的偏转角。在引导通过一排旋转涡轮叶片时，流体在驱动涡轮叶片的同时将失去切向速度和总压力两者。就此而言，该方法包括在使所抽取的压缩局部流体流(即，冷却剂)膨胀时将有用的驱动力添加到轴。该方法还可以被描述为使冷却剂流减速，并且，特别是在引导流通过一排所述涡轮叶片时减小在轴旋转方向上的冷却剂流的切向速度分量。该方法还可以包括：在冷却剂已经在第二固定偏转器装置中的所述工作机中膨胀之后使冷却剂在轴旋转方向上加速，由此，进一步减小冷却剂静压。在这方面，该方法还包括提供设置或者形成于偏转器装置下游的冷却剂管道中(即，特别是在形成在轴与盖之间的所述间隙中)的轴上的涡轮叶片排，并且还可以包括在涡轮叶片排下游的冷却剂流管道中且特别是在形成于轴与盖之间的所述间隙中提供第二固定偏转器装置。

虽然应该理解，在本公开的范围内，有利的是提供多个这种冷却剂膨胀步骤，且因而提供如上文所标明的多个冷却剂膨胀涡轮，并且发动机然后可以包括设置在间隙内的轴上的多排膨胀涡轮叶片，但是将变得非常显而易见的是，在某些实施例中，在冷却剂流预期与热气流相遇的位置处(在密封处或者在所抽取的流体或者冷却剂流预期与热气流混合的位置处)应将压力维持在膨胀发动机的热工作流体的压力之上。即，特别地，当待冷却的构件是叶片或者设置有孔的其他构件时，使所抽取的流体局部流与工作机中的热气流混合，诸如，提供例如扩散冷却涡轮构件的薄膜，例如薄膜或者扩散冷却构件。在这种情况下，因为从所述构件流出的冷却剂可能对涡轮主流产生较少干扰，可以通过使冷却剂压力降低来改善如在本文中所提出的发动机和方法。

本文中所涉及的发动机例如可以是喷气发动机。所抽取的流体则是压缩空气。该方法则包括抽取压缩空气，特别是压力低于最终压缩压力的压缩空气。特别地，发动机可以是喷气燃气涡轮，更特别地是喷气内燃式燃气涡轮。然而，虽然下文对于这种特定类型的发动机更详细地描述了所公开的发明，但应该理解，如本文中描述的发明可应用于不同类型的发动机。

应该理解，上述特征可以易于彼此结合。

当本文中公开的装置和方法例如与转子冷却(即，对发动机的轴和/或设置在其上且/或连接至转子的构件的冷却)相关时，这些装置和方法还可以应用于其他目的。应该理解，它们可以在一个发动机中与其他任何系统结合。特别地，固定构件(诸如，但不限于，涡轮引导静叶和燃烧器衬套)的冷却例如可以通过从现在或者将来的技术中所知的其他特征和方法来实现，并且可以与类似液体冷却的技术结合，同时仍然在本公开的教导内，并且，特别是在如在本文中所提出的装置和方法的范围内。

根据下文标明的示例性实施例，本文中描述和/或提出的主题将变得更加显而易见。然而，应该理解，这些示例性实施例并不会使本公开限于示例性实施例中提供的细节。

附图说明

现在借助于不同实施例并且参照附图来更详细地说明本公开的教导。附图详细地示出了：

图1是燃气涡轮发动机的示例性实施例的一部分，图示了最后压缩机级、第一膨胀涡轮级以及用于向膨胀涡轮旋转构件提供冷却剂的冷却剂通道；

图2是在本公开的教导内的包括分流器和偏转器部件的最后涡轮压缩机级的细节；

图3是包括设置在引导静叶护罩的径向内侧的分流器和偏转器部件的引导静叶元件的示例性实施例；

图4是描绘引导静叶和偏转器翼型件的引导静叶元件的视图；

图5是在本公开的教导内的包括分流器和偏转器部件的最后涡轮压缩机级的另一个实施例的细节；

图6是最后涡轮压缩机级的第三示例性实施例的细节和冷却剂管道的部分，包括用于使冷却剂流膨胀的另外的部件；

图7是有罩偏转器的第一示例性实施例；

图8是有罩偏转器的第二示例性实施例。

附图很大程度上是示意性的。为了易于理解和描述，已经省略了对于理解本教导不需要的细节。

参考标号列表

1燃气涡轮发动机

2压缩机

3涡轮

4分流器

5压缩工作流体流

6来自压缩机最后级叶片排的流体流

7抽取的压缩流体局部流

8偏转器

9偏转器

10定子

11盖

12管道

20转子

21轴

22转子孔

23转子腔

81偏转器翼型件

82偏转器护罩

83密封末梢

101最后压缩机级静叶

102第一涡轮级静叶

103第二涡轮级静叶

110引导静叶翼型件

111引导静叶基座

112引导静叶末梢

113引导静叶护罩

114护罩第一面

115护罩第二面

201最后压缩机级叶片

202第一涡轮级叶片

203第二涡轮级叶片

204涡轮叶片

U轴/转子旋转方向

Ax轴向流方向。

具体实施方式

由于以下更详细地描述的示例性实施例，本文中描述的装置和方法将变得更加明显。应该注意，为了易于理解和显示，这些示例性实施例限于单轴内燃式燃气涡轮，但是可以应用于其他类型的发动机，诸如，例如但不限于如通常应用于飞行器推进的多轴燃气涡轮、包括专用动力驱动轴的燃气涡轮(如例如应用于汽车应用)以及其他类型的发动机。

图1中示出了应用本公开的教导的燃气涡轮发动机的第一示例性实施例。燃气涡轮发动机1包括压缩机2和膨胀涡轮3。该燃气涡轮发动机1还包括定子10和转子20。在该图中仅仅示出压缩机2的最后级和涡轮3的第一级。最后压缩机级包括压缩机叶片201和压缩机静叶101。还示出了压缩机静叶和叶片(无参考标号)。

在该图中示出了涡轮的第一级静叶102、第一级叶片202、第二级静叶103和第二级叶片203。旋转叶片设置在轴21上并且形成转子20的部分。固定静叶固定在外壳处并且形成定子的部分。在压缩机与涡轮之间的区域中，固定盖11围绕轴21设置。环形管道12形成在盖11与轴21之间，并且从压缩机延伸到涡轮。在最后压缩机叶片201的排与最后压缩机静叶101的排之间，管道朝压缩机主流5打开。管道12可以用于将用作用于旋转涡轮部分的冷却剂的压缩流体的局部流从压缩机引导至涡轮。分流器部件4设置在管道12的上游处。根据本公开，偏转器部件设置在分流器4处或者设置在管道12内的另一个位置处。

图2更详细地示出了最后压缩机级和分流器4。最后压缩机静叶包括从基座111跨越到末梢112的引导静叶翼型件。基座按照已知方式配备有用于将静叶固定到燃气涡轮的外壳的装置。在静叶翼型件的末梢处，设置了护罩113。护罩113包括面向引导静叶翼型件的第一面114和背朝翼型件的第二面115。应该理解，静叶的基座设置在引导静叶排的径向外侧，而引导静叶的包括护罩的末梢设置在引导静叶排的径向内侧。分流器部件4设置在引导静叶末梢与转子轴21之间。在该示例性实施例中，分流器4由引导静叶护罩113提供。分流器部件4用于将来自最后压缩机级叶片201的流体流6分为按照已知的方式提供给燃烧器或者用于加热涡轮工作流体的任何其他部件的工作流体流5，以及所抽取的压缩流体局部流7。应该理解，随后可以从提供冷却空气给发动机的固定部分的工作流体流5抽取工作流体流的另外的局部流；然而，由于这不是本公开的主题，将不会更详细地标明。还应该理解的是，流体流5和6为压缩机主流。将认识到，旋转压缩机旋转叶片排发出的流体流6具有在转子或者轴旋转的方向上定向的切向速度分量。将局部流7引导至形成在轴21与盖11之间的环形管道12中。此外，分流器部件4包括偏转器部件8，这将参照图3更详细地标明。

图3示出了如图2中示出的引导静叶101的示例性实施例。如图所示，护罩113的第二径向内面115形成分流器4。一方面，使沿护罩第二表面流动的抽取的压缩空气局部流沿径向向内偏转以进入管道12。另一方面，偏转器8设置在径向内侧第二护罩面115。偏转器装置8包括偏转器翼型件81。偏转器翼型件81设置为并且适于使沿所述翼型件流动的流体流在切向方向上偏转。

在图4中，在径向方向上的视图中示意性地示出了引导静叶101。箭头U示出了转子旋转方向。箭头Ax示出了通过发动机的流的轴向方向。静叶101包括在护罩113的第一面上的引导静叶翼型件110以及设置在护罩113的第二面上的偏转器翼型件81。流体流从翼型件前缘到翼型件后缘沿翼型件流动，或者穿过分别通过多个翼型件向上回旋的流道，且因而通过翼型件而偏转。如在图4中所示，引导静叶101包括一个引导静叶翼型件110和多个偏转器翼型件81。可能有利地在本公开的范围内提供包括多个引导静叶翼型件的引导静叶元件。然而，在某些实施例中，偏转器翼型件的数量将超过引导静叶翼型件的数量，从而导致偏转器翼型件间距小于引导静叶翼型件的间距。这可以用于通过偏转器翼型件来更有效地允许更大偏转。又如已经在上面标明的，来自一排旋转压缩机叶片的入射流将具有在转子旋转方向上(即，在由箭头U所示的方向上)的切向速度分量。翼型件的上游公称流动角(如由翼型件前缘处的翼型件倾斜线限定)将设置为使得其至少基本上与流入角相同，或者，换言之，在设计操作状态下，至少在一些操作情况中，前缘处的翼型件的倾斜线将至少基本上平行于入流。压缩流体主流通过引导静叶翼型件110相对于转子旋转方向偏转。因此，将相应减小沿引导静叶翼型件110或者穿过引导静叶翼型件的阵列的流体流的切向速度，而径向速度分量将很大程度上保持不变，从而导致静压累积。抽取的流体局部流被偏转器翼型件81偏转到旋转方向中，即，增加切向速度，并且降低了流体的静压以及相应的静温。通过管道12的冷却剂流体流因此可以设置为具有降低的温度和静压，以及与轴的周向速度更紧密匹配的切向速度。

图5中示出了本文中公开的发动机的另一个实施例。在该实施例中，转子腔23设置在转子20中并且为转子冷却剂流提供管道。孔22设置为连接转子20的外侧和腔23。一排压缩机叶片201发出的流体流6被分为工作流体流5，其被导向通过一排引导静叶101且因而减速，如上文所述的那样。另外，分流器4和偏转器装置8设置在压缩机引导静叶101的径向内侧。从流体流6抽取局部流7，并且通过转子孔22将该局部流7引导至转子腔23中。一方面，分流器4和偏转器装置8用于使抽取的流沿径向向内偏转，并且还偏转到转子的旋转方向中。因此，抽取的流体流朝转子孔22的外开口导向，并且接收切向速度，该切向速度可以与转子20的外圆周处的转子孔22的外开口的周向速度至少紧密地匹配。因此可在很大程度上便于抽取的流体流7进入转子孔22的入口，而不需要提供转子孔22的复杂入口开口几何形状。将认识到，可以在每个压缩机叶片排与后续压缩机静叶排之间实现这种模式的冷却剂抽取。

图6的实施例能够使提供给旋转涡轮构件的冷却剂的压力甚至进一步降低。如前所述，来自一排旋转压缩机叶片201的流体流6被分为工作流体流5和抽取的流体局部流7。抽取的流体局部流7被分流器4引导至形成在轴21与盖11之间的间隙中。该抽取的流体局部流7进一步通过偏转器8在转子旋转方向上加速。涡轮叶片204设置在转子上，该转子在环形间隙内并且在偏转器8的下游。该涡轮叶片204成形为使通过一排涡轮叶片的流相对于转子旋转方向偏转。由此，在将有用功添加到转子的同时，流过一排涡轮叶片204的抽取的流体流7将减速并且释放总压力。第二偏转器9设置在这排涡轮叶片204的下游，并且成形和设置为使局部流体流7偏转到转子的旋转方向中，因此再次降低抽取的流体流7的静压。

另外，在图7和图8中，示出了本文中公开的装置的示例性实施例的细节。如将认识到的那样，需要在固定偏转器与转子20或者轴21之间分别维持一定的间隙。由于偏转器的相对小的大小，通过所述间隙的泄漏流将相当大，继而减小偏转效果。在图7中所示的实施例中，偏转器8装备有径向内护罩82，该径向内护罩82继而配备有密封末梢83。然而，由于转子与定子之间的径向运动，间隙仍然需要维持在图7的实施例中的相对高的水平上，以便避免旋转部分与固定部分之间的接触。在图8中所示的实施例中，在设置偏转器8的区域中，转子因此设计为不连续渐缩，而是成阶梯式的方式。由此，当转子与定子之间的轴向运动发生时，密封末梢83沿具有恒定直径的部段相对于转子移动。这允许在固定密封末梢83与转子20之间设计和维持较小的间隙。

虽然已经鉴于燃气涡轮发动机的示例性实施例描述了本发明，但技术人员将认识到本文中所公开的教导对其他类型的发动机的适用性。例如，偏转器装置可以设置在管道内的不同位置处，并且可以附接至盖而不是引导静叶护罩。此外，应该理解，所提供的实施例仅仅意图作为示例以便于理解本公开的教导，并且决不设置为对如本文中公开和提出的本发明进行限制。应该理解，与所提供的示例性实施例的偏差是可能的，并且有利地在所公开和提出的发明的范围内。

Claims (15)

1.一种发动机(1)，所述发动机包括压缩机(2)、膨胀机(3)和轴(21)，

所述轴(21)具有旋转方向(U)，

所述发动机包括压缩流体主流径，

分流器部件(4)，所述分流器部件(4)设置在压缩器主流径处并且流体地连接至所述压缩器主流径，

管道(12)，所述管道(12)流体地连接所述分流器和膨胀机构件，并且所述管道(12)设置为使得，当操作所述发动机时，通过所述管道将流体(7)从所述分流器引导至所述膨胀机构件，

其特征在于，流偏转器装置(8)设置在由所述分流器部件和所述管道中的任何一者提供的流径内，所述流偏转器装置设置为并且适于使经过所述流偏转器装置从所述分流器朝所述膨胀机构件导向的流在切向方向上偏转。

2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述流偏转器装置(8)设置在所述管道(12)或者所述流径的上游侧。

3.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其中，所述压缩机为涡轮压缩机，所述涡轮压缩机包括设置在所述轴上的至少一排叶片(201)以及设置在所述排的叶片的下游的相应排的静叶(101)，其特征在于，所述分流器(4)设置在所述排的叶片与所述排的静叶之间。

4.根据权利要求3所述的发动机，其中，所述涡轮压缩机为多级涡轮压缩机，其特征在于，所述分流器设置在最下游设置的压缩机级的相应叶片(201)排与静叶(101)排之间。

5.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其特征在于，所述流偏转器部件包括提供上游公称流动角和下游公称流动角的多个偏转器翼型件(81)，每个角度相对于所述轴的轴向方向测量，其中，特别地，所述下游公称角大于所述上游公称角并且朝所述轴旋转方向(U)倾斜，以便使流体流偏转到所述轴旋转方向中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其特征在于，所述偏转器装置(8,9)设置在所述发动机(4,11,101)的固定部分上并且特别地设置在形成于所述轴(21)与所述固定部分(4,11,101)之间的间隙(12)内。

7.根据前述权利要求中任一项所述的发动机，其特征在于，所述偏转装置设置在压缩机引导静叶(101)的至少一个径向内护罩(113)上。

8.一种引导静叶元件(101)，特别是用于如前述权利要求中任一项所述的发动机的压缩机的引导静叶元件，所述引导静叶元件包括至少一个引导静叶翼型件(101)，所述至少一个引导静叶翼型件(101)具有从所述引导静叶的基座(111)延伸到所述引导静叶的末梢(112)的跨距宽度，所述静叶的所述基座设计为位于引导静叶环的外径处，并且所述末梢设计为位于所述引导静叶环的内径处，所述引导静叶元件还包括设置在所述引导静叶翼型件的所述末梢处的护罩(113)，所述护罩包括朝所述翼型件布置的第一面(114)和布置在所述护罩的相对侧上的第二面(115)，其特征在于，至少一个偏转器翼型件(81)布置在所述第二面上。

9.根据前述提出了引导静叶元件的权利要求中的任一项所述的引导静叶元件，其特征在于，从前缘到后缘的偏转器翼型件的曲率定向为与所述引导静叶翼型件的偏转相对，和/或所述偏转器翼型件的外倾角超过所述引导静叶翼型件的外倾角，每个条件至少对于在所述引导静叶翼型件末梢处测量的引导静叶偏转满足。

10.根据前述提出了引导静叶元件的权利要求中的任一项所述的引导静叶元件，其特征在于，所述护罩(113)的所述第二面(115)成形为使沿所述第二面引导的流相对于引导静叶环沿径向向内偏转。

11.根据前述提出了引导静叶元件的权利要求中的任一项所述的引导静叶元件，其特征在于，偏转器护罩(82)设置在所述至少一个偏转器翼型件(81)的与所述引导静叶护罩第二面(115)相对的末梢上，并且特别地，处于安装状态的至少一个密封元件(83)设置在所述偏转器翼型件护罩上，所述至少一个密封元件(83)用于密封所述偏转器护罩(82)与所述转子和/或轴(20,21)之间的在安装状态下出现的间隙。

12.一种用于冷却发动机(1)的构件的方法，所述发动机包括压缩机(2)、膨胀机(3)、转子(20)和定子(10)，其特征在于，所述方法包括：

从压缩流体主流(6)抽取压缩流体局部流(7)，

使所述压缩流体局部流的切向速度分量加速，由此在所述压缩流体局部流从所述压缩流体主流抽取之后降低所述局部流的静压并且因而降低所述局部流的静温，

将具有所述切向速度分量的所述压缩流体局部流馈送到至少一个发动机构件，特别是旋转涡轮构件(202,203)，以及所述转子轴(21)，

并且其中，特别地，所述切向速度分量的方向具有与所述转子旋转方向(U)相同的方向。

13.根据前述方法权利要求所述的方法，其特征在于，所述压缩机为涡轮压缩机，所述涡轮压缩机包括至少一排旋转压缩机叶片(201)和相应排的固定压缩机引导静叶(101)，所述相应引导静叶设置在所述压缩机叶片的下游，所述方法的特征在于包括：从压缩机旋转叶片排的下游和所述相应压缩机固定静叶排的上游抽取所述压缩流体局部流，从而使所述压缩流体局部流在从所述压缩机抽取时具有在所述转子旋转方向(U)上的第一切向速度分量，以及使所述压缩流体局部流偏转以在所述转子旋转的方向上添加第二切向速度分量，从而引起所述切向速度分量的加速，其中，特别地，所述叶片排和静叶排为多级压缩机的最后级的叶片和静叶排。

14.根据前述方法权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括使工作机中的所述压缩流体局部流膨胀。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法包括：引导所述流通过由设置在所述轴上的至少一个旋转元件提供的流道，且使所述流相对于所述轴旋转方向偏转，并且特别地，在所述流已经加速后和在将所述流馈送至所述发动机构件之前，引导所述流通过具有相对于所述轴旋转方向定向的偏转角的一排旋转叶片(204)。