CN105723072A - 用于气体涡轮发动机的利用压缩机排气和环境空气的冷却系统 - Google Patents

用于气体涡轮发动机的利用压缩机排气和环境空气的冷却系统 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于涡轮发动机(12)的冷却系统(10)，其用于将冷却流体从压缩机(14)引导到涡轮叶片冷却流体供应部(16)并从环境空气源供应到涡轮叶片冷却流体供应部(16)，以将冷却流体供应到转子组件的一个或多个翼片(20)。冷却系统(10)可包括从压缩机(14)延伸到提供将冷却流体供应到至少一个涡轮叶片(24)的涡轮叶片冷却流体供应部(16)的压缩机排气导管(22)。压缩机排气导管(22)可包括上游段(26)和下游段(28)，借以上游段(26)将压缩的抽出空气通过出口(30)排出到下游段(28)，其中，环境空气通过下游段(28)。上游段(26)的出口(30)可大体上与在下游段(28)流动的环境空气流(32)对齐。这样，压缩的空气增加到涡轮叶片冷却流体供应部(16)的环境空气流(32)。

Description

用于气体涡轮发动机的利用压缩机排气和环境空气的冷却系统
关于联邦政府赞助的研究或发展的声明
本发明的研发部分地得到美国能源部、合同号为DE-FC26-05NT42644的先进涡轮机发展项目的支持。因此，美国政府可以拥有本发明的某些权利。
技术领域
本专利总体上涉及涡轮发动机，更具体地讲，涉及利用用于气体涡轮发动机中的涡轮翼片的环境冷却空气的冷却流体馈送系统。
背景技术
通常，燃气涡轮发动机包括用于压缩空气的压缩机、用于混合压缩的空气与燃料并点燃混合物的燃烧室、以及用于产生动力的涡轮叶片组件。燃烧室通常在可能超过2500华氏度的高温下操作。典型的涡轮燃烧室构造可将涡轮叶片组件暴露于这种高温。因此，涡轮叶片和涡轮导叶必须由能够承受这种高温的材料制成。涡轮叶片、导叶和其它组件通常包括用于延长这些物品的寿命并降低由于温度过高而故障的可能性的冷却系统。
通常，涡轮导叶从导叶支承部径向向内延伸并且在紧邻转子组件处终止，并且涡轮叶片径向向外延伸并在紧邻导叶支承部处终止。涡轮导叶和叶片通常包括设置在其内部的多个冷却通道，以在其中将导叶和叶片从燃烧室排出气体获得的热中冷却。在发动机运行在一直增加的负载的情况下，需要降低传统冷却系统的非高效性的用于涡轮翼片的新的冷却系统。
发明内容
公开了一种涡轮发动机的冷却系统，其将冷却流体从压缩机引导到涡轮叶片冷却流体供应部作为压缩机排放空气并从环境空气源引导到涡轮叶片冷却流体供应部以将冷却流体供应到转子组件的一个或多个翼片。冷却系统可以包括从压缩机延伸到涡轮叶片冷却流体供应部的压缩机排气导管，该涡轮叶片冷却流体供应部将压缩的空气作为冷却流体提供到至少一个涡轮叶片以在启动和冷却过程期间冷却涡轮叶片。在一个实施例中，这种构造可以与用于涡轮叶片的环境空气冷却系统一起使用。在另一实施例中，压缩机排气导管可以包括上游段和下游段，从而上游段将压缩的排放空气通过出口排出到下游段中，环境空气通过下游段经过。上游段的出口可以基本上与在下游段流动的环境空气流对齐。这样，压缩的空气激发环境空气流，增加到达涡轮叶片的冷却流，并增加冷却效率。这种构造在泵送作用低于泵送环境空气所需的泵送作用的启动和冷却过程期间可能是有用的。
涡轮发动机的冷却系统可以包括从压缩机延伸到涡轮叶片冷却流体供应部的压缩机排气导管，涡轮叶片冷却流体供应部将冷却流体提供到至少一个涡轮叶片。压缩机排气导管可以具有与压缩机中的压缩的空气流体连通的入口以及在涡轮叶片冷却流体供应部中的出口。冷却系统可以包括在压缩机排气导管中的压缩机截止阀，以用于控制空气进入到压缩机排气导管的入口中的流动。冷却系统可以包括用于接收环境空气的一个或多个环境空气供应入口并且可以包括一个或多个环境空气供应截止阀，其位于环境空气供应入口和压缩机排气导管之间，压缩机排气导管在压缩机截止阀的下游和压缩机排气导管的出口上游，环境空气供应截止阀用于控制环境空气通过环境空气供应入口并进入到涡轮叶片冷却流体供应部中的流动。
在至少一个实施例中，涡轮叶片冷却流体供应部可以将冷却流体提供到涡轮叶片的一个级，该级形成最靠近涡轮发动机的排气段的涡轮叶片的最后一级。压缩机排气导管包括上游段和下游段，其中，环境空气供应入口位于下游段的上游端，并且其中，上游段的下游端在下游段内、在至少一个环境空气供应入口的下游终止。压缩机排气导管的下游段可以具有比压缩机排气导管的上游段大的截面积。在至少一个实施例中，压缩机排气导管的下游段可以具有比压缩机排气导管的上游段大的直径。
为了促使将环境空气馈送到涡轮叶片冷却流体供应部中，压缩机排气导管的上游段可以包括将压缩机排出空气在与下游段中的环境空气流基本上对齐的下游方向上射出的出口。另外，上游段的出口可以与下游段的纵向轴线方向对齐。上游段的出口可以位于下游段内。
一种将环境冷却流体传送到环境冷却的涡轮翼片的方法可以包括将压缩的空气接收到从压缩机延伸到将冷却流体提供到至少一个涡轮叶片的涡轮叶片冷却流体供应部的压缩机排气导管中，其中，压缩机排气导管具有与压缩机中的压缩的空气流体连通的入口以及在涡轮叶片冷却流体供应部中的出口。该方法还可以包括经由压缩机排气导管中的一个或多个压缩机截止阀控制压缩的空气的接收以控制空气到压缩机排气导管的入口中的流动，以及将环境空气接收到一个或多个环境空气供应入口中。该方法可以包括经由一个或多个环境供应截止阀控制环境空气的接收，一个或多个环境供应截止阀位于一个或多个环境空气供应入口与压缩机排气导管之间，压缩机排气导管在压缩机截止阀的下游和在压缩机排气导管的出口上游，环境供应截止阀用于控制环境空气通过环境空气供应入口并进入到涡轮叶片冷却流体供应部中的流动。该方法还可以包括将压缩的空气和环境空气传递到涡轮叶片冷却流体供应部。
该方法可包括将压缩的空气和环境空气传递到涡轮叶片的一个级，该级形成位于最靠近涡轮发动机的排气段的涡轮叶片的最后一级。该方法还可以包括将压缩的空气接收到由上游段和下游段形成的压缩机排气导管中，其中，环境空气供应入口位于下游段的上游端，并且其中上游段的下游端在下游段内、在环境空气供应入口的下游终止。该方法可以包括将压缩的气体接收到压缩机排气导管中，其中，压缩机排气导管包括将压缩机排出空气在与下游段中的环境空气流大体上对齐的下游方向上射出的出口。
该方法可以包括在燃气涡轮发动机的启动期间通过打开压缩机截止阀经由压缩机排气导管中的一个或多个压缩机截止阀来控制压缩的空气的接收，并且可以包括在燃气涡轮发动机的启动期间通过关闭环境供应截止阀经由一个或多个环境供应截止阀来控制环境空气的接收。该方法还可以包括在燃气涡轮发动机的启动之后的稳态操作期间通过关闭压缩机截止阀经由压缩机排气导管中的一个或多个压缩机截止阀来控制压缩的空气的接收，并且可以包括在燃气涡轮发动机的启动之后的稳态期间通过打开环境供应截止阀经由一个或多个环境供应截止阀来控制环境空气的接收。
冷却系统的优势在于冷却系统在启动和关闭程序期间当没有足够的泵送动力来抽取环境空气进入到环境空气供应入口时使用压缩机排气导管来帮助将环境冷却空气馈送到涡轮叶片冷却流体供应部。在发动机启动期间，压缩机空气通常被排到排气段中以防止压缩机稳定性问题。冷却系统使用否则会被浪费的压缩机排出空气的一部分，并且在没有足够泵送动力的环境冷却系统中使用该压缩机排出空气的一部分。
冷却系统的另一优势在于冷却系统包括能够在一旦已经实现正常操作并且足够的泵送动作发生在涡轮叶片的最后一级内以抽吸环境空气到环境空气供应入口并排出到叶片中时使压缩机排气关闭。
这些和其它实施例在下面更详细地描述。
附图说明
包含在说明书中并且形成说明书的一部分的附图说明了本公开的发明的实施例并且与说明书一起公开本发明的原理。
图1是用于在发动机的启动和关闭期间将冷却流体从压缩机引导到涡轮叶片冷却流体供应部并且从环境空气源引导到涡轮叶片冷却流体供应部以将冷却流体供应到转子组件的一个或多个翼片的涡轮发动机冷却系统的示意图。
图2是用于在发动机的正常操作期间将冷却流体从压缩机引导到涡轮叶片冷却流体供应部并且从环境空气源引导到涡轮叶片冷却流体供应部以将冷气流体供应到转子组件的一个或多个翼片的涡轮发动机冷却系统的示意图。
图3是其中压缩机排气导管由从环境空气冷却系统接收环境空气的上游段和下游段形成的冷却系统的可选实施例的截面图。
具体实施方式
如图1-图3中所示，公开了一种用于涡轮发动机12的冷却系统10，用于将冷却流体从压缩机14引导到涡轮叶片冷却流体供应部16并且从环境空气源18引导到涡轮叶片冷却流体供应部16以将由压缩的空气或环境空气或这两者形成的冷却流体供应到转子组件22的一个或多个翼片20。冷却系统10可以包括从压缩机14延伸到涡轮叶片冷却流体供应部16的压缩机排气导管22，涡轮叶片冷却流体供应部16将压缩的空气作为冷却流体提供到至少一个涡轮叶片24以在启动和冷却程序期间冷却涡轮叶片。在一个实施例中，这种构造可以与用于涡轮叶片24的环境空气冷却系统23一起使用。在另一实施例中，压缩机排气导管22可以包括上游段26和下游段28，从而上游段26将压缩的排出空气通过出口30排出到下游段28中，环境空气穿过下游段28通过来辅助将环境空气传送到涡轮叶片冷却流体供应部16。上游段26的出口30可以大体上与在下游段中流动的环境空气流32对齐。这样，压缩的空气激发环境空气流23，增加到达涡轮叶片24的冷却流，并增加冷却效果。这种构造在当来自涡轮叶片24的泵送动作低于泵送环境空气所需的泵送动作的启动和冷却过程期间可能是有用的。
冷却系统10可以包括从燃气涡轮发动机12的压缩机14延伸到涡轮叶片冷却流体供应部16的压缩机排气导管22，涡轮叶片冷却流体供应部16将冷却流体提供到至少一个涡轮叶片24。压缩机排气导管22可以由增压管、管子或具有任何适当横截面形状的其它容纳结构形成。在至少一个实施例中，涡轮叶片冷却流体供应部16可以将冷却流体提供到涡轮叶片的一个级46，级46形成最靠近涡轮发动机12的排气段48的涡轮叶片的最后一级。压缩机排气导管22可以具有与压缩机14中的压缩的空气流体连通的入口36以及在涡轮叶片冷却流体供应部16中的出口38。
冷却系统10可以包括在压缩机排气导管22中的一个或多个压缩机截止阀40，以控制空气到压缩机排气导管22的入口36中的流动。压缩机截止阀40可以由任何适当的构造形成，诸如但不限于闸阀、球心阀、夹管阀、膜板阀、针阀、旋塞阀、球阀和蝶阀。压缩机截止阀40可以是手动的或诸如经由螺线管自动或以另一适当的方式而被电子控制的。
冷却系统10可以包括用于接收环境空气的一个或多个环境空气供应入口42。环境空气供应入口42可以具有任何适当的构造。一个或多个环境供应截止阀44可以位于至少一个环境空气供应入口42和压缩机排气导管22之间，压缩机排气导管22在压缩机截止阀40的下游以及在压缩机排气导管22的出口38的上游，环境供应截止阀44用于控制环境空气通过环境空气供应入口42并进入到涡轮叶片冷却流体供应部16中的流动。在至少一个实施例中，环境供应截止阀44可以从压缩机排气导管22形成分支，以使得环境空气供应入口42与环境空气源18流体连通，并且通过环境空气供应入口42的流动可以独立于通过压缩机排气导管22的流动而被控制。环境供应截止阀44可由任何适当的构造形成，诸如但不限于闸阀、球心阀、夹管阀、膜板阀、针阀、旋塞阀、球阀和蝶阀。环境供应截止阀44可以是手动的或诸如经由螺线管自动或以另一适当的方式而被电子控制的。
在另一实施例中，如图3所示，压缩机排气导管22可以包括上游段26和下游段28。环境空气供应入口42可以位于下游段28的上游端50。上游段26的下游端52可以在下游段28内、在环境空气供应入口42的下游终止。压缩机排气导管22的下游段28可以具有比压缩机排气导管22的上游段26大的横截面积。更特别地，压缩机排气导管22的下游段28可以具有比压缩机排气导管22的上游段26大的直径。
压缩机排气导管22的上游段26可以包括将压缩机排出空气在与下游段28中的环境空气流基本上对齐的下游方向54上射出的出口30。在至少一个实施例中，上游段的出口30可以与下游段28的纵向轴线方向56对齐。上游段26的出口30可以位于下游段28内。
还公开了一种将环境冷却流体传送到环境冷却的涡轮翼片20的方法。该方法可包括将压缩的空气接收到从压缩机14延伸到将冷却流体提供到至少一个涡轮叶片24的涡轮叶片冷却流体供应部16的压缩机排气导管22中。压缩机排气导管22可以具有与压缩机14中的压缩的空气流体连通的入口36以及在涡轮叶片冷却流体供应部16中的出口38。该方法还可以包括经由压缩机排气导管22中的一个或多个压缩机截止阀40控制压缩的空气的接收，以控制空气到压缩机排气导管22的入口36中的流动。该方法还可以包括将环境空气接收到一个或多个环境空气供应入口42中。该方法可以包括经由一个或多个环境供应截止阀42控制环境空气的接收，其中，一个或多个环境供应截止阀位于环境空气供应入口42与压缩机排气导管22之间，压缩机排气导管22在压缩机截止阀40的下游并在压缩机排气导管22的出口38的上游，环境供应截止阀用于控制环境空气通过环境空气供应入口42并进入到涡轮叶片冷却流体供应部16中的流动。该方法还可以包括将压缩的空气和环境空气传递到涡轮叶片冷却流体供应部16。
该方法可以包括将压缩的空气和环境空气传递到涡轮叶片的一个级46，该级46形成位于最靠近涡轮发动机12的排气段48的涡轮叶片的最后一级。在另一实施例中，该方法可以包括将压缩的空气接收到由上游段26和下游段28形成的压缩机排气导管22中，其中环境空气供应入口42位于下游段28的上游端50，并且其中上游段26的下游端52在下游段28内、在环境空气供应入口42的下游终止。该方法还可以包括将压缩的气体接收到压缩机排气导管22中，压缩机排气导管22包括将压缩机排出空气在与下游段28中的环境空气流32基本上对齐的下游方向上射出的出口30。
在燃气涡轮发动机12的启动期间或燃气涡轮发动机的关闭期间或两者期间，压缩机截止阀40可以被打开，并且环境供应截止阀44可以被关闭以防止压缩的空气通过环境空气供应入口42被排出。在燃气涡轮发动机12的启动之后稳态操作期间，压缩机截止阀40可以被关闭，并且环境供应截止阀44可以被打开，以允许环境空气流动到下游段28中并流动到涡轮叶片冷却流动供应部16中，而消除了压缩的空气流进入涡轮叶片冷却流体供应部16中。
提供上文为了说明、解释和描述本发明的目的。对于这些实施例的变形和适配对于本领域技术人员来说将是明显的并且可以在不脱离本发明的范围或精神的情况下进行变形和适配。

Claims (8)

1.一种用于涡轮发动机(12)的冷却系统(10)，其特征在于：
压缩机排气导管(22)，从压缩机(14)延伸到将冷却流体供应到至少一个涡轮叶片(24)的涡轮叶片冷却流体供应部(16)，其中所述压缩排气导管(22)具有入口(36)和出口(38)，所述入口(36)与所述压缩机(14)中的压缩的空气流体连通，所述出口(38)在所述涡轮叶片冷却流体供应部(16)中；
至少一个压缩机截止阀(40)，在所述压缩机排气导管(22)中，以用于控制压缩的空气到所述压缩机排气导管(22)的所述入口(36)中的流动；
至少一个环境空气供应入口(42)，用于接收环境空气(32)；以及
至少一个环境空气供应截止阀(44)，位于所述至少一个环境空气供应入口(42)与所述压缩机排气导管(22)之间，所述压缩机排气导管(22)在所述压缩机截止阀(40)的下游和所述压缩机排气导管(22)的所述出口(38)的上游，所述环境空气供应截止阀(44)用于控制所述环境空气(32)通过所述至少一个环境空气供应入口(42)并进入到所述涡轮叶片冷却流体供应部(16)中的流动。
2.根据权利要求1所述的冷却系统(10)，其特征在于，所述涡轮叶片冷却流体供应部(16)将冷却流体供应到涡轮叶片(24)的一个级(46)，所述级(46)形成最靠近所述涡轮发动机(12)的排气段(48)的涡轮叶片(24)的最后一级(46)。
3.根据权利要求1所述的冷却系统(10)，其特征在于，所述压缩机排气导管(22)包括上游段(26)和下游段(28)，其中所述至少一个环境空气供应入口(42)位于所述下游段(28)的上游端(50)，并且其中所述上游段(26)的下游端(52)在所述下游段(28)内、在所述至少一个环境空气供应入口(42)的下游终止。
4.根据权利要求3所述的冷却系统(10)，其特征在于，所述压缩机排气导管(22)的所述下游段(28)具有比所述压缩机排气导管(22)的所述上游段(26)大的截面积。
5.根据权利要求3所述的冷却系统(10)，其特征在于，所述压缩机排气导管(22)的所述下游段(28)具有比所述压缩机排气导管(22)的所述上游段(26)大的直径。
6.根据权利要求3所述的冷却系统(10)，其特征在于，所述压缩机排气导管(22)的所述上游段(26)包括将压缩机排出空气在与所述下游段(28)中的环境空气流(32)基本上对齐的下游方向(54)上射出的出口(30)。
7.根据权利要求6所述的冷却系统(10)，其特征在于，所述上游段(26)的所述出口(30)与所述下游段(28)的纵向轴线(56)对齐。
8.根据权利要求6所述的冷却系统(10)，其特征在于，所述上游段(26)的所述出口(30)位于所述下游段(28)内。
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