CN105736481A - 用于燃气涡轮发动机的尘土提取装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于燃气涡轮发动机的尘土提取装置。且具体而言，离心压缩机装置包括：叶轮，其安装成用于围绕中心纵向轴线旋转，该叶轮包括叶轮盘，该叶轮盘承载环绕其外围的叶轮叶片阵列；扩散器，其配置在叶轮的下游，构造成使从叶轮排出的空气流扩散且转向；提取通气口，其配置成与叶轮且与配置在叶轮附近的小室流体地连通，和尘土收集器，其配置成与小室流体地连通且构造成在其中截留尘土。
Description
技术领域
本发明大体上涉及涡轮机压缩机，且更具体而言，涉及此种压缩机中的尘土提取(dirtextraction)。
背景技术
燃气涡轮发动机包括依次流动连通的压缩机、燃烧器和涡轮。涡轮机械地联接至压缩机，且这三个构件限定涡轮机核心。能够以已知的方式操作该核心以生成热的、加压燃烧气体流，以操作发动机，以及执行有用功，诸如提供推进推力或机械功。
公认的问题是尘土在气体路径中的存在和燃气涡轮发动机的涡轮冷却空气流导致耐用性的降低和加剧的性能退化。而且，在燃气涡轮发动机中存在的热屏障涂层(“TBC”)易受由当摄取硅基碎片时产生的钙镁硅酸铝(“CMAS”)熔融物造成的破坏影响。
已将偏转器用在此种发动机的涡轮系统中，其中成功是有限的。还已使用进口粒子分离器，且该进口粒子分离器对较大的粒子有效但对于趋向于引起多数涡轮问题的较小尺寸而言是相对低效的。
因此，仍然需要用于从燃气涡轮发动机的流动路径移除尘土的手段。
发明内容
通过本发明来解决该需求，其提供具有提取通气口(extractionscoop)的离心压缩机级和结构，该提取通气口用于将从主流动路径移除微粒，该结构用于截留所提取的微粒。
根据本发明的一个方面，离心压缩机装置包括：叶轮，其安装成用于围绕中心纵向轴线旋转，该叶轮包括叶轮盘，该叶轮盘承载环绕其外围的叶轮叶片阵列；扩散器，其配置在叶轮的下游，构造成使从叶轮排出的空气流扩散且转向；提取通气口，其配置成与叶轮且与配置在叶轮附近的小室(plenum)流体地连通，和尘土收集器，其配置成与小室流体地连通且构造成在其中截留尘土。
技术方案1：一种离心压缩机装置，包括：
叶轮，其安装成用于围绕中心纵向轴线旋转，所述叶轮包括叶轮盘，所述叶轮盘承载围绕其外围的叶轮叶片阵列；
扩散器，其配置在所述叶轮的下游，构造成使从所述叶轮排放的空气流扩散且转向；
提取通气口，其配置成与所述叶轮且与配置在所述叶轮附近的小室流体地连通，和
尘土收集器，其配置成与所述小室流体地连通，且构造成在其中截留尘土。
技术方案2：根据技术方案1所述的装置，其中，所述扩散器配置在所述叶轮的径向外侧且包括多个扩散器通路。
技术方案3：根据技术方案1所述的装置，其中，限定凸起弯曲外流动路径表面的围带组件定位成紧密地包围所述叶轮叶片。
技术方案4：根据技术方案3所述的装置，其中，所述提取通气口形成为所述扩散器的一部分且定位在所述围带的径向外侧。
技术方案5：根据技术方案3所述的装置，其中，所述提取通气口形成为所述围带组件的一部分。
技术方案6：根据技术方案3所述的装置，其中，所述围带组件的外部分分成前节段和后节段，所述前节段和后节段限定V形形状，且所述提取通气口由所述V形形状限定。
技术方案7：根据技术方案6所述的装置，其中，由冲击孔穿透的挡板跨过所述前节段和后节段。
技术方案8：根据技术方案1所述的装置，其中，所述提取通气口具有扩散器形状。
技术方案9：根据技术方案1所述的装置，其中，静叶的环形阵列配置在所述提取通气口中。
技术方案10：根据技术方案1所述的装置，其中，与所述扩散器分开的旁路管道与所述尘土收集器连通。
技术方案11：根据技术方案1所述的装置，其中，所述小室由外侧小室壁部分地限定，所述外侧小室壁具有形成在其中的冲击孔，所述冲击孔定位成将空气流引导至所述尘土收集器。
技术方案12：根据技术方案1所述的装置，其中，所述尘土收集器包括多孔的陶瓷或金属材料。
技术方案13：根据技术方案1所述的装置，还包括与所述尘土收集器连通地配置的至少一个介质清洗端口。
技术方案14：根据技术方案13所述的装置，其包括：
进口介质清洗端口，其配置在所述尘土收集器的下游，和
出口介质清洗端口，其配置在所述尘土收集器的上游。
技术方案15：一种离心压缩机装置，包括：
叶轮，其安装成用于围绕中心纵向轴线旋转，所述叶轮包括叶轮盘，所述叶轮盘承载围绕其外围的叶轮叶片阵列；
扩散器，其配置在所述叶轮的下游，构造成使从所述叶轮排放的空气流扩散且转向，且配置在所述叶轮的径向外侧且包括多个扩散器通路；
提取通气口，其配置成与所述叶轮且与配置在所述叶轮附近的小室流体地连通，
尘土收集器，其配置成与所述小室流体地连通且构造成在其中截留尘土；和
至少一个介质清洗端口，其配置成与所述尘土收集器连通。
附图说明
可通过参照结合附图作出的下列描述来最好地理解本发明，在附图中：
图1是燃气涡轮发动机的截面、示意视图，该燃气涡轮发动机包括根据本公开的方面而构造的压缩机转子装置。
图2是图1的发动机的一部分的示意、截面视图，其包括根据本发明的示范实施例的尘土提取装置。
图3是图1的发动机的一部分的示意、截面视图，其包括根据本发明的备选示范实施例的尘土提取装置。
图4是图1的发动机的一部分的示意、截面视图，其包括根据本发明的另一备选示范实施例的尘土提取装置。
图5是图1的发动机的一部分的示意、截面视图，其包括根据本发明的另一备选示范实施例的尘土提取装置。
具体实施方式
本发明大体上提供离心压缩机级，该离心压缩机级具有尘土提取装置，以用于从主流动路径移除夹带的微粒物质(在本文中通常称作“尘土”，而不考虑其具体成分)，且一同提供用于收集所提取的尘土的手段。在下面详细地描述具体实现方式的若干示例。
现在，参考附图，其中，贯穿各种视图，相同的参考标号指示相同的元件，图1描绘根据本发明的方面而构造的示范压缩机10。在例示的示例中，压缩机10并入燃气涡轮发动机12中，该燃气涡轮发动机12具有中心纵向轴线“A”且以顺次的流动顺序包括压缩机10、燃烧器14、和燃气发生器涡轮16(示意地示出燃烧器14和燃气发生器涡轮16)。如本文中所使用的，用语“轴向”和“纵向”二者指平行于轴线A的方向，而“径向”指垂直于轴向方向的方向，且“切向”或“周向”指与轴向和切向方向互相垂直的方向。如本文中所使用的，用语“向前”或“前方”指行进通过或围绕构件的空气流中相对上游的场所，且用语“向后”或“后方”指行进通过或围绕构件的空气流中相对下游的场所。该流的方向由图1中的箭头“F”示出。这些方向用语仅出于便利而在描述中使用，且因此不要求所描述结构的具体定向。
压缩机10提供压缩空气，该压缩空气主要行进到燃烧器14中以支持燃烧，且部分地围绕燃烧器14行进，在此，其用于冷却燃烧器衬套和更下游的涡轮机二者。燃料被引导到燃烧器14的前端中且以常规方式与空气混合。所得的燃料-空气混合物流动到燃烧器14中，在此，该混合物被点燃以生成热燃烧气体。热燃烧气体排放至燃气发动机涡轮16，在此，气体膨胀以便提取能量。燃气发生器涡轮16通过轴18驱动压缩机10。在例示的示例中，发动机12为涡轮轴发动机且工作涡轮(还称作动力涡轮)20位于燃气发生器涡轮16的下游且联接至输出轴22，输出轴22可连接至机械负载。然而，本文中描述的原则同样地能够应用至任何离心压缩机级。例如，它们可应用至由外部原动机驱动的压缩机。
压缩机10包括轴向部分24和离心部分26。压缩机10的轴向部分24构造成用于轴向流体流。其包括多个级，该多个级中的各个包括一排旋转翼型件或叶片34。
压缩机10的离心部分构造成用于离心或混合的轴向-离心流体流。其包括叶轮38，该叶轮38安装成用于与轴18一起旋转，且具有轴向前端和后端40和42。叶轮38包括环形叶轮盘44，其中毂46配置在其径向内端处。环形叶轮臂48从叶轮盘44轴向地向前延伸以将其联接至轴向部分24。
共同地，叶轮臂48和叶轮盘44限定大体上凹入弯曲的内流动路径表面64。内流动路径表面64沿大体上纵向的方向朝向前端40延伸且沿大体上径向的方向延伸到后端42附近。翼型件形状的叶轮叶片的环形阵列从内流动路径表面64径向朝外延伸。叶轮叶片66在它们的尺度、截面形状、定向、间隔和其他参数(根据常规实践)方面构造，以在叶轮38旋转时对流动经过叶轮叶片66的空气提供渐增的速率增加。
环形围带组件70包围叶轮38。该围带组件70限定大体上凸起弯曲的外流动路径表面72，该外流动路径表面72紧密地包围叶轮叶片66的末梢。内和外流动路径表面64和72一起限定通过离心部分26的主流动路径。扩散器74收集从叶轮38排放的空气且朝燃烧器14重定向该空气。
图2描绘尘土提取装置100的示范构造，其可并入上述压缩机10中。通常，尘土提取装置100涉及围带组件70、扩散器74和围绕的构件的更改。
在空气流离开叶轮38时，固定的扩散器壳体102径向地位于叶轮叶片66的离开开口附近以接收该空气流。扩散器壳体102包括多个扩散器通路104，该多个扩散器通路104中的各个延伸为对假想圆的切线，该假想圆使其中心与纵向轴线A一致。扩散器通路104中的各个与邻近扩散器通路处于部分地重叠的关系。
环形、轴对称形式的出口流动通路106从扩散器壳体102径向朝外定位，该出口流动通路106由弯曲外壁108和对应的弯曲内壁110限定，该弯曲内壁110从外壁108径向朝内地间隔。外流动通路106用于使离开扩散器通路104的空气流转向，以便空气流的径向速度分量转向通过大于90度的角度，以沿相对于纵向轴线A的大体上轴向的方向流动。
出口流动通路106还包括多个大体上径向地延伸且周向地间隔的转向静叶112，提供这些转向静叶112以在从扩散器通路104离开的流离开相应的扩散器通路104且流过出口通路106时使该流从该流的大体上切向的方向转向成基本上轴向的方向。
环形外侧小室壁114从扩散器壳体102轴向向前延伸，且包括径向朝外延伸的凸缘116。在凸缘116的前方，外侧小室壁114径向朝内且轴向向前延伸以连结环形内侧小室壁118。环形小室120限定在内侧和外侧小室壁114、118之间。
环形、弯曲的旁路壁122从凸缘116向后延伸且大体平行于出口通路106的外壁108而伸长，从而与外壁108协作地限定旁路管道124。
环形围带组件126包围叶轮38。该围带组件126限定大体上凸起弯曲的外流动路径表面128，该外流动路径表面128紧密地包围叶轮叶片66的末梢。围带组件126的外侧端部包括环形密封件129(例如W形密封件)，以减少围带组件126与扩散器壳体102之间的空气泄漏。
提取通气口130正好配置在叶轮叶片66的外侧和轴向前方。在例示的示例中，提取通气口130包括与纵向轴线A成锐角调准的环形槽道或通道132。通道132可形成为扩散器壳体102的一体部分。通道132可沿流动方向增大流动面积(即，其可具有扩散器形状)，且可包括静叶132的环形阵列，静叶132的环形阵列可构造成增大面积且使流从切向方向转向至轴向方向，从而提供扩散和除涡旋(deswirling)功能二者。提取通气口130与小室120连通。外侧小室壁114包括在其中的多个径向地对齐的冲击孔136，从而将小室120与旁路管道124连通。
尘土收集器138配置在旁路管道124中。在例示的示例中，尘土收集器138是多孔、海绵状金属材料的环，且通过螺栓140安装至凸缘116。尘土收集器138可为有效地留住在行进通过或在其表面上方的空气流中夹带的尘土或其他微粒的任何结构或材料(例如，金属、陶瓷)，且可为多孔或无孔的。
在操作中，提取通气口130利用离开叶轮38的空气的高涡流，其将流动路径中的小尘土粒子推动至外流动路径表面128。提取通气口130在尺寸方面设置为将叶轮流的小部分(本文中称作“转移流”)传递到小室120中。如上所述，转移流可代表总质量空气流中的接近0.3-10.0%，且由于涡流的影响而具有比叶轮流的其余部分高的尘土浓度，该涡流趋向于使尘土向外侧离心。结果，与进入叶轮38的空气相比，离开扩散器的主流在尘土方面可具有显著的减少，例如，接近60-90%的减少是可能的。提取通气口130空气动力地构造，以恢复转移流的总动压头的大部分(例如，直到50%)。尘土收集器138留住尘土，且可之后在检修时移除且替换或清洁。旁路管道124提供用于转移流的排气口，即使尘土收集器138被阻塞。旁路管道124可前进至发动机12的现有的副流动路径。
图3描绘尘土提取装置200的备选构造，其可并入上述压缩机10中。尘土提取装置200大体上类似于上述尘土提取装置100。可认为未具体描述的结构与尘土提取装置100的对应结构相同。
固定的扩散器壳体202径向地定位在叶轮叶片66的离开开口附近且包括多个扩散器通路204。在扩散器通路204的下游，具有弯曲内和外壁210、208的出口流动通路206在其中具有多个转向静叶212。
环形外侧小室壁214从扩散器壳体202轴向向前延伸，且包括径向朝外延伸的凸缘216。在凸缘216的前方，外侧小室壁214径向朝内且轴向向前延伸，以连结环形内侧小室壁218。环形小室220限定在内侧和外侧小室壁214、218之间。
环形、弯曲的旁路壁222从凸缘216向后延伸且大体平行于出口通路206的外壁208而伸长，从而与外壁208协作地限定旁路管道224。
环形围带组件226包围叶轮38。该围带组件226限定大体上凸起弯曲的外流动路径表面228，该外流动路径表面228紧密地包围叶轮叶片66的末梢。围带组件226的外侧端部包括环形密封件229(例如W密封件)，以减少围带组件226与扩散器壳体202之间的空气泄漏。
提取通气口230正好配置在叶轮叶片66的外侧和轴向前方。在例示的示例中，提取通气口230包括与纵向轴线A成锐角地调准的环形槽道或通道232。通道232可形成为围带组件226的一体部分。通道232沿流动方向增大流动面积(即，它可具有扩散器形状)，且可包括静叶234的环形阵列，静叶234的环形阵列可构造成增大面积且使流从切向方向转向至轴向方向，从而提供扩散和除涡旋功能二者。提取通气口230与小室220连通。外侧小室壁214在其中包括多个径向地对齐的冲击孔236，从而使小室220与旁路管道224连通。
上述类型的尘土收集器238配置在旁路管道224中。尘土收集装置200的操作与上述基本上相同，显著的差别是，转移流的动压头和温度将可比装置100的更低，因为流是在相对上游的场所从叶轮38转移的。
图4描绘尘土提取装置300的另一备选构造，其可并入上述压缩机10中。尘土提取装置300大体类似于上述尘土提取装置100。可认为未具体描述的结构与尘土提取装置100的对应结构相同。
固定的扩散器壳体302径向地位于叶轮叶片66的离开开口附近且包括多个扩散器通路304。在扩散器通路304的下游，具有弯曲内壁和外壁310、306的出口流动通路308在其中具有多个转向静叶312。环形外侧小室壁314从出口流动通路306的外壁308径向朝内且轴向向前延伸。
环形围带组件326包围叶轮38。该围带组件326限定大体上凸起弯曲的外流动路径表面328，该外流动路径表面328紧密地包围叶轮叶片66的末梢。围带组件326的外侧端部包括环形密封件329(例如W密封件)，以减少围带组件326与扩散器壳体302之间的空气泄漏。围带组件326的外侧部分分成前节段和后节段331、333，它们与彼此间隔开且当在半剖视图中看时粗略地形成V形形状。前节段331连结外侧小室壁314，且前节段和后节段331、333、以及外侧小室壁314共同地限定小室320。
提取通气口330正好配置在叶轮叶片66的外侧和轴向前方。在例示的示例中，提取通气口330包括与纵向轴线A成锐角地调准的环形槽道或通道332。通道332可形成为围带组件326的一体部分。更具体而言，通道326限定在前节段和后节段331和333之间且沿流动方向增大流动面积(即，它可具有扩散器形状)。它可包括静叶334的环形阵列，静叶334的环形阵列构造成增大面积且使流从切向方向转向至轴向方向，从而提供扩散和除涡旋功能二者。提取通气口330与小室320连通。
用冲击孔336穿透的大体上轴向地定向的环形挡板335延伸跨过围带组件326的前节段和后节段331、333。上述类型的尘土收集器338配置在小室320中，正好在挡板335的外侧。装置300的操作与上述基本上相同，差异是离开尘土收集器338的空气借助于绕过腔306的一系列管或通道307而流动到通路350中。管或通道307在图4中描绘为虚线，且不与出口流动通路306连通。
图5描绘尘土提取装置400的另一备选构造，其可并入上述压缩机10中。尘土提取装置400大体类似于上述第三实施例提取装置400。可认为未具体描述的结构与尘土提取装置300的对应结构相同。
固定的扩散器壳体402径向地定位在叶轮叶片66的离开开口附近且包括多个扩散器通路404。在扩散器通路404的下游，具有弯曲内壁和外壁410、406的出口流动通路408在其中具有多个转向静叶412。环形外侧小室壁414从出口流动通路408的外壁406径向朝内且轴向向前地延伸。
环形围带组件426包围叶轮38。该围带组件426限定大体上凸起弯曲的外流动路径表面428，该外流动路径表面428紧密地包围叶轮叶片66的末梢。围带组件426的外侧端部包括环形密封件429(例如W密封件)，以减少围带组件426与扩散器壳体402之间的空气泄漏。围带组件426的外侧部分分成前节段和后节段431、433，它们与彼此间隔开且当在半剖视图中看时粗略地形成V形形状。前节段431连结外侧小室壁414，且前节段和后节段431、433、以及外侧小室壁414共同地限定小室420。
提取通气口430正好配置在叶轮叶片66的外侧和轴向前方。在例示的示例中，提取通气口430包括与纵向轴线A成锐角地调准的环形槽道或通道432。通道432可形成为围带组件426的一体部分。更具体而言，通道432限定在前节段和后节段432和433之间且沿流动方向增大流动面积(即，它可具有扩散器形状)。它可包括静叶434的环形阵列，该静叶434的环形阵列构造成增大面积且使流从切向方向转向至轴向方向，从而提供扩散和除涡旋功能二者。提取通气口430与小室420连通。
上述类型的大体上径向地定向的尘土收集器438延伸跨过正好在扩散器壳体402前方的小室420。装置400的操作基本上如在上面关于装置300描述的那样。离开尘土收集器438的空气借助于绕过腔406的一系列管或通道407流到通路450中。管或通道407在图5中描绘为虚线且不与出口流动通路406连通。一个差异是，尘土收集器438不包括旁路流动路径，所以其作用为过滤器且必须保持清洁以适当地起作用。
装置400可包括用于当尘土收集器438被尘土堵塞或装满时清洁该尘土收集器438的装置。在例示的示例中，提供进口介质清洗端口440，其与出口通路外壁连通，进入通路450中，用帽442或备选地由快速连接配件封闭。还提供出口介质清洗端口444，其与尘土收集器438上游的小室420连通，且用帽446或备选地用快速连接配件封闭。为了清洁尘土收集器438，加压水或其他合适的清洁流体的供应线路将连接至进口介质清洗端口440，且排出线路连接至出口介质清洗端口444。水或其他清洁介质的流有效地从尘土收集器438移出尘土且通过出口介质清洗端口444冲洗其。为了帮助促进该流，进口介质清洗端口440可位于发动机12上的高点处(例如，12点钟)，且出口介质清洗端口444可置于发动机12上的低点处(例如6点钟)。
本文中描述的尘土提取装置具有超越当前技术的若干优点。提取通气口利用叶轮围带区域上的高尘土浓度。将该通气口战略地放置在围带的外衬套上将移除大部分空气中的尘土，从而得到用于涡轮的更清洁的空气。在通气口的区域处，设计除涡旋静叶以使动压头恢复最大化。这提供了用于涡轮冷却的优点，因为更高的压力允许使用该空气以用于吹扫转子和更高压力的围带和喷嘴。离开小室的剩余空气是显著更清洁的，从而避免涡轮构件中的尘土聚集，这导致寿命的降低。这将导致在主要损坏方式，诸如CMAS、腐蚀、堵塞和冷却退化方面的降低。结果，涡轮将具有耐久性和性能保持力方面的显著改善。
前面已经描述了用于燃气涡轮发动机的尘土提取装置。在本说明书(包括任何所附权利要求、摘要说明书和附图)中公开的所有特征，和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合方式组合，除了此种特征和/或步骤中的至少一些互斥的组合之外。
在本说明书(包括任何所附权利要求、摘要说明书和附图)中公开的各特征可由用作相同、等同或类似目的的备选特征替换，除非另行清楚地声明。因此，除非另行清楚地声明，否则公开的各特征仅为同等或类似特征的一般系列中的一个示例。
本发明不受前述实施例的细节限制。本发明涵盖在本说明书(包括任何所附权利要求、摘要说明书和附图)中公开的特征中的任何新颖特征或任何新颖的组合，或涵盖如此公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖步骤或任何新颖的组合。
Claims (10)
1.一种离心压缩机装置，包括：
叶轮，其安装成用于围绕中心纵向轴线旋转，所述叶轮包括叶轮盘，所述叶轮盘承载围绕其外围的叶轮叶片阵列；
扩散器，其配置在所述叶轮的下游，构造成使从所述叶轮排放的空气流扩散且转向；
提取通气口，其配置成与所述叶轮且与配置在所述叶轮附近的小室流体地连通，和
尘土收集器，其配置成与所述小室流体地连通，且构造成在其中截留尘土。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述扩散器配置在所述叶轮的径向外侧且包括多个扩散器通路。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，限定凸起弯曲外流动路径表面的围带组件定位成紧密地包围所述叶轮叶片。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述提取通气口形成为所述扩散器的一部分且定位在所述围带的径向外侧。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述提取通气口形成为所述围带组件的一部分。
6.根据权利要求3所述的装置，其中，所述围带组件的外部分分成前节段和后节段，所述前节段和后节段限定V形形状，且所述提取通气口由所述V形形状限定。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，由冲击孔穿透的挡板跨过所述前节段和后节段。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述提取通气口具有扩散器形状。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，静叶的环形阵列配置在所述提取通气口中。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，与所述扩散器分开的旁路管道与所述尘土收集器连通。
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |