CN106065789A - 发动机罩壳元件 - Google Patents

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Abstract

一种发动机罩壳元件(1101)包括至少一个间隙控制腔(13)，该间隙控制腔由间隙控制腔内壁(138)限界并且具有间隙控制腔纵向范围。至少一个插入部件(14)布置在该间隙控制腔内。该插入部件布置和构造成实现流引导功能和热传递增强功能中的至少一者。

Description

发动机罩壳元件
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罩壳元件的领域。
在某些实施例中，它涉及用于涡轮发动机罩壳的罩壳元件。这种涡轮发动机可非限制性地包括涡轮压缩机，包含蒸汽涡轮、涡轮增压器和燃气涡轮发动机的膨胀涡轮，所述燃气涡轮发动机包括至少一个涡轮压缩机和至少一个涡轮。这种燃气涡轮发动机例如可提供作为驱动发电机的发电燃气涡轮，用于汽车驱动、用于飞行器推进以及用于需要机械驱动的其他应用。燃气涡轮发动机可包括一个或多个涡轮和/或压缩机，其中通常至少一个涡轮和一个压缩机可彼此驱动地连接，并且一个涡轮可或可不直接地或经由齿轮组被联接到需要机械传动的装置。这种燃气涡轮发动机是本领域中众所周知的。以上提供的简短概要可不认为是全面的并且仅提供作为示例性参考。
本公开进一步提供了适用于发动机间隙控制的装置和方法。通常在旋转叶片和固定零件之间或在涡轮发动机的固定静叶和旋转零件之间发现这种要控制的间隙。例如在涡轮发动机静叶或叶片的有护罩或无护罩的末梢出现的间隙可被这样控制，以使得该叶片或静叶末梢上的工作流体损失尽可能小，同时保持最小间隙以避免旋转发动机部件和固定发动机部件之间的机械接触。
此外，所述装置和方法例如可应用于多级涡轮压缩机的最后(即最下游的)级和/或多级涡轮的第一(即最上游的)级。
背景技术
在发动机的区段中，其中移动和固定的发动机零件接触并进行相对运动，而在固定和移动的发动机构件的接触区域上发现压力差，可导致工作流体的泄漏流，其进而会降低发动机的效率。这在涡轮发动机中在叶片或静叶环上尤其如此。通常，由于固定和移动零件的较高相对速度以及此外由于该过程中固有的潜在高温，不能施加紧密的密封。因此需要在叶片和静叶的末梢和并列的相对移动构件之间维持最小间隙。由于发动机的各种构件将具有不同的热膨胀并且在改变操作参数后将另外以不同时间特性膨胀-或收缩，该间隙需要适于最坏的情况条件，而其他操作状态中的间隙然后超过所需的最小间隙，导致性能下降。虽然可通过密封系统减少所述性能下降，仍然存在间隙在操作期间变化的问题。
解决该问题的各种尝试在本领域中是已知的。已经通过匹配转子和定子的材料配对尝试了某些途径来解决该问题。US 2010/0031671和US 2012/0045312提出了在定子中应用低热膨胀材料。
现有技术中(例如US 2002/0009361中和US 2008/0232949中)描述的机械系统提出使转子在轴向方向上移位。除了这种系统的机械复杂性外，这需要叶片的不同倾角以实现目标间隙变化，并且不适用于具有小倾角或没有倾角的涡轮叶片。
其他机械系统(例如，如US 8534996中提出的)提出了定子零件的径向运动。然而，这需要该定子在周向方向中被划分成需要能够执行彼此相对运动的节段，进而导致在发动机的整体性能上具有负面影响的额外泄漏间隙。
其他系统是从现有技术已知的，其中定子零件被冷却或加热以实现定子的热收缩或膨胀以便控制间隙。US 2005/0109039公开了一种应用多个定子的系统，其中一个定子被热促动以适用于主动间隙控制。EP1798381公开了一种由受控制流体促动的内静叶载体。热交换经由在该定子的外表面上的对流和/或冲击实现。该方法需要一种带有低热惯性的薄静叶载体罩壳。EP2182175公开在发动机的外壳体处执行间隙控制的区域中支撑发动机的静止零件。热气零件由分段环支撑，该分段环并不主动地促进间隙促动，但由外壳体零件促动。
US 2006/0225430公开了一种用于主动地控制燃气涡轮发动机的压缩机间隙的系统和方法。该燃气涡轮发动机的内罩壳在间隙应被控制的区域中包括轴向间隙控制通道，流体可被选择性地供给到该轴向间隙控制通道，所述流体流过轴向定向的通道并且在所述通道周围选择性地冷却或加热该壳体。因此实现了该壳体的热膨胀或收缩。根据本文献，气室布置在该间隙控制通道的轴向供给和排出端。使用所供给流体的有效性取决于在通道内壁和流过的流体之间的热传递。
发明内容
本公开的一个目的是提供克服现有技术缺点的装置和方法。本公开的一个更具体目的是提供对现有技术已知的用于主动间隙控制的装置和方法进行了改进的装置和方法，且特别地在发动机中以及特别地在涡轮发动机中出现的叶片和/或静叶末梢间隙控制以及其他径向间隙的控制。这可在改进提供用于间隙控制的流体和控制流体被提供到的间隙控制腔的壁之间的热传递方面实现，并且可适于改进控制的反应时间，以及另一方面可用于减少所需的间隙控制流体的量。在本公开的更进一步方面中，使用从间隙控制腔退出的间隙控制流体应该是更有效的。因此在本公开的更进一步方面中，应在减少间隙控制流体量和/或改进间隙控制效率和/或提供被施加用于间隙控制的流体的更有效排出方面改进整个发动机效率。
本公开的其他方面，不论是否明确地提及，在更详细描述方面可变得对本领域技术人员显而易见。
在提供包括权利要求1的特征的装置中实现了本公开的目的。
提供了一种发动机罩壳元件，其包括至少一个间隙控制腔，该间隙控制腔由间隙控制腔内壁限界并且具有一个间隙控制腔纵向范围，其中至少一个插入部件布置在该间隙控制腔内。
发动机罩壳元件在这方面可被理解为发动机罩壳的一部分，例如可包括纵向范围、径向范围以及圆周范围。所述罩壳元件可以非限制性地至少基本类似于或形成圆柱体或截锥，或上述的任何一者的区段。横截面可以为带有小于360°或小于180°的周向角度范围的部分圆形，并且在特定实施例中为带有等于180°的周向角度范围的半圆，或可以是圆形。该发动机罩壳元件例如可以是涡轮罩壳、压缩机罩壳、燃气涡轮发动机罩壳或涡轮增压器罩壳的一部分，特别地是发动机的固定构件的一部分。该发动机罩壳元件例如可以是水平分开的发动机壳体的上部或下部。该发动机罩壳元件可包括一个或多个导向静叶或导向静叶排，或可包括用于接收和/或固定导向静叶的器件。同样，该发动机罩壳元件可包括用于在其上附接热屏蔽等的器件。该罩壳元件可以是静叶载体。
考虑到设计一种发动机罩壳元件用于在特定发动机中以及在一个或许多预定位置中使用，将变得显而易见的是，该发动机罩壳定向或范围可分别具有与发动机定向的良好限定的相关性。因此，在某些实施例中，该发动机罩壳元件的纵向延伸可与发动机或转子轴向方向至少基本地平行。同样，径向范围可分别与发动机或转子的径向方向平行，相应地，周向范围可至少基本等同于转子周向方向。因此在下面的说明书中对所述发动机或转子方向的参考可被考虑和理解为等同于对发动机罩壳元件范围或方向的参考。在这方面也非常有意义并且对参考发动机上游和下游轴向方向提供了良好限定的教导。
应当指出以及将认识到的是，与以上引用的用于主动间隙控制的现有技术已知的周向分开的罩壳不同，本文所公开的周向区段不需要执行彼此独立的相对运动并且彼此可牢固地固定，避免了其间的间隙，进而避免了将对发动机整体性能有损害的额外泄漏流。
在某些方面，该发动机罩壳元件可以是发动机壳体的一部分，特别地可以是内罩壳或壳体的元件，特别地可进一步是静叶载体。
该发动机罩壳元件可包括单个或多个间隙控制腔。多个间隙控制腔可沿发动机罩壳元件周向方向均匀或不均匀地分布，并且所述分布可取决于所需的空间热交换分布。一种间隙控制腔可在与发动机罩壳元件纵向范围相同的方向上纵向地延伸，并且在某些实施例中与发动机轴向方向至少基本地平行。在某些实施例中，该至少一个间隙控制腔根据制造的可达性可以是通孔或盲孔。在这种情况下，在发动机罩壳元件中限界间隙控制腔的间隙控制腔壁由孔或钻孔产生表面所限定。该间隙控制腔然后可包括恒定或分级的直径，且也可包括凹形莫尔斯锥体或其他自锁凹形锥体，其中可接收插入件的凸形对应物。
布置在该间隙控制腔内的插入部件可布置和构造成实现流引导功能和热传递增强功能中的至少一者。被提出以实现该功能的所述功能和特征将在下文更详细地标出。
此外，该插入部件的纵向范围可与间隙腔纵向范围至少基本地对其。
根据本文所公开的发动机罩壳元件的一个方面，至少一个间隙形成在插入部件和间隙控制腔内壁之间并且沿插入件和间隙控制腔中的每一个的纵向范围的至少一部分延伸。显而易见的是，在提供所述间隙方面，通流面积与没有插入件的间隙控制腔相比减少，并且可大大提高引导通过所述间隙的流体流的接触面积与关于整体流量的间隙控制腔壁的比值。因此，更大部分的间隙控制流体流将与发动机罩壳元件一起参与热传递，同时减少总体间隙控制流体流。此外，可增强间隙控制流体流的紊流，其进而导致发动机罩壳元件和间隙控制流体流之间热传递的额外增强。因而更有效地使用间隙控制流体。
在本公开的另一方面中，插入部件包括至少一个支撑区段，其中该插入部件被支撑在间隙控制腔内，并且其中特别地所述支撑区段布置在插入部件纵向端。在进一步的实施例中，插入部件包括至少两个支撑区段，其中所述两个支撑区段可特别地布置在两个相对的插入部件纵向端。至少一个支撑区段的外表面然后被紧密地接收在间隙控制腔的相应纵向截面中。特别地，支撑区段以及进一步特别地多个支撑区段中的一个，可以成紧密配合地接收在该间隙控制腔的相应区段中。例如，该插入部件的支撑区段可具有凸形圆柱几何形状的特征，而间隙控制腔的对应区段可具有相应的凹形圆柱几何形状的特征。在另一实施例中，支撑区段以及特别地多个支撑区段中的一个支撑区段可形成自锁楔形物，而相应的凹形楔形物可在间隙控制部件中形成。所述支撑区段例如可以是自锁凸形锥体，而相应的凹形锥体设置在该间隙控制腔中。在还有另一实施例中，支撑区段可包括阳螺纹，而相应的阴螺纹设置在该间隙控制腔中，使得该插入件可拧入到该间隙控制腔内。在存在多个支撑区段的情况下，可以设想实施例为，其中支撑区段中仅一个成锁定接合地牢固地保持在间隙控制腔内，而另一个成转动配合地接收在该间隙控制腔内的对应凹形几何形状中。特别地，如果该转动配合布置在插入部件的远端侧，也就是说，当将插入部件安装到间隙控制腔内时首先插入的侧，这可在大大促进组装。同样，间隙控制腔内的需要较高制造精度的凹形配合表面将在间隙控制腔的近端上，并且然后可发现便于加工所述凹形配合表面。在某些实施例中，相应远端配合表面可比在插入部件以及间隙控制腔中的每一个的近端上的那些更小，例如具有较小的直径。也可发现这便于组装。
应该理解的是，支撑区段可用于堵塞和密封间隙控制腔。例如，在某些实施例中，远端支撑区段可密封设置作为通孔或钻孔的间隙控制通道。同样，该支撑区段可包括贯穿开口，其可提供间隙控制流体供给和/或排出端口。
可以设想用于将插入部件锁定在间隙控制腔内的几种方法。仅举几例：
插入部件可被拧入到腔或发动机罩壳元件内，然而合适的阳螺纹将设置在该插入件上并且相应的阴螺纹将设置在间隙控制腔或发动机罩壳元件中。
可通过将其收缩到间隙控制腔或罩壳内锁定该插入部件。
可利用间隙控制腔或罩壳填塞该插入部件。
可利用锁紧螺钉锁定该插入部件。
该插入部件可设置有凸缘，所述凸缘然后被拧到该罩壳。
该插入部件可被焊接到通道或罩壳。
可在插入部件和/或罩壳之间形成压配合。可通过自锁楔形物或锥体锁定该插入部件。将插入部件锁定到罩壳或在间隙控制腔内锁定插入部件的其他方式对本领域技术人员来说很容易显而易见。
在某些示例性实施例中，该插入部件可包括内部管道。也就是说，例如，该插入部件可包括管状区段。所述管状区段在某些情况下可具有圆形横截面的特征，但也可具有不同的横截面，诸如例如矩形、卵形、椭圆形、多边形，仅举几例。该管道的流横截面可以是恒定的或可沿该管道的纵向范围变化。在进一步的实施例中，管道壁外表面可具有恒定或变化的横截面尺寸。该管道可包括至少一个开放前端。在操作中，间隙控制流体可通过所述开放前端供给到该管道，使得所述开放前端提供间隙控制流体供给端口。
此外，可在间隙控制腔内壁和管道壁的外表面之间设置间隙。所述间隙的横截面积可能不同或沿该间隙控制腔的纵向范围是恒定的。将会认识到的是，在提供沿其纵向范围具有恒定横截面的间隙控制腔以及为包括管道的插入部件提供带有沿其纵向范围变化的管道壁外表面方面，在某些实施例中可实现变化的间隙横截面积。
该插入部件的管道区段可以在间隙控制腔的横截面视图中以同心或偏心的方式布置在间隙控制腔内。使得，间隙可以以对称方式设置在管道壁外表面的周围，或间隙宽度可在管道区段周围在周向方向上变化。此外，该插入部件的管道区段的纵向方向可与间隙控制腔的纵向方向对齐或倾斜地布置。该管道区段的倾斜布置可导致沿该间隙控制腔的纵向方向变化的间隙。
在插入部件包括管道区段的实施例中，间隙控制腔的间隙控制流体供给端口和间隙控制流体排出端口可布置在该间隙控制腔的相同纵向侧上，其中间隙控制流体供给端口流体地连接到该管道的内部并且间隙控制流体排出端口流体地连接到该间隙。将会认识到的是，由于该测量的影响，在该管道内的间隙控制流体流和在该间隙中的间隙控制流体流将沿该间隙控制腔的纵向范围在相对方向上定向。
在更进一步的示例性实施例中，管道壁外表面可设置有突出部和凹部中的至少一者，特别地设置有多个突出部和多个凹部中的至少一者，所述突出部和/或凹部在该间隙的范围上提供不一致的间隙宽度。该突出部或凹部可确定尺寸和成形以在通过所述间隙的流中产生或增强紊流。在增强紊流方面，可增强在间隙和间隙控制腔内壁内的流体流之间的热交换。
一种螺旋流引导元件可沿该管道壁的外表面延伸。所述螺旋流引导元件可在整个间隙宽度上或可不在整个间隙宽度上延伸。在进一步的实施例中，静叶可布置在管道外壁上，以在该间隙内提供旋流器，从而在间隙控制腔内以及在管道外壁周围产生涡流。
在进一步的实施例中，该管道可包括两个开放前端。所述端的第一个可用作间隙控制流体供给端口，间隙控制流体可通过其进入管道并且被引导到第二开放前端，其在那里从管道排出到间隙内。
在包括插入部件(该插入部件包括管道形的插入区段)的发动机罩壳元件的还有另一方面，管道壁可包括至少一个贯穿开口，并且特别地可包括多个贯穿开口，使得该管道壁被穿孔。此外，该管道可包括用于供给间隙控制流体的一个开放前端，以及一个封闭前端。该至少一个贯穿开口可适于和构造为冲击孔，使得间隙控制流体从该管道的内部排出作为冲击在间隙控制腔内壁上的射流。由于封闭前端，通过第一开放前端进给到管道的所有间隙控制流体将通过所述贯穿开口从该管道排出。
贯穿开口可均等地分布在该管道壁上。在其他实施例中，每单位管道壁表面的贯穿开口的数目和/或贯穿开口的尺寸可沿该管道壁的长度和/或围绕该管道壁的圆周变化。因此，例如，从该管道排出并被引导到该间隙控制腔内壁的间隙控制流体的射流可主要被引导到间隙控制腔内壁区段，其布置得更靠近发动机罩壳元件的热量摄入表面，即，例如间隙控制腔内壁的径向向内定位的零件。然而，通孔的这种布置可详细地考虑在间隙控制腔内以及到间隙控制腔的热通量。
在更进一步的实施例中，管道壁外表面可布置为至少基本在整个管道壁外表面上与间隙控制腔内壁无间隙地紧密接触。插入部件然后至少基本地构成内衬间隙控制腔内壁的套筒。该管道壁内表面特别地可设置有突出部和/或多个凹部，或其他紊流产生特征，所述突出部和/或凹部提供了该管道的非一致的内表面。所述突出部和/或凹部可特别地适于在通过所述管道的流中产生和/或增强紊流。在某些实施例中，螺旋流引导元件可沿该管道的内表面行进。旋流器可布置在该管道内，以便产生管道内的涡流。所述特征可用于在间隙控制腔的内部提供紊流产生特征，而不需要以复杂方式加工间隙控制腔的内部。在这方面，如果管道形插入部件在间隙控制腔内收缩以便在罩壳或相应地间隙控制腔内壁和插入件之间达到良好的导热传递，则可发现是有益的。
在根据本公开的进一步的实施例中，插入部件包括板状区段，所述板状区段包括第一表面、第二表面和两个侧表面。第一间隙设置在板状区段第一表面以及间隙控制腔内壁与管道壁内表面中的一者之间，并且第二间隙设置在板状区段第二表面以及间隙控制内壁与管道壁内表面中的一者之间。特别地，可在第一间隙和第二间隙之间提供流体连接。可通过在板状区段侧表面和间隙控制腔内壁之间的一些开放空间提供所述流体连接。然而，可设想实施例为，其中板状区段侧表面将与间隙控制腔内壁至少基本地齐平，使得至少没有明显的间隙控制流体流在所述侧表面和间隙控制腔内壁之间出现。然后通过在板状区段中的至少一个贯穿开口提供流体连接，所述开口从第一表面到第二表面延伸。特别地，所述至少一个贯穿开口可布置和构造为冲击孔，使得朝间隙控制腔内壁引导的间隙控制流体的射流从贯穿开口排出。此外，如之前在不同情境中描述的那样，突出部或凹部或任何其他合适的紊流产生器件可布置在板状区段的第一表面或第二表面上，或在这两个表面上，特别地以提供紊流发生器，从而增强热传递。
该插入部件的板状区段可呈现各种几何形状和/或在间隙控制腔内的布置。例如，该板状区段可具有恒定厚度的特征。在进一步的实施例中，板状区段厚度可沿插入部件的纵向范围变化，其可用于沿间隙控制腔的纵向范围提供不同的间隙宽度。板状区段可以成中心方式布置在间隙控制腔内，提供等同横截面的第一间隙和第二间隙。板状区段也可以成偏心方式布置，使得第一间隙和第二间隙具有不同的间隙宽度。板状区段的纵向范围可与间隙控制腔的纵向范围对齐。在其他实施例中，该板状区段可倾斜地布置，使得第一间隙和第二间隙的间隙宽度沿间隙控制腔的纵向范围在相反的方向上变化，提供了恒定厚度的板状区段。
如从以上描述中看到的，在间隙控制腔内使用插入部件可用于在增强间隙控制腔内壁和流体之间的热传递方面大大改进使用供给到间隙控制腔的流体，从而减少对间隙控制流体流的需求。此外，在选择具有不同几何形状特征的插入部件方面，可很容易地适应在间隙控制流体和间隙控制腔内壁之间的热传递特征，而不需要改变间隙控制腔的几何形状并且不需要对间隙控制腔内部的昂贵加工。
在根据本公开的发动机罩壳元件的进一步实施例中，间隙控制腔设置有至少两个流体端口，其中第一(间隙控制流体供给)端口与插入部件管道和第一间隙中的一者处于流体连通，第一间隙设置在插入部件板状区段第一表面和间隙控制腔内壁之间，且第二(间隙控制流体排出)端口与设置在管道壁外表面和间隙控制通道内壁之间的间隙以及第二间隙中的一者处于流体连通，第二间隙设置在插入件板状区段第二表面和间隙控制腔内壁之间。在特定实施例中，第一端口和第二端口布置在间隙控制腔的相同纵向端。
进一步公开的是包括如上所述的至少一个发动机罩壳元件的发动机罩壳。在本公开的一些方面中，该发动机罩壳可以是涡轮发动机的罩壳，诸如例如膨胀涡轮、压缩机、燃气涡轮发动机或涡轮增压器。如上所述的发动机罩壳元件例如可有利地布置作为用于最后压缩机级和/或第一涡轮级的定子元件。
此外，公开了包括固定和移动部分的发动机，其中固定部分包括如上所述的发动机罩壳，并且特别地包括根据本公开的发动机罩壳元件。例如，该发动机例如可以是膨胀涡轮、压缩机，特别是涡轮压缩机、燃气涡轮发动机或涡轮增压器。
本公开在下文中涉及涡轮增压发动机，特别地燃气涡轮发动机和膨胀涡轮，结合有基于热促动的主动间隙控制系统，其中至少一个罩壳元件或罩壳包括间隙控制腔，该间隙控制腔包括流体供给端口和流体排出端口以用于在操作期间选择性地引导通过其中的间隙控制流体流。该间隙控制腔可特别地被结合在静叶载体中。与以下标出的实施例相关，该间隙控制腔可包括或可不包括插入部件。
至少一个排出端口，且特别地所有排出端口，可流体地连接到在涡轮发动机内的主工作流体流通道。所排出的间隙控制流体可用于提供进一步的有用功到发动机，提高了整体发动机效率。
至少一个排出端口，且特别地所有排出端口，可被连接到需要冷却的涡轮构件，诸如涡轮静叶，或定子平台和热屏蔽。所排出的间隙控制流体然后进一步用于冷却发动机构件以及因此节省专用的冷却气体，从而提高了整体发动机效率。
至少一个排出端口，且特别地所有排出端口，可连接到膨胀涡轮的选定的定子腔。因此，所排出的间隙控制流体用于与从膨胀涡轮主流摄入热流体相反地清洗所述腔。如果与从内燃式燃气涡轮发动机的膨胀涡轮中的热燃烧气体流摄入热燃烧气体相反地清洗定子腔，则这可以发现是特别有益的。
在有效地使用排出的间隙控制流体中，可增强该发动机的整体效率。
间隙控制促动将由间隙控制流体的温度和/或质量流控制。所述间隙控制流体流参数在一个方面可基于发动机操作参数在开环控制中控制。该操作参数可包括发动机负载、涡轮入口处的温度，以及此外负载变化的速度。在另一方面，该间隙控制流体流参数可基于间隙和/或温度的测量值在闭环控制中控制。例如，可测量定子温度，并且可单独或与其他测量的和/或操作数据一起用于控制间隙控制流体流参数。关于分布在定子的圆周上的多个间隙控制腔，可以单独地控制到这些腔的流体流，并且可在数个周向位置控制和优化间隙，并且可以解决非均匀性。
在本公开的还有其他方面中，公开了用于主动地控制发动机的固定和移动部分之间的间隙的方法。在一个方面，该方法包括提供一种发动机罩壳元件，所述发动机罩壳元件包括至少一个间隙控制腔，提供驱动流体流或间隙控制流体流，在所述间隙控制流体流中产生紊流和/或涡流并且供给间隙控制流体流到该间隙控制腔。
在另一方面，该方法包括提供一种发动机罩壳元件，所述发动机罩壳元件包括至少一个间隙控制腔，提供驱动流体流或间隙控制流体流到该间隙控制腔，并且产生朝该间隙控制腔的内壁引导的间隙控制流的至少一个射流。
在更进一步的方面中，该方法包括提供一种发动机罩壳元件，所述发动机罩壳元件包括至少一个间隙控制腔，提供促动流体流或间隙控制流体流到该间隙控制腔，并在该间隙控制腔内在所述间隙控制流体流中产生和/或增强紊流和/或涡流。
上述方法可进一步包括提供位于间隙控制腔内的插入部件。
该发动机罩壳元件可以是经常为涡轮发动机的内罩壳的元件，并且特别地可以是静叶载体。
与以上引用的US 2006/0225430的教导相反，其教导了在该间隙控制间隙的供给端口和排出端口处应用气室，该应用将使供给流均匀化并提供至少很大范围上的层流到间隙控制腔，在本公开中通过该间隙控制腔的紊流是所需要的，从而增强了在间隙控制腔内壁和间隙控制流体流之间的热传递。
应该理解的是，上述装置和方法的特征可彼此结合。
附图说明
现在通过不同实施例以及参考附图更仔细地解释本发明。特别地，附图描述了：
图1为穿过膨胀涡轮的示意性纵向截面；
图2为膨胀涡轮的示意性横截面；
图3为穿过包括如公开的发动机罩壳元件的膨胀涡轮的纵向截面；
图4为带有插入部件的间隙控制腔的第一示例性实施例；
图5为图4中所示的插入部件的更详细视图；
图6为带有插入部件的间隙控制腔的另一示例性实施例；
图7为图6中所示的插入部件的更详细视图；
图8为带有插入部件的间隙控制腔的第三示例性实施例；
图9为带有插入部件的间隙控制腔的实施例，其布置作为内部套筒。
该附图是示意性的，并且已经省略了对于理解本发明不需要的特征。此外，虽然在附图中所示出的实施例是本文所公开的本发明的可能实施例，但如上文所公开并在权利要求中要求保护的本发明不应被理解为限于这些。
参考标号列表
1 膨胀涡轮
11 定子，罩壳
12 转子
13 间隙控制腔
14 插入部件
31 间隙控制流体流
33 间隙控制流体流
111 内壳体或罩壳
112，113，114，115 静叶
117 外壳体或罩壳
121 轴
122，123，124，125 叶片
131 间隙控制流体供给流
132 间隙控制流体排出流
133 间隙控制流体供给端口
134 间隙控制流体排出端口
135，136 空隙
138 间隙控制腔内壁
141 插入部件的板状区段
142，143 插入部件的支撑区段
144 冲击孔
145 板状区段的第一表面
146 板状区段的第二表面
147 板状区段的侧表面
151 管道壁，管道状区段
152 管道
153 流引导元件
154 管道前端
155 空隙
158 紊流发生器
1101 内壳体或罩壳上半部，发动机罩壳元件
1102 内壳体或罩壳下半部
1103 外壳体或罩壳上半部
1104 外壳体或罩壳下半部。
具体实施方式
图1在示意图中描述了穿过一种多级实际膨胀涡轮1的纵向剖面。为方便描述仅示出该涡轮机的一半。该涡轮包括定子11和转子12。该定子包括内壳体111、在该图中未示出的外壳体以及静叶112、113、114和115。内壳体111也用作静叶载体，涡轮导向静叶被附接到该静叶载体。转子12包括轴121和叶片122、123、124和125。本领域技术人员将认识到的是，工作流体主流在图示中沿叶片和静叶从右到左流经该涡轮。内壳体111包括基本在该涡轮的轴向方向上延伸的间隙控制腔13。间隙控制腔13布置在前两个涡轮级的区域中并覆盖第一级静叶和第二级静叶115和114以及第一级叶片和第二级叶片125和124布置的范围。将会认识到的是，由于涡轮工作流体在其在随后的涡轮级中膨胀时冷却，在前两个涡轮级中的温度高于下游涡轮级中的温度。示意性地示出的是间隙控制流体供给流131和间隙控制流体排出流132。在该示例中，供给流在上游端被引入到间隙控制腔中，与涡轮工作流体主流的方向有关，并且在下游排出，与进入涡轮第三级的涡轮工作流体主流有关。所排出的间隙控制流体因此可在下游涡轮级中增加有用功到涡轮。虽然在该特定示例中，间隙控制腔中的间隙控制流体流示出为在涡轮工作流体主流的方向上向下游流动，但也可选择上游结构，其中间隙控制流体流供给在下游端进入间隙控制腔且在上游端排出，所述方向再次与涡轮工作流体主流相关。如果间隙控制流体排出到涡轮内，必须选择将所排出的间隙控制流体引入到该涡轮的位置，使得所排出的间隙控制流体的压力高于涡轮主流在进入位置处的压力。
现在参考图2。图2示出了穿过涡轮1的示意性横截面。转子12以非常简化的方式示出，没有示出关于轴和叶片的任何细节。转子12被包含在定子或罩壳11中。罩壳11包括内壳体111和外壳体117。该罩壳被水平地分成上半部和下半部，分别包括内壳体上半部1101和外壳体上半部1103，以及内壳体下半部1102和外壳体下半部1104。相应的上半部和下半部通过例如螺钉连接在凸缘(没有标记)处牢固地连接。导向静叶未在该图中示出。内壳体111(例如静叶载体)包括多个间隙控制腔或通道13，仅其中一些通过附图标记表示，它们在内壳体111的轴向区段内或穿过内壳体111的轴向区段或分别在罩壳元件1101和1102内或穿过罩壳元件1101和1102轴向地延伸。
现在再次参考图1。在叶片122、123、124和125的末梢和内罩壳111之间需要间隙，从而允许叶片末梢和罩壳之间的相对运动，其可达到几百米每秒的速度。同样，在静叶112、113、114和115的末梢与转子之间需要末梢间隙。由于被选择用于转子和定子部分的不同材料，以及同样由于转子和定子所经受的不同温度，所述末梢间隙在发动机的操作期间变化。此外，转子和定子在操作的瞬态模式期间具有对温度变化的不同时间响应。因此，需要设计末梢间隙，使得它们在任何操作条件下维持。换句话说，在大多数操作条件下，该末梢间隙比所需要的更大，以便保证安全操作并避免旋转部分和固定部分之间的接触。另一方面，在叶片和静叶末梢上通过所述间隙发生的泄漏流不提供有用功到发动机，且因而降低发动机效率。因此提供间隙控制流体供给流131到间隙控制腔13并引导通过其中。在低于罩壳温度的温度下提供间隙控制流体流时，内罩壳111将收缩并且因此减少末梢间隙。在高于罩壳温度的温度下提供间隙控制流体流时，内罩壳111将膨胀且因此增大末梢间隙。涡轮中的提供末梢间隙控制手段的区域可被减少到第一涡轮级，由于这些将经受温度变化的最大幅度。此外，由于第一涡轮级叶片和静叶最短，在给定末梢间隙下的相对泄漏流将比下游涡轮级更大。
同样，在例如涡轮压缩机中，主动间隙控制的应用可被限制到最后的最下游压缩机级。
可在调节间隙控制流体的温度和/或质量流时控制罩壳的膨胀和收缩。这种控制可基于发动机的温度和负载条件，但也可基于涡轮中的局部温度和/或间隙测量在闭环控制中实施。
图3在纵向剖面中描述了一种膨胀涡轮的不同实施例。转子12和定子11与其相应构件一起已关于图1标出，并且这里省略了详细解释。间隙控制腔从关于涡轮主流的流动方向的下游侧供给有间隙控制流体供给流131。间隙控制腔13包括将在以下更详细地标出的插入部件14。除了其他功能之外，该插入部件可适于将间隙控制腔分成两个区段，使得控制流体可被引导到间隙控制通道内的独立方向。因此，间隙控制排出端口可放置在间隙控制腔的相同纵向端作为间隙控制供给端口。所排出的间隙控制流体132在该实施例中被引导到导流静叶114并用于冷却第二涡轮级的导向静叶114。因此，不需要供给额外的冷却空气或供给很少量额外的冷却空气到第二涡轮级导向静叶114，其有助于进一步提高发动机效率和性能。
现在参考图4，其描述了一种包括插入部件13的间隙控制腔的示例性实施例。间隙控制腔13在壳体或罩壳元件1101中形成。间隙控制腔13包括间隙控制流体供给流131可被提供到的间隙控制流体供给端口133，以及间隙控制流体排出流132可从其排出的间隙控制流体排出端口134。间隙控制腔13由间隙控制腔内壁138限界。在该示例性实施例中，为了以下解释的目的，可假设间隙控制腔是在纵向方向延伸并具有纵向范围的圆柱形孔；然而，这不应被理解为限制性的，其他间隙控制腔几何形状是可能的，并且本领域技术人员将能够将以下提供的该教导应用到其他几何形状。此外，没有任何进一步的解释，该间隙控制腔的纵向方向和程度是显而易见的。插入部件14设置在间隙控制腔13中。插入部件包括板状区段141。它进一步包括布置在插入部件14的纵向端部处的第一端部区段和第二端部区段。端部区段用作支撑区段142、143，插入部件利用该支撑区段支撑并且可被锁定在腔13内。插入部件的板形区段141将间隙控制腔13的内部空间分成第一间隙135和第二间隙136。第一间隙135在板状部件第一表面145和间隙控制腔内壁138之间形成，并且第二间隙136在板状部件第二表面146和间隙控制腔内壁138之间形成。间隙控制流体供给流131通过间隙控制流体供给端口133被提供到第一间隙135，并且作为间隙控制流体流31相应地在间隙控制腔或插入部件14的纵向方向上流动穿过该间隙。间隙控制流体流31通过合适方式引导到第二间隙136中。第一间隙和第二间隙之间的流体连通在该示例性实施例中通过以下将更详细地标出的冲击孔提供，并且以冲击射流32的形式流入第二间隙136。所述冲击射流以很高的脉冲朝间隙控制腔壁138引导，且因此穿透形成于间隙腔内壁上的任何最终热边界层，从而改进热传递。第二间隙136在该示例中可布置在间隙控制腔的径向内侧上，也就是说，更靠近转子或朝向发动机轴线布置的那侧。这可以是最大热摄入发生的间隙控制腔的侧。以射流32的形式从第一间隙排出到第二间隙的间隙控制流体流然后在间隙控制腔的纵向方向上(如通过附图标记33描述的，在与第一间隙135中的间隙控制流体流31的方向相反的方向上)流动穿过第二间隙，并通过间隙控制流体排出端口134排出作为间隙控制流体排出流132。如可以看到的，插入部件的端部和支撑区段142和143堵塞间隙控制腔的纵向端部，使得没有或基本没有间隙控制流体可在端部区段和间隙控制腔内壁之间穿过。然而，在该示例性实施例中，间隙控制流体排出端口134在端部和支撑区段143中形成。将认识到的是，虽然间隙控制流体流31和33流动通过该间隙，但热交换发生在间隙控制流体和间隙控制腔内壁138之间。取决于与罩壳111的温度相比的间隙控制流体的温度，罩壳可被冷却或加热。因此，在控制间隙控制流体的温度和/或质量流时，罩壳111可被受控地冷却或加热，其进而会影响罩壳111的热膨胀或收缩，其用于控制如上标出的末梢间隙。
图5更详细地描述了如图4中所示的插入部件14。如图5中所述的插入部件14包括端部区段142和143以及布置在端部区段之间并在端部区段之间在纵向方向上延伸的板状区段141。板状区段141包括第一表面145和第二表面146，以及两个侧表面147。该板状区段的宽度可以(特别地在如图4中所示的实施例中)为这样，使得侧表面与间隙控制腔内壁基本齐平，并且因而在第一间隙和第二间隙之间提供至少基本紧密的密封。因此，从第一间隙到第二间隙的控制流体流完全地流动穿过以下更详细地标出的冲击孔144。可以设想其他实施例，其中侧间隙可在板状区段侧表面和间隙控制腔内壁之间形成，使得间隙控制流体可在侧表面和间隙控制腔内壁之间从第一间隙排出到第二间隙。在此程度上，板状区段的宽度也可沿插入部件的纵向范围变化，使得侧间隙的宽度相应地沿间隙控制腔或插入部件的纵向范围变化。图5中描述的插入部件14还包括一系列的冲击孔144，该冲击孔从板状区段第一表面145延伸到板状区段第二表面146并且当流体流过它们时被布置和构造成提供冲击射流，如图4中所示。取决于间隙控制腔内实现的热传递特征，可与在该示例性实施例中所示不同地选择冲击孔在该板状区段上的分布。此外，插入部件14的支撑区段142和143具有凸形圆柱形状以适配到间隙控制腔的凹形圆柱区段内。在该示例性实施例中，支撑区段143可以是在组装期间首先插入到间隙控制腔内的远端区段，并且可确定尺寸为使得实现端部区段外表面和间隙控制腔内壁之间的转动配合。近端区段142可确定尺寸为实现与间隙控制腔内壁的相应纵向区段的锁定配合。它也可成形为凸形锁定锥体，其中间隙控制腔的相应纵向区段可成形为相应的凹形锁定锥体。在将插入部件14的锁定特征布置在近端上时，即，在组装期间最后插入到间隙控制腔内的插入部件的部分，极大地便于在间隙控制腔中安装插入部件14。
再参考图4，需要注意的是，在该示例性实施例中，板状区段141具有恒定厚度并且以对称方式且与间隙控制腔纵向范围平行地布置。这导致第一间隙和第二间隙135和136沿该间隙控制腔的纵向范围的恒定宽度，以及所述间隙的等同宽度。然而，板形区段可以以非对称方式布置，可倾斜于间隙控制腔纵向范围延伸，和/或特征可为变化的厚度，其中第一间隙和第二间隙135和136可彼此不同和/或特征可为沿间隙控制腔13的纵向范围的不同间隙宽度。
在图6中示出了包括插入部件的间隙控制腔的进一步的实施例。间隙控制腔13在这种情况下被形成为罩壳元件1101中的盲孔。插入部件14包括由例如类似于导管的管道壁区段151限界的管道152。间隙控制流体供给端口133在插入部件14的纵向端部处形成并且与管道152流体地连接。间隙控制流体供给流131被供给到该供给端口，且被引导到管道152内，并且相应地在该插入部件或该管道的第二纵向端部处从该管道排出。该间隙控制供给流体然后流动通过设置在管道壁外表面和间隙控制腔内壁138之间的与间隙控制腔内壁处于热交换关系的环状间隙，此后通过间隙控制流体排出端口134排出作为间隙控制流体排出流132。如将结合图7标出的，管道的外壁包括紊流产生特征，该紊流产生特征在通过环状间隙的间隙控制流体流中增强和/或产生紊流，其进而增强了在间隙控制腔壁和在所述间隙内的间隙控制流体流之间的热传递。此外，该插入部件设置有圆柱形支撑区段142，其可用于在该间隙控制腔内以如上标出的方式支撑和锁定插入部件14。
在图7中更详细地描述了包括管道的插入部件的实施例。该插入件包括支撑区段142和管道壁151。螺旋流引导元件153沿管道壁外表面的纵向范围延伸。流引导元件可以设计成使得它在管道壁外表面和间隙控制腔内壁之间形成的间隙的基本整个横截面上延伸。因此将引起间隙控制流体在间隙中的螺旋流。在另一实施例中，诸如结合图6所公开的，流引导元件将仅在该间隙的一部分上径向地延伸，并且将用于产生和/或增强在间隙内的流体的紊流，从而提高在间隙控制腔内壁和间隙控制流体之间的热传递。同样，其他紊流产生元件也可被布置在管道壁外表面上。
在图8中所示的实施例中，包括并且基本包含管道壁151的插入部件14被布置在间隙控制腔内。多个径向凸出的支柱形成了支撑区段142和143。插入部件14的管道区段形成在管道壁的外表面和间隙控制腔内壁之间的间隙155，在该实施例中为基本环状的间隙。虽然管道的第一前端打开以对被供给到该管道的间隙控制腔流体流131提供通路，但该管道的第二前端154是关闭的。管道壁151由多个冲击孔144穿孔。间隙控制流体供给流131设置为穿过间隙控制流体供给端口133到管道151并且从该管道穿过冲击孔144排出作为指向该间隙控制腔内壁的射流。该间隙控制流体然后朝间隙控制流体排出端口134流动并且从该间隙控制腔排出作为间隙控制流体排出流132。
虽然在该实施例中，冲击孔144被示出为基本均匀地分布在管道壁151上，冲击孔可沿该管道壁的周向和纵向范围不同地分布。然而，冲击孔的这种分布将受到所需热传递的详细考虑。
图9描述了另一示例性实施例。插入件14包括由管道壁151限界的管道，该管道壁被布置在间隙控制腔内，在管道壁外表面和间隙控制腔内壁之间基本没有任何间隙。例如，它可被收缩到间隙控制腔内。该管道包括在该管道壁的内表面上提供的许多紊流发生器158，例如以环形隆起或突出部或凹窝的形式提供。这些紊流发生器用于增强在通过该管道的间隙控制流体流中的紊流。由于插入部件被收缩到该间隙控制腔内，在管道壁外表面和间隙控制腔内壁之间存在良好的热传导。通过该测量，紊流发生器可设置在间隙控制腔13内，并且可增强在流动通过间隙控制腔的间隙控制流体和罩壳之间的热传递，而不需要进一步加工该间隙控制腔内壁。
虽然已经在膨胀涡轮的情境下并借助于选定的示例性实施例描述了本发明，但是这些示例性实施例和膨胀涡轮的情境决不应限制该文献的公开内容或权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种发动机罩壳元件(1101)，所述发动机罩壳元件包括至少一个间隙控制腔(13)，所述间隙控制腔由间隙控制腔内壁(138)限界并且具有间隙控制腔纵向范围，其特征在于，至少一个插入部件(14)布置在所述间隙控制腔内。
2.根据权利要求1所述的发动机罩壳元件，其特征在于，所述插入部件(14)布置和构造成实现流引导功能和热传递增强功能中的至少一项。
3.根据前述权利要求中任一项所述的发动机罩壳元件，其特征在于，至少一个间隙(135，136，155)形成在所述插入部件(14)和所述间隙控制腔内壁(138)之间并且沿所述插入部件和所述间隙控制腔中的每一个的纵向范围的至少一部分延伸。
4.根据前述权利要求中任一项所述的发动机罩壳元件，其特征在于，插入部件纵向范围与所述间隙控制腔纵向范围至少基本对齐。
5.根据前述权利要求中任一项所述的发动机罩壳元件，其特征在于，所述插入部件(14)包括至少一个支撑区段(142，143)，在所述支撑区段中，所述插入部件被支撑在所述间隙控制腔内，并且其中，特别地所述支撑区段布置在插入部件纵向端部处。
6.根据前述权利要求中任一项所述的发动机罩壳元件，其特征在于，所述插入部件(14)包括至少两个支撑区段(142，143)，其中，所述两个支撑区段特别地布置在两个相对的插入部件纵向端部处。
7.根据前述权利要求中任一项所述的罩壳元件，其特征在于，所述插入部件包括管道(152)。
8.根据权利要求3所述的罩壳元件，其特征在于，所述间隙(155)设置在所述间隙控制腔内壁(138)和管道壁(151)外表面之间。
9.根据权利要求7或8中的任一项所述的发动机罩壳元件，其特征在于，所述管道壁(151)外表面设置有突出部和凹部中的至少一者，特别地设置有多个突出部和多个凹部中的至少一者，所述突出部和/或凹部在所述间隙的范围上提供不一致的间隙宽度，并且特别地适于在通过所述间隙的流中产生和/或增强紊流，并且其中，进一步特别地，所述管道(152)包括两个开放前端。
10.根据前述权利要求中任一项所述的罩壳元件，其中，所述插入部件(14)包括管道(152)，其特征在于，所述管道壁(151)包括至少一个贯穿开口(144)，特别地包括多个贯穿开口，使得所述管道壁被穿孔，其中特别地，所述至少一个贯穿开口适于且构造为冲击孔，并且其中，特别地所述管道(152)包括开放前端和封闭前端(154)。
11.根据权利要求7所述的发动机罩壳元件，其特征在于，所述管道壁(151)外表面布置为至少基本在整个管道壁外表面上与所述间隙控制腔内壁(138)无间隙地紧密接触，并且其中，进一步特别地，所述管道壁内表面设置有突出部和凹部(158)中的至少一者，特别地设置有多个突出部和/或多个凹部中的至少一者，所述突出部和/或凹部提供所述管道的非一致的内表面，并且特别地适于在通过所述管道的流中产生和/或增强紊流。
12.根据前述权利要求中任一项所述的发动机罩壳元件，其特征在于，所述插入件(14)包括板状区段，所述板状区段包括第一表面(145)、第二表面(146)和两个侧表面(147)，
第一间隙(135)，其形成于板状区段第一表面(145)以及间隙控制腔内壁(138)与管道壁内表面中的一者之间，
第二间隙(136)，其形成于板状区段第二表面(146)以及间隙控制腔内壁(138)与管道壁内表面中的一者之间；
其中，特别地在所述第一间隙(135)和所述第二间隙(136)之间提供流体连接。
13.根据前述权利要求中任一项所述的发动机罩壳元件，其特征在于，至少一个贯穿开口(144)从所述板状区段第一表面(145)延伸到所述板形区段第二表面(146)，并且其中，特别地多个贯穿开口从所述板状区段第一表面延伸到所述板形区段第二表面，其中，进一步特别地，所述至少一个贯穿开口布置和构造为冲击孔。
14.根据权利要求12所述的发动机罩壳元件，其特征在于，所述板状区段第一表面(145)和所述板状区段第二表面(146)中的至少一者设置有突出部和凹部中的至少一者，特别地设置有多个突出部和/或多个凹部中的一者，所述突出部和/或凹部在相应间隙(135，136)的范围上提供不一致的间隙宽度，并且特别地适于在通过所述间隙的流中产生和/或增强紊流。
15.根据前述权利要求中任一项所述的发动机罩壳元件，所述间隙控制腔(13)设置有至少两个流体端口(133，134)，其特征在于，第一流体端口(133)与管道内流体通道(152)和第一间隙(135)中的一者处于流体连通，所述第一间隙设置在插入件板状区段第一表面(145)和所述间隙控制腔内壁(138)之间，且第二流体端口(134)与设置在管道壁外表面和所述间隙控制腔内壁之间的间隙(155)以及第二间隙(136)中的一者处于流体连通，所述第二间隙设置在插入件板状区段第二表面(146)和所述间隙控制腔内壁之间，并且其中，特别地所述第一端口和第二端口布置在所述间隙控制腔的相同纵向端部处。
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