CN106460550B - 在排气扩散器中具有转子对中冷却系统的燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

公开了燃气涡轮发动机（10），具有转子对中冷却系统（12），用于冷却排气扩散器（16）内的支柱（14）和涡轮外壳以减少在热重启期间的叶尖摩擦。具体地，转子对中冷却系统（12）可定位在排气扩散器（16）中的支柱（14）内，在涡轮组件（18）下游以限制在顶部和底部支柱（20）之间的热梯度，以防止排气轴承本体（24）在稳态操作期间由于顶部支柱（20）变得比底部支柱更热而变得偏离中心。转子对中冷却系统（12）可降低排气扩散器（16）和涡轮外壳处的温度，从而减少顶部和底部支柱（20，22）以及涡轮外壳的顶部和底部（28，32）之间的热梯度。因而，排气轴承本体（24）保持对中，从而防止在涡轮组件（18）顶部（28）处比组件（18）底部（28）处更紧的叶片叶尖间隙。

Description

在排气扩散器中具有转子对中冷却系统的燃气涡轮发动机

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机，且更具体地涉及用于提供热管理以促进排气部段处的一致热状况和提供保护以限制对燃气涡轮发动机的外部外壳加热的结构。

背景技术

燃气涡轮发动机通常包括压缩机部段、燃烧器部段、涡轮部段和排气部段。在操作中，压缩机部段可引导环境空气且压缩环境空气。来自于压缩机部段的压缩空气进入燃烧器部段中的一个或更多个燃烧器。压缩空气在燃烧器中与燃料混合，且空气-燃料混合物能够在燃烧器中燃烧以形成热工作气体。热工作气体导送到涡轮部段，在涡轮部段，热工作气体通过固定翼型件和旋转翼型件的交替行膨胀，且用于产生能够驱动转子的动力。离开涡轮部段的膨胀气体然后可以经由排气部段从发动机排出。

在典型的燃气涡轮发动机中，引出空气（bleed air），包括从压缩机的一个或更多级获得的压缩空气中的一部分，可以用作用于冷却涡轮部段的部件的冷却空气。附加的引出空气或者可选冷却空气源也可以供应给排气部段的多部分，例如以冷却排气部段的多部分，且通过设置在发动机的外部外壳或其它部件内的强制对流空气流将涡轮排气外壳保持低于预定温度。当前，供应给涡轮排气外壳的支撑支柱和相邻部件的冷却空气不足够。具体地，在上止点处的支柱和相邻支柱比在下止点处的支柱和相邻支柱被加热更多。因而，支柱径向内部的排气轴承本体的稳态位置在下止点方向移动偏离中心。上止点处的较高涡轮外壳温度竖直向上地拉动顶部支柱，因而拉动排气轴承本体。这部分地通过顶部支柱比底部支柱更热而抵消。然而，两种状况的组合产生了排气轴承本体在稳态涡轮发动机操作期间停留在竖直较高的偏离中心位置的净结果，涡轮级1间隙在上止点处太紧，且涡轮级1间隙在下止点处太开放。偏离中心转子位置在关闭后和回转齿轮操作期间会引起偏离中心位置，这会引起在热重启期间行1涡轮叶片的叶尖摩擦。因而，期望消除排气轴承本体以径向方向移动到偏离中心位置的系统。

发明内容

公开了一种燃气涡轮发动机，具有转子对中冷却系统，用于冷却排气扩散器内的支柱和涡轮外壳以减少在热重启期间的叶尖摩擦。具体地，所述转子对中冷却系统可以部分地定位在排气扩散器中的支柱内，在涡轮组件下游以限制涡轮外壳以及在顶部支柱和底部支柱之间的热梯度，以防止排气轴承本体在稳态操作期间由于顶部支柱和外壳变得比底部支柱更热而变得偏离中心。所述转子对中冷却系统可以降低排气扩散器处的温度，使得顶部支柱和底部支柱之间的热梯度与常规系统相比减少。因而，排气轴承本体保持对中，从而防止在涡轮组件顶部处比涡轮组件底部处更紧的涡轮叶片叶尖间隙。所述冷却系统可以在稳态操作期间和关闭期间使用，冷却空气由外部风扇供应以控制温度梯度。

在至少一个实施例中，燃气涡轮发动机可包括一个或更多个排气扩散器，所述一个或更多个排气扩散器位于涡轮组件的下游，围绕燃气涡轮发动机的中心纵向轴线周向地延伸，且具有从上游边缘到下游边缘增加的横截面面积。一个或更多个支柱可以从至少一个排气扩散器径向向内延伸到内部排气扩散器壳体，所述内部排气扩散器壳体形成排气扩散器的径向内表面。所述支柱可包括位于形成支柱的外壁内的一个或更多个内部冷却系统。所述燃气涡轮发动机可包括转子对中冷却系统，所述转子对中冷却系统从与位于形成支柱的外壁内的内部冷却系统连通的排气冷却歧管形成，用于将冷却流体供应给支柱内的内部冷却系统。所述转子对中冷却系统可包括转子对中冷却通道，所述转子对中冷却通道从排气冷却歧管中的入口通过涡轮外壳排气凸缘延伸到护罩腔室中的出口，所述出口在所述至少一个支柱的上游且在形成排气扩散器的外壁的径向外部。流动通过转子对中冷却通道的冷却流体夹带护罩腔室中的环境空气，从而吹扫护罩腔室且冷却涡轮外壳排气凸缘。排气冷却歧管可以位于所述至少一个支柱的径向外部。

所述转子对中冷却系统还可以包括一个或更多个排气冷却压力通风部，所述一个或更多个排气冷却压力通风部形成在形成排气扩散器的外壁的径向外部的周向延伸冷却通道。所述排气冷却歧管可以经由一个或更多个计量孔与排气冷却歧管流体连通。所述计量孔可以位于涡轮外壳排气凸缘内，从而给涡轮外壳排气凸缘提供冷却。所述计量孔具有的径向延伸宽度可以等于涡轮外壳排气凸缘处排气冷却压力通风部的径向延伸宽度。排气冷却压力通风部可以位于排气冷却歧管的上游。

所述转子对中冷却通道可以从排气冷却歧管向上游延伸到护罩腔室。在至少一个实施例中，所述转子对中冷却通道可以在排气冷却歧管和支柱之间从排气冷却歧管延伸到护罩腔室。所述转子对中冷却通道的出口可以由一个或更多个狭槽形成。至少一个转子对中冷却通道的出口具有圆形横截面。

所述燃气涡轮发动机可包括多个支柱。在至少一个实施例中，所述燃气涡轮发动机可包括顶部支柱，带有周向地偏离到第一侧的第一侧支柱和偏离到在周向方向上与第一侧相对的第二侧的第二侧支柱。顶部支柱、第一侧支柱和第二侧支柱可均具有所述一个或更多个内部冷却系统和包括排气冷却歧管的转子对中冷却系统，所述排气冷却歧管与位于形成支柱的外壁内的内部冷却系统连通，用于将冷却流体供应给支柱内的内部冷却系统。在顶部支柱、第一侧支柱和第二侧支柱中的每个内形成的转子对中冷却系统包括一个或更多个转子对中冷却通道，所述转子对中冷却通道从排气冷却歧管中的入口通过涡轮外壳排气凸缘延伸到护罩腔室中的出口，所述出口在形成排气扩散器的外壁的上游和径向外部，其中，流动通过转子对中冷却通道的冷却流体夹带护罩腔室中的环境空气，从而吹扫护罩腔室且冷却涡轮外壳排气凸缘。顶部支柱、第一侧支柱和第二侧支柱均向上延伸到燃气涡轮发动机的中线平面上方，所述中线平面总体上延伸通过燃气涡轮发动机的中心纵向轴线。

转子对中冷却系统的优点在于，转子对中冷却系统提供对支柱、排气凸缘和相关部件的双折冷却，以减少热梯度和热应力，以便通过防止排气轴承本体移动偏离中心而防止热重启期间的涡轮叶尖摩擦。

转子对中冷却系统的另一优点在于，排气冷却歧管中的转子对中冷却通道的一个或更多个入口增加了通过排气冷却歧管的冷却流体流量，促进较高的冷却流体流通过涡轮外壳排气凸缘中的计量孔，从而选择性地解决涡轮外壳排气凸缘区域上的顶部-底部热梯度。

转子对中冷却系统的又一优点在于，转子对中冷却通道再次改向冷却空气，以在冷却空气从涡轮外壳排气凸缘中的出口排出到护罩腔室中时第二次流动通过涡轮外壳排气凸缘，在护罩腔室处，冷却流体夹带护罩腔室中的环境空气，以产生空气推进器或喷射器效果。使用来自于排气冷却歧管的相对少量的空气，护罩腔室中的环境空气可以被激励，从而被供应以第二路冷却的方式冷却凸缘的冷却空气的质量流量显著地增加且吹扫护罩腔室。

本发明的另一个优点在于，转子对中冷却系统可以在涡轮外壳排气凸缘区域中实现周向一致的金属温度。

本发明的又一个优点在于，吹扫护罩腔室抑制了任何浮力驱动流动，在涡轮外壳排气凸缘区域中可能驱动任何顶部-底部温度。

本发明的另一个优点在于，支柱中的内部冷却系统内的翅片可以调节以增加流量以便补偿从排气冷却歧管到内部冷却系统中的由于进入转子对中冷却通道中的冷却流体流引起的流量减少。

下文更详细地描述这些和其它实施例。

附图说明

附图包含于说明书并形成说明书的一部分，其说明目前公开发明的实施例并与说明书一起公开本发明的原理。

图1是包括用于冷却支柱和涡轮外壳排气凸缘的转子对中冷却系统的燃气涡轮发动机的横截面侧视图。

图2是包括用于冷却支柱和涡轮外壳排气凸缘的转子对中冷却系统的燃气涡轮发动机的沿图1中的细节2-2截取的部分横截面透视下游图。

图3是包括用于冷却支柱和涡轮外壳排气凸缘的转子对中冷却系统的燃气涡轮发动机的沿图1中的细节2-2截取的部分横截面透视上游图。

图4是冷却支柱中的转子对中冷却系统和内部冷却系统沿图1中的细节2-2截取的横截面侧视图。

图5是冷却支柱中的转子对中冷却系统和内部冷却系统沿图1中的细节2-2截取的部分横截面透视下游图。

图6是看到支柱的排气扩散器的上游图。

图7是延伸通过涡轮外壳排气凸缘的转子对中冷却通道出口的下游图。

图8是延伸通过涡轮外壳排气凸缘的转子对中冷却通道出口的另一个配置的下游图。

具体实施方式

如图1-8所述，公开了一种燃气涡轮发动机10，具有转子对中冷却系统12，用于冷却排气扩散器16内的支柱14和涡轮外壳以减少在热重启期间的叶尖摩擦。具体地，所述转子对中冷却系统12可以部分地定位在排气扩散器16中的支柱14内，在涡轮组件18下游以限制在顶部支柱20和底部支柱22之间的热梯度，以防止支撑转子25的排气轴承本体24在稳态操作期间由于顶部支柱20和外壳变得比底部支柱22更热而变得偏离中心。所述转子对中冷却系统12可以降低排气扩散器16处的温度，使得顶部支柱20和底部支柱22之间的热梯度与常规系统相比减少。因而，排气轴承本体24保持对中，从而防止在涡轮组件18顶部28处比涡轮组件18底部32处更紧的涡轮叶片叶尖间隙26。所述冷却系统12可以在稳态操作期间和关闭期间使用，冷却空气由外部风扇供应以控制温度梯度。

在至少一个实施例中，燃气涡轮发动机10可由一个或更多个排气扩散器16形成，如图1所示，所述一个或更多个排气扩散器16位于涡轮组件18的下游，围绕燃气涡轮发动机10的中心纵向轴线34周向地延伸。如图1-5所示，排气扩散器16可具有从上游边缘36到下游边缘38增加的横截面面积，如图1所示。燃气涡轮发动机10可包括一个或更多个支柱14，从排气扩散器16径向向内延伸到内部排气扩散器壳体40，所述内部排气扩散器壳体40形成排气扩散器16的径向内表面42。所述支柱14可包括位于形成支柱14的外壁46内的一个或更多个内部冷却系统44。

所述燃气涡轮发动机10还可包括一个或更多个转子对中冷却系统12，用于冷却排气扩散器16内的支柱14以减少在热重启期间的叶尖摩擦。所述转子对中冷却系统12可以从与位于形成支柱14的外壁46内的内部冷却系统44连通的排气冷却歧管48形成，用于将冷却流体供应给支柱14内的内部冷却系统44。所述转子对中冷却系统12可包括一个或更多个转子对中冷却通道60，所述转子对中冷却通道从排气冷却歧管48中的入口50通过涡轮外壳排气凸缘52延伸到护罩腔室56中的出口54，所述出口在所述支柱14的上游且在形成排气扩散器16的外壁58的径向外部，使得流动通过转子对中冷却通道60的冷却流体夹带护罩腔室56中的环境空气，从而吹扫护罩腔室56且冷却涡轮外壳排气凸缘52。

在至少一个实施例中，排气冷却歧管48可以位于所述支柱14的径向外部。所述转子对中冷却通道60可以从排气冷却歧管48向上游延伸到护罩腔室56。所述转子对中冷却通道60可以从排气冷却歧管48延伸到护罩腔室56，且可以定位在排气冷却歧管48和支柱14之间。所述转子对中冷却通道60的出口54可以具有圆形横截面，其它合适配置，如图8所示。在至少一个实施例中，出口54可以由一个或更多个狭槽62形成。狭槽62可以是薄槽形状，例如大致椭圆形、长圆形或类似物。

所述转子对中冷却系统12还可以包括一个或更多个排气冷却压力通风部64，如图1-5所示，所述一个或更多个排气冷却压力通风部形成在形成排气扩散器16的外壁58的径向外部的周向延伸冷却通道。所述排气冷却压力通风部64可具有任何合适配置和尺寸。所述排气冷却压力通风部64可将冷却流体提供给排气冷却歧管48。排气冷却压力通风部64可位于排气冷却歧管48的上游。具体地，所述排气冷却压力通风部64可以经由一个或更多个计量孔66与排气冷却歧管流体48连通。所述计量孔66可以位于涡轮外壳排气凸缘52内，从而给涡轮外壳排气凸缘52提供冷却。在至少一个实施例中，所述计量孔66具有的径向延伸宽度可以等于涡轮外壳排气凸缘52处排气冷却压力通风部64的径向延伸宽度。因而，高体积的冷却空气可以穿过涡轮外壳排气凸缘52以相对于常规系统增加转子对中冷却系统12的冷却容量。

在至少一个实施例中，所述燃气涡轮发动机10可包括多个支柱14，从排气扩散器16径向向内延伸到形成排气扩散器16的径向内表面42的内部排气扩散器壳体40。在至少一个实施例中，所述燃气涡轮发动机10可包括总共6个支柱14，如图6所示。因而，支柱14中的三个，例如顶部支柱20、第一侧支柱70和第二侧支柱72，可位于燃气涡轮发动机10的中线平面74上方，所述中线平面总体上延伸通过燃气涡轮发动10机的中心纵向轴线34。在至少一个实施例中，顶部支柱20可以总体上从内部排气扩散器壳体40延伸到形成排气扩散器16的外壁58的上止点28。在其它实施例中，顶部支柱20可位于其它位置。第一侧支柱70可周向地偏离到顶部支柱20的第一侧78，且可位于顶部支柱20和中线平面74之间。第二侧支柱72可偏离到在周向方向上与第一侧78相对的第二侧80，且可位于顶部支柱20和中线平面74之间。

在至少一个实施例中，顶部支柱20、第一侧支柱70和第二侧支柱72可均具有提供冷却的内部冷却系统44和转子对中冷却系统12。顶部支柱20、第一侧支柱70和第二侧支柱72中的每个可包括排气冷却歧管48，所述排气冷却歧管与位于形成支柱20，70，72的外壁46内的内部冷却系统44连通，用于将冷却流体供应给支柱20，70，72内的内部冷却系统44。支柱20，70，72的冷却歧管48可以或者可以不彼此接触。在支柱20，70，72中的转子对中冷却通道60可从排气冷却歧管48中的入口50通过涡轮外壳排气凸缘52延伸到护罩腔室56中的出口54，所述出口54在支柱20，70，72的上游和形成排气扩散器16的外壁58的径向外部。流动通过转子对中冷却通道60的冷却流体可夹带护罩腔室56中的环境空气，从而吹扫护罩腔室56且冷却涡轮外壳排气凸缘52。

转子对中冷却系统12配置成使得来自于排气冷却歧管48的冷却流体至少两次通过涡轮外壳排气凸缘52。具体地，冷却流体通过流入计量孔66和流入排气冷却歧管48而第一次流动通过涡轮外壳排气凸缘52。计量孔66定尺寸为增加进入排气冷却歧管48的冷却流体流。此外，冷却流体的一部分流入支柱14中的内部冷却系统44，排气冷却歧管48中的冷却流体的一部分流入转子对中冷却通道60的入口50。转子对中冷却通道60将冷却流体往回导送通过涡轮外壳排气凸缘52，从而再一次冷却涡轮外壳排气凸缘52。转子对中冷却通道60可穿过计量孔66的径向内部。冷却流体于是通过出口54从转子对中冷却通道60排出。

上述内容被提供用于说明、解释和描述本发明的实施例。对这些实施例的修改和调整对于本领域技术人员来说将是显而易见的，且可以在不偏离本发明的范围或精神的情况下做出。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机（10），其特征在于：

至少一个排气扩散器（16），位于涡轮组件（18）的下游，围绕燃气涡轮发动机（10）的中心纵向轴线（34）周向地延伸，且具有从上游边缘（36）到下游边缘（38）增加的横截面面积；

至少一个支柱（14），从所述至少一个排气扩散器（16）径向向内延伸到内部排气扩散器壳体（40），所述内部排气扩散器壳体（40）形成排气扩散器（16）的径向内表面（42）；

其中，所述至少一个支柱（14）包括位于形成所述至少一个支柱（14）的外壁（46）内的至少一个内部冷却系统（44）；以及

转子对中冷却系统（12），所述转子对中冷却系统（12）包括：

排气冷却歧管（48），与位于形成所述至少一个支柱（14）的外壁（46）内的至少一个内部冷却系统（44）连通，用于将冷却流体供应给所述至少一个支柱（14）内的至少一个内部冷却系统（44）；和

至少一个转子对中冷却通道（60），从排气冷却歧管（48）中的入口（50）通过涡轮外壳排气凸缘（52）延伸到护罩腔室（56）中的出口（54），所述出口（54）在所述至少一个支柱（14）的上游且在形成至少一个排气扩散器（16）的外壁（46）的径向外部，其中，流动通过至少一个转子对中冷却通道（60）的冷却流体夹带护罩腔室（56）中的环境空气，从而吹扫护罩腔室（56）且冷却涡轮外壳排气凸缘（52）。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机（10），其特征在于：排气冷却歧管（48）位于所述至少一个支柱（14）的径向外部。

3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机（10），其特征在于：所述转子对中冷却系统（12）还包括至少一个排气冷却压力通风部（64），所述至少一个排气冷却压力通风部（64）形成在形成所述至少一个排气扩散器（16）的外壁（48）的径向外部的周向延伸冷却通道，且其中，所述至少一个排气冷却压力通风部（64）经由至少一个计量孔（66）与排气冷却歧管（48）流体连通。

4.根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机（10），其特征在于：所述至少一个计量孔（66）位于涡轮外壳排气凸缘（52）内，从而给涡轮外壳排气凸缘（52）提供冷却。

5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机（10），其特征在于：所述至少一个计量孔（66）具有的径向延伸宽度等于涡轮外壳排气凸缘（52）处排气冷却压力通风部（64）的径向延伸宽度。

6.根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机（10），其特征在于：所述至少一个排气冷却压力通风部（64）位于排气冷却歧管（48）的上游。

7.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机（10），其特征在于：所述至少一个转子对中冷却通道（60）从排气冷却歧管（48）向上游延伸到护罩腔室（56）。

8.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机（10），其特征在于：所述至少一个转子对中冷却通道（60）在排气冷却歧管（48）和所述至少一个支柱（14）之间从排气冷却歧管（48）延伸到护罩腔室（56）。

9.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机（10），其特征在于：所述至少一个转子对中冷却通道（60）的出口（54）由至少一个狭槽（62）形成。

10.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机（10），其特征在于：顶部支柱（20）、第一侧支柱（70）和第二侧支柱（72）均向上延伸到燃气涡轮发动机（10）的中线平面（74）上方，所述中线平面（74）总体上延伸通过燃气涡轮发动机（10）的中心纵向轴线（34）。