CN106930982A - 带具有冷却入口的导叶的燃气涡轮发动机 - Google Patents

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Abstract

一种设备和方法，其通过经由将冷却空气发送穿过导叶中的入口(140)，使发送的冷却空气穿过导叶(62)，以及将发送的冷却空气放出到空间(130)中，来降低密封件(128)与相邻级(52,54)的叶片柱(112)之间的空间(130)中的操作空气温度，来冷却燃气涡轮发动机(10)的热部分，如燃气涡轮发动机(10)的多级压缩机(24,26)。

Description

带具有冷却入口的导叶的燃气涡轮发动机
背景技术
涡轮发动机，以及更具体而言燃气或燃烧涡轮发动机为从燃烧气体流抽取能量的旋转式发动机，该燃烧气体流在一系列压缩机级(其包括成对的旋转叶片和静止导叶)中穿过发动机，穿过燃烧器，并且接着到许多涡轮叶片上。在压缩机级中，叶片由从转子突出的柱支承，而导叶安装于定子盘。燃气涡轮发动机用于陆地和航海运动以及发电，但最常用于航空应用，如用于飞机(包括直升机)。在飞机中，燃气涡轮发动机用于飞行器的推进。
用于飞行器的燃气涡轮发动机设计成在高温下操作以最大化发动机推力，所以某些发动机构件(如转子柱)的冷却在操作期间为必要的。典型地，冷却通过将较冷空气从高压和/或低压压缩机输送至需要冷却的发动机构件来实现。
在相邻的压缩机级中，存在如下趋势：横跨相邻级的压力想要回流穿过关于导叶的密封件，导致上游压缩机级的转子柱的附加加热，这在某些热条件下可导致上游转子柱处的温度超过其蠕变温度，导致转子柱的不需要蠕变。这对于经受最高温度的最后部或后压缩机级而言尤其如此。
发明内容
在一个方面中，本发明的实施例涉及一种用于燃气涡轮发动机的压缩机，该压缩机包括外壳体，其具有布置在轴向间隔的成组导叶中的周向间隔的导叶，以及转子，其位于外壳体内并且具有布置在轴向间隔的成组叶片中的周向间隔的叶片，该轴向间隔的成组叶片处于与成组导叶交替的轴向布置，以限定轴向布置的成对导叶和叶片，其中每对形成压缩机级。压缩机级具有在转子与导叶之间延伸的周向密封件，以流体地密封轴向相邻的压缩机级。冷却空气回路穿过导叶，并且具有导叶上的入口以及在用于导叶的对应密封件上游在转子处的出口。
在另一个方面中，本发明的实施例涉及一种用于燃气涡轮发动机的压缩机的导叶组件，该导叶组件包括导叶、密封元件，以及冷却空气回路，该导叶具有前缘和后缘，以及从根部延伸至末端的翼展，该密封元件位于根部上，该冷却空气回路穿过导叶，并且具有导叶上的入口和根部处的出口，其中出口位于密封元件的上游或下游中的至少一个。
在又一个方面中，本发明的实施例涉及一种冷却燃气涡轮发动机的多级压缩机的方法。该方法包括通过将压缩机空气发送穿过导叶中的入口，使发送的压缩机空气穿过导叶，以及将发送的压缩机空气放出到在导叶上游的空间中，来将密封件与相邻级的叶片柱之间的空间中的操作空气温度降低到叶片柱的蠕变温度以下。
技术方案1. 一种用于燃气涡轮发动机的压缩机，其包括：
外壳体，其具有布置在轴向间隔的成组导叶中的周向间隔的导叶；以及
转子，其位于所述外壳体内，并且具有布置在轴向间隔的成组叶片中的周向间隔的叶片，所述轴向间隔的成组叶片处于与所述成组导叶交替的轴向布置，以限定轴向布置的成对导叶和叶片，其中每对形成压缩机级；
所述压缩机级具有在所述转子与所述导叶之间延伸的周向密封件，以流体地密封轴向相邻的压缩机级；以及
冷却空气回路，其穿过所述导叶，并且具有在所述导叶上的入口以及在用于所述导叶的对应密封件上游在所述转子处的出口。
技术方案2. 根据技术方案1所述的压缩机，其特征在于，所述入口位于所述导叶的中间翼展区域中。
技术方案3. 根据技术方案2所述的压缩机，其特征在于，所述入口沿所述流动方向为长形的。
技术方案4. 根据技术方案3所述的压缩机，其特征在于，所述入口位于所述导叶的压力侧上。
技术方案5. 根据技术方案4所述的压缩机，其特征在于，所述入口包括凹穴。
技术方案6. 根据技术方案1所述的压缩机，其特征在于，所述入口沿着所述翼展定位，其中最冷空气在所述导叶之上流动。
技术方案7. 根据技术方案1所述的压缩机，其特征在于，所述冷却空气回路在最下游压缩机级中设在所述导叶中的至少一些中。
技术方案8. 根据技术方案1所述的压缩机，所述压缩机还包括内环，其位于所述壳体内并且在所述导叶的根部处支承压缩机级的所述导叶，并且所述内环限定形成所述冷却空气回路的部分的周向通道。
技术方案9. 根据技术方案8所述的压缩机，其特征在于，所述冷却空气回路的所述出口形成在所述环中。
技术方案10. 根据技术方案9所述的压缩机，其特征在于，所述密封件包括安装于所述环的蜂窝元件，以及从所述转子延伸并且邻接所述蜂窝元件的指部。
技术方案11. 根据技术方案1所述的压缩机，其特征在于，所述转子包括柱，并且所述冷却空气回路出口将所述冷却空气朝向所述柱放出在所述导叶上游。
技术方案12. 根据技术方案11所述的压缩机，其特征在于，一个压缩机级的所述柱与用于所述下游压缩机级的密封件之间的空间限定密封腔，并且所述冷却空气回路出口将冷却空气放出到所述密封腔中。
技术方案13. 一种冷却燃气涡轮发动机的多级压缩机的方法，所述方法包括将压缩机空气发送穿过所述级中一个的导叶中的入口，使所述发送的压缩机空气穿过所述导叶，以及将所述发送的压缩机空气放出到所述压缩机的上游级和下游级中的至少一个的所述导叶和叶片之间的空间中。
技术方案14. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述空间在用于所述导叶的密封件上游。
技术方案15. 根据技术方案14所述的方法，其特征在于，所述空间在所述叶片的径向内侧。
技术方案16. 根据技术方案15所述的方法，其特征在于，所述空间在所述密封件与安装所述叶片的柱之间。
技术方案17. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述发送的压缩机空气从所述导叶的中间翼展区域抽吸。
技术方案18. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述发送的压缩机空气从所述导叶的压力侧抽吸。
技术方案19. 一种用于燃气涡轮发动机的压缩机的导叶组件，其包括：
导叶，其具有前缘和后缘，以及从根部延伸至末端的翼展；
密封件，其位于所述根部上；以及
冷却空气回路，其穿过所述导叶，并且具有所述导叶上的入口和根部处的出口，其中出口位于所述密封件的上游或下游中的至少一个。
技术方案20. 根据技术方案19所述的导叶组件，其特征在于，所述入口位于所述导叶的中间翼展区域或所述导叶的压力侧中的一个上。
技术方案21. 根据技术方案20所述的导叶组件，其特征在于，所述入口位于所述导叶的中间翼展区域或所述导叶的压力侧中的另一个上。
技术方案22. 一种冷却燃气涡轮发动机的多级压缩机的方法，所述方法包括通过将压缩机空气发送穿过导叶中的入口，使所述发送的压缩机空气穿过所述导叶，以及将所述发送的压缩机空气放出到在所述导叶上游的空间中，来将密封件与相邻级的叶片柱之间的空间中的操作空气温度降低到所述叶片柱的蠕变温度以下。
技术方案23. 根据技术方案22所述的方法，其特征在于，所述温度降低至少50华氏度。
技术方案24. 根据技术方案22所述的方法，其特征在于，所述发送的压缩机空气从所述导叶的中间翼展区域抽吸。
技术方案25. 根据技术方案24所述的方法，其特征在于，所述发送的压缩机空气从所述导叶的压力侧抽吸。
技术方案26. 一种冷却燃气涡轮发动机的多级压缩机的方法，所述方法包括与没有所述冷却相比，通过将压缩机空气发送穿过所述导叶中的入口，使所述发送的压缩机空气穿过所述导叶，以及将所述发送的压缩机空气放出到在所述导叶上游的空间中，来将密封件与相邻级的叶片柱之间的空间中的操作空气温度降低至少50华氏度，
技术方案27. 根据技术方案26所述的方法，其特征在于，所述发送的压缩机空气从所述导叶的中间翼展区域抽吸。
技术方案28. 根据技术方案27所述的方法，其特征在于，所述发送的压缩机空气从所述导叶的压力侧抽吸。
附图说明
在附图中：
图1为根据本发明的实施例的燃气涡轮发动机的示意性截面视图。
图2为图1中的压缩机的一部分(并且具体包括轴向相邻的叶片之间的导叶)的放大示意性截面局部视图。
图3为适合于用作图1和2中的导叶的导叶的透视图。
图4为图1和2的导叶的下部分的放大示意性截面图
图5为示出用于降低级中的操作空气温度的方法的流程图。
部件列表
10发动机
12中心线
14前
16后
18风扇区段
20风扇
22压缩机区段
24低压压缩机
26高压压缩机
28燃烧区段
30燃烧器
32涡轮区段
34高压涡轮
36低压涡轮
38排气区段
40风扇壳体
42风扇叶片
44芯部
46芯部壳体
48高压轴/转轴
50低压轴/转轴
51转子
52压缩机级
53盘
54压缩机级
56旋转叶片
58旋转叶片
60导叶
62导叶
64涡轮级
66涡轮级
68涡轮叶片
70涡轮叶片
72涡轮导叶
74涡轮导叶
76燕尾部
100内环
102周向通道
104外环
106根部
108末端
110空气导管
112柱
114槽口
116基部
118上部分
120下部分
122压力侧
124蜂窝元件
126指部
128密封件
130空间
132回流空气
134前缘
135吸入侧
136后缘
138冷却空气回路
140入口
142导叶通道
144出口
146通路。
具体实施方式
本发明的描述的实施例涉及关于在涡轮发动机中发送空气流的系统、方法以及其它装置。出于图示的目的，本发明将关于飞行器燃气涡轮发动机描述。然而，将理解的是，本发明并未如此受限，并且可在非飞行器应用(如，其它移动应用以及非移动工业、商业和住宅应用)中具有普遍适用性。
图1为用于飞行器的燃气涡轮发动机10的示意性截面图。发动机10具有从前14延伸至后16的大体上沿纵向延伸的轴线或中心线12。发动机10包括成下游串流关系的包括风扇20的风扇区段18、包括增压器或低压(LP)压缩机24和高压(HP)压缩机26的压缩机区段22、包括燃烧器30的燃烧区段28、包括HP涡轮34和LP涡轮36的涡轮区段32，以及排气区段38。
风扇区段18包括包绕风扇20的风扇壳体40。风扇20包括绕着中心线12沿径向设置的多个风扇叶片42。HP压缩机26、燃烧器30以及HP涡轮34形成生成燃烧气体的发动机10的芯部44。芯部44由可与风扇壳体40联接的外壳体46包绕。
绕着发动机10的中心线12同轴地设置的HP轴或转轴48将HP涡轮34传动地连接于HP压缩机26。绕着发动机10的中心线12同轴地设置在较大直径的环形HP转轴48内的LP轴或转轴50将LP涡轮36传动地连接于LP压缩机24和风扇20。安装于转轴48,50中的任一个或两者且与其一起旋转的发动机10的部分也被单独地或共同地称为转子51。
LP压缩机24和HP压缩机26分别包括多个压缩机级52,54，其中一组压缩机叶片56,58关于对应的一组静止压缩机导叶60,62(也称为喷嘴)旋转，以压缩穿过级的流体流或使其加压。在单个压缩机级52,54中，多个压缩机叶片56,58可以以环提供，并且可关于中心线12从叶片平台沿径向向外延伸至叶片末端，同时对应的静止压缩机导叶60,62定位在旋转叶片56,58下游并且邻近于其。注意的是，图1中示出的叶片、导叶和压缩机级的数量仅出于说明性目的选择，并且其它数量为可能的。用于压缩机的级的叶片56,58可安装于盘53，盘53安装于HP转轴48和LP转轴50中的对应一个，其中各个级具有其自身的盘。导叶60,62以绕着转子51的周向布置安装于芯部壳体46。
HP涡轮34和LP涡轮36分别包括多个涡轮级64,66，其中一组涡轮叶片68,70关于对应的一组静止涡轮导叶72,74(也称为喷嘴)旋转，以从穿过级的流体流抽取能量。在单个涡轮级64,66中，多个涡轮叶片68,70可以以环提供，并且可关于中心线12从叶片平台沿径向向外延伸至叶片末端，同时对应的静止涡轮导叶72,74定位在旋转叶片68,70上游并且邻近于其。注意的是，图1中示出的叶片、导叶和涡轮级的数量仅出于说明性目的选择，并且其它数量为可能的。
在操作中，旋转风扇20将周围空气供应至LP压缩机24，LP压缩机24接着将加压的周围空气供应至HP压缩机26，HP压缩机26进一步使周围空气加压。来自HP压缩机26的加压空气在燃烧器30中与燃料混合并且点燃，由此生成燃烧气体。一些功由HP涡轮34从这些气体抽取，HP涡轮34驱动HP压缩机26。燃烧气体排放到LP涡轮36中，LP涡轮36抽取附加的功以驱动LP压缩机24，并且排出气体最终经由排气区段38从发动机10排放。LP涡轮36的驱动驱动了LP转轴50以使风扇20和LP压缩机24旋转。
由风扇20供应的周围空气中的一些可绕过发动机芯部44并且用于发动机10的部分，尤其是热部分的冷却，并且/或者用于冷却飞行器的其它方面或向其供能。在涡轮发动机的背景下，发动机的热部分通常在燃烧器30下游，尤其是涡轮区段32，其中HP涡轮34为最热部分，因为HP涡轮34直接在燃烧区段28下游。其它冷却流体源可为但不限于从LP压缩机24或HP压缩机26排放的流体。
参照图2，更详细地描述压缩机区段22的一部分，并且其包括具有插置导叶62的来自相邻的压缩机级52,54的轴向相邻叶片58。叶片58安装于从转子51的盘53延伸的柱112。叶片58包括燕尾部76，其接收在柱112中的槽口114内。
导叶62在内环100与外环104之间延伸。各个导叶62从内环100处的根部106沿径向跨越至外环104处的末端108。导叶62包括位于导叶62的上游侧上的前缘134和下游侧上的后缘136。各个导叶还包括压力侧122和吸入侧135(图3)。导叶62在根部106处安装于内环100并且在末端处安装于外环。
内环100包括上部分118和下部分120，它们一起形成绕着转子51的周向通道102。上部分118提供基部116，导叶62的根部106安装于基部116。周向通道102提供沿周向绕着转子51的空气导管110。
被称为密封件128的、包括蜂窝元件124和环形指部126的密封元件关于转子51密封内环100。蜂窝元件124安装于内环100的下部分120，并且环形指部126从转子51凸出。指部126与蜂窝元件124的邻接形成密封件128以密封相邻的压缩机级52,54，由此使来自下游压缩机级(相对较高压力)的压缩空气免于回流至上游压缩机级(相对较低压力)。
呈空间130形式的密封腔位于导叶62的密封件128上游，在叶片58的径向内侧，并且在密封件128与柱112之间。如由虚箭头指示的，在某些条件下，由于压缩且更紧邻燃烧器30而具有较高温度的、来自下游压缩机级的回流空气132可收集在空间130中，引起空间130中的空气升高温度。流动穿过压缩机级52,54的压缩机空气趋于在空间130之上流动，并且延迟回流空气132的除去，这导致在柱112前面的热点的生成，并且导致柱112的加热。
冷却空气回路138提供成将压缩机空气引导到空间130中，以实现空间130的冷却。冷却空气回路138具有导叶62上的入口140，其开向导叶62内的导叶通道142。导叶通道142可为导叶62的中空内部或形成在导叶中的专用通道，如通过将插入物放置在中空内部内。导叶通道142流体地连接于内环100的周向通道102。内环100的下部分120上的出口144流体地联接于周向通道102，并且位于内环100的上游处，使得出口144开向空间130。出口不限于在密封件128上游，并且可位于内环100下游。
至冷却空气回路138的入口140在图3中最佳地看见，图3为示例性3-D导叶62的透视图。入口140沿流动方向为长形的，并且大体上在前缘134与后缘136之间沿大体轴向方向延伸。入口140位于导叶62的压力侧122上，这将有助于压缩机空气到入口140中的自然流动。然而，虽然不是理想的，但入口140可位于导叶62的吸入侧135上。虽然入口140示为简单的开口，但其可具有复杂的几何形状，尤其是并未遵循导叶62的轮廓的几何形状。凹穴或类似结构可提供入口140以有助于将压缩机空气引导到入口140中，这将是特别有用的(如果入口140位于吸入侧135上)。
虽然入口140可位于沿着导叶62的翼展的任何位置，但最有利的是入口140位于发现最冷空气的位置。对于大多数导叶几何形状而言，最冷空气位于导叶62的压力侧122上，并且位于导叶62的中间翼展区域处。发送的空气遵循通路146，并且沉积在空间130中。通路146在导叶62的前缘134上开始，并且穿过冷却空气回路138到密封腔空间130中。冷却空气回路138在燃气涡轮发动机10的最下游压缩机级54中设在导叶62中的至少一些中。
至冷却空气回路138的出口144在图4中最佳地看见，图4为从图2截取的导叶62的下部分的放大示意性截面图。虽然示出仅一个出口144，但可存在用于各个叶片柱112的多个出口。出口144定位成使得从出口放出的空气流动到空间130中并且可冲击柱112。
应当注意的是，虽然描述仅一个叶片柱112和一个导叶62，但该描述应用于所有叶片柱112和导叶62，它们围绕发动机中心线16沿周向间隔。还应当注意的是，虽然叶片柱112和导叶62描述用于压缩机，但该冷却空气回路138在发动机10的其它领域中具有类似的适用性。
在操作中，如图2中所示，当下游压缩机的较高压力空气向上游穿过周向密封件128时，回流空气132可产生在相邻压缩机级之间。本质上，在温度上高于上游级的下游级中的较高压力空气由压差朝向上游级吸入。来自下游级的附加热加热了叶片柱112。在正确的条件下，叶片柱可加热至其中其超过蠕变温度的点，并且叶片柱沿径向蠕变。如果蠕变足够较大，则叶片58可摩擦壳体。
来自冷却空气回路138的冷却空气由常规流提供，该常规流沿着通路146穿过压缩机级至空间130以冷却叶片柱112。供应穿过通路146的冷却空气使空间130的空气温度下降到叶片柱112的蠕变温度以下。与没有冷却的空气温度相比，冷却空气回路138通过将压缩机空气发送穿过冷却空气回路138来将密封件128与叶片柱112之间的空间130的空气温度降低至少50华氏度。
图5示出了实施以上描述的设备用于冷却燃气涡轮发动机的多级压缩机的方法300。方法300包括将可遵循图2的通路146的压缩机空气发送302穿过压缩机级52,54中的一个的导叶62中的入口140，其中发送的压缩机空气在导叶62的压力侧122上从导叶62的中间翼展区域抽吸。该方法还包括使发送的压缩机空气穿过304导叶62，以及最终将发送的压缩机空气放出306到压缩机24,26的上游级308和下游级310中的至少一个的导叶62与叶片58之间的空间130中。该方法300将密封件128与相邻级的叶片柱112之间的空间130中的操作空气温度降低至叶片柱112的蠕变温度以下。该方法与没有冷却相比将空气温度降低至少50华氏度。
该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何并入的方法)。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1. 一种用于燃气涡轮发动机(10)的压缩机(24,26)，其包括：
外壳体(46)，其具有布置在轴向间隔的成组导叶(60,62)中的周向间隔的导叶(60,62)；以及
转子(51)，其位于所述外壳体(46)内，并且具有布置在轴向间隔的成组叶片(56,58)中的周向间隔的叶片(56,58)，所述轴向间隔的成组叶片(56,58)处于与所述成组导叶(60,62)交替的轴向布置，以限定轴向布置的成对导叶(60,62)和叶片(56,58)，其中每对形成压缩机级(52,54)；
所述压缩机级(52,54)具有在所述转子(51)与所述导叶(60,62)之间延伸的周向密封件(128)，以流体地密封轴向相邻的压缩机(24,26)级；以及
冷却空气回路(138)，其穿过所述导叶(60,62)，并且具有在所述导叶(60,62)上的入口(140)以及在用于所述导叶(60,62)的对应密封件(128)上游在所述转子(51)处的出口(144)。
2.根据权利要求1所述的压缩机(24,26)，其特征在于，所述入口(140)位于所述导叶(60,62)的中间翼展区域中，并且沿所述流动方向为长形的。
3.根据权利要求2所述的压缩机(24,26)，其特征在于，所述入口(140)位于所述导叶(60,62)的压力侧(122)上，并且包括凹穴。
4.根据权利要求1所述的压缩机(24,26)，其特征在于，所述入口(140)沿着所述翼展定位，其中最冷空气在所述导叶(60,62)之上流动。
5.根据权利要求1所述的压缩机(24,26)，其特征在于，所述冷却空气回路(138)在最下游压缩机(24,26)级中设在所述导叶(60,62)中的至少一些中。
6.根据权利要求1所述的压缩机(24,26)，所述压缩机(24,26)还包括内环(100)，其位于所述壳体(46)内并且在所述导叶(60,62)的根部(106)处支承压缩机(24,26)级的所述导叶(60,62)，并且所述内环(100)限定形成所述冷却空气回路(138)的部分的周向通道(142)。
7.根据权利要求6所述的压缩机(24,26)，其特征在于，所述冷却空气回路(138)的所述出口(144)形成在所述环(100)中。
8.根据权利要求7所述的压缩机(24,26)，其特征在于，所述密封件(128)包括安装于所述环(100)的蜂窝元件(124)，以及从所述转子(51)延伸并且邻接所述蜂窝元件(124)的指部(126)。
9.根据权利要求1所述的压缩机(24,26)，其特征在于，所述转子(51)包括柱(112)，并且所述冷却空气回路(138)出口(144)将所述冷却空气朝向所述柱(112)放出在所述导叶(60,62)上游。
10.根据权利要求9所述的压缩机(24,26)，其特征在于，一个压缩机(24,26)级的所述柱(112)与用于所述下游压缩机(24,26)级的密封件(128)之间的空间(130)限定密封(128)腔，并且所述冷却空气回路(138)出口(144)将冷却空气放出到所述密封腔(130)中。
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