CN106939836B - 用于燃气涡轮发动机的风阻罩系统 - Google Patents

用于燃气涡轮发动机的风阻罩系统 Download PDF

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Abstract

提供了一种风阻罩系统(224)。系统包括具有入口端部(230)和出口端部(232)的环形腔。环形腔构造成将冷却流体流从入口端部(230)引导至出口端部(232)。系统还包括与环形腔流动连通联接的冷却流体流源。环形腔由静止构件(233)和旋转构件界定，并且旋转构件由风阻效果将热引入到环形腔中。系统还包括与出口端部(232)流动连通联接的冷却通道(234)，以及在环形腔内从出口端部(232)朝入口端部(230)延伸的第一风阻罩(236)。

Description

用于燃气涡轮发动机的风阻罩系统
技术领域
本公开的领域大体上涉及涡扇发动机，并且更具体地涉及降低涡轮组件的转子腔中的空气的温度的系统及方法。
背景技术
至少一些已知的燃气涡轮发动机如涡扇发动机包括风扇、芯部发动机和动力涡轮。芯部发动机包括以串流关系联接在一起的至少一个压缩机、燃烧器和高压涡轮。更具体而言，压缩机和高压涡轮通过第一传动轴联接以形成高压转子组件。进入芯部发动机的空气与燃料混合并且点燃以形成高能气体流。高能气体流流过高压涡轮以可旋转地驱动高压涡轮，使得轴可旋转地驱动压缩机。气体流在其流过定位在高压涡轮后方的动力或低压涡轮时膨胀。低压涡轮包括具有联接于第二传动轴的风扇的转子组件。低压涡轮通过第二传动轴可旋转地驱动风扇。
在至少一些已知的涡扇中，从压缩机排放的空气的一部分朝高压涡轮的转子腔导送，并且空气在其下游使用用于冷却目的。在操作期间，许多现代商用涡扇在涡扇的旋转部件的表面与包绕旋转部件的空气之间生成热和噪音。更具体而言，由涡扇的旋转部件生成的热升高导送穿过转子腔的压缩机排放空气的温度。就此而言，压缩机排放空气的冷却效率降低。
发明内容
在一方面，提供了一种风阻罩系统。系统包括具有入口端部和出口端部的环形腔。环形腔构造成将冷却流体流从入口端部引导至出口端部。系统还包括与环形腔流动连通联接的冷却流体流源。环形腔由静止构件和旋转构件界定，并且旋转构件由风阻效果将热引入到环形腔中。系统还包括与出口端部流动连通联接的冷却通道，以及在环形腔内从出口端部朝入口端部延伸的第一风阻罩。第一风阻罩将环形腔分成至少两个流动路径，如，限定在旋转构件与第一风阻罩之间的第一流动路径，以及限定在静止构件与第一风阻罩之间的第二流动路径。冷却通道与第二流动路径流动连通联接，使得第二流动路径的温度由于风阻效果而低于第一流动路径的温度。
在另一方面，提供了一种风阻罩系统。系统包括构造成将冷却流体流导送穿过其的冷却通道，其中冷却通道由第一静止构件和第二静止构件至少部分地界定。系统还包括定位在冷却通道内的环形腔。环形腔由第二静止构件和旋转构件界定，并且旋转构件由风阻效果将热引入到环形腔中。系统还包括风阻罩，其在第二静止构件与旋转构件之间延伸，使得由旋转构件生成的热通过风阻罩约束而免于朝第二静止构件传递。
在又一方面，提供了一种风阻罩系统。系统包括构造成将冷却流体流导送穿过其的冷却通道，其中冷却通道由第一静止构件和第二静止构件至少部分地界定。系统还包括定位在冷却通道内的环形腔。环形腔由一对静止构件和旋转构件限定，并且旋转构件由风阻效果将热引入到环形腔中。系统还包括风阻罩，其在一对静止构件之间延伸，使得由旋转构件生成的热通过风阻罩约束而免于朝环形腔传递。
附图说明
当参照附图阅读下列详细描述时，将更好地理解本公开的这些和其它的特征、方面和优点，其中，同样的标记在所有附图中表示同样的部件，其中：
图1为示例性涡扇发动机的截面示意图；
图2为可与图1中所示的涡扇发动机一起使用的示例性燃烧器组件的截面图；
图3为可与图2中所示的燃烧器组件一起使用的示例性风阻罩的截面透视图；
图4为具有备选的增强特征的可与图2中所示的燃烧器组件一起使用的风阻罩的截面透视图；
图5为具有备选的风阻罩的示例性燃烧器组件的截面图；以及
图6为沿区域6截取的图2中所示的燃烧器组件的一部分的截面图。
除非另外指示，否则本文中提供的附图意在示出本公开的实施例的特征。这些特征认为是可适用于包括本公开的一个或更多个实施例的多种系统中。就此而言，附图不意在包括本文中公开的实施例的实施所需的、本领域技术人员已知的所有常规特征。
部件列表
100 涡扇发动机
102 风扇组件
104 增压压缩机
106 高压压缩机
108 燃烧器组件
112 低压涡轮
114 风扇叶片
116 转子盘
118 第一传动轴
120 第二传动轴
122 进气口
124 排气口
126 中心线
128 齿轮箱
200 燃烧器衬套
202 燃烧器外壳
202 燃烧器内壳
204 燃烧器内壳
206 中心线
208 燃烧室
210 径向外通路
212 径向内通路
214 圆顶组件
216 燃料喷嘴
218 预混器
220 第一流
222 出口喷嘴
224 风阻罩系统
226 第二流
228 第一环形腔
230 入口端部
232 出口端部
233 内喷嘴支承件
234 冷却通道
236 第一风阻罩
238 第一流动路径
240 第二流动路径
242 前缘
244 弯曲唇部
246 凹槽或凸脊
248 第一风阻罩
250 第二环形腔
252 外密封静止构件
254 第一部分
256 转子轮
258 第三环形腔
260 内喷嘴静止构件
262 第二部分
264 轮空间
266 涡轮转子组件
268 第二风阻罩
270 第一部分
272 第二部分
274 弯曲部分
276 自由端部
278 弯曲唇部
280 第三风阻罩。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求中，将参照一定数量的用语，其将限定为具有以下意义。
单数形式"一"、"一个"和"该"包括复数参照，除非上下文清楚地另外指出。
"可选"或"可选地"意思是随后描述的事件或情形可或可不发生，并且描述包括其中事件发生的情况，以及其中其不发生的情况。
如本文中遍及说明书和权利要求使用的近似语言可应用于修饰可在不导致其涉及的基本功能的变化的情况下可容许地改变的任何数量表达。因此，由用语或多个用语如"大约"、"近似"和"大致"修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况中，近似语言可对应于用于测量值的器具的精度。此处和遍及说明书和权利要求，范围限制可组合和/或互换，此类范围被识别并且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另外指示。
本公开的实施例涉及涡轮发动机如涡扇及其制造方法。更具体而言，本文中所述的涡轮发动机包括例如定位在涡轮发动机的高压涡轮的转子腔内的策略性位置处的一个或更多个风阻罩。例如，一个或更多个风阻罩沿导送穿过转子腔的冷却流体的流动路径定位。风阻罩关于转子腔内的旋转构件定位，以约束由旋转构件生成的热免于传递至冷却流体。就此而言，导送穿过转子腔的冷却流体的至少一部分的温度降低，由此在用于冷却其下游的构件时提高其冷却效率。
图1为示例性涡扇发动机100的示意图，示例性涡扇发动机100包括风扇组件102、低压或增压压缩机104、高压压缩机106以及燃烧器组件108。风扇组件102、增压压缩机104、高压压缩机106以及燃烧器组件108流动连通联接。涡扇发动机100还包括与燃烧器组件108和低压涡轮112流动连通联接的高压涡轮110。风扇组件102包括从转子盘116沿径向向外延伸的风扇叶片114的阵列。低压涡轮112经由第一传动轴118联接于风扇组件102和增压压缩机104，而高压涡轮110经由第二传动轴120联接于高压压缩机106。涡扇发动机100具有进气口122和排气口124。涡扇发动机100还包括中心线126，风扇组件102、增压压缩机104、高压压缩机106以及涡轮组件110和112绕着其旋转。此外，减速齿轮箱128沿第一传动轴118联接在风扇组件102与低压涡轮112之间。
在操作中，通过进气口122进入涡扇发动机100的空气朝增压压缩机104导送穿过风扇组件102。压缩空气从增压压缩机104朝高压压缩机106排放。高度压缩的空气从高压压缩机106朝燃烧器组件108导送，与燃料混合，并且混合物在燃烧器组件108内燃烧。由燃烧器组件108生成的高温燃烧气体朝涡轮组件110和112导送。低压涡轮112在第一转速下旋转，并且齿轮箱128操作成使得风扇组件102在低于第一转速的第二转速下操作。燃烧气体随后从涡轮发动机组件100经由排气口124排放。
图2为可与涡扇发动机100(图1中所示)一起使用的燃烧器组件108的截面图。在示例性实施例中，燃烧器组件108包括定位在燃烧器外壳202与燃烧器内壳204之间的燃烧器衬套200。燃烧器衬套200绕着燃烧器组件108的中心线206沿周向延伸，使得燃烧室208限定在其中。此外，燃烧器外壳202和燃烧器内壳204绕着中心线206沿周向延伸，使得径向外通路210和径向内通路212限定在燃烧器衬套200与壳202和204之间。环形圆顶组件214在燃烧器衬套200之间延伸并且联接于其，并且燃料喷嘴216延伸穿过燃烧器外壳202来联接于圆顶组件214。预混器218接收来自燃料喷嘴216的燃料，并且接收从高压压缩机106(图1中所示)导送的第一压缩空气流220。燃料和空气由预混器218成漩涡并且混合在一起，并且所得的燃料-空气混合物排放到燃烧室208中。在朝高压涡轮110(图1中所示)导送之前，燃料-空气混合物燃烧并且导送经过出口喷嘴222。
此外，涡扇发动机100包括风阻罩系统224，用于降低从高压压缩机106(即，冷却流体源)导送的第二压缩空气流226的至少一部分的温度。更具体而言，风阻罩系统224包括具有入口端部230和出口端部232的第一环形腔228。第一环形腔228与冷却流体源流动连通联接，并且将冷却流体流(即，第二压缩空气流226)从入口端部230引导至出口端部232。此外，第一环形腔228由静止构件和由风阻效果将热引入到第一环形腔228中的旋转构件至少部分地界定。在示例性实施例中，静止构件为从第一环形腔228沿径向向外定位的前内喷嘴支承件233，并且旋转构件为从第一环形腔228沿径向向内定位的第二传动轴120。风阻罩系统224还包括与第一环形腔228的出口端部232流动连通联接的冷却通道234。
在示例性实施例中，第一风阻罩236在第一环形腔228内从出口端部232朝入口端部230延伸。就此而言，第一风阻罩236将第一环形腔228分成至少两个流动路径，如，限定在旋转构件与第一风阻罩236之间的第一流动路径238，以及限定在静止构件与第一风阻罩236之间的第二流动路径240。就此而言，第二压缩空气流226在第一流动路径238与第二流动路径240之间分开。冷却通道234与第二流动路径240流动连通联接，使得导送穿过第二流动路径240的冷却流体(即，压缩空气)由于风阻效果而产生的温度低于导送穿过第一流动路径238的冷却流体由于风阻效果而产生的温度。更具体而言，第一风阻罩236定位成约束由旋转构件生成的热免于升高导送穿过第二流动路径240的冷却流体的温度。
图3为可与燃烧器组件108(图2中所示)一起使用的第一风阻罩236的截面透视图。在示例性实施例中，第一风阻罩236为大体上圆筒形的。就此而言，当定位在第一环形腔228(图2中所示)内时，第一风阻罩236在第一环形腔228内外接旋转构件的至少一部分，以便于约束由旋转构件生成的热免于升高冷却流体的温度。在备选实施例中，第一风阻罩236包括绕着中心线126沿周向间隔的多个风阻罩节段。
第一风阻罩236还可包括围绕第一风阻罩236的前缘242沿周向延伸的增强特征。增强特征便于减小由由此流过的冷却流体引起的第一风阻罩236中的振荡。第一风阻罩236可包括使得风阻罩系统224(图2中所示)能够如本文中所述地起作用的任何增强特征。例如，在示例性实施例中，第一风阻罩236包括前缘242处的弯曲唇部244。在下面描述了备选的增强特征。
图4为包括备选增强特征的第一风阻罩236的截面透视图。在示例性实施例中，第一风阻罩236包括沿轴向延伸的波状增强特征，其具有围绕第一风阻罩236沿周向间隔的交替的凹槽或凸脊246。任何数量的凹槽或凸脊246可限定在第一风阻罩236中，这便于减小第一风阻罩236中的振荡。
图5为具有备选第一风阻罩248的燃烧器组件108的截面图。在示例性实施例中，第一风阻罩248具有弓形截面，其使第一流动路径238和第二流动路径240中的至少一个成形。更具体而言，第一风阻罩248的至少一部分朝第二传动轴120弯曲，使得第一风阻罩248的弓形部分大致匹配第二传动轴120的轮廓。就此而言，第二流动路径240的容积在相比于由第一风阻罩236(图2中所示)限定的第二流动路径240时增大，并且由此使得其中的冷却流体的温度能够保持比第一风阻罩236更冷。通过保持第一风阻罩236与第二传动轴120之间的恒定流动区域，冷却流的轴向速度保持大致恒定，由此减少其中风阻温度升高可发生的第二流动路径240内的冷却流体的驻留时间。
图6为沿区域6截取的燃烧器组件108(图2中所示)的一部分的截面图。在示例性实施例中，燃烧器组件108包括定位在冷却通道234内的第二环形腔250和第三环形腔258。第二环形腔250由第二静止构件和第二旋转构件界定。例如，第二静止构件实施为前外密封静止构件252，而第二旋转构件实施为联接于第二传动轴120(图2中所示)的转子轮256的第一部分254。第三环形腔258由一对静止构件和第三旋转构件界定。例如，一对静止构件实施为后内喷嘴静止构件260，而第三旋转构件实施为转子轮256的第二部分262。第三环形腔258定位在涡轮转子组件266的轮空间264内，并且第三环形腔258定位在导送穿过冷却通道234的冷却流体流的直接流动路径外。
类似于第二传动轴120，转子轮256由风阻效果将热引入到第二环形腔250和第三环形腔258中。在示例性实施例中，风阻罩系统224包括第二风阻罩268，其在第二静止构件与第二旋转构件之间延伸，使得由转子轮256的第一部分254生成的热通过第二风阻罩268约束而免于朝第二静止构件传递。第二静止构件至少部分地限定冷却通道234。就此而言，第二风阻罩268吸收由第二旋转构件生成的热，并且减小第二环形腔250内的风阻容积(volume)，使得从第二静止构件传递至导送穿过冷却通道234的冷却流体的热的量减少。
在示例性实施例中，第二风阻罩268在第二静止构件的第一部分270与第二部分272之间大致沿径向延伸。更具体而言，第二风阻罩268定位在第二旋转构件与第二静止构件的弯曲部分274之间。弯曲部分274在第二静止构件的第一部分270和第二部分272之间延伸。
第二风阻罩268还包括定位在第二风阻罩268的自由端部276处的增强特征。增强特征便于减小由由此流动的流体引起的第二风阻罩268中的振荡。第二风阻罩268可包括使得风阻罩系统224能够如本文中所述地起作用的任何增强特征。例如，在示例性实施例中，第二风阻罩268包括自由端部276处的弯曲唇部278。
在一些实施例中，风阻罩系统224还包括在界定第三环形腔258的一对静止构件之间延伸的第三风阻罩280。就此而言，由转子轮256的第二部分262生成的热通过第三风阻罩280约束而免于朝第三环向腔258传递。第三风阻罩280与一对静止构件中的至少一个静止构件集成地形成，并且在一对静止构件之间大致沿径向延伸。就此而言，第三风阻罩280便于约束导送穿过冷却通道234的冷却流体免于另外开放的腔中的风阻温度升高。
本文中所述的方法、系统和设备的示例性技术效果包括以下中的至少一种：(a)降低导送穿过转子腔的冷却流体的温度，以及(b)提高导送穿过转子腔的冷却流体的冷却效率。
风阻罩的示例性实施例在上面详细描述。风阻罩不限于本文中所述的特定实施例，而是相反，系统的构件和/或方法的步骤可独立于本文中所述的其它构件和/或步骤且与它们分开使用。例如，风阻罩还可与将受益于由于风阻效果而限制传递至冷却流体的热的其它系统组合使用，并且不限于仅利用如本文中所述的系统和方法实践。相反，示例性实施例可结合许多其它机械应用实施和使用。
尽管本公开的各种实施例的特定特征可在一些图中示出并且在其它图中未示出，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，附图的任何特征可与任何其它附图的任何特征组合来参照和/或要求权利。
该书面的描述使用实例以公开实施例(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践实施例(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 (9)

1.一种用于燃气涡轮发动机的风阻罩系统，包括：
环形腔，其具有入口端部和出口端部，所述环形腔构造成将冷却流体流从所述入口端部引导至所述出口端部；
冷却流体流源，其与所述环形腔流动连通联接，所述环形腔由静止构件和旋转构件界定，所述旋转构件由风阻效果将热引入到所述环形腔中；
冷却通道，其与所述出口端部流动连通联接；
第一风阻罩，其在所述环形腔内从所述出口端部朝所述入口端部延伸，所述第一风阻罩将所述环形腔分成至少两个流动路径，限定在所述旋转构件与所述第一风阻罩之间的第一流动路径，限定在所述静止构件与所述第一风阻罩之间的第二流动路径，所述冷却通道与所述第二流动路径流动连通，使得所述第二流动路径的温度由于风阻效果而低于所述第一流动路径的温度；
定位在所述冷却通道内的第二环形腔，所述第二环形腔由第二静止构件和第二旋转构件界定，所述第二旋转构件由风阻效果将热引入到所述第二环形腔中；以及
第二风阻罩，其在所述第二静止构件与所述第二旋转构件之间延伸，使得由所述第二旋转构件生成的热通过所述第二风阻罩约束而免于朝所述第二静止构件传递。
2.根据权利要求1所述的风阻罩系统，其特征在于，所述静止构件在所述环形腔的径向外侧。
3.根据权利要求1所述的风阻罩系统，其特征在于，所述旋转构件在所述环形腔的径向内侧。
4.根据权利要求1所述的风阻罩系统，其特征在于，所述第一风阻罩为圆筒形的。
5.根据权利要求1所述的风阻罩系统，其特征在于，所述第一风阻罩外接燃气涡轮发动机转子的至少一部分。
6.根据权利要求1所述的风阻罩系统，其特征在于，所述第一风阻罩包括围绕所述第一风阻罩的前缘沿周向延伸的增强特征。
7.根据权利要求1所述的风阻罩系统，其特征在于，所述第一风阻罩包括沿轴向延伸的波状增强特征，其具有围绕所述第一风阻罩沿周向间隔的交替的凹槽和凸脊。
8.根据权利要求1所述的风阻罩系统，其特征在于，所述第一风阻罩包括构造成使所述第一流动路径和所述第二流动路径中的至少一个成形的弓形截面。
9.根据权利要求1所述的风阻罩系统，其特征在于，所述风阻罩系统还包括：
定位在所述冷却通道内的第三环形腔，所述第三环形腔由一对静止构件和第三旋转构件界定，所述第三旋转构件由风阻效果将热引入到所述第三环形腔中；以及
第三风阻罩，其在所述一对静止构件之间延伸，使得由所述第三旋转构件生成的热通过所述第三风阻罩约束而免于所述第三环形腔中风阻温度的升高。
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