CN106948885B - 在燃气涡轮发动机内部中用于燃烧区段上游的流控制表面 - Google Patents

在燃气涡轮发动机内部中用于燃烧区段上游的流控制表面 Download PDF

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Abstract

本发明涉及燃气涡轮发动机(10)，它包括壳(46)，壳具有压缩机区段(22)、燃烧区段(28)和涡轮区段(32)，它们沿轴向在流向上围绕发动机的旋转轴线(12)而布置。发动机包括转子(51)，转子位于壳(46)内，并且可围绕旋转轴线旋转，转子包括多组沿周向布置的叶片，至少一组对应于压缩机区段，并且另一组对应于涡轮区段。发动机还包括成组的导叶，它们围绕旋转轴线沿周向布置，并且定位在燃烧区段的上游，导叶具有压力侧和吸力侧。发动机进一步包括冷却管道，冷却管道从燃烧区段的上游延伸到燃烧区段的下游，入口位于至少一个导叶的吸力侧上，这允许冷却空气(94)进入入口且被引导通过冷却管道，以实现冷却。

Description

在燃气涡轮发动机内部中用于燃烧区段上游的流控制表面
技术领域
本发明涉及具有带冷却管道的流控制表面的燃气涡轮发动机。
背景技术
涡轮发动机而且特别地燃气或燃烧涡轮发动机是旋转发动机，其从传送通过发动机到达多个涡轮叶片上的燃烧气体流中抽取能量。在压缩机级中，叶片由从转子突出的柱支承，同时导叶安装到定子结构上。已经在陆地和航海移动和功率生产中使用了燃气涡轮发动机，但最惯常的是用于航空应用，诸如航空器，包括直升机。在航空器中，燃气涡轮发动机用来推进航空器。在陆地应用中，涡轮发动机常常用来产生功率。
航空器的燃气涡轮发动机设计成在高温下工作，以最大程度地提高发动机效率，所以冷却某些发动机构件(诸如高压涡轮和低压涡轮)可能是必要的。典型地，通过将来自高压压缩机和/或低压压缩机的较冷的空气输送到需要冷却的发动机构件来实现冷却。高压涡轮中的温度大约为1000℃至2000℃，而来自压缩机的冷却空气则大约为500℃至700℃。虽然压缩机空气处于高温，但它比涡轮空气更冷，而且可用来冷却涡轮。当冷却涡轮时，冷却空气可供应到各种涡轮构件，包括涡轮叶片的内部和涡轮护罩。
冷却空气中诸如污垢、灰尘、砂子、火山灰和其它环境污染物的颗粒可导致冷却有损耗，并且减少航空器的工作时间或“飞行时间”。这个问题在涡轮发动机暴露于大量由空气携带的颗粒的全世界的某些工作环境中会恶化。通过冷却回路供应给涡轮构件的颗粒可堵塞、阻碍或覆盖流道和构件的表面，这可缩短构件的寿命。涡轮护罩在后侧冷却表面上可具有颗粒积聚，从而导致部件寿命缩短。在一些情况下，护罩的整个冷却表面变得被颗粒覆盖，这对膜孔堵塞有额外的不利影响。
发明内容
一方面，本发明的实施例涉及燃气涡轮发动机，其包括壳，壳具有压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段，它们沿轴向在流向上围绕发动机的旋转轴线而布置。发动机包括转子，转子位于壳内，并且可围绕旋转轴线旋转，转子包括多组沿周向布置的叶片，至少一组对应于压缩机区段，并且另一组对应于涡轮区段。发动机还包括成组的导叶，它们围绕旋转轴线沿周向布置，并且定位在燃烧区段的上游，导叶具有压力侧和吸力侧。发动机进一步包括从燃烧区段的上游延伸到燃烧区段的下游的冷却管道，入口位于至少一个导叶的吸力侧上。
另一方面，本发明的实施例涉及用于燃气涡轮发动机的内部中使用的流控制表面，其中流控制表面包括翼型件，翼型件具有吸力侧和压力侧，它们在前缘和后缘之间沿弦向延伸，以及在根部和末梢之间沿跨度延伸。发动机进一步包括延伸通过翼型件的冷却管道，以及通风口(scoop)，通风口形成于吸力侧中，并且限定流通地联接到冷却管道上的入口。
技术方案1. 一种燃气涡轮发动机包括：
壳，其具有压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段，它们沿轴向在流向上围绕所述发动机的旋转轴线而布置；
转子，其位于所述壳内，并且可围绕所述旋转轴线旋转，并且具有多组沿周向布置的叶片，至少一组对应于所述压缩机区段，并且另一组对应于所述涡轮区段；
成组的导叶，其围绕所述旋转轴线沿周向布置，并且定位在所述燃烧区段的上游，所述导叶具有压力侧和吸力侧；以及
从所述燃烧区段的上游延伸到所述燃烧区段的下游的冷却管道，入口位于所述导叶中的至少一个的吸力侧上。
技术方案2. 根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述入口位于所述吸力侧上，其中，在运行期间存在减少颗粒流。
技术方案3. 根据技术方案2所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述减少颗粒流具有在其余流中发现的颗粒的不到25%。
技术方案4. 根据技术方案3所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述入口位于所述吸力侧上，其中所述导叶具有大于5度的转弯部。
技术方案5. 根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述入口沿径向位于所述吸力侧上，在运行期间存在在所述导叶上流动的空气的低温区域的位置处。
技术方案6. 根据技术方案5所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述入口位于所述导叶的中跨处。
技术方案7. 根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，导叶包括通风口，所述通风口具有限定所述入口的口部。
技术方案8. 根据技术方案7所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述口部的高度是径向跨度的10%-80%。
技术方案9. 根据技术方案8所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述口部的宽度是径向跨度的5%-50%。
技术方案10. 根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述导叶是在所述燃烧区段下游的出口导叶。
技术方案11. 根据技术方案10所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，冷却管道出口位于所述涡轮区段中。
技术方案12. 根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述燃气涡轮发动机进一步包括多个冷却管道，所述多个冷却管道具有对应的入口和出口。
技术方案13. 根据技术方案12所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述入口位于不同的导叶上。
技术方案14. 根据技术方案12所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述入口位于所有导叶上。
技术方案15. 根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述冷却管道延伸到所述涡轮转子。
技术方案16. 根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述冷却管道包括在所述入口下游的转弯部。
技术方案17. 根据技术方案16所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述转弯部在形状上设置成限制通过所述转弯部的压力损失。
技术方案18. 根据技术方案17所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述管道包括在所述转弯部下游的减小的横截区域，以使空气加速流过所述管道。
技术方案19. 根据技术方案18所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述减小的横截区域包括不断减小的横截区域。
技术方案20. 一种用于在燃气涡轮发动机的内部中使用的流控制表面，所述流控制表面包括：
翼型件，其具有吸力侧和压力侧，它们在前缘和后缘之间沿弦向延伸，以及在根部和末梢之间沿跨度延伸；
延伸通过所述翼型件的冷却管道；以及
通风口，其形成于所述吸力侧中，并且限定流通地联接到所述冷却管道上的入口。
技术方案21. 根据技术方案20所述的流控制表面，其特征在于，所述冷却管道在所述根部或所述末梢中的一个处离开所述翼型件。
技术方案22. 根据技术方案20所述的流控制表面，其特征在于，所述翼型件包括叶片或导叶中的一个。
技术方案23. 根据技术方案20所述的流控制表面，其特征在于，所述通风口位于所述吸力侧上，其中在运行期间存在减少颗粒流。
技术方案24. 根据技术方案23所述的流控制表面，其特征在于，所述减少颗粒流具有在其余流中发现的颗粒的不到25%。
技术方案25. 根据技术方案24所述的流控制表面，其特征在于，所述通风口位于所述吸力侧上，其中所述导叶具有大于5度的转弯部。
技术方案26. 根据技术方案20所述的流控制表面，其特征在于，所述通风口位于所述吸力侧上，在运行期间存在在所述导叶上流动的空气的低温区域的位置处。
技术方案27. 根据技术方案20所述的流控制表面，其特征在于，所述通风口位于所述导叶的中跨处。
技术方案28. 根据技术方案20所述的流控制表面，其特征在于，所述翼型件包括通风口，所述通风口具有限定所述通风口的口部。
技术方案29. 根据技术方案28所述的流控制表面，其特征在于，所述口部的高度是径向跨度的10%-80%。
技术方案30. 根据技术方案29所述的流控制表面，其特征在于，所述口部的宽度是径向跨度的5%-50%。
附图说明
在图中：
图1是用于航空器的燃气涡轮发动机的示意性横截面图，燃气涡轮发动机具有成轴向流布置的压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段。
图2是来自图1的燃气涡轮发动机的放大示意性局部横截面图，并且示出了从压缩机区段的出口导叶延伸到涡轮区段的冷却管道。
图3是出口导叶的吸力侧的示意图，出口导叶具有由吸力侧上的通风口供应的内部冷却管道。
图4是图3的出口导叶的透视图。
图5是图3的出口导叶的横截面图。
部件列表
10发动机
12中心线
14前部
16后部
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
42风扇叶片
44核心
46核心壳
48高压轴/轴杆
50低压轴/轴杆
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
63出口导叶
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
80a内衬套
80b外衬套
88燃料源
90燃料
92供应管线
94压缩空气
94a减少颗粒流
94b其余流
96燃料空气混合器
97点火器
102根部
104末梢
106前缘
108后缘
110吸力侧
112压力侧
116中跨部分
118入口
120冷却管道
122流径
126出口
128转弯部
130横截区域
132不断减少的横截区域
134通风口
136口部
138腔室
140转弯部。
具体实施方式
本发明的描述的实施例涉及涡轮叶片，并且更特别地涉及冷却涡轮叶片。为了说明，将关于航空器燃气涡轮发动机的涡轮叶片来描述本发明。但将理解的是，本发明不受此限制，而是可一般地适用于非航空器应用，诸如其它移动应用和非移动的工业、商业和住宅应用。它还可适用于涡轮发动机中的除了叶片之外的翼型件，诸如固定导叶。
图1是航空器的燃气涡轮发动机10的示意性横截面图。发动机10具有大体沿纵向延伸的轴线或从前部14延伸到后部16的中心线12。发动机10包括成下游流关系的：风扇区段18，其包括风扇20；以及压缩机区段22，其包括增压器或低压(LP)压缩机24和高压(HP)压缩机26；燃烧区段28，其包括燃烧器30；涡轮区段32，其包括HP涡轮34和LP涡轮36；以及排气区段38。
风扇区段18包括包围风扇20的风扇壳40。风扇20包括沿径向围绕中心线12设置的多个风扇叶片42。HP压缩机26、燃烧器30和HP涡轮34形成发动机10的核心44，它产生燃烧气体。核心44被核心壳46包围，核心壳46可与风扇壳40联接。
围绕发动机10的中心线12同轴地设置的HP轴或轴杆48传动地将HP涡轮34连接到HP压缩机26上。LP轴或轴杆50围绕发动机10的中心线12同轴地设置在较大直径的环形HP轴杆48内，LP轴或轴杆50传动地将LP涡轮36连接到LP压缩机24和风扇20上。发动机10的安装到轴杆48,50中的任一个或它们两者上且随其旋转的部分也单独或共同称为转子51。
LP压缩机24和HP压缩机26分别包括多个压缩机级52,54，其中成组的压缩机叶片56,58相对于对应的成组的静态压缩机导叶60,62(也称为喷嘴)旋转，以压缩或加压传送通过级的流体流。在单个压缩机级52,54中，多个压缩机叶片56,58可设置成环，并且可相对于中心线12，沿径向向外从叶片平台延伸到叶片末梢，而对应的静态压缩机导叶60,62则定位在旋转叶片56,58的下游及其附近。注意，选择图1中显示的叶片、导叶和压缩机级的数量仅仅是为了说明目的，而且其它数量是可行的。压缩机级的叶片56,58可安装到盘53上，盘53安装到HP轴杆48和LP轴杆50中对应的一个上，各个级具有其本身的盘。导叶60,62以围绕转子51的周向布置安装到核心壳46上。
HP涡轮34和LP涡轮36分别包括多个涡轮级64,66，其中成组的涡轮叶片68,70相对于对应的成组的静态涡轮导叶72,74(也称为喷嘴)旋转，以从传送通过级的流体流中抽取能量。在单个涡轮级64,66中，多个涡轮叶片68,70可设置成环，并且可相对于中心线12沿径向向外从叶片平台延伸到叶片末梢，而对应的静态涡轮导叶72,74则定位在旋转叶片68,70的上游及其附近。注意，选择图1中显示的叶片、导叶和涡轮级的数量仅仅是为了说明目的，而且其它数量是可行的。
在运行中，旋转风扇20将周围空气供应给LP压缩机24，然后LP压缩机24将加压的周围空气供应给HP压缩机26，HP压缩机26进一步对周围空气加压。来自HP压缩机26的加压空气在燃烧器30中与燃料混合且点燃，从而产生燃烧气体。HP涡轮34从这些气体中抽取一些功，HP涡轮34驱动HP压缩机26。燃烧气体排到LP涡轮36中，LP涡轮36抽取额外的功来驱动LP压缩机24，并且排气最终通过排气区段38从发动机10中排出。驱动LP涡轮36会驱动LP轴杆50使风扇20和LP压缩机24旋转。
由风扇20供应的一些周围空气可绕过发动机核心44，并且用于冷却发动机10的一部分，尤其是热的部分，而且/或者用来冷却航空器的其它方面或对其提供功率。在涡轮发动机的语境中，发动机的热的部分通常在燃烧器30的下游，尤其是涡轮区段32，HP涡轮34是最热部分，因为它在燃烧区段28的直接下游。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中排出的流体。
图2是燃气涡轮发动机10的示例性实现的侧面截面图，其从压缩机区段22的端部横跨到涡轮区段32的起点，并且图2显示所有燃烧区段28，尤其是来自图1的燃烧器30。燃烧器30包括燃烧内衬套80a和外衬套80b，其限定燃烧室86，燃烧室86与HP压缩机26和HP涡轮34处于流体连通。燃料源88通过供应管线92将燃料90供应给燃料空气混合器96。位于燃烧器外衬套80b中的点火器97点燃燃料空气混合物，并且燃烧过程开始。一旦燃烧过程开始就不再需要任何点火了。供应管线92构造成将燃料90排到腔室86中，使得燃料90与来自HP压缩机26的压缩空气94混合。在燃烧器30内位于压缩机区段22的下游的燃料空气混合器96构造成以稳定地供应压缩空气94和燃料90的方式继续燃烧过程。在腔室86中，当压缩冷却空气94与燃料90混合且持续地供应到燃烧室时，能量释放。来自燃烧器30的产生的热气体流然后被引导到涡轮叶片68,70上面，从而工作流体流使得涡轮叶片68,70旋转。工作流体流的能量转换成机械能。
压缩机26包括导叶62，在示例性实施例中，导叶62是出口导叶63，从现在开始简单地将其称为OGV，它充当通往冷却管道120的流体入口，冷却管道120延伸到涡轮区段32。OGV63构造成与压缩机导叶60,62和叶片56,58处于流体连通，并且构造成接收来自压缩机导叶60,62和叶片56,58的压缩冷却空气94。OGV 63具有流通地联接到冷却管道120上的入口118。入口118允许抽取在OGV 63上面流动的压缩机空气，并且将其提供给冷却管道120，以将其改向到涡轮区段32。照这样，来自压缩机区段22的较冷的空气可通过OGV 63发送到冷却管道120中，在冷却管道120中，较冷的空气绕过燃烧区段28，并且如冷却涡轮区段的较热的构件所需的那样供应到涡轮区段32。
冷却管道120在涡轮区段32处从入口118延伸到出口126。因而冷却管道120限定从入口118流到出口126的冷却空气94的冷却空气流径122，从而将来自压缩机区段22的冷却空气94供应到涡轮区段32。发动机10可进一步包括多个冷却管道120，多个冷却管道120具有对应的入口118和出口126，其中，入口118位于不同的导叶62上。冷却管道120可离开OGV63，OGV 63包括在根部102或末梢104处的翼型件。
图3是OGV 63的示意图，OGV 63沿跨度从根部102延伸到末梢104，并且沿弦向从位于OGV 63的上游侧上的前缘106延伸到下游侧上的后缘108。冷却空气94在前缘106处进入，并且沿着OGV 63流向后缘108。在示例性实施例中，中跨部分116位于根部102和末梢104之间，入口118位于这个中跨部分处，冷却管道120在这里开始。
冷却管道120包括在入口118下游的转弯部128，冷却空气94被引导通过转弯部128。转弯部在形状上设置成限制压力损失。冷却管道120进一步包括减小的横截区域130，以使空气加速流过管道120。在示例性实施例中，减小的横截区域130包括不断减小的横截区域132。
图4进一步示出OGV 63作为包括翼型件形状的流控制表面，其中OGV 63包括吸力侧110和压力侧112，其中OGV 63具有转弯部，该转弯部通过使流转离主要轴向方向来使来自压缩机26的流停止打漩。入口118位于吸力侧110上，其中在运行期间存在减少颗粒流94a。减少颗粒流94a限定为具有在其余流中发现的颗粒的不到25%的流。入口118在吸力侧110上的位置充当颗粒分离器，因为减少颗粒流94a行进通过冷却管道120，从而使其余流94b继续朝OGV 63的后缘行进。
入口沿径向位于存在在OGV上面流动的空气的低温区域的位置处，在示例性实施例中，这个位置是中跨部分116。入口118允许在吸力侧110和冷却管道120之间有流体连通，其中入口118包括通风口134，通风口134具有限定入口118的口部136。在示例性实施例中，口部的高度H 是径向跨度的10%-80%，并且口部的宽度W是径向跨度的5%-50%。与入口118只是表面内的开口相比，通风口134用来更直接地使压缩机空气转移到入口118中。
现在参照图5，它示出了可如何选择入口118在吸力侧110上的位置，使得入口118定位在OGV 63上面的具有减少颗粒流94a的冷却空气94的区域中。图5示出围绕OGV 63的弦向横截面的空气流，空气流更暗，以反映颗粒在空气流内的位置。如所看到的那样，在吸力侧110上，在吸力侧附近有减少颗粒流，其高度朝下游增加。这个减少颗粒流会出现是因为颗粒的惯性阻止它们转弯而遵从吸力侧的曲率。因此，可将入口118策略性地置于这个减少颗粒流内，它充当颗粒分离器。考虑到这个现象，入口118和/或通风口134可策略性地位于减少颗粒流内，以从减少颗粒流中抽取空气。照这样，入口118或通风口可遵从OGV 63的吸力侧110的轮廓线，并且通风口134的口部136可具有驻留在减少颗粒流区域内的高度H。实际实现是将入口118和/或通风口134刚好定位在吸力侧的高峰的下游，使得减少颗粒流94a将作为阻力最小的路径移动到口部136中，但其余流94b将在平行于吸力侧的轮廓线的直线中继续。
OGV 63可在形状上设置成加强减少颗粒流。例如，OGV 63可具有腔室138，腔室138使得吸力侧110的转弯部140或曲率控制减少颗粒流的高度，这可协助选择入口118的大小，尤其是通风口134的口部136的高度，以及入口在吸力侧上的位置。
应当理解，颗粒分离器不限于压缩机出口导叶。可从任何导叶的吸力侧抽取清洁空气，然后使其改向到将用它来实现冷却的地方。
应当进一步理解的是，所定向的颗粒分离器是示例性的，并且可相对于发动机中心线按任何方向定向，诸如径向、轴向、前部、后部或者它们的任何组合，以将冷却回路的至少一部分限定在发动机构件内。被示为导叶的发动机构件也是示例性的。备选发动机构件可包括吊架座或相关联的元件，或者包括类似于导叶的翼型件形状的发动机叶片。
应当进一步理解的是，运行颗粒分离器来从冷却流体流中移除颗粒。系统可为有鉴别能力的，从而基于粒度、质量或者它们的组合来移除大部分颗粒。因而，残留在主要流内的任何颗粒都可包括小得足以传送通过冷却回路的其余部分的大小或质量，诸如膜孔，从而减少相关联的堵塞或构件损伤。
应当进一步理解的是，本文描述的入口对于从传送通过导叶或发动机构件的冷却流体流中移除颗粒来说是理想的。但是，可在系统内使用不同的颗粒分离器，以便实现有效的冷却回路，同时从冷却流体流中分离出颗粒。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何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，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的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示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。

Claims (8)

1.一种在燃气涡轮发动机的内部中用于在燃烧区段的上游的位置处使用的流控制表面，所述流控制表面包括：
导叶，其具有吸力侧和压力侧，它们在前缘和后缘之间沿弦向延伸，以及在根部和末梢之间沿跨度延伸；
延伸通过所述导叶的冷却管道；以及
通风口，其形成于所述吸力侧中，并且限定流通地联接到所述冷却管道上的入口，所述通风口位于所述吸力侧上，沿着所述吸力侧的轮廓线，在所述吸力侧的峰值曲率部的下游，使得在运行期间减少颗粒的流进入所述入口。
2.根据权利要求1所述的流控制表面，其特征在于，所述冷却管道在所述根部或末梢中的一个处离开所述导叶。
3.根据权利要求1所述的流控制表面，其特征在于，所述减少颗粒的流具有在其余流中发现的颗粒的不到25%。
4.根据权利要求3所述的流控制表面，其特征在于，所述通风口位于所述吸力侧上，其中，所述导叶包括具有大于5度角度的转弯部。
5.根据权利要求4所述的流控制表面，其特征在于，所述通风口位于所述吸力侧上，在运行期间存在在所述导叶上流动的空气的低温区域的位置处。
6.根据权利要求5所述的流控制表面，其特征在于，所述通风口位于所述导叶的中跨处。
7.根据权利要求1所述的流控制表面，其特征在于，所述导叶包括口部，其限定所述通风口。
8.根据权利要求7所述的流控制表面，其特征在于， 所述口部的高度是所述导叶的径向跨度的10%-80%，并且所述口部的宽度是所述导叶的径向跨度的5%-50%。
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