CN1070986A - 旋转机械的定子组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴流式旋转机械10的定子 组件46。研制出了增加这种机械的效率的各种结构 细节。在一个实施例中该机械包括一个周向连续的 结构式外壳和一周向连续的内壳，作为工质流道的压 力容器。

Description

本发明涉及燃气涡轮发动机，特别是其定子组件和对该发动机的定子组件进行冷却的方法。尽管本发明是在燃气涡轮发动机领域开发出的，但它总地说对轴流式旋转机械都适用。

燃气涡轮发动机型的轴流式旋转机械包括压缩段、燃烧段和涡轮段。工质气体的流道贯穿发动机的上述各段。工质气体在压缩段被压缩。被压缩的气体在燃烧段与燃油混合并燃烧，以给气体增加能量。这种热的有压燃气通过涡轮段时得到膨胀。

在涡轮段，发动机设有转子组件。该转子组件包括转子盘和转子叶片，叶片向外延伸，横穿工质流道。当燃气通过转子组件时，转子组件从燃气中吸取能量。

定子组件绕转子组件沿圆周方向延伸。定子组件支承着转子组件，并提供一个压力容器，以将燃气工质限定在工质流道内。典型地是，定子组件包括一个外壳和一个内壳，其间是热燃气工质。内壳体支承着定子叶列和密封件，例如内气体密封和外气体密封，它们非常接近转子组件。

当燃气流过定子组件时，燃气在定子叶片上产生空气动力载荷。这种载荷从定子叶片传递到内壳上，引起内壳的应力。此外，外气体密封和定子叶片因燃气工质流过而被加热。热量以传导形式传给内壳引起内壳不均匀加热，并在内壳中产生附加应力，对内壳的疲劳寿命产生不利影响。

冷却空气送到涡轮段以冷却内壳。冷却内壳可以降低内壳的温度梯度和由此产生的热应力。

使内壳得到冷却的一种结构型式，包括周向连续的外壳体和周向分段的内壳体。每个弧段内壳体上都带一部分定子叶列和外空气密封。这样，由于中断了内壳体的周向连续性，有助于降低内壳体的热应力。但是弧段结构也有缺点，这就是要求供给压力高于气流通道压力的冷却空气，以防燃气工质经内壳体沿径向向外泄漏。一旦从内壳体泄漏出去，热燃气工质所具有的势能，便引起邻近结构中异常高的温度梯度，并伴随很大的热应力，从而降低了热疲劳寿命。冷却空气漏入流道内，会在流道内产生一个低压区。由于高压冷却气所具有的压力必须高于与内壳体相邻的燃气流道内的最高压力，压缩这种冷却气体需消耗较多的功，这就降低了旋转机械的效率。

另一种技术方案是形成一种具有一组周向连续的壳体的发动机。这些壳体彼此互相连接，并用来对工质流道提供冷却空气。具有这类结构的例子，由美国专利4841726号给出，其题目为“多轴双流结构的燃气涡轮喷气发动机”，该专利颁发给了Burkhardt。由于这种壳体是周向连续的，冷却气体可以较低压力供给，只要其压力高于与热工质流道相邻的排气部位的压力即可。这种技术方案因降低了冷却气增压所消耗的功而提高了发动机效率，但却导致内壳体内较大的热应力，这是因为当壳体力图膨胀时却受到刚性联结结构的限制的缘故。

为此，在申请人的受让人的领导下工作的科学家和工程师们寻求研制一种定子组件，它具有的壳体能以低于工质流道最高压力的压力供给冷却空气。并避免由于内外壳体之间热膨胀的差异而产生的附加应力。

本发明的定子组件包括一个周向连续的外壳，它联接在一个与之相邻的壳体上，以承受结构载荷，和一个周向连续的内壳体，它在径向与该外壳隔开，以在其间形成一个冷却空气腔;内壳体周向延伸形成气体工质的流道并支承定子叶列，而外空气密封则伸入该流道内，内壳体一端是密封地固定在外壳体上的，以支撑住内壳体，并阻止气体在它们之间流动，另一端是自由端，以补偿壳体之间轴向的和径向的相对膨胀。

根据本发明的一个实施例，内壳体与外壳体固定在一个第一位置上，在那里内壳体和外壳体沐浴在冷却空气中。以降低内外壳体间的温度梯度。

本发明的另一个实施例是操作燃气涡轮发动机的方法，它包括如下步骤：对着内壳体喷射冷却空气，以冷却内壳体并加热冷却空气;通过外壳体上的多条通道和一个径向延伸的构件，将冷却空气引到发动机内部，并用加热了的冷却空气对着转子盘喷射，以加热转子盘，降低转子盘内的温度梯度。

本发明的主要特征在于一种定子组件，它具有周向连续的外壳体，和周向连续的内壳体。另一个特征在于该内壳体的上游端。该内壳体的上游端被固定在外壳体上。另外一个特征是在这个位置是一个冷却空气腔：它与内壳体和外壳体以及由内壳体向外的一下气室相邻。再一个特征在于内壳体的下游端部。在非工作期间的安装状态，内壳体下游端部在径向和轴向均与外壳体隔开。在工作情况下受热膨胀的影响，这个部位的内壳体轴向发生位移，径向也向外发生位移，紧靠在外壳上。还有一个特征在于内壳体有数个厚度增大区。这些厚度增大区适于与定子叶片与外壳的固定点相衔接。最后一个特征在于有一个隔板将冷却空气腔分为供气集流腔和喷气集流腔。该隔板有可选择取向的孔，以对着内壳体的厚度增大区喷射冷却空气，该厚度增大区是支承定子叶列和外空气密封的部位。

本发明的主要优点与发动机效率有关。由于使用了一个内壳体的压力容器，便能对内壳体使用冷却空气，而该冷却空气是以低于与之相邻的工质流道的最高压力提供的。另一个优点也与发动机效率有关。这是因为内壳体与外空气密封件的同轴度好。外空气密封件是用绕转子部件的内壳体安装就位的，采用了结构式外壳体承担弯曲载荷，而非结构式内壳体是经加工的，以安装外空气密封件。另外一个优点是内壳体和外壳体的疲劳寿命高。这是因为内壳体与外壳体的联接点沐浴在冷却空气中，因而内壳体在那一端的热应力得以减小，并允许内壳体的另一端相对于外壳体在径向和轴向可以自由膨胀，以补偿内壳体和外壳体之间热膨胀的差异，从而减小了总的热应力。在一个实施例中，其优点是发动机效率和转子组件的疲劳寿命高，其原因在于把自内壳体排出的经加热的冷却空气集中起来，导入发动机的内部，用加热过的冷却空气加热转子盘朝内的部分，以降低转子盘内的温度梯度和由此引起的热应力。

本发明的特征和优点结合以下对最佳实施例和附图的详细说明，将会更加清楚。

图1是轴流式旋转机械的侧视图，为清楚起见，发动机作了局部剖开;

图2是图1所示旋转机械的涡轮段的部分侧视图。部分剖开了，部分是完整的，以表示内壳体与外壳体的相互关系;

图3是图2的局部放大剖视图，表示出了内壳体的下游端。

下面结合附图说明本发明的最佳实施例。

图1是轴流式旋转机械10的侧视图，说明本发明的一个实施例。所示的具体发动机是一种轴流式燃气涡轮发动机，具有工质气体的环形流道11。

该发动机包括压缩段12、燃烧段14和涡轮段16。涡轮段包括一个动力涡轮18和一个为从燃气工质获取能量的自由涡轮22。从发动机压缩段引出的压缩气体导管24把压缩段与发动机的涡轮段的流体连通。阀门26控制通过的气体的流量，通过电子式发动机控制装置之类的控制装置28，对发动机的参数作出响应。供给冷却空气的第二条流道32环绕燃烧室34，并穿过燃烧段。

图2是该发动机的涡轮段18的局部放大剖视图。该涡轮段包括一个转子组件36，它绕发动机轴线A设置。转子组件包括转子盘38和成排的转子叶片，转子叶片用42和44表示，它们径向向外延伸穿过工质流道。

定子组件46沿周向绕转子组件36延伸，以形成工质的流道。该定子组件包括一个结构式外壳体48和一个非结构式内壳52。内壳体支承并定位各定子叶列，定子叶片用54和56表示，它们向内延伸穿过工质流道，靠近转子组件36。内壳体也支承并定位成排的外空气密封，外空气密封用58和62表示，它们沿周向绕转子叶列设置。每个外空气密封均靠近转子叶片，以阻止气体工质泄漏出外空气密封。

结构式外壳体48绕发动机轴线沿轴向和周向延伸。外壳体在周向是连续的。外壳体有一个上游端64和一个下游端66。每一端都适于用法兰68、72与相邻的定子构件联接。用74和76表示的若干螺栓螺母组件穿过外壳体，并将外壳体固定在相邻的定子构件上。外壳体是发动机的主要结构件，工作期间承受着作用在发动机上的弯曲载荷。

外壳体48暴露在相对冷的空气中。例如在发动机周围绕流的空气中，并用绕流空气冷却其外部。外壳体上还有用82表示的局部开口，它穿过外壳体向内延伸。该局部开口适于使外壳体通过导管24与有压冷却空气源沟通。

外壳体包括一个向内延伸的法兰84，它接近于外壳体的上游端64。向内延伸的法兰适于使外壳体与内壳体52联接。该法兰轴向离开外壳体的上游端，在它们之间形成一个第一冷却空气腔86。第一冷却空气腔与冷却空气源沟通，该冷却空气源可以是例如图1所示的穿过燃烧段14的冷却空气流道32。

向内延伸的法兰84包括一系列穿过法兰的孔88，它适于法兰向相邻的定子叶列54的下游朝外排放冷却空气。叶片冷却空气的供给区92设置在叶片54和内壳体52之间。

非结构式内壳体52也是定子组件的一部分。该内壳体沿周向是连续的，并起工质流道11的压力容器的作用。内壳体相对于外壳体48沿轴向延伸，并径向离开外壳体，以在它们之间留出一个第二冷却空气腔94。

内壳体有一个上游端96和一个下游端98。在安装情况下，下游端径向和轴向均与外壳体48离开，之间形成间隙G_a和G_r。下游端98可在径向和轴向自由伸长，直到内壳体接触外壳体为止。

上游端96固定在外壳体的上游法兰84上。在图示的实施例中，一系列螺栓螺母组件104穿过外壳体的上游法兰和内壳体的上游端96。紧固件将内壳体固定在外壳体上，防止内壳体相对外壳体产生轴向和径向移动。在安装情况下，由于内壳体的下游端98轴向和径向相对外壳是自由的，内壳体象悬臂梁那样从外壳体伸出。

内壳体包括一个第一表面106和一个第二表面108，它们位于内壳体的上游端96和下游端98之间。在工作情况下由于受热而向外膨胀，致使这些表面紧贴在外壳体48上，把冷却空气腔分为第一气室112、第二气室114和第三气室116。第一气室通过设在法兰或螺栓104上的孔88，与位于外壳体上游的第一腔室86连通。第二气室经导管24与冷却空气源相通。第三气室116收集对内壳体52进行喷射后的冷却空气。

内壳体52有数个与相邻节段相比，径向厚度增大了的节段118、120、122。这些厚度增大了的节段适于通过周向延伸的凹槽，例如槽124，与定子叶片54、56和外空气密封59、62配合。这些节段能吸收定子叶片和外空气密封的热量。这些节段通过对内壳体相应部位喷射冷却空气可有选择地进行冷却。

隔板126设置在内壳体52和外壳体48之间的第二气室114内。该隔板把第二气室分为供气集流腔128和喷气集流腔132。一系列喷气孔134对准与定子叶片和外空气密封配合的径向厚度增大的节段。这些喷射孔118、120、122向将定子叶片和外空气密封安装到内壳体上的安装点所在处的条件恶劣的部位喷射冷却空气。

第三气室116经过一系列孔136与喷气集流腔132相通。这样，第三气室起到收集冷却空气的集气室的作用。该冷却空气是径向向内流动吸收内壳体的热量后从上述喷气集流腔排出的。

该气室116经过外壳体48上的一系列通道138与沿周向延伸的集流腔142联通。一组空心构件144径向向内延伸穿过工质流道11与结构件146靠近。该结构件上的开孔148为向邻近的转子盘36内侧部分排放的冷却空气（通过喷射内壳体而被加热的空气）提供了一个流道154。冷却空气使转子盘加热，以降低转子盘内径与邻近工质流道11的外径之间的转子盘内的温度梯度。

图3是图2中的涡轮段18的局部放大剖视图。它更详细地表示出了内壳体的下游端98。如图3所示，外壳体48包括一个径向向内延伸并带有槽158的法兰156。在工作情况下，该槽适于法兰与内壳体48的联接。在非工作状态下，内壳体的下游端与该槽的表面离开，轴向形成间隙G_a，径向形成间隙G_r。在工作状态下，内壳体径向向外膨胀，紧贴在凹槽158的表面上，以阻止冷却空气径向向内朝外空气密封泄漏，进而流入工质流道。

内壳48的下游端98具有一个第一节段，它具有一个第一径向厚度R₁。第二节段在第一节段的上游端，与它轴向隔开，第二节段具有一个第二径向厚度R₂，它大于上述第一径向厚度R₁。第三节段在第一节段和第二节段间延伸。第三节段具有一个径向厚度R₃，它小于第一径向厚度R₁或第二径向厚度R₂的一半（1/2）。第三节段与相邻节段比较，径向有较大的柔度。在工作情况下，内壳体向外膨胀到外壳体上时，允许在第一节段和外壳体上的槽158的表面之间产生一定程度的径向顺服性。

图1所示的燃气涡轮发动机10工作期间，气体工质沿工质流道11流动。在压缩段12中受到压缩，提高压力。然后流入燃烧段14，与燃油混合并燃烧，以增加能量。热工质燃气在涡轮段16、18膨胀，在转子叶片和定子叶片上产生周向力。由于热传导，燃气在定子叶片54、56和外空气密封58、62上还有热量损失。

通过定子叶片54、56和外空气密封58、62的热传导，热量传到内壳体52上。冷却空气经过第一腔室86向内流向靠近定子叶片的内壳体部位，向外流到上述第一气室内的内壳体部位。

冷却空气还经过导管24，从压缩段12流出。用控制阀门26和能对发动机的工作参数作出响应的控制装置28调节这部分冷却空气的流量。冷却空气进入供气集流腔128，该集流腔是由隔板126向外沿周向绕发动机延伸的。冷却空气的压力小于涡轮段上游端工质流道11处的压力，大于涡轮段下游端工质流道的压力。冷却空气从供气集流腔流出，通过隔板穿过喷气集流腔到达内壳体的条件恶劣部位。

内壳体作为一个压力容器，起到隔绝二气室与工质流道的作用。结果，排出第二气室的冷却空气的压力仅需要高于邻近内壳体可相对外壳体自由运动的气室116处的工质流道内的压力即可。这就使得冷却空气的压力可以低于涡轮段入口处的工质流道压力，而不需要消耗更多的功来压缩冷却空气，从而提高了发动机的效率。

冷却空气通过第一腔室86后进入第一气室112，将内壳体和外壳体沐浴在冷却空气中。最后，导叶区92为内壳体内部提供了冷却空气。此外，外壳体是用与之接触的绕流空气冷却的。结果在内壳体和外壳体的联接处的内壳体和外壳体的温度是很低的，大大降低了热应力，提高了内壳体的疲劳寿命。

如上所述，内壳体的下游端径向和轴向相对外壳体是可以自由运动的，这就降低了发动机运转由非工作状态到工作状态时，外壳体上的热应力。由于在内壳体的第一节段R₁和第二节段R₂之间的第三节段R₃的厚度减小，提高了该壳体端部的柔性，使热应力进一步减小。

最后，第二气室114起到热交换器的作用，把热量从内壳体52传给冷却空气。冷却空气有足够的压力输送到下游，并径向向内进入涡轮段16中，在那里空气喷射到转子盘的内部，以降低转子盘内的温度梯度。

上面结合详细的实施例对本发明进行了说明。本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的宗旨和权利要求范围的情况下，可以在形式和细节上做出各种变型。

Claims (8)

1、一种轴流式旋转机械，具有一个贯穿该机械延伸的工质气体流道，和一个绕该流道沿周向延伸以限定工质流道界限的定子组件，该定子组件包括数列向内延伸的定子叶片和数列外空气密封，该机械包括：

一个绕该机械轴线沿轴向和周向延伸的结构式外壳，外壳是周向连续的，并具有：

一个上游端和一个下游端，它们与定子组件的相邻构件联接，

一个与外壳一端相邻的向内延伸的结构，适于使外壳与内壳接合，

一个与该结构相邻的第一冷却空气腔，与冷却空气源相联通；和

一个非结构式内壳，它也是周向连续的，相对外壳轴向延伸，与外壳径向向内隔开，以在它们之间留出一个第二冷却空气腔，该内壳具有：

一个第一端和一个第二端，该第一端固定在外壳的上述结构上，该第二端是这样安装的：在非工作状态下轴向离开外壳体，并且径向向内离开外壳体，径向和轴向相对外壳至少有微量的自由运动；

其中，从第一腔和第二腔来的冷却空气冷却着内外壳体之间联接处的内壳和外壳，以降低外壳与内壳间温度场的不均匀性，减小二壳之间的盯对热膨胀，从而减小热应力，其中内壳下游端轴向和径向相对外壳可自由运动，以补偿由壳体周向连续性引起的热膨胀差异和由此产生的应力，并且周向连续的内壳体是燃气工质的压力容器，使得从一个冷却空气源来的冷却空气以小于与内壳相邻的气体工质的最大压力的压力供给成为可能，降低了用过的冷却空气和工质流道之间的压力差，同时避免以高于工质流疲乏所有各处的压力的压力供给冷却空气。

2、根据权利要求1所述的轴流式旋转机械，它还包括从数列定子叶片向外，和从内壳向内，以及与外壳中的上述结构相邻的叶片腔室区，该叶片腔室区与冷却空气腔相通，以向邻近与外壳联接处的内壳提供辅助冷却。

3、根据权利要求1所述的轴流式旋转机械，其中在内壳与外壳之间的第二腔室中设置了一个隔板，以把第二腔室分成供气集流腔和喷气集流腔，该隔板有一系列与内壳对准的喷气孔;并且其中一个气室位于该喷气集流腔下游，以收集自喷气集流腔排出的冷却空气，该冷却空气已经径向向内流入吸收了内壳的热量，并且该气室与转子组件相联通，以便对着转子盘的内侧部分排放因为对着内壳体喷射已被加热的冷却空气，以加热转子盘，降低转子盘内径与外径之间的转子盘温度梯度。

4、一种轴流式旋转机械，具有一个贯穿该机械延伸的工质气体流道，该旋转机械包括一个绕发动机轴线设置的转子组件，它有一个转子盘和多枚转子叶片，这些叶片径向向外延伸穿过工质流道，一个绕转子组件周向延伸以限定工质流道界限的定子组件，该定子组件包括多列定子叶片，它们向内延伸，紧靠转子组件，和多列外空气密封，它们布置在转子组件的外侧，该旋转机械还包括：

一个绕该旋转机械轴线沿轴向和周向延伸的结构式外壳，外壳沿周向是连续的，并具有：

一个上游端和一个下游端，它们与相邻的定子组件构件相联接，

至少有一个开口穿过该外壳，它适于该外壳与有压冷却空气源相联通，

一个向内延伸的法兰，与该上游端相邻，它适于外壳与内壳相连接，该法兰轴向与外壳的上游端隔开，在其间留出一个与冷却空气源相通的第一冷却空气腔，该法兰包括一系列穿过该法兰的通孔，以向下游方向通过冷却空气;

和一个非结构式内壳，它在周向也是连续的，并相对该外壳轴向延伸，与外壳径向向内隔开，在它们之间留出一个第二冷却空气腔，该内壳具有：

一个上游端和一个下游端，上游端被固定在外壳的上游法兰上，下游端沿轴向和径向相对外壳至少可作微量的自由运动，安装后在非工作状态轴向和径向均与外壳隔开，

一个第一表面位于该上游端和下游端之间，与外壳保持密封接触，把冷却空气腔分为一个第一气室和一个第二气室，第一气室通过法兰上的孔与第一冷却空气腔相通，第二气室与冷却空气源相通;

和一组径向厚度增大的节段，每个节段适于内壳与定子叶片和外空气密封相配合;

一个位于内壳和外壳之间的第二气室内的隔板将第二气室分为供气集流腔和喷气集流腔，该隔板有一系列喷气孔与各法兰对正，各法兰与把定子叶片和外空气密封固定到内壳上的固定点相结合;

其中来自第一冷却空气腔和第一气室以及外壳外部的冷却空气冷却着内壳和外壳上游端内侧和外侧的内壳与外壳的结合部，以降低外壳和内壳间的温度不均匀性，减小二者之间的相对热膨胀和总的热应力，其中内壳的下游端轴向和径向均可相对外壳自由运动，以补偿热膨胀和由周向壳体连续性引起的应力，而且周向连续的内壳是燃气工质的压力容器，使得从一个冷却空气源来的冷却空气可以小于与内壳相邻的气体工质的最大压力的压力供给成为可能，从而降低排放的冷却空气和气体流道之间的压力差，避免冷却空气以高于气体流道所有各处压力的压力供给。

5、根据权利要求4所述的轴流式旋转机械，其中在工作情况下，由于工作温度的影响，内壳有径向向外的运动，并与外壳贴合。

6、根据权利要求4所述的轴流式旋转机械，其中所述的下游端部有一个具有第一径向厚度R₁的第一节段，一个轴向与第一节段隔开位于其上游的一个第二节段，它具有一个第二径向高度R₂，和一个在上述节段间延伸的第三节段，其径向高度小于第一径向高度R₁和第二径向高度R₂的一半（1/2），以在它们之间形成一个柔性节段。

7、根据权利要求5所述的轴流式旋转机械，其中内壳有一个第二表面，它径向向外延伸到紧靠外壳处，以在它们之间形成一个第三气室，用以收集径向向内流入吸收内壳的热量后自喷气集流腔排出的冷却空气，其中该气室经过一系列外壳上的通道后，经一个径向延伸的构件径向向内流动，穿过工质流道，进入靠近转子组件处，对着转子盘排放由于对着内壳体喷射而被加热了的冷却空气，以加热转子盘，降低转子盘外径和内径之间的转子盘内的温度梯度。

8、燃气涡轮发动机的操作方法，包括如下步骤：

从发动机的压缩区引流冷却空气;

通过周向连续的外壳引流冷却空气;

对着周向连续的内壳喷射冷却空气，以冷却内壳，并加热冷却空气;

经过外壳上的多条通道和一个径向延伸的构件，将冷却空气引流到发动机内部;和

对着转子盘喷射加热过的冷却空气，以加热转子盘，和降低转子盘内的温度梯度。

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