CN108691576B - 涡轮发动机以及其中所用的部件 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮发动机，其包括发动机壳体，该发动机壳体包括流体供应增压室、配合表面以及均在流体供应增压室与配合表面之间延伸的喷嘴供应通道和腔体流动通道。涡轮发动机还包括涡轮喷嘴组件，该涡轮喷嘴组件包括配合带。配合带包括与喷嘴供应通道流动连通的进气口。在配合带和配合表面的第一部分之间限定了界面，并且在配合带和配合表面的第二部分之间限定了带腔体。腔体流动通道将流体供应增压室与带腔体流动连通地联接。

Description

涡轮发动机以及其中所用的部件
技术领域
本公开整体上涉及涡轮发动机的冷却部件，并且更具体地涉及将冷却空气供应到涡轮发动机中的涡轮喷嘴的系统和方法。
背景技术
在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中被加压，并且在燃烧器中与燃料混合并被点燃，从而产生热燃烧气体。热燃烧气体从燃烧器向下游引导并流过一个或多个涡轮级。至少一些已知的涡轮级包括具有在外带和内带之间径向延伸的多个中空叶片的静止涡轮喷嘴。中空叶片具有翼型构造，该翼型构造用于在位于其下游的相应涡轮转子轮叶之间引导燃烧气体。
涡轮喷嘴叶片典型地利用从压缩机排出的冷却空气来冷却，以抵消由与热燃烧气体接触引起的加热。至少一些已知的涡轮喷嘴包括也被称为绕管(spoolie)的空气传输管，以将冷却空气从空气供应增压室引导到中空叶片中。当冷却空气从空气供应增压室引导到中空叶片时，绕管有助于限制泄漏，并且绕管还在空气供应歧管和中空叶片之间提供热膨胀和收缩柔性。然而，至少在一些已知的涡轮发动机中，空间约束限制了其中的绕管的使用。
发明内容
在一个方面中，提供一种涡轮发动机。涡轮发动机包括发动机壳体，该发动机壳体包括流体供应增压室、配合表面以及均在流体供应增压室与配合表面之间延伸的喷嘴供应通道和腔体流动通道。涡轮发动机还包括涡轮喷嘴组件，该涡轮喷嘴组件包括配合带。配合带包括与喷嘴供应通道流动连通的进气口。在配合带和配合表面的第一部分之间限定了界面，并且在配合带和配合表面的第二部分之间限定了带腔体。腔体流动通道将流体供应增压室与带腔体流动连通地联接。
可选地，其中所述配合带和所述配合表面的所述第一部分彼此间隔开，使得所述喷嘴供应通道与所述带腔体流动连通。可选地，涡轮发动机还包括形成在所述发动机壳体或所述配合带中的至少一个上的第一密封件，所述第一密封件围绕所述进气口定位。其中所述第一密封件形成在所述配合带上，所述涡轮发动机还包括形成在所述发动机壳体上的第二密封件。其中所述第一密封件包括围绕所述进气口彼此同心地间隔开的多个密封构件。可选地，涡轮发动机还包括第三密封件，所述第三密封件位于所述多个密封构件的相邻密封构件之间限定的凹槽内。可选地，所述发动机壳体还包括至少一个密封流动通道，所述至少一个密封流动通道在所述流体供应增压室和所述配合表面之间延伸，使得所述流体供应增压室与所述第一密封件流动连通。所述至少一个密封流动通道被构造成将密封流体排放到限定在所述多个密封构件的相邻密封构件之间的凹槽内。可选地，涡轮发动机所述进气口包括进气开口，并且所述喷嘴供应通道包括排放开口，所述进气开口的尺寸形成为大于所述排放开口的尺寸。
在另一个方面中，提供一种用于涡轮发动机的喷嘴组件。喷嘴组件包括喷嘴叶片和联接到所述喷嘴叶片的配合带。配合带包括与所述喷嘴叶片流动连通的进气口和围绕所述进气口定位的第一密封件。
可选地，其中第一密封件包括多个密封构件，所述多个密封构件围绕所述进气口彼此同心地间隔开。喷嘴组件还包括第三密封件，第三密封件位于限定在所述多个密封构件的相邻密封构件之间的凹槽内。第三密封件包括编织绳密封件、V形密封件、Z形密封件、W形密封件和迷宫式密封插入件中的至少一个。可选地，喷嘴组件还包括从所述配合带延伸的钩构件，其中所述钩构件被定向为相对于所述涡轮发动机的中心线基本上轴向地延伸。
在又一个方面中，提供一种用于涡轮发动机的发动机壳体。发动机壳体包括具有配合表面和增压室表面的壳体本体。喷嘴供应通道限定在壳体本体内并且在配合表面和增压室表面之间延伸，使得在壳体本体的第一侧和第二侧之间提供流动连通。腔体流动通道限定在壳体本体内并且在配合表面和增压室表面之间延伸，使得在第一侧和第二侧之间提供流动连通。
可选地，发动机壳体还包括至少一个密封流动通道，所述至少一个密封流动通道限定在所述壳体本体内并且在所述配合表面和所述增压室表面之间延伸，使得在所述第一侧和所述第二侧之间提供流动连通。其中所述至少一个密封流动通道包括围绕所述喷嘴供应通道周向地布置的多个密封流动通道。可选地，发动机壳体还包括形成在所述壳体本体的所述配合表面上的第一密封件，其中所述第一密封件围绕所述喷嘴供应通道的排放开口定位。其中所述第一密封件包括围绕所述喷嘴供应通道的所述排放开口彼此同心地间隔开的多个密封构件。可选地，发动机壳体还包括限定在所述壳体本体内的接收槽。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中相同的标号表示相同的零件，其中：
图1是示例性涡轮发动机的示意性图示；
图2是可用于图1所示的涡轮发动机中的示例性冷却流体供应系统的横截面图；
图3是可用于图2所示的冷却流体供应系统中的示例性涡轮喷嘴组件的透视图；
图4是可以在图2所示的冷却流体供应系统中的示例性发动机壳体配合带界面的放大横截面图；
图5是可以在图2所示的冷却流体供应系统中的可供选择的发动机壳体配合带界面的放大横截面图；
图6是可以在图2所示的冷却流体供应系统中的另一个可供选择的发动机壳体配合带界面的放大横截面图；
图7是可用于图1所示的涡轮发动机中的可供选择的冷却流体供应系统的横截面图；
图8是可以在图7所示的冷却流体供应系统中的示例性发动机壳体配合带界面的径向视图；
除非另外指明，否则本文中所提供的附图用来说明本发明的实施例的特征。这些特征被认为适用于包括本发明的一个或多个实施例的多种系统。由此，附图并非意在包括所属领域的技术人员已知的实践本文中所公开的实施例所需的所有常规特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求书中，将引用若干术语，这些术语应定义为具有以下含义。
除非上下文明确地另外指明，否则单数形式“一”和“所述”包括复数指代物。
“任选”或“视需要”意指随后描述的事件或情形可能发生或可能不发生，且所述描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。
如本文在整个说明书和权利要求书中所使用的近似语言可应用于修饰可以许可的方式变化而不会导致其相关的基本功能改变的任何定量表示。因此，由例如“约”、“大约”和“基本上”的一个或多个术语修饰的值不限于指定的确切值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量所述值的仪器的精度。在此处以及贯穿本说明书和权利要求，范围限制可以进行组合和/或互换。除非上下文或措辞另外指示，否则此类范围可进行识别，且包括其中含有的所有子范围。
如本文所使用，术语“轴向”和“轴向地”是指大体上平行于涡轮发动机的中心线延伸的方向和定向。此外，术语“径向”和“径向地”是指大体上垂直于涡轮发动机的中心线延伸的方向和定向。另外，如本文所使用，术语“周向”和“周向地”是指围绕涡轮发动机的中心线弓状延伸的方向和定向。
本公开的实施例涉及将冷却空气供应到涡轮发动机中的涡轮喷嘴的系统和方法。更具体地，冷却空气在不使用绕管的情况下被供应到涡轮喷嘴。本文描述的系统包括发动机壳体以及涡轮喷嘴组件的配合带，发动机壳体中限定有多个流动通道，涡轮喷嘴组件的配合带包括进气口，该进气口接收来自所述多个流动通道的喷嘴供应通道的冷却空气。发动机壳体和进气口的相邻表面彼此隔开，使得在它们之间限定间隙。然而，通过至少部分地密封界面并且通过对与界面流动连通的带腔体加压来限制从相邻表面之间限定的界面的泄漏。加压带腔体有利于均衡带腔体和涡轮喷嘴的冷却回路之间的压力。这样，本文描述的涡轮构造便于以节省空间且有效的方式向涡轮喷嘴提供冷却空气。
尽管在涡轮风扇发动机的上下文中描述了以下实施例，但应该理解的是，本文所述的系统和方法也适用于例如涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、涡轮喷气发动机、地面涡轮发动机。
图1是包括风扇组件12、低压或增压压缩机组件14、高压压缩机组件16和燃烧器组件18的示例性涡轮发动机10的示意图。风扇组件12、增压压缩机组件14、高压压缩机组件16和燃烧器组件18以流动连通的方式联接。涡轮发动机10还包括与燃烧器组件18和低压涡轮组件22流动连通地联接的高压涡轮组件20。风扇组件12包括从转子盘26径向向外延伸的风扇叶片24的阵列。低压涡轮组件22通过第一驱动轴28联接到风扇组件12和增压压缩机组件14，并且高压涡轮组件20通过第二驱动轴30联接到高压压缩机组件16。涡轮发动机10具有进气部32和排气部34。涡轮发动机10还包括中心线36，风扇组件12、增压压缩机组件14、高压压缩机组件16以及涡轮组件20和22围绕该中心线旋转。
在操作中，通过进气部32进入涡轮发动机10的空气通过风扇组件12朝向增压压缩机组件14引导。压缩空气从增压压缩机组件14朝向高压压缩机组件16排出。高压缩空气从高压压缩机组件16朝向燃烧器组件18引导，与燃料混合，并且混合物在燃烧器组件18内燃烧。由燃烧器组件18产生的高温燃烧气体朝向涡轮组件20和22引导。燃烧气体随后经由排气部34从涡轮发动机10排出。
图2是可用于涡轮发动机10(图1示出)中的示例性冷却流体供应系统100的横截面图，图3是可用于冷却流体供应系统100中的示例性涡轮喷嘴组件的透视图。在该示例性实施例中，涡轮发动机10和冷却流体供应系统100包括发动机壳体102和联接到发动机壳体102的涡轮喷嘴组件104。更具体地，发动机壳体102包括至少一个接收槽106，并且涡轮喷嘴组件104包括配合带108和喷嘴叶片124。涡轮喷嘴组件104包括钩构件110，该钩构件从配合带108延伸并且尺寸形成为用于插入接收槽106内。钩构件110被定向成相对于中心线36(图1所示)基本上轴向延伸，并且接收槽106被定向成类似于钩构件110。这样，当在涡轮发动机10内安装涡轮喷嘴组件104时，配合带108轴向平移，使得钩构件110被接收在接收槽106内。
发动机壳体102还包括流体供应增压室112和壳体本体113，该壳体本体包括配合表面114和增压室表面115。流体供应增压室112接收来自增压压缩机组件14或高压压缩机组件16(均在图1中示出)中的至少一个的引气(未示出)。另外，发动机壳体102包括限定在其中的多个流动通道。例如，所述多个流动通道包括喷嘴供应通道116和腔体流动通道118，两者均在流体供应增压室112或增压室表面115与配合表面114之间延伸。这样，引气基本上同时地被引导通过喷嘴供应通道116和腔体流动通道118。更具体地，喷嘴供应通道116引导冷却流体120穿过该喷嘴供应通道，并且腔体流动通道118引导加压流体122穿过该腔体流动通道，使得在壳体本体113的第一侧123和第二侧125之间提供流动连通，如以下将更详细解释的。
在该示例性实施例中，涡轮喷嘴组件104包括配合带108和联接到配合带108的喷嘴叶片124。喷嘴叶片124至少部分地是中空的，使得接收在其中的冷却流体120有利于冷却喷嘴叶片124。此外，配合带108包括从喷嘴供应通道116接收冷却流体120的进气口126。更具体地，喷嘴供应通道116包括排放开口128，并且进气口126包括与排放开口128基本对齐的进气开口130。如上所述，冷却流体120从喷嘴供应通道116引导到进气口126中，而不使用中间流动导管，例如绕管(未示出)。这样，在一个实施例中，进气开口130的尺寸形成为大于排放开口128，使得进气口126接收从喷嘴供应通道116排放的基本上全部冷却流体120。
如上所述，进气口126从喷嘴供应通道116接收冷却流体120。在示例性实施例中，配合表面114包括第一部分132和第二部分134。当涡轮喷嘴组件104与发动机壳体102一起安装时，界面136限定在配合带108和配合表面114的第一部分132之间，并且带腔体138限定在配合带108和配合表面114的第二部分134之间。更具体地，带腔体138受钩构件110的接触表面限制。如上所述，喷嘴供应通道116引导冷却流体120穿过该喷嘴供应通道，并且腔体流动通道118引导加压流体122穿过该腔体流动通道。腔体流动通道118被定位成将加压流体122提供给带腔体138。加压流体122对带腔体138加压，从而提供带腔体138与延伸穿过涡轮发动机10的主气体路径(即热气体路径)之间的背压，由此限制通过配合带108摄入热气体。另外，喷嘴供应通道116的尺寸形成为使得其中的静压力基本上等于带腔体138中的静压力。
喷嘴供应通道116和腔体流动通道118的尺寸形成为使得通过喷嘴供应通道116引导的冷却流体120的静压力基本上等于带腔体138内的加压流体122的静压力。这样，穿过界面136的压力基本上相等，这便于限制冷却流体120从其泄漏。
在示例性实施例中，至少一个密封件形成在发动机壳体102或配合带108中的至少一个上。更具体地，参考图3，配合带108包括围绕进气口126定位的第一密封件140，使得当冷却流体120从喷嘴供应通道116(在图2中示出了全部)引导到进气口126时，泄漏在界面136处受到限制。第一密封件140包括围绕进气口126彼此同心地间隔开的多个密封构件142(即迷宫式密封件)。这样，第一密封件140在跨过界面136形成压降的情况下限制来自界面136(例如来自带腔体138的减压)的泄漏。可选地，第一密封件140形成在配合表面114的第一部分132上(均在图2中示出)，并且密封构件142朝向配合带108延伸。此外，可选地，密封件不形成在发动机壳体102或配合带108上。
图4-6是可在冷却流体供应系统100中的发动机壳体配合带界面136的放大横截面图。如上所述，当在界面136上形成压降时，冷却流体120有时从界面136泄漏。更具体地，参考图4，配合带108和配合表面114的第一部分132彼此间隔开，使得在界面136处限定间隙144。间隙144提供喷嘴供应通道116和带腔体138之间的流动连通(如图2所示)。此外，尽管示出为包括间隙144，但应该理解，界面136有时由配合带108与配合表面114之间的非密封接触限定。
参考图5，冷却流体供应系统100还包括形成在发动机壳体102上的第二密封件146。第二密封件146包括围绕喷嘴供应通道116的排放开口128彼此同心地间隔开的多个密封构件148(即迷宫式密封件)。另外，密封构件148至少部分地与密封构件142偏置或者与密封构件142重叠，使得界面136的密封得到增强。此外，密封构件148被定向为便于发动机壳体102相对于配合带108的轴向平移。
参考图6，冷却流体供应系统100还包括定位在限定于相邻密封构件142之间的凹槽152内的第三密封件150。更具体地，第三密封件150是在凹槽152内延伸的环形密封构件。示例性环形密封构件包括但不限于编织绳密封件、V形密封构件、Z形密封构件、W形密封构件和迷宫式密封插入件。将第三密封件150定位在凹槽152内有助于增强界面136的密封，这有助于增加在界面136上形成的压降。
图7是可以在涡轮发动机10(图1中示出)中使用的可供选择的冷却流体供应系统154的横截面图，图8是可以在冷却流体供应系统154中的示例性发动机壳体配合带界面的径向视图。如上所述，发动机壳体102包括限定在其中的多个流动通道，例如喷嘴供应通道116和腔体流动通道118。在示例性实施例中，发动机壳体102还包括在流体供应增压室112和配合表面114之间延伸的至少一个密封流动通道156。密封流动通道156向界面136提供密封流体158，从而围绕进气口126形成密封流体屏障(未示出)。在可供选择的实施例中，冷却流体120、加压流体122和密封流体158中的一种或多种由不同于流体供应增压室112的源提供。
例如，参考图8，多个密封流动通道156围绕进气口126定位。在一个实施例中，密封流动通道156将密封流体158(图7中所示)排放到在相邻密封构件142之间限定的凹槽152内。这样，密封流体158填充凹槽152，由此形成密封流体屏障并增强界面136的密封。
本文中所描述的方法和系统的示例性技术效果包括以下各项中的至少一个：(a)将冷却空气提供给涡轮喷嘴组件的冷却回路；(b)从涡轮发动机中消除使用空气输送管或绕管；和(c)以简化和有效的方式方便涡轮发动机的组装。
以上详细描述了用于涡轮发动机和相关部件的冷却流体输送系统的示例性实施例。所述系统不限于本文所描述的具体实施例，但相反地，系统的部件和/或方法的步骤可以独立地且与本文所描述的其它部件或步骤分开地使用。例如，本文描述的部件的构造也可以与其它过程组合使用，并且不限于仅将压缩机引气提供给涡轮发动机的定子叶片的实践。相反地，可以结合需要提供冷却流体或加热流体(如在防冰系统中)的多个应用来实施和使用示例性实施例。
尽管本发明的各种实施例的具体特征可能在某些附图中示出而未在其它附图中示出，但这仅仅是为了方便起见。根据本发明的实施例的原理，附图的任何特征可结合任何其它附图的任何特征被引用和/或要求保护。
本书面描述用实例来公开包括最佳模式的本发明的实施例，且还使所属领域的技术人员能够实践本发明的实施例，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本文中所描述的实施例的可获专利的范围由权利要求书界定，且可包括本领域的技术人员构想出的其它实例。如果此类其它实例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种涡轮发动机，其包括：
发动机壳体，所述发动机壳体包括流体供应增压室、配合表面以及均在所述流体供应增压室与所述配合表面之间延伸的喷嘴供应通道和腔体流动通道；
涡轮喷嘴组件，所述涡轮喷嘴组件包括配合带，所述配合带包括与所述喷嘴供应通道流动连通的进气口，其中在所述配合带与所述配合表面的第一部分之间限定界面，并且在所述配合带与所述配合表面的第二部分之间限定带腔体，其中所述腔体流动通道将所述流体供应增压室与所述带腔体流动连通地联接；
所述进气口的进气开口；以及
所述喷嘴供应通道的排放开口，其中所述进气开口的尺寸形成为大于所述排放开口。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其中所述配合带和所述配合表面的所述第一部分彼此间隔开，使得所述喷嘴供应通道与所述带腔体流动连通。
3.根据权利要求1所述的涡轮发动机，还包括形成在所述发动机壳体或所述配合带中的至少一个上的第一密封件，所述第一密封件围绕所述进气口定位。
4.根据权利要求3所述的涡轮发动机，其中所述第一密封件形成在所述配合带上，所述涡轮发动机还包括形成在所述发动机壳体上的第二密封件。
5.根据权利要求3所述的涡轮发动机，其中所述第一密封件包括围绕所述进气口彼此同心地间隔开的多个密封构件。
6.根据权利要求5所述的涡轮发动机，还包括第三密封件，所述第三密封件定位在所述多个密封构件的相邻密封构件之间限定的凹槽内。
7.根据权利要求5所述的涡轮发动机，其中所述发动机壳体还包括至少一个密封流动通道，所述至少一个密封流动通道在所述流体供应增压室和所述配合表面之间延伸，使得所述流体供应增压室与所述第一密封件流动连通。
8.根据权利要求7所述的涡轮发动机，其中所述至少一个密封流动通道被构造成将密封流体排放到限定在所述多个密封构件的相邻密封构件之间的凹槽内。
9. 一种用于在涡轮发动机中使用的喷嘴组件，所述喷嘴组件包括：
喷嘴叶片；以及
配合带，所述配合带联接到所述喷嘴叶片，其中所述配合带包括：
进气口，所述进气口与所述喷嘴叶片流动连通地联接；
第一密封件，所述第一密封件围绕所述进气口定位，其中所述第一密封件包括多个密封构件，所述多个密封构件围绕所述进气口彼此同心地间隔开；和
第三密封件，所述第三密封件定位在限定在所述多个密封构件的相邻密封构件之间的凹槽内。
10.根据权利要求9所述的喷嘴组件，其中所述第三密封件包括编织绳密封件、V形密封件、Z形密封件、W形密封件和迷宫式密封插入件中的至少一个。
11.根据权利要求9所述的喷嘴组件，还包括从所述配合带延伸的钩构件，其中所述钩构件被定向为相对于所述涡轮发动机的中心线基本上轴向地延伸。
12.一种用于在涡轮发动机中使用的发动机壳体，所述发动机壳体包括：
壳体本体，所述壳体本体包括配合表面和增压室表面；
喷嘴供应通道，所述喷嘴供应通道限定在所述壳体本体内并且在所述配合表面和所述增压室表面之间延伸，使得在所述壳体本体的第一侧和第二侧之间提供流动连通；
腔体流动通道，所述腔体流动通道限定在所述壳体本体内并且在所述配合表面和所述增压室表面之间延伸，使得在所述第一侧和所述第二侧之间提供流动连通；以及
形成在所述壳体本体的所述配合表面上的第一密封件，其中所述第一密封件围绕所述喷嘴供应通道的排放开口定位，其中所述第一密封件包括围绕所述喷嘴供应通道的所述排放开口彼此同心地间隔开的多个密封构件。
13.根据权利要求12所述的发动机壳体，还包括至少一个密封流动通道，所述至少一个密封流动通道限定在所述壳体本体内并且在所述配合表面和所述增压室表面之间延伸，使得在所述第一侧和所述第二侧之间提供流动连通。
14.根据权利要求13所述的发动机壳体，其中所述至少一个密封流动通道包括围绕所述喷嘴供应通道周向地布置的多个密封流动通道。
15.根据权利要求12所述的发动机壳体，还包括限定在所述壳体本体内的接收槽。
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