CN109415946B - 冷却可旋转构件的气体压缩机和方法 - Google Patents

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Abstract

冷却封闭在壳体中的可旋转构件，尤其是形成为燃气涡轮一部分的气体压缩机的转子，的设备和方法。气体压缩机包括：转子(234)；多个压缩级，所述多个压缩级沿着所述转子从入口级延伸到出口级，所述入口级被构造成用以接纳较低压力的气体流，所述出口级被构造成用以排出较高压力的气体流；壳体，所述壳体至少部分地围绕所述多个级；以及导管(284，310)，所述导管从所述壳体沿径向向内延伸到所述转子附近的区域。

Description

冷却可旋转构件的气体压缩机和方法
背景技术
本发明整体涉及涡轮发动机，更具体地，本发明涉及减缓涡轮风扇发动机的热转子弯曲的形成的系统和方法。
已知的涡轮风扇发动机经历若干不同的操作阶段，包括但不限于启动、暖机、稳定状态、停机和冷却。根据附接有涡轮风扇发动机的飞行器的使用，涡轮风扇发动机可能一天循环经过不同的操作阶段若干次。例如，当乘客从飞行器下来时，为了安全的目的，商业客用飞行器在航班之间通常关闭其发动机。因此，残留的热保留在飞行器的发动机中，这可能导致被称为热转子弯曲的现象。热转子弯曲通常由涡轮风扇发动机的旋转部件(例如旋转驱动轴)中的变形来限定。由于发动机启动期间涡轮风扇发动机的旋转部件和静止部件之间的刮擦和/或接触相关的损坏，涡轮风扇发动机的旋转部件中的变形可能导致性能下降，由此降低涡轮风扇发动机的使用寿命。
在发动机停机之后和允许发动机完全冷却之前，热转子弯曲尤其突出。此外，许多已知的涡轮风扇发动机在启动期间不能够自然地减缓热转子弯曲，原因在于现代商业涡轮风扇的设计倾向于具有较高的旁通比和较大的长度-直径比。更具体地，增加涡轮风扇发动机的长度-直径比便于将旋转组件的谐振频率减小到可能低于发动机的怠速。在存在热转子弯曲的情况下，这将在发动机启动期间产生振动响应。除了对发动机部件的物理损伤之外，这样的振动响应可能导致不期望的飞行器水平效应。一种减缓热转子弯曲的已知方法是以启动器马达来驱动涡轮风扇发动机，以便在燃料引入和后续前进到怠速之前减小转子弯曲的烈度。然而，在启动期间监测具有启动马达的涡轮风扇发动机可能是耗时的且麻烦的过程。另一个已知的减少热转子弯曲的方法是将冷却流体引入到一个压缩机排出端口中，以置换发动机内的热空气。然而，引入到压缩机排出端口中的冷却流体通常没有被引导到燃气涡轮发动机中能够便于减缓热转子弯曲的正确的位置。
发明内容
在一个方面中，气体压缩机包括：转子；多个压缩级，所述多个压缩级沿着所述转子从入口级延伸到出口级，所述入口级被构造成用以接纳较低压力的气体流，所述出口级被构造成用以排出较高压力的气体流；壳体，所述壳体至少部分地围绕所述多个级；以及导管，所述导管从所述壳体沿径向向内延伸到所述转子附近的区域。
在另一个方面中，燃气涡轮发动机包括芯部发动机，所述芯部发动机包括多级压缩机，所述多级压缩机包括多个压缩级，所述多个压缩级沿着所述多级压缩机的转子从入口级延伸到出口级，所述入口级被构造成用以接纳较低压力的气体流，所述出口级被构造成用以排出较高压力的气体流。燃气涡轮发动机还包括：壳体，所述壳体至少部分地围绕所述多个级；以及导管，所述导管从所述壳体沿径向向内延伸到所述转子附近的区域。
在又一个方面中，一种冷却封闭在壳体中的可旋转构件的方法，其中所述可旋转构件包括沿着旋转轴线对准的转子，所述方法包括：形成穿过所述壳体的孔口；将导管联接到所述壳体的径向内表面，所述导管与所述孔口对准并且延伸到所述转子附近；以及将配合件联接到所述壳体的外表面，所述配合件与所述孔口和所述导管对准。
附图说明
当参考附图阅读以下的详细说明时，本公开的这些和其它特征、方面和优点将得到更好的理解，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件，其中：
图1为飞行器的透视图。
图2为图1所示的燃气涡轮发动机的示意性横截面图。
图3为根据本发明示例性实施例的图2所示的燃烧器模块以及HP压缩机和HP压缩机的一部分的侧正视图。
除非另外指明，否则本文提供的附图用来示出本发明的实施例的特征。这些特征据信能够应用于各种各样的系统，包括本发明的一个或多个实施例。因此，附图并不用来包括本领域普通技术人员已知的用于实施本文公开的实施例所需的所有常规特征。
具体实施方式
在以下的说明书和权利要求中，将参考多个术语，这些术语应当被限定为具有以下的含义。
单数形式“一”、“该”和“所述”包括指代复数，除非上下文另有清晰的表示。
术语“可选的”或“可选地”指的是，接下来描述的事件或情形可能出现或者可能不出现，并且该描述包括所述事件或情形出现的例子以及不出现的例子。
如本文说明书和权利要求中所用的大约化的语言可以用来修改任何数量上的表示，这允许能够进行改变，而不会导致相关的基本功能的变化。因此，由诸如“大约”、“大致”和“基本上”的术语修改的值并不限于所指定的精确值。至少在某些情况下，大约化的语言可以对应于测量该值的仪器的精度。在这里和整个说明书和权利要求，范围限制可以是组合的和/或互换的，这样的范围被认为包括其中所含有的所有的子范围，除非文本或语言另外表明。如在此所用的，“附近”指的是接近、相邻、邻接、靠近、贴近、邻近、在……上、与……接触等。“附近”指的是位置参照，在该位置处，一个部件能够影响与其接近的另一个部件。例如，在本发明中，当例如通过导管引导的流体能够通过喷射或任何冷却方法影响一部件时，该导管在该部件附近。
本发明的实施例涉及用于减缓可旋转机器(例如但不限于燃气涡轮发动机)中热转子弯曲形成的系统和方法。更具体地，本文所述的系统和方法在停机之后从涡轮风扇发动机内排出残留的热，以减小其中的热不平衡，从而抑制热转子弯曲的形成。通过将冷却流体流引导到涡轮风扇发动机的预先确定为热转子弯曲形成的关注区域的区域，将残留的热从涡轮风扇发动机中排出，使得燃气涡轮发动机能够以更快且更有效的方式进行冷却。冷却流体流还降低了静止转子的顶部部分和静止转子的底部部分之间的温差。因此，本文所述的系统和方法提供了飞行后转子弯曲减缓过程，其至少部分地防止形成热转子弯曲。此外，虽然以涡轮风扇发动机的内容进行了描述，但是应当理解，本文所述的系统和方法也可以应用于齿轮涡轮风扇(GTF)发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷射发动机、以及需要减缓热转子弯曲的任何其它发动机或可旋转机器。
图1为飞行器100的透视图。在示例性实施例中，飞行器100包括机身102，该机身包括鼻部104、尾部106以及在鼻部和尾部之间延伸的中空的长形本体108。飞行器100还包括翼部110，该翼部沿侧向方向112延伸离开机身102。翼部110包括在正常飞行期间沿着飞行器100的运动方向116的前方前边缘114以及处于翼部110的相对边缘上的后方后边缘118。飞行器100还包括至少一个发动机120，所述发动机被构造成用以驱动可旋转叶片构件122或风扇以产生推力。在各种实施例中，发动机120可以以涡轮螺旋桨或涡轮风扇构造实施为燃气涡轮发动机，并且还可以实施为具有开放推进器或风扇构造的电动马达。发动机120还可以被构造为燃气涡轮发动机/电动马达的混合体。发动机120例如在尾部106附近的推进构造中联接到翼部110和机身102中的至少一个。
图2为根据本发明示例性实施例的燃气涡轮发动机120的横截面示意图。在示例性实施例中，燃气涡轮发动机120实施为高旁通涡轮风扇喷射发动机。如图2所示，涡轮风扇发动机120限定了轴向方向A(与供参考的纵向轴线202平行地延伸)和径向方向R。整体上，涡轮风扇120包括风扇组件204和设置在风扇组件204下游的芯部涡轮发动机206。
在示例性实施例中，芯部涡轮发动机206包括大致管状的外部壳体208，该外部壳体限定了环形入口220。外部壳体208以串行流动关系包围：压缩机部段，其包括增压器或低压(LP)压缩机222和高压(HP)压缩机224；燃烧器模块226；涡轮部段，其包括高压(HP)涡轮228和低压(LP)涡轮230；以及喷射排出喷嘴部段232。高压(HP)轴或线轴234将HP涡轮228驱动地连接到HP压缩机224。低压(LP)轴或线轴236将LP涡轮230驱动地连接到LP压缩机222。压缩机部段、燃烧器模块226、涡轮部段，和喷嘴部段232一起限定了芯部空气流动路径237。
在示例性实施例中，风扇组件204包括可变桨距风扇238，该可变桨距风扇具有多个风扇叶片240，这些风扇叶片以间隔开的关系联接到盘242。风扇叶片240从盘242沿径向向外延伸。借助于风扇叶片240操作地联接到合适的变桨机构(PCM)244，每个风扇叶片240能够相对于盘242绕变桨轴线P旋转，该变桨机构被构造成用以改变风扇叶片240的桨距。在其它实施例中，变桨机构(PCM)244被构造成用以一致地共同改变风扇叶片240的桨距。借助于跨过动力齿轮箱246的LP轴236，风扇叶片240、盘242和变桨机构244一起能够绕纵向轴线202旋转。动力齿轮箱246包括多个齿轮，以用于将风扇238相对于LP轴236的旋转速度调节到更加高效的风扇旋转速度。
盘242由可旋转的前毂248覆盖，该前毂的轮廓在空气动力学上形成为用以促进空气流通过多个风扇叶片240。另外，风扇组件204包括环形风扇壳体或外部机舱250，其沿周向围绕风扇238和/或芯部涡轮发动机206的至少一部分。在示例性实施例中，机舱250被构造成用以相对于芯部涡轮发动机206由多个周向间隔开的出口引导轮叶252支撑。此外，机舱250的下游部段254可以在芯部涡轮发动机206的整个外部部分上延伸，以便在它们之间限定旁通空气流通道256。
在涡轮风扇发动机120的操作期间，一定体积的空气258通过机舱250的相关联的入口260和/或风扇组件204进入涡轮风扇120。当所述一定体积的空气258穿过风扇叶片240时，所述一定体积的空气258的第一部分262被引导或导向到旁通空气流通道256中，所述一定体积的空气258的第二部分264被引导或导向到芯部空气流动路径237中，或者更具体地被引导或导向到LP压缩机222中。第一部分262和第二部分264之间的比率通常称为旁通比。然后，第二部分264的压力随着其被引导通过高压(HP)压缩机224进入燃烧器模块226而增大，在燃烧器模块处，该第二部分与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体266。
燃烧气体266被引导通过HP涡轮228，在该HP涡轮处，经由联接到外部壳体208的HP涡轮定子轮叶268和联接到HP轴或线轴234的HP涡轮转子叶片270的顺序级从燃烧气体266提取一部分热能和/或动能，从而使得HP轴或线轴234旋转，然而驱动HP压缩机224旋转。然后，燃烧气体266被引导通过LP涡轮230，在该LP涡轮处，经由联接到外部壳体208的LP涡轮定子轮叶272和联接到LP轴或线轴236的LP涡轮转子叶片274的顺序级从燃烧气体266提取热能和/或动能的第二部分，以驱动LP轴或线轴236和LP压缩机222旋转和/或驱动风扇238旋转。
接下来，燃烧气体266被引导通过芯部涡轮发动机206的喷射排出喷嘴部段232，以提供推进推力。同时，在从涡轮风扇120的风扇喷嘴排出部段276排出之前，第一部分262的压力随着第一部分262被引导通过旁通空气流通道256而显著增大，这也提供了推进推力。HP涡轮228、LP涡轮230和喷射排出喷嘴部段232至少部分地限定了热气体路径278，该热气体路径用于将燃烧气体266引导穿过芯部涡轮发动机206。
在停机操作模式期间，在涡轮风扇发动机120操作期间产生的热在芯部涡轮发动机206中主要沿竖直取向的方向形成温度梯度。如果没有通过将冷却流体流引导到转子HP轴或线轴234附近来进行减缓，那么该温度梯度可以导致HP压缩机224、HP轴或线轴234以及HP涡轮228中的至少一者弯曲，该冷却流体流为例如但不限于调节空气或非调节空气。直接到达转子轴区域的冷却流体流减小了在其直接施加点处的温度梯度，并且置换冷却流体流被引导到的芯部涡轮发动机206的区域中的热空气。在示例性实施例中，冷却流体流被引导到转子附近的区域，在该区域处可以实现大量的冷却效率。例如，利用相应的导管280、282和284，一个或多个导管可以在入口级292和出口级294之间、在HP压缩机224上游或者在HP压缩机224下游插入到HP压缩机224中。HP压缩机224外部的相应的配合件286、288、290用来联接到冷却流体流源(图2中未示出)。冷却流体源是当涡轮风扇发动机120停机并且HP轴或线轴234静止或逐渐停止时使用的临时供应装置。在一些实施例中，冷却流体源是当涡轮风扇发动机120和HP轴或线轴234仍然旋转而例如逐渐到达静止状态时或者当利用发动机启动器马达、空气马达或其它回转装置构造缓慢旋转时使用的临时供应装置。
涡轮风扇发动机120在图1中仅仅以举例的方式示出，在其它示例性实施例中，涡轮风扇发动机120可以具有任何其它合适的构造，包括例如涡轮螺旋桨发动机、军用发动机和旋转飞行器动力设备。
图3为根据本发明示例性实施例的燃烧器模块226和HP压缩机224的一部分的侧正视图。在示例性实施例中，壳体302至少部分地围绕HP压缩机224的至少一个级304、HP压缩机排放腔体306和燃烧器模块226。在示例性实施例中，第一导管284从壳体302沿径向向内延伸到转子234附近的腔体308，如图所示，或者除了腔体308之外或代替腔体308的是，可以引导设置成将冷却流体供应到发动机120的其它区域。第二导管310从壳体302沿径向向内延伸到压缩机排放压力(CDP)腔体312，压缩机后轴314形成该腔体的壁。第一导管284和第二导管310可以由两种单独的管道形成，彼此独立地引导，或者可以在其相应长度的至少一部分上由单个管道形成。如果形成为单个管道，那么导管284和310被构造成用以分支分开，以将相应的流引导到腔体308以冷却前方HP涡轮前轴234和/或引导到CDP腔体312以冷却HP压缩机后轴314。
孔口316延伸穿过壳体302而延伸到HP压缩机排放腔体306中。导管284和/或导管310联接到与孔口316流动连通的壳体302。在导管284和310实施为单独管道的实施例中，孔口316可以包括两个单独的孔口，所述单独的孔口中的每个孔口容纳一个导管284和310。
导管284和310可以由单独的冷却流体供应装置供应，或者可以通过接头和阀组件318联接在一起。在一个实施例中，冷却流体可以在操作期间从HP压缩机排出供应装置320被引导穿过导管284。然后，在停机期间，可以通过关闭阀322而固定来自HP压缩机排出供应装置320的冷却流体流。在停机期间，导管284可以从同一个飞行器上的另一个操作的发动机、地面供应装置、服务车和类似物，通过阀326，利用冷却流体临时供应装置324进行供应。另外，在停机期间，导管310可以通过阀328从临时供应装置324进行供应，以将冷却流体引导到CDP腔体312，并直接引导到压缩机后轴314上或附近。在各种实施例中，HP涡轮228可以在不存在HP压缩机224的情况下操作。在该实施例中，导管284可以用来将冷却流体喷射到前方涡轮轴234上。
在示例性实施例中，导管284和310沿轴向定位在CDP腔体312附近的出口级294后方。在其它实施例中，导管284沿轴向定位在入口级292和出口级294之间。
在发动机120停机期间和之后将冷却流体直接提供到压缩机后轴314及其紧邻的地方提供了冷却，该冷却减缓了HP轴234的竖直上侧和HP轴234的竖直下侧之间的温差。通过冷却流体流减小温差减少(如果没有消除)了HP转子234的弯曲，以允许接下来更快速的启动。当定位在LP转子236的区域附近时，冷却流体流为LP轴236提供类似的优点。
在操作期间，腔体308和/或CDP腔体312与壳体302外侧的环境空气之间存在显著的压差。为了防止空气流反向流过导管284和310，阀322、326和328被控制成仅仅当来自一个冷却流体供应装置的压力足以提供穿过导管284和310的向前冷却流体流时打开。在另一个实施例中，止回阀可以安装在导管284和310中，以防止穿过导管284和310的不期望的反向流动。
根据本发明实施例的实施转子冷却系统的方法，其中可旋转构件234、236封闭在壳体208中并且包括沿着旋转轴线202对准的转子234、236，所述方法可以包括：形成穿过壳体208的孔口316；将导管284、310联接到壳体208的径向内表面，该导管与孔口316对准并延伸到转子234、236附近；以及将配合件290联接到壳体208的外表面，该配合件与孔口和导管284、310对准。冷却流体流的源324可以联接到配合件290，来自源324的冷却流体流可以通过导管284、310被引导到转子234、236附近的腔体或区域308、312。在一些实施例中，当转子234、236静止或从操作速度逐渐减速时，冷却流体流被引导到转子234、236附近的腔体或区域308、312。另外，当转子234、236通过除了燃烧器模块226中产生的废气之外的装置转动时，可以供应冷却流体流。这样的装置可以实施为回转马达、启动器马达、临时空气马达和类似物。冷却流体源324可以具体为到配合件290的冷却流体流临时源324。导管284、310可以包括多个冷却孔330，这些冷却孔沿着相应的导管284、310的长度间隔开和/或围绕导管284、310沿周向间隔开。
上述排出系统提供用于冷却燃气涡轮发动机部件的有效方法，该部件为例如但不限于燃气涡轮发动机压缩机，更具体地，燃气涡轮发动机的高压转子。具体地，上述燃气涡轮发动机转子冷却系统包括：配合件，其能够联接到冷却流体源；导管，其被构造成用以在燃气涡轮发动机停机之后将冷却流体流引导到高残留热的预定位置附近。
尽管可能在某些附图中示出而在其它附图中没有示出本发明各种实施例的特征，但是这仅仅是为了方便的目的。根据本发明的原理，附图的任何特征可以与任何其它附图的任何特征结合起来进行参考和/或要求保护。
书写的说明书利用实例来公开实施例，包括最佳模式，并且还使得本领域任何技术人员能够实施这些实施例，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其它例子。如果这样的其它例子具有与权利要求的文字语言不是不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的文字语言差别不太明显的等同结构元件，那么它们将处于权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种气体压缩机，其包括：
转子；
多个压缩级，所述多个压缩级沿着所述转子从入口级延伸到出口级，所述入口级被构造成用以接纳较低压力的气体流，所述出口级被构造成用以排出较高压力的气体流；
壳体，所述壳体至少部分地围绕所述多个级；
第一导管，所述第一导管从所述壳体沿径向向内延伸到所述转子附近的腔体，以冷却涡轮前轴；以及
第二导管，所述第二导管从所述壳体沿径向向内延伸到压缩机排放压力(CDP)腔体，以冷却压缩机后轴；
其中，所述第一导管和所述第二导管被构造成用以在所述气体压缩机停机之后引导冷却流体流。
2.根据权利要求1所述的气体压缩机，其中，所述壳体包括贯穿其延伸的孔口，所述导管围绕所述孔口联接到所述壳体。
3.根据权利要求1所述的气体压缩机，其中，所述导管沿轴向定位在所述出口级的后方。
4.根据权利要求1所述的气体压缩机，其中，所述导管沿轴向定位在所述入口级的前方。
5.根据权利要求1所述的气体压缩机，其中，所述导管沿轴向定位在所述入口级和所述出口级之间。
6.根据权利要求2所述的气体压缩机，其中，所述壳体包括配合件，所述配合件处于所述壳体的外部并且与所述孔口对准。
7.一种燃气涡轮发动机，其包括：
多级压缩机，所述多级压缩机包括压缩机转子和多个压缩级，所述多个压缩级沿着所述压缩机转子从入口级延伸到出口级，所述入口级被构造成用以接纳较低压力的气体流，所述出口级被构造成用以排出较高压力的气体流；
涡轮转子，所述涡轮转子利用高压(HP)轴联接到所述多级压缩机；
壳体，所述壳体至少部分地围绕所述多级压缩机和所述涡轮；
第一导管，所述第一导管从所述壳体沿径向向内延伸到所述压缩机转子和所述涡轮转子中的至少一者附近的区域，以及
第二导管，所述第二导管从所述壳体沿径向向内延伸到压缩机排放压力(CDP)腔体；
其中，所述第一导管和所述第二导管被构造成用以在所述燃气涡轮发动机停机之后引导冷却流体流。
8.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其中，所述壳体包括贯穿其延伸的孔口，所述导管联接到所述壳体以围绕所述孔口。
9.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其中，所述导管沿轴向定位在所述出口级的后方。
10.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其中，所述导管沿轴向定位在所述入口级的前方。
11.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其中，所述导管沿轴向定位在所述入口级和所述出口级之间。
12.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机，其中，所述壳体包括配合件，所述配合件处于所述壳体的外部并且与所述孔口对准。
13.一种冷却封闭在壳体中的可旋转构件的方法，所述可旋转构件包括沿着旋转轴线对准的转子，所述方法包括：
形成穿过所述壳体的孔口；
将导管联接到所述壳体的径向内表面，所述导管与所述孔口对准，所述导管包括第一导管和第二导管，所述第一导管从所述壳体沿径向向内延伸到所述转子附近的腔体，所述第二导管从所述壳体沿径向向内延伸到压缩机排放压力(CDP)腔体；
将配合件联接到所述壳体的外表面，所述配合件与所述孔口和所述导管对准；
将冷却流体流的源联接到所述配合件；以及
通过所述导管将冷却流体流从所述源引导到所述转子附近的腔体和压缩机排放压力(CDP)腔体，其中，引导冷却流体流包括当所述转子静止时引导冷却流体流。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，将冷却流体流的源联接到所述配合件包括将冷却流体流的临时源联接到所述配合件。
15.一种形成封闭在壳体中的可旋转构件的方法，所述可旋转构件包括沿着旋转轴线对准的转子，其中，穿过所述壳体形成孔口，有导管联接到所述壳体的径向内表面，所述导管与所述孔口对准，所述导管包括第一导管和第二导管，所述第一导管从所述壳体沿径向向内延伸到所述转子附近的腔体，所述第二导管从所述壳体沿径向向内延伸到压缩机排放压力(CDP)腔体，有配合件联接到所述壳体的外表面，所述配合件与所述孔口和所述导管对准，所述方法包括：
将冷却流体流的源联接到所述配合件；以及
在燃气涡轮发动机停机之后，通过所述导管将所述冷却流体流从所述源引导到所述转子附近的腔体和压缩机排放压力(CDP)腔体。
16.根据权利要求15所述的方法，其还包括：联接导管，所述导管包括沿着所述导管的长度间隔开的多个孔口。
17.根据权利要求15所述的方法，其还包括：联接导管，所述导管包括围绕所述导管沿周向间隔开的多个孔口。
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