CN109906309A

CN109906309A - 涡轮机的涡轮的冷却装置

Info

Publication number: CN109906309A
Application number: CN201780067619.6A
Authority: CN
Inventors: 巴普蒂斯特·玛丽·奥宾·皮埃尔·茹伊; 尼古拉斯·孔蒂尼; 阿诺·杜布利耶; 文森特·杜波伊斯·多罗吉; 塞巴斯蒂安·让·劳伦·帕莱斯特尔
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2016-11-04
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2019-06-18
Anticipated expiration: 2037-10-27
Also published as: FR3058459B1; EP3535479B1; US11698003B2; CN109906309B; US20210293179A1; WO2018083403A1; EP3535479A1; FR3058459A1

Abstract

本发明涉及一种用于沿一轴线延伸的涡轮机的涡轮的冷却装置(11)，其包括至少一个径向内金属板(14)以及一个径向外金属板(15)，这些金属板彼此相连，并在它们之间界定从一连接区域(16)沿周向延伸的冷却空气循环通道(17)，每个通道(17)都包括被设计成朝向一待冷却区域的至少一个空气入口以及空气喷射孔(19)，其特征在于，它包括用于冷却所述金属板的设备，所述设备包括用于循环冷却空气的至少一个冷却管道(21)，所述管道(21)位于所述金属板(14、15)的径向外侧，并接近或接触所述金属板，以使用在管道(21)中循环的冷却空气来冷却所述金属板，所述冷却管道(21)沿轴向延伸，并相对地布置。

Description

涡轮机的涡轮的冷却装置

技术领域

本发明涉及一种涡轮机，例如飞机涡轮喷气发动机，特别是涡轮风扇发动机的涡轮的冷却装置。

背景技术

一种涡轮风扇发动机通常包括风扇，以下部件在所述风扇下游延伸：

-主区段，主流在所述主区段中循环，所述主区段在主流循环的方向中经过低压压缩机、高压压缩机、燃烧室、高压涡轮和低压涡轮，所述主区段由在涡轮由涡轮壳体外部地界定，

-次区段，与所述主流不同的次流在所述次区段中循环，

低压涡轮具体地包括几个连续级，所述几个连续级包括叶轮和固定部件。叶轮具有一个其上安装有叶片的盘。叶片的端部通过一种由耐磨材料制成的固定环环绕，所述环连接到涡轮壳体。为了保证涡轮机的高效率，必须限制未经过不同级的叶轮的空气流，即必须限制在叶片的径向外端和由耐磨材料制成的环之间的泄漏。为此，需要控制在该接口的间隙，由于这种间隙主要取决于朝叶片的径向外端支撑该环的静止部件的温度。

来自燃烧室的主空气流非常热，并且加热下游部件，例如涡轮的静止和移动部件。

为了控制上述间隙并且避免涡轮的多种固定和移动部件的任何过早退化，需要提供能够很容易地集成到涡轮机环境内的有效冷却设备。

申请人名下的专利申请FR 2 867 806公开了一种用于冷却涡轮机的涡轮壳体的装置，其包括采样和供气的设备以及包括斜面的分配所采样空气的装置，所述斜面围绕涡轮机的轴线沿周向延伸。斜面通过也称为收集器的连接区域连接到空气采样和供给设备。每个斜面都具有沿该斜面分布的孔，其中被抽出的空气旨在从这些孔逃逸以冷却壳体。

所述孔沿每个斜面均匀地分布，因此流速在壳体的圆周周围是相对均匀的。

已经注意到，当空气沿斜面移动时，即当空气远离收集器移动时，空气通过所述收集器进入斜面，流过斜面的空气由其环境加热。例如，经过收集器附近的斜面区域的空气以及通过远离连接区域的斜面区域的空气的温度差可大于200℃。与收集器一定距离定位的壳体区域因此未很好地冷却并且受到明显的热应力。由于在较差冷却壳体区域中间隙的增加，这导致效率的损失。

为了避免这种情况，可以增加分布在壳体周围的收集器的数量。这减少了斜面内的温度差异。然而，这种解决方案影响了涡轮机的重量。

专利申请FR 2 416 345公开了一种冷却装置，其包括彼此连接、径向安装在由耐磨材料制成的环外侧的金属板。金属板在它们之间界定冷却空气循环通道，所述冷却空气循环通道包括朝耐磨材料环定向的空气喷射孔，以对其冷却。该冷却装置结构允许在不增加过多重量的情况下增加收集器的数量。

然而，已经注意到的是，金属板隔离了在金属板和耐磨材料之间的区域，并限制该区域中的空气循环，从而限制了散热，使得该区域相对很热，这不利于其使用寿命并且更通常地阻止了有关区域的有效冷却。这导致了散热受限的区域中壳体冷却的减少，以及对涡轮机效率的影响。

发明内容

本发明更具体地旨在为该问题提供一个简单、高效和经济有效的解决方案。

为此，它提供了一种用于沿轴线延伸的涡轮机涡轮的冷却装置，其包括至少一个径向内金属板以及一个径向外金属板，这些金属板彼此连接并在它们之间界定从连接区域沿周向延伸的诸多冷却空气循环通道，每个通道都包括被设计成朝待冷却区域定向的至少一个空气入口以及诸多空气喷射孔，其特征在于，它包括用于冷却所述金属板的设备，所述设备包括用于循环冷却空气的至少一个冷却管道，所述管道径向地定位在所述金属板外侧并且接近或接触所述金属板，以使用管道中循环的冷却空气来冷却所述金属板，所述冷却管道轴向地延伸并朝所述通道的圆周端部区域布置。

例如，所述管道包括连接到所述金属板的至少一个管或一个管道。

例如，所述金属板的空气喷射孔的直径在0.5与1毫米之间。

每个冷却管道可具有朝所述金属板定向的至少一系列冷却空气喷射孔。

来自管道的空气通过撞击冷却金属板，使得金属板的温度均匀。特别地，冷却管道允许在通道的圆周端部冷却这些金属板，即在金属板最热的区域。以这种方式，在连接区域然后通道内循环的冷却空气的温度在整个行程中保持相对均匀。金属板的更好冷却也有助于从待冷却壳体朝冷却通道的热辐射，其从而有效地排出热量并且有助于壳体的均匀和有效冷却。壳体的这种均匀冷却降低了局部膨胀的影响，并且因此降低了壳体中产生的热应力和机械应力，从而提高了壳体的使用寿命。

连接区域对应于一种供给多种通道的空气分配器或收集器。

管道轴向地延伸并横过冷却通道。应该注意的是，术语“轴向”还包括管道相对于涡轮机的轴线倾斜地延伸的情况，前提是存在一个允许所述管道横过冷却通道的轴向组件。

例如，这些孔被设计成实现高空气喷射速度。例如，管道孔的直径在0.5与1毫米之间。

每个管道可具有几个系列的冷却空气喷射孔，每个系列沿一条线延伸，不同系列的线至少局部地彼此平行。

这改进了冷却空气在必须冷却的金属板上的分布。

每个冷却管道可以接触至少一个金属板以交换热量，特别地通过在管道和金属板之间的传导。在这种情况下，冷却管道优选地由良好的热导体材料制成。

这些实施例可以减小冷却装置的径向整体尺寸。

当然，可以将通过在管道和金属板之间接触的热交换以及通过来自管道喷射孔的空气流对金属板的撞击的热交换结合起来。

每个管道可以插入在彼此连接的两个金属板之间。

在本例中，管道嵌入在金属板之间。

该装置可包括彼此连接以形成护罩的至少一个径向内金属板和至少一个径向外金属板，所述护罩环绕待冷却区域。

护罩因此延伸超过360°。其可被划分为扇区。

两个金属板可具有至少一个区域，其中这些金属板间隔开以界定一个通道，以及这些金属板彼此密封地连接的区域。

在本例中，金属板可具有通过定位在金属板彼此连接的区域中的这两个金属板的空气喷射孔。这些孔允许金属板内的热空气径向地排出到金属板外侧的区域。

所述金属板可以限定用于接收冷却空气的至少一个连接区域，至少两个冷却空气循环通道从所述连接区域延伸。

每个冷却管道的横截面在70mm²与500mm²之间，每个冷却空气循环通道的横截面在70mm²与500mm²之间。

在限制装置的质量同时，这种区段允许有效的冷却。

每个冷却管道可以与径向外金属板径向地间隔3到6mm。

本发明还涉及一种涡轮机涡轮的组件，包括均匀地分布在涡轮机轴线周围的上述类型的至少两个装置，优选地在两个与五个装置之间。

在本例中，所述金属板可以是角扇区。不同的扇区可以彼此连接或连接，例如通过焊接。不同的角扇区可以形成一种环形组件，来自所述环形组件的不同扇区的金属板可形成为单件。所述组件然后可以包括单件中的环形金属板以及单件中的外环形金属板，这些板界定分布在圆周上的几个连接区域，以及从每个连接区域沿周向延伸的通道。

这种结构使得可限制循环通过每个连接区域和每个冷却通道的冷却空气流，其中冷却空气流分布在不同的连接区域或通道上。这减少了压力降，并且因此改进了壳体冷却效率。

本发明还涉及一种涡轮风扇发动机，其包括风扇，以下元件在所述风扇的下游延伸：

-主区段，主流在所述主区段中循环，所述主区段特别地在主流循环的方向中经过压缩机、燃烧室和涡轮，所述涡轮包括涡轮壳体，

-次区段，与所述主流不同的次流在所述次区段中循环，

其特征在于，所述涡轮包括径向地定位在所述壳体外部的上述类型的冷却装置，空气采样和供给设备，所述空气采样和供给设备能够从次区段获取空气并将其引导到每个冷却空气循环通道内以及到所述装置的冷却管道内。

次级空气流并不经过压缩机和燃烧室，因此其处于相对较低的温度。这些空气因此可被抽出并用于有效地冷却涡轮的期望区域。

附图说明

在阅读了参考附图经由非限制性实施例给出的以下描述后，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点将变得显而易见，其中：

图1是根据本发明一个实施例的涡轮风扇的一部分的轴向剖面图；

图2是冷却装置的透视图；

图3是根据本发明一个实施例的装置的一部分的示意图；

图4是图3装置的一部分的剖面图，

图5是对应于图3的视图，示出了本发明的另一实施例，

图6是对应于图3的视图，示出了本发明的又一实施例，

图7是图6装置的一部分的剖面图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的涡轮风扇发动机，特别是低压涡轮机1的一部分。这包括一个具有轮2的转子，所述轮2通过环形法兰3轴向地彼此相连，每个轮包括一个承载叶片5的盘4。

诸多环形行的固定桨叶6通过适当的方式在它们的径向外端安装在活动轮2之间的低压涡轮机1的壳体7上。

承载耐磨材料的环8环绕每个叶轮2的叶片9的外周。

如先前所提到的，在主区段10中循环的来自燃烧室的主空气流F1显著地加热壳体7和环8。

为了确保壳体7的冷却，涡轮风扇包括一个在图1中未示出但在图2至4中可见的冷却装置11。

这包括空气采样和供给设备，该设备包括一个例如在涡轮喷气发动机的次区段中设置有孔开口以抽取冷空气的通气口，以及具体包括弯曲区域12的连接或分配构件。空气采样和供给设备还包括控制阀，该控制阀可根据发动机转速和/或飞行情况被控制，例如，为调节样品流速的目的。

装置11包括一种由至少两个金属板14、15，分别为径向内金属板14和径向外金属板15，的组件所形成的护罩13。金属板14、15是环形的。

如在图4中最佳显示的那样，金属板14、15包括金属板14、15间隔开以界定连接区域16和冷却空气循环通道17的诸多区域，以及金属板14、15彼此密封地连接的诸多区域18。

每个连接区域16用于接收来自空气采样和供给设备的冷却空气，几个冷却空气循环通道17从每个连接区域16沿周向延伸，例如在每个连接区域16的任一侧上沿周向延伸。连接区域16和通道17的形状、分布和尺寸可根据应用而变化。

每个通道17均包括朝向待冷却区域，例如朝向涡轮壳体7的空气喷射孔19，使得流过通道17的冷却空气通过孔19喷射，并撞击待冷却区域。

金属板14、15包括定位在区域18中的经过两个金属板14、15的空气喷射孔20，在所述区域18中金属板14、15彼此相连。孔20使得在金属板14、15径向内侧的热空气可以排出到在金属板14、15径向外侧的区域。

冷却装置还包括管道21，来自空气采样和供给设备的冷却空气穿过所述管道21，所述管道21包括朝向金属板14、15的喷射孔22。穿过管道21并喷射通过所述孔22的冷却空气撞击径向外金属板15，从而有效地冷却金属板14、15。

管道21的形状、尺寸和分布可根据应用而变化。在图3和4所示的实施例中，每个连接区域16均沿轴线，即涡轮机的轴线延伸，每个管道21均沿一个平行于连接区域16的轴线延伸。通道17至少局部地垂直于连接区域16的轴线延伸。

每个冷却管道均可沿径向与径向外金属板15间隔开3至6毫米之间的距离。

每个通道17的喷射孔19均可以沿一条与所述通道17的轴线对应的线分布。此外，每个管道21的喷射孔22均可以沿与管道21的轴线对应的轴线分布。

金属板14、15的空气喷射孔19的直径在例如0.5与1毫米之间。

管道21中的空气喷射孔22的直径在例如0.5与1毫米之间。

管道21例如具有圆形的横截面，直径在0.5与1毫米之间。

根据图5中所示的一个实施例，每个管道21均可具有几串冷却空气喷射孔，例如三串，每串均沿一条线延伸，不同串的线至少局部地彼此平行。此外，每串孔也可以交错的方式分布。

这改进了冷却空气在金属板14、15上的分布，增加了撞击金属板14、15的空气的流量。

在这些实施例中，管道21可由管或管道形成，所述管或管道可例如通过支架或垫片连接到金属板14、15上。

图6和7显示一实施例，其中管道21与金属板14、15的至少一个接触，例如与径向外金属板15接触。例如，每个管道21均被焊接到相应的金属板15上。然后，管道21可不具有喷射孔，通过热传导进行热交换。

每个管道21的直径优选相对较小，例如在5至15毫米之间，以使传导热交换最大化。每个管道21的横截面也可适于相关的金属板15，以使接触横截面最大。

根据未示出的替代实施方案，每个管道21均与内金属板14接触或插入在两个金属板14、15之间。

Claims

1.一种用于沿一轴线延伸的涡轮机的涡轮的冷却装置(11)，包括至少一个径向内金属板(14)以及一个径向外金属板(15)，所述径向内金属板(14)和径向外金属板(15)彼此相连，并在它们之间界定从一连接区域(16)沿周向延伸的冷却空气循环通道(17)，每个通道(17)均包括至少一个空气入口以及被设计成朝向一待冷却区域的空气喷射孔(19)，其特征在于，它包括用于冷却所述金属板(14、15)的设备，所述设备包括用于循环冷却空气的至少一个冷却管道(21)，所述管道(21)沿径向位于所述金属板(14、15)外侧，并接近或接触所述金属板(14、15)，以使用在管道(21)中循环的冷却空气来冷却所述金属板(14、15)，所述冷却管道(21)沿轴向延伸，并朝向所述通道(17)的周向端部区域布置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个冷却管道(21)均包括朝向所述金属板(14、15)的至少一串冷却空气喷射孔(22)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，每个管道(21)均包括多串冷却空气喷射孔(22)，每串均沿一条线延伸，不同串的线至少局部地相互平行。

4.根据权利要求1至3中任何一项所述的装置，其特征在于，每个冷却管(21)接触至少一个金属板(14、15)，以交换热量，特别是通过在管道与金属板(15)之间的传导来交换热量。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，每个管道(21)均插入在相互连接的两个金属板(14、15)之间。

6.根据权利要求1至5中任何一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括至少一个径向内金属板(14)以及至少一个径向外金属板(15)，所述径向内金属板(14)和径向外金属板(15)相互连接，以形成一环绕一待冷却区域的护罩。

7.根据权利要求1至6中任何一项所述的装置，其特征在于，所述两个金属板(14、15)包括至少一个区域(16、17)和区域(18)，在所述区域(16、17)中所述金属板(14、15)相互间隔开，以限定一个通道，在所述区域(18)中，所述金属板(14、15)密封地相互连接。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述金属板(14、15)包括穿过所述两个金属板(14、15)的空气喷射孔(20)，所述空气喷射孔位于其中所述金属板(14、15)相互连接的区域(18)中。

9.根据权利要求1至8中任何一项所述的装置，其特征在于，所述金属板(14、15)限定用于接收冷却空气的至少一个连接区域(16)，至少两个冷却空气循环通道(17)从所述连接区域(16)延伸。

10.根据权利要求1至9中任何一项所述的装置，其特征在于，每个冷却风道(21)的横截面均在70mm²与500mm²之间，每个冷却空气循环通道(17)的横截面均在70mm²与500mm²之间。

11.一种涡轮机涡轮的组件，包括至少两个根据权利要求1至10中任何一项所述的装置，围绕涡轮机的轴线均匀地分布，优选在两个与五个装置之间。

12.一种涡轮风扇发动机，其包括风扇，以下元件在所述风扇的下游延伸：

-主区段(8)，主流(F1)在所述主区段(8)中循环，所述主区段(8)穿过，特别是沿着主流(F1)循环的方向，压缩机、燃烧室和涡轮(1)，所述涡轮(1)包括涡轮壳体(7)，

-次区段，与所述主流不同的次流在所述次区段中循环，

其特征在于，所述涡轮包括位于所述壳体(7)的径向外侧的根据权利要求1至10中任何一项所述的冷却装置(11)，空气采样和供给设备，所述空气采样和供给设备能够从次区段抽取空气，并将其引导到每个冷却空气循环通道(17)中，以及引导到所述装置(11)的冷却管道(21)中。