CN114483317A - 用于涡轮机械构件的冷却结构 - Google Patents

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J.M.霍夫曼
J.R.特里默
D.R.乔纳森
M.S.兹拉蒂奇
P.J.隆内曼
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Abstract

一种燃气涡轮发动机，其包括涡轮机械核心，该涡轮机械核心可操作以产生核心气流且其包括燃烧器。第一导管定位在燃烧器的下游且与燃烧器流动连通。构件定位在第一导管内且在第一导管的径向向外的壁与径向向内的壁之间延伸。构件包括形成于其中的第一冷却通道。第一冷却通道在与第一导管连通且面向涡轮机械核心定位的入口和与降压器连通的出口之间延伸。

Description

用于涡轮机械构件的冷却结构
本申请是2019年4月2日提交的（优先权日为2018年4月2日）申请号为201910261927.3、发明名称为“用于涡轮机械构件的冷却结构”的中国专利申请的分案申请。
关于联邦政府资助研究与开发的声明
根据由空军部授予的编号为FA8626-16-C-2138的合同，美国政府可在本发明中享有某些权利。
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机中的热区段涡轮机械构件，且更具体地涉及涡轮机械构件的冷却结构。
背景技术
按顺序流顺序，涡轮机械包括：压缩机、燃烧器和一个或多个涡轮。在操作期间，空气通过压缩机被压缩且在燃烧器中与燃料混合。燃料在燃烧器中被点燃，生成热的高能量燃烧气体，其向下游流过涡轮级。涡轮级从这些燃烧气体中提取能量。
为了延长涡轮叶片和其它热区段构件的使用寿命且降低发动机操作成本，这些构件的部分(例如，涡轮叶片末梢和压缩机导叶)通常采用“主动冷却”。这种类型的冷却常规上通过从发动机的某其它部分(诸如，压缩机)放掉处于相对低的温度下的加压空气来实现。冷却可通过使放出空气穿过待冷却的构件来实现。
关于主动冷却的一个问题是，放出空气的使用就整体燃料消耗而言是昂贵的。
发明内容
这些问题中的至少一个由包括构造成至少部分地通过从热气流去除的气体来冷却的构件的发动机解决。
根据本文中描述的技术的一个方面，燃气涡轮发动机包括涡轮机械核心，其可操作以产生核心气流且其包括燃烧器。第一导管定位在燃烧器的下游且与燃烧器流动连通。构件定位在第一导管内且在第一导管的径向向外的壁与径向向内的壁之间延伸。构件包括形成于其中的第一冷却通道。第一冷却通道在与第一导管连通且面向涡轮机械核心定位的入口和与降压器(pressure sink)连通的出口之间延伸。
根据本文中描述的技术的另一方面，提供了一种操作涡轮机械的方法，该涡轮机械包括构造成通过从热气流取得的空气来冷却的构件。该方法包括以下步骤：通过构件引导热气流，使得热气流的第一部分处于第一温度，且热气流的第二部分处于第二温度，且第一温度低于第二温度；以及将热气流的第一部分经由入口引入构件中。
技术方案1. 一种燃气涡轮发动机，包括：
涡轮机械核心，其可操作以产生核心气流且其包括燃烧器；
第一导管，其定位在所述燃烧器的下游，且与所述燃烧器流动连通；
定位在所述第一导管内且在所述第一导管的径向向外的壁与径向向内的壁之间延伸的构件，所述构件包括形成于其中的第一冷却通道；
其中所述第一冷却通道在与所述第一导管连通且面向所述涡轮机械核心定位的入口和与降压器连通的出口之间延伸。
技术方案2. 根据技术方案1所述的发动机，其特征在于，所述发动机还包括包绕所述第一导管的第二导管。
技术方案3. 根据技术方案2所述的发动机，其特征在于，所述构件包括第二冷却通道，其流体地连接到所述第二导管和所述第一导管。
技术方案4. 根据技术方案3所述的发动机，其特征在于，所述构件定位在所述第一导管内，使得所述构件具有在所述第一导管的径向向外的壁附近的第一端部和定位在所述第一导管的径向向内的壁附近的第二端部。
技术方案5. 根据技术方案4所述的发动机，其特征在于，所述第一冷却通道的所述入口定位在所述径向向内的壁和所述径向向外的壁中的一个附近。
技术方案6. 根据技术方案1所述的发动机，其特征在于，通气口定位在所述构件的外部表面上，使得所述通气口在所述第一冷却通道的所述入口附近且构造成将空气引导至所述第一冷却通道的所述入口中。
技术方案7. 根据技术方案1所述的发动机，其特征在于，所述构件包括第一侧壁和第二侧壁，且所述入口限定为通过所述第一侧壁的开口。
技术方案8. 根据技术方案1所述的发动机，其特征在于，所述构件包括第一侧壁和相反的第二侧壁，且所述入口限定为在所述第一侧壁与所述第二侧壁之间延伸的槽口。
技术方案9. 根据技术方案8所述的发动机，其特征在于，所述槽口在所述构件的端部与前缘之间延伸。
技术方案10. 根据技术方案1所述的发动机，其特征在于，所述入口定位成使得其构造成暴露于所述核心气流的动态压力，且所述出口定位成使得其构造成暴露于低于所述核心气流的所述动态压力的压力。
技术方案11. 根据技术方案1所述的发动机，其特征在于，所述核心气流限定温度分布，所述温度分布在所述导管的径向向内的壁和径向向外的壁附近具有较低温度。
技术方案12. 根据技术方案1所述的发动机，其特征在于，所述构件为排气导叶。
技术方案13. 一种在包括涡轮机械核心的类型的发动机中冷却构件的方法，所述涡轮机械核心可操作以产生核心气流，所述方法包括以下步骤：
引导热气流经过所述构件，使得所述核心气流的第一部分处于第一温度且所述热气流的第二部分处于第二温度，且所述第一温度低于所述第二温度；
将所述核心气流的所述第一部分经由入口引入所述构件的内部第一冷却通道中。
技术方案14. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括驱动所述核心气流的所述第一部分通过所述构件的步骤。
技术方案15. 根据技术方案14所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述热气流的所述第一部分引导到空气流的所述第一部分中进而引导到带有通气口的所述入口中的步骤。
技术方案16. 根据技术方案15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过定位在所述第一冷却通道内的转向元件沿着所述构件的所述第一冷却通道使所述核心气流的所述第一部分转向的步骤。
技术方案17. 根据技术方案15所述的方法，其特征在于，所述热气流的所述第一部分经由定位在所述构件的后缘附近的出口离开所述构件。
技术方案18. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述构件包括第二冷却通道，且所述第二冷却通道经由第二入口流体地连接到第二空气流且构造成经由多个出口排出到所述核心气流中，所述多个出口限定成通过所述构件的表面。
技术方案19. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过定位在所述构件的后缘附近的多个出口排出所述核心气流的所述第一部分的步骤。
技术方案20. 根据技术方案13所述的方法，其特征在于，所述第一冷却通道由所述构件的内部表面限定，且所述核心气体的所述第一部分的温度低于所述构件的所述内部表面中的至少一些的温度。
附图说明
通过参照连同所附附图进行的以下描述可最佳地理解本发明，在附图中：
图1为示例性燃气涡轮发动机的示意图；
图2示出图1的发动机的排气导叶的局部截面图；
图3示出跨过图2的导叶的温度分布的图形表示；
图4示出图2的导叶的端视图；
图5示出发动机的局部截面图，其示出根据另一实施例的图2的导叶；
图6示出图5的导叶的端视图；
图7示出发动机的局部截面图，其示出根据又一实施例的图2的导叶；
图8示出图7的导叶的端视图；
图9示出图2的导叶的截面图；以及
图10示出根据另一实施例的图9的导叶的截面图。
部件列表
10 发动机
12 中心线轴线
14 风扇区段
16 高压压缩机
18 燃烧器
20 高压涡轮
22 低压涡轮
23 发动机壳
24 旁通导管
25 旁通空气流
30 核心出口
33 扩散器导管
35 气流
46 扩散器衬套
47 内表面
48 中心本体
52 外表面
60 排气导叶
62 前缘
63 侧壁
64 后缘
65 侧壁
66 表面
67 内表面
68 出口
72 入口
75 壁
76 表面
78 转向元件
82 通道
88 出口
92 冷却入口
94 壁
96 通道
135 气流
146 扩散器衬套
147 内表面
148 中心本体
152 外表面
160 导叶
162 前缘
164 后缘
166 表面
168 出口
172 入口
174 通气口
235 气流
246 扩散器衬套
247 内表面
248 中心本体
252 外表面
260 导叶
262 前缘
264 后缘
266 表面
266 表面
268 出口
272 开口
274 槽口
330 出口
333 导管
360 导叶
362 前缘
366 出口孔
372 入口
375 壁
382 通道
388 出口
394 壁
396 通道。
具体实施方式
参照附图，其中相同的参考标号表示贯穿各种视图的相同元件，图1示出用于向飞行器供能的示例性中等旁通比的涡轮风扇燃气涡轮发动机10的示意图。示出的发动机仅为示例。将理解的是，本发明的原理可适用于其它类型的燃气涡轮发动机，诸如涡轮轴发动机、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机以及陆基发动机或需要冷却的构件的其它涡轮机械装置。发动机10包括排气导叶60，其中具有的至少一部分构造成用于通过经过排气导叶60的核心气流的至少一些来主动冷却。
发动机10沿轴向关于纵向或轴向中心线轴线12对称且具有风扇区段14。发动机10包括成串联下游流动连通的多级轴向高压压缩机16、环形燃烧器18以及机械地联接至高压压缩机16的高压涡轮20。多级低压涡轮22机械地联接至风扇区段14且定位在高压压缩机16的下游。这些构件定位在核心发动机壳23内。旁通导管24包绕核心发动机壳23且构造成在操作期间包含旁通空气流25。中心本体48相对于中心轴线12对称而沿轴向朝发动机排气口延伸。中心本体48限定外表面52。环形扩散器衬套46(图2)限定内表面47。
参照图2-图4，内表面47和外表面52限定扩散器导管33，其延伸到环形核心出口30(图1)。扩散器导管33构造成包含核心气流35。多个排气导叶60定位在扩散器导管33内，使得核心气流35流经多个排气导叶60。将理解的是，排气导叶60仅为可根据本文中描述的原理使用核心气流来冷却的构件的一个示例。
排气导叶60中的每个从中心本体48的外表面52沿径向向外延伸到扩散器衬套46的内表面47。排气导叶60中的每个大体上为翼型形状的，且包括前缘62、第一侧壁63、后缘64和第二侧壁65。后缘64定位在前缘62的下游。多个出口68限定在后缘64附近。出口68构造成将用过的冷却气体从排气导叶60内排出到核心气流35中。
除了图2-图4之外，现在还参照图9，导叶60中的每个具有限定于其中的第一通道82，第一通道82构造成用于导叶60的辅助冷却。通道82沿着前缘62在扩散器衬套46的外表面52与内表面47之间延伸。冷却入口72形成为通过前缘壁62且定位在扩散器衬套46附近。冷却入口72定位成以便恢复核心气流35的动态压力。例如，冷却入口72可定位在导叶60的空气动力学前缘处，且/或可定位成平行于核心气流35的流动的方向。可选地，冷却入口72可定位在中心本体48附近。转向元件78(图2)在冷却入口72附近定位在通道82内，使得通过冷却入口72进入通道82的气流沿着通道82被引导至相反端。
通道82限定在与前缘62间隔开的壁75的表面76与前缘62的内表面67之间。出口88限定成通过导叶60的表面66。通道82通过出口88流体地连接到扩散器导管33。出口88定位成使得在使用中暴露于比冷却入口72更低的压力下。例如，出口88可定位在表面66上，使得暴露于核心气流35的主要静态压力而非动态压力下。备选地，出口88可排出到比核心气流的动态压力更低的压力的另一位置，诸如中心本体48的内部。这样的位置将如降压器那样操作。如下文将进一步描述的那样，通道82构造成可如冷却通道那样操作。
排气导叶60各自还包括用于经由限定于其中的通道96提供常规的主动冷却的器件。如图9中示出的那样，冷却入口92限定成通过扩散器衬套46，使得通道96流体地连接到旁通导管24。如图9中示出的那样，通道96大体上为蜿蜒状的，且部分地由多个局部壁94限定。通道96构造成将来自旁通导管24的空气流引导通过导叶60的内部，通过出口68且进入发动机10的排气流中。因此，通道96可如常规的冷却通道那样操作。
本文中描述的技术可通过其操作的描述而更好地被理解。在操作期间，发动机10通过旁通导管24生成旁通空气流25(图1)。发动机10还通过扩散器导管33生成核心气流35。核心气流35在多个导叶60上并从其周围经过。核心气流35包括在燃烧器18中生成的已穿过涡轮20，22的燃烧气体。核心气流处于与环境条件相比升高的温度下。入口72和出口88定位且尺寸设置成使得核心气流35的一部分进入入口72，沿着通道82流动且离开出口88。
现在参照图3和那里示出的图形，核心气流35的温度随着离扩散器衬套46的内表面47和中心本体48的外表面52的距离而变化。如图3中示出的那样，核心气流35内的最高温度大体上发生在扩散器导管33的中心附近。核心气流35的最低温度发生在内表面47和52中的每个最近处。
如图2中示出的那样，入口72定位在导叶60中，使得入口72在扩散器衬套46的内表面47附近。在这方面，入口72定位成使得相对冷的空气可被引入通道82中。当相对冷的空气穿过入口72时，其冲击在转向元件78上。转向元件78操作成沿着通道82的长度引导空气，减小由于湍流(其在转向元件78未就位的情况下是可能存在的)造成的压力损失。在通道82内的这种压力损失可降低通过通道82的冷却气体的整体流速，且因此减少对可用于导叶60的前缘部分62的冷却的量。
为了提供导叶60的前缘部分62的冷却，通道82内的气流必须低于内表面67的温度。应认识到，当气流与邻近内表面63之间的温差增大时，冷却效率提高。入口72定位在扩散器导管33内，使得来自核心气流35的相对较冷的空气被引入入口72中。入口72定位成恢复核心气流35的动态压力且排到导管33内的处于较低压力下的位置。以这种方式，提供了驱动冷却流通过通道82所需的压力差。
应注意的是，如图3中示出的温度分布的形状以及气体核心流35的最高温度与核心气流35的最低温度之间的差将根据发动机10在给定时间的操作条件而变化。在一些示例中，最高温度与最低温度之间的差可为大约几百度。为了所公开的技术的目的，如果在整个核心气流的温度分布任何处的气体温度比待冷却的构件的金属温度低任何量，则构件暴露于较低温度的核心气流将产生构件的冷却。因此，有效的冷却可通过将入口72定位在表面47或52中的任一个附近来获得。在本上下文中，涉及表面47或52的用语“附近”指的是针对特定应用足以实现有用冷却效果的接近度。作为一个示例，入口72可定位成与相反的表面47，52相比更接近于表面中的一个。在另一示例中，入口72可定位成离表面47，52中的一个的距离不远于两个表面47，52之间的总距离的三分之一。在另一示例中，入口72可定位成离表面中的一个的距离不远于表面47，52之间的总距离的10%。在又一示例中，入口72可定位成紧邻表面47或表面52。
现在参照图5和图6，提供了备选实施例。与100系列中的参考标号相关联的元件大体上可根据与上文零系列的类似参考标号相关联的元件的描述而被理解。现在参照图5，示出了包括前缘162和后缘164的导叶160。表面166由导叶160限定，且多个冷却孔或出口168穿过表面166且定位在后缘164附近。导叶160从中心本体148的外表面152延伸到扩散器衬套146的内表面147。入口172限定成在扩散器衬套146的内表面147附近通过表面166。入口172部分地由突出的通气口174包绕。如可在图6中看到的那样，通气口174远离导叶160的表面166延伸。核心气流135从导叶160周围经过，使得核心气流135的一部分由通气口174收集且通过入口172引入导叶160的内部中。
现在参照图7和图8，提供了另一备选实施例。与200系列中的参考标号相关联的元件大体上可根据与上文零系列的类似参考标号相关联的元件的描述而被理解。现在参照图7，示出了包括前缘262和后缘264的导叶260。表面266由导叶260限定，且多个冷却孔或出口268穿过表面266且定位在后缘264附近。导叶260从中心本体248的外表面252延伸到扩散器衬套246的内表面247。入口272限定成在扩散器衬套246的内表面247附近通过表面266。入口272部分地由槽口274包绕。核心气流235从导叶260周围经过，使得核心气流235的一部分由槽口274收集且通过入口272引入导叶260的内部中。
现在参照图10，提供了又一备选实施例。与300系列中的参考标号相关联的元件大体上可根据与上文零系列的类似参考标号相关联的元件的描述而被理解。多个排气导叶360各自包括前缘362和后缘364。导叶360从中心本体348的外表面352延伸到扩散器衬套346的内表面347。每个排气导叶360包括由通道396提供的冷却，通道396流体地连接到辅助冷却通道382，辅助冷却通道382在壁375与前缘362之间形成。冷却空气经由入口372进入通道382。辅助冷却通道382经由出口388流体地连接到通道396，出口388形成为通过壁375。
通道396大体上是蜿蜒状的且由多个局部壁394限定。通道396构造成将来自扩散器导管333的空气流引导通过导叶360，从而经由出口孔368离开。
前述内容描述了用于涡轮机械核心的冷却的构件。本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和附图)中公开的所有的特征和/或由此公开的任何方法或过程的所有步骤可以任何组合(除了其中这样的特征和/或步骤中的至少一些是互斥的组合之外)来组合。
除非另外明确地说明，否则本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和附图)中公开的每个特征可由用于相同、等同或类似目的的备选特征替换。因此，除非另外明确地说明，否则所公开的每个特征仅为一般系列的等同或类似特征的一个示例。
本发明不限于(一个或多个)前述实施例的细节。本发明扩展到本说明书(包括任何所附权利要求书、摘要和附图)中公开的特征中的任何新颖的一个或其任何新颖的组合，或者扩展到由此公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖的一个或其任何新颖的组合。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机，包括：
涡轮机械核心，其可操作以产生核心气流且其包括燃烧器；
第一导管，其定位在所述燃烧器的下游，且与所述燃烧器流动连通；
定位在所述第一导管内且在所述第一导管的径向向外的壁与径向向内的壁之间延伸的构件，所述构件包括形成于其中的第一冷却通道；
其中所述第一冷却通道在与所述第一导管连通且面向所述涡轮机械核心定位的入口和与降压器连通的出口之间延伸。
2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述发动机还包括围绕所述第一导管的第二导管。
3.根据权利要求2所述的发动机，其特征在于，所述构件包括第二冷却通道，其流体地连接到所述第二导管和所述第一导管。
4.根据权利要求3所述的发动机，其特征在于，所述构件定位在所述第一导管内，使得所述构件具有在所述第一导管的径向向外的壁附近的第一端部和定位在所述第一导管的径向向内的壁附近的第二端部。
5.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，通气口定位在所述构件的外部表面上，使得所述通气口在所述第一冷却通道的所述入口附近且构造成将空气引导至所述第一冷却通道的所述入口中。
6.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述构件包括第一侧壁和第二侧壁，且所述入口限定为通过所述第一侧壁的开口。
7.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述构件包括第一侧壁和相反的第二侧壁，且所述入口限定为在所述第一侧壁与所述第二侧壁之间延伸的槽口。
8.根据权利要求7所述的发动机，其特征在于，所述槽口在所述构件的端部与前缘之间延伸。
9.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述入口定位成使得其构造成暴露于所述核心气流的动态压力，且所述出口定位成使得其构造成暴露于低于所述核心气流的所述动态压力的压力。
10.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述核心气流限定温度分布，所述温度分布在所述导管的径向向内的壁和径向向外的壁附近具有较低温度。
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