CN114718656A - 用于控制燃气涡轮发动机内的叶片间隙的系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制燃气涡轮发动机内的叶片间隙的系统包括转子盘和联接到转子盘的转子叶片。此外，该系统包括定位在转子叶片外侧的外涡轮部件，使得在转子叶片和外涡轮部件之间限定间隙。此外，该系统包括热交换器，该热交换器构造成接收从燃气涡轮发动机放出的冷却空气流并将热量从接收的冷却空气流传递到冷却剂流以产生冷却的冷却空气。此外，该系统包括构造成控制冷却剂流向热交换器的阀。在这方面，冷却的冷却空气被供应到转子盘或转子叶片中的至少一个以调节转子叶片和外涡轮部件之间的间隙。

Description

用于控制燃气涡轮发动机内的叶片间隙的系统
技术领域
本公开大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地，涉及一种用于控制燃气涡轮发动机内的叶片间隙的系统。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段。在操作期间，压缩机区段逐渐增加进入发动机的空气压力并将该压缩空气供应到燃烧区段。压缩空气和燃料在燃烧区段内混合并在燃烧室内燃烧以产生高压高温燃烧气体。燃烧气体在离开发动机之前流过由涡轮区段限定的热气路径。在这方面，涡轮区段将来自燃烧气体的能量转化为旋转能量。具体地，涡轮区段包括多个转子叶片，其从流过其中的燃烧气体中提取动能和/或热能。提取的旋转能量又用于旋转一个或多个轴，从而驱动燃气涡轮发动机的压缩机区段和/或风扇组件。
通常，希望最小化转子叶片的外尖端与相邻的护罩或鼓之间的间隙，以最大化由转子叶片提取的能量的量。然而，转子叶片在发动机的热循环期间相对于护罩/鼓膨胀和收缩。因此，转子叶片和护罩/鼓之间的间隙通常随着发动机升温而减小。在这方面，当在发动机冷运行期间叶片尖端和护罩/鼓之间的间隙最小时，当发动机升温时叶片尖端可能接触护罩/鼓。相反，当叶片尖端和护罩/鼓之间的间隙被优化用于热运行时，这种间隙可能足够大以在发动机冷运行期间降低能量提取效率。
因此，用于控制燃气涡轮发动机内的叶片间隙的改进系统将在该技术中受到欢迎。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践获知。
在一个方面，本主题涉及一种用于控制燃气涡轮发动机内的叶片间隙的系统。燃气涡轮发动机限定轴向中心线和与轴向中心线正交延伸的径向方向。该系统包括转子盘和联接到转子盘的转子叶片。此外，该系统包括沿径向方向定位在转子叶片外侧的外涡轮部件，使得在转子叶片和外涡轮部件之间限定间隙。此外，该系统包括构造成接收从燃气涡轮发动机放出的冷却空气流并将热量从接收的冷却空气流传递到冷却剂流以产生冷却的冷却空气的热交换器。此外，该系统包括构造成控制冷却剂流向热交换器的阀。在这方面，冷却的冷却空气被供应到转子盘或转子叶片中的至少一个以调节转子叶片和外涡轮部件之间的间隙。
在另一方面，本主题涉及一种用于控制燃气涡轮发动机内的叶片尖端间隙的系统。燃气涡轮发动机限定轴向中心线和与轴向中心线正交延伸的径向方向。该系统包括构造成沿第一方向旋转的内转子和联接到内转子的内转子叶片。此外，该系统包括构造成沿与第一方向相反的第二方向旋转的外转鼓和联接到外转鼓的外转子叶片。此外，该系统包括热交换器，该热交换器构造成接收从燃气涡轮发动机放出的冷却空气流并将热量从接收到的冷却空气流传递到冷却剂流以产生冷却的冷却空气。此外，该系统包括第一空气阀和第二空气阀，该第一空气阀被构造成将冷却的冷却空气的第一部分引导至该外转鼓以及引导冷却的冷却空气的第二部分以冷却该内转子；该第二空气阀被构造成将冷却空气的第一部分引导至该外转鼓以及引导冷却空气的第二部分以冷却该内转子。如此，冷却的冷却空气被供应到外转鼓或内转子中的至少一个以调节限定在内转子叶片和外转鼓之间的第一间隙以及外转子叶片和内转子之间的第二间隙。
参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。包含在本说明书中并构成本说明书一部分的附图说明了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其中：
图1是飞行器的燃气涡轮发动机的一个实施例的示意性横截面图；
图2是飞行器的燃气涡轮发动机的另一个实施例的示意性横截面图。
图3是用于控制燃气涡轮发动机内的叶片间隙的系统的一个实施例的示意图。
图4是图3所示的用于控制燃气涡轮发动机内的叶片间隙的系统的放大局部示意图，特别示出了燃气涡轮发动机的转子盘和转子叶片；
图5是燃气涡轮发动机的涡轮区段的一个实施例的横截面侧视图。
图6是用于控制燃气涡轮发动机内的叶片间隙的系统的另一个实施例的示意图；以及
图7是图6所示系统的另一示意图。
在本说明书和附图中重复使用的附图标记旨在表示本发明的相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考当前公开的主题的示例性实施例，其一个或多个示例在附图中示出。每个示例都是通过解释的方式提供的，不应被解释为限制本公开。事实上，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，可以对本公开进行各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用以产生又一实施例。因此，本公开旨在涵盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变化。
如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以将一个部件与另一个部件区分开并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
此外，术语“上游”和“下游”是指相对于流体通路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体来流的方向，“下游”是指流体流向的方向。
此外，术语“低”、“高”或它们各自的比较级(例如，较低、较高，在适用的情况下)均指发动机内的相对参数量值(例如，速度、压力或温度)，除非另有规定。例如，“低压涡轮”在通常低于“高压涡轮”的压力下运行。或者，除非另有说明，否则上述术语可按其最高级来理解。例如，“低压涡轮”可指涡轮区段内最低的最大压力涡轮，而“高压涡轮”可指涡轮区段内的最高最大压力涡轮。
一般而言，本主题涉及一种用于控制燃气涡轮发动机内的叶片间隙的系统。如下文将描述的，燃气涡轮发动机包括轴、联接到轴的转子盘和联接到转子盘(例如，通过燕尾连接)的转子叶片，使得转子叶片沿着发动机的径向从盘向外延伸。此外，燃气涡轮发动机包括沿径向定位在转子叶片外侧的外涡轮部件，例如护罩或反向旋转的外鼓。因此，在转子叶片的外尖端和外涡轮部件之间限定了间隙。
所公开的系统构造成将冷却的冷却空气供应到转子盘和/或转子叶片以调节转子叶片和外涡轮部件之间的间隙。具体地，该系统包括构造为接收从燃气涡轮发动机放出的冷却空气流的热交换器。例如，在一个实施例中，冷却空气从发动机的压缩机排气增压室排出。因此，热交换器被构造为将热量从接收的冷却空气流传递到冷却剂流(例如，超临界二氧化碳)以产生冷却的冷却空气。此外，该系统包括阀，该阀被构造为控制冷却剂到热交换器的流动以调节冷却的冷却空气的温度。冷却的冷却空气继而被引导至转子盘和/或转子叶片以调节转子叶片和外涡轮部件之间的间隙。例如，在一些实施例中，冷却的冷却空气通过至少部分地定位在轴和发动机的燃烧器之间的管道从热交换器流到转子盘和/或转子叶片。
所公开的系统提供了一个或多个技术优点。例如，如上所述，所公开的系统向转子盘和/或转子叶片供应冷却的冷却空气。这种冷却的冷却空气减少了转子叶片随着发动机升温而膨胀的量，从而控制了转子叶片和外涡轮部件之间的间隙。此外，如上所述，冷却的冷却空气的温度可由阀控制。在这方面，增加供应给转子叶片和/或转子盘的冷却的冷却空气的量和/或降低其温度可以使转子叶片和/或盘收缩，从而经由减小叶片尖端半径来增大间隙。相反，可以通过减少供应到转子叶片和/或转子盘的冷却空气的量和/或增加其温度来减小间隙。此外，所公开的系统允许独立于外涡轮部件的热膨胀/收缩来控制转子叶片和/或盘的热膨胀/收缩。
现在参考附图，图1是燃气涡轮发动机10的一个实施例的示意性横截面图。在图示的实施例中，发动机10被构造为高旁路涡轮风扇发动机。然而，在替代实施例中，发动机10可构造为桨扇发动机、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴燃气涡轮发动机或任何其他合适类型的燃气涡轮发动机。
如图1所示，发动机10限定了纵向方向L、径向方向R和周向方向C。通常，纵向方向L平行于发动机10的轴向中心线12延伸，径向方向R从轴向中心线12正交向外延伸，并且周向方向C大体上围绕轴向中心线12同心地延伸。
通常，发动机10包括风扇14、低压(LP)线轴16和高压(HP)线轴18，其至少部分地被环形机舱20包围。更具体地说，风扇14可以包括风扇转子22和联接到风扇转子22的多个风扇叶片24(示出一个)。在这方面，风扇叶片24沿周向方向C彼此间隔开并且沿径向方向R从风扇转子22向外延伸。此外，LP线轴16和HP线轴18沿轴向中心线12(即，沿纵向方向L)定位在风扇14的下游。如图所示，LP线轴16可旋转地联接到风扇转子22，从而允许LP线轴16旋转风扇14。此外，在周向方向C上彼此间隔开的多个出口导向轮叶或支柱26沿径向方向R在围绕LP线轴16和HP线轴18的外壳28与机舱20之间延伸。这样，支柱26相对于外壳28支撑机舱20，使得外壳28和机舱20限定位于其间的旁通气流通道30。
外壳体28通常以连续流动顺序围绕或包住压缩机区段32、燃烧区段34、涡轮区段36和排气区段38。例如，在一些实施例中，压缩机区段32可包括LP线轴16的低压(LP)压缩机40和HP线轴18的高压(HP)压缩机42，高压(HP)压缩机42沿轴向中心线12定位在LP压缩机40的下游。每个压缩机40、42可以进而包括与一排或多排压缩机转子叶片46相互交叉的一排或多排定子轮叶44。此外，在一些实施例中，涡轮区段36包括HP线轴18的高压(HP)涡轮48和LP线轴16的低压(LP)涡轮50，低压(LP)涡轮50沿轴向中心线12位于HP涡轮48的下游。每个涡轮48、50又可以包括与一排或多排涡轮转子叶片54相互交叉的一排或多排定子轮叶52。
此外，LP线轴16包括低压(LP)轴56，HP线轴18包括围绕LP轴56同心定位的高压(HP)轴58。在这样的实施例中，HP轴58可旋转地联接HP涡轮48的转子叶片54和HP压缩机42的转子叶片46，使得HP涡轮转子叶片54的旋转可旋转地驱动HP压缩机转子叶片46。如图所示，LP轴56直接联接到LP涡轮50的转子叶片54和LP压缩机40的转子叶片46。此外，LP轴56经由齿轮箱60连接到风扇14。在这方面，LP涡轮转子叶片54的旋转可旋转地驱动LP压缩机转子叶片46和风扇叶片24。
在若干实施例中，发动机10可以产生推力以推进飞行器。更具体地，在操作期间，空气(由箭头62指示)进入发动机10的入口部分64。风扇14将空气62的第一部分(由箭头66指示)供应到旁通气流通道30并且将空气62的第二部分(由箭头68指示)供应到压缩机部分32。空气62的第二部分68首先流过LP压缩机40，其中转子叶片46逐渐压缩空气62的第二部分68。接着，空气62的第二部分68流过HP压缩机42，其中转子叶片46继续逐渐压缩空气62的第二部分68。空气62的压缩的第二部分68随后被输送到燃烧区段34。在燃烧区段34中，空气62的第二部分68与燃料混合并燃烧以产生高温和高压的燃烧气体70。此后，燃烧气体70流过HP涡轮48，HP涡轮转子叶片54从中提取第一部分动能和/或热能。这种能量提取使HP轴58旋转，从而驱动HP压缩机42。燃烧气体70然后流过LP涡轮50，LP涡轮转子叶片54从中提取第二部分动能和/或热能。这种能量提取使LP轴56旋转，从而经由齿轮箱60驱动LP压缩机40和风扇14。燃烧气体70然后通过排气区段38离开发动机10。
图2是飞行器的燃气涡轮发动机10的另一个实施例的示意性横截面图。类似于图1所示的发动机10的实施例，图2所示的发动机10的实施例包括LP涡轮50。然而，与图1所示的发动机10的实施例不同，在图2所示的发动机10的实施例中，LP涡轮50是反向旋转涡轮。具体地，在这样的实施例中，LP涡轮50包括内转子72和一排或多排内转子叶片74，该内转子72构造成沿第一方向(例如，顺时针或逆时针方向之一)旋转，该一排或多排内转子叶片74联接到内转子72并沿径向方向R从内转子72向外延伸。此外，在这样的实施例中，LP涡轮50包括外转鼓76和一排或多排外转子叶片78，该外转鼓76构造成沿与第一方向相反的第二方向(例如，顺时针或逆时针中的另一个)旋转，该一排或多排外转子叶片78沿径向方向R从鼓102朝向轴向中心线12向内延伸。如图所示，多排外转子叶片78与多排内转子叶片74相互交叉。此外，LP轴24可经由齿轮箱80联接到LP涡轮50的外转子76。
提供上述和图1所示的燃气涡轮发动机10的构造仅用于将本主题置于示例性使用领域中。因此，本主题可容易地适用于任何方式的燃气涡轮发动机构造，包括其他类型的基于航空的燃气涡轮发动机、基于船舶的燃气涡轮发动机和/或基于陆基/工业的燃气涡轮发动机。
图3示出了用于控制燃气涡轮发动机内的叶片间隙的系统100的一个实施例。一般而言，系统100将在上文描述并在图1和图2中示出的燃气涡轮发动机10的背景下进行讨论。然而，所公开的系统100可以在具有任何其他合适构造的任何燃气涡轮发动机内实施。
如图所示，在若干实施例中，燃气涡轮发动机10的燃烧区段34包括一个或多个燃烧器102。通常，燃烧器102沿径向方向R从轴56、58向外定位。每个燃烧器102包括在其中限定的燃烧室106的衬套104。此外，每个燃烧器102包括一个或多个燃料喷嘴108，其将燃料和压缩空气的混合物(例如，空气62的压缩的第二部分68)供应到燃烧室106。燃料和空气混合物在燃烧室106内燃烧以产生高温高压燃烧气体70。虽然图3示出了单个燃烧器102，但在其他实施例中，燃烧区段34可以包括多个燃烧器102。
另外，在若干实施例中，燃烧区段34包括压缩机排放壳体110。在这样的实施例中，压缩机排放壳体110在周向方向C上至少部分地围绕或以其他方式包围燃烧器102。在这方面，压缩机排放增压室112限定在压缩机排放壳体110和衬套104之间。压缩机排放增压室112进而构造成将压缩空气供应到燃烧器102。具体地，如图所示，离开HP压缩机42的压缩空气通过入口导向轮叶113被引导到压缩机排放增压室112中。压缩机排放增压室112内的压缩空气将被称为压缩空气114。一部分压缩空气114通过燃料喷嘴108被供应到燃烧器102的燃烧室106以用于燃烧燃料。如下文将描述的，在一些实施例中，另一部分压缩空气114用于冷却燃气涡轮发动机10的HP涡轮48的部件。
如图所示，系统100包括热交换器116。更具体地，热交换器116被构造为接收从燃气涡轮发动机10放出的冷却空气流(由箭头118指示)和冷却剂流(箭头120所示)。在这方面，热交换器116被构造为将热量从冷却空气流118传递到冷却剂流120。这种热传递冷却接收的冷却空气118，从而产生冷却的冷却空气(由箭头122指示)。如下文将描述的，冷却的冷却空气122的温度可以通过控制流过热交换器116的冷却剂120的体积来调节。此后，冷却的冷却空气122被引导至涡轮区段36以控制其中的叶片尖端间隙。
在若干实施例中，热交换器116被构造为接收来自压缩机排放增压室112的冷却空气118。具体地，在这样的实施例中，压缩空气114的一部分从压缩机排放增压室112排出并被引导至热交换器116。例如，在一个实施例中，系统100包括管道124，其将压缩空气114从压缩机排放增压室112输送到热交换器116。虽然在图3中未示出，可提供与管道124相关联的合适的阀以控制压缩空气114从压缩机排放增压室112到热交换器116的流动。然而，在替代实施例中，由热交换器116接收的冷却空气118可以从燃气涡轮发动机10上的任何其他合适的位置排出，例如压缩机区段32。
热交换器116可定位在燃气涡轮发动机10内的任何合适位置。例如，如图所示，在一个实施例中，热交换器116沿径向方向R从燃烧器102向外定位.
此外，由热交换器116接收的冷却剂流120可由任何合适类型的冷却剂形成。例如，在一个实施例中，冷却剂流120可以是超临界二氧化碳流。
如上所述，在一些实施例中，冷却的冷却空气122的温度可以通过控制冷却剂120到热交换器116的流动来调节。在这样的实施例中，系统100包括阀126，阀126被构造为控制冷却剂120流向热交换器116和旁通管道128。更具体地，阀126被构造为通过允许一部分冷却剂经由旁通管道128绕过热交换器116来调节供应到热交换器116的冷却剂120的体积。例如，阀126可以通过允许较少的冷却剂120(或没有冷却剂120)流入旁通管道128来增加供应到热交换器116的冷却剂120的体积。供应到热交换器116的冷却剂120的体积的这种增加降低了冷却的冷却空气122的温度。相反，阀126可以通过允许更多的冷却剂120流入旁通管道128来减少供应到热交换器116的冷却剂120的体积。供应到热交换器116的冷却剂120的体积的这种减少增加了冷却的冷却空气122的温度。
现在参考图3和4，冷却的冷却空气122被引导至涡轮区段36以控制其中的叶片尖端间隙。在若干实施例中，冷却的冷却空气122可用于控制HP涡轮48的第一级130的叶片尖端间隙。然而，在替代实施例中，冷却的冷却空气122可用于控制涡轮区段36内的任何其他叶片尖端的叶片尖端间隙。
一般而言，第一级130包括一排周向布置的定子轮叶52(示出了一个)和一排周向布置的转子叶片54(示出了一个)。如图所示，定子轮叶52相对于燃烧气体70的流动方向位于燃烧室106的下游。因此，定子轮叶52限定了压缩机排放增压室112的下游端。此外，转子叶片54在燃烧气体70的流动方向上定位在定子轮叶52的下游。在这方面，定子轮叶52和转子叶片52部分地形成热气路径132，燃烧气体70沿着该路径流过涡轮区段36。更具体地，每个定子轮叶52包括分别在径向方向R上形成热气路径132的内边界和外边界的内带134和外带136。每个定子轮叶54还包括翼型件138，翼型件138沿着内带134和外带136之间的径向方向R延伸穿过热气路径132。此外，每个转子叶片54包括基部140和沿径向方向R从基部140向外延伸到热气路径132中的翼型件142。每个转子叶片54的基部140连接到转子盘144(例如，通过燕尾连接、枞树型连接等)，转子盘144又连接到HP轴58。因此，转子盘144和转子叶片54的旋转使HP轴58旋转，HP轴58进而如上所述驱动压缩机32。
此外，在一些实施例中，一个或多个密封件可邻近转子盘144定位。例如，如图4所示，内密封件143和外密封件145沿着轴向中心线12相对于通过燃气涡轮发动机10的燃烧气体70的流动方向定位在转子盘144的上游。在这样的实施例中，内密封件143沿外密封件145的径向方向R向内定位，从而在其间限定间隙147。如下所述，冷却的冷却空气122可通过间隙147流向转子盘144，然后在外密封件145和转子盘144之间沿径向方向R向外流动，从而冷却转子盘144和转子叶片54。
此外，HP涡轮48的第一级130包括一个或多个外涡轮部件146，其部分地限定了热气路径132。通常，外涡轮部件146沿径向方向R定位在转子叶片54的翼型件142的外侧，使得部件146在径向方向R上限定热气路径132的外边界。如图所示，在转子叶片54的翼型件142的尖端150和外涡轮部件146的内径向表面152之间限定间隙(由箭头148指示)。如下文将描述的，间隙148可由供应到第一级130的冷却的冷却空气122控制。例如，在图示的实施例中，外涡轮部件146是包围转子叶片54的护罩154。然而，在替代实施例中，外涡轮部件146可以是任何其他合适的部件，例如反向转鼓(例如，外转鼓76)或附接到反向转鼓的护罩。
此外，在若干实施例中，系统100包括管道156。通常，管道156被配置为将冷却的冷却空气122从热交换器116供应到第一级130的转子叶片54和转子盘144。因此，在一些实施例中，管道156在径向方向R上至少部分地定位在燃烧器102(并且，更具体地，在径向方向R上的压缩机排放壳体110的内部)和HP轴58之间。另外，在一些实施例中，系统100包括导流器157，导流器157构造为将流过管道156的冷却的冷却空气引向转子盘144。例如，如图所示，在一个实施例中，当导流器157从管道156的下游端朝向转子盘144延伸以引导冷却的冷却空气122通过间隙147时，导流器157变窄。
管道156可以具有任何合适的构造，用于将冷却的冷却空气122引导至转子盘144和/或转子叶片54。例如，如上所述，在所示实施例中，热交换器116在径向方向R上定位在燃烧器102的外侧。在这样的实施例中，管道包括沿径向方向R从热交换器116向内朝向轴向中心线12延伸的第一部分158。在一个实施例中，管道156的第一部分158相对于通过燃气涡轮发动机10的燃烧气体70的流动方向定位于燃烧器102的上游。此外，在若干实施例中，系统100包括阀159，其构造成控制冷却的冷却空气122从热交换器116到冷却通道156的流动。此外，管道156包括第二部分161，第二部分161从第一部分158的下游端沿着HP轴58和燃烧器102之间的轴向中心线12朝向转子盘144延伸。如上所述，导流器157定位在第二部分161的下游端以引导冷却的冷却空气121通过间隙147离开管道156并朝向转子盘144。然而，在替代实施例中，管道156可以具有任何其他合适的构造。
在一些实施例中，通过管道156供应到转子盘144和/或转子叶片54的冷却的冷却空气流122补充有来自压缩机排放增压室112的额外的压缩空气114。更具体地，如图4所示，在这样的实施例中，压缩机排放壳体110的内径向侧限定了排放口160，其将压缩机排放增压室112和冷却通道156流体联接。在这方面，来自压缩机排放增压室112的一部分压缩空气114流过排放口160并直接进入冷却通道156。这种额外的压缩空气114可以增加供应到涡轮区段36的冷却空气122的体积，从而在不增加热交换器116的尺寸的情况下增加这种空气122的冷却能力。在一个实施例中，阀(未示出)可以控制通过放气口160的额外压缩空气114的流量。
特别参考图4，在若干实施例中，流过管道156的冷却的冷却空气122被供应到HP涡轮48的第一级130的转子盘144和转子叶片54。更具体地，冷却的冷却空气122沿着径向方向R从热交换器116向内流动穿过管道156的第一部分158，并且随后相对于燃烧气体70的流动方向向下游流动穿过管道156的第二部分161。然后导流器157引导冷却的冷却空气122通过密封件143、145之间的间隙147离开管道156并到达第一级130的转子盘144上。冷却的冷却空气122然后在外密封件145和转子盘144的前表面或上游表面162之间沿径向方向R向外流动，使得冷却的冷却空气122冷却盘144。此后，冷却的冷却空气122沿着第一级转子叶片54的基部140的前表面或上游表面164流动。在一个实施例中，冷却的冷却空气122的一部分流过由第一级转子叶片54的基部140限定的通道166(示出了一个)，从而冷却转子叶片54的内部。
如上所述，冷却的冷却空气122允许控制转子叶片尖端150和外涡轮部件146之间的间隙148。更具体地，由冷却的冷却空气122提供的第一级转子盘144和转子叶片54的冷却导致盘144和转子叶片54在径向方向R上收缩。在这方面，增加供应到转子盘144和转子叶片54的冷却的冷却空气122的量和/或降低其温度(例如，通过控制阀126)会增加这些部件的收缩量，从而增大间隙152。相反，减少供应到转子盘144和转子叶片54的冷却的冷却空气122的量和/或增加其温度(例如，通过控制阀126)会导致部件增大，从而减小间隙152。因此，当燃气涡轮发动机10的温度在操作期间变化时，所公开的系统100允许间隙148最小化。
在冷却第一级转子盘144和转子叶片54之后，用过的冷却冷却空气122可被排放到热气路径132中。例如，在一些实施例中，用过的冷却冷却空气122的至少一部分可以沿着转子叶片54的上游表面164流动并且通过间隙168在热气路径中排出。间隙168又限定在定子轮叶52的内带134和转子叶片54的平台之间。此外，在一些实施例中，用过的冷却冷却空气122的至少一部分可流过第一级转子叶片54的基部140中的通道166，并通过出口170在热气路径中排出。然而，在替代实施例中，用过的冷却冷却空气122可以以任何其他合适的方式排放到热气路径132中。
在几个实施方案中，第一级外涡轮部件146以受控的方式被冷却，以进一步控制外涡轮部件146和转子叶片尖端150之间的间隙148的尺寸。具体而言，在这样的实施例中，来自压缩机排气室112的压缩空气114被供应到外涡轮部件146以冷却该部件146，从而使部件146收缩。收缩外涡轮部件146反过来又减小了间隙148。例如，在一个实施例中，护罩154(例如，360度护罩)限定了通道172，压缩空气114流过该通道以冷却护罩154。然而，在其他实施例中，压缩空气114可以简单地被引导到外部涡轮构件146的径向外侧。此外，压缩空气114可被供应到涡轮壳体173，外涡轮部件146联接到该涡轮壳体173以调节转子叶片尖端150和外涡轮部件146之间的间隙。在冷却外涡轮部件146之后，用过的压缩空气114可被排放到热气中路径132。在其他实施例中，供应用于冷却外部涡轮部件的空气，例如360度环形护罩或反向旋转鼓(带有或不带有连接的分段护罩)，可以是由独立热交换器冷却的冷却空气，该热交换器具有由独立阀控制的冷却剂(例如超临界CO2)。用于冷却外部涡轮部件的这种冷却的冷却空气122也可以使用诸如阀159的在线空气阀来控制或计量。
冷却的冷却空气122到第一级转子盘144和转子叶片54的流动可以独立于压缩空气114或冷却的冷却空气122到外涡轮部件146的流动而被控制。这样，外涡轮部件146和转子叶片尖端150之间的间隙148可以通过控制冷却的冷却空气122到第一级转子盘144和转子叶片54的流动和温度，压缩空气114的流量或冷却的冷却空气122到外部涡轮部件146的流动和温度，或两者来调节。
另外，在一些实施例中，系统100可用于控制反向旋转涡轮中的间隙的尺寸。更具体地说，如图5所示，在这种涡轮(例如，图2所示的LP涡轮50)中，在内转子叶片74的翼型件的尖端176和外转鼓76的内径向表面178之间限定第一间隙(由箭头174指示)。此外，在外转子叶片78的翼型件的尖端182与内转子72的外径向表面184之间限定第二间隙(由箭头180指示)。
图6是用于控制燃气涡轮发动机内的叶片间隙的系统100的另一个实施例的示意图。类似于图3和图4所示的系统100的实施例，图6所示的系统100包括热交换器116，该热交换器116构造成接收和冷却冷却空气118以产生冷却的冷却空气122。然而，与图3和图4所示的系统100的实施例不同，图6所示的系统100包括与热交换器116流体连通的第一空气阀186。在这方面，第一空气阀186被配置为将冷却的冷却空气122的第一部分188从热交换器116引导或以其他方式引导到外转鼓76，以及将冷却的冷却空气122的第二部分190从热交换器116引导或以其他方式输送以冷却内转子72。此外，与图3和4中所示的系统100的实施例不同，图6所示的系统100包括第二空气阀192，其构造成将冷却空气118的第一部分(例如，从压缩机排放增压室112排出但未输送到热交换器116的冷却空气118)引导至外部转鼓76和冷却空气118的第二部分196以冷却内转子72。
如上所述，冷却空气118和冷却的冷却空气122允许控制第一间隙174和第二间隙180。更具体地，由冷却空气118和冷却的冷却空气122提供的内转子72和外转鼓76的冷却导致内转子72和外转鼓76在径向方向R上收缩。在这方面，增加冷却的冷却空气122的量和减少供应到内转子72和外转鼓76的冷却空气118的量(例如，通过控制阀186、192)增加这些部件收缩的量，从而增大间隙174,180。相反，减少冷却空气122的量和增加供应到内转子72和外转鼓76的冷却空气118的量(例如，通过控制阀186、192)导致部件增长，从而减小间隙152。因此，所公开的系统100允许间隙174、180随着燃气涡轮发动机10的温度在操作期间变化而最小化。
如图6和7所示，冷却的冷却空气122和冷却空气118通过成角度的喷嘴198被输送到外转鼓76和内转子72，以进一步影响所述外转鼓76和内转子72的冷却。更具体地，冷却的冷却空气122的第一部分188可以通过一个或多个成角度的喷嘴198被引入或以其他方式导向外转鼓76，使得冷却的冷却空气122的第一部分188的速度的切向分量在第二方向上(即外转鼓76旋转的方向)。此外，冷却的冷却空气122的第二部分190可以通过一个或多个成角度的喷嘴198被引入或以其他方式导向内转子72，使得冷却的冷却空气122的第二部分190的速度的切向分量在第一方向上(即，内转子72旋转的方向)。沿与内转子72和外转鼓76的旋转相同的方向引导冷却的冷却空气122增加冷却的冷却空气122提供的冷却。相反，冷却空气118的第一部分194可通过一个或多个成角度的喷嘴198被引入或以其他方式导向外转鼓76，使得冷却空气118的第一部分194的速度的切向分量在第一方向上(即，与外转鼓76旋转的方向相反的方向)。此外，冷却空气118的第二部分196可以通过一个或多个成角度的喷嘴198被引入或以其他方式导向内转子72，使得冷却空气118的第二部分196的速度的切向分量在第二方向上(即，内转子72旋转的相反方向)。在与内转子72和外转鼓76的旋转相反的方向上引导冷却的冷却空气122减少冷却的冷却空气122提供的冷却。在这方面，控制冷却空气118和冷却的冷却空气122的量(例如，通过阀186、192)及其相对于内转子72和外转鼓76的流动方向(例如，通过喷嘴198)，间隙174、180随着燃气涡轮发动机10的温度在操作期间变化而被最小化。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何合并的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例旨在在权利要求的范围内。
本发明的其他方面由以下条款的主题提供：
一种用于控制燃气涡轮发动机内的叶片间隙的系统，该燃气涡轮发动机限定轴向中心线和垂直于该轴向中心线延伸的径向方向，该系统包括：转子盘；连接到转子盘的转子叶片；外涡轮部件沿径向定位在转子叶片的外侧，从而在转子叶片和外涡轮部件之间限定间隙；热交换器，构造为接收从燃气涡轮发动机放出的冷却空气流并将热量从接收到的冷却空气流传递到冷却剂流以产生冷却的冷却空气；以及构造为控制冷却剂流向热交换器的阀，其中冷却的冷却空气被供应到转子盘或转子叶片中的至少一个以调节转子叶片和外涡轮部件之间的间隙。
根据这些条款中的一项或多项所述的系统，还包括：轴，联接到转子盘，使得转子盘和转子叶片的旋转使轴旋转；位于轴的径向外侧的燃烧器；以及沿径向至少部分地位于轴和燃烧器之间的管道，使得冷却的冷却空气通过冷却通道从热交换器流到转子盘或转子叶片中的至少一个。
根据这些条款中的一个或多个所述的系统，还包括：导流器，其被构造为将流过管道的冷却的冷却空气引导向转子盘。
根据这些条款中的一项或多项所述的系统，其中，随着导流器从管道向转子盘延伸，导流器变窄。
根据这些条款中的一项或多项所述的系统，还包括:密封件，该密封件沿着相对于通过燃气涡轮发动机的流动方向的轴向中心线定位在转子盘的上游，其中导流器引导冷却的冷却空气，使得冷却的冷却空气在转子盘和密封件之间流动。
根据这些条款中的一项或多项所述的系统，其中该密封件对应于外密封件，该系统进一步包括:内密封件，该内密封件相对于该外密封件沿径向方向向内定位，使得在该内密封件和外密封件之间限定间隙，冷却的冷却空气通过该密封件从导流器流向转子盘。
根据这些条款中的一个或多个所述的系统，其中管道包括从热交换器沿径向方向延伸的第一部分和从第一部分向转子盘沿轴向中心线延伸的第二部分。
根据这些条款中的一个或多个所述的系统，其中管道的第一部分相对于通过燃气涡轮发动机的流动方向定位在燃烧器的上游。
根据这些条款中的一项或多项所述的系统，其中热交换器从燃烧器沿径向方向向外定位。
根据这些条款中的一项或多项所述的系统，还包括：压缩机排放壳体，至少部分地围绕燃烧器，压缩机排放壳体限定压缩机排放增压室，该压缩机排放增压室构造成向燃烧器供应压缩空气，其中接收的冷却空气由热交换器从压缩机排气室排出。
根据这些条款中的一项或多项所述的系统，还包括:涡轮壳体，其联接到外部涡轮部件，其中冷却的冷却空气被供应到涡轮壳体以调节转子叶片和外部涡轮部件之间的间隙.
根据这些条款中的一项或多项所述的系统，还包括：旁通管道，其流体联接到所述阀，使得所述旁通管道被构造为允许至少一部分冷却剂绕过所述热交换器。
根据这些条款中的一项或多项所述的系统，其中，冷却的冷却空气在被供应到转子盘或转子叶片中的至少一个之后被排放到至少部分地由转子叶片和外涡轮部件限定的热气路径中。
根据这些条款中的一项或多项所述的系统，其中所述冷却剂包括超临界二氧化碳。
根据这些条款中的一个或多个所述的系统，其中外涡轮部件包括护罩或外转鼓。
一种用于控制燃气涡轮发动机内的叶片尖端间隙的系统，该燃气涡轮发动机限定轴向中心线和垂直于该轴向中心线延伸的径向，该系统包括：内转子，其构造成沿第一方向旋转；连接到内转子的内转子叶片；外转鼓被构造成沿与第一方向相反的第二方向旋转；外转子叶片与外转鼓相连；热交换器，构造为接收从燃气涡轮发动机放出的冷却空气流并将热量从接收到的冷却空气流传递到冷却剂流以产生冷却的冷却空气；第一空气阀被构造为将冷却的冷却空气的第一部分引导至外转鼓和将冷却的冷却空气的第二部分引导至内转子；以及第二空气阀，其构造成将冷却空气的第一部分引导至外转鼓和冷却空气的第二部分以冷却内转子，其中冷却的冷却空气被供应至外转鼓或内转子中的至少一个以调整内转子叶片与外转鼓之间的第一间隙以及外转子叶片与内转子之间的第二间隙。
根据这些条款中的一个或多个所述的系统，其中冷却的冷却空气的第一部分通过成角度的喷嘴被引入外转鼓，使得冷却的冷却空气的第一部分的速度的切向分量是在第二方向。
根据这些条款中的一个或多个所述的系统，其中冷却的冷却空气的第二部分通过成角度的喷嘴被引入内转子，使得冷却的冷却空气的第二部分的速度的切向分量为在第一方向。
根据这些条款中的一个或多个所述的系统，其中冷却空气的第一部分通过成角度的喷嘴被引入到外部转鼓，使得冷却空气的第一部分的速度的切向分量处于第一方向。
根据这些条款中的一个或多个所述的系统，其中冷却空气的第二部分通过成角度的喷嘴被引入内转子，使得冷却空气的第二部分的速度的切向分量处于第二方向。

Claims (10)

1.一种用于控制燃气涡轮发动机内的叶片间隙的系统，所述燃气涡轮发动机限定轴向中心线和与所述轴向中心线正交延伸的径向方向，其特征在于，所述系统包括：
转子盘；
转子叶片，所述转子叶片联接到所述转子盘；
外涡轮部件，所述外涡轮部件沿所述径向方向定位在所述转子叶片的外侧，从而在所述转子叶片和所述外涡轮部件之间限定间隙；
热交换器，所述热交换器被构造成接收从所述燃气涡轮发动机放出的冷却空气流并将热量从接收到的冷却空气流传递到冷却剂流以产生冷却的冷却空气；和
阀，所述阀被构造成控制所述冷却剂到所述热交换器的流动，
其中所述冷却的冷却空气被供应到所述转子盘或所述转子叶片中的至少一个，以调节所述转子叶片和所述外涡轮部件之间的所述间隙。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：
轴，所述轴联接到所述转子盘，使得所述转子盘和所述转子叶片的旋转使所述轴旋转；
燃烧器，所述燃烧器沿所述径向方向定位在所述轴的外侧；和
管道，所述管道沿所述径向方向至少部分地位于所述轴和所述燃烧器之间，使得所述冷却的冷却空气通过所述管道流到所述转子盘或所述转子叶片中的至少一个。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，进一步包括：
导流器，所述导流器被构造为将流过所述管道的所述冷却的冷却空气引导向所述转子盘。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，其中随着所述导流器从所述管道向所述转子盘延伸，所述导流器变窄。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括：
密封件，所述密封件沿所述轴向中心线相对于通过所述燃气涡轮发动机的流动方向定位在所述转子盘的上游，其中所述导流器引导所述冷却的冷却空气，使得所述冷却的冷却空气在所述转子盘和所述密封件之间流动。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，其中所述密封件对应于外密封件，所述系统进一步包括：
内密封件，所述内密封件沿所述径向方向相对于所述外密封件向内定位，从而在所述内密封件和所述外密封件之间限定间隙，所述冷却的冷却空气通过所述间隙从所述导流器流向所述转子盘。
7.如权利要求2所述的系统，其特征在于，其中所述管道包括第一部分和第二部分，所述第一部分沿所述径向方向从所述热交换器延伸，所述第二部分沿所述轴向中心线从所述第一部分向所述转子盘延伸。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，其中所述管道的所述第一部分相对于通过所述燃气涡轮发动机的流动方向定位在所述燃烧器的上游。
9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述热交换器沿所述径向方向从所述燃烧器向外定位。
10.如权利要求2所述的系统，其特征在于，进一步包括：
压缩机排放壳体，所述压缩机排放壳体至少部分地围绕所述燃烧器，所述压缩机排放壳体限定压缩机排放气室，所述压缩机排放气室构造成向所述燃烧器供应压缩空气，
其中，由所述热交换器接收的冷却空气从所述压缩机排放气室排出。
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