CN116085069B - 燃气涡轮发动机的间隙控制结构 - Google Patents

Abstract

一种燃气涡轮发动机，包括第一涡轮转子组件和第二涡轮转子组件，第一涡轮转子组件具有在气体流动路径内延伸的多个第一涡轮转子叶片，第二涡轮转子组件定位在第一涡轮转子组件的沿气体流动路径的后方。第二涡轮转子组件与第一涡轮转子组件可旋转地分离。壳体围绕第一涡轮转子组件。该壳体具有在第一涡轮转子组件的前方和第一涡轮转子组件的后方延伸的整体、一体式外壳体壁。壳体包括从外壳体壁延伸并在第一涡轮转子组件的后方和第二涡轮转子组件的前方穿过气体流动路径的多个轮叶。壳体包括从外壳体壁沿径向方向向外延伸形成热控制环的多个壁。外壳体壁和热控制环是整体、一体式结构。

Description

燃气涡轮发动机的间隙控制结构

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年11月5日提交的波兰专利申请号为P.439447的优先权，该申请是非临时申请，并且其中上述申请的全部内容通过引用并入本文。

政府资助的研究

导致本申请的项目已根据第CS2-ENG-GAM-2014-2015-01号授予协议获得欧盟清洁天空2研究和创新项目的资助。

技术领域

本主题大体上涉及用于燃气涡轮发动机的间隙控制结构。本主题尤其涉及用于燃气涡轮发动机的涡轮区段的间隙控制结构。

背景技术

由于内部和外部安装的部件，燃气涡轮发动机的壳体，诸如围绕涡轮区段转子的涡轮区段壳体，通常需要可分离的法兰和组装的壳体和歧管部分。这样的部件通常包括用于涡轮护罩的支架或吊架，或用于多个壳体的法兰。此外，由于涡轮壳体围绕涡轮转子，过度变形、热膨胀或收缩、或弯曲可能导致过度摩擦和与涡轮转子的不期望接触，这会导致性能或可操作性损失。传统的壳体可以包括经由可分离法兰的组件，以限制发动机操作和热循环期间的变形或位移。然而，本公开的发明人已经发现这样的设计需要增加发动机重量的组件和零件。另外，本公开的发明人已发现这样的设计可进一步抑制热控制结构的包含或放置以实现更有效的间隙控制。

因此，本公开的发明人已经发现需要能够克服这些限制并提供改进热控制、改进发动机效率以及减轻重量的涡轮壳体。

发明内容

本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践来学习。

本公开的一个方面涉及一种具有第一涡轮转子组件的燃气涡轮发动机，该第一涡轮转子组件包括在气体流动路径内延伸的多个第一涡轮转子叶片。第二涡轮转子组件定位在第一涡轮转子组件的沿气体流动路径的后方。第二涡轮转子组件与第一涡轮转子组件可旋转地分离。壳体围绕第一涡轮转子组件。壳体包括在第一涡轮转子组件的前方和第一涡轮转子组件的后方延伸的外壳体壁。壳体包括从外壳体壁延伸并在第一涡轮转子组件的后方和第二涡轮转子组件的前方穿过气体流动路径的多个轮叶。壳体包括从外壳体壁沿径向方向向外延伸形成热控制环的多个壁。外壳体壁和热控制环是整体、一体式结构。

本公开的另一方面涉及一种燃气涡轮发动机，其具有第一涡轮转子组件、第二涡轮转子组件以及壳体。内歧管壁沿周向方向和轴向方向围绕壳体处的多个壁。内歧管壁在多个轮叶的沿轴向方向的前方延伸，并且内歧管壁在多个轮叶的前方连接到外壳体壁。外歧管壁围绕内歧管壁。在某些实施例中，内歧管壁和外歧管壁一起形成整体、一体式结构。

本发明的这些和其他特征、方面以及益处将通过参考以下描述和所附权利要求得到更好的理解。并入并构成本说明书一部分的附图说明了本发明的实施例，并且与描述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是根据本公开的方面的包括涡轮区段和壳体的涡轮发动机的示例性示意性横截面图；

图2-5是根据本公开的方面的涡轮区段和壳体的一部分的实施例的示例性示意性横截面图；

图6是根据本公开的方面的涡轮区段的歧管的一部分的实施例的示例性透视图；

图6A-6D是图6中提供的歧管的实施例的示例性横截面图；

图7是根据本公开的方面的涡轮区段和壳体的一部分的实施例的示例性示意性横截面图；以及

图8是根据本公开的方面的涡轮区段的歧管的一部分的实施例的示例性透视图。

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相似的特征或元件。

具体实施方式

现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。提供每个示例是为了解释本发明，而不是限制本发明。事实上，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化是显而易见的。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，本发明旨在涵盖落入所附权利要求及其等同物范围内的这些修改和变化。

如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以区分一个部件与另一个部件，并且不旨在表示单个部件的位置或重要性。

术语“上游”和“下游”指的是相对于流体流路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”指流体从其流动的方向，并且“下游”指流体流向其的方向。

本文描述的涡轮发动机的一个或多个部件可以使用任何合适的工艺制造或形成，诸如增材制造工艺，诸如3-D打印工艺。这种工艺的使用可以允许这种部件一体地形成，作为单个整体部件，或者作为任何合适数量的子部件。尤其是，增材制造工艺可以允许这样的部件一体成型并且包括在使用现有制造方法时不可能实现的多种特征。例如，本文描述的增材制造方法可以允许制造具有独特特征、配置、厚度、材料、密度、流体通路、集管以及安装结构的通道、导管、腔体、开口、壳体、歧管、双壁、或其他部件或者部件的特殊定位和集成，这些使用现有制造方法是不可能的或不可行的。这些特征中的一些在本文中进行了描述。

根据本公开的合适的增材制造技术包括例如熔融沉积成型(FDM)，选择性激光烧结(SLS)，3D打印(例如喷墨打印、激光喷射和粘合剂喷射)，立体光刻(SLA)，直接选择性激光烧结(DSLS)，电子束烧结(EBS)，电子束熔化(EBM)，激光工程化净成型(LENS)，激光净成形制造(LNSM)，直接金属沉积(DMD)，数字光处理(DLP)，直接选择性激光熔化(DSLM)，选择性激光熔化(SLM)，直接金属激光熔化(DMLM)和其他已知的工艺。

用于制造本文提供的作为一体式、整体结构的结构的合适粉末材料包括金属合金、聚合物或陶瓷粉末。示例性金属粉末材料是不锈钢合金、钴铬合金、铝合金、钛合金、镍基超合金和钴基超合金。此外，合适的合金可包括那些已被设计成具有良好抗氧化性的合金，称为“超合金”，其在燃气涡轮发动机的高温操作下具有可接受的强度，例如哈氏合金、Inconel(因科镍)合金(例如，IN 738、IN 792、IN 939)、Rene合金(例如，Rene N4、Rene N5、Rene 80、Rene 142、Rene 195)、Haynes(海恩斯)合金(Haynes alloy)、Mar M、CM 247、CM247LC、C263、718、X-850、ECY 768、282、X45、PWA 1483以及CMSX(例如CMSX-4)单晶合金。本公开的制造物体可以形成有一种或多种选择的晶体微结构，诸如定向固化的(“DS”)或单晶的(“SX”)。

提供了一种改进的涡轮壳体，允许改进间隙控制、冷却流体分配、减轻重量和改进发动机效率。本文提供的发动机、壳体以及歧管的实施例包括一体式、整体结构，诸如可以通过增材制造工艺形成，这些迄今为止是不可能的或不可行的。本文描绘和描述的实施例允许热控制环的改进和有利定位，以改进间隙控制响应，改进开口、通道和导管的形成和定位，以允许更有效的热传递流体利用和运动，以及减轻重量，例如通过将法兰和子组件排除在整体组件之外。这些特征的特定组合允许改进的热传递特性和减小的热梯度。改进的热传递特性特别包括在某些特征处(例如在形成本文提供的热控制环的多个壁处)较低的热传递系数。这样的改进可以减轻或消除不希望的或过度的变形、椭圆化、弯曲或可能不利地影响偏转或导致与涡轮转子不希望的接触的壳体几何形状的其他变化。

本文提供的实施例包括例如一体式、整体高压涡轮壳体和涡轮中心框架或涡轮中间框架，该涡轮中心框架或中间涡轮框架定位在高压涡轮下游和低压或中压涡轮上游。本文提供的实施例还包括，例如一体式、整体间隙控制歧管，其被配置为向热控制环提供热传递流体。一体式、整体结构可以进一步允许热控制环相对于涡轮转子的改进定位，例如以提供横跨涡轮转子组件的改进的间隙控制。

如本文所用，用于描述结构的术语“一体式、整体”是指由没有接缝、连接接头等的连续材料或材料组整体形成的结构。本文所述的一体式、整体结构可以通过增材制造形成以具有所述结构，或者通过铸造工艺等形成。

现在参考附图，图1是本文称为“发动机10”的示例性燃气涡轮发动机10的示意性横截面图，其可结合本公开的各种实施例。发动机10的特定实施例可配置为涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮轴或桨扇燃气涡轮发动机，或配置为推进系统，辅助动力单元(APU)，工业燃气涡轮，混合电力燃气涡轮的一个或多个燃气涡轮发动机、或其他燃气涡轮发动机配置。

如图1所示，发动机10具有延伸通过其的纵向或轴向中心线轴线12，以供参考。通常，发动机10可包括布置在风扇区段16下游的核心发动机14。

核心发动机14通常可以包括基本上管状的外壳体18，其限定了环形入口20。外壳体18可以由多个壳体形成。外壳体18以串联流动关系包绕具有增压器或低速压缩机22、高速压缩机24的压缩机区段，燃烧区段26，包括高速涡轮28、低速涡轮30的涡轮区段(例如，包括轮叶116和转子叶片118)，以及喷射排气喷嘴区段32。高速轴或线轴34将高速涡轮28驱动地连接到高速压缩机24。低速轴或线轴36将高速涡轮28驱动地连接到低速压缩机22。低线轴36也可以连接到风扇区段16的风扇线轴或轴38。在特定实施例中，低线轴36可以直接连接到风扇线轴38，诸如在直接驱动配置中。在可选配置中，低线轴36可以经由减速装置37(诸如间接驱动或齿轮驱动配置中的减速齿轮箱)连接到风扇线轴38。根据期望或要求，这种减速装置可以包括在发动机10内的任何合适的轴/线轴之间。

应当理解的是，术语“低”和“高”，或它们各自的比较程度(例如，较低，较高，在适用的情况下)，当与压缩机、涡轮、轴或线轴部件一起使用时，每个均指在发动机内的相对速度，除非另有说明。例如，“低涡轮”或“低速涡轮”定义了被配置为以低于发动机处的“高涡轮”或“高速涡轮”的转速(诸如最大可允许转速)操作的部件。可选地，除非另有说明，上述术语可以理解为最高级。例如，“低涡轮”或“低速涡轮”可指涡轮区段内的最低最大转速涡轮，“低压缩机”或“低速压缩机”可指压缩机区段内的最低最大转速压缩机，“高涡轮”或“高速涡轮”可指涡轮区段内的最高最大转速涡轮，并且“高压缩机”或“高速压缩机”可以指压缩机区段内的最高最大转速压缩机。类似地，低速线轴是指比高速线轴低的最大转速。还应理解的是，在上述这些方面的术语“低”或“高”可以附加地或可选地理解为相对于最小允许速度，或相对于正常、期望、稳定状态等发动机的操作的最小允许速度或最大允许速度。

尽管描绘和描述为包括可与低速线轴分开旋转的高速线轴的双线轴(two-spool)发动机，但是应当理解，发动机10可以配置为包括高速线轴、低线轴以及在高速线轴和低速线轴之间以串联流动布置的中速线轴。还应当进一步理解的是，本文所述的低速涡轮或第二涡轮转子组件通常是指高速涡轮或第一涡轮转子组件下游的可单独旋转的线轴。因此，第二涡轮转子组件可包括定位在高速涡轮后方或下游的中速涡轮或低速涡轮。

如图1所示，风扇区段16包括多个风扇叶片40，多个风扇叶片联接到风扇线轴38并从风扇线轴38径向向外延伸。环形风扇壳体或机舱42周向地围绕风扇区段16和/或核心发动机14的至少一部分。本领域普通技术人员应当理解的是，机舱42可以配置成通过多个周向间隔开的出口导向轮叶44相对于核心发动机14被支撑。另外，机舱42的下游区段46(导向轮叶44的下游)可在核心发动机14的外部部分上延伸，以便在其间限定旁通气流通道48。本领域普通技术人员还应当进一步理解的是，发动机的某些实施例可以省略机舱42，诸如形成螺旋桨或开式转子发动机。附加地，本领域普通技术人员应当理解的是，本文提供的核心发动机14的实施例可应用于诸如本文提供的其他燃气涡轮发动机配置。

图2提供了如图1所示的核心发动机14的涡轮横截面区段的放大横截面视图，其可以结合本公开的各种实施例。如图2所示，第一涡轮转子组件由高速涡轮28形成。第一涡轮转子组件包括在核心气体流动路径70内延伸的多个第一涡轮转子叶片58。第一涡轮转子组件的第一级50包括与高速涡轮28处的涡轮转子叶片58的环形阵列(仅示出一个)轴向间隔开的定子轮叶54的环形阵列(仅示出一个)。在特定实施例中，高速涡轮28进一步包括最后一级60，其包括与涡轮转子叶片68(仅示出一个)的环形阵列轴向间隔开的定子轮叶64的环形阵列(仅示出一个)。涡轮转子叶片58、68从HP线轴34(图1)径向向外延伸并联接到HP线轴34。定子轮叶54、64和涡轮转子叶片58、68至少部分地限定核心气体流动路径70，用于引导来自燃烧区段26(图1)的燃烧气体通过高速涡轮28。

如图2进一步所示，高速涡轮可以包括一个或多个护罩组件，每个护罩组件围绕转子叶片的环形阵列形成环形环。例如，护罩组件72可以围绕第一级50的转子叶片58的环形阵列和最后一级60的涡轮转子叶片68的环形阵列形成环形环。一般来说，护罩组件72与每个转子叶片58、68的叶片尖端76、78径向间隔开。径向或间隙CL被限定在叶片尖端76、78和护罩段77的相应内表面之间。护罩组件72通常减少从核心气体流动路径70的泄漏。护罩组件72可以包括形成热控制环314的多个壁，热控制环314有助于控制护罩的热增长，从而控制径向偏转或间隙CL。护罩组件中的热增长由主动间隙控制(“ACC”)系统(未标记)主动控制。ACC用于最小化外叶片尖端和护罩之间的径向叶片尖端间隙CL，尤其是在发动机巡航操作期间。

在核心气体流动路径70的下游，或在高速涡轮28的后方，是由低速涡轮30形成的第二涡轮转子组件。如本文前面所述，第二涡轮转子组件与第一涡轮转子组件可旋转地分离，诸如参照图1关于高速涡轮28和低速涡轮30上述所描述的。

壳体300围绕高速涡轮28。壳体300包括多个轮叶310，其在由高速涡轮28形成的第一涡轮转子组件的后方和由低速涡轮30形成的第二涡轮转子组件的前方延伸穿过核心气体流动路径70。护罩组件72在外壳体壁312处联接到壳体300。外壳体壁312是围绕护罩组件72的环形壁，并相对于中心线轴线12(图1)沿周向方向C延伸。外壳体壁312在高速涡轮28的第一级50的转子叶片58(也称为转子叶片58的第一级)的前方和高速涡轮28的第二级或最后一级60的转子叶片68(也称为转子叶片68的第二级)的后方沿轴向方向A延伸。

多个轮叶310从外壳体壁312延伸。多个轮叶310延伸到核心气体流动路径70中。在本文进一步描述的某些实施例中，一个或多个轮叶310可以是中空的或包括允许流体在轮叶内流动的导管或通道。壳体300的外壳体壁312沿轴向方向A从转子叶片68的最后一级的下游端或后缘延伸到多个轮叶310的至少上游端或前缘，诸如图2中的尺寸B所示。

应该理解的是，传统的涡轮壳体在高压涡轮壳体和下游壳体(诸如涡轮间框架、中间涡轮框架、中间压力涡轮壳体或低压涡轮壳体)之间的可分离或连接法兰(诸如螺栓连接法兰或焊接法兰)。本文提供的壳体300的实施例包括整体、一体式结构，诸如由一个或多个增材制造工艺形成。本文提供的实施例进一步形成一体式、连续、顺应结构，允许诸如本文提供的壳体300的整体、一体式延伸，或进一步包括诸如本文提供的一个或多个与壳体300一体形成的特征。

形成热控制环314的多个壁沿周向方向C延伸并且从外壳体壁312沿径向方向R向外延伸。在各种实施例中，热控制环314包括前热控制环3141，前热控制环3141从高速涡轮28的转子叶片58的第一级，或者特别是从转子叶片58的叶片尖端76沿径向方向R向外定位。在某些实施例中，如图3-4所示，前热控制环3141沿轴向方向A对准转子叶片58的第一级定位。在另一个特定实施例中，热控制环314包括后热控制环3142，该后热控制环3142从高速涡轮28的转子叶片68的最后一级60，或者特别是从转子叶片68的叶片尖端78沿径向方向向外定位。在某些实施例中，诸如图3-4所示，后热控制环3142沿轴向方向A对准高速涡轮28的转子叶片68的最后一级60定位。

提供前热控制环3141和后热控制环3142以更有效地控制叶片尖端间隙CL(如图2所示)(具有最小量的时滞)和热控制气流(取决于操作条件的冷却或加热)。前热控制环3141和后热控制环3142与外壳体壁312形成为壳体300的一体式、单一、整体结构。热控制环314提供热控制量以更有效地沿径向方向R移动护罩段77来调整叶片尖端间隙CL。这种间隙控制提供了较低的操作特定燃料消耗(SFC)。

热控制环314和外壳体壁312的一体式、整体结构，其中外壳体壁特别是在高速涡轮28的转子叶片68的第二级或最后一级的后方延伸，允许改进间隙控制、改进热控制和改进冷却流。本文提供的结构允许热控制环314在高速涡轮转子的每一级的径向外侧定位并且与高速涡轮转子的每一级轴向对准，以便改进每一相应级的间隙控制。本文提供的结构进一步允许消除高速涡轮和(高速涡轮与下游低速涡轮之间的)中间涡轮框架(或中速涡轮，例如本文所述)之间的法兰。

本文提供的一体式壳体的实施例通常由如上所述的一种或多种增材制造工艺生产。尽管增材制造通常可用于形成各种结构或集成各种部件，但应理解的是，本文提供的集成结构的组合克服了与集成结构相关的问题，同时提供了意想不到的益处。在一种情况下，轴向延伸的壳体通常容易受到热变形的影响，这可能会使核心流动路径椭圆化，其可能会对转子操作产生不利影响，因为转子可能会在非同心流动路径内摩擦。因此，围绕高速涡轮的相对热的壳体与围绕靠近低速涡轮的下游轮叶的相对较冷的壳体的简单集成可能不利地影响整个发动机的操作。在另一种情况下，这种大的、轴向延伸的质量可能需要额外的冷却流，这会导致燃料消耗增加和发动机性能的整体损失。

本文提供的发动机的实施例至少部分地通过将热控制环与高速涡轮叶片的相应级的轴向对准和径向向外定位来克服这些问题。移除围绕高速涡轮转子的壳体与高速涡轮下游的轮叶壳体或框架之间的法兰允许热控制环有利地如本文所公开地定位。

本文提供的发动机的其他实施例至少部分地通过改进的冷却流结构、通道和导管克服了这些问题。在各种实施例中，歧管316沿周向方向C和轴向方向A围绕热控制环314。歧管316被配置为将流体流，诸如来自压缩机区段的相对冷的空气，提供到热控制环314。

现在参考图2-5和图7，提供了进一步的示例性实施例。图2、图3和图7中描绘的实施例可以彼此类似地配置，诸如下文进一步描述的。图4-5提供了在图3的不同横截面处的流体流和开口的视图。每个实施例可以经由本领域已知的一种或多种制造方法形成。在图7中，所提供的实施例可以包括可以经由增材制造工艺形成的双壁结构。本文提供的各种实施例可以形成为一体式、整体结构，诸如经由增材制造工艺或其他合适的制造工艺。

参考图2-5和图7所示的各种实施例，歧管316沿轴向方向A在形成热控制环314的多个壁的多个轴向间隔开的级的前方和后方延伸。在特定实施例中，诸如图7所示，歧管316沿多个轮叶310的轴向方向A向后延伸。在各种实施例中，诸如在图2的示例性实施例中，诸如本文所述，歧管316、外壳体壁312和形成壳体300的热控制环314的多个壁是单一、一体式、整体结构。在特定实施例中，歧管316包括在外歧管壁2316径向内侧并与外歧管壁2316同心的内歧管壁1316。在又一实施例中，内歧管壁1316是与外歧管壁2316同心的双壁结构。

特别是参考图3-5，壳体300的某些实施例包括波纹特征399。波纹特征399包括限定脊或凹槽的形状，该脊或凹槽配置成减轻在壳体300处形成的热膨胀应力。在某些实施例中，在歧管316处形成波纹特征399。在又一特定实施例中，波纹特征399可形成在内歧管壁1316或外歧管壁2316处。波纹特征399可允许歧管316与外壳体壁312一体式、整体形成，诸如在本文的各个实施例中描述的。

简要参考图8，并结合图2-7所示，歧管316包括围绕在壳体300处形成热控制环314的多个壁的多个开口318。多个开口318允许经由箭头91示意性描绘的流体流进入与热控制环314热连通以获得所需的热传递效果。在各种实施例中，如下面进一步描述的，多个开口318包括入口开口3181，入口开口3181被配置为允许流体流91流入与热控制环314热连通的第一腔体1321。多个开口318进一步包括出口开口3182，其被配置为允许流体流91的至少一部分(经由流体流92示意性地描绘)以排出第一腔体1321并进入内壁导管1326，如下面进一步描述的。

参考图3-7，在特定实施例中，歧管316包括沿周向方向C和轴向方向A围绕热控制环314的内歧管壁1316。如上所述，歧管316可以进一步包括围绕内歧管壁1316的外歧管壁2316。通道壁1318延伸到外歧管壁2316和内歧管壁1316以在通道壁1318内形成通道1320。

在某些实施例中，诸如如图2所示，歧管316的外歧管壁2316在多个轮叶310处或在其后方沿轴向方向A延伸。外歧管壁2316进一步连接到在多个轮叶310处或在其后方的外壳体壁312。在另外某些实施例中，诸如图3-5所示，内歧管壁1316延伸到多个轮叶310的沿着轴向方向A前方的位置。内歧管壁1316还延伸到形成热控制环314的多个壁的沿轴向方向A后方的位置。因此，内歧管壁1316在多个轮叶310的前方和热控制环314的后方连接到外壳体壁312。

上面讨论的第一腔体1321形成在内歧管壁1316和外壳体壁312之间。热控制环314在第一腔体1321内在内歧管壁1316和外壳体壁312之间的位置处被内歧管壁1316包围。通道1320允许在内歧管壁1316和外壳体壁312之间与第一腔体1321流体连通。通道1320进一步允许流体流91进入与热控制环314热连通。

在各种实施例中，导管1324形成在外歧管壁2316和内歧管壁1316之间。导管1324与第一腔体1321流体连通并且通过通道壁1318与通道1320流体分离。在特定实施例中，通道壁1318从外歧管壁2316通过导管1324延伸到内歧管壁1316。

参考图3-5，并且进一步关于图7，导管1324延伸以流体连通通过多个轮叶310中的一个或多个。图4和图7尤其描绘了进入与第一腔体1321中的热控制环314热连通和流体连通的流体流91。图4尤其描绘了进入与第一腔体1321中的热控制环314热连通和流体连通的流体流91。在各种实施例中，第一腔体1321形成为将流体流直接导向至热控制环的热接触部分，诸如在垂直方向上。图5和图7尤其描绘了从第一腔体1321通过导管1324排出然后连续流经一个或多个轮叶310的流体流92(如下所述，作为气流99)。在某些实施例中，热控制环314与外壳体壁312一起形成以有利地改进间隙控制。在一个实施例中，诸如图6B中所描绘的，热控制环314包括延伸为脊、凹槽或以锐角或之字形角延伸的外表面(参见下文更详细地描述)。

简要参考图7，并在图8中的详细透视图中进一步描绘，在某些实施例中，内歧管壁1316是双壁结构，其在内歧管壁1316的双壁结构之间形成内壁导管1326。内壁导管1326可以延伸以流体连通到形成在外壳体壁312和气体流动路径70的外壁170之间的第二腔体1322。在这样的实施例中，整体、一体式壳体300，或者进一步集成到歧管316的实施例，允许分离的流进入多个轮叶310。尤其是，流体流91从压缩机区段或其他流体源进入导管1324。经由箭头92描绘的流体流91的一部分，流入第一腔体1321，然后流入形成在双壁结构处的内壁导管1326。流体流92然后流入多个轮叶310中的一个或多个。此外，经由箭头99描绘的流体流91的另一部分保留在导管1324中并流入多个叶片310中的一个或多个。在某些实施例中，流92、99彼此隔离或流体分离，直到在多个轮叶310处混合。在其他实施例中，流92、99保持流体分离并提供到分离的相应轮叶310，或每个轮叶310内的分离导管。壳体300和歧管316的实施例允许提高热效率和提高整体发动机效率，诸如经由在与热控制环314进行热连通后提供流体流的二次使用，而不是将这些流输出到大气中或发动机的底舱区域。

在某些实施例中，气体流动路径70的外壁170形成护罩组件72的外护罩段77。外护罩段77暴露于气体流动路径70，并且可以包括热障涂层或被配置为承受燃烧气体产生的热量的材料。外护罩段77可进一步配置成至少部分地与气体流动路径70处的一级或多级叶片摩擦。

现在参考图6，提供了歧管316的一个实施例的局部周向视图。图6A-6D还提供了图6中描绘的实施例的横截面图。如前所述，歧管316的各种实施例通过一种或多种增材制造工艺形成。尤其参照图6C的近视图，在各种实施例中，构件3316延伸到内歧管壁1316和外歧管壁2316。构件3316以锐角(例如，V形、Z形或其他角度截面)从内歧管壁1316延伸到外歧管壁2316。在各种实施例中，构件3316沿第一方向(经由箭头95示意性地描绘)延伸，并且沿与第一方向相反的第二方向(经由箭头96示意性地描绘)延伸。

本文提供的改进的涡轮壳体300和发动机10的实施例允许改进间隙控制、冷却流体分布、减轻重量和改进发动机效率。本文提供的发动机10、壳体300和歧管316的实施例包括一体式、整体结构，诸如在高压涡轮的级上延伸的壳体，或进一步包括涡轮间框架，或进一步包括全部或部分歧管，诸如可以通过增材制造工艺形成，这些迄今为止是不可能的或不可行的。本文所描绘和描述的实施例允许热控制环314的改进和有利定位，用于改进间隙控制响应，改进开口、通道以及导管的形成和定位，以允许更有效地利用和移动热传递流体，并减轻重量，诸如经由将法兰和子组件排除在一体式组件之外。这些特征的特定组合允许改进的热传递特性和减小的热梯度。与已知的间隙控制系统相比，改进的热传递特性尤其包括降低某些特征处的热传递系数，诸如多个壁形成热控制环314。这样的改进可以减轻或消除不希望的或过度的变形、椭圆化、弯曲或壳体300的几何形状的其他变化，这些变化可能不利地影响偏转或导致与在高速涡轮28处的涡轮转子叶片58的不希望的接触。

本文提供的发动机10和壳体300的实施例包括用于高速涡轮28以及涡轮中心框架或中间涡轮框架的一体式、整体壳体，由外壳体壁312和轮叶310形成并且沿高速涡轮28的气体流动路径70在下游且沿着低压或中压涡轮(诸如在涡轮30处所示)的气体流动路径70在上游定位。本文提供的实施例进一步包括例如配置为为热控制环提供热传递流体的一体式、整体间隙控制歧管。一体式、整体结构可以进一步允许热控制环相对于涡轮转子的改进定位，诸如以提供横跨涡轮转子组件的改进的间隙控制。

该书面描述使用示例来公开本发明的方面，包括最佳模式，并且还使得本领域技术人员能够实践本发明的方面，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。本公开的专利范围由权利要求书限定，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书的文字语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的文字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书的范围内。

本发明的其他方面由以下条项的主题提供：

1.一种燃气涡轮发动机，其中发动机限定与中心线轴线同向的轴向方向、从中心线轴线延伸的径向方向和相对于中心线轴线的周向方向，发动机包括：第一涡轮转子组件，第一涡轮转子组件包括在气体流动路径内延伸的多个第一涡轮转子叶片；第二涡轮转子组件，第二涡轮转子组件定位在第一涡轮转子组件的沿气体流动路径的后方，其中第二涡轮转子组件与第一涡轮转子组件可旋转地分离；壳体，壳体围绕第一涡轮转子组件，其中壳体包括在第一涡轮转子组件的前方和第一涡轮转子组件的后方延伸的外壳体壁，并且其中壳体包括多个轮叶，多个轮叶从外壳体壁延伸并且在第一涡轮转子组件的后方和第二涡轮转子组件的前方穿过气体流动路径，并且进一步其中，壳体包括从外壳体壁沿径向方向向外延伸形成热控制环的多个壁，并且其中外壳体壁和热控制环是整体、一体式结构。

2.本文中任何一个或多个条项的燃气涡轮发动机，其中多个壁包括多个轴向间隔开的级，其中多个轴向间隔开的级对应于每个相应的第一涡轮转子级的轴向位置。

3.本文中任何一个或多个条项的燃气涡轮发动机，其中发动机包括：歧管，歧管沿周向方向和轴向方向围绕多个壁，其中歧管被配置为向多个壁提供流体流，并且其中歧管是整体、一体式结构。

4.本文中任何一个或多个条项的燃气涡轮发动机，其中歧管在多个壁的多个轴向间隔开的级的前方和后方沿轴向方向延伸。

5.本文中任何一个或多个条项的燃气涡轮发动机，其中歧管限定围绕壳体处的多个壁的多个开口。

6.本文中任何一个或多个条项的燃气涡轮发动机，其中歧管包括：内歧管壁，内歧管壁沿周向方向和轴向方向围绕壳体处的多个壁；以及外歧管壁，外歧管壁围绕内歧管壁，其中通道壁延伸到外歧管壁和内歧管壁以在通道壁内形成通道，并且其中通道与内歧管壁和外壳体壁之间的第一腔体流体连通。

7.本文中任何一个或多个条项的燃气涡轮发动机，其中在外歧管壁和内歧管壁之间形成导管，其中导管与第一腔体流体连通，并且其中通道壁将导管与通道壁内的通道分离。

8.本文中任何一个或多个条项的燃气涡轮发动机，其中导管延伸以流体连通到形成在外壳体壁和护罩组件之间的第二腔体。

9.本文中任何一个或多个条项的燃气涡轮发动机，其中导管延伸以流体连通通过多个轮叶中的一个或多个轮叶。

10.本文中任何一个或多个条项的燃气涡轮发动机，其中歧管、外壳体壁和壳体的多个壁是整体、一体式结构。

11.本文中任何一个或多个条项的燃气涡轮发动机，其中外歧管壁在多个轮叶的沿轴向方向的后方延伸，并且其中外歧管壁在多个轮叶的后方连接到外壳体壁。

12.本文中任何一个或多个条项的燃气涡轮发动机，其中内歧管壁在多个轮叶的沿轴向方向的前方延伸，并且其中内歧管壁在多个轮叶的前方连接到外壳体壁。

13.本文中任何一个或多个条项的燃气涡轮发动机，其中内歧管壁包括形成内壁导管的双壁结构。

14.本文中任何一个或多个条项的燃气涡轮发动机，其中内壁导管延伸以流体连通到形成在外壳体壁和气体流动路径的外壁之间的第二腔体。

15.本文中任何一个或多个条项的燃气涡轮发动机，其中歧管在多个壁的多个轴向间隔开的级的前方和后方沿轴向方向延伸，并且其中歧管在多个轮叶的沿轴向方向的后方延伸。

16.本文中任何一个或多个条项的燃气涡轮发动机，其中歧管包括：内歧管壁，内歧管壁沿周向方向和轴向方向围绕壳体处的多个壁；外歧管壁，外歧管壁围绕内歧管壁，其中通道壁延伸到外歧管壁和内歧管壁以在通道壁内形成通道，并且其中通道与内歧管壁和外壳体壁之间的第一腔体流体连通；和构件，构件延伸到内歧管壁和外歧管壁，其中构件沿第一方向和与第一方向相反的第二方向以锐角从内歧管壁延伸到外歧管壁。

17.本文中任何一个或多个条项的燃气涡轮发动机，其中壳体形成沿轴向方向延伸的波纹特征。

18.一种燃气涡轮发动机，其中发动机限定与中心线轴线同向的轴向方向、从中心线轴线延伸的径向方向和相对于中心线轴线的周向方向，发动机包括：第一涡轮转子组件，第一涡轮转子组件包括在气体流动路径内延伸的多个第一涡轮转子叶片；第二涡轮转子组件，第二涡轮转子组件定位在第一涡轮转子组件的沿气体流动路径的后方，其中第二涡轮转子组件与第一涡轮转子组件可旋转地分离；壳体，壳体围绕第一涡轮转子组件，其中壳体包括在第一涡轮转子组件的前方和第一涡轮转子组件的后方延伸的整体、一体式外壳体壁，并且其中壳体包括多个轮叶，多个轮叶从外壳体壁延伸并且在第一涡轮转子组件的后方和第二涡轮转子组件的前方穿过气体流动路径，并且进一步其中壳体包括从外壳体壁沿径向方向向外延伸的多个壁，并且其中外壳体壁和多个壁是一体式、整体结构；内歧管壁，内歧管壁沿周向方向和轴向方向围绕壳体处的多个壁，其中内歧管壁在多个轮叶的沿轴向方向的前方延伸，并且其中内歧管壁在多个轮叶的前方连接到外壳体壁；和外歧管壁，外歧管壁围绕内歧管壁，其中外歧管壁和内歧管壁一起形成整体、一体式结构。

19.本文中任何一个或多个条项的燃气涡轮发动机，其中通道壁延伸到外歧管壁和内歧管壁以在通道壁内形成通道，并且其中通道与内歧管壁和外壳体壁之间的第一腔体流体连通。

20.本文中任何一个或多个条项的燃气涡轮发动机，其中内歧管壁形成双壁结构，并且其中内壁导管形成在双壁结构内，与形成在内歧管壁和外歧管壁之间的第一腔体流体连通。

Claims (20)

1.一种燃气涡轮发动机，其中所述发动机限定与中心线轴线同向的轴向方向、从所述中心线轴线延伸的径向方向和相对于所述中心线轴线的周向方向，其特征在于，所述发动机包括：

第一涡轮转子组件，所述第一涡轮转子组件包括在气体流动路径内延伸的多个第一涡轮转子叶片；

第二涡轮转子组件，所述第二涡轮转子组件定位在所述第一涡轮转子组件的沿所述气体流动路径的后方，其中所述第二涡轮转子组件与所述第一涡轮转子组件可旋转地分离；和

壳体，所述壳体围绕所述第一涡轮转子组件，其中所述壳体包括在所述第一涡轮转子组件的前方和所述第一涡轮转子组件的后方延伸的外壳体壁，并且其中所述壳体包括多个轮叶，所述多个轮叶从所述外壳体壁延伸并且在所述第一涡轮转子组件的后方和所述第二涡轮转子组件的前方穿过所述气体流动路径，并且进一步其中所述壳体包括从所述外壳体壁沿所述径向方向向外延伸形成热控制环的多个壁，并且其中所述外壳体壁和所述热控制环是整体、一体式结构。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述第一涡轮转子组件进一步包括多个第一涡轮转子级，其中所述多个壁包括多个轴向间隔开的级，其中所述多个轴向间隔开的级对应于每个相应的第一涡轮转子级的轴向位置。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述发动机包括：

歧管，所述歧管沿所述周向方向和所述轴向方向围绕所述多个壁，其中所述歧管被配置为向所述多个壁提供流体流，并且其中所述歧管是整体、一体式结构。

4.根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述歧管在所述多个壁的所述多个轴向间隔开的级的前方和后方沿所述轴向方向延伸。

5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述歧管限定围绕所述壳体处的所述多个壁的多个开口。

6.根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述歧管包括：

内歧管壁，所述内歧管壁沿所述周向方向和所述轴向方向围绕所述壳体处的所述多个壁，以及

外歧管壁，所述外歧管壁围绕所述内歧管壁，其中通道壁延伸到所述外歧管壁和所述内歧管壁以利用所述通道壁形成通道，并且其中所述通道与所述内歧管壁和所述外壳体壁之间的第一腔体流体连通。

7.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中在所述外歧管壁和所述内歧管壁之间形成导管，其中所述导管与所述第一腔体流体连通，并且其中所述通道壁将所述导管与所述通道壁内的所述通道分离。

8.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述导管延伸以流体连通到形成在所述外壳体壁和护罩组件之间的第二腔体。

9.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述导管延伸以流体连通通过所述多个轮叶中的一个或多个轮叶。

10.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述歧管、所述外壳体壁和所述壳体的所述多个壁是整体、一体式结构。

11.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述外歧管壁在所述多个轮叶的沿所述轴向方向的后方延伸，并且其中所述外歧管壁在所述多个轮叶的后方连接到所述外壳体壁。

12.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述内歧管壁在所述多个轮叶的沿所述轴向方向的前方延伸，并且其中所述内歧管壁在所述多个轮叶的前方连接到所述外壳体壁。

13.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述内歧管壁包括形成内壁导管的双壁结构。

14.根据权利要求13所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述内壁导管延伸以流体连通到形成在所述外壳体壁和所述气体流动路径的外壁之间的第二腔体。

15.根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述歧管在所述多个壁的所述多个轴向间隔开的级的前方和后方沿所述轴向方向延伸，并且其中所述歧管在所述多个轮叶的沿所述轴向方向的后方延伸。

16.根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述歧管包括：

内歧管壁，所述内歧管壁沿所述周向方向和所述轴向方向围绕所述壳体处的所述多个壁；

外歧管壁，所述外歧管壁围绕所述内歧管壁，其中通道壁延伸到所述外歧管壁和所述内歧管壁以在所述通道壁内形成通道，并且其中所述通道与所述内歧管壁和所述外壳体壁之间的第一腔体流体连通；和

构件，所述构件以锐角从所述内歧管壁延伸到所述外歧管壁，且所述构件沿第一方向和与所述第一方向相反的第二方向延伸。

17.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述壳体形成沿所述轴向方向延伸的波纹特征。

18.一种燃气涡轮发动机，所述发动机限定与中心线轴线同向的轴向方向、从所述中心线轴线延伸的径向方向和相对于所述中心线轴线的周向方向，其特征在于，所述发动机包括：

第一涡轮转子组件，所述第一涡轮转子组件包括在气体流动路径内延伸的多个第一涡轮转子叶片；

第二涡轮转子组件，所述第二涡轮转子组件定位在所述第一涡轮转子组件的沿所述气体流动路径的后方，其中所述第二涡轮转子组件与所述第一涡轮转子组件可旋转地分离；

壳体，所述壳体围绕所述第一涡轮转子组件，其中所述壳体包括在所述第一涡轮转子组件的前方和所述第一涡轮转子组件的后方延伸的整体、一体式外壳体壁，并且其中所述壳体包括多个轮叶，所述多个轮叶从所述外壳体壁延伸并且在所述第一涡轮转子组件的后方和所述第二涡轮转子组件的前方穿过所述气体流动路径，并且进一步其中，所述壳体包括从所述外壳体壁沿所述径向方向向外延伸的多个壁，并且其中所述外壳体壁和所述多个壁是整体、一体式结构；

内歧管壁，所述内歧管壁沿所述周向方向和所述轴向方向围绕所述壳体处的所述多个壁，其中所述内歧管壁在所述多个轮叶的沿所述轴向方向的前方延伸，并且其中所述内歧管壁在所述多个轮叶的前方连接到所述外壳体壁；和

外歧管壁，所述外歧管壁围绕所述内歧管壁，其中所述外歧管壁和所述内歧管壁一起形成整体、一体式结构。

19.根据权利要求18所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述通道壁延伸到所述外歧管壁和所述内歧管壁以利用所述通道壁形成通道，并且其中所述通道与所述内歧管壁和所述外壳体壁之间的第一腔体流体连通。

20.根据权利要求18所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述内歧管壁形成双壁结构，并且其中内壁导管形成在所述双壁结构内，与形成在所述内歧管壁和所述外歧管壁之间的第一腔体流体连通。