CN1265448A - 减少冷却空气流的压气机系统和方法 - Google Patents

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Abstract

描述一种冷却空气流压气机系统及减少冷却空气流的方法。该冷却空气流压气机系统采用一主高压压气机,与一辅助高压压气机组合以进一步压缩一主空气流。该辅助高压压气机包括一个由高压涡轮机驱动的转子,该高压涡轮机经一高压涡轮机轴连于该主高压压气机。一热交换器连于该辅助高压压气机,以进一步冷却该冷却空气流。该冷却空气流被用来冷却该涡轮机和一高压涡轮机叶轮。

Description

减少冷却空气流的压气机系统和方法
本发明总的涉及涡轮机，尤其涉及改善涡轮机中冷却的系统和方法。
燃气轮机通常包括一核心发动机，按顺序流动关系具有一多级轴流式低压压气机和供应高压空气流给燃烧室的一多级轴流式高压压气机。这些压气机包括称作定子的静止部件级和称作转子的转动部件级，后者增加功，并压缩进入核心发动机系统的空气流。
供给燃烧室的高压压缩空气流的一部分与燃料混合，被点燃，并用来产生有推进力的热燃烧气体，这些燃烧气体继续向下游流到多级流道中的一个。具体地说，这些燃烧气体流经自热推进燃烧气体吸取能量的一个或多个涡轮级，以驱动压气机转子，并产生其它有用功，例如，一高压涡轮机可由热推进燃烧气体转动，并可用一根轴连于高压压缩机，使高压涡轮机驱动高压压气机的转子。
一种常用的旁通涡轮机在高压涡轮机的后部增加一低压涡轮机，以驱动低压压气机和一前风扇。该前风扇处在空气流的前方，并推动空气流进入低压压气机。经低压压气机不进核心发动机的空气流由流量分流器引导流经一风扇旁通管道。来自风扇的旁通空气流离开风扇旁通管道，以产生大部分的发动机推力。其余的发动机推力来自在离开各涡轮机级并在排气喷咀外被加速后的核心发动机空气流。
涡轮机被构造成在高温下工作以使发动机推力最大。发动机部，诸如高压涡轮机部件的冷却由于这些部件中所用材料的热应力限制是必要的。通常，较冷的空气流自压气机的出口抽取，它用于冷却，例如，涡轮机翼面。
例如，一部分低压压缩空气流可自低压压缩机抽取供涡轮机区冷却，机体增压，防冰和其它用途。提高压气机中空气流的压力也提高了空气流的相对温度，从而使它希望能在最低级数后从压气机中抽取空气流。不幸的是，较低的压力和灼热的空气流温度限制了冷却这些发动机部件的压缩空气流的有效利用。
因此，希望对高温涡轮机部件提供较冷的空气流。此外，希望提高该较冷空气流的压力，以冷却更多的部件，并减少所用冷却空气的数量。
借助于一种冷却空气流压气机系统便能达到这些和其它的目的，它利用一现有涡轮机来驱动一主高压压气机和一辅助高压压气机。
更具体地说，在一个示例性实施例中，该冷却空气流压气机系统将一部分主空气流自在主高压压气机内构成的主通道转入在辅助高压压气机内构成的辅助通道，该冷却空气流受配置在辅助通道内的转子进一步压缩。
一热交换器连于辅助通道以冷却该冷却空气流。主高压压气机将压缩空气引入一燃烧室。辅助通道将冷却空气流自辅助高压压气机引到燃烧室周围，并流经压气机下流的高压涡轮机叶轮级和高压涡轮机叶片。该冷却空气流然后被用来冷却高压涡轮机叶轮和叶片级，并供薄层冷却。
冷却空气流的冷却压力的增加允许在冷却回路构造、冷却空气流的有效利用，能被冷却空气流冷却的发动机部件数量增加方面有较大的浴度。此外，该冷却空气流压气机系统导致总效率改善，并使辅助部件减至最小。
图1是包括一前风扇，一低压压气机和一高压压气机的涡轮机横剖面图；
图2是图1中所示高压压气机的简图，表示一冷却空气流压气机系统；
图3是图2中所示冷却空气流压气机系统的另一实施例的简图；
图4是图3中所示冷却空气流压气机系统的又一实施例的简图。
图1是涡轮机10的横剖面，对称于中心轴线20。发动机10包括按顺序流动关系包括一前风扇30，一多级低压压气机40和一多级主高压压气机52。主高压压气机52与燃烧器66和高压涡轮机68成流体连通。一风扇旁通管道120包围压气机40和52。
在涡轮机运转期间，一空气流可经风扇30向下游移动，进入多级低压压气机40，或经旁通管道120流出。受压缩的空气流经主高压压气机52继续流向下游，在主高压压气机52内，空气受高度增压。至少一部高压空气被引向燃烧器66，与燃料混合，并点燃以产生灼热燃气，它进一步流向下游，并被利用来驱动前风扇30，低压压气机40和主高压压气机52。
图2图示一涡轮机(示于图1)的冷却空气流压气机系统50。冷却空气流压气机系统50包括主高压压气机52，与一辅助高压压气机54成流体连通。主高压压气机52包括若干转子56，由若干跟一定子壳体60相连的转子罩58包围。定子壳体60包围若干定子62。一主流道，或通道64由转子56，转子罩58、定子壳体60和定子62构成。主通道64经主高压压气机52、燃烧器66和高压涡轮机68延伸。
一辅助流道，或通道70与主通道64相连成流体连通，将一部分主空气流自主高压压气机52转到高压涡轮机68而不通过燃烧器66。辅助通道70由一第一部分72和一第二部分74构成，经一主热交换器76、辅助高压压气机54和一高压涡轮机叶轮78延伸。辅助通道70旁通燃烧器66，在点80处和高压涡轮机叶轮78处与主通道64成流体连通。
主热交换器76与主高压压气机52及辅助高压压气机54成流体连通。主热交换器76包括一主进口82、一主入口84，一辅助进入口86和一辅助出口88。主热交换器的主入口82与主高压压气机52成流体连通，而主热交换器的主出口84与辅助高压压气机54成流体连通。主热交换器辅助进口86和辅助出口88与一冷却流成流体连通，这在下面要更充分地说明。主热交换器的主入口82和主出口经第一部分72和第二部分74连于辅助通道70。
辅助通道70包括与第一部分90和第二部分74相连的一第一定子90和一第二定子92。一转子94经一高压轴96连于高压涡轮机68和转子56。转子94，第一定子90和第二定子92与辅助通道70成流体连通。
辅助通道70连于高压涡轮机叶轮78，并与其成流体连通。第一导管98连于高压涡轮机叶轮78和辅助热交换器100，并与其成流体连通。辅助热交换器100包括一主入口102，一主出口104，一辅助入口(未示)和一辅助出口(未示)。
辅助热交换器主出口104与高压涡轮机叶轮78相连，并成流体连通。辅助热交换器100的辅助入口和辅助出口也与所述冷却流成流体连通，这些下文还要更充分的说明。第二导管106连于并流体连通于高压涡轮机叶轮78和涡轮机68。
涡轮机68连于并流体连通于一第三导管108。第三导管108连于并流体连通于高压涡轮机叶轮78。涡轮机68包括一冷却腔(未示)，两高压涡轮机叶片78包括一前区110和一后区112。在一个实施例中，冷却空气流压气机系统50仅包括主热交换器76。此外，辅助通道70可采用任何数目的定子90和92及转子94。
在涡轮机运转期，一部分主空气流自主通道64经辅助通道70转移，被用作冷却空气流来冷却燃烧室66下游的发动机部件。该冷却空气流在辅助通道70内受热交换器76和辅助高压压气机54的冷却和压缩。主热交换器76和辅助热交换器100将冷却空气流引入与所述冷却流接触，以冷却该冷却空气流。所述冷却流可以是从风扇旁通管道120(示于图1)引出的前风扇空气流，来自低压压气机40(示于图1)的排气，或发动机燃料流(示于图4)。
主热交换器76依靠使所述冷却流流过一些管子或导管(未示)来工作。该冷却流然后横越输送该冷却流的管子或导管或沿其周围被引导。一热交换器设置在该冷却流和冷却空气流之间，将热或能量自该冷却空气流转移到该冷却流。该冷却空气流此时被冷却，而该冷却流被加热。当该冷却流为发动机燃料时，它变热，而当被引入燃烧器66时，较快膨胀，并产生能量。
图3图示涡轮机(示于图1)的一冷却空气流压气机系统150。冷却空气流压气机系统150包括一主高压压气机152，与一辅助高压压气机154或流体连通。如图3所示，主高压压气机152包括若干转子156，被若干连于一定子壳体160的转子罩158包围。定子壳体160包围若干定子162。
一主流道或通道164由转子156、转子罩158、定子壳体160和定子162构成。主通道164经主高压压气机152、燃烧器166和一高压涡轮机168延伸。燃烧器166和高压涡轮机168完全类同于燃烧器66和高压涡轮机68(示于图1和2)。
一辅助流道或通道170连于并流体连通于主通道164，将一部分主空气流自主高压压气机152转到高压涡轮机168而不通过燃烧器166。辅助通道170由第一部172和第二部174接界，经辅助高压压气机154、热交换器176和涡轮机168延伸。辅助通道170旁通燃烧器166，在点178和高压涡轮机叶轮180处与主通道164成流体连通。
一转子182由一高压轴184连于高压涡轮机168和转子156。辅助通道170包括一个连于第一部172和第二部174的第一定子186。转子182和定子186与辅助通道170成流体连通。
辅助通道170连于并流体连通于热交换器176，它包括一主入口188和一主出口190。热交换器176还包括一辅助入口192和一辅助出口194，与一冷却流成流体连通，在有关图2的工作原理方面作了详细说明。一第二定子196与主出口190及第一导管198成流体连通，第一导管198连于且流体连通于高压涡轮机168。
涡轮机168连于且流体连通于一第一导管200。第二导管200包括一第三定子202。第二导管200连于且流体连通于高压叶轮180。沿轮机168包括一冷却腔(未示)，高压叶轮180包括一前区204和一后区206。此外，辅助通道170和冷却空气流压气机系统150可采用任数目和构形的定子186。196和202，转子182和热交换器178。
在涡轮机运转期间，一部分主空气流自主高压压气机152转到辅助高压压气机154，并被用作一冷却空气流，以冷却燃烧器166下游的发动机部件。该冷却空气流经辅助高压压气机154进一步压缩，并为热交换器176所冷却。
热交换器176引导该冷却空气流与所述冷却流接触，并冷却该冷却空气流，这在关于图2的工作原理方面已作了详细讨论。该冷却流可以是自风扇旁通管道120(示于图1)引出的前风扇空气流，来自低压压气机40(示于图1)的排气，或发动机燃料流(示于图4)。或者，辅助高压压气机154可以是由低压涡轮机驱动的辅助低压压气机，或涡轮机168和低压涡轮机的某种组合。
图4图示涡轮机(示于图1)的冷却空气流压气机系统250。冷却空气流压气机系统250包括一主高压压气机252，经燃烧器258的燃烧器壳256和主热交换器260与辅助高压压气机254成流体连通。如图4所示，主高压压气机252包括若干转子262，它们由连于一定子壳266的若干转子罩264包围。定子壳266包围若干定子268。
一主流道或通道270由一些转子262，转子罩264，定子壳266和定子268构成。主通道270经一主高压压气机252，燃烧器258和一高压涡轮机272延伸。燃烧器258和高压涡轮机272完全类同于燃烧器66和高压涡轮机68(示于图1、2和3)。
一辅助流道或通道274连接于燃烧器壳体256，与主通道270成流体连通，将一部分主空气流自主高压压气机252转到高压涡轮机272，而不通过燃烧器258。辅助通道274由第一部276和第二部278接界，并经辅助高压压气机254和一高压涡轮机叶轮280延伸。辅助通道274旁通燃烧器258，在点282和高压涡轮机叶轮280处与主通道270成流体连通。
一转子282经一根高压轴284连于高压涡轮机272和转子262。辅助通道274包括连于第一部276和第二部278的一第一定子286和一第二定子288。转子282、第一定子286和第二定子288与辅助通道274成流体连通。
燃烧器258包括一个被燃烧器壳256包围的内燃腔290。燃烧器壳256连于且流体连通于主热交换器260。主热交换器260包括一主入口292，一主出口294，一辅助入口296和一辅助出口298。
辅助通道274连于且流体连通于高压涡轮机叶轮280。第一导管300连于且流体连通于高压涡轮机叶轮280和一辅助热交换器302。辅助热交换器302包括一主入口304，一主出口306，一辅助入口(未示)和一辅助出口(未示)。
辅助热交换器主出口306连于且流体连通于高压涡轮机叶轮280。辅助热交换器302的辅助入口和辅助出口还与所述冷却流成流体连通，下面还要更充分地说明。一第二导管310连于且流体连通于高压涡轮机叶轮280和涡轮机272。
涡轮机272连于且流体连通于一第三导管312，第三导管连于且流体连通于高压涡轮机叶轮。涡轮机272包括一冷却腔(未示)，而高压涡轮机叶轮280包括一前区314和一后区316。在一个实施例中，冷却空气流压气机系统250仅包括主热交换器260。此外，辅助通道274可采用任何数目的定子286和288及转子282。
在涡轮机运转期间，一部分主空气流自主高压压气机252和经燃烧器壳体256循环的空气流转到辅助高压压气机254，被用作冷却燃烧器258下游的发动机部件的冷却空气流。该冷却空气流被辅助高压压气机254进一步压缩，并被主热交换器260和辅助热交换器302冷却。空气流经燃烧器壳体256循环，用来冷却燃烧器258和包围燃烧器258的定子壳体266。
主热交换器260引导冷却空气流与发动机燃料流接触，并冷却该冷却空气流，同时加热发动机燃料，使其膨胀。该冷却空气流横越输送发动机燃料的管子或导管(未示)或沿这些管子或导管的周围被引导到燃烧器258。一热交换器设置在发动机燃料和冷却空气流之间，将热或能量自冷却空气流转移到发动机燃料。该冷却空气流然后被冷却，而发动机燃料被加热。
辅助热交换器302引导冷却空气流与所述冷却流接触。辅助热交换器302中所用的冷却流可以是引自风扇旁通管道120(示于图1)的前风扇空气流，或来自低压压气机40(示于图1)的排气。辅助热交换器302像主热交换器260那样通过使冷却流流经管子或导管来工作。在一个实施例中，冷却空气流压气系统250仅包括主热交换器260，而辅助高压压气机254可以是一种由低压涡轮机驱动的辅助低压压气机，或涡轮机或发动机部件的某些其它组合。
辅助高压压气机254由涡轮机272驱动，这导致总系统效率改善，并使为进一步压缩该主空气流所需的附加部件减至最少。主热交换器260和辅助热交换器302降低了主空气流的温度，从而导致冷却空气流较冷，并处在比主高压压气机252的排出压力更高的压力。作为一个示例性实施例说明了冷却空气流压气机系统250，它被改变来满足所需要的性能特点。此外，冷却空气流压气机系统250可被配置在其它的位置。此后，冷却空气流可被愈加反复地利用，以冷却燃烧器258下游的发动机部件，如低压涡轮机级。
根据对本发明各实施例的以上所述，显然本发明的目的能够达到。虽然已详细说明和图示了本发明，然而应清楚地明白这些说明和图示只是作为说明和举例，而不是被认为是限制。因此，本发明的精神和范围仅受所附权利要求书措辞的限制。

Claims (20)

1.一种涡轮机冷却空气流压气机系统，所述系统包括：
一个高压涡轮机；
一个主压气机，包括一定子壳体，若干转子罩，若干连于所述涡轮机的定子和转子，所述主压气机被构形为与一燃烧器成流体连通；
一辅助压气机，连于且流体连通于一高压涡轮机叶轮和所述主压气机，所述辅助压气机还连于且流体连通于所述涡轮机，所述辅助压气机被构形为能将一部分主空气流自所述主压气机转出；
至少一个热交换器，与所述辅助压气机及涡轮机成流体连通，所述热交换器被构形为能冷却自所述主压气机转出的主空气流。
2.按权利要求1所述的冷却空气流压气机系统，其特征在于，所述主压气机还包括由所述定子壳和转子罩限定的一主流道，所述主流道还受所述若干定子和转子限定，所述主流道与燃烧器成流体连通。
3.如权利要求2所述的冷却空气流压气机系统，其特征在于，所述辅助压气机包括一第一部和一第二部，它们自所述主压气机的主流道延伸，所述第一和第二部限定一辅助流道，所述辅助流道被构形为旁通所述燃烧器。
4.如权利要求3所述的冷却空气流压气机系统，其特征在于，所述辅助压气机还包括至少一个转子和至少一个定子，它们与所述辅助流道成流体连通，所述转子连于所述涡轮机，所述定子连于所述第一部和第二部。
5.如权利要求4所述的冷却空气流压气机系统，其特征在于，所述热交换器包括一主入口和一主出口，以及一辅助入口和一辅助出口，所述主入口与所述主压气机流体连通，所述主出口与所述辅助压气机成流体连通，而所述辅助入口和辅助出口与一冷却流成流体连通。
6.如权利要求4所述的冷却空气流压气机系统，其特征在于，所述热交换器包括一主入口和一主出口及一辅助入口和一辅助出口，所述主入口与所述辅助压气机成流体连通，所述主出口与所述高压涡轮机叶轮成流体连通，所述辅助入口和辅助出口与一前风扇空气流成流体连通。
7.如权利要求4所述的冷却空气流压气机系统，其特征在于，所述热交换器包括一主入口和一主出口及一辅助入口和一辅助出口，所述主入口与所述辅助压气机成流体连通，所述主出口与所述高压涡轮机叶轮成流体连通，而所述辅助入口和辅助出口与一发动机燃料流成流体连通。
8.一种涡轮机，包括：
一个涡轮；
一个压气机；
一个连于所述涡轮的主压气机，所述主压气机包括穿过其间的一主流道，所述主流道包括若干定子和转子，所述定子和转子被一定子壳和一些转子罩包围，所述主流道与所述燃烧器成流体连通；
一个连于所述涡轮机的辅助压气机，所述辅助压气机与所述主压气机和所述涡轮机成流体连通，所述辅助压气机包括一穿过其间的辅助通道，所述辅助通道包括至少一个定子和至少一个转子，所述辅助通道被构形为能将一部分主空气流自所述主流道转出而旁通所述压气机；
至少一个热交换器，连于且流体连通于所述辅助压气机。
9.如权利要求8所述的涡轮机，其特征在于，所述辅助通道还包括界定所述辅助通道的一第一部和一第二部，所述第一部和第二部间隔一距离。
10.如权利要求9所述的涡轮机，其特征在于，所述定子连于所述第一和第二部，所述定子与所述辅助通道成流体连通。
11.如权利要求9所述的涡轮机，其特征在于，所述转子连于所述涡轮机，所述转子与所述辅助通道成流体连通。
12.如权利要求11所述的涡轮机，其特征在于，所述辅助通道与主高压涡轮机叶轮和所述涡轮机成流体连通。
13.如权利要求12所述的涡轮机，其特征在于，所述辅助通道与所述主通道成流体连通。
14.如权利要求13所述的涡轮机，其特征在于，所述热交换器与所述主通道和辅助通道成流体连通，所述热交换器与一冷却流成流体连通。
15.如权利要求14所述的涡轮机，其特征在于，所述热交换器包括一个与所述辅助压气机成流体连通的主入口，一个与所述高压涡轮机叶轮成流体连通的主出口，所述热交换器还包括与所述冷却流成流体连通的一辅助入口和一辅助出口。
16.如权利要求14所述的涡轮机，其特征在于，所述热交换器包括一个与所述主压气机成流体连通的主入口，一个与所述辅助压气机成流体连通的主出口，所述热交换器还包括与所述冷却流成流体连通的一辅助入口和一辅助出口。
17.一种减少涡轮机内所采用的冷却空气流的方法，该涡轮机包括一个与一燃烧器成流体连通的主压气机，该主压气机连于且流体连通于一辅助压气机，该辅助压气机包括至少一定子和至少一个转子，该辅助压气机与一高压涡轮机叶轮及一高压涡轮机成流体连通，该高压涡轮机连于主压气机和辅助压气机，一个热交换器，连于该辅助压气机，所述方法包括如下步骤：
将一部分主空气流自主压气机转至辅助压气机，以产生一冷却空气流；
借助于高压涡轮机提高该辅助压气机内的冷却空气流的压力。
18.一种按权利要求17减少冷却空气流的方法，其特征在于所述提高压力的步骤包括如下步骤：
冷却热交换器内的冷却空气流；
压缩辅助压气机内的冷却空气流。
19.如权利要求19所述的涡轮机，其特征在于，所述冷却该冷却空气流的步骤包括如下步骤：
将冷却空气流转到该热交换器；
引导一冷却流到该热交换器；
引导该冷却空气流跟该热交换器内的冷却流接触。
20.如权利要求18所述的涡轮机，其特征在于，所述压缩该冷却空气流的步骤包括如下步骤：
藉助于高压涡轮机使辅助压气机内的转子工作；
引导该冷却空气流通过辅助压气机内的定子和转子。
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