專利名稱：用于冷卻燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)部件的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及旋轉(zhuǎn)機(jī)器，并且更特別地，涉及用于冷卻燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)部件的方法和裝置。
背景技術(shù)：
許多已知的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)點(diǎn)燃燃燒室組件中的燃料-空氣混合物，并且產(chǎn)生經(jīng)由高溫氣體路徑通向渦輪組件的燃?xì)饬鳌嚎s空氣通過壓縮機(jī)組件通向燃燒室組件。渦輪組件的輸出可用于驅(qū)動機(jī)器，例如發(fā)電機(jī)或泵。
翼片應(yīng)用于許多已知的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中，例如，作為固定葉片和轉(zhuǎn)動葉片。轉(zhuǎn)動葉片通常稱作斗形物。葉片典型地定位在相關(guān)斗形物的緊鄰的上游并且可以配置為噴嘴。葉片-斗形物組合通常稱作級。斗形物通常連接到渦輪轉(zhuǎn)子上并且葉片通常連接到包括渦輪殼在內(nèi)的渦輪組件的固定部分上。燃?xì)饬鹘?jīng)葉片形成預(yù)定向量使得對斗形物的氣體流沖擊變得更為方便。渦輪組件級使包含于燃?xì)饬髦械臒崮鼙阌谵D(zhuǎn)化為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)形式的機(jī)械能。
在許多已知的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中，發(fā)動機(jī)效率通常隨著燃?xì)饬鳒囟仍黾佣岣?。燃?xì)饬鳒囟鹊囊粋€(gè)典型范圍大約為1316°攝氏度(C)-1427℃(2400°華氏度(F)-2600)。在一些發(fā)動機(jī)中，由于形成受影響部件的材料的溫度限制的原因，可能存在燃燒氣體溫度的上限參數(shù)。持續(xù)暴露在高于已知限制的溫度下可能引起部件變形和其他部件壽命減少的后果。
一些已知的達(dá)到希望的燃?xì)饬鳒囟韧瑫r(shí)減少如上所述的可能的有害作用的方法是在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間引入冷卻受影響部件的方法。這些已知方法之一是使氣流的一部分從壓縮機(jī)組件排出并導(dǎo)向受影響部件。
在一些已知的上述系統(tǒng)中，可以如上所述被冷卻的部件之一是第一級渦輪噴嘴，有時(shí)稱作S1N(一級噴嘴)。包括至少一個(gè)葉片的S1N通常將高溫氣體路徑中的燃?xì)饬鲝娜紵医M件導(dǎo)向與渦輪組件的第一級相連的斗形物組。
許多已知的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)將冷卻空氣導(dǎo)向S1N 葉片內(nèi)的空腔，并且該空氣隨后經(jīng)渦輪噴嘴葉片中的開口導(dǎo)向燃?xì)饬?，該過程通常稱作薄膜冷卻。冷卻氣流比燃?xì)饬鞯湫偷靥幱诟邏毫ο?，因此，空氣流入氣體流變得方便。經(jīng)由噴嘴葉片空腔進(jìn)入氣體流的冷卻空氣布置到噴嘴的徑向最外側(cè)段，即葉片的外表面上，并且通過沿葉片外壁形成冷卻空氣層而產(chǎn)生薄膜冷卻效應(yīng)，從而減少葉片上的高溫燃?xì)饬鞯挠绊憽?br> 一些使用這種渦輪噴嘴葉片的薄膜冷卻的已知燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)可以使高溫氣體路徑內(nèi)的燃?xì)饬鞯臏囟仍谌細(xì)饬鲗?dǎo)入渦輪組件的第一級斗形物之前降低。該溫度下降起因于冷卻空氣與較高溫度氣體的混合。一些已知的燃?xì)鉁u輪可能經(jīng)歷80-150℃(176-302)范圍內(nèi)的燃?xì)饬鳒囟认陆?。這種情況傾向于降低用于給定燃燒速度的渦輪組件的功率輸出，從而使發(fā)動機(jī)效率下降。
一種通常用于克服溫度下降的方法是提高燃燒速度，即，燃料燃燒速度，并且促使燃?xì)饬髟跍u輪噴嘴之前增大以在冷卻空氣導(dǎo)入氣體流之后恢復(fù)第一級斗形物處的燃?xì)饬鳒囟取１M管此舉的結(jié)果往往恢復(fù)了燃?xì)饬鳒囟群蜏u輪組件功率輸出，但是它也增加了燃燒速度。
加快燃燒速度并且隨后燃燒氣體溫度增加到預(yù)定臨界值，普遍接受的是大約1538℃(2800)，這可能會引起氮氧化物、通常稱作NOx的形成增多，即，造成包括法規(guī)限制在內(nèi)的種種相關(guān)環(huán)境問題的燃?xì)饬鞒煞值脑黾?。為了減少NOx形成的可能，發(fā)動機(jī)操作者通常觀察以監(jiān)視燃燒的一個(gè)參數(shù)是燃料/空氣比，即，所燃燒燃料與用于該燃燒的空氣之間的比。當(dāng)該比值減小時(shí)，NOx形成的可能性減小。通常，燃?xì)鉁u輪在稀薄燃燒，即比值盡可能低的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，并且實(shí)際比值的范圍為0.025-0.032。將壓縮機(jī)排出的一部分空氣導(dǎo)入經(jīng)由燃燒過程的噴嘴冷卻回路會降低比值中的空氣值，并且燃料/空氣比趨于增大。如上所述，這些情況趨于增大NOx形成的可能。因此，人們希望將用于冷卻噴嘴并隨后排入氣體流的空氣(從壓縮機(jī)排出)值減至最少。減少冷卻空氣的預(yù)定值降低了與冷卻空氣排入氣體流相關(guān)的性能影響并且降低了燃料/空氣比，從而減少了NOx形成的可能。
氣體溫度的上閾(由于材料限制和NOx形成)和燃料/空氣比(由于NOx形成)的窄范圍相結(jié)合可能降低建立燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的高效運(yùn)行方式的靈活性。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)包括至少一個(gè)渦輪噴嘴段。該段包括弓形、徑向最外側(cè)的端壁、弓形、徑向最內(nèi)側(cè)的端壁和至少一個(gè)翼型葉片。所述最外側(cè)端壁包括至少一個(gè)開放通道。所述最內(nèi)側(cè)端壁包括至少一個(gè)開放通道。所述至少一個(gè)翼型葉片在所述內(nèi)部徑向端壁和所述外部徑向端壁之間延伸并連接到其上。該葉片還包括空腔、前緣、后緣和翼型葉片外表面。所述空腔包括翼型葉片內(nèi)表面和多個(gè)渦流器。所述空腔和開放通道流體連通以使得翼片冷卻氣流流動變得方便。該子系統(tǒng)還包括至少一個(gè)與壓縮機(jī)組件和所述至少一個(gè)渦輪噴嘴段流體連通的擴(kuò)散管。所述擴(kuò)散管包括至少一個(gè)擴(kuò)散管壁和至少一個(gè)空腔。所述至少一個(gè)擴(kuò)散管壁從壓縮機(jī)組件向所述渦輪噴嘴段延伸以使得翼片冷卻氣流向至少一個(gè)渦輪噴嘴段的引導(dǎo)變得方便。所述翼片冷卻氣流包括壓縮機(jī)組件排出氣流的至少一部分。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種裝配燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的方法。該方法包括將至少一個(gè)渦輪噴嘴段連接到燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)固定支撐結(jié)構(gòu)的至少一部分上。該方法還包括將至少一個(gè)渦輪噴嘴段連接到至少一個(gè)過渡件上。該方法還包括將冷卻流體源連接到至少一個(gè)渦輪噴嘴段上以使得冷卻流體可以通向至少一個(gè)渦輪噴嘴翼型葉片。該方法還包括將擴(kuò)散管壁連接到壓縮機(jī)組件和至少一個(gè)渦輪噴嘴段上，使得壓縮機(jī)組件排出氣流的至少一部分流向至少一個(gè)渦輪噴嘴段。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)包括壓縮機(jī)組件和與該壓縮機(jī)組件流體連通的燃燒室組件。該發(fā)動機(jī)還包括渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)包括至少一個(gè)渦輪噴嘴段。該噴嘴包括弓形、徑向最外側(cè)的端壁、弓形、徑向最內(nèi)側(cè)的端壁和至少一個(gè)翼型葉片。所述最外側(cè)端壁包括至少一個(gè)開放通道。所述最內(nèi)側(cè)端壁包括至少一個(gè)開放通道。所述至少一個(gè)翼型葉片在所述內(nèi)部徑向壁和所述外部徑向壁之間延伸并連接到其上。該葉片還包括空腔、前緣、后緣和翼型葉片外表面。所述空腔包括翼型葉片內(nèi)表面和多個(gè)渦流器。所述空腔和開放通道流體連通以使得翼片冷卻氣流流動變得方便。至少一個(gè)擴(kuò)散管與壓縮機(jī)組件和至少一個(gè)渦輪噴嘴段流體連通。所述擴(kuò)散管包括至少一個(gè)擴(kuò)散管壁和至少一個(gè)空腔。所述至少一個(gè)擴(kuò)散管壁從壓縮機(jī)組件向所述渦輪噴嘴段延伸以使得翼片冷卻氣流向至少一個(gè)渦輪噴嘴段的引導(dǎo)變得方便。所述翼片冷卻氣流包括壓縮機(jī)組件排出氣流的至少一部分。該發(fā)動機(jī)還包括與渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)流體連通的渦輪組件。


圖1是示例性燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的示意圖；圖2是渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)的示例性實(shí)施例的局部示意圖，該子系統(tǒng)可與圖1中的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)一起使用；圖3是第一級渦輪噴嘴段的示例性實(shí)施例的示意圖，該噴嘴段可與圖1中的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)一起使用；圖4是第一級渦輪噴嘴段的示意性實(shí)施例的可選透視圖，該噴嘴段可與圖1中的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)一起使用；圖5是渦輪噴嘴葉片的示例性實(shí)施例的說明圖，該葉片可與圖1中的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)一起使用；圖6是渦輪噴嘴葉片的示意性實(shí)施例的可選透視圖，該葉片可與圖1中的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)一起使用；圖7是渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)的可選實(shí)施例的局部示意圖，該子系統(tǒng)可與圖1中的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)一起使用；和圖8是用于裝配燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的示例性方法的流程圖，該方法可用于圖1中的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。
具體實(shí)施例方式
圖1是示例性燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)100的示意圖。發(fā)動機(jī)100包括壓縮機(jī)組件102、燃燒室組件104、第一級渦輪噴嘴106、渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)108、渦輪組件110和公共壓縮機(jī)/渦輪軸112(有時(shí)稱作轉(zhuǎn)子112)。在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)動機(jī)100是MS7001FB發(fā)動機(jī)，有時(shí)稱作7FB發(fā)動機(jī)，其可從General Electric Company(通用電氣公司)，Greenville SouthCarolina購得。
在運(yùn)轉(zhuǎn)中，空氣流過壓縮機(jī)組件102并且壓縮空氣被供應(yīng)至燃燒室組件104，組件104與組件102流體連通。燃燒室組件104利用來自組件102的空氣點(diǎn)燃并燃燒燃料，例如，天然氣和/或燃料油，產(chǎn)生大約1316°攝氏度(C)-1427℃(2400°華氏度(F)-2600)的高溫燃?xì)饬?。燃燒室組件104還與有時(shí)稱作S1N的第一級渦輪噴嘴106流體連通，并且高溫氣體流導(dǎo)向噴嘴106。噴嘴106包括至少一個(gè)葉片(圖1未顯示)，其便于氣體流的方向改變以使氣體流向渦輪組件110的第一級斗形物(圖1未顯示)，這樣，通過渦輪組件110使氣體流熱能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子112轉(zhuǎn)動能變得更加方便。第一級渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)108使噴嘴106的冷卻更加方便，如下文詳細(xì)描述的那樣。渦輪組件110可旋轉(zhuǎn)地連接并驅(qū)動轉(zhuǎn)子112，該轉(zhuǎn)子隨后給壓縮機(jī)組件102提供旋轉(zhuǎn)動力，組件102還可旋轉(zhuǎn)地連接到軸112上。在該示例性實(shí)施例中，具有多個(gè)燃燒室組件104和噴嘴106。在下面的討論中，除非另有陳述，否則將只對每類部件中的一個(gè)進(jìn)行描述。
圖2是渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)200的示例性實(shí)施例的局部示意圖，該子系統(tǒng)可與燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)100(圖1所示)一起使用。子系統(tǒng)200與壓縮機(jī)組件202相連并流體連通。子系統(tǒng)200還與燃燒室組件210相連并流體連通。組件210包括燃燒室端蓋212、多個(gè)燃料噴嘴214、燃燒室殼216、燃燒室襯套218、燃燒室腔220、過渡件222和燃燒室出口224。另外，子系統(tǒng)200與渦輪組件230相連并流體連通。組件230包括第一級斗形物232、外殼234、內(nèi)殼236、外支撐結(jié)構(gòu)238和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)240。子系統(tǒng)200包括擴(kuò)散管250，其中擴(kuò)散管250包括擴(kuò)散管腔252和擴(kuò)散管壁254。擴(kuò)散管壁254包括多個(gè)開放通道255，有時(shí)稱作旁通孔。子系統(tǒng)200還包括渦輪噴嘴256和壓縮機(jī)排出氣室258。渦輪噴嘴256包括多個(gè)渦輪噴嘴段，圖3中顯示了其中之一。
在運(yùn)轉(zhuǎn)中，如上所述，壓縮機(jī)組件202由渦輪組件230通過公共軸112(圖1所示)驅(qū)動。當(dāng)壓縮機(jī)組件202旋轉(zhuǎn)時(shí)，它壓縮空氣并且將壓縮空氣如相關(guān)箭頭所示那樣排入擴(kuò)散管250。空氣進(jìn)入擴(kuò)散管腔252并且一部分經(jīng)由擴(kuò)散管壁254如相關(guān)箭頭所示那樣通向渦輪噴嘴256，可稱作翼片或噴嘴冷卻氣流。壓縮機(jī)組件202排出空氣的另一部分經(jīng)由多個(gè)開放通道255直接通向壓縮機(jī)排出氣室258，如相關(guān)箭頭所示和下文所述。導(dǎo)向噴嘴256的空氣部分如相關(guān)箭頭所示那樣從噴嘴256通向氣室258。
開放通道255(旁通孔)可以在擴(kuò)散管壁254中確定尺寸和位置從而設(shè)定旁通噴嘴256的預(yù)定百分比的氣流。在示例性實(shí)施例中，壓縮機(jī)202排氣流的大約50％通向噴管冷卻氣流，大約40％直接通向壓縮機(jī)排出氣室258，只有通向翼片后緣和平臺的極少量的空氣冷卻。通過增加噴嘴冷卻氣流的質(zhì)量流速使噴嘴256的對流冷卻變得方便。在可選實(shí)施例中，通向渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)200的壓縮機(jī)202排出的百分比可以增至大致100％。
燃燒室組件210接收經(jīng)燃燒室端蓋212來自氣室258的空氣。燃料由燃燒室組件210經(jīng)由燃料噴嘴214接收。燃料和空氣噴射到由燃燒室襯套218形成的燃燒室220中。襯套218由燃燒室殼216支撐，并且外殼216還有利于燃燒室220燃燒過程與外部環(huán)境，例如渦輪室隔離。燃料在腔室220中點(diǎn)燃并燃燒，生成的燃燒氣體導(dǎo)向并通過過渡件222。過渡件222如相關(guān)箭頭所示那樣引導(dǎo)燃?xì)饬魍ㄏ蛉紵页隹?24，隨后，通向渦輪噴嘴256(下文所述)。燃?xì)饬饔蓢娮?56如相關(guān)箭頭所示那樣進(jìn)一步導(dǎo)向斗形物232。包括腔室220到過渡件222、到燃燒室出口224、隨后到噴嘴256、隨后到第一級232在內(nèi)的燃?xì)饬髀窂娇梢苑Q作高溫氣體路徑。
通常，從壓縮機(jī)202排出到渦輪組件230入口(即第一級斗形物232)的壓降，有時(shí)稱作壓差是操作者觀察以評價(jià)渦輪效率的參數(shù)，該壓降與通過空氣路徑到燃燒室組件210，經(jīng)過燃燒過程，并隨后進(jìn)入高溫氣體路徑的過程相關(guān)。人們注意到，利用壓縮機(jī)202排氣在空氣進(jìn)入燃燒室210之前冷卻噴嘴222可以引起壓縮機(jī)202排出和第一級斗形物232之間的壓降增大，其隨后可能降低發(fā)動機(jī)100(圖1所示)的效率。在該示例性實(shí)施例中，冷卻回路可以如上所述那樣設(shè)定尺寸和位置以將總壓降的增大減少到大約低于2％。在噴管冷卻氣流中以大約0.15馬赫數(shù)(MN)減少壓差增大并且增加氣流速度，連同如上所述的質(zhì)量流速增加一起更易達(dá)到一種狀態(tài)，其中，如上所述，噴嘴256的薄膜冷卻可以在很大程度上并且在一些情況下不被對流冷卻完全取代。此外，由于上述壓差增大的原因所引起的發(fā)動機(jī)100效率暫時(shí)降低可以被大約93℃(200)的溫度升高所抵消，這可以通過不將冷卻空氣經(jīng)過噴嘴256薄膜冷卻噴射到燃?xì)饬髦卸鴮?shí)現(xiàn)。此外，將來自具有第一溫度的噴嘴256的排放空氣混合到接收來自處于第二溫度的擴(kuò)散管250的空氣的壓縮機(jī)排出氣室258中可以促進(jìn)流向燃燒室組件210的空氣溫度總體提高，從而促進(jìn)燃燒室組件210操作性能的后續(xù)提高，其中第一溫度高于第二溫度。
外殼234有利于在氣室258內(nèi)部引導(dǎo)空氣并且有利于使渦輪組件230與外部環(huán)境，例如渦輪室隔離。內(nèi)殼236便于氣體流過渦輪級，所述渦輪級包括第一級(即噴嘴256和斗形物232)和后續(xù)級(圖2未顯示)。噴嘴256包括多個(gè)噴嘴段(圖1未顯示，并且在下文進(jìn)行描述)，它們通過同樣在下文描述的外支撐結(jié)構(gòu)238和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)240支撐。內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)240和外支撐結(jié)構(gòu)238定位和配置為形成圓孔，其可以支撐多個(gè)噴嘴段256并便于翼片冷卻氣流進(jìn)出噴嘴256。
圖3是第一級渦輪噴嘴段300的示例性實(shí)施例的示意圖，該噴嘴段可與燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)100(圖1所示)一起使用。圖3顯示了渦輪噴嘴段300的透視圖。當(dāng)在此使用時(shí)，“軸向尺寸”、“軸向方向”或“軸向長度”應(yīng)理解為表示例如沿著或平行于軸線301延伸的噴嘴部分或部件的尺寸，距離或長度。另外，此處的“徑向尺寸”、“徑向方向”或“徑向長度”應(yīng)理解為表示例如沿著或平行于軸線302延伸的例如噴嘴部分或部件的尺寸，距離或長度，其中所述軸線302與軸線301相交于軸線301上的點(diǎn)并與其垂直。此外，此處的“周向尺寸”、“周向方向”、“周向長度”、“弦尺寸”、“弦方向”和“弦長度”應(yīng)理解為在包括軸線301和軸線302的平面內(nèi)或者在與該平面平行的平面內(nèi)測量的例如噴嘴部分或部件的尺寸，距離或長度。例如，圍繞渦輪軸由一部件，例如渦輪噴嘴組件形成的弧長可以稱作弦長度。
參見圖3，噴嘴段300包括兩個(gè)葉片304，葉片304包括前緣306和后緣308。段300還包括弓形、徑向外端壁310，具有在外部前面312和外部后面314之間延伸的軸向長度。外部后面314包括具有緊固件開放通道317的外部后面緊固構(gòu)件315。外部前面312包括外部前面槽313。弓形、徑向內(nèi)端壁316通常與外壁310相對并且具有在內(nèi)部前面318和內(nèi)部后面320之間延伸的軸向長度。內(nèi)部前面318包括內(nèi)部前面槽319。小導(dǎo)向葉片322和大導(dǎo)向葉片324與內(nèi)部后面320相連。葉片324包括緊固件開放通道325。噴嘴段300的前緣306界定在外部前面312和內(nèi)部前面318之間，噴嘴段300的后緣308界定在外部后面314和內(nèi)部后面320之間。在該示例性實(shí)施例中，后緣308的徑向長度大于前緣306的徑向長度。
噴嘴段300可以包括至少一個(gè)形成在外端壁310中的外部密封槽326和/或至少一個(gè)形成在內(nèi)端壁316中的內(nèi)部密封槽328。當(dāng)噴嘴段300定位于由內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)240(圖2所示)和外支撐結(jié)構(gòu)238(圖2所示)構(gòu)成的圓孔中時(shí)，合適的密封或墊片(未顯示)可插入到密封槽326和/或328中以形成相鄰噴嘴段300和/或相鄰渦輪噴嘴之間的流體密封。
內(nèi)端壁316包括多個(gè)開放通道330以便于噴嘴冷卻氣流流入葉片304。一般而言，每個(gè)葉片304具有一個(gè)位于端壁316中的開放通道以便于噴嘴冷卻空氣流出。在端壁310上還具有類似的開放通道(圖3未顯示)以便于噴嘴冷卻空氣流入。
示例性噴嘴段300可與相鄰噴嘴段300相連以形成用于發(fā)動機(jī)100(圖1所示)的噴嘴256(圖2所示)。任意合適數(shù)目的噴嘴段300可以周向定位于由外支撐結(jié)構(gòu)238和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)240形成的環(huán)形區(qū)域中并連接形成徑向圍繞軸112(圖1所示)并通常沿軸線301沿軸向方向延伸的渦輪噴嘴256。段300可以經(jīng)外部前面312的槽313和內(nèi)部前面318的槽319連接到過渡件222(圖2所示)。段300可以經(jīng)緊固構(gòu)件315和通過開放通道317的至少一個(gè)緊固件(圖3未顯示)連接至外支撐結(jié)構(gòu)238(圖2所示)。段300還可以經(jīng)葉片322和324以及通過開放通道325的緊固件(圖3未顯示)連接至內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)240(圖2所示)。
圖4是第一級渦輪噴嘴段300的示意性實(shí)施例的可選透視圖，該噴嘴段可與燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)100(圖1所示)一起使用。該透視圖與噴嘴段256(圖2所示)的透視圖不一致之處在于，圖4顯示了倒置的噴嘴段300具有位于頂部的冷卻氣流入口，即，圖2顯示了圓周方向上位于徑向最上面位置處的渦輪噴嘴段256，圖4顯示了圓周方向上位于徑向最下面位置處的渦輪噴嘴段300。段300包括葉片304，葉片304包括前緣306和后緣308。段300還包括外端壁310、外部前面312、外部后面314、外部后面緊固構(gòu)件315、外部前面槽313、內(nèi)端面316、內(nèi)部前面318、內(nèi)部后面320、內(nèi)部前面槽319、小導(dǎo)向葉片322、大導(dǎo)向葉片324、外部密封槽326和內(nèi)部密封槽328。在該示例性實(shí)施例中，后緣308的徑向長度大于前緣306的徑向長度。
圖4還顯示了具有相應(yīng)箭頭的燃?xì)饬?31和冷卻氣流332。
段300的弦長可以預(yù)先確定為使段300的尺寸適當(dāng)?shù)刂瞥梢子谶_(dá)到預(yù)定噴嘴冷卻氣流流速和預(yù)定燃?xì)饬髁魉佟?br> 圖5是渦輪噴嘴葉片400的示例性實(shí)施例的示意圖，該葉片可與燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)100(圖1所示)一起使用。葉片400包括前緣402、后緣404、外表面406和冷卻空氣開放通道408。圖6是渦輪噴嘴葉片400的示意性實(shí)施例的可選透視圖，該葉片可與燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)100一起使用。除了圖5所顯示的部件之外，圖6還顯示了腔410，內(nèi)表面412和第二開放通道408。
參見圖5和6，燃?xì)饬髁鬟^前緣402并通過位于葉片400的兩個(gè)開放側(cè)上的外表面406。人們注意到，包括開放通道408在內(nèi)的葉片400的側(cè)部連接到內(nèi)端壁316(圖3所示)和外端壁310(圖3所示)上，因此，不暴露于氣體流中。冷卻空氣允許進(jìn)入開放通道408之一并進(jìn)入葉片腔410。渦流器(圖5和6中未顯示)包括可以連接到內(nèi)壁412上的小凸起部。渦流器在葉片400內(nèi)引起冷卻空氣渦流以便于熱量從外表面406向內(nèi)表面412，并隨后向冷卻空氣傳遞。冷卻空氣從相對的開放通道408流出。開放通道408入口處的冷卻空氣與開放通道出口處的空氣相比通常處于較大壓力和較低溫度下。
參見圖3，人們注意到在該示例性實(shí)施例中，沖擊插入件不連接到噴嘴段300上以便于增加相關(guān)的冷卻氣流區(qū)域和降低對冷卻氣流的阻力?？蛇x地，參見圖3和6，噴嘴300可以包括至少一個(gè)用于每個(gè)相關(guān)葉片304的沖擊插入件(圖3未顯示)，所述插入件具有位于它們?nèi)肟诙说妮S環(huán)用于與外端壁310中的整體鑄造法蘭相連。該插入件還可以包括插入到端壁310的開放通道(圖3未顯示)中的延伸部并且該延伸部伸到葉片400的腔410中。所述延伸部包括多個(gè)沖擊流動孔，其便于腔410內(nèi)的冷卻氣流均勻分布。
圖7是渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)500的可選實(shí)施例的局部示意圖，該子系統(tǒng)可與燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)100(圖1所示)一起使用。系統(tǒng)500與壓縮機(jī)組件502相連并流體連通。子系統(tǒng)500包括擴(kuò)散管504和壓縮機(jī)排出氣室506。另外，子系統(tǒng)500與過渡件508相連并流體連通。子系統(tǒng)500還包括翼片氣室510，其包括分流器512，渦輪噴嘴冷卻空氣壓縮機(jī)514和渦輪噴嘴冷卻空氣壓縮機(jī)排出氣室515。另外，子系統(tǒng)500包括內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)516，冷卻氣流開放通道518和渦輪噴嘴520。子系統(tǒng)500與第一級斗形物522流體連通。
壓縮機(jī)組件502由渦輪組件110(圖1所示)可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動。壓縮空氣的排氣經(jīng)分流器512分成至少兩股流體流。通向擴(kuò)散管504的氣流如相關(guān)箭頭所示那樣進(jìn)一步通向壓縮機(jī)排出氣室506，并隨后通向燃燒室組件104(圖1所示)。
如相關(guān)箭頭所示那樣通向翼片氣室510的氣流通向渦輪噴嘴冷卻空氣壓縮機(jī)514。壓縮機(jī)514包括至少一級壓縮，并且示例性實(shí)施例顯示了一級壓縮。壓縮機(jī)514可以由壓縮機(jī)502可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動?？蛇x地，壓縮機(jī)514可以由可旋轉(zhuǎn)連接到渦輪組件110上的旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)或電動機(jī)驅(qū)動。從壓縮機(jī)514排出的空氣通向渦輪噴嘴冷卻空氣壓縮機(jī)排出氣室515。內(nèi)支撐組件516方便了用于渦輪噴嘴520的支撐。支撐組件516包括冷卻氣流開放通道518，其使氣流便于從氣室515流向噴嘴520。噴嘴520可以大體上與噴嘴300類似(圖3和4所示)。
冷卻空氣如相關(guān)箭頭所示那樣流過噴嘴520。該冷卻空氣用于噴嘴520冷卻并隨后完全或部分地從噴嘴520排入氣室506以在燃燒室組件l04(圖1所示)中使用。一些冷卻空氣可以進(jìn)入氣體流用于薄膜冷卻。如相關(guān)箭頭所示從過渡件508通過噴嘴520導(dǎo)向第一級斗形物522的燃?xì)饬鲀A向于引起噴嘴520中的溫度升高。從噴嘴520傳導(dǎo)向噴嘴冷卻氣流的熱量有利于減小超過噴嘴520的溫度限制的可能。人們注意到在該可選實(shí)施例中，沖擊插入件不連接到噴嘴段520上以便于增加相關(guān)的冷卻氣流區(qū)域和降低對冷卻氣流的阻力。在另一個(gè)可選實(shí)施例中，噴嘴520可以包括至少一個(gè)用于每個(gè)相關(guān)葉片304(圖3所示)的沖擊插入件(圖7未顯示)，所述插入件具有位于它們?nèi)肟诙说妮S環(huán)用于與外端壁310(圖3所示)中的整體鑄造法蘭(圖3未顯示)相連。該插入件還可以包括插入到端壁310的開放通道(圖3未顯示)中的延伸部并且該延伸部伸到葉片400(圖6所示)的腔410(圖6所示)中。所述延伸部包括多個(gè)沖擊流動孔，其便于腔410內(nèi)的冷卻氣流均勻分布。
圖8是用于裝配燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)100(圖1所示)的示例性方法600的流程圖。方法600的方法步驟602包括形成渦輪噴嘴段。步驟602還包括鑄造至少一個(gè)與葉片304(圖3和4所示)和葉片400(圖5和6所示)類似的渦輪噴嘴翼型葉片，其中大體上無孔的葉片400的外表面406有利于減少流入高溫氣體路徑并隨后減緩燃燒室出口224(圖2所示)和第一級斗形物232(圖2所示)之間的燃?xì)饬鳒囟认陆档闹辽僖徊糠忠砥鋮s氣流。
方法步驟602還包括將外部徑向端壁310(圖3所示)和內(nèi)部徑向端壁316(圖3所示)焊接到葉片304(圖3所示)上。
在示例性實(shí)施例中，沖擊插入件不插入到噴嘴段300中?？蛇x地，沖擊插入件可以插入到段300中以便于段300中的冷卻氣流分布。
方法600的方法步驟604包括將渦輪噴嘴段300(圖3所示)連接到燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)100(圖1所示)上。參見圖2，步驟604包括定位和設(shè)置內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)240和外支撐結(jié)構(gòu)238以形成圓孔，其可以支撐多個(gè)噴嘴段256并便于氣流進(jìn)出噴嘴256。
參見圖3，方法步驟604還包括使示例性噴嘴段300與相鄰噴嘴段300相連以形成用于發(fā)動機(jī)100的噴嘴256(圖2所示)。任意合適數(shù)目的噴嘴段300可以周向定位于由外支撐結(jié)構(gòu)238(圖2所示)和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)240(圖2所示)形成的環(huán)形區(qū)域中并連接形成徑向圍繞軸112(圖1所示)的渦輪噴嘴。
步驟604還包括將渦輪噴嘴段300對齊在有外支撐結(jié)構(gòu)238和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)240構(gòu)成的環(huán)形空腔中，這使得翼片冷卻氣流流動和燃?xì)饬髁鲃幼兊酶鼮楸憷?br> 方法600的方法步驟606包括將渦輪噴嘴段256(圖2所示)連接到過渡件222(圖2所示)上，從而便于燃?xì)饬髁黧w連通。段300可以經(jīng)外部前面312的槽313和內(nèi)部前面318的槽319連接到過渡件222上。段300可以經(jīng)緊固構(gòu)件315和通過開放通道317的至少一個(gè)緊固件(圖3未顯示)連接至外支撐結(jié)構(gòu)238。段300還可以經(jīng)葉片322和324以及通過開放通道325的緊固件(圖3未顯示)連接至內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)240。
參見圖1，方法600的方法步驟608包括將冷卻流體源連接到渦輪噴嘴段300(圖3所示)上使得冷卻流體可以通向相關(guān)渦輪噴嘴翼型葉片304(圖3所示)，從而使翼片冷卻氣流易于流動。在示例性實(shí)施例中，步驟608包括將渦輪組件110經(jīng)公共軸112連接到壓縮機(jī)組件102上以可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動壓縮機(jī)組件102，使得壓縮空氣可以通向渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)108。
可選地，參見圖7，方法步驟608還可以包括安裝分流器512和渦輪冷卻空氣壓縮機(jī)514以使得引導(dǎo)噴嘴冷卻氣流變得更為方便。
參見圖2，方法600的方法步驟610包括將擴(kuò)散管壁254連接到壓縮機(jī)組件202和渦輪噴嘴段256上，從而將壓縮機(jī)組件202排放氣流的至少一部分導(dǎo)向渦輪噴嘴段256。擴(kuò)散管壁254可以經(jīng)焊接連接到組件202和段256上。可選地，壁254可以利用例如包括至少一個(gè)螺栓和至少一個(gè)螺母的機(jī)構(gòu)緊固到組件202和段256上。而且，可選地，壁254可以結(jié)合到與制造擴(kuò)散管250相關(guān)的澆鑄過程中。
再次參見圖2，方法600的方法步驟612包括在擴(kuò)散管壁254中定位和設(shè)置至少一個(gè)開放通道255。步驟612還包括利用至少一個(gè)開放通道255穿透擴(kuò)散器壁254的至少一部分，從而將壓縮機(jī)排出氣流的相當(dāng)一部分導(dǎo)向至少一個(gè)渦輪噴嘴段。穿透壁254的一個(gè)例子是在壁254中以預(yù)定間隔鉆出預(yù)定數(shù)量的具有預(yù)定直徑的開放通道255。可選地，開放通道255可以結(jié)合到與制造擴(kuò)散管250相關(guān)的澆鑄過程中。
可選地，可以不執(zhí)行方法步驟612，從而便于將大體上100％的壓縮機(jī)組件202排氣引導(dǎo)至渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)200。
此處所描述的用于渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)的方法和設(shè)備使燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的操作變得方便。更具體地，通過減緩由于在渦輪第一級噴嘴處空氣噴射到燃?xì)饬髦械脑蚨鸬娜細(xì)鉁u輪效率降低，使得如上所述地設(shè)計(jì)、安裝和操作渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)使燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的操作變得方便。另外，NOx排放物的增加通過該渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)得以減少。因此，燃?xì)鉁u輪效率的降低，燃料成本的相關(guān)增加，維修成本增加以及發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中斷可以被減少或消除。
盡管此處描述和/或顯示的方法和裝置是用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的方法和裝置，并且更特別地，對用于渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)及其實(shí)施方法進(jìn)行了描述和/或說明，但是一般而言，此處的描述和/或說明既不局限于渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)，也不局限于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。相反，此處的描述和/或說明適用于任何系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和操作。
上文詳細(xì)描述了與燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)相關(guān)的渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)的示例性實(shí)施例。本發(fā)明的方法、裝置和系統(tǒng)既不局限于在此描述的特定實(shí)施例，也不局限于設(shè)計(jì)、安裝及操作的特定渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)，相反，渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和操作方法可以與在此描述的其他方法、裝置和系統(tǒng)獨(dú)立且分開地使用或設(shè)計(jì)、安裝和操作在此未描述的部件。例如，利用在此描述的方法也可以設(shè)計(jì)、安裝和操作其他部件。
盡管本發(fā)明已經(jīng)根據(jù)不同的特定實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，本發(fā)明可以在權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)進(jìn)行改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)(200)，所述子系統(tǒng)包括至少一個(gè)渦輪噴嘴段(300)，其包括弓形、徑向最外側(cè)的端壁(310)、弓形、徑向最內(nèi)側(cè)的端壁(316)和至少一個(gè)翼型葉片，其中所述最外側(cè)的端壁包括至少一個(gè)開放通道(317)，所述最內(nèi)側(cè)的端壁包括至少一個(gè)開放通道，所述至少一個(gè)翼型葉片在所述內(nèi)側(cè)徑向端壁和所述外側(cè)徑向端壁之間延伸并連接到其上，所述葉片還包括空腔(410)、前緣(402)、后緣(404)和翼型葉片外表面(406)，所述空腔包括翼型葉片內(nèi)表面和多個(gè)渦流器，所述空腔和所述開放通道流體連通以使得翼片冷卻氣流流動變得方便；和至少一個(gè)與壓縮機(jī)組件(102)和所述至少一個(gè)渦輪噴嘴段流體連通的擴(kuò)散管(250)，所述擴(kuò)散管包括至少一個(gè)擴(kuò)散管壁(254)和至少一個(gè)空腔(252)，所述至少一個(gè)擴(kuò)散管壁從壓縮機(jī)組件向所述渦輪噴嘴段延伸以使得所述翼片冷卻氣流向所述至少一個(gè)渦輪噴嘴段的引導(dǎo)變得方便，所述翼片冷卻氣流包括壓縮機(jī)組件排出氣流的至少一部分。
2.如權(quán)利要求1所述的渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)(200)，其中所述噴嘴(256)與燃燒室組件(102)和渦輪組件(110)第一級斗形物(232)通過燃?xì)饬髁黧w連通并且與所述擴(kuò)散管(250)和壓縮機(jī)排出氣室(506)通過冷卻氣流流體連通，這樣，在所述開放通道(317)內(nèi)引導(dǎo)的所述翼片冷卻氣流使熱量易于從所述渦輪噴嘴空腔內(nèi)的燃?xì)饬鞯闹辽僖徊糠滞ㄟ^所述翼型葉片(400)外表面(406)的至少一部分和所述翼型葉片內(nèi)表面(412)的至少一部分向所述氣流的至少一部分傳導(dǎo)，從而有利于減少氮氧化物(NOx)的生成。
3.如權(quán)利要求1所述的渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)(200)，其中所述噴嘴(256)連接到渦輪組件上，通過所述外端壁(310)連接到外支撐結(jié)構(gòu)(238)上并經(jīng)過所述內(nèi)端壁(316)連接到內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)(240)上，所述外支撐結(jié)構(gòu)和所述內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)定位和設(shè)置成使得所述翼片冷卻氣流流動變得方便。
4.如權(quán)利要求1所述的渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)(200)，其中所述多個(gè)渦流器包括多個(gè)連接到所述至少一個(gè)渦輪噴嘴段(300)的所述內(nèi)翼型葉片表面(412)的至少一部分上的凸起部，所述多個(gè)導(dǎo)流板定位成與所述翼片冷卻氣流的至少一部分流體連通從而在所述氣流的至少一部分內(nèi)產(chǎn)生渦流，所述渦流使熱量易于從所述渦輪噴嘴段內(nèi)的燃?xì)饬鞯闹辽僖徊糠滞ㄟ^所述渦輪噴嘴翼型葉片外表面(406)的至少一部分和所述渦輪噴嘴翼型葉片內(nèi)表面的至少一部分向所述氣流的至少一部分傳遞。
5.如權(quán)利要求1所述的渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)(200)，其中所述空腔(410)定位并設(shè)置成使翼片冷卻氣流的至少一部分易于穿流通過所述渦輪噴嘴翼型葉片內(nèi)表面(412)的至少一部分。
6.如權(quán)利要求1所述的渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)(200)，其中所述至少一個(gè)擴(kuò)散管壁(254)包括至少一個(gè)開放通道(255)，所述至少一個(gè)開放通道與壓縮機(jī)排出氣室(506)直接流體連通以使得所述擴(kuò)散管內(nèi)的壓縮機(jī)排出氣流的至少一部分直接導(dǎo)向壓縮機(jī)排出氣室。
7.如權(quán)利要求1所述的渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)(200)，其中所述翼片氣室(510)包括分流器(512)和渦輪噴嘴冷卻空氣壓縮機(jī)(514)，所述分流器和渦輪噴嘴冷卻空氣壓縮機(jī)與壓縮機(jī)組件(502)流體連通，其中所述分流器使壓縮機(jī)組件排出氣流的至少一部分易于導(dǎo)向所述渦輪噴嘴冷卻空氣壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)包括至少一級壓縮并且與所述渦輪噴嘴段(300)流體連通，所述渦輪噴嘴段與壓縮機(jī)排出氣室(506)流體連通以使得噴嘴冷卻空氣的至少一部分易于導(dǎo)向所述壓縮機(jī)排出氣室，所述壓縮機(jī)排出氣室與燃燒室組件流體連通以使得噴嘴冷卻空氣的至少一部分易于導(dǎo)向所述燃燒室組件。
8.如權(quán)利要求1所述的渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)(200)，其中所述至少一個(gè)擴(kuò)散管壁(254)包括大體上無孔材料，其定位和設(shè)置成使所述擴(kuò)散管(250)內(nèi)的壓縮機(jī)組件排出氣流中的相當(dāng)大的一部分直接導(dǎo)向所述渦輪噴嘴段(300)。
9.如權(quán)利要求1所述的渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)(200)，其中所述翼型葉片空腔(410)包括至少一個(gè)插入到所述空腔內(nèi)的沖擊套筒，其中定位成與所述翼片冷卻氣流的至少一部分流體連通的所述至少一個(gè)沖擊套筒使熱量易于從燃?xì)饬鞯闹辽僖徊糠滞ㄟ^所述翼型葉片外表面(406)的至少一部分和所述翼型葉片內(nèi)表面(412)的至少一部分向所述翼片冷卻氣流、所述翼型葉片空腔內(nèi)的所述翼片冷卻氣流傳遞。
10.一種燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)(100)，所述發(fā)動機(jī)包括壓縮機(jī)組件(102)；與所述壓縮機(jī)組件流體連通的燃燒室組件(104)；渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)(200)，所述子系統(tǒng)包括至少一個(gè)渦輪噴嘴段(300)，所述噴嘴(256)包括弓形、徑向最外側(cè)的端壁(310)、弓形、徑向最內(nèi)側(cè)的端壁(316)和至少一個(gè)翼型葉片(400)，其中所述最外側(cè)的端壁包括至少一個(gè)開放通道(317)，所述最內(nèi)側(cè)的端壁包括至少一個(gè)開放通道，所述至少一個(gè)翼型葉片在所述內(nèi)側(cè)徑向端壁和所述外側(cè)徑向端壁之間延伸并連接到其上，所述葉片還包括空腔(410)、前緣(402)、后緣(404)和翼型葉片外表面(406)，所述空腔包括翼型葉片內(nèi)表面和多個(gè)渦流器，所述空腔和所述開放通道流體連通以使得翼片冷卻氣流流動變得方便，和至少一個(gè)與壓縮機(jī)組件(102)和所述至少一個(gè)渦輪噴嘴段流體連通的擴(kuò)散管(250)，所述擴(kuò)散管包括至少一個(gè)擴(kuò)散管壁(254)和至少一個(gè)空腔(252)，所述至少一個(gè)擴(kuò)散管壁從壓縮機(jī)組件向所述渦輪噴嘴段延伸以使得所述翼片冷卻氣流向所述至少一個(gè)渦輪噴嘴段的引導(dǎo)變得方便，所述翼片冷卻氣流包括壓縮機(jī)組件排出氣流的至少一部分；和與所述渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)流體連通的渦輪組件(110)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種渦輪噴嘴冷卻子系統(tǒng)(200)。該子系統(tǒng)包括至少一個(gè)渦輪噴嘴段(300)。該段包括弓形、徑向最外側(cè)的端壁(310)、弓形、徑向最內(nèi)側(cè)的端壁(316)和至少一個(gè)翼型葉片(400)。所述每個(gè)端壁包括至少一個(gè)開放通道(317)。所述翼型葉片在所述端壁之間延伸并連接于其上。所述葉片還包括空腔(410)、前緣(402)、后緣(404)和翼型葉片外表面(406)。所述空腔包括翼型葉片內(nèi)表面(412)和多個(gè)渦流器。所述空腔和開放通道流體連通以使得翼片冷卻氣流流動變得方便。該子系統(tǒng)還包括至少一個(gè)與壓縮機(jī)組件(102)和所述段流體連通的擴(kuò)散管(250)。該擴(kuò)散管包括至少一個(gè)擴(kuò)散管壁(254)和空腔(252)。所述擴(kuò)散管壁從壓縮機(jī)組件向所述段延伸以使得翼片冷卻氣流向該段的引導(dǎo)變得方便。所述翼片冷卻氣流包括壓縮機(jī)組件排出氣流的至少一部分。
文檔編號F02C7/18GK1971011SQ200610172389
公開日2007年5月30日 申請日期2006年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月18日
發(fā)明者J·A·韋斯特, W·S·克瓦斯納克, B·F·塞克斯頓 申請人:通用電氣公司