專利名稱：燃氣渦輪發(fā)動機冷卻系統(tǒng)和方法
燃氣渦輪發(fā)動機冷卻系統(tǒng)和方法分案申請本申請是200580049591. 0號申請(國際申請?zhí)朠CT/US2005/013950)的分案申 請。200580049591.0號申請的申請日為2005年4月25日，發(fā)明名稱為“燃氣渦輪發(fā)動機 冷卻系統(tǒng)和方法”。


在附圖中圖1表示結合了冷卻渦輪轉子和其相關葉片的系統(tǒng)的燃氣渦輪發(fā)動機的剖視圖；圖2表示裝有葉片的轉子的一部分的等距視圖和其相關的不連續(xù)的剖視圖；圖3表示圖1所示的燃氣渦輪發(fā)動機的裝有葉片的轉子內的燃料壓力和徑向位置 之間的關系的圖表；圖4表示作為溫度和壓力的函數的燃料的密度和狀態(tài)的圖表；圖5表示裝有葉片的轉子的一部分和其中的相關熱虹吸過程的剖視圖；和圖6表示結合了冷卻渦輪轉子和其相關葉片的系統(tǒng)的另一實施例的燃氣渦輪發(fā) 動機的剖視圖。
具體實施例方式參考圖1，在燃氣渦輪發(fā)動機10中，燃料12和空氣14在燃燒室16中燃燒，產生 相對較熱的、較高壓力的排出氣體18. 1，排出氣體18. 1被引導通過包括裝有葉片的轉子22 的渦輪20，裝有葉片的轉子22例如在其周邊包括結合了多個葉片26的轉子24。渦輪20 例如利用螺栓30、通過相關凸緣32而運轉地聯接至軸組件28，并且軸組件28通過為軸組 件28和相對于其旋轉的渦輪20而設置的一個或多個軸承35，從燃氣渦輪發(fā)動機10的外 殼34處被支撐。排出氣體18. 1對葉片26的作用使得渦輪20和軸組件28旋轉，軸組件28 例如運轉地聯接至設置用來將空氣14泵入燃燒室16內的壓縮機(未示出)。由于排出氣 體18. 1對渦輪20所作的功，因此從渦輪20排出的排出氣體18. 2的壓力相對低于位于其 上游的排出氣體18. 1的壓力。在一些情況下，例如，當它作為渦輪噴氣式發(fā)動機進行工作，從而以高馬赫數推動 高速飛行器時，供給到燃氣渦輪發(fā)動機10的空氣14相對較熱，這有助于增加排出氣體18. 1 的溫度，且這對于另外足夠地冷卻渦輪20來說不夠冷，從而使得相關葉片26的溫度可能變 得過高。在這些情況下，燃料12通常足夠得冷，從而提供足夠的冷卻能力，以冷卻燃氣渦輪 發(fā)動機10，尤其是冷卻燃氣渦輪發(fā)動機10的渦輪20，渦輪20否則可能容易受到熱導致的 失效，由此通過從燃料源36通過渦輪20的轉子24和葉片26引導燃料12，以冷卻渦輪20 的轉子24和葉片26，從而冷卻燃氣渦輪發(fā)動機10，然后在燃燒室16中燃燒通過冷卻過程 而被加熱的燃料12。例如，來自包括燃料箱和相關燃料泵的燃料源36的燃料12通過第一控制閥37而 供應至相對于燃氣渦輪發(fā)動機10的外殼34相對固定的孔口 38。燃料12從孔口 38排出至第一旋轉流體圈閉42的進口 40，該第一旋轉流體圈閉42運轉地聯接至轉子24，以便與之 一起旋轉。第一旋轉流體圈閉42的出口 44與第一空腔46的第一部分46. 1流體連通，該 第一空腔46由轉子24的第一側48的一部分和后蓋50的第一邊界面定界，其中第一個旋 轉流體圈閉42為后蓋50的一部分。第一旋轉流體圈閉42包括為進口 40和出口 44之間的流體連通而設置的通道52， 其中，根據美國專利No. 4，870，825和No. 6，269，647，以及美國申請No. 10/249，967的教導 (各文獻以參考的方式結合于此)，通道52適合于當第一旋轉流體圈閉42旋轉時，通道52 內的任一點處的離心加速度都大于進口 40或出口 44上的任一點處的離心加速度。因此， 當旋轉通道52充滿了較高密度的介質，諸如液體燃料12. 1時，進口 40和出口 44的徑向水 平在進口 40和出口 44之間不存在壓力差時相等，否則將不相等，差量取決于壓力差和旋轉 速度。對于相對較低壓力的液體燃料12. 1供給到在出口 44處供給較高壓力區(qū)域的通道52 的進口 40，通道52可阻止通過通道52的回流。因此，第一旋轉流體圈閉42用于隔離開可 能較高的、第一空腔46中的壓力和可能較低的、位于通道52的進口 40處的壓力，從而在旋 轉進口 40和相對固定的孔口 38之間的旋轉匯合處54上，將燃料12供應至第一旋轉流體 圈閉42的進口 40，由此，由于在液體燃料12. 1撞擊內部溝槽56并與之一起旋轉時，作用在 液體燃料12. 1上的離心加速度，因此從相對固定的孔口 38噴出的液體燃料12. 1變成由與 第一旋轉流體圈閉42的進口 40相關的內部溝槽56所捕獲。后蓋50包括與形成在轉子24的第一側48上的相應的第一唇緣62. 1和第二唇緣 62. 2相接合的中間邊緣58和外邊緣60。外邊緣60被密封至第二唇緣62. 2上，以便阻止 燃料12從其之間的連接處泄漏。中間邊緣58包括用于第一空腔46的第一部分46. 1和第 二部分46. 2之間的流體連通而設置的至少一個通道64。第一空腔46的第二部分46. 2與 延伸貫穿轉子24的多個第一通道66流體連通。還參考圖2，每個第一通道66在轉子24的 第一側48上都具有第一開口 68，并且在轉子24的第二側72上具有第二開口 70，第一側48 和第二側72彼此相對。第一通道66與第二空腔74的第二部分74. 2流體連通，第二空腔74由轉子24的 第二側72的一部分和前蓋76的第二邊界面定界，其中前蓋76包括與形成在轉子24的第 二側72上的相應的第一唇緣82. 1和第二唇緣82. 2相接合的中間邊緣78和外邊緣80。外 邊緣80被密封至第二唇緣82. 2上，以便阻止燃料12從其之間的連接處泄漏。中間邊緣 78包括用于第二空腔74的第二部分74. 2和其第一部分74. 1之間的流體連通而設置的至 少一個通道84。第二空腔74的第一部分74. 1經由通過軸88的至少一個通道90，與軸組 件28的軸88的內部86流體連通，并且軸88的內部86經由通過軸88的至少一個其它通 道94，與第一排出孔口 92流體連通。第一排出孔口 92與燃燒室16流體連通，從而使燃料 12直接從旋轉軸88排出至燃燒室16。第一排出孔口 92是例如第二旋轉流體圈閉96的一 部分，第二旋轉流體圈閉96用來隔離燃燒室16的相對較高壓力與軸88的內部和第二空腔 74的第一部分74. 1的相對較低壓力，由此第二旋轉流體圈閉96的結構和工作的原理與上 述第一旋轉流體圈閉42的結構和工作的原理相同。參考圖2和5，第一通道66和相關的第一開口 68和第二開口 70在大小與形狀上 基本一致，且它們均勻分布，從而提供機械平衡的轉子24。第一通道66的軸向形狀98適合 于至少部分地符合相關葉片26的輪廓。例如，在圖2所示的實施例中，第一通道66具有人字形軸向形狀98. 1，至少部分符合葉片26的拱形。第一通道66的第一組通道66. 1在相關 圓周位置(基本上位于相關葉片26的相關圓周位置之間)處延伸貫穿轉子24，并且第一 通道66的第二組通道66. 2在基本上與相關葉片26的相關圓周位置對齊的相關圓周位置 處延伸貫穿轉子24，由此第一通道66的第一組通道66. 1和第二組通道66. 2相對彼此交 錯。每個葉片26都包括在其內基本上徑向延伸的多個第二通道100，每個第二通道100在 其第一端102處和與之對齊的第二組通道66. 2的相關第一通道66相交。例如，第二通道 100沿其長度基本上是直線性的。如圖2所示，特定的葉片26內的第二通道100的直徑可 適合于和與之接近的相關葉片厚度一致，以便在葉片26的外表面104和相關第二通道100 的表面106之間提供充分的熱傳遞，同時提供足夠的葉片強度。第二通道100的遠端側的 第二端108終止在接近葉片26的尖端112的第三空腔110中，其中第三空腔110提供相關 葉片26內的第二通道100之間的流體連通。例如，第三空腔110由與第二通道100的第二 端108分離開的端蓋114形成，且該端蓋114在其外圍被固定至葉片26的邊緣116。對于 葉片26內的燃料12，葉片26相對于燃燒室16關閉，以便使得所有的燃料12都在葉片26 的徑向向內的位置處進入燃燒室12。因此，燃氣渦輪發(fā)動機10包括可相對于燃氣渦輪發(fā)動機10的外殼34旋轉的可 旋轉部分118，其中可旋轉部分118包括渦輪20/裝有葉片的轉子22，其包括轉子24和葉 片26 ；后蓋50和相關的第一旋轉流體圈閉42 ；前蓋76 ；以及軸組件28/軸88和相關的第 一排出孔口 92/第二旋轉流體圈閉96，所有這些都與參考旋轉框架一致地旋轉。在燃料12 從相對固定的孔口 38排出之后，燃料12被容納在可旋轉部分118內，直到燃料從參考旋轉 框架中的可旋轉部分118的第一排出孔口 92直接排出至燃燒室16內。因此，由于可旋轉 部分118的所有元件都與參考旋轉框架一致地旋轉，因此例如，在第一分界面50和第二分 界面76的外緣60，80與轉子24的第二唇緣62. 2,82.2的匯合處，這些元件可根據需要而 容易地彼此密封在一起，以將燃料12容納于其中，否則，如果必需提供在元件的相對移動 匯合處上的密封，以相互密封，這將是成問題的。在燃氣渦輪發(fā)動機10的工作時，由燃料源36提供的且由第一控制閥37調節(jié)的液 體燃料12. 1從相對固定的孔口 38排出至第一旋轉流體圈閉42的進口 40的內部溝槽56 內。由于作用在排出的液體燃料12. 1上的離心加速度，因此所排出的液體燃料12. 1由內 部溝槽56捕獲，液體燃料12. 1在與內部溝槽56或容納在其中的液體燃料12. 1碰撞之后 開始與可旋轉部分118 —起旋轉。進入第一旋轉流體圈閉42的進口 40的液體燃料12. 1 在作用在容納在第一旋轉流體圈閉42之內的液體燃料12. 1上的離心加速度力的作用下， 泵送通過第一旋轉流體圈閉42的相關通道52，離心加速度力的作用還隔離了第一旋轉流 體圈閉42的進口 40處的相對較低壓力和其出口 44處的相對較高壓力。燃料12在離開第 一旋轉流體圈閉42的出口 44之后，燃料12徑向向外加速，由此相比于相關燃料蒸汽的密 度相對較大的液體燃料12. 1傾向于跟隨后蓋50的內部。在燃氣渦輪發(fā)動機10的正常工作期間，渦輪20/裝有葉片的轉子22的最熱部分 是直接暴露于來自燃燒室16的較熱排出氣體18. 1的葉片26。來自葉片26的熱量被傳遞 至轉子24和相關的第一分界面50和第二分界面76，它用于加熱鄰近于轉子24的第一側48 和第二側72的相關的第一空腔46和第二空腔74中的任何燃料12。因此，轉子24和鄰近 的后蓋50的溫度隨著離葉片26的距離減小而增加，使得第一空腔46內的燃料12在其向外
6徑向流動時被加熱。此外，參考圖3，作用在燃料12上的離心加速度隨著第一空腔46內的 徑向距離增加而增加，這將增加其相關的壓力。第一空腔46或第二空腔74中的燃料12通 過粘性力而進行旋轉，粘性力由于相對于相關的第一空腔46或第二空腔74中的液體或蒸 汽起作用的轉子24和后蓋50的相對運動而產生，而第一通道66或第二通道100中的燃料 12被強迫與轉子24和葉片26 —起旋轉。因此，如圖3所示，在粘性旋轉的較前區(qū)域中，燃 料壓力以相對于徑向距離比較后強迫區(qū)域中要低的速率增加，這是因為流動流內的滑移可 發(fā)生在較前區(qū)域中而非較后區(qū)域中。參考圖4，當燃料12在第一空腔46的第一部分46. 1 中加熱時，燃料12從飽和液體轉化為飽和蒸汽，如標記為“A”的點的軌跡所示，這也在圖1 中示出。當燃料12從第一空腔46的第一部分46. 1流動至第一空腔46的第二部分46. 1 時，燃料12變得過熱，且可呈現出如圖1和4中的標記為“B”和“C”的點所示的狀態(tài)的混
合
當燃料12通過第一開口 68流入第一通道66時，燃料12進一步被加熱和加壓。第 一通道66的第一組通道66. 1中的燃料12從其中流過，從其第二開口 70流出，然后流入第 二空腔74的第二部分74. 2，在此過程中，燃料12用于冷卻位于葉片26之間的區(qū)域中的轉 子24的邊緣120。參考圖5，離心加速度場使第一通道66的第二組通道66. 2中的相對較 稠密的燃料12流入與之相交的第二通道100，第二通道100響應于熱虹吸過程，排出在其 內部的、已經變得更熱且密度較低的燃料12，其中熱虹吸過程在燃料12由于從葉片26傳 遞的熱量(冷卻葉片26)而被加熱時，由離心加速度場和密度上的減小所驅動。第二通道 100內以及第一通道66和第二通道100之間的熱虹吸流122引起較冷燃料12. 2連續(xù)地交 換較熱燃料12. 3，這也由圖4和5中的點“D” ‘ ”和“F”示出。較熱燃料12. 3最后流過第 一通道66的第二組通道66. 2的第二開口 70，并流入第二空腔的第二部分74. 2。第一通道 66的第二組通道66. 2用于使燃料12沿第一流動路徑124直接地從第一開口 68通過第二 組66. 2通到流動至第二開口 70，這用于在相關葉片26的基部處冷卻轉子24 ；或者響應于 熱虹吸過程，在首先沿包括一個或多個第二通道100的第二流動路徑126流動之后間接地 流動，這用于冷卻渦輪20的相關葉片26。第二空腔74的第二部分74. 1中的較低密度的加熱的燃料12. 3在由來自第一通 道66的相對更稠密的、較少被加熱的燃料12排出之后，流動通過通道84進入第二空腔74 的第一部分74. 1。隨著燃料在第二空腔74中徑向向內流動，燃料的壓力減小，并且燃料12 通過與較冷外界的熱交換而被冷卻，從過熱蒸汽轉化為飽和蒸汽，然后轉化為飽和液體，如 與在圖1相似地標記的位置對應的、圖4上的標記為“G”的點的軌跡所示。然后，燃料12 流過通過軸88的通道90，流過軸88的內部86，流出通過軸88的第二通道，并通過為第二 旋轉流體圈閉96的一部分的第一排出孔口 92而流入燃燒室16。當渦輪20處于足以使燃料12蒸發(fā)的溫度下時，有利地是使用上述冷卻渦輪20的 系統(tǒng)和方法，以便減輕與渦輪20的機械平衡的干涉，在上述系統(tǒng)和方法中，燃料12由第一 燃料分配回路128，從燃料源36通過第一控制閥37而輸送至轉子24和葉片26。根據另一 個方面，有利地是，利用第二燃料分配回路130，第二燃料分配回路130用于直接將燃料噴 入燃燒室16內，而無需流過轉子24和葉片26。參考圖1，從燃料源36供給的液體燃料12. 1 由第二控制閥132調節(jié)，并且被輸送至第二排出孔口 134，第二排出孔口 134例如是第三旋 轉流體圈閉136的一部分，第三旋轉流體圈閉136例如運轉地聯接至軸88，其中燃料12從第二控制閥132通過軸88內部的獨立的通道138供應。例如，第一控制閥37和第二控制 閥130將被控制，使得在啟動和預熱狀態(tài)期間，到達燃氣渦輪發(fā)動機10的所有燃料12都由 第二燃料分配回路130輸送。在燃氣渦輪發(fā)動機10預熱之后，在一個實施例中，第二燃料 分配回路130提供足夠量的燃料12，以維持空轉運行條件，并且響應于根據運行的要求，由 第一控制閥38經由第一燃料分配回路128提供剩余的燃料12。在另一個實施例中，在燃氣 渦輪發(fā)動機10預熱之后，所有的燃料12都可由第一燃料分配回路128輸送。在又一個實 施例中，采用第一燃料分配回路128和第二燃料分配回路130之間的燃料12的一些其它相 對分配。參考圖6，根據另一個實施例，第一排出孔口 92和相關的第二旋轉流體圈閉96被 結合在前蓋76中，以便用于將燃料12從前蓋76直接噴入燃燒室16內，而無需引入軸88 作為相關的流動路徑。除用于冷卻渦輪20的葉片26和轉子24之外，第一燃料分配回路128還用于再生 回收來自排氣18. 1的熱量，以便提高運行效率，特別是對于固定應用而言。雖然在上述詳細說明中詳細描述了具體實施例，并且在附圖中示出了具體實施 例，但是本領域的技術人員將理解的是，根據本公開內容的整體教導，可以對那些細節(jié)進行 各種修改和替換。因此，所公開的具體布置僅僅是說明性的，并且對本發(fā)明的范圍不具有限 制性，本發(fā)明的范圍由所附權利要求及其任何和所有的等同物的全部范圍給出。
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權利要求
一種用于冷卻燃氣渦輪發(fā)動機的方法，包括以下步驟c.使流體從所述燃氣渦輪發(fā)動機的轉子的第一側沿至少一個第一流動路徑流動至所述轉子的第二側；和d.使所述流體在至少一個第二流動路徑內進行熱虹吸流動，其中所述至少一個第二流動路徑與所述至少一個第一流動路徑流體連通，所述至少一個第二流動路徑與運轉地聯接至所述轉子或者所述轉子的一部分的至少一個葉片熱連通；并且所述至少一個第一流動路徑適合于使得所述流體能夠沿其流動，而不必需沿所述至少一個第二流動路徑流動，并且所述至少一個第二流動路徑在至少一個所述葉片內包括多個所述第二流動路徑；和e.使所述多個所述第二流動路徑在所述第二流動路徑的第二端附近彼此連通，第二端位于所述至少一個葉片的尖端附近，在與所述至少一個第一流動路徑連通的第一端的遠端側。
2.一種用于冷卻燃氣渦輪發(fā)動機的方法，包括以下步驟a.使流體從所述燃氣渦輪發(fā)動機的轉子的第一側沿至少一個第一流動路徑流動至所 述轉子的第二側，其中，所述至少一個第一流動路徑包括多個第一流動路徑；和b.使所述流體在至少一個第二流動路徑內進行熱虹吸流動，其中所述至少一個第二流 動路徑與所述至少一個第一流動路徑流體連通，所述至少一個第二流動路徑與運轉地聯接 至所述轉子或者所述轉子的一部分的至少一個葉片熱連通；并且所述至少一個第一流動路 徑適合于使得所述流體能夠沿其流動，而不必需沿所述至少一個第二流動路徑流動；并且 所述多個第一流動路徑中的至少一個不與所述至少一個第二流動路徑流體連通，并且使所 述流體從所述燃氣渦輪發(fā)動機的轉子的第一側沿至少一個第一流動路徑流動至所述轉子 的第二側的操作使小于所述流體的全部的一部分流體流過不與所述至少一個第二流動路 徑流體連通的至少一個所述第一流動路徑。
3.一種燃氣渦輪發(fā)動機的裝有葉片的轉子，包括a.轉子；b.運轉地聯接至所述轉子或者所述轉子的一部分的至少一個葉片；c.在所述轉子的第一側上的至少一個第一開口；d.在所述轉子的第二側上的至少一個第二開口，其中所述第二側與所述第一側相對；e.至少一個第一通道，其中所述第一通道位于所述轉子中，且使得至少一個所述第一 開口和至少一個所述第二開口之間流體連通；和f.至少一個第二通道，其中所述至少一個第二通道位于至少一個所述葉片中，所述至 少一個所述第二通道的一端與至少一個所述第一通道流體連通，并且所述至少一個所述第 二通道的另一端位于所述至少一個所述葉片內，所述至少一個第一通道適合于使得流體能 夠在所述至少一個所述第一開口和所述至少一個所述第二開口之間流動，而不必需在所述 至少一個所述第二通道中流動，所述至少一個第二通道適合于將熱量從所述至少一個所述 葉片傳遞至位于所述至少一個第二通道中的流體，當所述轉子運行時，所述至少一個第二 通道適合于使所述流體在其內進行熱虹吸流動，所述至少一個第二通道包括位于至少一個 所述葉片內的多個第二通道，所述至少一個所述葉片包括與所述多個所述第二通道在所述 多個第二通道的第二端處流體連通的空腔，所述多個第二通道的第一端運轉地聯接至所述 至少一個第一通道，其中對于所述至少一個葉片，所述第二端為所述第一端的遠端側。
4.如權利要求3所述的燃氣渦輪發(fā)動機的裝有葉片的轉子，其中，所述空腔接近所述 至少一個所述葉片的尖端。
全文摘要
供應至旋轉流體圈閉(42)的燃料(12)在鄰近轉子(24)的第一側(48)的第一空腔(46)內被以離心方式加速，然后被引導通過多個第一通道(66)，第一通道(66)延伸通過葉片(26)之間且接近葉片(26)的轉子(24)，且成形為至少部分符合葉片(26)的形狀。第二通道(100)在葉片(26)內從第一通道(66)延伸，并終止在接近葉片(26)的尖端(112)的相關空腔(110)內。第一通道(66)中的相對較冷燃料(12.2)與第二通道(100)中的相對較熱燃料(12.3)以熱虹吸的方式進行交換，以冷卻葉片(26)。加熱的燃料(12.3)流入鄰近于轉子(24)的第二側(72)的第二空腔(74)內，并且被從參考旋轉框架通過第二旋轉流體圈閉(96)而直接排入燃燒室(16)內。分離的燃料分配回路(130)用于啟動和預熱。
文檔編號F02C7/12GK101900032SQ200910221288
公開日2010年12月1日 申請日期2005年4月25日 優(yōu)先權日2005年4月25日
發(fā)明者小羅伯特·S·湯普森, 格雷格·威廉 申請人:威廉國際有限責任公司