燃氣渦輪發(fā)動機用低壓冷卻密封系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種渦輪發(fā)動機（12）用低壓冷卻系統(tǒng)（10），用于引導處于比如環(huán)境壓力的低壓下的冷卻流體通過至少一個冷卻流體供給通道（14）并進入位于從轉子組件（22）徑向向外延伸的成排（18）渦輪葉片（20）緊下游的冷卻流體混合室（16）中，以防止高溫氣體進入轉子組件（22）的內部體。該低壓冷卻系統(tǒng)（10）還可以包括至少一個引氣通道（26），該至少一個引氣通道（26）可以延伸穿過轉子組件（22）并將冷卻流體排放至冷卻流體混合室（16）中，以密封旋轉的渦輪葉片（20）與下游靜渦輪部件之間的間隙（28）。通過低壓冷卻系統(tǒng)（10）對環(huán)境壓力的冷卻流體的使用通過排除對用于密封此間隙（28）的加壓冷卻流體的需要而產生巨大的效能。
【專利說明】燃氣渦輪發(fā)動機用低壓冷卻密封系統(tǒng)[0001 ] 關于聯邦政府資助的研究或研發(fā)的聲明
[0002]本發(fā)明的研發(fā)部分地由美國能源部先進渦輪機研發(fā)計劃(合同號:DE-FC26_05NT42644,“H2Advanced Hydrogen Turbine Development” (H2 先進氧氣潤輪機研發(fā)))提供支持。因此，美國政府對本發(fā)明享有一定權利。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明總體上針對一種渦輪發(fā)動機，并且更具體地，針對一種用于渦輪發(fā)動機中的低壓冷卻系統(tǒng)的密封系統(tǒng)。
【背景技術】
[0004]通常，燃氣渦輪發(fā)動機包括用于壓縮空氣的壓縮機、用于使壓縮空氣與燃料混合并點燃該混合物的燃燒室、以及用于產生動力的渦輪葉片組件。燃燒室通常在可能超過2500華氏度的高溫下操作。典型的渦輪燃燒室構型使渦輪葉片組件暴露在這樣的高溫下。因此，渦輪葉片和渦輪導葉必須由能夠耐受這樣的高溫的材料制成。渦輪葉片、導葉和其他部件通常包括用于延長這些零件的壽命并減小由過高的溫度所引起的故障的可能性的冷卻系統(tǒng)。
[0005]通常，渦輪導葉從葉片承載架徑向向內延伸并且緊鄰轉子組件終止，而渦輪葉片徑向向外延伸并且終止于環(huán)片附近。渦輪葉片和渦輪導葉形成被稱作級的排。加壓冷卻流體供應至葉片和導葉級，用于冷卻葉片和導葉以防止發(fā)生損壞以及防止高溫氣體進入渦輪發(fā)動機的內部體(aspect)中。通常，每級用由渦輪發(fā)動機內的壓縮機壓縮的加壓冷卻流體來冷卻。用于壓縮冷卻流體所做的功對于渦輪發(fā)動機來講是損失。因此，需要更高效的冷卻流體供給系統(tǒng)，該冷卻流體供給系統(tǒng)設計用于渦輪葉片以提供加壓的冷卻流體從而實現渦輪發(fā)動機的發(fā)展并增大操作范圍。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明涉及一種渦輪發(fā)動機用低壓冷卻系統(tǒng)，用于引導比如通常為環(huán)境壓力或接近環(huán)境壓力的低壓冷卻流體通過至少一個冷卻流體供給通道并進入位于從轉子組件徑向向外延伸的成排渦輪葉片緊下游的冷卻流體混合室中，以防止高溫氣體進入轉子組件的內部體。該低壓冷卻系統(tǒng)還可以包括至少一個引氣通道，該至少一個引氣通道可以延伸穿過轉子組件并將冷卻流體排放至冷卻流體混合室中，以密封旋轉的渦輪葉片與下游靜渦輪部件之間的間隙。通過低壓冷卻系統(tǒng)對環(huán)境壓力冷卻流體的使用可以因為排除為了密封間隙對加壓冷卻流體以及產生這種流體所需的功的需要而產生巨大的效能。
[0007]包括所述低壓冷卻系統(tǒng)的渦輪發(fā)動機可以包括由轉子組件形成的渦輪組件。轉子組件可以包括從轉子徑向向外延伸的多排渦輪葉片。所述多排渦輪葉片可以由一上游渦輪葉片排和至少一個下游渦輪葉片排形成。低壓冷卻系統(tǒng)可以包括至少一個具有冷卻流體排放出口的冷卻流體供給通道，所述冷卻流體排放出口定位在至少一個下游渦輪葉片排的下游并且將冷卻流體排放至冷卻流體混合室中，所述冷卻流體混合室部分地由所述冷卻流體混合室的上游側上的至少一個渦輪葉片以及下游側上的至少一個固定結構形成。在一個實施方式中，冷卻流體混合室可以定位在第四級渦輪葉片排的下游，其中流動路徑氣體壓力略高于周圍環(huán)境。冷卻流體排放出口可以定位成使得從冷卻流體排放出口排出的冷卻流體被朝向渦輪葉片引導。冷卻流體排放出口可以定位成使得從冷卻流體排放出口排出的冷卻流體與渦輪發(fā)動機的中心線大體對準，由此朝向渦輪發(fā)動機引導流體。在一個實施方式中，固定結構可以包括支柱的至少一部分。在另一實施方式中，冷卻流體供給通道可以包含在支柱內。
[0008]低壓冷卻系統(tǒng)還可以包括至少一個引氣通道，所述引氣通道具有與所述冷卻流體混合室連通的引氣通道排放出口。所述引氣通道的所述引氣通道排放出口可以相對于所述至少一個冷卻流體供給通道的所述冷卻流體排放出口徑向向外地定位。冷卻流體經由所述引氣通道排放出口排放到所述冷卻流體混合室中，以形成將所述渦輪發(fā)動機的高溫氣體路徑與所述轉子組件的內部體隔離的一腔冷卻流體。引氣通道可以與壓縮空氣源流體連通，并且壓縮空氣源可以是第九級內部壓縮機弓I氣。
[0009]在一個實施方式中，冷卻流體供給通道可以與環(huán)境壓力或接近環(huán)境壓力下的一個或更多個冷卻流體源流體連通，使得環(huán)境壓力或接近環(huán)境壓力下的至少一股冷卻流體穿過冷卻流體供給通道。冷卻流體供給通道可以包括在冷卻流體排放出口的緊上游定位的環(huán)形氣室。一個或更多個預旋流器可以定位在冷卻流體供給通道中在冷卻流體排放出口的緊上游并且可以定位在環(huán)形氣室中。預旋流器可以定位成在冷卻流體供給通道的冷卻流體排放出口的緊上游。此外，冷卻流體歧管可以與冷卻流體供給通道流體連通。冷卻流體歧管可以將冷卻流體供給至冷卻流體供給通道。
[0010]引氣通道可以定位在渦輪葉片的盤中，并且可以至少部分地徑向向外延伸且相對于渦輪葉片徑向向內地終止于所述盤的外表面。在另一實施方式中，引氣通道可以定位在渦輪葉片的盤中，并且可以相對于渦輪發(fā)動機的中心線以銳角延伸，使得引氣通道的最外側部位可以定位成較引氣通道的其他體部更靠近成排的一組渦輪葉片。所述至少一個引氣通道的所述引氣通道排放出口在終止邊緣空穴處定位在所述盤中，所述終止邊緣空穴定位在盤與渦輪葉片的平臺的徑向內表面之間，由此使從引氣通道流出的冷卻流體能夠被引導成沿與渦輪發(fā)動機的中心線大體對準的下游方向流動，從而使得冷卻流體被排放至冷卻流體混合室中，以形成將渦輪發(fā)動機的高溫氣體路徑與轉子組件的內部體隔離的一腔冷卻流體。
[0011]本發(fā)明的一個優(yōu)點是，引氣通道供給密封旋轉的渦輪葉片與下游固定結構之間的間隙的加壓冷卻流體，并且形成略高于環(huán)境壓力和第四級渦輪流動路徑壓力二者的壓力。在沒有使流動路徑氣體與環(huán)境冷卻流體隔離的該一腔冷卻流體的情形下，壓力差將促使高溫流動路徑氣體進入來自冷卻流體供給通道的低壓冷卻流體中。
[0012]本發(fā)明的另一優(yōu)點是，該低壓冷卻系統(tǒng)的構造允許使用環(huán)境冷卻流體，由此通過排除對使用能量來產生壓縮空氣的需要而給渦輪發(fā)動機帶來極大的節(jié)省。
[0013]下面更加詳細地描述這些實施方式和其他實施方式。
【專利附圖】

【附圖說明】[0014]結合在本說明書中并且形成本說明書的一部分的附圖示出了當前公開的本發(fā)明的實施方式，并且與描述部分一起公開了本發(fā)明的原理。
[0015]圖1是包括本發(fā)明的低壓冷卻系統(tǒng)的渦輪發(fā)動機的一部分橫截面?zhèn)纫晥D。
[0016]圖2是在圖1中的細節(jié)2處獲取的低壓冷卻系統(tǒng)的一部分的細節(jié)圖。
[0017]圖3是沿圖1中的截面線3-3獲取的渦輪葉片的橫截面視圖。
[0018]圖4是沿圖3中的截面線4-4獲取的低壓冷卻系統(tǒng)的細節(jié)圖中的靜態(tài)壓力等值線的圖。
[0019]圖5是沿圖3中的截面線4-4獲取的低壓冷卻系統(tǒng)的細節(jié)圖中的溫度等值線的圖。
[0020]圖6是沿圖3中的截面線4-4獲取的低壓冷卻系統(tǒng)的細節(jié)圖中的流動氣體相對于旋轉轉子的速度(Vth-rel)的等值線的圖。
[0021]圖7是包括具有引氣通道的低壓冷卻系統(tǒng)的渦輪發(fā)動機的一部分的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0022]圖8是包括具有替代引氣通道的低壓冷卻系統(tǒng)的渦輪發(fā)動機的一部分的橫截面?zhèn)纫晥D。
【具體實施方式】
[0023]如圖1至圖8所示，本發(fā)明針對一種用于渦輪發(fā)動機12的低壓冷卻系統(tǒng)10，用于將處于低壓——比如環(huán)境壓力或接近環(huán)境壓力——的冷卻流體引導通過一個或更多個冷卻流體供給通道14并引導至冷卻流體混合室16中，該冷卻流體混合室16定位在從轉子組件22徑向向外延伸的一排18渦輪葉片20的緊下游，以防止高溫氣體進入轉子組件22和葉片20的內部體24中。低壓冷卻系統(tǒng)10還可以包括一個或更多個引氣通道26，引氣通道26可以延伸穿過轉子組件22并將冷卻流體排放至冷卻流體混合室16中，以密封旋轉的渦輪葉片20與下游的靜渦輪部件30之間的間隙28。通過低壓冷卻系統(tǒng)10對環(huán)境壓力冷卻流體的使用可以通過排除為了密封間隙28對加壓冷卻流體以及產生這種流體所需的功的需要而產生巨大的效能。
[0024]如圖1所示，渦輪發(fā)動機12可以由形成轉子組件22的一個或更多個葉片盤組件32形成。轉子組件22可以具有任何適當的構型并且可以包括從葉片盤組件32徑向向外延伸的多排18的渦輪葉片20。多排18的渦輪葉片20可以由一上游渦輪葉片20的排36以及一個或更多個下游渦輪葉片20的排38形成。在至少一個實施方式中，低壓冷卻系統(tǒng)可以用于防止高溫氣體通過第四排渦輪葉片20——不然稱為第四級渦輪葉片20——緊下游的間隙28進入。
[0025]低壓冷卻系統(tǒng)10可以包括具有冷卻流體排放出口 34的一個或更多個冷卻流體供給通道14，所述冷卻流體排放出口 34定位在至少一個下游渦輪葉片20排38的下游并且將冷卻流體排放至冷卻流體混合室16中，該冷卻流體混合室16部分地由冷卻流體混合室16的上游側40上的至少一個渦輪葉片20以及下游側44上的一個或更多個固定結構42形成。在一個實施方式中，冷卻流體供給通道14可以部分地延伸穿過固定結構42。固定結構42可以是支柱但不限于支柱，如圖1所示。冷卻流體供給通道14可以與在環(huán)境壓力下的一個或更多個冷卻流體源52流體連通，使得在環(huán)境壓力下的一股或更多股冷卻流體穿過冷卻流體供給通道14。冷卻流體供給通道14可以定位在渦輪發(fā)動機12的固定體中。在一個實施方式中，固定結構42可以是支柱74的至少一部分。在另一實施方式中，冷卻流體供給通道14可以完全包含在支柱74內。低壓冷卻系統(tǒng)10還可以包括與冷卻流體供給通道14流體連通的冷卻流體歧管76，其中冷卻流體歧管76將冷卻流體供給至冷卻流體供給通道14。
[0026]低壓冷卻系統(tǒng)10還可以包括具有引氣通道排放出口 46的一個或更多個引氣通道26，所述引氣通道排放出口 46與冷卻流體混合室16連通以在間隙28處排放加壓冷卻流體，從而防止高溫氣體進入轉子組件22和葉片20的內部體24中。引氣通道26可以包括相對于冷卻流體供給通道14的冷卻流體排放出口 34徑向向外定位的引氣通道排放出口 46。這樣，當冷卻流體經由引氣通道排放出口 46被排放到冷卻流體混合室16中時，在冷卻流體混合室16內在間隙28處形成一腔冷卻流體50，由此將渦輪發(fā)動機12的高溫氣體路徑48與轉子組件22和葉片20的內部體24隔離。所述一腔冷卻流體50與被引導至間隙28中的引氣冷卻流體一起防止了高溫氣體進入轉子組件22和葉片20的內部體24中。引氣通道26可以與壓縮空氣源54流體連通。在一個實施方式中，壓縮空氣源54可以是第九級內部壓縮機引氣。
[0027]如圖1所示，冷卻流體排放出口 34可以定位成使得從冷卻流體排放出口 34排放的冷卻流體被朝向渦輪葉片20引導。在一個實施方式中，冷卻流體排放出口 34可以定位成使得從冷卻流體排放出口 34排放的冷卻流體與渦輪發(fā)動機34的中心線56大致對準。在此實施方式中，冷卻流體相對于從圖1所示的引氣通道26流出的加壓冷卻流體反向地流動，這使間隙28的密封最優(yōu)化。
[0028]如圖1和圖2所示，冷卻流體供給通道14可以包括定位在冷卻流體供給通道14中且在冷卻流體排放出口 34的緊上游的環(huán)形氣室58。在至少一個實施方式中，一個或更多個預旋流器60可以設置在冷卻流體供給通道14的冷卻流體排放出口 34的緊上游的環(huán)形氣室58中。預旋流器60可以具有任何適當的構型，并且可以由環(huán)形氣室58中的徑向向外延伸并且周向地間隔開的多個葉片形成，以使冷卻流體改變方向。預旋流器60可以定位在冷卻流體供給通道14中在冷卻流體排放出口 34的緊上游。
[0029]如圖1、圖7和圖8所示，引氣通道26可以定位在渦輪葉片20的盤62中，并且可以至少部分地徑向向外延伸并且相對于渦輪葉片20徑向向內地止于盤62的外表面64處。如圖7所示，引氣通道26可以徑向向外延伸并且止于間隙28處，其中流體被徑向向外地引導。在另一實施方式中，如圖8所示，引氣通道26可以定位在渦輪葉片20的盤62中，并且可以相對于渦輪發(fā)動機12的中心線56以銳角延伸，使得引氣通道26的最外側部位66定位成相比引氣通道26的其他體部更靠近上游渦輪葉片20排36。引氣通道26的引氣通道排放出口 46可以在終止邊緣空穴68處定位在盤62中，所述終止邊緣空穴68定位在盤62與渦輪葉片20的平臺72的徑向內表面70之間。將引氣通道排放出口 46定位在終止邊緣空穴68中使冷卻流體能夠被引導成沿與渦輪發(fā)動機12的中心線56大致對準的下游方向流動，使得冷卻流體排放至冷卻流體混合室16中，以形成將渦輪發(fā)動機12的高溫氣體路徑48與轉子組件22的內部體隔離的一腔冷卻流體50。
[0030]在使用期間，冷卻流體一例如但不限于空氣一可以經由引氣通道26從壓縮機(未示出)流出，并且可以在如圖7所示的間隙28處排放，使得防止了來自高溫氣體路徑48的高溫氣體進入冷卻流體混合室以及轉子組件22和葉片20的內部體24中。在一個替代實施方式中，如圖1和圖8所示，冷卻流體可以經由引氣通道26從壓縮機流出，并且可以排放至平臺72的徑向內側的終止邊緣空穴68中。冷卻流體然后可以被引導成沿與渦輪發(fā)動機12的中心線56對準的方向流動并且流動至間隙28，在間隙28處防止了來自高溫氣體路徑48的高溫氣體進入冷卻流體混合室16以及轉子組件22和葉片20的內部體24中。在圖3至圖6中示出了低壓冷卻系統(tǒng)10的效力，在圖中清楚地示出了保護轉子組件22的內部體24免受高溫氣體影響的腔50的結構。
[0031]低壓冷卻流體可以流經冷卻流體歧管76并且流動進入一個或更多個冷卻流體供給通道14。冷卻流體供給通道14引導冷卻流體通過預旋流器60并且將冷卻流體經由冷卻流體排放出口 34排放至冷卻流體混合室16中。冷卻流體被引導成沿渦輪葉片20的旋轉方向流動。冷卻流體混合室16中的冷卻流體形成一腔低壓冷卻流體，所述低壓冷卻流體通過由于流經冷卻流體混合室16的一部分并且進入間隙28中的加壓引氣而存在于冷卻流體混合室16中的稍微較低的壓力被吸入冷卻流體混合室16中。因此，此構型防止了來自高溫氣體路徑48的高溫氣體進入到冷卻流體混合室16中并且進入轉子組件22和葉片20的內部體24中。
[0032]出于說明、解釋和描述本發(fā)明的實施方式而提供了以上內容。這些實施方式的改型和修改對于本領域技術人員而言將會是明顯的，并且可以在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的情形下做出。
【權利要求】
1.一種渦輪發(fā)動機(12)，其特征在于: 由轉子組件(22)形成的至少一個渦輪組件(30)，其中，所述轉子組件(22)包括從轉子(32)徑向向外地延伸的多排(18)渦輪葉片(20)，其中所述多排(18)渦輪葉片(20)由一上游渦輪葉片(20)排(36)和至少一個下游渦輪葉片(20)排(38)形成； 至少一個低壓冷卻系統(tǒng)(10)，所述低壓冷卻系統(tǒng)(10)包括: 至少一個冷卻流體供給通道(14)，所述冷卻流體供給通道(14)具有冷卻流體排放出口(34)，所述冷卻流體排放出口(34)定位在至少一個下游渦輪葉片(20)排(38)的下游并且將冷卻流體排放至冷卻流體混合室(16)中，所述冷卻流體混合室(16)部分地由所述冷卻流體混合室(16)的上游側(40)上的至少一個渦輪葉片(20)以及下游側(44)上的至少一個固定結構(42)形成； 至少一個引氣通道(26)，所述引氣通道(26)具有與所述冷卻流體混合室(16)連通的引氣通道排放出口(46)，其中，所述至少一個引氣通道(26)的所述引氣通道排放出口(46)相對于所述至少一個冷卻流體供給通道(14)的所述冷卻流體排放出口(34)徑向向外地定位，冷卻流體經由所述引氣通道排放出口(46)排放到所述冷卻流體混合室(16)中，以形成將所述渦輪發(fā)動機(12)的高溫氣體路徑與所述轉子組件(22)的內部體隔離的一腔冷卻流體(50)。
2.根據權利要求1所述的渦輪發(fā)動機(12)，其特征在于，所述至少一個冷卻流體供給通道(14)與環(huán)境壓力下的至少一個冷卻流體源(52)流體連通，使得至少一股環(huán)境壓力下的冷卻流體穿過所述至少一個冷卻流體供給通道(14)。
3.根據權利要求1所述的渦輪發(fā)動機(12)，其特征在于，所述至少一個引氣通道(26)與壓縮空氣源(54)流體連通。
4.根據權利要求3所述的渦輪發(fā)動機(12)，其特征在于，所述壓縮空氣源(54)是第九級內部壓縮機引氣。
5.根據權利要求1所述的渦輪發(fā)動機(12)，其特征在于，所述冷卻流體混合室(16)定位在第四級渦輪葉片(20)排(18)的下游。
6.根據權利要求1所述的渦輪發(fā)動機(12)，其特征在于，所述冷卻流體排放出口(34)定位成使得從所述冷卻流體排放出口(34)排出的冷卻流體被引向所述至少一個渦輪葉片(20)。
7.根據權利要求6所述的渦輪發(fā)動機(12)，其特征在于，所述冷卻流體排放出口(34)定位成使得從所述冷卻流體排放出口(34)排出的冷卻流體與所述渦輪發(fā)動機(12)的中心線(56)大體對準。
8.根據權利要求1所述的渦輪發(fā)動機(12)，其特征在于，所述至少一個冷卻流體供給通道(14)包括環(huán)形氣室(58)，所述環(huán)形氣室(58)定位在所述冷卻流體排放出口(34)的緊上游。
9.根據權利要求8所述的渦輪發(fā)動機(12)，其特征還在于至少一個預旋流器(60)，所述至少一個預旋流器(60)定位在所述至少一個冷卻流體供給通道(14)的所述冷卻流體排放出口(34)的緊上游并且定位在所述環(huán)形氣室(58)中。
10.根據權利要求1所述的渦輪發(fā)動機(12)，其特征還在于至少一個預旋流器(60)，所述至少一個預旋流器(60)定位在所述至少一個冷卻流體供給通道(14)的所述冷卻流體排放出口(34)的緊上游。
11.根據權利要求1所述的渦輪發(fā)動機(12)，其特征在于，所述至少一個固定結構(42)包括支柱(74)的至少一部分。
12.根據權利要求1所述的渦輪發(fā)動機(12)，其特征在于，所述至少一個冷卻流體供給通道(14)容納在支柱(74)內。
13.根據權利要求1所述的渦輪發(fā)動機(12)，其特征還在于與所述至少一個冷卻流體供給通道(14)流體連通的冷卻流體歧管(76)，其中，所述冷卻流體歧管(76)為所述至少一個冷卻流體供給通道(14)供給冷卻流體。
14.根據權利要求1所述的渦輪發(fā)動機(12)，其特征在于，所述至少一個引氣通道(26)定位在所述至少一個渦輪葉片(20)的盤中，并且所述至少一個引氣通道(26)至少部分地徑向向外延伸且相對于所述至少一個渦輪葉片(20)徑向向內地終止于所述盤(62)的外表面(64)。
15.根據權利要求1所述的渦輪發(fā)動機(12)，其特征在于，所述至少一個引氣通道(26)定位在所述至少一個渦輪葉片(20)的盤(62)中，并且，所述至少一個引氣通道(26)相對于所述渦輪發(fā)動機(12)的中心線(56)成銳角延伸，使得所述至少一個引氣通道(26)的最外側部位(66)定位成較所述至少一個引氣通道(26)的其他體部更靠近成排的一組(18)渦輪葉片(20)。
16.根據權利要求15所述的渦輪發(fā)動機(12)，其特征在于，所述至少一個引氣通道(26)的所述引氣通道排放出口(46)在終止邊緣空穴(68)處定位在所述盤(62)中，所述終止邊緣空穴(68)定位在所述盤 (62)與所述至少一個渦輪葉片(20)的平臺(72)的徑向內表面(70)之間，由此使冷卻流體能夠從所述至少一個引氣通道(26)流出、被引導成沿與所述渦輪發(fā)動機(12)的中心線(56)大體對準的下游方向流動，從而使得冷卻流體被排放至所述冷卻流體混合室(16)中，以形成將所述渦輪發(fā)動機(12)的高溫氣體路徑與所述轉子組件(22 )的內部體隔離的一腔冷卻流體(50 )。
【文檔編號】F01D11/04GK103477031SQ201280018244
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年3月22日 優(yōu)先權日:2011年4月12日
【發(fā)明者】約翰·J·馬拉 申請人:西門子能源有限公司