本發(fā)明涉及燃氣渦輪發(fā)動機，且更具體地涉及用于提供熱管理以促進排氣部段處的一致熱狀況和提供保護以限制對燃氣渦輪發(fā)動機的外部外殼加熱的結構。

背景技術：

燃氣渦輪發(fā)動機通常包括壓縮機部段、燃燒器部段、渦輪部段和排氣部段。在操作中，壓縮機部段可引導環(huán)境空氣且壓縮環(huán)境空氣。來自于壓縮機部段的壓縮空氣進入燃燒器部段中的一個或更多個燃燒器。壓縮空氣在燃燒器中與燃料混合，且空氣-燃料混合物能夠在燃燒器中燃燒以形成熱工作氣體。熱工作氣體導送到渦輪部段，在渦輪部段，熱工作氣體通過固定翼型件和旋轉翼型件的交替行膨脹，且用于產(chǎn)生能夠驅動轉子的動力。離開渦輪部段的膨脹氣體然后可以經(jīng)由排氣部段從發(fā)動機排出。

在典型的燃氣渦輪發(fā)動機中，引出空氣（bleed air），包括從壓縮機的一個或更多級獲得的壓縮空氣中的一部分，可以用作用于冷卻渦輪部段的部件的冷卻空氣。附加的引出空氣或者可選冷卻空氣源也可以供應給排氣部段的多部分，例如以冷卻排氣部段的多部分，且通過設置在發(fā)動機的外部外殼或其它部件內的強制對流空氣流將渦輪排氣外殼保持低于預定溫度。當前，供應給渦輪排氣外殼的支撐支柱和相鄰部件的冷卻空氣不足夠。具體地，在上止點處的支柱和相鄰支柱比在下止點處的支柱和相鄰支柱被加熱更多。因而，支柱徑向內部的排氣軸承本體的穩(wěn)態(tài)位置在下止點方向移動偏離中心。上止點處的較高渦輪外殼溫度豎直向上地拉動頂部支柱，因而拉動排氣軸承本體。這部分地通過頂部支柱比底部支柱更熱而抵消。然而，兩種狀況的組合產(chǎn)生了排氣軸承本體在穩(wěn)態(tài)渦輪發(fā)動機操作期間停留在豎直較高的偏離中心位置的凈結果，渦輪級1間隙在上止點處太緊，且渦輪級1間隙在下止點處太開放。偏離中心轉子位置在關閉后和回轉齒輪操作期間會引起偏離中心位置，這會引起在熱重啟期間行1渦輪葉片的葉尖摩擦。因而，期望消除排氣軸承本體以徑向方向移動到偏離中心位置的系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)要素：

公開了一種燃氣渦輪發(fā)動機，具有轉子對中冷卻系統(tǒng)，用于冷卻排氣擴散器內的支柱和渦輪外殼以減少在熱重啟期間的葉尖摩擦。具體地，所述轉子對中冷卻系統(tǒng)可以部分地定位在排氣擴散器中的支柱內，在渦輪組件下游以限制渦輪外殼以及在頂部支柱和底部支柱之間的熱梯度，以防止排氣軸承本體在穩(wěn)態(tài)操作期間由于頂部支柱和外殼變得比底部支柱更熱而變得偏離中心。所述轉子對中冷卻系統(tǒng)可以降低排氣擴散器處的溫度，使得頂部支柱和底部支柱之間的熱梯度與常規(guī)系統(tǒng)相比減少。因而，排氣軸承本體保持對中，從而防止在渦輪組件頂部處比渦輪組件底部處更緊的渦輪葉片葉尖間隙。所述冷卻系統(tǒng)可以在穩(wěn)態(tài)操作期間和關閉期間使用，冷卻空氣由外部風扇供應以控制溫度梯度。

在至少一個實施例中，燃氣渦輪發(fā)動機可包括一個或更多個排氣擴散器，所述一個或更多個排氣擴散器位于渦輪組件的下游，圍繞燃氣渦輪發(fā)動機的中心縱向軸線周向地延伸，且具有從上游邊緣到下游邊緣增加的橫截面面積。一個或更多個支柱可以從至少一個排氣擴散器徑向向內延伸到內部排氣擴散器殼體，所述內部排氣擴散器殼體形成排氣擴散器的徑向內表面。所述支柱可包括位于形成支柱的外壁內的一個或更多個內部冷卻系統(tǒng)。所述燃氣渦輪發(fā)動機可包括轉子對中冷卻系統(tǒng)，所述轉子對中冷卻系統(tǒng)從與位于形成支柱的外壁內的內部冷卻系統(tǒng)連通的排氣冷卻歧管形成，用于將冷卻流體供應給支柱內的內部冷卻系統(tǒng)。所述轉子對中冷卻系統(tǒng)可包括轉子對中冷卻通道，所述轉子對中冷卻通道從排氣冷卻歧管中的入口通過渦輪外殼排氣凸緣延伸到護罩腔室中的出口，所述出口在所述至少一個支柱的上游且在形成排氣擴散器的外壁的徑向外部。流動通過轉子對中冷卻通道的冷卻流體夾帶護罩腔室中的環(huán)境空氣，從而吹掃護罩腔室且冷卻渦輪外殼排氣凸緣。排氣冷卻歧管可以位于所述至少一個支柱的徑向外部。

所述轉子對中冷卻系統(tǒng)還可以包括一個或更多個排氣冷卻壓力通風部，所述一個或更多個排氣冷卻壓力通風部形成在形成排氣擴散器的外壁的徑向外部的周向延伸冷卻通道。所述排氣冷卻歧管可以經(jīng)由一個或更多個計量孔與排氣冷卻歧管流體連通。所述計量孔可以位于渦輪外殼排氣凸緣內，從而給渦輪外殼排氣凸緣提供冷卻。所述計量孔具有的徑向延伸寬度可以等于渦輪外殼排氣凸緣處排氣冷卻壓力通風部的徑向延伸寬度。排氣冷卻壓力通風部可以位于排氣冷卻歧管的上游。

所述轉子對中冷卻通道可以從排氣冷卻歧管向上游延伸到護罩腔室。在至少一個實施例中，所述轉子對中冷卻通道可以在排氣冷卻歧管和支柱之間從排氣冷卻歧管延伸到護罩腔室。所述轉子對中冷卻通道的出口可以由一個或更多個狹槽形成。至少一個轉子對中冷卻通道的出口具有圓形橫截面。

所述燃氣渦輪發(fā)動機可包括多個支柱。在至少一個實施例中，所述燃氣渦輪發(fā)動機可包括頂部支柱，帶有周向地偏離到第一側的第一側支柱和偏離到在周向方向上與第一側相對的第二側的第二側支柱。頂部支柱、第一側支柱和第二側支柱可均具有所述一個或更多個內部冷卻系統(tǒng)和包括排氣冷卻歧管的轉子對中冷卻系統(tǒng)，所述排氣冷卻歧管與位于形成支柱的外壁內的內部冷卻系統(tǒng)連通，用于將冷卻流體供應給支柱內的內部冷卻系統(tǒng)。在頂部支柱、第一側支柱和第二側支柱中的每個內形成的轉子對中冷卻系統(tǒng)包括一個或更多個轉子對中冷卻通道，所述轉子對中冷卻通道從排氣冷卻歧管中的入口通過渦輪外殼排氣凸緣延伸到護罩腔室中的出口，所述出口在形成排氣擴散器的外壁的上游和徑向外部，其中，流動通過轉子對中冷卻通道的冷卻流體夾帶護罩腔室中的環(huán)境空氣，從而吹掃護罩腔室且冷卻渦輪外殼排氣凸緣。頂部支柱、第一側支柱和第二側支柱均向上延伸到燃氣渦輪發(fā)動機的中線平面上方，所述中線平面總體上延伸通過燃氣渦輪發(fā)動機的中心縱向軸線。

轉子對中冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點在于，轉子對中冷卻系統(tǒng)提供對支柱、排氣凸緣和相關部件的雙折冷卻，以減少熱梯度和熱應力，以便通過防止排氣軸承本體移動偏離中心而防止熱重啟期間的渦輪葉尖摩擦。

轉子對中冷卻系統(tǒng)的另一優(yōu)點在于，排氣冷卻歧管中的轉子對中冷卻通道的一個或更多個入口增加了通過排氣冷卻歧管的冷卻流體流量，促進較高的冷卻流體流通過渦輪外殼排氣凸緣中的計量孔，從而選擇性地解決渦輪外殼排氣凸緣區(qū)域上的頂部-底部熱梯度。

轉子對中冷卻系統(tǒng)的又一優(yōu)點在于，轉子對中冷卻通道再次改向冷卻空氣，以在冷卻空氣從渦輪外殼排氣凸緣中的出口排出到護罩腔室中時第二次流動通過渦輪外殼排氣凸緣，在護罩腔室處，冷卻流體夾帶護罩腔室中的環(huán)境空氣，以產(chǎn)生空氣推進器或噴射器效果。使用來自于排氣冷卻歧管的相對少量的空氣，護罩腔室中的環(huán)境空氣可以被激勵，從而被供應以第二路冷卻的方式冷卻凸緣的冷卻空氣的質量流量顯著地增加且吹掃護罩腔室。

本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于，轉子對中冷卻系統(tǒng)可以在渦輪外殼排氣凸緣區(qū)域中實現(xiàn)周向一致的金屬溫度。

本發(fā)明的又一個優(yōu)點在于，吹掃護罩腔室抑制了任何浮力驅動流動，在渦輪外殼排氣凸緣區(qū)域中可能驅動任何頂部-底部溫度。

本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于，支柱中的內部冷卻系統(tǒng)內的翅片可以調節(jié)以增加流量以便補償從排氣冷卻歧管到內部冷卻系統(tǒng)中的由于進入轉子對中冷卻通道中的冷卻流體流引起的流量減少。

下文更詳細地描述這些和其它實施例。

附圖說明

附圖包含于說明書并形成說明書的一部分，其說明目前公開發(fā)明的實施例并與說明書一起公開本發(fā)明的原理。

圖1是包括用于冷卻支柱和渦輪外殼排氣凸緣的轉子對中冷卻系統(tǒng)的燃氣渦輪發(fā)動機的橫截面?zhèn)纫晥D。

圖2是包括用于冷卻支柱和渦輪外殼排氣凸緣的轉子對中冷卻系統(tǒng)的燃氣渦輪發(fā)動機的沿圖1中的細節(jié)2-2截取的部分橫截面透視下游圖。

圖3是包括用于冷卻支柱和渦輪外殼排氣凸緣的轉子對中冷卻系統(tǒng)的燃氣渦輪發(fā)動機的沿圖1中的細節(jié)2-2截取的部分橫截面透視上游圖。

圖4是冷卻支柱中的轉子對中冷卻系統(tǒng)和內部冷卻系統(tǒng)沿圖1中的細節(jié)2-2截取的橫截面?zhèn)纫晥D。

圖5是冷卻支柱中的轉子對中冷卻系統(tǒng)和內部冷卻系統(tǒng)沿圖1中的細節(jié)2-2截取的部分橫截面透視下游圖。

圖6是看到支柱的排氣擴散器的上游圖。

圖7是延伸通過渦輪外殼排氣凸緣的轉子對中冷卻通道出口的下游圖。

圖8是延伸通過渦輪外殼排氣凸緣的轉子對中冷卻通道出口的另一個配置的下游圖。

具體實施方式

如圖1-8所述，公開了一種燃氣渦輪發(fā)動機10，具有轉子對中冷卻系統(tǒng)12，用于冷卻排氣擴散器16內的支柱14和渦輪外殼以減少在熱重啟期間的葉尖摩擦。具體地，所述轉子對中冷卻系統(tǒng)12可以部分地定位在排氣擴散器16中的支柱14內，在渦輪組件18下游以限制在頂部支柱20和底部支柱22之間的熱梯度，以防止支撐轉子25的排氣軸承本體24在穩(wěn)態(tài)操作期間由于頂部支柱20和外殼變得比底部支柱22更熱而變得偏離中心。所述轉子對中冷卻系統(tǒng)12可以降低排氣擴散器16處的溫度，使得頂部支柱20和底部支柱22之間的熱梯度與常規(guī)系統(tǒng)相比減少。因而，排氣軸承本體24保持對中，從而防止在渦輪組件18頂部28處比渦輪組件18底部32處更緊的渦輪葉片葉尖間隙26。所述冷卻系統(tǒng)12可以在穩(wěn)態(tài)操作期間和關閉期間使用，冷卻空氣由外部風扇供應以控制溫度梯度。

在至少一個實施例中，燃氣渦輪發(fā)動機10可由一個或更多個排氣擴散器16形成，如圖1所示，所述一個或更多個排氣擴散器16位于渦輪組件18的下游，圍繞燃氣渦輪發(fā)動機10的中心縱向軸線34周向地延伸。如圖1-5所示，排氣擴散器16可具有從上游邊緣36到下游邊緣38增加的橫截面面積，如圖1所示。燃氣渦輪發(fā)動機10可包括一個或更多個支柱14，從排氣擴散器16徑向向內延伸到內部排氣擴散器殼體40，所述內部排氣擴散器殼體40形成排氣擴散器16的徑向內表面42。所述支柱14可包括位于形成支柱14的外壁46內的一個或更多個內部冷卻系統(tǒng)44。

所述燃氣渦輪發(fā)動機10還可包括一個或更多個轉子對中冷卻系統(tǒng)12，用于冷卻排氣擴散器16內的支柱14以減少在熱重啟期間的葉尖摩擦。所述轉子對中冷卻系統(tǒng)12可以從與位于形成支柱14的外壁46內的內部冷卻系統(tǒng)44連通的排氣冷卻歧管48形成，用于將冷卻流體供應給支柱14內的內部冷卻系統(tǒng)44。所述轉子對中冷卻系統(tǒng)12可包括一個或更多個轉子對中冷卻通道60，所述轉子對中冷卻通道從排氣冷卻歧管48中的入口50通過渦輪外殼排氣凸緣52延伸到護罩腔室56中的出口54，所述出口在所述支柱14的上游且在形成排氣擴散器16的外壁58的徑向外部，使得流動通過轉子對中冷卻通道60的冷卻流體夾帶護罩腔室56中的環(huán)境空氣，從而吹掃護罩腔室56且冷卻渦輪外殼排氣凸緣52。

在至少一個實施例中，排氣冷卻歧管48可以位于所述支柱14的徑向外部。所述轉子對中冷卻通道60可以從排氣冷卻歧管48向上游延伸到護罩腔室56。所述轉子對中冷卻通道60可以從排氣冷卻歧管48延伸到護罩腔室56，且可以定位在排氣冷卻歧管48和支柱14之間。所述轉子對中冷卻通道60的出口54可以具有圓形橫截面，其它合適配置，如圖8所示。在至少一個實施例中，出口54可以由一個或更多個狹槽62形成。狹槽62可以是薄槽形狀，例如大致橢圓形、長圓形或類似物。

所述轉子對中冷卻系統(tǒng)12還可以包括一個或更多個排氣冷卻壓力通風部64，如圖1-5所示，所述一個或更多個排氣冷卻壓力通風部形成在形成排氣擴散器16的外壁58的徑向外部的周向延伸冷卻通道。所述排氣冷卻壓力通風部64可具有任何合適配置和尺寸。所述排氣冷卻壓力通風部64可將冷卻流體提供給排氣冷卻歧管48。排氣冷卻壓力通風部64可位于排氣冷卻歧管48的上游。具體地，所述排氣冷卻壓力通風部64可以經(jīng)由一個或更多個計量孔66與排氣冷卻歧管流體48連通。所述計量孔66可以位于渦輪外殼排氣凸緣52內，從而給渦輪外殼排氣凸緣52提供冷卻。在至少一個實施例中，所述計量孔66具有的徑向延伸寬度可以等于渦輪外殼排氣凸緣52處排氣冷卻壓力通風部64的徑向延伸寬度。因而，高體積的冷卻空氣可以穿過渦輪外殼排氣凸緣52以相對于常規(guī)系統(tǒng)增加轉子對中冷卻系統(tǒng)12的冷卻容量。

在至少一個實施例中，所述燃氣渦輪發(fā)動機10可包括多個支柱14，從排氣擴散器16徑向向內延伸到形成排氣擴散器16的徑向內表面42的內部排氣擴散器殼體40。在至少一個實施例中，所述燃氣渦輪發(fā)動機10可包括總共6個支柱14，如圖6所示。因而，支柱14中的三個，例如頂部支柱20、第一側支柱70和第二側支柱72，可位于燃氣渦輪發(fā)動機10的中線平面74上方，所述中線平面總體上延伸通過燃氣渦輪發(fā)動10機的中心縱向軸線34。在至少一個實施例中，頂部支柱20可以總體上從內部排氣擴散器殼體40延伸到形成排氣擴散器16的外壁58的上止點28。在其它實施例中，頂部支柱20可位于其它位置。第一側支柱70可周向地偏離到頂部支柱20的第一側78，且可位于頂部支柱20和中線平面74之間。第二側支柱72可偏離到在周向方向上與第一側78相對的第二側80，且可位于頂部支柱20和中線平面74之間。

在至少一個實施例中，頂部支柱20、第一側支柱70和第二側支柱72可均具有提供冷卻的內部冷卻系統(tǒng)44和轉子對中冷卻系統(tǒng)12。頂部支柱20、第一側支柱70和第二側支柱72中的每個可包括排氣冷卻歧管48，所述排氣冷卻歧管與位于形成支柱20，70，72的外壁46內的內部冷卻系統(tǒng)44連通，用于將冷卻流體供應給支柱20，70，72內的內部冷卻系統(tǒng)44。支柱20，70，72的冷卻歧管48可以或者可以不彼此接觸。在支柱20，70，72中的轉子對中冷卻通道60可從排氣冷卻歧管48中的入口50通過渦輪外殼排氣凸緣52延伸到護罩腔室56中的出口54，所述出口54在支柱20，70，72的上游和形成排氣擴散器16的外壁58的徑向外部。流動通過轉子對中冷卻通道60的冷卻流體可夾帶護罩腔室56中的環(huán)境空氣，從而吹掃護罩腔室56且冷卻渦輪外殼排氣凸緣52。

轉子對中冷卻系統(tǒng)12配置成使得來自于排氣冷卻歧管48的冷卻流體至少兩次通過渦輪外殼排氣凸緣52。具體地，冷卻流體通過流入計量孔66和流入排氣冷卻歧管48而第一次流動通過渦輪外殼排氣凸緣52。計量孔66定尺寸為增加進入排氣冷卻歧管48的冷卻流體流。此外，冷卻流體的一部分流入支柱14中的內部冷卻系統(tǒng)44，排氣冷卻歧管48中的冷卻流體的一部分流入轉子對中冷卻通道60的入口50。轉子對中冷卻通道60將冷卻流體往回導送通過渦輪外殼排氣凸緣52，從而再一次冷卻渦輪外殼排氣凸緣52。轉子對中冷卻通道60可穿過計量孔66的徑向內部。冷卻流體于是通過出口54從轉子對中冷卻通道60排出。

上述內容被提供用于說明、解釋和描述本發(fā)明的實施例。對這些實施例的修改和調整對于本領域技術人員來說將是顯而易見的，且可以在不偏離本發(fā)明的范圍或精神的情況下做出。