本發(fā)明涉及燃?xì)鉁u輪機(jī)的技術(shù)。其指的是一種用于冷卻根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法。

其還涉及用于實(shí)施這種方法的燃?xì)鉁u輪機(jī)。

背景技術(shù)：

在燃?xì)鉁u輪機(jī)(GT)中，渦輪的葉片一(旋轉(zhuǎn)葉片的第一排)的條件所施加的物理限制要求空氣處于超出熱氣體路徑壓力的壓力下。當(dāng)前的技術(shù)方案是從壓縮機(jī)抽取高壓空氣，并用外部冷卻器將其冷卻，從而確?？諝鉁囟茸阋栽诖罅控?fù)載的葉片樅樹型部(葉根)處維持轉(zhuǎn)子的壽命，同時(shí)維持超過熱氣體條件的足夠大的壓力。由于相關(guān)聯(lián)的成本/維護(hù)，額外的冷卻器對(duì)于要求簡單循環(huán)操作的用戶而言是一種阻礙。

GT發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪部分的葉片一處的壓力和溫度限定用于確保所需的金屬溫度的冷卻系統(tǒng)的物理極限。需要大的壓力差來驅(qū)動(dòng)渦輪處的轉(zhuǎn)子的冷卻，以便避免熱氣體吸入，同時(shí)提供葉片樅樹形部冷卻。高壓空氣的溫度通常高于低壓空氣。為了滿足轉(zhuǎn)子的溫度要求，該空氣穿過冷卻器以降低溫度，并維持所需的高壓，并且隨后被用于冷卻轉(zhuǎn)子。

因此，需要一種冷卻方案，它一方面消除對(duì)冷卻器的需求，并且另一方面提供足夠溫度的空氣，以冷卻轉(zhuǎn)子同時(shí)維持葉片/導(dǎo)葉和渦輪導(dǎo)葉承載件(TVC)的冷卻要求。

在過去，已提出(US3,742,706)包括雙源渦輪冷卻氣流的用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片裝置，其中引導(dǎo)一部分高壓壓縮機(jī)排氣氣流以冷卻渦輪葉片的最關(guān)鍵的溫度區(qū)域，并且引導(dǎo)一部分低壓壓縮機(jī)級(jí)間空氣流以冷卻相同渦輪葉片的更次要的溫度區(qū)域。

本專利關(guān)注通過僅針對(duì)葉片選擇性地使用壓縮機(jī)冷卻空氣來優(yōu)化燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。詳細(xì)描述了前緣和冷卻邊緣處的冷卻要求如何存在差異，并且所述專利關(guān)注一種能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)前緣和冷卻邊緣對(duì)每排葉片使用兩個(gè)源的實(shí)施例。

因而，本專利要求每個(gè)葉片被構(gòu)造成接收冷卻空氣的兩個(gè)源。

另一方面，本專利不將熱氣體路徑的冷卻作為整體討論。并且不討論熱氣體路徑外側(cè)的葉片的冷卻。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種冷卻燃?xì)鉁u輪機(jī)的方法，其優(yōu)化熱氣體路徑、尤其是葉片和導(dǎo)葉的冷卻，以及轉(zhuǎn)子和所述葉片到轉(zhuǎn)子的附接件的冷卻。

本發(fā)明的另一個(gè)目標(biāo)是提供一種實(shí)施所述方法的燃?xì)鉁u輪機(jī)。

這些和其它目標(biāo)由根據(jù)權(quán)利要求1的方法和根據(jù)權(quán)利要求9的燃?xì)鉁u輪機(jī)實(shí)現(xiàn)。

提供根據(jù)本發(fā)明的方法以便冷卻燃?xì)鉁u輪機(jī)，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)包括渦輪，其中圍繞機(jī)器軸線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子承載多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片，葉片借助于葉根安裝在所述轉(zhuǎn)子上，并延伸成葉片的翼型部進(jìn)入所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的熱氣體路徑，其中所述轉(zhuǎn)子被承載多個(gè)靜止導(dǎo)葉的渦輪導(dǎo)葉承載件同心地環(huán)繞，由此所述旋轉(zhuǎn)葉片和所述靜止導(dǎo)葉沿軸向方向布置成交替的排。

其特征在于，為所述渦輪提供第一冷卻系統(tǒng)和第二冷卻系統(tǒng)，由此所述第一冷卻系統(tǒng)使用第一壓力和第一溫度的冷卻空氣，并且所述第二冷卻系統(tǒng)使用實(shí)質(zhì)上小于所述第一壓力和第一溫度的第二壓力和第二溫度的冷卻空氣，且由此所述第一冷卻系統(tǒng)被用于冷卻所述旋轉(zhuǎn)葉片的翼型部以及所述渦輪導(dǎo)葉承載件和所述靜止導(dǎo)葉，且由此所述第二冷卻系統(tǒng)被用于冷卻所述轉(zhuǎn)子和在至少一排所述旋轉(zhuǎn)葉片中的所述旋轉(zhuǎn)葉片的所述葉根。

根據(jù)本創(chuàng)造性方法的實(shí)施例，第一排旋轉(zhuǎn)葉片的所述葉根由所述第二冷卻系統(tǒng)冷卻。

具體地，至少第一排和第二排旋轉(zhuǎn)葉片的所述葉根由所述第二冷卻系統(tǒng)冷卻。

根據(jù)本創(chuàng)造性方法的另一實(shí)施例，在所述轉(zhuǎn)子上相對(duì)于所述靜止導(dǎo)葉設(shè)置導(dǎo)葉熱屏蔽件，并且所述導(dǎo)葉熱屏蔽件中的至少一些由所述第二冷卻系統(tǒng)冷卻。

根據(jù)本創(chuàng)造性方法的又一實(shí)施例，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)包括帶有多個(gè)壓縮機(jī)級(jí)的壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)壓縮用于燃燒過程的空氣和用于冷卻所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的零件的空氣，并且所述第一冷卻系統(tǒng)的冷卻空氣在所述壓縮機(jī)的出口處分流，同時(shí)所述第二冷卻系統(tǒng)的冷卻空氣在所述壓縮機(jī)的中間壓縮機(jī)級(jí)處分流。

具體地，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的所述轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)所述壓縮機(jī)，并且將用于所述第一冷卻系統(tǒng)和第二冷卻系統(tǒng)的所述分流的冷卻空氣從所述壓縮機(jī)到所述渦輪沿軸向方向引導(dǎo)通過所述轉(zhuǎn)子。

更具體地，將用于所述第一冷卻系統(tǒng)和第二冷卻系統(tǒng)的所述被分流的冷卻空氣在單獨(dú)的低壓冷卻空氣通道和高壓冷卻空氣通道中引導(dǎo)通過所述轉(zhuǎn)子，由此所述低壓冷卻空氣通道比所述高壓冷卻空氣通道沿徑向方向更靠近所述機(jī)器軸線地延伸。

還更加具體地，所述第二冷卻系統(tǒng)的冷卻空氣在用于冷卻所述葉根之前經(jīng)受旋流作用(swirling action)。

根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)鉁u輪機(jī)包括渦輪和多級(jí)壓縮機(jī)，它們具有圍繞機(jī)器軸線旋轉(zhuǎn)的共用轉(zhuǎn)子。

其特征在于，第一冷卻空氣通道和第二冷卻空氣通道從所述壓縮機(jī)到所述渦輪延伸穿過所述轉(zhuǎn)子，由此所述第一冷卻空氣通道從所述壓縮機(jī)的中間壓縮機(jī)級(jí)延伸到所述渦輪，同時(shí)所述第二冷卻空氣通道從所述壓縮機(jī)的出口延伸到所述渦輪。

根據(jù)創(chuàng)造性燃?xì)鉁u輪機(jī)的實(shí)施例，所述轉(zhuǎn)子在所述渦輪內(nèi)承載多個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片，葉片借助于葉根安裝在所述轉(zhuǎn)子上，并且延伸，且葉片的翼型部進(jìn)入所述燃?xì)鉁u輪機(jī)的熱氣體路徑，由此所述轉(zhuǎn)子由承載多個(gè)靜止導(dǎo)葉的渦輪導(dǎo)葉承載件同心地環(huán)繞，由此所述旋轉(zhuǎn)葉片和所述靜止導(dǎo)葉沿軸向方向布置成交替的排，并且由此所述第一冷卻空氣通道連接到至少一排所述旋轉(zhuǎn)葉片的所述旋轉(zhuǎn)葉片的所述葉根，同時(shí)所述第二冷卻空氣通道連接到所述至少一排所述旋轉(zhuǎn)葉片的翼型部。

具體地，所述第一冷卻空氣通道沿徑向方向比所述高壓冷卻空氣通道更靠近所述機(jī)器軸線地延伸。

具體地，預(yù)旋流器設(shè)置在所述第二冷卻空氣通道中，其中所述第二冷卻空氣通道進(jìn)入所述渦輪。

具體地，至少兩排所述旋轉(zhuǎn)葉片的所述葉根借助于所述第一冷卻空氣通道的單獨(dú)分支連接到所述第一冷卻空氣通道。

具體地，所述第一冷卻空氣通道連接到第一排所述旋轉(zhuǎn)葉片的所述旋轉(zhuǎn)葉片的所述葉根，所述第二冷卻空氣通道連接到所述第一排的所述旋轉(zhuǎn)葉片的翼型部，并且在所述渦輪的入口處在所述轉(zhuǎn)子上設(shè)置熱屏蔽件，所述熱屏蔽件中的每一個(gè)具有兩個(gè)單獨(dú)的流動(dòng)路徑，它們將所述第一冷卻空氣通道和第二冷卻空氣通道分別連接到所述渦輪的所述第一排旋轉(zhuǎn)葉片的葉根和翼型部。

此外，所述第一冷卻空氣通道和所述壓縮機(jī)的所述中間壓縮機(jī)級(jí)之間可以設(shè)置輻流式渦輪機(jī)。

附圖說明

現(xiàn)在將借助于不同的實(shí)施例并且參考附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明。

圖1示出帶有旋轉(zhuǎn)葉片排和靜止導(dǎo)葉排的燃?xì)鉁u輪機(jī)的一部分，旋轉(zhuǎn)葉片和靜止導(dǎo)葉暴露于來自相鄰燃燒器的熱氣體，并由根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的冷卻方案冷卻；

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例由不同壓力和溫度的兩個(gè)單獨(dú)的冷卻空氣流所冷卻的單個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片；

圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例從壓縮機(jī)到渦輪的分開的冷卻空氣供應(yīng)的視圖；

圖4示出-類似于圖3-根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的針對(duì)低溫、低壓流利用輻流式渦輪機(jī)(圖4b)的從壓縮機(jī)到渦輪的分開的冷卻空氣供應(yīng)的視圖；

圖5示出根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例借助于所述葉片上游的特殊熱屏蔽件向第一排旋轉(zhuǎn)葉片供應(yīng)兩種冷卻空氣；

圖6以透視圖(圖6a和6c)示出根據(jù)圖5的熱屏蔽件的設(shè)計(jì)，以及所述熱屏蔽件內(nèi)的兩個(gè)單獨(dú)的冷卻空氣路徑(圖6b)。

具體實(shí)施方式

如圖1中所示，本申請(qǐng)關(guān)注燃?xì)鉁u輪機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)10的渦輪部段15(由殼體14圍封)內(nèi)的冷卻。冷卻分成兩個(gè)不同的系統(tǒng)A和B：高壓冷卻系統(tǒng)A用于饋給葉片16和導(dǎo)葉17以及渦輪導(dǎo)葉承載件(TVC)13。低壓冷卻系統(tǒng)B通過高壓密封件與高壓冷卻系統(tǒng)A隔開，并且熱氣體路徑通過渦輪部段15。

低壓冷卻系統(tǒng)B關(guān)注冷卻轉(zhuǎn)子11和葉片樅樹形部(圖2中的葉根37)。轉(zhuǎn)子11和轉(zhuǎn)子樅樹形部37要求低溫空氣但不要求高壓空氣。與此不同，葉片16和導(dǎo)葉17，即它們的翼型部36(圖2)，要求高壓空氣但對(duì)空氣的溫度不像轉(zhuǎn)子11那樣敏感。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)葉片16的大量負(fù)載的樅樹形部37的顯著地更加有利的運(yùn)行條件。

因此，相應(yīng)的冷卻構(gòu)思采用主要的高壓空氣系統(tǒng)(A)來冷卻葉片16(翼型部36)和渦輪導(dǎo)葉承載件13，并且包含次級(jí)的隔開的冷卻系統(tǒng)(B)，其沿轉(zhuǎn)子芯(11)將溫度和壓力更低的空氣泵送至渦輪葉片樅樹形部(37)和導(dǎo)葉熱屏蔽件(例如，圖3中的34a)。

圖2圖示兩個(gè)系統(tǒng)如何在旋轉(zhuǎn)葉片17的葉片水平處分開的詳細(xì)視圖。一個(gè)系統(tǒng)關(guān)注葉片翼型部36，其中更高溫度的高壓冷卻空氣HCA被引入葉片17的平臺(tái)下方，并且進(jìn)入翼型部36并作為泄漏空氣LA離開葉片，并且用于薄膜冷卻(高壓)，同時(shí)第二系統(tǒng)關(guān)照轉(zhuǎn)子11和轉(zhuǎn)子樅樹形部(葉根37)內(nèi)的溫度，并通過低壓冷卻空氣通道18接收低溫的低壓冷卻空氣LCA，所述低壓冷卻空氣LCA通過冷卻空氣出口19離開。

圖3圖示所提出的冷卻方案的一個(gè)實(shí)施例：在更前的壓縮機(jī)級(jí)之一處從燃?xì)鉁u輪機(jī)10a的壓縮機(jī)20a中抽出低壓和低溫下的空氣，隨后所述低壓和低溫下的空氣在低壓冷卻空氣通道21a中穿過轉(zhuǎn)子11a，由于半徑的變化使溫度降低，并且在經(jīng)過預(yù)旋流器23a之后通過分支24a和25a朝向轉(zhuǎn)子渦輪15a和旋轉(zhuǎn)葉片17a(第一排)和26a(第二排)的轉(zhuǎn)子渦輪樅樹形部引導(dǎo)所述低壓和低溫下的空氣。此外，第二排導(dǎo)葉的熱屏蔽件34a由該空氣冷卻。

該冷卻方案使得樅樹形部能夠在大量負(fù)載的運(yùn)行條件下保全。在壓縮機(jī)端部(20a)處，部分(高壓)空氣被引導(dǎo)通過在徑向方向上比低壓冷卻空氣通道21a距離機(jī)器軸線35更遠(yuǎn)的高壓冷卻空氣通道22a，朝向第一排的葉片17a(葉片一)，并且能夠被采用來防止熱氣體吸入，或者被調(diào)節(jié)到足夠的大小以完全完成冷卻葉片一(其翼型部)的所關(guān)注的任務(wù)。

圖4a圖示類似于圖3的燃?xì)鉁u輪機(jī)10b中的流動(dòng)構(gòu)造，通過輻流式渦輪機(jī)38(圖4b)從壓縮機(jī)20b的端部取得空氣，以冷卻轉(zhuǎn)子鼓筒(rotor drum)(11b)以及第一排葉片17b與第二排葉片26b的渦輪樅樹形部。

半徑的改變和輻流式渦輪機(jī)38降低了空氣的流體溫度和壓力，所述空氣冷卻轉(zhuǎn)子鼓筒(11b)，并且隨后在進(jìn)入分支24b和25b之前穿過預(yù)旋流器23b，并冷卻葉片樅樹形部。第二流動(dòng)路徑(高壓冷卻空氣通道22b)取得空氣，并在導(dǎo)葉一16b和葉片一17b處防止熱氣體吸入，從而為該位置中的密封給予一些冗余度。這種次級(jí)流動(dòng)能夠被調(diào)節(jié)成完全完成冷卻葉片一17b的所關(guān)注的任務(wù)。

圖5圖示帶有壓縮機(jī)20c和渦輪部段15c的燃?xì)鉁u輪機(jī)10c，其帶有類似于圖3的冷卻方案，但是包括設(shè)置在渦輪15c的第一葉片之前的轉(zhuǎn)子熱屏蔽件28。高壓冷卻空氣在壓縮機(jī)20c的端部處被抽出，并且通過轉(zhuǎn)子11c處的高壓冷卻空氣通道22c供應(yīng)到熱屏蔽件28。低壓冷卻空氣從更前的壓縮機(jī)級(jí)通過低壓冷卻空氣通道21c和轉(zhuǎn)子腔27a、b流動(dòng)到熱屏蔽件28。能夠以減輕重量的先進(jìn)材料鑄成的熱屏蔽件28為高壓和低壓冷卻空氣流提供單獨(dú)的流動(dòng)路徑(圖6b中的31、32)，使得能夠單獨(dú)地冷卻第一葉片的樅樹形部或葉根37以及翼型部36。

圖6a和6c提供對(duì)這種熱屏蔽件28的可行構(gòu)造之一的更詳細(xì)的觀察。熱屏蔽件28以類似于葉片固定的方式經(jīng)由樅樹形部30附接到轉(zhuǎn)子(圖5中的11c)。在樅樹形部30上方，帶有斜面33的三角形主體29包含分別用于高壓和低壓冷卻空氣的兩個(gè)孔或流動(dòng)路徑31、32。樅樹形部30軸向地分成兩個(gè)部分30a和30b，它們由間隙分開。通過該間隙，低壓冷卻空氣進(jìn)入流動(dòng)路徑32。流動(dòng)路徑31的入口在樅樹形部30的第一部分30a上。

因此，熱屏蔽件28內(nèi)有兩個(gè)內(nèi)部流動(dòng)路徑31、32是可用的，一個(gè)(32)用于低壓低溫空氣，且第二孔(31)引導(dǎo)用于葉片(翼型部)冷卻的高壓高溫空氣。盡管僅示出轉(zhuǎn)子熱屏蔽件的一個(gè)節(jié)段，但是所述熱屏蔽件能夠包括一件式的多個(gè)節(jié)段。

本技術(shù)方案的特性特征和優(yōu)點(diǎn)是：

采用兩個(gè)壓力源，以將熱氣體路徑(具體地是葉片和導(dǎo)葉)的冷卻與轉(zhuǎn)子以及所述葉片和導(dǎo)葉到轉(zhuǎn)子的附接(樅樹形部)的冷卻要求分開；

附接區(qū)域、樅樹形部的壽命高度依賴于葉片的溫度和負(fù)載；在樅樹形部處實(shí)現(xiàn)降低的溫度，以便更大的壽命值和更強(qiáng)健的產(chǎn)品，所述產(chǎn)品能夠在更寬范圍的運(yùn)行構(gòu)造下運(yùn)行；

該技術(shù)方案能夠在不要求外部冷卻器的情況下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子冷卻。

附圖標(biāo)記列表

10、10a-c 燃?xì)鉁u輪機(jī)

11、11a-c 轉(zhuǎn)子

12 燃燒器

13、13a、13b 渦輪導(dǎo)葉承載件(TVC)

14 殼體

15、15a-c 渦輪

16、16a、16b (第一)導(dǎo)葉

17、17a-c (第一)葉片

18 低壓(LP)冷卻空氣通道

19 冷卻空氣出口

20a-c 壓縮機(jī)

21a-c 低壓(LP)冷卻空氣通道

22a-c 高壓(HP)冷卻空氣通道

23a、b 預(yù)旋流器

24a、b 分支

25a、b 分支

26a、b (第二)葉片

27a、b 腔

28 熱屏蔽件

29 主體

30 樅樹形部

30a、b 樅樹形部部段

31、32 流動(dòng)路徑(孔)

33 斜面

34a、b 導(dǎo)葉熱屏蔽件

35 機(jī)器軸線

36 翼型部

37 葉根(例如，樅樹形部)

38 輻流式渦輪機(jī)

A、B 冷卻系統(tǒng)

LA 泄漏空氣

HCA 高壓冷卻空氣

LCA 低壓冷卻空氣