CN101178028B - 复合涡轮冷却发动机 - Google Patents

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Abstract

一种燃气涡轮发动机(10)包括操作性地连接在一起的压缩机(18)、燃烧室(20)、及高压涡轮(22)。高压涡轮(22)包括一排喷口叶片(42)，接着有一排转子桨叶(44)。叶片(42)和桨叶(44)具有相应的前内部冷却通道和后内部冷却通道(52，54，60，62)。第一、第二、第三、及第四泄放回路(68，70，72，74)与压缩机(18)的不同级流动连通地连接，用于在不同压力下泄放来自那里的加压空气，以提供冷却剂给涡轮叶片(42)和桨叶(44)的前通道和后通道(52，54，60，62)。

Description

复合涡轮冷却发动机
技术领域
本发明大体涉及燃气涡轮发动机，及更具体地，涉及其中的涡轮冷却。
背景技术
燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中加压，并在燃烧室内与燃料混合，用于产生热的燃烧气体。能量取自涡轮级中的燃烧气体，燃烧气体通过一个驱动轴激励压缩机，并产生另外的功，用于在涡轮风扇飞机发动机应用中激励上游风扇，或驱动外部驱动轴，以用于航海和工业(M&I)应用。
基本的核心发动机通常包括多级轴向压缩机，多级轴向压缩机具有多排压缩机浆叶(blade)及相应的引导叶片(vane)，其在级内加压环境空气，并相应地增加其中的温度。从压缩机的尾端排放的空气具有最高压力，一般称为压缩机排放压力(CDP)，及相应的高温度。
在示例性的构造中，压缩机可以具有七级，用于由于压缩循环，而将空气压力增加至大气压的很多倍，及有好几百度的温度增加。如为燃气涡轮发动机及其意图使用的特别设计的描述，可以使用更少或更多数量的压缩级。
自压缩机排放的多数CDP空气在燃烧室内与燃料混合，用于产生热的燃烧气体。这些燃烧气体随后在几个涡轮级内经受膨胀循环，用于吸取来自那的能量，其相应地减小燃烧气体的压力和温度。高压涡轮(HPT)直接地接着燃烧室并用于激励核心发动机内的压缩机浆叶。
低压涡轮(LPT)接着HPT并驱动第二轴，用于在涡轮风扇发动机应用中激励上游风扇，或驱动外部驱动轴，用于M&I应用。
燃气涡轮发动机的总效率由空气压缩效率、燃烧效率、及涡轮级内的燃烧气体膨胀效率决定。
由于在操作期间，涡轮构件直接暴露于热的燃烧气体，它们要求其适当的冷却，以确保长的使用寿命。例如，一些压缩机排放空气从燃烧处理中转移，以冷却燃烧室自己的衬垫(liner)，并冷却HPT的各种构件。
各个涡轮级通常包括上游涡轮喷口或定子，其具有一排喷口叶片，喷口叶片引导燃烧气体向下游通过相应的涡轮转子浆叶排。浆叶通常安装于支承转子盘的周界上，相应的燕尾槽形成于支承转子盘内。
涡轮浆叶和叶片通常为中空的翼型件(airfoil)，其内具有相应的内部冷却通道，以接收压缩机排放空气，用于在操作期间的冷却。中空的浆叶和叶片通常包括各排薄膜冷却，及通过其压力和抽吸侧壁的其它排放孔，用于排放相应外部薄膜(fim)内的废弃(spent)的内部冷却空气，用于进一步地保护翼型件。
而且，支承第一级涡轮浆叶的涡轮转子盘为具有其中安装有浆叶的轮缘的相对较大构件，窄的辐板(web)自其径向向内延伸，终止于具有中心孔的宽轮毂内。在运行期间，转子盘遭受相当大的离心负载和加热，并还必须设计用于延长寿命。
相反，在膨胀循环期间，比起HPT，由于燃烧气体温度和压力的降低，LPT要求较少的冷却。由此降低了冷却要求，而且通常在级间泄放的空气可以用于冷却其内的各种构件。
主要涡轮流路设计成当它们流过发动机时限制燃烧气体，降低了来自燃烧室的温度和压力。用于涡轮构件的各种冷却回路独立于主要流路，并必须设有足够压力下的冷却空气，以防止运行期间其内的热燃烧气体的吸收。
例如，适当的旋转密封件提供于静止的涡轮喷口与旋转涡轮浆叶之间，以防止热燃烧气体的吸收或回流进入冷却回路。由于喷口叶片的翼型件及涡轮浆叶通常包括多排冷却空气出口孔，冷却的空气必须具有大于外部燃烧气体的足够的压力，以提供适当的回流余量(backflow margin)，以防止进入的涡轮翼型件的热燃烧气体它们自己的吸收。
从而，HPT的构件通常使用全压CDP空气冷却，然而LPT构件可以使用较低压力的级间泄放空气冷却。
通过该方法，用于冷却涡轮构件的压缩机空气的使用可以符合HPT和LPT的不同的冷却要求，以降低其使用消耗，并由此提高发动机效率。
然而，在现代燃气涡轮发动机中，增加发动机效率是持续的和极为重要的目标，并由此希望通过减少从压缩机抽取的压缩空气而进一步增加发动机的效率。
发明内容
燃气涡轮发动机包括操作性地连接在一起的压缩机、燃烧室、及高压涡轮。涡轮包括一排喷口叶片，接着有一排转子浆叶。叶片和浆叶具有相应的前内部冷却通道和后内部冷却通道。第一、第二、第三、及第四泄放回路与压缩机的不同级流动连通，用于在不同压力下泄放来自那里的加压空气，以分别提供冷却剂给涡轮叶片和浆叶的前通道和后通道。
附图说明
根据优选的和示例性的实施例，本发明与其进一步的目的和优点与所附附图相结合，更具体地描述于下面的详细描述中，附图中：
图1为涡轮风扇燃气涡轮发动机的局部截面、轴向示意图；
图2为穿过图1所示的一部分核心发动机的放大的、轴向截面示意图；
图3为图2所示的高压涡轮的放大的、轴向截面示图；
图4为图3所示的高压涡轮的另一放大的、轴向截面示图；
图5为穿过图4所示的喷口叶片中的一个并沿线5-5获取的径向截面视图；
图6为穿过图4所示的涡轮浆叶中的一个并沿线6-6获取的径向截面视图。
具体实施方式
示意性地示于图1的为示例性的涡轮风扇飞机燃气涡轮发动机10。发动机关于纵向的或轴向的中心轴线12轴对称，并适当地安装于飞机(未示出)的机翼或机身上，用于给在示例性的应用中飞行的飞机提供动力。
发动机包括连续流动连通的风扇14、低压或增压压缩机16、高压(HP)压缩机18、环形燃烧室20、高压涡轮(HPT)22、及低压涡轮(LPT)24。
环形吊舱26环绕风扇14并限定绕增压压缩机16向后延伸的环形旁路通道28。第一驱动轴30将HPT 22连接至HP压缩机18上，且第二驱动轴32将LPT 24连接至风扇14和增压压缩机16上。两个驱动轴适当地安置于相应框架中的轴承内，该相应框架位于描述于上面的各种发动机构件的传统构造中的发动机内。
在操作期间，环境空气34进入发动机的入口，并通过风扇14部分地加压，并通过旁路通道28排放，以在操作期间提供大部分推进力。一些空气34穿过风扇进入增压压缩机16，并在其多个轴向级内经受进一步的压缩循环，且在其多个轴向级内的HP压缩机18内还提供另外的压缩。
加压的空气34自压缩机排放，并在燃烧室20内适当地与燃料36混合，用于产生热燃烧气体38。从HPT 22内的热燃烧气体38提取能量以驱动第一轴30，并激励HP压缩机18。提取自LPT 24内的热燃烧气体的另外的能量驱动第二轴32，并激励风扇14和增压压缩机16。
描述于前的发动机为传统的构造和操作，并包括多个压缩级和多个涡轮级。例如，增压压缩机16可具有四个轴向级，其包括四排压缩机浆叶，与四排入口引导叶片轴向交互(alternating)。
例如，高压压缩机18可以包括例如七个轴向级，具有如图2详细示出的七排压缩机浆叶1-7，与相应入口引导叶片40排轴向交互。
HPT 22优选地为单级涡轮，依次接着示例性的五级LPT 24。
图2示出了更加详细的基本核心发动机，包括高压压缩机18、环形燃烧室20、及以连续流动连通安置的HPT 22。
图3和图4示出了高压涡轮及用于其叶片和浆叶的相应的冷却回路的进一步放大的视图。
示于图2中的HPT 22包括第一级或HP涡轮喷口，其具有适当地安装在外带(outer band)和内带(inner band)中的一排定子喷口叶片42。接着叶片的是单排HP涡轮浆叶44，其可移动地安装在第一级或HP转子盘46的周界或轮缘(rim)。盘46固定地连接至第一驱动轴30，其依次固定地连接至转子盘，转子盘支承高压压缩机18的压缩机浆叶1-7。
示于图2和图3中的LTP 24连续流动连通地接着HPT 22。LTP具有如描述的几个级，包括第一级LP喷口，其具有一排定子喷口叶片48，喷口叶片48直接接着该排HP浆叶44。
LP叶片48安装于径向内环形带和外环形带之间。且一排第一级LP定子浆叶50接着定子叶片48，并以传统方式从支承定子盘径向向外延伸。
HP压缩机18、HPT 22、及LTP 24的构造和操作对于加压空气34并膨胀后来的燃烧气体38以吸取来自那的能量是传统的。具体而言，当空气向下游流过压缩机浆叶1-7的七个级时，空气34的压力和温度依次地轴向地增加。
在该示例性的构造中，压缩机浆叶7的第七排限定压缩机的最后级，并在最大压力P7上排放加压空气，且相应高的温度T7伴随压缩机排放压力(CDP)空气34a。
CDP空气在燃烧室内与燃料混合，以产生热燃烧气体38，其从第一级涡轮喷口叶片42之间的燃烧室的出口排放。这些叶片轴向地安置于燃烧室与第一级涡轮浆叶44之间，并传统地构造，以降低或减少沿翼弦(airfoil chord)并穿越叶片的前缘(leading edge)和后缘(trailing edge)的燃烧气体内的压力。
各个喷口叶片42具有典型的大体凹进的压力侧，及大体凸出的相对吸取侧，在上游前缘和下游后缘之间的翼弦内轴向地延伸。当燃烧气体在涡轮喷口的入口端和出口端之间向下游流动时，可以适当地选择喷口叶片42的形状，以产生基本的压力降低。流过涡轮喷口的气体被加速并转向，其造成总压力的小幅降低及静压力的大幅降低。
相应地，图2示出的第一级涡轮浆叶44具有大体凹进的压力侧及大体凸出的相对吸取侧，在其前缘和后缘之间轴向延伸。还传统地选择涡轮浆叶44的形状，以另外地降低或减小沿翼弦并穿越其前缘和后缘的燃烧气体38的压力。从气体吸取的功或能量在涡轮转子浆叶之间流动，其引起总压力和静压力的大幅降低。
图3和图4示出了更详细的HPT 22，包括HP叶片42和浆叶44，其在操作期间均要求适当地冷却热燃烧气体38。叶片和浆叶通常为中空的，用于以传统方式提供其内部冷却，除了下文的改动之外。
更具体地，图4和图5示出的各个喷口叶片42包括前冷却通道52，其在喷口的外带和内带之间的范围(span)径向地延伸，并通过从也径向地延伸于两个带之间的后冷却通道54的无孔部分(imperforatepartition)和隔膜(septum)而分开。前通道52供给(feed)沿叶片的前缘延伸的一排薄膜冷却孔56，及在沿其前部的叶片的相对侧上的其它排的薄膜冷却孔。
相应地，各个叶片的后冷却通道54供给一排另外的冷却孔58，冷却孔58延伸穿过螺旋浆压力侧并紧密地相邻于薄的后缘而终止。这几排出口孔从前缘至后缘延伸穿过叶片的压力侧和吸取侧，用于在操作期间排放从那里废弃的冷却空气。
图4和图6示出的各个HP浆叶44包括前冷却通道60，其在其根部和末端之间的范围内直接在浆叶前缘之后径向延伸。各个浆叶还包括后冷却通道62，其在整个范围内直接在薄的后缘的前面延伸。且各个浆叶可以包括另外的冷却通道，该冷却通道在前缘和后缘之间用翼弦(chordally)间隔开，如在操作期间希望的，提供其有效的内部冷却。
浆叶前通道60供给沿浆叶前缘安置的一排或多排冷却孔64。且后冷却通道62供给另一排冷却孔66，其终止于薄的后缘紧接的上游的浆叶压力侧。
各种排的出口孔提供于各个涡轮浆叶44中，排放废弃的内部冷却空气，以形成沿浆叶的外部压力侧和吸取侧的冷却空气的相应的薄膜，用于加强其热量保护，而后缘孔66在各个浆叶的薄的后缘处直接地排放废弃的冷却空气。
HP叶片42可以具有任何传统的内部构造，其限定提供于其内的两个内部冷却通道52，54，它们彼此独立。例如，两个通道52，54的各个可以包括相应的传统冲击挡板，其内具有多个冲击孔，用于最初引导在冲击叶片的内表面中的加压的冷却空气。在可选的实施例中，如果希望，叶片冷却通道52，54可以构造于弯曲回路中。
HP浆叶44可以具有任何适当的内部冷却构造，及图4和图6示出了示例性的三通前弯曲冷却通道，其在轴向入口燕尾榫(dovetail)的底部上具有入口，并终止于前冲击通道60，前冲击通道60直接在前缘之后跨越翼型件的长度。前通道60供给一排或多排的薄膜冷却孔64，当以典型的模式将废弃的冷却空气从这些孔排放时，薄膜冷却孔64覆盖翼型件前缘，并提供另外的薄膜冷却。
示例性的涡轮浆叶还包括独立后冷却通道62，其直接在薄后缘之前跨越翼型件的长度，以供给该排后缘冷却孔66，其沿压力侧的后端排放废弃的空气。后冷却通道62在燕尾榫之上的轴部的后端具有适当的入口，如下文进一步地描述。
图4示出示例性的构造，浆叶44还包括三通弯曲的中间通道，在燕尾榫的底部上还具有相应的入口。
通过该方法，加压的空气可以从压缩机泄放(bleed)，并引导穿过浆叶44的几个内冷却回路，用于以任何传统的方式提供内部冷却，废弃的空气随后排放通过各排的出口孔，出口孔建立于从前缘至后缘的翼型件的压力侧和吸取侧。
尽管在加入能量时，压缩级增加了空气的压力和温度，但涡轮级降低了燃烧气体的压力和温度，以提取来自那里的能量。
由于示于图2的单级HPT 22的使用允许于燃烧气体内产生基本的压力下降，燃烧气体首先穿越喷口叶片42，及随后穿越涡轮浆叶44，HPT 22的改进的冷却***可以用于进一步提高发动机的效率。
更具体地，图2最初示了四个独立及不连续的泄放回路68，70，72，74，适当地流动连通地连接于压缩机18的各个级，用于从那里在适当的不同的压力和温度下提取加压的冷却空气。
第一泄放回路68连接压缩机18的最后或第七级7与整排HP喷口叶片42的前冷却通道52，以提供全压的CDP空气作为第一冷却剂34a。
第二泄放回路70连接压缩机18的中间级或预终止(preultimate)级与整排HP喷口叶片42的后冷却通道54，以提供CDP之前(pre-CDP)的空气作为第二冷却剂34b。
第三泄放回路72连接压缩机18与整个排的HP喷口叶片42内的前冷却通道60，以在适当压力和温度下提供加压的泄放空气，作为第三冷却剂34c。
而且，第四泄放回路74连接压缩机18的另一中间或预终止级与整个排的HP喷口叶片42的后冷却通道62，以提供CDP之前的空气，如第四冷却剂34d。
如前所示，图4示出了当燃烧气体在操作期间依次地或连续地向下游流过HP叶片和浆叶的前缘和后缘时，单级高压涡轮的使用允许燃烧气体压力的基本减小。为了有效地在内部冷却HP叶片和浆叶，必须以适当的压力从压缩机提取加压的空气，以保持穿过HP叶片和浆叶的前缘和后缘的足够的回流余量，以防止不希望得到的热燃烧气体的吸收进入叶片和浆叶的各排出口孔。
通过在轴向的前冷却通道及后冷却通道内划分各个叶片42和浆叶44，燃烧气体的外部压力的明显降低可以用于使优点突出，以使用叶片和浆叶内侧的非CDP冷却空气，并选择地匹配内部冷却剂压力与外部气体压力，以保持足够的回流余量。
例如，第二泄放回路70连接至压缩机18的适当级，以提供在第二压力下的第二冷却剂34b给叶片42，第二压力小于第一冷却剂34a的第一压力。第一冷却剂34a为自压缩机排放的全压CDP空气，以供给最大压力冷却空气给叶片前通道52，以在暴露于直接从燃烧室排放的燃烧气体的叶片前缘孔56处提供足够的回流余量。
第二回路70由此可以连接至适当的中间级，如压缩机的第六级，接着第六级压缩机浆叶6的排。第二回路70由此可以具有任何传统的构造，用于提取第六级加压空气，通常在接着具有相应的第六级压力P6和温度T6的那些浆叶的导向叶片处。第六级压力P6小于最后级压力P7，且类似地T6小于T7。
相应地，第四泄放回路74连接于压缩机18的另一中间级，如第三级，接着第三级压缩机浆叶3的排，以从那里提取在相应的第四压力下的第四冷却剂34d，第四压力小于第三冷却剂34c的第三压力，第三冷却剂34c途经相同的HP浆叶44的前冷却通道60。在图2所示的示例性的实施例中，第四泄放回路74仍可以再次具有传统的构造，用于提取围绕导向叶片的加压空气，导向叶片直接接着在相应的第三级压力P3和温度T3上的第三压缩机浆叶3的排。
在图2所示的示例性的实施例中，四个泄放回路68，70，72，74可以连续地安置，用于用相应的增加的压力从压缩机提取加压的空气。例如，第四回路74相比于第二回路70可以连接于压缩机的初级，以提供在浆叶后缘孔66上的第四冷却剂34d中的回流余量，及在叶片后缘孔58处的第二冷却剂34b内相应的回流余量。
第四回路74由此可以在第三中间级连接压缩机，第三中间级在压缩机的第六中间级之前，第二回路70从第六中间级开始。
类似地，第三回路72相比于第一回路68可以连接于压缩机18的更早的级上，以提供在浆叶前缘孔64处的第三冷却剂34c中的回流余量。例如，第三回路72可以在第五压缩机级处开始，第五压缩机级接着第五级压缩机浆叶5的排，第五级压缩机浆叶5的排其相应地在压缩机的最后级7之前，第一回路68从那里开始。
通过这种方法，第一回路68接收全压CDP冷却剂34a，以供给前通道52和在整排HP喷口叶片42中的前缘孔56，以提供有效的内部冷却，废弃的冷却空气排放穿过具有适当回流余量的前缘孔，并提供空气的外部热保护薄膜。
第二泄放回路70在比CDP空气相应更低压力下供应较低压力的第六级冷却剂34b至整排HP叶片42内的后通道54及后缘孔58，而仍产生流过叶片后部分的降低压力的燃烧气体的足够的回流余量。
HP叶片42由此用两个不同压力P7、P6的空气冷却剂冷却，具有相应不同的冷却温度T7、T6。
第三泄放回路72供应甚至更低压力的第五级冷却剂34c至整排HP浆叶44内的前通道60及各排前缘孔64，用于加强冷却，同时仍产生出口孔处的适当的回流余量。
以及，第四泄放回路74引导甚至更低压力的第三级冷却剂34d至整排HP浆叶44内的后通道62及后缘孔66，仍再次用于加强冷却，同时仍保持在这些出口孔处的足够的回流余量。
HP浆叶44由此用两个不同压力P5、P3的空气冷却剂冷却，具有比第五级空气压力P5更小的第三级空气压力P3，及具有不同冷却温度T5、T3的两种冷却剂。
泄放空气的压力不仅在先于压缩机18的最后级的较早级中下降，而且泄放空气的相应温度同样下降。较低温度的空气提供给HP浆叶44，且HP叶片42的后冷却通道54具有比较热的CDP空气更高的冷却能力，用以增加冷却效率。
而且相应地，在三个泄放回路70，72，72中使用的CDP之前的泄放空气使用较少的昂贵的加压空气，相应地增加HPT 22及燃气涡轮发动机自己的效率。
在图2示出的压缩机18的七个级的各个级中，充分地增加空气34的静压。通过选择压缩机的适当的中间级，泄放空气的静压可以适当地匹配燃烧气体中的静压，燃烧气体在操作期间在HP叶片42和浆叶44上流动，以确保在HP定子叶片42中的所有出口孔和HP叶片44的后缘出口孔66上的适当的回流余量。
然而，尽管喷口叶片42是静止的，由于HP浆叶44在操作期间旋转，适当地构造第三回路72以产生来自压缩机的第三冷却剂34c中的静压，其大于示于图2的HP浆叶44的前缘孔64处的燃烧气体38中的全部相对压力(PTR)。压缩机第五级具有足够的静压，大于浆叶前缘孔64处燃烧气体的全部相对压力，并由此可以用于提供围绕浆叶前通道60的有效的回流余量。
示于图2的四个泄放回路68-74可以具有任何传统的构造，用于从压缩机18的不同级提取加压的空气，同时适当地改动以排放四种不同的冷却剂34a-d给相应的HP叶片和浆叶的前冷却通道和后冷却通道。
例如，第一回路68适当地旁路燃烧室20，以到达叶片前通道52，如图2-4所示。
第二和第四回路70，74可以在燃烧室20的外侧从压缩机18径向向外延伸，以到达叶片42和浆叶44的相应的后通道54，62。
以及，第三回路72可以在燃烧室20的内侧延伸，以到达浆叶前通道60。
通过这种方法，非CDP空气可以用于适当地冷却HP叶片及浆叶，用于加强发动机效率。由于不经历全部压缩循环，CDP之前的空气比CDP空气便宜，及相应地，由于达到几百度，CDP之前的空气的温度基本小于CDP空气的温度。
由于LP喷口叶片48直接匹配于第一级HP浆叶44，它们提供有效的结构，可以引导第四冷却剂34d通过该结构。
因而，第四回路74可以方便地径向向内途经通过LP喷口内的一个或多个叶片48，以到达HP浆叶44的后通道，而它们自己还提供定子叶片48的有效的冷却。
最好地如图3所示，HP浆叶44可以具有任何传统的构造，但是改动以接收用于其冷却的CDP之前的空气的两个源。各个浆叶的翼型件部分在燃烧流路上径向延伸，燃烧流路由轴部及轴向进入的燕尾榫支承的浆叶的径向内平台界定。各个浆叶燕尾榫适当地安置于相应的轴向燕尾槽76中，燕尾槽76建立于支承转子盘46的周界轮缘上。
浆叶44的整个排通过相对的前环形浆叶保持器78和后环形浆叶保持器80而轴向陷入。第三回路72由此可以在前浆叶保持器78处连接该排浆叶44，以供给第三冷却剂34c，同时第四回路74可以方便地在后环形浆叶保持器80处连接该排浆叶44，以在不同压力和温度下供给第四冷却剂34d。
示于图4的个别浆叶44通常由铸件形成，并包括内部冷却通道，从燕尾榫的底部至径向的外末端延伸其全部径向跨度。前冷却通道60，及中间通道，在燕尾榫的底部具有相应入口，燕尾榫的底部直接流动连通于燕尾槽76而安置，用于容纳来自第三回路72的第三冷却剂34c。
因而，后冷却通道62还延伸至在后浆叶保持器80处的燕尾榫的底部，但是那里的铸件入口通过适当地铜焊于其上的薄板而适当地密封关闭，以防止与燕尾槽的直接流动连通。作为代替，入口孔82可以为铸件，或钻孔于与后冷却通道62流动连通的浆叶轴部的后面内，用于容纳来自第四回路74的第四冷却剂34d。
通过该方法，浆叶的后冷却通道62具有适当的入口，穿过在后浆叶保持器80处的其轴部，该入口可以方便地与第四回路74流动连通地安置，第四回路74延伸穿过LP喷口叶片48及其内带。
如图3所示，LP喷口优选地包括环形后歧管84，安置于叶片48之下的内带的内侧，向后流动引导器安置在其前端，与浆叶后通道62流动连通，通过相应的轴部入口，及相应的穿过后浆叶保持器的孔。流动引导器可以具有任何传统的构造，及通常包括一排叶片，用于切向地加速从静止的后歧管84至旋转的后浆叶保持器和盘上的第四冷却剂34d。其提供有效的机构，用于引导加压的第四冷却剂34d至旋转的浆叶，而没有其压力的实质损失。
图2-图4示出了第三回路72可以传统地安置于第一驱动轴30的内侧，第一驱动轴30轴向延伸于压缩机18和HP盘46之间。如前所示，个别的涡轮浆叶44具有传统的燕尾榫，燕尾榫安置于轴向延伸穿越涡轮盘46周界的相应的燕尾槽76中。第三回路72优选地构造成引导第三冷却剂34c径向向外地越过盘的前面，并进入燕尾槽76中，以加强涡轮盘自己的冷却。
示于图2和图3的燃烧室20以传统的方式径向围绕环形内燃烧室壳86支承，环形内燃烧室壳86为来自压缩机的CDP空气提供圆周地围绕在那里的内边界，CDP空气用于冷却燃烧室自己的径向内部衬垫和外部衬垫。第三回路72由此优选地独立于环绕燃烧室内壳86的CDP空气通道，内壳86可以用于限定第一泄放回路68。
示于图3的前浆叶保持器78为环形板，其沿盘前面径向地延伸，并从那里轴向前分隔开，以限定向前分布的通道或歧管88，其与环绕盘周界的燕尾槽76流动连通地安置。第三回路72向后继续与歧管88的内端部流动连通。
通过该方法，径向向外引导第三冷却剂34c通过前歧管88，当盘46在操作期间旋转时，在离心力的作用下将泄放空气传递进入全部排的燕尾槽76。保持器板78可以包括在歧管88内的叶轮片(未示出)，用于进一步增加希望的空气压力。
图3示出的涡轮盘46具有典型的大周长的轮缘，其中，形成有轴向燕尾槽76，更薄的环形辐板自该处径向向内延伸，及在具有贯穿的中心孔的更大中心盘毂终止。第一驱动轴30在后凸缘处通过一排螺钉固定地连接至盘辐板。
向前外部密封件或第二轮毂90在前保持器78的底部端处整体地连接，并使用相同的螺钉固定地安装在上了螺钉的凸缘内。提供适当的孔，孔通过前浆叶保持器78与第二轮毂90的连接处，以在第三回路72的前部分与歧管88之间提供流动连接。
第三回路72通过驱动轴30在外侧界定，并优选地由涡轮挡板在内侧界定，涡轮挡板从第二轮毂90的孔轴向向前延伸，向上游至压缩机的中间级。
例如，示于图2的HP压缩机18的七个级中的每一个包括相应的压缩机转子盘，支承相应的压缩机浆叶1-7排，相应的燕尾榫和燕尾槽在传统构造的盘的周界内。涡轮挡板优选地前延伸至与其密封接触的第五级压缩机盘的轮毂的中心孔。
第三回路72优选地还包括多个圆周向分隔开的入口管，其自第五级压缩机浆叶5的底部沿相应的压缩机盘径向向内延伸，以径向向内并轴向地围绕挡板引导第三冷却剂34c，以流到出口歧管88。入口管可以具有传统的构造，用于将级间加压的空气泄放通过压缩机浆叶的相邻排之间的压缩机转子内的相应的孔，优选地在其间的相应的引导叶片排的区域内。
如前所示，通过安置于燃烧室20内侧的环形内壳86，第一回路68可以沿其径向内端界定。而且最初示于图2中的环形外壳(outercase)92环绕燃烧室20并继续向后围绕HP喷口，以限定第一回路68的外边界。通过该方法，内燃烧室壳86和外燃烧室壳92提供围绕燃烧室20的相应的环形高压，以提供相应的第一回路68的部分，以将CDP第一冷却剂34a引导进入叶片前通道52。
如图4所示，HP喷口的外带和内带可以在其内具有相应的入口孔，用于从相对的端部径向向内和向外引导第一冷却剂34a进入叶片前通道52。
最好示于图4，多个管或套管(spoolies)94径向延伸通过外壳92，进入在它们与外带的接合处的相应的一个喷口叶片42，以限定第二泄放回路70的出口端至相应的叶片后通道54。套管94将第二回路70从第一回路68分开，以提供至HP叶片的前和后冷却通道52，54的独立流路。
因此，HP喷口的外带和内带及各个HP叶片的向前部分通过从第一回路68排放的CDP第一冷却剂34a冷却，而各个HP叶片的向后部分通过由第二回路70提供的较低温度级间第二冷却剂34b冷却。
图4总结了使用在不同级、压力、及温度上从压缩机泄放的加压来空气冷却HP叶片42和浆叶44的改进的方法。CDP第一冷却剂34a从压缩机18的最后级泄放至叶片前通道52，用于从前缘冷却孔56排放。
第二冷却剂34b从压缩机的第六中间级泄放，以冷却叶片后通道54，并从后缘冷却孔58排放。
第三冷却剂34c从压缩机的第五中间级泄放，以冷却浆叶前通道60，并从其内的前缘冷却孔64排放。
以及，第四冷却剂34d从压缩机的第三中间级泄放，以冷却浆叶后通道62，并从其后缘冷却孔66排放。
由于单级HPT 22影响依次流过叶片42和浆叶44的燃烧气体38内的基本的压力降低，可以在比全压第一冷却剂34a基本上更低压力下从压缩机泄放第二冷却剂34b，可以在比第三冷却剂34c基本上更低的压力下从压缩机泄放第四冷却剂34d。
由此可以在不同的级从相同的压缩机泄放第四冷却剂，在比第二冷却剂34b较早的级中泄放第四冷却剂34d，以在HP叶片42和浆叶44的不同后缘孔58，66处提供相应的回流余量。
在图4的优选实施例中，在独立的和分开的流路68，70，72，72中在四个相应不同的压力和温度下从相同的压缩机18泄放四种冷却剂34a-d。七级HP压缩机18允许那些需用于冷却HP叶片和浆叶的其内可得到的压力匹配适当的回流余量。压缩机内更多的级允许更大的选择，从那可以获得不同的冷却剂。
改进涡轮和发动机效率的基本目的是，通过较低压力级间空气代替全压CDP空气，其中，使周高压CDP空气在另外传统地冷却的高压涡轮中是可能的。HP叶片和浆叶经受自燃烧室20出口首先排放的燃烧气体38的不利环境，且叶片和浆叶的内部冷却剂必须用适当的压力应用，以获得围绕叶片和浆叶的外部表面的适当的回流余量。
因而，任何用于冷却叶片和浆叶的CDP之前的空气固有地基本上比CDP空气冷，并由此可以用于改进利用叶片和浆叶的冷却。
由于回流余量要求涡轮浆叶44的前缘和后缘基于不同的压力，那么可以从压缩机的不同级中选择泄放空气的不同源，以最佳匹配那些差异。压缩机的中间级的选择依赖于HP压缩机18内的压缩循环及HPT 22内相应的膨胀循环。
由于HPT 22为单级涡轮，穿过其叶片和浆叶产生燃烧气体38内的基本压力降低。在比CDP空气更低的压力下的级间泄放空气可以从压缩机提取，并在不同压力下适当地驱使至HPT，而仍保持具有比涡轮浆叶44的前缘和后缘处的燃烧气体更大的压力的适当的回流余量。
如前所述，在HP压缩机18的七个级中的每一个步调一致地增加空气34的压力和温度，如通过相应排的压缩机浆叶1-7所展示的。压缩机内空气的压力的集合或总体的增加可能很大，例如，可以达到10-30个大气压力。因而，穿过压缩机18的加压空气34的温度上升可能为几百度。
通过在上面公开的三个回路70，72，84中利用非CDP空气，可以获得CDP空气转向的明显的下降，及发动机效率的相应的大幅增加。由于CDP空气在发动机中为最贵的空气，可归于在其上执行的最大功以实现其的高压，其从燃烧处理自己的任何转向相应地降低发动效率。而且，通过限制CDP空气转向至第一回路68，可增加发动机的总效率。
在图3示出的示例性实施例中，CDP空气不用于冷却第一级涡轮浆叶或转子盘，由此传统的流动引导器可以在本设计中排除，其排除了相应的复杂性。作为代替，简单的环形密封框架96从内壳86径向向内延伸，并包括在其中心孔内的环形密封垫，以密封地连接在该排装配螺钉之上从第二轮毂90径向向外延伸的迷宫式密封齿。
为冷却第一级涡轮盘、浆叶、及叶片的后部分，使用非CDP空气，对于增强的冷却是重要的，并对于它的在改进发动机的构造和总效率中的混合效果中是重要的。由于昂贵的CDP空气不用于涡轮转子冷却，发动机的总效率增加。
冷的空气用于冷却涡轮转子、浆叶、及叶片，由此要求较少的冷却空气，并还允许更长的构件寿命。由于其较低的操作温度，可以随后从较便宜的超耐热合金形成冷却操作涡轮转子。
如上所述排除用于CDP空气的引导器***，其简化发动机设计，并允许较低的重量。
以及，用于冷却涡轮转子的CDP空气的排除允许HPT自身的重新设计，HPT与压缩机18和燃烧室20结合，用于进一步地增加其集合效率。
虽然认为是本发明的优选的和示例性的实施例已描述于此，对本发明的此处的技术的其它改动对于本技术领域的那些技术人员来说是显而易见的，及因此希望保护于所附的权利要求中，所有这种改动落入本发明的真实的精神和范围之内。
零件列表
1-7 压缩机浆叶
10  燃气涡轮发动机
12  中心轴线
14  风扇
16  增压压缩机
18  高压压缩机
20  燃烧室
22  高压涡轮(HPT)
24  低压涡轮(LPT)
26  吊舱
28  旁路通道
30  第一驱动轴
32  第二驱动轴
34  空气
36  燃料
38  燃烧气体
40  导向叶片
42  高压喷口叶片
44  高压涡轮浆叶
46  转子盘
48  低压喷口叶片
50  低压转子浆叶
52  叶片前冷却通道
54  叶片后冷却通道
56  前缘冷却孔
58  后缘冷却孔
60  浆叶前冷却通道
62  浆叶后冷却通道
64  前缘冷却孔
66  后缘冷却孔
68  第一泄放回路
70  第二泄放回路
72  第三泄放回路
74  第四泄放回路
76  燕尾槽
78  前浆叶保持器
80  后浆叶保持器
82  入口孔
84  后歧管
86  内壳
88  前歧管
90  第二轮毂
92  外壳
94  套管(spoolies)
96  密封框架

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机(10)，包括：
风扇(14)、压缩机(18)、燃烧室(20)、高压(HP)涡轮(22)、及低压(LP)涡轮(24)，其连续流动连通地安置；
所述压缩机(18)包括多排压缩机桨叶(1-7)，用于在相应的级内持续地加压空气(34)；
所述高压涡轮(22)包括一排中空喷口叶片(42)，其具有前内部冷却通道(52)和后内部冷却通道(54)；接着有一排高压涡轮桨叶(44)，其具有前内部冷却通道(60)及后内部冷却通道(62)；
第一、第二、第三、及第四泄放回路(68-74)流动连通地与所述压缩机(18)的不同级连接，用于在不同的压力下泄放来自所述压缩机(18)的不同级的加压空气，以分别提供第一、第二、第三、及第四冷却剂(34a-d)至所述叶片前通道(52)和叶片后通道(54)及所述桨叶前通道(60)和桨叶后通道(62)。
2.如权利要求1所述的发动机，其特征在于：
所述第二泄放回路(70)连接于所述压缩机(18)上，以在低于所述第一冷却剂(34a)的第一压力的第二压力下提供所述第二冷却剂(34b)至所述叶片(42)；及
所述第四回路(74)连接于所述压缩机(18)上，以在低于所述第三冷却剂(34c)的第三压力的第四压力下提供所述第四冷却剂(34d)至所述高压涡轮桨叶(44)。
3.如权利要求2所述的发动机，其特征在于：
所述叶片(42)和高压涡轮桨叶(44)包括相对的前缘和后缘，其具有在那里的相应的冷却孔(56，58，64，66)，并构造为用于依次在燃烧气体(38)内降压；及
所述第四回路(74)在所述第二回路(70)之前的级连接到所述压缩机(18)，以在所述叶片(42)和所述高压涡轮桨叶(44)两者的所述后缘的所述冷却孔(58，60)处提供回流余量。
4.如权利要求3所述的发动机，其特征在于：所述第三回路(72)在所述第一回路(68)之前的级(5)连接到所述压缩机(18)，以在所述桨叶前缘的所述冷却孔(64)处提供回流余量。
5.如权利要求4所述的发动机，其特征在于：所述第三回路(72)构造为产生所述第三冷却剂(34c)内的静压，所述静压大于在所述桨叶前缘的所述冷却孔(64)处的所述燃烧气体(38)内的总相对压力。
6.如权利要求5所述的发动机，其特征在于：
所述第一回路(68)旁路所述燃烧室(20)，以到达所述叶片前通道(52)；
所述第二回路(70)和第四回路(74)在所述燃烧室(20)外侧从所述压缩机(18)径向向外延伸，以到达所述叶片(42)和高压涡轮桨叶(44)的所述后通道(54，62)；及
所述第三回路(72)延伸于所述燃烧室(20)的内侧，以到达所述桨叶前通道(60)。
7.如权利要求5所述的发动机，其特征在于：
所述低压涡轮(24)包括一排第一级低压喷口叶片(48)，直接接着所述高压涡轮桨叶(44)；及
所述第四回路(74)通过所述低压喷口叶片(48)径向向内地通过，以到达所述桨叶后通道(62)。
8.如权利要求7所述的发动机，其特征在于：
通过前桨叶保持器(78)及后桨叶保持器(80)，所述高压涡轮桨叶(44)陷入所述高压涡轮的转子盘(46)的周界内的相应的燕尾槽(76)内；
所述第三回路(72)在所述前桨叶保持器(78)处连接所述高压涡轮桨叶(44)的排；及
所述第四回路(74)在所述后桨叶保持器(80)处连接所述高压涡轮桨叶(44)的排。
9.如权利要求8所述的发动机，其特征在于：
通过延伸于所述燃烧室(20)内侧的驱动轴(30)，所述高压涡轮桨叶(44)连接到所述压缩机桨叶(1-7)；
所述前桨叶保持器(78)沿所述转子盘(46)的前面向内延伸，以限定环形歧管(88)，所述环形歧管(88)安置为围绕所述转子盘的周界与所述燕尾槽(76)流动连通；及
所述第三回路(72)流动连通地与所述歧管(88)连接。
10.如权利要求9所述的发动机，其特征在于：还包括：
外壳(92)，其环绕所述燃烧室(20)和高压喷口，以限定从所述压缩机(18)至所述叶片后通道(52)的所述第一回路(68)；
多个套管(94)，其径向地延伸穿过所述外壳(92)至所述高压喷口，以限定所述第二回路(70)至所述叶片后通道(54)的出口端；
所述桨叶前通道(60)，其延伸至所述燕尾槽(76)，以接收来所述第三回路(72)的所述第三冷却剂(34c)；及
所述桨叶后通道(62)，其向后延伸穿过所述高压涡轮桨叶(44)的轴部至所述后桨叶保持器(80)，以接收来所述第四回路(74)的所述第四冷却剂(34d)。
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