CN103477031B - 燃气涡轮发动机用低压冷却密封*** - Google Patents

Abstract

一种涡轮发动机（12）用低压冷却***（10），用于引导处于比如环境压力的低压下的冷却流体通过至少一个冷却流体供给通道（14）并进入位于从转子组件（22）径向向外延伸的成排（18）涡轮叶片（20）紧下游的冷却流体混合室（16）中，以防止高温气体进入转子组件（22）的内部体。该低压冷却***（10）还可以包括至少一个引气通道（26），该至少一个引气通道（26）可以延伸穿过转子组件（22）并将冷却流体排放至冷却流体混合室（16）中，以密封旋转的涡轮叶片（20）与下游静涡轮部件之间的间隙（28）。通过低压冷却***（10）对环境压力的冷却流体的使用通过排除对用于密封此间隙（28）的加压冷却流体的需要而产生巨大的效能。

Description

燃气涡轮发动机用低压冷却密封***

关于联邦政府资助的研究或研发的声明

本发明的研发部分地由美国能源部先进涡轮机研发计划（合同号：DE-FC26-05NT42644，“H2Advanced Hydrogen Turbine Development”（H2先进氢气涡轮机研发））提供支持。因此，美国政府对本发明享有一定权利。

技术领域

本发明总体上针对一种涡轮发动机，并且更具体地，针对一种用于涡轮发动机中的低压冷却***的密封***。

背景技术

通常，燃气涡轮发动机包括用于压缩空气的压缩机、用于使压缩空气与燃料混合并点燃该混合物的燃烧室、以及用于产生动力的涡轮叶片组件。燃烧室通常在可能超过2500华氏度的高温下操作。典型的涡轮燃烧室构型使涡轮叶片组件暴露在这样的高温下。因此，涡轮叶片和涡轮导叶必须由能够耐受这样的高温的材料制成。涡轮叶片、导叶和其他部件通常包括用于延长这些零件的寿命并减小由过高的温度所引起的故障的可能性的冷却***。

通常，涡轮导叶从叶片承载架径向向内延伸并且紧邻转子组件终止，而涡轮叶片径向向外延伸并且终止于环片附近。涡轮叶片和涡轮导叶形成被称作级的排。加压冷却流体供应至叶片和导叶级，用于冷却叶片和导叶以防止发生损坏以及防止高温气体进入涡轮发动机的内部体（aspect）中。通常，每级用由涡轮发动机内的压缩机压缩的加压冷却流体来冷却。用于压缩冷却流体所做的功对于涡轮发动机来讲是损失。因此，需要更高效的冷却流体供给***，该冷却流体供给***设计用于涡轮叶片以提供加压的冷却流体从而实现涡轮发动机的发展并增大操作范围。

发明内容

本发明涉及一种涡轮发动机用低压冷却***，用于引导比如通常为环境压力或接近环境压力的低压冷却流体通过至少一个冷却流体供给通道并进入位于从转子组件径向向外延伸的成排涡轮叶片紧下游的冷却流体混合室中，以防止高温气体进入转子组件的内部体。该低压冷却***还可以包括至少一个引气通道，该至少一个引气通道可以延伸穿过转子组件并将冷却流体排放至冷却流体混合室中，以密封旋转的涡轮叶片与下游静涡轮部件之间的间隙。通过低压冷却***对环境压力冷却流体的使用可以因为排除为了密封间隙对加压冷却流体以及产生这种流体所需的功的需要而产生巨大的效能。

包括所述低压冷却***的涡轮发动机可以包括由转子组件形成的涡轮组件。转子组件可以包括从转子径向向外延伸的多排涡轮叶片。所述多排涡轮叶片可以由一上游涡轮叶片排和至少一个下游涡轮叶片排形成。低压冷却***可以包括至少一个具有冷却流体排放出口的冷却流体供给通道，所述冷却流体排放出口定位在至少一个下游涡轮叶片排的下游并且将冷却流体排放至冷却流体混合室中，所述冷却流体混合室部分地由所述冷却流体混合室的上游侧上的至少一个涡轮叶片以及下游侧上的至少一个固定结构形成。在一个实施方式中，冷却流体混合室可以定位在第四级涡轮叶片排的下游，其中流动路径气体压力略高于周围环境。冷却流体排放出口可以定位成使得从冷却流体排放出口排出的冷却流体被朝向涡轮叶片引导。冷却流体排放出口可以定位成使得从冷却流体排放出口排出的冷却流体与涡轮发动机的中心线大体对准，由此朝向涡轮发动机引导流体。在一个实施方式中，固定结构可以包括支柱的至少一部分。在另一实施方式中，冷却流体供给通道可以包含在支柱内。

低压冷却***还可以包括至少一个引气通道，所述引气通道具有与所述冷却流体混合室连通的引气通道排放出口。所述引气通道的所述引气通道排放出口可以相对于所述至少一个冷却流体供给通道的所述冷却流体排放出口径向向外地定位。冷却流体经由所述引气通道排放出口排放到所述冷却流体混合室中，以形成将所述涡轮发动机的高温气体路径与所述转子组件的内部体隔离的一腔冷却流体。引气通道可以与压缩空气源流体连通，并且压缩空气源可以是第九级内部压缩机引气。

在一个实施方式中，冷却流体供给通道可以与环境压力或接近环境压力下的一个或更多个冷却流体源流体连通，使得环境压力或接近环境压力下的至少一股冷却流体穿过冷却流体供给通道。冷却流体供给通道可以包括在冷却流体排放出口的紧上游定位的环形气室。一个或更多个预旋流器可以定位在冷却流体供给通道中在冷却流体排放出口的紧上游并且可以定位在环形气室中。预旋流器可以定位成在冷却流体供给通道的冷却流体排放出口的紧上游。此外，冷却流体歧管可以与冷却流体供给通道流体连通。冷却流体歧管可以将冷却流体供给至冷却流体供给通道。

引气通道可以定位在涡轮叶片的盘中，并且可以至少部分地径向向外延伸且相对于涡轮叶片径向向内地终止于所述盘的外表面。在另一实施方式中，引气通道可以定位在涡轮叶片的盘中，并且可以相对于涡轮发动机的中心线以锐角延伸，使得引气通道的最外侧部位可以定位成较引气通道的其他体部更靠近成排的一组涡轮叶片。所述至少一个引气通道的所述引气通道排放出口在终止边缘空穴处定位在所述盘中，所述终止边缘空穴定位在盘与涡轮叶片的平台的径向内表面之间，由此使从引气通道流出的冷却流体能够被引导成沿与涡轮发动机的中心线大体对准的下游方向流动，从而使得冷却流体被排放至冷却流体混合室中，以形成将涡轮发动机的高温气体路径与转子组件的内部体隔离的一腔冷却流体。

本发明的一个优点是，引气通道供给密封旋转的涡轮叶片与下游固定结构之间的间隙的加压冷却流体，并且形成略高于环境压力和第四级涡轮流动路径压力二者的压力。在没有使流动路径气体与环境冷却流体隔离的该一腔冷却流体的情形下，压力差将促使高温流动路径气体进入来自冷却流体供给通道的低压冷却流体中。

本发明的另一优点是，该低压冷却***的构造允许使用环境冷却流体，由此通过排除对使用能量来产生压缩空气的需要而给涡轮发动机带来极大的节省。

下面更加详细地描述这些实施方式和其他实施方式。

附图说明

结合在本说明书中并且形成本说明书的一部分的附图示出了当前公开的本发明的实施方式，并且与描述部分一起公开了本发明的原理。

图1是包括本发明的低压冷却***的涡轮发动机的一部分横截面侧视图。

图2是在图1中的细节2处获取的低压冷却***的一部分的细节图。

图3是沿图1中的截面线3-3获取的涡轮叶片的横截面视图。

图4是沿图3中的截面线4-4获取的低压冷却***的细节图中的静态压力等值线的图。

图5是沿图3中的截面线4-4获取的低压冷却***的细节图中的温度等值线的图。

图6是沿图3中的截面线4-4获取的低压冷却***的细节图中的流动气体相对于旋转转子的速度（Vth-rel）的等值线的图。

图7是包括具有引气通道的低压冷却***的涡轮发动机的一部分的横截面侧视图。

图8是包括具有替代引气通道的低压冷却***的涡轮发动机的一部分的横截面侧视图。

具体实施方式

如图1至图8所示，本发明针对一种用于涡轮发动机12的低压冷却***10，用于将处于低压——比如环境压力或接近环境压力——的冷却流体引导通过一个或更多个冷却流体供给通道14并引导至冷却流体混合室16中，该冷却流体混合室16定位在从转子组件22径向向外延伸的一排18涡轮叶片20的紧下游，以防止高温气体进入转子组件22和叶片20的内部体24中。低压冷却***10还可以包括一个或更多个引气通道26，引气通道26可以延伸穿过转子组件22并将冷却流体排放至冷却流体混合室16中，以密封旋转的涡轮叶片20与下游的静涡轮部件30之间的间隙28。通过低压冷却***10对环境压力冷却流体的使用可以通过排除为了密封间隙28对加压冷却流体以及产生这种流体所需的功的需要而产生巨大的效能。

如图1所示，涡轮发动机12可以由形成转子组件22的一个或更多个叶片盘组件32形成。转子组件22可以具有任何适当的构型并且可以包括从叶片盘组件32径向向外延伸的多排18的涡轮叶片20。多排18的涡轮叶片20可以由一上游涡轮叶片20的排36以及一个或更多个下游涡轮叶片20的排38形成。在至少一个实施方式中，低压冷却***可以用于防止高温气体通过第四排涡轮叶片20——不然称为第四级涡轮叶片20——紧下游的间隙28进入。

低压冷却***10可以包括具有冷却流体排放出口34的一个或更多个冷却流体供给通道14，所述冷却流体排放出口34定位在至少一个下游涡轮叶片20排38的下游并且将冷却流体排放至冷却流体混合室16中，该冷却流体混合室16部分地由冷却流体混合室16的上游侧40上的至少一个涡轮叶片20以及下游侧44上的一个或更多个固定结构42形成。在一个实施方式中，冷却流体供给通道14可以部分地延伸穿过固定结构42。固定结构42可以是支柱但不限于支柱，如图1所示。冷却流体供给通道14可以与在环境压力下的一个或更多个冷却流体源52流体连通，使得在环境压力下的一股或更多股冷却流体穿过冷却流体供给通道14。冷却流体供给通道14可以定位在涡轮发动机12的固定体中。在一个实施方式中，固定结构42可以是支柱74的至少一部分。在另一实施方式中，冷却流体供给通道14可以完全包含在支柱74内。低压冷却***10还可以包括与冷却流体供给通道14流体连通的冷却流体歧管76，其中冷却流体歧管76将冷却流体供给至冷却流体供给通道14。

低压冷却***10还可以包括具有引气通道排放出口46的一个或更多个引气通道26，所述引气通道排放出口46与冷却流体混合室16连通以在间隙28处排放加压冷却流体，从而防止高温气体进入转子组件22和叶片20的内部体24中。引气通道26可以包括相对于冷却流体供给通道14的冷却流体排放出口34径向向外定位的引气通道排放出口46。这样，当冷却流体经由引气通道排放出口46被排放到冷却流体混合室16中时，在冷却流体混合室16内在间隙28处形成一腔冷却流体50，由此将涡轮发动机12的高温气体路径48与转子组件22和叶片20的内部体24隔离。所述一腔冷却流体50与被引导至间隙28中的引气冷却流体一起防止了高温气体进入转子组件22和叶片20的内部体24中。引气通道26可以与压缩空气源54流体连通。在一个实施方式中，压缩空气源54可以是第九级内部压缩机引气。

如图1所示，冷却流体排放出口34可以定位成使得从冷却流体排放出口34排放的冷却流体被朝向涡轮叶片20引导。在一个实施方式中，冷却流体排放出口34可以定位成使得从冷却流体排放出口34排放的冷却流体与涡轮发动机34的中心线56大致对准。在此实施方式中，冷却流体相对于从图1所示的引气通道26流出的加压冷却流体反向地流动，这使间隙28的密封最优化。

如图1和图2所示，冷却流体供给通道14可以包括定位在冷却流体供给通道14中且在冷却流体排放出口34的紧上游的环形气室58。在至少一个实施方式中，一个或更多个预旋流器60可以设置在冷却流体供给通道14的冷却流体排放出口34的紧上游的环形气室58中。预旋流器60可以具有任何适当的构型，并且可以由环形气室58中的径向向外延伸并且周向地间隔开的多个叶片形成，以使冷却流体改变方向。预旋流器60可以定位在冷却流体供给通道14中在冷却流体排放出口34的紧上游。

如图1、图7和图8所示，引气通道26可以定位在涡轮叶片20的盘62中，并且可以至少部分地径向向外延伸并且相对于涡轮叶片20径向向内地止于盘62的外表面64处。如图7所示，引气通道26可以径向向外延伸并且止于间隙28处，其中流体被径向向外地引导。在另一实施方式中，如图8所示，引气通道26可以定位在涡轮叶片20的盘62中，并且可以相对于涡轮发动机12的中心线56以锐角延伸，使得引气通道26的最外侧部位66定位成相比引气通道26的其他体部更靠近上游涡轮叶片20排36。引气通道26的引气通道排放出口46可以在终止边缘空穴68处定位在盘62中，所述终止边缘空穴68定位在盘62与涡轮叶片20的平台72的径向内表面70之间。将引气通道排放出口46定位在终止边缘空穴68中使冷却流体能够被引导成沿与涡轮发动机12的中心线56大致对准的下游方向流动，使得冷却流体排放至冷却流体混合室16中，以形成将涡轮发动机12的高温气体路径48与转子组件22的内部体隔离的一腔冷却流体50。

在使用期间，冷却流体——例如但不限于空气——可以经由引气通道26从压缩机（未示出）流出，并且可以在如图7所示的间隙28处排放，使得防止了来自高温气体路径48的高温气体进入冷却流体混合室以及转子组件22和叶片20的内部体24中。在一个替代实施方式中，如图1和图8所示，冷却流体可以经由引气通道26从压缩机流出，并且可以排放至平台72的径向内侧的终止边缘空穴68中。冷却流体然后可以被引导成沿与涡轮发动机12的中心线56对准的方向流动并且流动至间隙28，在间隙28处防止了来自高温气体路径48的高温气体进入冷却流体混合室16以及转子组件22和叶片20的内部体24中。在图3至图6中示出了低压冷却***10的效力，在图中清楚地示出了保护转子组件22的内部体24免受高温气体影响的腔50的结构。

低压冷却流体可以流经冷却流体歧管76并且流动进入一个或更多个冷却流体供给通道14。冷却流体供给通道14引导冷却流体通过预旋流器60并且将冷却流体经由冷却流体排放出口34排放至冷却流体混合室16中。冷却流体被引导成沿涡轮叶片20的旋转方向流动。冷却流体混合室16中的冷却流体形成一腔低压冷却流体，所述低压冷却流体通过由于流经冷却流体混合室16的一部分并且进入间隙28中的加压引气而存在于冷却流体混合室16中的稍微较低的压力被吸入冷却流体混合室16中。因此，此构型防止了来自高温气体路径48的高温气体进入到冷却流体混合室16中并且进入转子组件22和叶片20的内部体24中。

出于说明、解释和描述本发明的实施方式而提供了以上内容。这些实施方式的改型和修改对于本领域技术人员而言将会是明显的，并且可以在不脱离本发明的范围或精神的情形下做出。

Claims (16)

1.一种涡轮发动机（12），其特征在于：

由转子组件（22）形成的至少一个涡轮组件（30），其中，所述转子组件（22）包括从转子（32）径向向外地延伸的多排（18）涡轮叶片（20），其中所述多排（18）涡轮叶片（20）由一上游涡轮叶片（20）排（36）和至少一个下游涡轮叶片（20）排（38）形成；

至少一个低压冷却***（10），所述低压冷却***（10）包括：

至少一个冷却流体供给通道（14），所述冷却流体供给通道（14）具有冷却流体排放出口（34），所述冷却流体排放出口（34）定位在至少一个下游涡轮叶片（20）排（38）的下游并且将冷却流体排放至冷却流体混合室（16）中，所述冷却流体混合室（16）部分地由所述冷却流体混合室（16）的上游侧（40）上的至少一个涡轮叶片（20）以及下游侧（44）上的至少一个固定结构（42）形成；

至少一个引气通道（26），所述引气通道（26）具有与所述冷却流体混合室（16）连通的引气通道排放出口（46），其中，所述至少一个引气通道（26）的所述引气通道排放出口（46）相对于所述至少一个冷却流体供给通道（14）的所述冷却流体排放出口（34）径向向外地定位，冷却流体经由所述引气通道排放出口（46）排放到所述冷却流体混合室（16）中，以形成将所述涡轮发动机（12）的高温气体路径与所述转子组件（22）的内部体隔离的一腔冷却流体（50）。

2.根据权利要求1所述的涡轮发动机（12），其特征在于，所述至少一个冷却流体供给通道（14）与环境压力下的至少一个冷却流体源（52）流体连通，使得至少一股环境压力下的冷却流体穿过所述至少一个冷却流体供给通道（14）。

3.根据权利要求1所述的涡轮发动机（12），其特征在于，所述至少一个引气通道（26）与压缩空气源（54）流体连通。

4.根据权利要求3所述的涡轮发动机（12），其特征在于，所述压缩空气源（54）是第九级内部压缩机引气。

5.根据权利要求1所述的涡轮发动机（12），其特征在于，所述冷却流体混合室（16）定位在第四级涡轮叶片（20）排（18）的下游。

6.根据权利要求1所述的涡轮发动机（12），其特征在于，所述冷却流体排放出口（34）定位成使得从所述冷却流体排放出口（34）排出的冷却流体被引向所述至少一个涡轮叶片（20）。

7.根据权利要求6所述的涡轮发动机（12），其特征在于，所述冷却流体排放出口（34）定位成使得从所述冷却流体排放出口（34）排出的冷却流体与所述涡轮发动机（12）的中心线（56）大体对准。

8.根据权利要求1所述的涡轮发动机（12），其特征在于，所述至少一个冷却流体供给通道（14）包括环形气室（58），所述环形气室（58）定位在所述冷却流体排放出口（34）的紧上游。

9.根据权利要求8所述的涡轮发动机（12），其特征还在于至少一个预旋流器（60），所述至少一个预旋流器（60）定位在所述至少一个冷却流体供给通道（14）的所述冷却流体排放出口（34）的紧上游并且定位在所述环形气室（58）中。

10.根据权利要求1所述的涡轮发动机（12），其特征还在于至少一个预旋流器（60），所述至少一个预旋流器（60）定位在所述至少一个冷却流体供给通道（14）的所述冷却流体排放出口（34）的紧上游。

11.根据权利要求1所述的涡轮发动机（12），其特征在于，所述至少一个固定结构（42）包括支柱（74）的至少一部分。

12.根据权利要求1所述的涡轮发动机（12），其特征在于，所述至少一个冷却流体供给通道（14）容纳在支柱（74）内。

13.根据权利要求1所述的涡轮发动机（12），其特征还在于与所述至少一个冷却流体供给通道（14）流体连通的冷却流体歧管（76），其中，所述冷却流体歧管（76）为所述至少一个冷却流体供给通道（14）供给冷却流体。

14.根据权利要求1所述的涡轮发动机（12），其特征在于，所述至少一个引气通道（26）定位在所述至少一个涡轮叶片（20）的盘中，并且所述至少一个引气通道（26）至少部分地径向向外延伸且相对于所述至少一个涡轮叶片（20）径向向内地终止于所述盘（62）的外表面（64）。

15.根据权利要求1所述的涡轮发动机（12），其特征在于，所述至少一个引气通道（26）定位在所述至少一个涡轮叶片（20）的盘（62）中，并且，所述至少一个引气通道（26）相对于所述涡轮发动机（12）的中心线（56）成锐角延伸，使得所述至少一个引气通道（26）的最外侧部位（66）定位成较所述至少一个引气通道（26）的其他体部更靠近成排的一组（18）涡轮叶片（20）。

16.根据权利要求15所述的涡轮发动机（12），其特征在于，所述至少一个引气通道（26）的所述引气通道排放出口（46）在终止边缘空穴（68）处定位在所述盘（62）中，所述终止边缘空穴（68）定位在所述盘（62）与所述至少一个涡轮叶片（20）的平台（72）的径向内表面（70）之间，由此使冷却流体能够从所述至少一个引气通道（26）流出、被引导成沿与所述涡轮发动机（12）的中心线（56）大体对准的下游方向流动，从而使得冷却流体被排放至所述冷却流体混合室（16）中，以形成将所述涡轮发动机（12）的高温气体路径与所述转子组件（22）的内部体隔离的一腔冷却流体（50）。