CN105026695B - 气旋式污垢分离器组件和两级颗粒分离器 - Google Patents

Abstract

一种用于燃气涡轮发动机的污垢分离器组件，包括：气旋加速器，其与压缩机排出空气流动连通，加速器具有多个通路，各个通路具有入口、出口和位于通路中的至少一个排出口；多个转动导叶，其沿通路中每一个设置，多个通路沿切向在入口与出口之间转动；加速器通路从第一截面面积减小到第二截面面积，且前述转动导叶引起压缩冷却空气的螺线涡旋；以及，至少一个排出口，其位于加速器通路中以用于排出与所述涡旋压缩冷却空气分离的灰尘。

Description

气旋式污垢分离器组件和两级颗粒分离器

技术领域

本实施例大体上涉及燃气涡轮发动机。更具体而言，但不通过限制方式，本发明涉及污垢分离加速器，其阻止灰尘、污垢或其它颗粒经过冷却空气流动通路中的涡轮，且阻止与转子冷却空气一起进入涡轮转子。

背景技术

典型的燃气涡轮发动机大体上拥有前端和后端，其中燃气涡轮发动机的若干核心或推进构件沿轴向定位在前端和后端之间。空气入口或进气口位于发动机的前端处。朝后端移动，按顺序，进气口后接扇、燃烧室和涡轮。本领域的技术人员将容易清楚的是，附加构件也可包括在发动机中，例如低压压缩机和高压压缩机，以及低压涡轮和高压涡轮。然而，这不是详尽的清单。

压缩机和涡轮大体上包括沿轴向成级堆叠的一排翼型件。各级均包括一排沿周向间隔开的定子导叶，以及围绕涡轮发动机的中心轴或轴线旋转的一排转子叶片。多级低压涡轮在多级高压涡轮之后，且通常由第二轴连结到用于设置在对飞行中的飞行器供能的典型涡扇飞行器发动机构造中的压缩机上游的风扇上。

定子由多个喷嘴节段形成，喷嘴节段抵接在周向端，以围绕燃气涡轮发动机的轴线形成整个环。各个喷嘴节段可包括一个或更多个导叶，其在内带与外带之间延伸。

典型的燃气涡轮发动机使用高压涡轮和低压涡轮来使从高温燃烧气体获得能量最大化。涡轮区段通常具有沿发动机的中心纵轴线轴向地设置的内部轴。叶片沿周向分布在转子上，引起内部轴旋转。内轴连接到转子和空气压缩机两者上，使得涡轮将旋转输入提供至空气压缩机，以驱动压缩机叶片。当燃烧气体向下游流过涡轮级时，能量从其获得且燃烧气体的压力降低。

在操作中，空气在压缩机中加压，且在燃烧器中与燃料相混合，以生成向下游流过涡轮级的热燃烧气体。这些涡轮级从燃烧气体获得能量。高压涡轮首先从燃烧器接收热燃烧气体，且包括定子喷嘴组件，其将燃烧气体向下游引导穿过从支承转子盘沿径向向外延伸的一排高压涡轮转子叶片。定子喷嘴以一定方式使热燃烧气体转向，以使相邻的下游涡轮叶片处的获取最大化。在两级涡轮中，第二级定子喷嘴组件定位在第一级叶片下游，依次后接从第二支承转子盘沿径向向外延伸的一排第二级转子叶片。涡轮将燃烧气体能量转换成机械能。

灰尘聚集和冷却涡轮叶片的堵塞通过增加的末梢孔隙和翼型件损坏引起部分地降低的翼型件持久性和过早的性能降低。这种减低在有灰尘或包括大量砂的环境(诸如沙漠或干旱地区)中特别明显。

历史上在这些地区飞行或利用涡轮技术的操作者具有由于空气中的大量颗粒灰尘或污垢引起的较早的发动机劣化或损坏。这导致发动机停机比正常维护间隔更快。

期望的是通过改善涡轮叶片的持久性来克服这些及其它不足。还将期望的是延长发动机的操作寿命，其可由于在世界上的这些污垢地区中的操作而缩短。此外，将期望的是减少进入涡轮冷却空气供应***或叶片冷却回路的污垢或灰尘的量，使得叶片冷却回路不太可能由污垢堵塞，避免了叶片的过高温度，叶片损坏和最终的发动机劣化。

将期望的是以燃气涡轮发送机来克服这些及其它不足，且更具体而言，期望阻止灰尘和污垢进入燃气涡轮发动机内的转子冷却回路。

发明内容

一种用于燃气涡轮发动机的污垢分离器组件包括与压缩机排出空气流动连通的气旋加速器，加速器具有多个通路，各个通路均具有入口、出口和位于通路中的至少一个排气口，沿各个通路设置的多个转动导叶，通道在入口与出口之间切向地转动，加速器通路从第一截面面积减小至第二截面面积，且前述转动导叶引起压缩的冷却空气的螺线涡旋，且至少一个排气口位于加速器通路来排出与涡旋压缩冷却空气分离的灰尘。根据一些实施例的加速器通路可包括转动导叶。此外，加速器通路还可包括设置在通路内的中心体。

根据本实施例的一些方面，加速器限定分离的第二级。设置在加速器上游的偏转器可限定第一级。

所有上文提到的特征理解为仅为示例性的，且污垢分离涡轮加速器的许多更多的特征和目的可从本文的公开内容中收集到。因此，在未进一步阅读整个说明书、权利要求和其包括的附图的情况下，将不能理解到该概述的限制性解释。

附图说明

通过连同附图参照实施例的以下描述，这些示例性实施例的上文提到的和其它特征和优点以及获得它们的方式将变得更清楚，且用于燃气涡轮发动机的两级除尘器将更好理解，在附图中：

图1为示例性燃气涡轮发动机的侧部截面视图；

图2为在与包括两级分离器的燃烧器的接口处的涡轮的侧部截面视图；

图3为加速器的侧部截面视图；

图4为多个加速器通路的截面布局视图；

图5为到示例性加速器通路的入口的截面视图；

图6为离开示例性加速器通路的出口的截面视图；

图7为入口处的备选加速器通路的截面视图；以及

图8为出口处的备选加速器通路的截面视图。

具体实施方式

现在将详细地参照提供的实施例，实施例中的一个或更多个在附图中示出。各个实例通过阐释的方式提供，而不是公开的实施例的限制。实际上，本领域的技术人员将清楚的是，可在本实施例中进行各种修改和变型，而不会脱离本公开内容的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的特征可结合另一个实施例使用来产生又一个实施例。因此，期望本发明覆盖归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

参看图1-8，燃气涡轮发动机的各种实施例描绘了包括气旋分离器的两级污垢分离器。根据一些实施例，教导了两级分离器，其中第一级结构提供成引起空气遵循曲折路径，其中动量运载来自曲折路径的颗粒。第二级包括创建空气的气旋或旋转流的加速器，其还在冷却空气进入转子冷却空气腔之前将污垢与流体流分离。

如本文使用的，用语“轴向”或“轴向地”是指沿发动机的纵轴线的维度。连同“轴向”或“轴向地”使用的用语"前"是指沿朝发动机入口的方向移动，或构件相比于另一个构件相对更接近发动机入口的方向移动。连同“轴向”或“轴向地”使用的用语“后”是指沿朝发动机的后方或出口的方向移动，或构件相比于入口相对更接近出口的方向移动。

如本文使用的，用语“径向”或“径向地”是指在发动机的中心纵轴线与发动机外周延伸的维度。连同“径向”或“径向地”使用的用语“近侧”或“向近侧”是指沿中心纵轴线的方向移动，或构件相比于另一个构件相对更接近中心纵轴线的方向移动。连同“径向”或“径向地”使用的用语“远侧”或“向远侧”是指沿发动机外周的方向移动，或构件相比于另一个构件相对更接近外发动机的方向移动。如本文使用的用语“侧向”或“侧向地”是指垂直于轴向维度和径向维度两者的维度。

首先参看图1，示出了燃气涡轮发动机的示意性侧截面视图。燃气涡轮发动机的功能在于从高压和高温燃烧气体获得能量，且将能量转换成机械能来做功。燃气涡轮发动机10具有发动机入口端12，其中空气进入内核或推进器13，其大体上由压缩机14、燃烧器16和多级高压涡轮20限定。总体地，推进器13在操作期间提供功率。燃气轮机10可用于航空、发电、工业、船舶等。

在操作中，空气穿过发动机10的空气入口端12进入，且移动穿过至少一个压缩级，在该处，空气压力增大且引导至燃烧器16。压缩空气与燃料混合，且焚烧，以提供热燃烧气体，其朝高压涡轮20流出燃烧器16。在高压涡轮20处，能量从热燃烧气体获得，引起涡轮叶片旋转，这继而又引起轴24旋转。轴24朝发动机的前部传递以取决于涡轮设计而继续一个或更多个压缩机级14、涡扇18或入口风扇叶片的旋转。涡扇18由轴28连接到低压涡轮21上，且创建用于涡轮发动机10的推力。低压涡轮21也可用于进一步获得能量且对附加的压缩机级供能。

现在参看图2，绘出了燃烧器16和高压涡轮20界面的侧部截面视图。在侧部截面视图中，示出了带有燃烧器内壁30的燃烧器16，燃烧器内壁30具有多个孔口32，其允许压缩空气流34进入燃烧器16，且与燃料在燃烧器16内混合以点燃。然后，高温燃烧气体从燃烧器16进入高压涡轮20。涡轮20包括喷嘴38，其具有在径向内平台42与径向外平台44之间延伸的导叶40。导叶40具有翼型形状，且以一种方式使高温燃烧气体沿切向和/或沿周向转动，以便使来自下游的转子组件50的能量获取最大化。转子组件50包括转子盘52和从转子盘52沿径向向外延伸的转子叶片54。转子叶片54利用从经过喷嘴38的燃烧气体获得的能量旋转。在转子组件50下游，附加的喷嘴和涡轮可限定高压涡轮20和/或低压涡轮21的附加级。

大体上，为了理解燃气涡轮发动机10内的冷却的部分目的，压缩机14创建压缩空气，其一部分"泄漏"来用于冷却的目的。冷却空气经过燃烧器壳环带60，且穿过旋转密封盘53进入内转子腔51。冷却空气然后接合转子盘52，且泵送到转子来随后输送至转子叶片54。冷却空气然后在流出叶片54进入燃烧气体流动路径之前冷却叶片54的内部。

在对此理解的情况下，现在将注意力更具体地转到冷却空气的流动路径。燃烧器壳环带60设置在燃烧器内壁30的径向内侧。压缩机排出空气或放出空气经过该环带60。在此环带内，偏转器62定位成引起压缩空气冷却空气流动路径转动。偏转器62可一致地围绕发动机轴线26(图1)周向地延伸360度，或可通过两个或更多个沿周向延伸的节段包绕发动机。偏转器62包括第一壁64和至少第二壁66。在绘出的截面视图中，第一壁64和第二壁66连同框架部件74限定大体上三角形。第一壁64包括主偏转器63，其远离壁64和壁66成角。在进入流动路径转弯部69之前，主偏转器引起压缩的空气流远离壁64且远离壁66移动。偏转器62也引起空气流远离转弯部69弯曲，这进一步有助于将颗粒与压缩空气流分离。此外，第二壁66包括一个或更多个孔口68。第一壁64和第二壁66可由单件材料形成，或可由例如焊接或硬钎焊在一起的分离的件形成。压缩机排出空气经过第一壁64，且在第一壁64和第二壁66的接头附近转动。该转弯部69可至少是一个转弯部，或可为一个以上的转弯部。例如，各个转弯部均可为至少90度。在至少一个转弯部之后，压缩机排出空气路径69经过孔口68。

通过转弯180度且经过孔口68，偏转器62引起压缩空气移动穿过压缩机壳环带60来沿着曲折路径69。通过创建该曲折的空气路径69，动量将污垢颗粒排出空气线性地运载越过偏转器62，且离开曲折路径69，穿过部件70。部件70中的孔口72允许颗粒继续线性地远离冷却空气的路径。颗粒可行进穿过燃烧器内壁30中的孔口32。由于动量运载颗粒穿过部件70或进入燃烧器，则该偏转器62和曲折空气路径69限定颗粒分离器的第一级。

在空气经过环带60且围绕偏转器62转弯时，涡轮转子叶片冷却空气经过穿过框架部件74的开口进入腔76中。腔76变窄至具有围绕发动机10定位的多个通路81的加速器80。加速器通路81朝转子组件50引导压缩机排出空气来冷却转子盘52和叶片54。采用加速器通路81中的压缩机排出空气，现在转到注意图3，其示出了两级分离器的该第二部分的详细截面视图。加速器80且更具体而言加速器通路81通过沿切向转动压缩机排出空气且引起空气涡旋来提供第二级的分离。在该流动路径69中的剩余污垢在其沿轴向方向朝转子盘52移动时围绕沿轴向方向延伸的轴线旋转。如图3中所示，截面面积从腔76朝加速器80减小。各个加速器通路81包括第一截面面积的入口82，以及入口82下游的流出口或出口84。出口84具有小于入口82的截面面积。入口82和出口84可为类似的形状，或可为不同的截面形状。沿入口82与出口84之间的路径，加速器80的壁具有多个缝隙、排出口或开口86、87和88。在剩余的污垢在压缩机排出空气69内朝加速器80运载时，空气进入入口部分82且开始旋转。在此旋转期间，切向力将颗粒运载至加速器通路81的外壁。当污垢或灰尘颗粒沿排出口86处的外壁经过时，颗粒穿过这些排出口86、87和88释放，且流出加速器通路81，同时剩余的清洁空气继续朝出口84移动穿过加速器通路81。排出口86、87和88可采用各种形状和尺寸，且可尺寸确定为提供从空气的适当释放。附加的设计考虑可包括横跨加速器80的空气压力和穿过加速器80的空气速度。在压缩机排出空气69在加速器通路81内成旋流时，杂质D指出为经过排出口86、87和88。

现在参看图4，以线性方式示出了带有周向布局的加速器80的顶部截面视图。在图的左手侧处，各个通路81具有入口82。入口82提供了空气流沿轴向方向移动。在压缩冷却空气继续穿过加速器通路81时，空气沿切向朝出口84转动。如上文所讨论的，入口82的截面面积大于出口84的截面面积，这增大了经过各个加速器通路81的压缩机排出空气69的速度。

转动导叶89在加速器的入口端82处。由于绘出的截面，视图中仅有两个导叶89。参看图5，示出了四个导叶89。然而，可使用各种数目的导叶。此外，导叶89可为线性的，以引起压缩机排出空气的循环自旋，或叶片可弯曲，以便引起穿过加速器通路81的所述旋转。导叶89示为在沿加速器通路81的轴向或流动方向的相等位置处。然而，如果期望提供空气旋转的可选特征，则导叶89可偏离彼此。仍参看图4和5，入口82的截面形状为椭圆形的。然而，可使用备选的截面形状，使得入口82的公开实施例是非限制性的。

仍参看图4，第一排出口86和第二排出口87沿轴向移动穿过入口导叶89下游的加速器通路81。这些关于图3为基准以虚线示出。排出口形状可为多种几何形状，且所示的示例性形状不应当认作是限制性的。

排出口86、87、88向上延伸穿过框架元件74和相邻的密封支承结构75(图3)。穿过框架部件74和密封支承结构75的该通路允许污垢颗粒朝外迷宫式密封件34(图2)且从发动机核心13(图1)向外移动。

附加的转动导叶91在导叶89的下游，导叶91继续使排出口86、87下游的排放压缩空气成涡旋。排出口91有助于使空气朝下游排出口88继续旋转，这进一步从穿过加速器通路81的压缩机排出空气除去污垢、灰尘或颗粒。移动超过排出口88的剩余空气可以或可以不是去涡旋的，且继续至加速器出口84来冷却转子52和内转子腔51(图2)。此类去涡旋可通过使用相反定向的附加导叶来发生，以减少冷却空气的涡旋。此外，再次参看图2，空气经过加速器通路81的出口84，且必须经过密封臂53而进入转子腔51且冷却转子52。密封臂53可包括其中的多个孔，以允许空气从加速器80穿过臂53且进入转子腔51中的通路。

现在参看图6，绘出了加速器80的截面视图。截面视图在图4中绘出的截面6线处示出。该位置刚好在导叶91前方，这引起如前文所述的循环空气运动。尽管图6中示出了四个导叶91，但各种数目都可使用，且可沿切向方向偏离，或可如图所示沿切向方向对准。此外，备选实施例可包括结构，使得一对导叶89、91可形成为沿加速器通路81的流动方向的连续转动导叶涡旋。图6中也示出了排出口88。

现在参看图7和8，绘出了具有中心体的备选加速器通路。首先参看图7，绘出了加速器通路181的截面视图。从入口182向后看示出了通路181。绘出的实施例包括转动导叶189，其可为线性表面或可具有弓形弯曲表面。根据该实施例，中心体190可设置在导叶189的径向内缘处。因此，中心体190悬置于通路181内，且沿流动路径方向延伸一些距离。中心体190在入口182处大体上为对应于入口182处的通路181的形状的椭圆形。如同前述实施例，该入口形状可变化，且因此中心体190的形状也可变化。然而，此外，应当理解的是，中心体截面形状不必匹配入口182的截面形状。

现在参看图8，加速器通路181的截面视图在加速器通路出口184处示出。中心体190再次示为在导叶191之间延伸，且具有小于入口182(图7)处的截面。这部分地归因于出口处的较小截面面积。如图所示，中心体184具有出口184处的截面面积，其小于入口182处的面积。此外，尽管出口184处的中心体190的截面形状接近出口184的形状，但形状可不同也在本公开内容的范围内。

中心体190可在导叶189和191之间延伸。作为备选，导叶可延伸较大距离或较短距离。此外，中心体可分解成多个节段，而非在叶片189和191之间延伸的单个部分。

尽管本文已描述和示出了多个创造性实施例，但本领域的普通技术人员将容易构想出多种其它手段和/或结构来执行功能和/或获得本文所述的结果和/或一个或更多个优点，且此类变型和/或修改中的每一个均认作是在本文所述的实施例的创造性范围内。更普遍而言，本领域的技术人员将容易认识到本文所述的所有参数、尺寸、材料和构造都意在为示例性的，且实际参数、尺寸、材料和/或构造将取决于创造性教导内容使用的特定应用或多个应用。本领域的技术人员将认识到或能够使用仅常规实验就确定本文所述的特定创造性实施例的许多等同方案。因此，将理解的是，前述实施例仅通过实例的方式提出，且在所附权利要求及其等同物的范围内，创造性实施例可除明确描述和提出之外那样实践。本公开内容的创造性实施例针对本文所述的各个独立特征、***、制品、材料、套件和/或方法。此外，两个或更多个此类特征、***、制品、材料、套件和/或方法的任何组合在此特征、***、制品、材料、套件和/或方法不相互矛盾的情况下包括在本公开内容的创造性范围内。

使用实例以公开包括最佳模式的实施例，且还允许本领域的任何技术人员实践设备和/或方法，包括制作和使用任何装置或***，以及执行任何合并的方法。这些实例不旨在为彻底的或将本公开内容限于公开的精确的步骤和/或形式，且许多修改和变型鉴于以上教导内容是可能的。本文所述的特征可以以任何组合来组合。本文所述的方法的步骤可以以物理上可能的任何顺序来执行。

如本文限定和使用的任何定义都应当理解为支配词典定义、通过参考并入的文献中的定义和/或限定用语的普通意义。如这里在说明书和权利要求中使用的词语“一个”和“一种”除非明确另外指出，则应当理解为意思是“至少一个”。如这里的说明书和权利要求中使用的短语“和/或”应当理解为这样结合的元件中的“任一者或两者”，即，在一些情况中结合地存在而在其它情况中分离地存在的元件。

还应当理解的是，除非清楚地另外指出，在包括一个以上的步骤或动作的本文要求权利保护的任何方法中，方法的步骤或动作的顺序不一定限于阐述方法的步骤或动作的顺序。

在权利要求以及在以上说明书中，诸如“包括”、“包含”、“运载”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保持”、“构成”等所有过渡短语将理解为开放的，即，意思是包括但不限于。如美国专利局专利审查程序手册2111.03段中所述，仅过渡短语“由…构成(consisting of)”和“基本上由…构成(consisting essentially of)”应当分别是封闭或半封闭的过渡短语。

Claims (23)

1.一种用于燃气涡轮发动机的污垢分离器组件，包括：

气旋加速器，其与压缩机排出空气流动连通，所述加速器具有多个通路，各个通路具有入口、出口和位于所述通路中的至少一个排出口；

多个转动导叶，其沿所述通路中每一个设置，所述通路内的所述多个转动导叶沿切向在所述入口与所述出口之间转动空气；

所述通路从第一截面面积减小到第二截面面积，且所述转动导叶引起压缩冷却空气的螺线涡旋；以及，

至少一个排出口，其位于所述通路中以用于排出与所述压缩冷却空气分离的灰尘。

2.根据权利要求1所述的污垢分离器组件，其特征在于，清洁空气提供成用于冷却涡轮叶片。

3.根据权利要求1所述的污垢分离器组件，其特征在于，所述排出口位于所述通路的每一个上。

4.根据权利要求1所述的污垢分离器组件，其特征在于，还包括所述加速器上游的第一级偏转器，其创建所述压缩冷却空气中的转动。

5.根据权利要求1所述的污垢分离器组件，其特征在于，所述加速器包括沿内表面的多个转动导叶。

6.根据权利要求5所述的污垢分离器组件，其特征在于，还包括在所述转动导叶之间延伸的至少一个中心体。

7.根据权利要求6所述的污垢分离器组件，其特征在于，所述至少一个中心体由多个节段形成。

8.一种用于燃气涡轮发动机的污垢分离器组件，包括：

冷却空气流动路径，其设置在涡轮框架中；

加速器，其位于所述框架部分中，所述加速器与所述冷却空气流动路径流体连通；

偏转器，其在所述冷却空气流动路径与所述加速器之间延伸，所述偏转器上设置冷却空气孔口，所述偏转器创建用于冷却空气从所述冷却空气流动路径转至所述加速器的曲折路径；

所述加速器具有加速器通路，所述加速器通路包括第一截面面积的入口、第二较小截面面积的出口，以及所述加速器通路中的多个转动导叶；

所述加速器通路包括用于颗粒从所述加速器通路的移除的至少一个排出口。

9.根据权利要求8所述的污垢分离器组件，其特征在于，所述加速器沿径向设置在涡轮转子密封件的内侧或外侧。

10.根据权利要求8所述的污垢分离器组件，其特征在于，所述排出口与转子密封腔流动连通。

11.根据权利要求10所述的污垢分离器组件，其特征在于，所述污垢经过所述排出口而朝向外转子腔密封件。

12.根据权利要求8所述的污垢分离器组件，其特征在于，所述排出口设置在所述加速器前方或喉部区域中的一个中。

13.根据权利要求8所述的污垢分离器组件，其特征在于，还包括多个排出口。

14.根据权利要求8所述的污垢分离器组件，其特征在于，所述转动导叶在所述加速器通路中创建循环涡旋。

15.根据权利要求8所述的污垢分离器组件，其特征在于，还包括密封臂。

16.根据权利要求15所述的污垢分离器组件，其特征在于，还包括所述密封臂中的至少一个流动孔口。

17.根据权利要求16所述的污垢分离器组件，其特征在于，所述至少一个流动孔口与所述加速器沿轴向对准。

18.一种用于燃气涡轮发动机的两级颗粒分离器，包括：

燃烧器壁和燃烧器内衬壳，其限定大致环形流动路径；

偏转器，其设置在所述大致环形流动路径中，且所述偏转器覆盖在加速器的入口的上面；

所述加速器，其具有所述入口和出口，且从所述入口处的较大截面变化至出口处的较小截面；

所述加速器具有外表面，其包括经过所述外表面的至少一个排出口，并且通过旋转和切向力而使灰尘经所述至少一个排出口而排出。

19.根据权利要求18所述的两级颗粒分离器，其特征在于，所述环形流动路径与高压压缩机流体连通。

20.根据权利要求19所述的两级颗粒分离器，其特征在于，所述分离器从所述高压压缩机接收放出空气。

21.根据权利要求18所述的两级颗粒分离器，其特征在于，所述加速器出口朝涡轮转子盘引导冷却空气。

22.根据权利要求21所述的两级颗粒分离器，其特征在于，所述冷却空气经过叶片涡轮中的至少一个孔口。

23.根据权利要求18所述的两级颗粒分离器，其特征在于，还包括至少一个导叶，其在所述出口之前将冷却空气流去涡旋。