CN115680891A - 冷却空气输送组件 - Google Patents

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乔纳森·拉塞尔·拉茨拉夫
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Abstract

一种燃气涡轮发动机包括燃烧区段、涡轮区段和压缩机区段。燃烧区段包括燃烧器壳体、燃烧器、冷却管道和外管道。燃烧器壳体至少部分地限定扩散器腔和流体入口。燃烧器设置于扩散器腔中。冷却管道与燃烧器壳体中的流体入口流体连通并且构造成输送冷却空气流。外管道围绕冷却管道的至少一部分并且沿着冷却管道的整个长度的一部分延伸。外管道与冷却管道限定间隙并且构造成输送缓冲空气流。涡轮区段设置在燃烧区段的下游。冷却管道与涡轮区段流体连通。

Description

冷却空气输送组件
技术领域
本公开大体上涉及燃气涡轮发动机的冷却空气输送***。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括涡轮机和转子组件。燃气涡轮发动机，例如涡轮风扇发动机，可用于飞行器推进。在涡轮风扇发动机的情况下，转子组件可以构造成风扇组件。
在燃气涡轮发动机中，结合了热管理***以冷却某些部件并防止由于过热而损坏。在现有的热管理***中，可以提供穿过燃气涡轮发动机的燃烧室的空气管道以向燃气涡轮发动机的涡轮区段提供冷却空气流。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本公开的完整且有效的公开，包括其最佳模式，其中：
图1是根据本公开的示例性方面的燃气涡轮发动机的横截面图。
图2是示例性燃气涡轮的压缩机区段和燃烧区段的横截面图，其显示了根据本公开的示例性方面的第一冷却管组件。
图3是示例性燃气涡轮的压缩机区段和燃烧区段的横截面图，其显示了根据本公开的另一个示例性方面的冷却管组件。
图4是示例性燃气涡轮的压缩机区段和燃烧区段的横截面图，其显示了根据本公开的又一个示例性方面的冷却管组件。
图5是示例性燃气涡轮的压缩机区段和燃烧区段的横截面图，其显示了根据本公开的又一示例性方面的冷却管组件。
图6是示例性燃气涡轮的压缩机区段和燃烧区段的横截面图，其显示了根据本公开的又一示例性方面的冷却管组件。
图7是示例性燃气涡轮的压缩机区段和燃烧区段的横截面图，其显示了根据本公开的又一示例性方面的冷却管组件。
图8是示例性燃气涡轮的压缩机区段和燃烧区段的横截面图，其显示了根据本公开的又一示例性方面的冷却管组件。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的当前实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母指定来指代附图中的特征。附图和描述中的类似或相似的标号已用于指代本公开的类似或相似部分。
此处使用“示例性”一词来表示“用作示例、实例或说明”。在此描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为优于或优于其他实施方式。此外，除非另有明确说明，否则本文描述的所有实施例都应视为示例性的。
如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以区分一个部件和另一个部件，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
术语“前”和“后”是指燃气涡轮发动机或运载器内的相对位置，并且是指燃气涡轮发动机或运载器的正常操作姿态。例如，对于燃气涡轮发动机，前是指更靠近发动机入口的位置，而后是指更靠近发动机喷嘴或排气口的位置。
术语“上游”和“下游”指的是相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体来流的方向，“下游”是指流体流向的方向。
术语“联接”、“固定”、“附接”等指的是直接联接、固定或附接，以及通过一个或多个中间部件或特征间接联接、固定或附接，除非本文另有说明。
单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。
在整个说明书和权利要求书中使用的近似语言被应用于修改任何可以允许变化而不导致其相关的基本功能发生变化的定量表示。因此，由诸如“约”、“大约”和“基本上”之类的一个或多个术语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度，或用于构造或制造部件和/或***的方法或机器的精度。例如，近似语言可以指在1％、2％、4％、10％、15％或20％范围内。这些近似余量可应用于单个值、定义数值范围的任一端点或两个端点，和/或端点之间范围的余量。
在此以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，除非上下文或语言另有说明，否则此类范围被标识并包括其中包含的所有子范围。例如，本文公开的所有范围都包括端点，并且端点可以相互独立地组合。
术语“低”和“高”，或它们各自的比较程度(例如，更低，更高，如果适用)，当与压缩机、涡轮、轴或线轴部件等一起使用时，每个都指发动机内的相对速度，除非另有说明。例如，“低涡轮”或“低速涡轮”定义了被构造成以低于发动机处的“高涡轮”或“高速涡轮”的转速(例如最大允许转速)操作的部件。
术语“涡轮机”或“涡轮机械”是指包括一个或多个压缩机、发热区段(例如，燃烧区段)和一个或多个涡轮的机器，它们一起产生扭矩输出。
术语“燃气涡轮发动机”是指具有涡轮机作为其动力源的全部或一部分的发动机。示例燃气涡轮发动机包括涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机、涡轮轴发动机等。
术语“燃烧区段”是指用于涡轮机的任何热添加***。例如，术语燃烧区段可以指包括爆燃性燃烧组件、旋转爆震燃烧组件、脉冲爆震燃烧组件或其他适当的热添加组件中的一个或多个的区段。在某些示例性实施例中，燃烧区段可包括环形燃烧器、罐式燃烧器、管状燃烧器、驻涡燃烧器(TVC)或其他合适的燃烧***，或它们的组合。
本公开总体上涉及用于燃气涡轮发动机的热管理***，该燃气涡轮发动机具有压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段。穿过燃气涡轮发动机的燃烧室的空气管道可以向燃气涡轮发动机的涡轮区段提供冷却空气流。这种空气管道可能容易受到该室内的热污染。冷却空气的这种热污染会导致冷却空气的热能增加，从而在冷却空气达到其热能传递的最终目标时降低冷却空气的冷却效果。因此，本公开的发明人已经发现对这些空气管道的改进将是有益的。
本公开提出了嵌套管构造，其形成双壁，用于围绕冷却的冷却空气输送管道运行缓冲空气层。通过限定在双壁之间的边界层输送的缓冲空气减少了通过冷却的冷却空气输送管道的冷却的冷却空气的热污染量。然后可以将缓冲空气输送到发动机的其他空腔或部件(例如高压压缩机后空腔或发动机的高压涡轮的部件或空腔)以进行热管理。
如本文所述，所公开的***提供了一种用于冷却空气流的隔离输送回路，其减少了由燃烧区段中存在的高水平热能引起的热污染量。减少对冷却空气流的热污染可以降低冷却用于冷却所需的冷却空气流的流速，从而能够减小冷却空气流的来源(例如冷却的冷却空气热交换器、另一个热交换器或另一个热管理装置)的尺寸。附加地或替代地，减少对冷却空气流的热污染可以使接收这种冷却空气流的端部部件的冷却增加。
此外，在至少某些示例性方面，缓冲空气流也可以通过后空腔由高压压缩机使用。缓冲空气流可用于降低后空腔内的空气的温度，从而导致较冷的空气被输送到高压压缩机以用于冷却目的。由于这种较冷的冷却空气通过后空腔输送到高压压缩机，因此由于利用缓冲空气流作为高压压缩机的冷却空气而获得的冷却优势，可以消除来自热交换器的专用冷却空气流(否则将需要)。以这种方式，所公开的***可以使发动机的高压压缩机以及高压涡轮的转子温度提高、冷却效率提高、燃烧效率提高或其组合。
现在参考附图，其中相同的数字在整个附图中指示相同的元件，图1是根据本公开的示例性实施例的推进***10的示意性横截面图。更具体地，对于图1的实施例，推进***10包括燃气涡轮发动机12。然而，应当理解，“燃气涡轮发动机12”还可以指代高旁通涡轮风扇喷气发动机。在一个示例中，涡轮风扇发动机12可以是高旁通涡轮风扇喷气发动机。如图1所示，涡轮风扇发动机12限定轴向方向A(平行于供参考的纵向中心线14延伸)和径向方向R。一般而言，涡轮风扇发动机12包括风扇区段16和设置在风扇区段16下游的涡轮机18。
所描绘的示例性涡轮机18通常包括限定环形入口22的基本管状外壳体20。外壳体20以串联流动顺序/关系包围：压缩机区段，包括增压器或低压压缩机24(“LP压缩机24”)和高压压缩机26(“HP压缩机26”)；燃烧区段28；涡轮区段，包括高压涡轮30(HP涡轮30”)和低压涡轮32(“LP涡轮32”)；高压轴或线轴34(“HP线轴34”)将HP涡轮30驱动连接到HP压缩机26。低压轴或线轴36(“LP线轴36”)将LP涡轮32驱动连接到低压压缩机24。
对于所描绘的实施例，风扇区段16包括可变节距风扇38，其具有以间隔开的方式联接到盘42的多个风扇叶片40。如图所描绘的，风扇叶片40通常沿径向方向R从盘42向外延伸。由于风扇叶片40被可操作地联接到合适的致动构件44，每个风扇叶片40可围绕俯仰轴线P相对于盘42旋转，该致动构件44被构造成共同地，例如，一致地改变风扇叶片40的节距。风扇叶片40、盘42和致动构件44可一起通过LP线轴36穿过动力齿轮箱46绕纵向中心线14旋转。动力齿轮箱46包括多个齿轮，用于将LP线轴36的旋转速度降低到更有效的风扇旋转速度。
仍然参考图1的示例性实施例，盘42被可旋转的前轮毂48覆盖，该前轮毂48具有空气动力学轮廓以促进气流通过多个风扇叶片40。另外，风扇区段16包括环形风扇壳体或外机舱50，其周向围绕可变节距风扇38和/或涡轮机18的至少一部分。应当理解，在一些实施例中，机舱50构造成通过多个周向隔开的出口导向轮叶52相对于涡轮机18支撑。此外，机舱50的下游区段54在涡轮机18的外部部分上延伸以在其间限定旁通气流通道56。
在涡轮风扇发动机12的操作期间，一定体积的空气58通过机舱50和/或风扇区段16的相关入口60进入涡轮风扇发动机12。当一定体积的空气58穿过风扇叶片40时，如箭头62指示的空气58的第一部分被引导或导向到旁通气流通道56中，并且如箭头64指示的空气58的第二部分被引导或导向到LP压缩机24中。空气的第一部分62和空气的第二部分64之间的比率通常称为旁通比。空气的第二部分64的压力随后在其通过高压(HP)压缩机26并进入燃烧区段28时增加，在该燃烧区段28中与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体66。随后，燃烧气体66被引导通过HP涡轮30和LP涡轮32，在其中来自燃烧气体66的热能和/或动能的一部分被提取。
燃烧气体66然后被引导通过涡轮机18的燃烧区段28以提供推进推力。同时，空气的第一部分62的压力随着空气的第一部分62在从涡轮风扇发动机12的风扇喷嘴排气区段68排出之前被引导通过旁通气流通道56而显著增加，这也提供推进推力。
然而，应当理解，图1中描绘的涡轮风扇发动机12仅作为示例，并且在其他示例性实施例中，本公开的方面可以附加地或替代地应用于任何其他合适的燃气涡轮发动机。例如，在其他示例性实施例中，涡轮风扇发动机12可以替代地是任何其他合适的航空燃气涡轮发动机，例如涡轮喷气发动机、涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机等。另外，在其他示例性实施例中，涡轮风扇发动机12可以包括或可操作地连接到任何其他合适的附件***。
现在参考图2，图2是涡轮机18的一部分的横截面图，并显示了HP压缩机26、燃烧段28和HP涡轮30。
如图2所示，HP压缩机26包括扩散器喷嘴70并限定后腔72。扩散器喷嘴70设置在HP压缩机26的后端并且将从HP压缩机26流向燃烧区段28的空气流变直或重定向。后腔72也设置在HP压缩机的后端并储存和供应例如供HP压缩机26使用的冷却空气。如本文将讨论的，后腔72内的空气可用于向HP压缩机26提供热能传递益处。
燃烧区段28包括燃烧器壳体74和燃烧器80。燃烧区段28的燃烧器壳体74限定流体入口76和至少部分地限定被构造成容纳燃烧器80的腔室，在本文中称为扩散器腔78。流体入口76延伸穿过燃烧器壳体74的一部分。燃气涡轮发动机10还包括冷却管道组件，该冷却管道组件包括冷却管道82。流体入口76构造成将冷却空气流84通过燃烧器壳体74传送到冷却管道82。
除了冷却管道82之外，冷却管道组件还包括外管道86。冷却管道82和外管道86是管或导管。在该示例中，冷却管道82和外管道86包括大致圆形的横截面形状。对于所示实施例，冷却管道82的直径和外管道86的直径沿冷却管道82和外管道86的长度大致恒定。
冷却管道82连接到燃烧器壳体74的一部分并且与燃烧器壳体74中的流体入口76流体连通。冷却管道82从流体入口76延伸，穿过扩散器腔78的一部分，通过HP压缩机26和燃烧器80之间。例如，冷却管道82的一部分从燃烧器80沿径向方向R向内设置并沿轴向方向A延伸。冷却管道82构造成将冷却空气流84从流体入口76输送通过扩散器腔78，并到达目的地。在某些示例性实施例中，冷却管道82可将冷却空气流84输送到与HP涡轮30相关的一部分或部件。
在该示例中，冷却空气流84是来自冷却的冷却空气热交换器的冷却的冷却空气流(参见例如图5的实施例，如下所述)。然而，应当理解，在其他示例性实施例中，冷却空气流84可以来自其他冷却空气源，例如环境源、引气源、推进***10的热管理***或其他空气源。
外管道86围绕冷却管道82的至少一部分并沿冷却管道82的整个长度的一部分延伸。关于冷却管道82的术语“整个长度”是指从冷却管道82在入口76处连接到燃烧器壳体74的位置到冷却管道82的与冷却管道在入口76处的一端相对的另一端的终端端点的冷却管道82的长度。
在该示例中，外管道86的第一端88设置为邻近燃烧器壳体74的围绕流体入口76的一部分。如本文所使用的，术语“邻近”表示挨着或邻接，没有任何中间物体或部分定位其间。外管道86的第二端90设置在外管道86的与第一端88相对的一端。更具体地，在至少某些示例性方面，外管道86的第二端90沿涡轮风扇发动机的径向方向R向内设置并且在外管道86的第一端88的后方(如图2所示，前向方向指向左侧，后向方向指向右侧)。
间隙92形成在冷却管道82和外管道86之间并由其限定。外管道86构造成接收来自扩散器腔78的缓冲空气流94。如图2所示，外管道86在外管道86的第一端88和第二端90两者处将缓冲空气流94接收到间隙92中。在缓冲空气流94流入间隙92之后，缓冲空气流94被抽吸通过间隙92朝向供应管线98。
在间隙92内有多个支柱96。支柱96是刚性或半刚性材料的小块，相对于冷却管道82支撑或顶住外管道86，在外管道86和冷却管道82之间延伸。例如，支柱96可以包括在流过间隙92的方向上的最小横截面积。
如图2所示，外管道86和冷却管道82形成嵌套管配置，其中冷却管道82嵌套在外管道86内部。具体地，冷却管道82嵌套在外管道86内。更具体地，在至少某些示例性方面，冷却管道82设置在外管道86的内部。在该特定示例中，冷却管道82包括延伸通过或超出外管道86的第一端88和第二端90的部分。在其他示例中，外管道86沿着冷却管道82的大部分延伸(例如大于或等于冷却管道82的整个长度的50％，例如大于或等于冷却管道82的整个长度的75％，例如大于或等于冷却管道82的整个长度的85％，例如大于或等于冷却管道82的整个长度的95％)。
冷却管道82和外管道86通常相对于彼此同轴设置。然而，应当理解，在某些示例性实施例中，在沿着冷却管道82和外管道86的长度的某些点处，冷却管道82和外管道86的轴向中心线可能由于管道的弯曲或由于重力引起的弯曲而略微偏移。
冷却管道82和外管道86的嵌套构造形成双壁结构，缓冲空气流94可以流过该双壁结构。此处，间隙92形成流过冷却管道82和外管道86的双壁构造的边界层。通过间隙92发送的缓冲空气流94(例如，边界层)在设置在扩散器腔78中的空气和流经冷却管道82的冷却空气流84之间形成分离层。以这种方式，缓冲空气流94从设置在扩散器腔78中的空气中吸收热能，从而减少传递到冷却空气流84中的热能的量。
供应管线98在外管道86和HP压缩机26的后腔72之间延伸并流体连接外管道86和后腔72。在某些示例性实施例中，缓冲空气流94从间隙92被吸入供应管线98，并被输送到后腔72。以这种方式，缓冲空气流94的一部分被转移到推进***10的HP压缩机26的后腔72。在输送到后腔72之后，缓冲空气流94可以被HP压缩机26利用，用于热能转移益处。更具体地，在至少某些示例性方面，转移到后腔72中的缓冲空气流94的部分可用于降低推进***10的HP压缩机26的后腔72(和后腔72内的空气)的热能。
在该示例中，HP涡轮30包括入口导向轮叶100(“IGV 100”)和第一级叶片102。参考图2，示出了单个IGV 100和单个第一级叶片102。然而，应当理解，推进***10包括围绕纵向中心线14的周向方向延伸的多个IGV 100和多个第一级叶片102。IGV 100是用于引导或重定向流经IGV 100的流体流的静止翼型件。这里，IGV 100使从燃烧区段28流向HP涡轮30的燃烧气体流的方向变直或改变。第一级叶片102是构造成围绕纵向中心线14旋转(例如，与转子盘108一起)的翼型件。例如，当燃烧气体从燃烧器80中排出时，燃烧气体推压第一级叶片102，导致第一级叶片102围绕纵向中心线14旋转。
在IGV 100和第一级涡轮叶片102之间形成前叶轮空间腔104。更具体地，在至少某些示例性方面，前叶轮空间腔104由对应于IGV 100和第一级涡轮叶片102的部件(例如支撑IGV 100的框架106和附接第一级转子叶片的转子盘108)限定和形成。
此外，发动机10包括用于从冷却管道82向转子盘108和第一级涡轮叶片102提供冷却空气的冷却空气流84的组件。更具体地，框架106包括喷嘴103，喷嘴103被构造成使来自冷却管道82的冷却空气流84转向，以至少部分地匹配转子盘108的旋转，并且转子盘108包括可随其旋转的旋转密封件105。然后将来自喷嘴103的空气通过限定在旋转密封件中的开口107提供到限定在转子盘108内的内部冷却管道111(以虚线描绘)的入口109。然后可以通过转子盘108将冷却空气流84提供到第一级涡轮叶片102。
在该示例中，冷却空气流84的至少一部分流过在框架106和旋转密封件之间形成的密封部，并且随后被输送到前叶轮空间腔104。
燃烧区段28还限定了前轴外腔110。前轴外腔110大体上从冷却管道82沿径向方向R向内设置。前轴外腔110通过前叶轮空间腔104流体连接到HP涡轮30。
此处，具有围绕冷却管道82的外管道86的推进***10提供了用于冷却空气流84的绝缘输送回路，其减少了由存在于燃烧区段28中的高水平热能引起的热污染的量。减少对冷却空气流84的热污染能够降低冷却所需的冷却空气流84的流速，从而能够减小冷却空气流84的来源(例如，冷却的冷却空气热交换器，另一个热交换器或另一个热管理设备)的尺寸。
此外，在至少某些示例性方面，缓冲空气流94也可通过后腔72由HP压缩机26使用。缓冲空气流94可用于降低后腔72内的空气温度，从而导致冷却空气被输送到HP压缩机26以进行冷却。由于这种较冷的冷却空气通过后腔72输送到HP压缩机26，在某些示例性实施例中，由于通过利用缓冲空气流94作为HP压缩机26的冷却空气而获得的冷却好处，可以消除来自热交换器的专用冷却空气流(否则将需要)。以这种方式，具有冷却管道82和外管道86的推进***10能够改善HP压缩机26以及HP涡轮30的转子温度。
现在参考图3，图3是涡轮机18的一部分的横截面图，并且示出了根据本公开的另一个示例性实施例的HP压缩机26、燃烧区段28、HP涡轮30和冷却管道组件。
图3中提供的实施例与关于图2所描述的基本相似地构造。因此，图3包括与上面关于图2描述的相同或相似的组件，包括供应管线98、IGV 100、第一级叶片102、前叶轮空间腔104，以及如以下描述中所述的附加部件。因此，为图2中的部件提供的相同或相似的描述也适用于图3中所示的对应部件。
对于所示实施例，外管道86流体连接到前外密封件112和旋转密封件114。在该示例中，前外密封件112设置在冷却管道82的下游(例如，如图3所示从左到右)，旋转密封件114设置在前外密封件112的下游。
在某些示例性实施例中，前外密封件112可以定位成邻近转子盘108和/或第一级叶片102(参见例如图2)。例如，前外密封件112和旋转密封件114可以沿着纵向中心线14相对于流动方向(在图3中向右侧)定位在转子盘108的前方(在图3中向左侧)。在该示例中，冷却空气流84可以流过喷嘴103流向限定在旋转密封件114中的开口107到转子盘108，如上面关于图2更充分地解释的那样。相比之下，缓冲空气流94可以流过前外密封件112并通过旋转密封件114泄漏到前密封腔104(见图2)。
此外，在该示例中，冷却管道82的一部分形成内文丘里管116，而外管道86的一部分形成外文丘里管124。如图3所示，外文丘里管124围绕内文丘里管116。
更具体地，在至少某些示例性方面，冷却管道82的内文丘里管116包括内变窄部分118和内扩大部分120。内变窄部分118包括冷却管道82的一部分，在该部分中冷却管道82的内径122沿流经冷却管道82的冷却空气流84的下游方向D减小。内扩大部分120包括冷却管道82的一部分，在该部分中冷却管道82的内径122沿流经冷却管道82的冷却空气流84的下游方向D增大。
此外，外管道86包括外变窄部分126和外扩大部分128。外变窄部126包括外管道86的一部分，在该部分中外管道86的内径130沿流经冷却管道82的冷却空气流84的下游方向D减小。外扩大部分128包括外管道86的一部分，在该部分中外管道86的内径130沿流经冷却管道82的冷却空气流84的下游方向D增加。关于内文丘里管116，冷却管道82的内径122在内变窄部分118和内扩大部分120之间的交界处最小。同样，外管道86的内径130在外变窄部分126和外扩大部分128之间的交界处最小。
在操作期间，冷却空气流84在冷却管道82的直径最小的位置处(例如，在内变窄部分118和内扩大部分120之间的交界处)被限制。换言之，冷却空气流84在沿冷却管道82的冷却管道82形成内文丘里管116的点处被限制。
这里，内文丘里管116和外文丘里管124的构造提供比没有文丘里管构造的管组件更小的外管道86的外表面面积。外管道86的这种较小的外表面面积能够减少对燃烧区段28内流动的空气的空气动力学行为的影响。
现在参考图4，图4是涡轮机18的一部分的横截面图，并且显示了根据本公开的另一个示例性实施例的HP压缩机26、燃烧区段28、HP涡轮30和冷却管道组件。
示例性冷却管道组件包括以与图3的冷却管道82基本相同的方式构造的冷却管道82。然而，如图4所描绘的，冷却管道82还包括涡流轮叶134并限定槽136。涡流轮叶134是构造用于将涡流赋予穿过涡流轮叶134的冷却空气流84的翼型件。如图4所示，涡流轮叶134沿冷却管道82的径向方向RCD设置在冷却管道82的内表面上。
在一个示例中，涡流轮叶134可以构造成旋风分离器或离心分离器。例如，通过这种构造，涡流轮叶134被构造成将旋转和离心力施加到冷却空气流84中。当冷却空气流84穿过涡流轮叶134时，冷却空气流84主要分成两股流，内冷却空气流84A和外冷却空气流84B。例如，当冷却空气流84被涡流轮叶134涡旋时，冷却空气流84的较重部分(即，外冷却空气流84B)沿着冷却管道82的径向方向向外旋转。冷却空气流84B可以包括比冷却空气流84A更高密度的空气、更高量的微粒，或两者兼而有之。
在该示例中，涡流轮叶134设置在内文丘里管116中。然而，应当理解的是，在其他示例性实施例中，涡流轮叶134可以沿着来自内文丘里管116的冷却空气流84的下游方向D设置或定位在上游或下游，或者可以定位在没有内文丘里管116或外文丘里管124的冷却管道组件中。
在一个示例中，槽136可以是在冷却管道82的整个360°范围内延伸的单个全环开口。在其他示例中，槽136可以包括围绕冷却管道82的圆周设置的一个或多个开口、穿孔、狭缝、槽或孔。对于所示的实施例，槽136沿来自涡流轮叶134的冷却空气流84的下游方向D设置在下游。以这种方式，当外冷却空气流84B沿冷却管道82的径向方向向外涌出时，外冷却空气流84B的一部分通过槽136离开冷却管道82并进入冷却管道82和外管道86之间的间隙92。外冷却空气流84B作为缓冲空气94继续通过间隙92。
在此，在涡流轮叶134位于冷却管道82内部的情况下，载满颗粒(例如，脏)的冷却空气流84B从冷却管道82喷射到外管道86中，留下冷却空气流84A作为清洁的冷却空气流从冷却管道82流向下游部件，例如第一级叶片102和转子盘108。因此，这种构造可以使颗粒流入转子盘108和第一级叶片102的内部冷却通道从而可能阻塞或堵塞这样的内部冷却通道的风险最小。
在某些示例性实施例中，脏的或载满颗粒的冷却空气流84B可被输送到前外密封件112并通过用于前腔104的旋转密封件114。
现在参考图5，图5是涡轮机18的一部分的横截面图，并且示出了根据本公开的另一个示例性实施例的HP压缩机26、燃烧区段28、HP涡轮30和冷却管道组件。这里，涡轮机18和冷却管道组件以与图2的涡轮机18和冷却管道组件基本相同的方式构造。然而，对于图5的实施例，涡轮机18和冷却管道组件进一步包括分离器138和热交换器140。
分离器138是用于将单股空气流分离成两股或多股空气流的部件。在某些示例性实施例中，分离器138可以是旋风分离器、离心分离器、颗粒分离器或另一种类型的分离器。在该示例中，分离器138设置在燃烧器壳体74的外部并且流体连接到压缩机区段和热交换器140并在它们之间。在操作期间，分离器138接收来自压缩机区段(例如HP压缩机26)的空气流142，并将来自压缩机区段的空气流分离成清洁空气流84A和脏空气流84B。然后分离器将清洁空气流84A输送到热交换器140，并将脏空气流84B输送到外管道86并输送到间隙92中作为缓冲空气流94。在所示实施例中，冷却管道82和外管道86的端部延伸穿过由燃烧器壳体74限定的流体入口76。
在某些示例性实施例中，热交换器140可以包括冷却的冷却空气热交换器。这里，热交换器140流体连接到分离器138和冷却管道82并在它们之间。在操作期间，热交换器140从清洁空气流84A中去除热能并将冷却的清洁空气流84A输送到冷却管道82。热交换器140可以与任何合适的冷却流体源热连通。例如，热交换器140可以构造成接收来自热总线的热流体、来自旁通通道的旁通空气、来自燃料源的燃料等。
如图5所示，脏空气流84B用作缓冲空气，由外管道86利用以使冷却管道82与扩散器腔78内的热能污染隔离。在被吸入通过间隙92之后，脏空气流84B最终可以被输送到HP压缩机26的后腔72或前外密封件112。例如，在某些示例性实施例中，脏空气流84B的一部分可以从间隙92转移到供应管线98并且可以输送到HP压缩机26的后腔72。
现在参考图6，图6是涡轮机18的一部分的横截面图，并且显示了根据本公开的另一个示例性实施例的HP压缩机26、燃烧区段28、HP涡轮30和冷却管道组件。这里，涡轮机18和冷却管道组件以与例如图2和3的涡轮机18和冷却管道组件基本相同的方式构造。然而，对于图6的实施例，涡轮机18和冷却管道组件还包括具有一个或多个开口146的附加第三管144和第三空气流148。
在该示例中，第三管144设置在外管道86的外部和周围，使得冷却管道82和外管道86嵌套在第三管144内。这里，第三管144被构造成通过一个或多个开口146从扩散器腔78内接收空气源(例如，第三空气流148)。对于所描绘的实施例，第三管144限定了靠近流体入口76的第一开口146A(例如，比扩散器喷嘴70更靠近流体入口76)和沿燃气涡轮发动机10的径向方向R位于扩散器喷嘴70内侧的第二开口146B。第一和第二开口146A、146B各自构造为设置在第三管144中或由第三管144限定的开口或狭槽，其能够实现第三空气流148进入第三管144。
这里，第三管144的多个开口146设置在沿第三管144的不同位置，以便允许在扩散器腔78内的不同位置吸入第三空气流148。这些多个吸入位置允许第三管144接收具有不同热能量的第三空气流148以增强冷却空气流84的缓冲，并且多个缓冲空气层保护冷却空气流84免受扩散器腔78内的热污染。
现在参考图7，图7是涡轮机18的一部分的横截面图，并且显示了根据本公开的另一个示例性实施例的HP压缩机26、燃烧区段28、HP涡轮30和冷却管组件。这里，涡轮机18和冷却管道组件以与图6的涡轮机18和冷却管道组件基本相同的方式构造。然而，对于图7的实施例，该组件包括处于不同构造的第三管144(具有开口146)和第二间隙150。
在该示例中，冷却管道82在流体入口76处从燃烧器壳体74延伸到位于外管道86的第二端90处的框架106的一部分。
第三管144设置为围绕外管道86的一部分以及冷却管道82的一部分。在该示例中，第三管144的第一端位于供应管线98处或附近(例如，限定间隔，其小于约5英寸，例如小于约3英寸，例如小于约1英寸)，第三管144的第二端在冷却管道82连接到框架106并通过框架106的点处设置并连接到框架106。在该示例中，冷却管道82的一部分和外管道86的一部分嵌套在第三管144内。
间隙150在外管道86的第二端90的位置处流体连接到间隙92。在该示例中，流体通道由间隙150、间隙92和供应管线98形成，其被构造成供应来自扩散器腔78的两个分离部分(例如，来自外管道86的第一端88和来自第三管144的开口146)的缓冲空气流94并通过间隙92、间隙150和供应管线98到达后腔72。在缓冲空气流94通过开口146进入第三管144之后，缓冲空气流94在第一轴向方向上流过间隙150。当流过间隙150的缓冲空气流94到达在外管道86的第二端90处的框架106时，缓冲空气流94围绕外管道86的第二端90转向并在与第一轴向方向相反的第二轴向方向上流过间隙92。在该示例中，第一轴向方向是从前到后(如图7所示从左到右)，第二轴向方向是从后到前(如图7所示从右到左)。
在某些示例性实施例中，第三管144的开口146可以位于扩散器腔78内的空气压力高于位于外管道86的第一端88处或附近的空气的位置处。与从外管道86的第一端88流过间隙92流到供应管线98的缓冲空气流94的一部分相比，在外管道86的第一端88处进入外管道86的缓冲空气流94和在开口146处进入第三管144的缓冲空气流95可导致缓冲空气流94更快地流过间隙150并反过来流过间隙92流向供应管线98。在流过间隙150的缓冲空气流94的速度增加的情况下，来自扩散器腔78内的空气的热能暴露于流经第三管144的缓冲空气流94的时间更少，从而减少从扩散器腔78传递到冷却管道82内的冷却空气流84的热能的量。
现在参考图8，图8是涡轮机18的一部分的横截面图，并且显示了根据本公开的另一个示例性实施例的HP压缩机26、燃烧区段28、HP涡轮30和冷却管道组件。这里，涡轮机18和冷却管道组件以与图2的涡轮机18和冷却管道组件基本相同的方式构造。然而，对于图5的实施例，涡轮机18和冷却管道组件还包括从外管道86延伸到前轴外腔110的旁通端口152。
在该示例中，燃烧区段28还包括内燃烧室壳体75，并且旁通端口152是与冷却管道82和外管道86之间的间隙92流体连通的流体出口。旁通端口152从外管道86延伸，穿过内燃烧器外壳体75的一部分，并进入前轴外腔110。
在没有将间隙92连接到后腔72的供应管线98的情况下，缓冲空气流94的全部或大部分通过旁通端口152离开外管道86。
以这种方式，更大量的缓冲空气流94或更高压力的缓冲空气流94可被供应至前轴外腔110和诸如旋转密封件114(参见例如图3)的部件或供应至HP涡轮30的部件，例如前叶轮空间腔104或转子盘108(参见例如图2)。在一个示例中，更大量的缓冲空气流94进入前轴外腔110的效果是更大量的缓冲空气流94流到前轴外腔110下游的部件，从而增强热能的传递并且减少涡轮机18的热污染。
应当理解，图1至图8所示的推进***10的任何构造和/或部件可以与图1至图8中所示的推进***10的任何其他部件结合或组合。同样，给定图中呈现的任何部件的描述适用并且可用于指代或描述其他图中所示的类似序号的部件。
该书面描述使用示例来公开本公开，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何设备或***以及执行任何结合的方法。本公开的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元素，则它们旨在落入权利要求的范围内。
进一步的方面由以下条项的主题提供：
一种燃气涡轮发动机包括燃烧区段、涡轮区段和具有高压压缩机的压缩机区段。燃烧区段包括燃烧器壳体、燃烧器、冷却管道和外管道。燃烧器壳体至少部分地限定扩散器腔和流体入口。燃烧器设置于扩散器腔中。冷却管道与燃烧器壳体中的流体入口流体连通并且构造成输送冷却空气流。外管道围绕冷却管道的至少一部分并且沿着冷却管道的整个长度的一部分延伸。外管道与冷却管道限定间隙，并且构造成通过该间隙输送缓冲空气流。涡轮区段设置在燃烧区段的下游。冷却管道与涡轮区段流体连通。
根据这些条项中的一项或多项所述的燃气涡轮发动机，其中该燃气涡轮发动机进一步包括冷却的冷却空气热交换器，其中该冷却管道流体连接到该冷却的冷却空气热交换器并且构造成接收来自冷却的冷却空气热交换器的冷却空气流。
根据这些条项中的一项或多项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括设置在燃烧器壳体外部的颗粒分离器，其中外管道构造成从扩散器腔、冷却管道、颗粒分离器或其任意组合接收缓冲空气流。
根据这些条项中的一项或多项所述的燃气涡轮发动机，其中冷却管道包括涡流轮叶，涡流轮叶沿着冷却管道的径向方向设置在冷却管道的内表面上，其中涡流轮叶构造成将涡流赋予穿过涡流轮叶的冷却空气流。
根据这些条项中的一项或多项所述的燃气涡轮发动机，其中通过外管道从冷却管道接收的缓冲空气流包括从冷却管道吸取的第一引气流，该第一引气流通过涡流轮叶沿着冷却管道的径向方向向外涡旋。
根据这些条项中的一项或多项所述的燃气涡轮发动机，其中该涡轮区段包括具有第一级高压涡轮转子叶片的高压涡轮，并且其中冷却管道与高压涡轮的第一级高压涡轮转子叶片流体连通。
根据这些条项中的一项或多项所述的燃气涡轮发动机，其中外管道构造成将缓冲空气流的一部分输送到高压压缩机的后腔、设置在冷却管道下游的前外密封件、涡轮区段的第一级叶片、涡轮区段的前轴外腔、前叶轮空间腔或其任意组合。
根据这些条项中的一项或多项所述的燃气涡轮发动机，其中该外管道是第一外管道，其中该第一外管道限定冷却管道和外管道之间的第一间隙，其中该燃烧区段进一步包括设置在第一外管道周围的第二外管道，其中第一外管道嵌套在第二外管道的内部，其中第二外管道限定第一外管道和第二外管道之间的第二间隙。
根据这些条项中的一项或多项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括多个支柱，该多个支柱连接到冷却管道和外管道并且在冷却管道和外管道之间延伸。
根据这些条项中的一项或多项所述的燃气涡轮发动机，其中冷却管道包括内变窄部分和内扩大部分，其中内变窄部分包括冷却管道的一部分：在一部分中冷却管道的内径沿着流过冷却管道的冷却空气流的下游方向减小；其中内扩大部分包括冷却管道的一部分：在一部分中冷却管道的内径沿着流过冷却管道的冷却空气流的下游方向增加；其中外管道包括外变窄部分和外扩大部分，其中外变窄部分包括外管道的一部分：在一部分中外管道的内径沿着流过冷却管道的冷却空气流的下游方向减小；其中外扩大部分包括外管道的一部分：在一部分中外管道的内径沿着流过冷却管道的冷却空气流的下游方向增大。
根据这些条项中的一项或多项所述的燃气涡轮发动机，其中该冷却管道的一部分形成内文丘里管，其中该外管道的一部分形成外文丘里管，其中该外文丘里管围绕该内文丘里管。
一种管理燃气涡轮发动机中的热能的方法，包括：将冷却空气流提供到位于由燃气涡轮发动机的燃烧室壳体限定的扩散器腔中的冷却管道。缓冲空气流可以被提供到限定在冷却管道和围绕冷却管道的外管道之间的间隙中，以隔离提供到冷却管道的冷却空气流。冷却管道嵌套在外管道中。冷却空气流可以被输送到燃气涡轮发动机的涡轮区段。
根据这些条项中的一项或多项所述的方法，进一步包括：利用涡流轮叶使流过冷却管道的冷却空气流的一部分涡旋，其中将缓冲空气流提供到间隙中包括将涡旋的冷却空气流的一部分提供到冷却管道和外管道之间的间隙中。
根据这些条项中的一项或多项所述的方法，进一步包括将缓冲空气流的一部分转移到燃气涡轮发动机的高压压缩机的后腔。
根据这些条项中的一项或多项所述的方法，进一步包括利用缓冲空气流的一部分，减少燃气涡轮发动机的高压压缩机的后腔的热能。
根据这些条项中的一项或多项所述的方法，进一步包括将缓冲空气流输送到高压压缩机的后腔、设置在冷却管道下游的前外部密封件、涡轮区段的第一级叶片、涡轮区段的前轴外腔、前叶轮空间腔、燃气涡轮发动机的高压涡轮的前轴外腔，或其任意组合。
根据这些条项中的一项或多项所述的方法，进一步包括在冷却管道的直径最小的位置处限制通过冷却管道的冷却空气流。
根据这些条项中的一项或多项所述的方法，进一步包括在沿着冷却管道形成文丘里管的冷却管道的点处限制通过冷却管道的冷却空气流。
根据这些条项中的一项或多项所述的方法，其中将冷却空气流输送到燃气涡轮发动机的涡轮区段包括将冷却空气流输送到涡轮区段的高压涡轮的第一级高压涡轮转子叶片。
一种用于燃气涡轮发动机的冷却管道组件，包括冷却管道和外管道。燃气涡轮发动机包括涡轮区段和燃烧器壳体，燃烧器壳体至少部分地限定扩散器腔和流体入口。冷却管道构造成当安装在燃气涡轮发动机中时与燃烧器壳体中的流体入口流体连通并且与涡轮区段流体连通。冷却管道构造成输送冷却空气流。外管道围绕冷却管道的至少一部分并且沿着冷却管道的整个长度的一部分延伸。外管道与冷却管道限定间隙，该冷却管道构造成通过该间隙输送缓冲空气流。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括：
压缩机区段，所述压缩机区段包括高压压缩机；
燃烧区段，所述燃烧区段包括：
燃烧器壳体，所述燃烧器壳体至少部分地限定扩散器腔和流体入口；
燃烧器，所述燃烧器设置在所述扩散器腔中；
冷却管道，所述冷却管道与所述燃烧器壳体中的所述流体入口流体连通，其中所述冷却管道构造成输送冷却空气流；和
外管道，所述外管道围绕所述冷却管道的至少一部分并沿所述冷却管道的整个长度的一部分延伸，其中所述外管道与所述冷却管道限定间隙，并且其中所述外管道构造成通过所述间隙输送缓冲空气流；和
涡轮区段，所述涡轮区段设置在所述燃烧区段的下游，其中所述冷却管道与所述涡轮区段流体连通。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述燃气涡轮发动机进一步包括冷却的冷却空气热交换器，其中，所述冷却管道流体连接到所述冷却的冷却空气热交换器并且构造成接收来自所述冷却的冷却空气热交换器的所述冷却空气流。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，进一步包括设置在所述燃烧器壳体外部的颗粒分离器，其中所述外管道构造成从所述扩散器腔、所述冷却管道、所述颗粒分离器或其任意组合接收所述缓冲空气流。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述冷却管道包括涡流轮叶，所述涡流轮叶沿着所述冷却管道的径向方向设置在所述冷却管道的内表面上，其中所述涡流轮叶构造成将涡流赋予穿过所述涡流轮叶的冷却空气流。
5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中通过所述外管道从所述冷却管道接收的所述缓冲空气流包括从所述冷却管道吸取的第一引气流，所述第一引气流通过所述涡流轮叶沿着所述冷却管道的所述径向方向向外涡旋。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述涡轮区段包括具有第一级高压涡轮转子叶片的高压涡轮，并且其中所述冷却管道与所述高压涡轮的所述第一级高压涡轮转子叶片流体连通。
7.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述外管道构造成将所述缓冲空气流的一部分输送到所述高压压缩机的后腔、设置在所述冷却管道下游的前外密封件、所述涡轮区段的第一级叶片、所述涡轮区段的前轴外腔、前叶轮空间腔或其任意组合。
8.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述外管道是第一外管道，其中所述第一外管道限定所述冷却管道和所述外管道之间的第一间隙，其中所述燃烧区段进一步包括设置在所述第一外管道周围的第二外管道，其中所述第一外管道嵌套在所述第二外管道的内部，其中所述第二外管道限定所述第一外管道和所述第二外管道之间的第二间隙。
9.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，进一步包括多个支柱，所述多个支柱连接到所述冷却管道和所述外管道并且在所述冷却管道和所述外管道之间延伸。
10.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中所述冷却管道包括内变窄部分和内扩大部分，其中所述内变窄部分包括所述冷却管道的一部分：在所述一部分中所述冷却管道的内径沿着流过所述冷却管道的冷却空气流的下游方向减小；其中所述内扩大部分包括所述冷却管道的一部分：在所述一部分中所述冷却管道的内径沿着流过所述冷却管道的所述冷却空气流的下游方向增加；其中所述外管道包括外变窄部分和外扩大部分，其中所述外变窄部分包括所述外管道的一部分：在所述一部分中所述外管道的内径沿着流过所述冷却管道的所述冷却空气流的下游方向减小；其中所述外扩大部分包括所述外管道的一部分：在所述一部分中所述外管道的内径沿着流过所述冷却管道的所述冷却空气流的下游方向增大。
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