[發明專利]級間冷卻式渦輪發動機

有效

• 申請號: 200710169447.1
• 申請日: 2007-11-09
• 公開（公告）號: CN101178029A
• 公開（公告）日: 2008-05-14
• 發明（設計）人: 李經邦;T·O·莫尼茲;R·J·奧爾蘭多
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: F02C7/18
• 分類號: F02C7/18
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 曾祥夌;廖凌玲

技術領域

本發明大致涉及燃氣渦輪，更具體地而言涉及其中的渦輪冷卻。

背景技術

在燃氣渦輪發動機中，空氣在壓縮機中加壓，并在燃燒器中與燃料混合，以便產生熱的燃燒氣體。能量從渦輪級中的燃燒氣體中吸取，其通過一個傳動軸而為壓縮機提供動力，并且產生額外的功，以便為渦輪風扇航空發動機應用中的上游風扇提供動力，或驅動用于船舶和工業(M&I)應用的外部傳動軸。

基礎的核心發動機通常包括具有成排的壓縮機葉片和相應的導流葉片(guide?vane)的多級軸向式壓縮機(axial?compressor)，其將周圍空氣分級加壓，并相應地提高其溫度。自壓縮機尾端排放的空氣具有最高的壓力，通常稱為壓縮機排放壓力(CDP)，并相應地具有較高的溫度。

在示例性配置中，壓縮機具有七個壓縮級以用于使空氣壓力增加到大氣壓力的許多倍，同時由于壓縮循環，溫度也會增加好幾百度。根據燃氣渦輪發動機的特定設計和其預期用途所需，可使用更少或更大數量的壓縮級。

自壓縮機排放的CDP空氣大部分和燃燒器中的燃料混合，以產生熱的燃燒氣體。之后這些燃燒氣體在幾個渦輪級中經歷膨脹循環，以便從中吸取出能量，其相應地減少燃燒氣體的壓力和其溫度。高壓渦輪(HPT)直接位于燃燒器之后，并用于為核心發動機中的壓縮機葉片提供能量。

低壓渦輪(LPT)位于HPT之后，并且驅動第二軸，為渦輪風扇發動機應用中的上游風扇提供能量，或驅動用于M&I應用的外部傳動軸。

燃氣渦輪發動機的整體效率依賴于空氣壓縮的效率，燃燒效率，和燃料氣體在渦輪級中的膨脹效率。

因為渦輪構件在操作期間直接暴露于熱的燃燒氣體下，因此其需要合適的冷卻以確保較長的使用壽命。例如，一些壓縮機排放空氣從燃燒過程分流以用于冷卻燃燒器本身的內襯，以及冷卻HPT的各種構件。

各渦輪級通常包括上游渦輪噴嘴或定子(stator)，其具有一排噴嘴翼型，其直接將燃燒氣體導向下游，穿過相應的一排渦輪轉子葉片。葉片通常安裝在支撐轉子的盤的周邊，位于成形于盤中的相應的燕尾槽(dovetail?slot)中。

渦輪葉片和翼型通常是帶有相應的內部冷卻通道的空心翼型(airfoil)，其在操作期間接收壓縮機排放空氣，用于使其冷卻。空心葉片和翼型通常包括穿過其壓力側壁和吸力(suction)側壁的多排薄膜冷卻孔和其它排放孔，以便排放相應外部薄膜中的廢棄內部冷卻空氣，用于進一步保護翼型。

此外，支撐第一級渦輪葉片的渦輪轉子盤是相對較大的構件，其帶有安裝有葉片的輪緣，徑向向內延伸的狹窄的腹板(web)，其終結在具有中心孔的較寬轂部(hub)上。轉子盤在操作期間遇到相當大的離心荷載和受熱，因而必須設計成可長時間使用。

相反，在膨脹循環期間考慮到燃燒氣體溫度和壓力上的降低，與HPT相比LPT需要更少的冷卻。因此減少了冷卻需求，并且通常級間排放的空氣可用于冷卻那里的各種構件。

主渦輪流動路徑設計成可能夠限制流過發動機時的燃燒氣體，并減低燃燒器中的溫度和壓力。各種用于渦輪構件冷卻回路與主流動路徑是獨立的，并且必須提供足夠壓力下的冷卻空氣，以防止在操作期間吸入熱的燃燒氣體。

例如，在固定的渦輪噴嘴和旋轉的渦輪葉片之間提供合適的旋轉密封，以防止熱的燃燒氣體被吸入或回流到冷卻回路中。因為噴嘴翼型和渦輪葉片的翼型通常包括成排的冷卻空氣出口孔，所以冷卻空氣必須具有比外部燃燒氣體更大的足夠的壓力，以提供合適的回流安全裕度(backflow?margin)，以防止熱的燃燒氣體吸入到渦輪翼型自身內。

因此，HPT的構件通常利用完全壓力CDP空氣(full-pressure?CDPair)進行冷卻，而LPT構件可利用較低壓力的級間排放空氣進行冷卻。

這樣，用于冷卻渦輪構件的壓縮機空氣的使用可與HPT和LPT的不同冷卻需求相匹配，從而減少對其的使用，并因此提高發動機效率。

然而，在現代燃氣渦輪發動機中，提高發動機效率是持續且首要的設計目標，因此需要通過減少從壓縮機中吸取的壓縮空氣以進一步提高發動機效率。

發明內容

一種燃氣渦輪發動機，包括可操作地連接在一起的壓縮機，燃燒器，和高壓(HP)渦輪。級間冷卻回路流通式地從壓縮機的中間級連接至支撐一排渦輪葉片的HP盤的前向面(forward?face)，用于將級間排放的冷卻空氣引導至那里。

附圖說明

根據優選和典型的實施例，在以下結合附圖所做的詳細說明中將更具體地描述本發明和其詳細的目的和優勢，其中：