[發明專利]在排氣擴散器中具有轉子對中冷卻系統的燃氣渦輪發動機

有效

• 申請號: 201480079736.0
• 申請日: 2014-06-10
• 公開（公告）號: CN106460550B
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 譚國汶;A.M.謝哈卜;R.彼得森
• 申請（專利權）人: 西門子能源公司
• 主分類號: F01D25/10
• 分類號: F01D25/10;F01D25/14;F02C3/04;F01D25/12;F01D9/06;F01D25/30;F02C7/18;F01D25/28
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 董均華,傅永霄

技術領域

本發明涉及燃氣渦輪發動機，且更具體地涉及用于提供熱管理以促進排氣部段處的一致熱狀況和提供保護以限制對燃氣渦輪發動機的外部外殼加熱的結構。

背景技術

燃氣渦輪發動機通常包括壓縮機部段、燃燒器部段、渦輪部段和排氣部段。在操作中，壓縮機部段可引導環境空氣且壓縮環境空氣。來自于壓縮機部段的壓縮空氣進入燃燒器部段中的一個或更多個燃燒器。壓縮空氣在燃燒器中與燃料混合，且空氣-燃料混合物能夠在燃燒器中燃燒以形成熱工作氣體。熱工作氣體導送到渦輪部段，在渦輪部段，熱工作氣體通過固定翼型件和旋轉翼型件的交替行膨脹，且用于產生能夠驅動轉子的動力。離開渦輪部段的膨脹氣體然后可以經由排氣部段從發動機排出。

在典型的燃氣渦輪發動機中，引出空氣（bleed air），包括從壓縮機的一個或更多級獲得的壓縮空氣中的一部分，可以用作用于冷卻渦輪部段的部件的冷卻空氣。附加的引出空氣或者可選冷卻空氣源也可以供應給排氣部段的多部分，例如以冷卻排氣部段的多部分，且通過設置在發動機的外部外殼或其它部件內的強制對流空氣流將渦輪排氣外殼保持低于預定溫度。當前，供應給渦輪排氣外殼的支撐支柱和相鄰部件的冷卻空氣不足夠。具體地，在上止點處的支柱和相鄰支柱比在下止點處的支柱和相鄰支柱被加熱更多。因而，支柱徑向內部的排氣軸承本體的穩態位置在下止點方向移動偏離中心。上止點處的較高渦輪外殼溫度豎直向上地拉動頂部支柱，因而拉動排氣軸承本體。這部分地通過頂部支柱比底部支柱更熱而抵消。然而，兩種狀況的組合產生了排氣軸承本體在穩態渦輪發動機操作期間停留在豎直較高的偏離中心位置的凈結果，渦輪級1間隙在上止點處太緊，且渦輪級1間隙在下止點處太開放。偏離中心轉子位置在關閉后和回轉齒輪操作期間會引起偏離中心位置，這會引起在熱重啟期間行1渦輪葉片的葉尖摩擦。因而，期望消除排氣軸承本體以徑向方向移動到偏離中心位置的系統。

發明內容

公開了一種燃氣渦輪發動機，具有轉子對中冷卻系統，用于冷卻排氣擴散器內的支柱和渦輪外殼以減少在熱重啟期間的葉尖摩擦。具體地，所述轉子對中冷卻系統可以部分地定位在排氣擴散器中的支柱內，在渦輪組件下游以限制渦輪外殼以及在頂部支柱和底部支柱之間的熱梯度，以防止排氣軸承本體在穩態操作期間由于頂部支柱和外殼變得比底部支柱更熱而變得偏離中心。所述轉子對中冷卻系統可以降低排氣擴散器處的溫度，使得頂部支柱和底部支柱之間的熱梯度與常規系統相比減少。因而，排氣軸承本體保持對中，從而防止在渦輪組件頂部處比渦輪組件底部處更緊的渦輪葉片葉尖間隙。所述冷卻系統可以在穩態操作期間和關閉期間使用，冷卻空氣由外部風扇供應以控制溫度梯度。

在至少一個實施例中，燃氣渦輪發動機可包括一個或更多個排氣擴散器，所述一個或更多個排氣擴散器位于渦輪組件的下游，圍繞燃氣渦輪發動機的中心縱向軸線周向地延伸，且具有從上游邊緣到下游邊緣增加的橫截面面積。一個或更多個支柱可以從至少一個排氣擴散器徑向向內延伸到內部排氣擴散器殼體，所述內部排氣擴散器殼體形成排氣擴散器的徑向內表面。所述支柱可包括位于形成支柱的外壁內的一個或更多個內部冷卻系統。所述燃氣渦輪發動機可包括轉子對中冷卻系統，所述轉子對中冷卻系統從與位于形成支柱的外壁內的內部冷卻系統連通的排氣冷卻歧管形成，用于將冷卻流體供應給支柱內的內部冷卻系統。所述轉子對中冷卻系統可包括轉子對中冷卻通道，所述轉子對中冷卻通道從排氣冷卻歧管中的入口通過渦輪外殼排氣凸緣延伸到護罩腔室中的出口，所述出口在所述至少一個支柱的上游且在形成排氣擴散器的外壁的徑向外部。流動通過轉子對中冷卻通道的冷卻流體夾帶護罩腔室中的環境空氣，從而吹掃護罩腔室且冷卻渦輪外殼排氣凸緣。排氣冷卻歧管可以位于所述至少一個支柱的徑向外部。

所述轉子對中冷卻系統還可以包括一個或更多個排氣冷卻壓力通風部，所述一個或更多個排氣冷卻壓力通風部形成在形成排氣擴散器的外壁的徑向外部的周向延伸冷卻通道。所述排氣冷卻歧管可以經由一個或更多個計量孔與排氣冷卻歧管流體連通。所述計量孔可以位于渦輪外殼排氣凸緣內，從而給渦輪外殼排氣凸緣提供冷卻。所述計量孔具有的徑向延伸寬度可以等于渦輪外殼排氣凸緣處排氣冷卻壓力通風部的徑向延伸寬度。排氣冷卻壓力通風部可以位于排氣冷卻歧管的上游。

所述轉子對中冷卻通道可以從排氣冷卻歧管向上游延伸到護罩腔室。在至少一個實施例中，所述轉子對中冷卻通道可以在排氣冷卻歧管和支柱之間從排氣冷卻歧管延伸到護罩腔室。所述轉子對中冷卻通道的出口可以由一個或更多個狹槽形成。至少一個轉子對中冷卻通道的出口具有圓形橫截面。