發動機和用于操作所述發動機的方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及如權利要求1的前序部分中所述的發動機的領域。具體地，本公開可涉及工作發動機，并且更具體地涉及燃氣渦輪。本公開還涉及引導靜葉元件，特別是適合用于這種發動機的渦輪壓縮機。本公開還涉及用于冷卻發動機的構件的方法。
【背景技術】
[0002]高效率發動機通常需要高工作溫度。內燃機可以提供溫度遠遠超過大多數材料能忍受的溫度的工作流體，特別是當同時需要維持機械強度的時候。用于使熱壓縮工作流體膨脹的發動機構件因此可能需要適當的冷卻。對于暴露于高溫流體的不間斷流的構件更是如此，該高溫流體特別是燃燒氣體，諸如在燃氣渦輪發動機的膨脹渦輪的熱氣通道中的構件的情況。燃燒器以及現今的內燃式燃氣渦輪的至少第一級的引導靜葉和旋轉葉片需要可靠冷卻。同樣，渦輪定子和轉子的部分，諸如，例如軸或者設置在壓縮機的下游的軸的部分可能需要冷卻。一種提供冷卻劑的方法是，從燃氣渦輪壓縮機內或者從燃氣渦輪壓縮機后抽取一些空氣，利用所述抽取的空氣流繞過燃燒器，以及將所述空氣引導至需要冷卻的構件。應該理解，從壓縮機抽取空氣(然后至少部分地繞過熱動力過程)是昂貴的，且因此，應該盡可能高效地使用冷卻空氣以便減少由抽取冷卻空氣造成的效率損失。
[0003]雖然將冷卻空氣引導至燃氣渦輪的固定部分相對容易，但將冷卻空氣引導至轉子部分更具挑戰性。本領域已知的是例如在最后壓縮機葉片與靜葉排之間抽取空氣。這是轉子軸通常與固定蓋接觸的地方。在這個位置處出現可用于抽取冷卻劑的環形泄漏間隙。然后，例如，通過形成在轉子內的管道或者通過形成在轉子或者軸外表面與蓋的內壁之間的環形間隙來引導所抽取的冷卻劑以使渦輪部分旋轉。
[0004]然而，由于流過第一渦輪靜葉排的氣體的壓力比遠遠高于由最后的壓縮機靜葉排產生的壓力比，需要將復雜密封機構設置在該冷卻劑管道的下游端，并且，通常應用某些測量以在冷卻劑被供給到例如旋轉渦輪葉片且然后被排放到渦輪熱氣流之前調整冷卻劑的壓力。
[0005]此外，應該注意，根據發動機壓力比和周圍溫度，在從壓縮機抽取時應用于冷卻的流體的溫度容易在300° C到500° C以上的范圍內。
【發明內容】
[0006]本文公開的裝置和方法的一個目的是改善現有技術。本文公開的裝置和方法的另一目的是克服現有技術(并且更具體地上面所述的現有技術)中的某些缺點。
[0007]這通過如權利要求1中所述的發動機實現，并且進一步通過進一步的獨立權利要求中所述的構件和方法實現。
[0008]本公開教導了一種發動機，所述發動機包括壓縮機、膨脹機和軸，該軸具有旋轉方向。所述發動機可以是工作發動機。另外，所述發動機可以是燃氣渦輪，并且特別是內燃式燃氣渦輪。
[0009]應該注意，在本公開內，“軸”和“轉子”在很大程度上被同義地使用，因此，轉子包括固定到該轉子或者另外安裝到該轉子上的軸和任何旋轉部分，諸如，例如旋轉葉片、隔熱罩等等。
[0010]另外，在本公開內，靜葉表示固定到發動機定子上或者另外連接至發動機定子的固定流引導元件，而葉片表示固定到發動機轉子或者另外安裝至發動機轉子的旋轉流偏轉元件。
[0011]發動機包括壓縮流體主流徑，應該理解，在本公開的含意中，該壓縮流體主流徑包括在壓縮機內的主流徑，并且還可以包括從壓縮機出口到燃燒器或者任何其他壓縮流體加熱裝置的流徑。分流器部件設置在壓縮器主流徑處并且流體地連接至壓縮器主流徑。管道流體地連接分流器和膨脹機的構件，并且設置為使得，當操作發動機時，將流體通過管道從分流器引導至所述構件。此外，流偏轉器裝置設置在由分流器部件和/或所述管道中的任何一者提供的流徑內。流偏轉器裝置設置為并且適于使經過所述流偏轉器裝置從分流器朝膨脹機構件導向的流在切向方向上偏轉且特別地因此加速。偏轉器裝置可以設置在管道的上游側或者特別是端部處。在這種情況下，使流過管道的流體流偏轉的效果在整個管道內變得有效。
[0012]在本公開的一個方面中，偏轉器裝置設計為并且設置為使得所述偏轉在軸旋轉方向上實現。然而，可構想其中偏轉器裝置設計為并且設置為使得所述偏轉與軸旋轉方向相反實現。
[0013]如將變得顯而易見，在使可壓縮流體加速時，溫度和靜壓降低。如進一步變得顯而易見，所述抽取的壓縮流體局部流意圖用作用于發動機構件的冷卻劑。因為溫度降低，所以冷卻效率增強。具體地，當引導冷卻劑沿軸的外表面或者通過轉鼓時，如在下面更詳細地標明的那樣，改善了轉子冷卻，或者減少從介質到本身形成轉子的一部分的軸的吸熱。將進一步認識到，由于冷卻劑管道中的靜壓減小，在冷卻劑管道的下游熱氣側的冷卻劑泄漏可能減小，且/或冷卻劑管道與熱工作流體主流之間的密封可能較便宜。如還將認識到，在切向方向上使冷卻劑流加速時，所述加速可以在不改變冷卻劑管道截面的情況下實現。在軸旋轉的方向上導向冷卻劑流時可發現進一步的益處。即，一方面，特別是當冷卻劑管道形成在間隙(例如，在軸與固定部分(例如，如將在下面更詳細的標明蓋)之間的環形間隙)中時，冷卻劑與轉子之間的摩擦損失會減小。特別對于大型發動機而言，諸如固定式發電燃氣渦輪，在軸的外表面處的切向速度可以達到遠遠超過100 m/s的相當大的量級。如將認識到，并且，在進一步考慮這種軸的大的表面積時，相對于軸的外表面具有很大程度上不同的切向速度的冷卻劑流與軸之間的摩擦損失可能相當大。由于提出的流的切向加速度，流的切向速度與軸外表面的切向速度可以具有更緊密的匹配，并且可以大大減少所述摩擦損失。還將變得顯而易見的是，如果壓縮流體局部流從渦輪壓縮機旋轉葉片排的下游抽取，并且特別是當旋轉葉片設置在軸上時，流在抽取時已經具有在軸旋轉的方向上的切向速度，且因此在偏轉器中需要較少的額外流加速和偏轉來實現期望效果。
[0014]在所抽取的流體流的雷諾數由于加速而增加時，可增強構件與所抽取的流體流之間的熱傳遞。
[0015]此外，在本公開的另一方面中，如果壓縮流體局部流被引導至轉子腔內，那么可以使偏轉器成形為使得偏轉器將額外的速度分量加到朝轉子導向的抽取的介質流，即，例如，徑向向內的范圍。偏轉器然后將調整、配置和設置為使得所抽取的流體流在徑向向內范圍中且在周向方向上偏轉。具體地，在增加該徑向向內范圍，向心速度分量，以及聯合軸旋轉方向上的上述切向速度分量的過程中，流可以朝軸的入口開口導向，其在軸或者轉子的外部與轉子腔之間(或者，換言之，在所抽取的流體流與轉子或者軸腔之間)提供流體連接。流的切向速度分量可以具有與轉子軸外部且因而與所述入口開口的切向速度的匹配。由于該匹配和流朝所述開口的方向，可以在不提供所述入口開口的復雜幾何的情況下很大程度上促進介質流入該入口開口。
[0016]可能被明確標明或者可能未被明確標明的本公開的教導的進一步的效果和益處可為固有的，或者對本領域技術人員可為顯而易見的。
[0017]應該理解，在如提出的發動機中應用的分流器中，對上述標明的特性而言額外的特性可以發現是有益的。例如，這已經被證明有益于將這種分流器設計為爭取盡可能平穩的流偏轉。具體地，應該避免造成渦流的急劇偏轉。因此，當靜壓的下降已經表現為合乎需要時，避免將對總體發動機效率不利的抽取的流體流的總壓力損失，或者至少將其減少到最小。
[0018]在發動機的一個實施例中，壓縮機為渦輪壓縮機，該渦輪壓縮機包括設置在軸上的至少一排旋轉或者運轉的葉片以及設置在所述排運轉葉片的下游的相應排固定靜葉，并且，分流器設置在例如所述排葉片與所述相應排靜葉之間。所述布置的一個優點在于:壓縮流體在被分流器抽取時因旋轉葉片所產生的流體的加速將具有在軸的方向或者轉子旋轉的方向上的第一切向速度分量，或者，換言之，壓縮機級中的靜壓累積未完全產生。因此，在偏轉器裝置中需要較少偏轉來實現期望效果。在另一個實施例中，渦輪壓縮機為多級渦輪壓縮機，并且分流器可以設置在最下游(即，最后的)的壓縮機級的相應葉片排與靜葉排之間。
[0019]流偏轉器裝置可以包括多個翼型件。這些翼型件可設置為提供上游公稱流動角和下游公稱流動角，或者，對于流管道中的翼型件陣列而言通常還被稱為，流入角和流出角，每個角度相對于流體流的軸向方向測量。流體流的所述軸向方向可以被認為與軸的軸向方向相同，特別是在軸向流渦輪發動機中。所述角度例如分別由前緣和后緣處的翼型件傾斜線的方向限定。特別地，下游公稱流動角或者流出角大于上游公稱流動角或者流入角，并且朝軸旋轉方向傾斜，以便當流體流相應地沿翼型件流動時或者穿過翼型件陣列時使流體流偏轉到軸旋轉方向。偏轉裝置因此可以類似于設置在分流器上或者設置在冷卻劑管道中的引導靜葉排。應該理解，流也可以相對于軸旋轉方向偏轉，這將需要大的偏轉角。下面將更詳細地標明將這種大偏轉角應用于具有相對于軸旋轉方向引導的切向速度的優點。
[0020]可構想進一步的實施例，其中，偏轉裝置可為適當成形的噴嘴或者孔口，或者相應地多個噴嘴或者孔口。
[0021 ]應該理解，偏轉器是發動機的固定構件。
[0022]在進一步的實施例中，偏轉裝置設置在發動機的固定部分上，并且可以特別地設置在形成在轉子軸與所述固定部分之間的間隙內。偏轉裝置可以特別地設置在圍繞軸的蓋、引導靜葉徑向內側部分(特別是引導靜葉的徑向內護罩)或者分流器中的一者上。同樣，分流器可以由蓋或