用于冷卻渦輪發動機的系統的制作方法
【專利摘要】在一方面中，本主題涉及用于冷卻渦輪發動機的系統。該系統包括冷卻介質源、定子導葉、和渦輪護罩組件，定子導葉具有與冷卻介質源流體地連通的內部流動通路，渦輪護罩組件具有與定子導葉的內部流動通路流體地連通的內部流動通路。該系統允許由冷卻介質源提供的冷卻介質與各種渦輪硬件構件如渦輪護罩組件之間的減小的峰值熱梯度。
【專利說明】
用于冷卻渦輪發動機的系統
技術領域
[0001]本主題大體上涉及渦輪發動機。更具體而言，本主題涉及用于冷卻渦輪發動機的各種渦輪構件如渦輪護罩組件的系統。
【背景技術】
[0002]燃氣渦輪發動機以依次流過的順序大體上包括壓縮機區段、燃燒區段、渦輪區段和排氣區段。在操作中，空氣進入壓縮機區段的入口，在此，一個或更多個軸向壓縮機逐漸地壓縮空氣，直到其達到燃燒區段。燃料在燃燒區段內與壓縮空氣混合且燃燒，以提供燃燒氣體。燃燒氣體從燃燒區段發送至渦輪區段。在特定構造中，渦輪區段以依次流過的順序包括高壓(HP)渦輪和低壓(LP)渦輪。HP渦輪和LP渦輪至少部分地限定燃氣渦輪發動機的熱氣體路徑。燃燒氣體然后經由排氣區段發送出熱氣體路徑。
[0003]在燃燒氣體流過熱氣體路徑時，熱能從燃燒氣體傳遞至各種渦輪硬件構件，諸如定子導葉(stator vane)、禍輪轉子葉片(turbine rotor blade)、禍輪護罩密封件和其他渦輪硬件構件。結果，冷卻各種渦輪硬件構件來滿足熱和/或機械性能要求是必須和/或有益的。
[0004]通常，冷卻介質，諸如來自壓縮機區段的壓縮空氣，通過限定在各種渦輪硬件構件內或周圍的各種冷卻通路或回路來發送。然而，各種渦輪硬件構件中的不合乎需要地高的熱應力可由于與熱燃燒氣體溫度和顯著較低的冷卻介質溫度相關的熱梯度而發生。因此，減小各種渦輪硬件構件，特別是渦輪組件中的熱應力的用于冷卻渦輪發動機的系統在本技術中將是受歡迎的。
【發明內容】
[0005]本發明的方面和優點將在以下描述中部分地提出，或可從描述中清楚，或可通過本發明的實踐而習得。
[0006]在一方面中，本主題涉及一種用于冷卻渦輪發動機的系統。系統包括第一冷卻介質源、第一定子導葉、和第一渦輪護罩組件，第一定子導葉具有與冷卻介質源流體地連通的內部流動通路，第一渦輪護罩組件具有與第一定子導葉的內部流動通路流體地連通的內部流動通路。系統還包括第二冷卻介質源、配置在第一定子導葉的下游且包括內部流動通路的第二定子導葉。第一定子導葉和第二定子導葉至少部分地限定穿過渦輪的熱氣體路徑。系統還包括旁通流動通路，該旁通流動通路至少部分地限定在擋板與定子導葉的外帶環部分之間。旁通流動通路和第二定子導葉的內部流動通路與第二冷卻介質源流體地連通。系統還包括第二渦輪護罩組件，該第二渦輪護罩組件具有與第二定子導葉的內部流動通路和旁通通路中的至少一者流體地連通的內部流動通路。
[0007]在另一方面中，本主題涉及一種用于冷卻渦輪發動機的系統。系統包括第一冷卻介質源、第一定子導葉、和第一渦輪護罩組件，第一定子導葉具有與冷卻介質源流體地連通的內部流動通路，第一渦輪護罩組件具有與第一定子導葉的內部流動通路流體地連通的內部流動通路。系統還包括第二冷卻介質源。第二定子導葉配置在第一定子導葉的下游。第二定子導葉包括內部流動通路。第一定子導葉和第二定子導葉至少部分地限定穿過燃氣渦輪發動機的熱氣體路徑。旁通流動通路至少部分地限定在擋板與定子導葉的外帶環之間。旁通流動通路和第二定子導葉的內部流動通路與第二冷卻介質源流體地連通。系統還包括第二渦輪護罩組件，該第二渦輪護罩組件具有與第二定子導葉的內部流動通路和旁通通路中的至少一者流體地連通的內部流動通路。
[0008]本主題的另一方面涉及一種用于冷卻渦輪發動機的系統。該系統包括渦輪發動機的第一級，該第一級具有定子導葉和渦輪護罩組件。定子導葉具有與冷卻介質源流體地連通的內部流動通路。禍輪護罩組件包括與定子導葉的內部流動通路流體地連通的內部流動通路。該系統還包括配置在第一級下游的渦輪發動機的第二級。第二級包括定子導葉和渦輪護罩組件。第二級的定子導葉包括與第一級的渦輪護罩組件的內部流動通路流體地連通的內部流動通路。第二級的渦輪護罩組件包括與第二級的定子導葉的內部流動通路流體地連通的內部流動通路。
[0009]技術方案1:一種用于冷卻渦輪的系統，所述系統包括:
冷卻介質源；
定子導葉，其具有與所述冷卻介質源流體地連通的內部流動通路;和
渦輪護罩組件，其具有與所述定子導葉的內部流動通路流體地連通的內部流動通路。
[0010]技術方案2:根據技術方案I所述的系統，其中，所述冷卻介質源包括低壓壓縮機和高壓壓縮機中的至少一種。
[0011 ]技術方案3:根據技術方案I所述的系統，其中，所述定子導葉的內部流動通路包括至少一個孔，其中，所述至少一個孔提供沿所述定子導葉的跨度的到內部流動通路外的流體連通。
[0012]技術方案4:根據技術方案I所述的系統，其中，所述定子導葉的內部流動通路包括與所述冷卻介質源流體地連通的入口和與所述渦輪護罩組件流體地連通的出口。
[0013]技術方案5:根據技術方案4所述的系統，其中，所述定子導葉的入口和出口可沿所述定子導葉的外帶環部分形成。
[0014]技術方案6:根據技術方案4所述的系統，其中，所述入口沿所述定子導葉的內帶環部分形成。
[0015]技術方案7:根據技術方案I所述的系統，其中，所述渦輪護罩組件的內部流動通路包括限定在所述渦輪護罩組件的護罩密封件部分內的冷卻空氣倉室。
[0016]技術方案8:根據技術方案I所述的系統，其中，所述定子導葉包括在所述定子導葉的內部流動通路的下游的由所述定子導葉的外帶環部分限定的旁通流動通路，其中，所述旁通流動通路提供所述定子導葉的內部流動通路與所述渦輪的熱氣體路徑之間的流體連通。
[0017]技術方案9:根據技術方案I所述的系統，其中，所述定子導葉和所述渦輪護罩組件為所述高壓渦輪的第一級部分或高壓渦輪的第二級部分中的一者的渦輪硬件構件。
[0018]技術方案10:根據技術方案I所述的系統，還包括與所述渦輪護罩組件的護罩密封件的密封表面徑向地間隔的渦輪轉子葉片，所述渦輪轉子葉片包括多個冷卻通路，其中，所述冷卻通路朝所述護罩密封件的密封表面定向。
[0019]技術方案11:一種用于冷卻渦輪的系統，所述系統包括:
第一冷卻介質源；
第一定子導葉，其具有與所述冷卻介質源流體地連通的內部流動通路；
第一渦輪護罩組件，其具有與所述第一定子導葉的內部流動通路流體地連通的內部流動通路；
第二冷卻介質源；
第二定子導葉，其配置在所述第一定子導葉的下游，所述第二定子導葉具有內部流動通路，其中，所述第一定子導葉和所述第二定子導葉至少部分地限定穿過所述渦輪的熱氣體路徑；
旁通流動通路，其至少部分地限定在擋板與所述定子導葉的外帶環部分之間，其中，所述旁通流動通路和所述第二定子導葉的內部流動通路與所述第二冷卻介質源流體地連通；和
第二渦輪護罩組件，其具有與所述第二定子導葉的內部流動通路和所述旁通通路中的至少一者流體地連通的內部流動通路。
[0020]技術方案12:根據技術方案11所述的系統，其中，所述第一冷卻介質源包括低壓壓縮機和高壓壓縮機中的至少一種。
[0021]技術方案13:根據技術方案11所述的系統，其中，所述第一定子導葉的內部流動通路包括至少一個孔，其中，所述至少一個孔提供沿所述第一定子導葉的跨度的到內部流動通路外的流體連通。
[0022]技術方案14:根據技術方案11所述的系統，其中，所述第二定子導葉的內部流動通路包括至少一個孔，其中，所述至少一個孔提供沿所述第二定子導葉的跨度的到內部流動通路外的流體連通。
[0023]技術方案15:根據技術方案11所述的系統，其中，所述定子導葉的內部流動通路包括與所述冷卻介質源流體地連通的入口和與所述渦輪護罩組件流體地連通的出口。
[0024]技術方案16:根據技術方案11所述的系統，其中，所述第一渦輪護罩組件的內部流動通路包括限定在所述第一渦輪護罩組件的護罩密封件部分內的冷卻空氣倉室。
[0025]技術方案17:根據技術方案16所述的系統，其中，所述第二冷卻介質源包括所述第一渦輪護罩組件的內部流動通路。
[0026]技術方案18:根據技術方案11所述的系統，其中，所述第一定子導葉包括由所述第一定子導葉的外帶環部分限定的旁通流動通路，其中，所述旁通流動通路在所述第一定子導葉的內部流動通路的下游，其中，所述旁通流動通路提供所述第一定子導葉的內部流動通路與所述渦輪的熱氣體路徑之間的流體連通。
[0027]技術方案19:根據技術方案11所述的系統，其中，所述第一定子導葉和所述第一渦輪護罩組件為高壓渦輪的第一級部分的渦輪硬件構件，且所述第二定子導葉和所述第二渦輪護罩組件為所述高壓渦輪的第二級部分的渦輪硬件構件。
[0028]技術方案20:—種用于冷卻渦輪發動機的系統，包括:
所述渦輪發動機的第一級，其具有定子導葉和渦輪護罩組件，所述定子導葉具有與冷卻介質源流體地連通的內部流動通路，且所述渦輪護罩組件具有與所述定子導葉的內部流動通路流體地連通的內部流動通路;和所述渦輪發動機的第二級，其配置在所述第一級的下游，所述第二級具有定子導葉和渦輪護罩組件，所述第二級的定子導葉具有與所述第一級的渦輪護罩組件的內部流動通路流體地連通的內部流動通路，所述第二級的渦輪護罩組件具有與所述第二級的定子導葉的內部流動通路流體地連通的內部流動通路。
[0029]通過參照以下描述和所附權利要求，本發明的這些和其他特征、方面和優點將變得更好理解。并入本說明書中且構成其一部分的附圖例示出了本發明的實施例，且與描述一同用于闡釋本發明的原理。
【附圖說明】
[0030]在參照附圖作出的說明書中闡述針對本領域的技術人員的本發明的完整且可實現的公開，包括其最佳實施方式，在附圖中:
圖1為根據本主題的各種實施例的示范燃氣渦輪發動機的示意截面圖；
圖2為根據本發明的一個實施例的，如圖1中所示的燃氣渦輪發動機的第一級部分的放大截面側視圖，其包括用于冷卻燃氣渦輪發動機的渦輪的系統的示范實施例；
圖3為根據本發明的一個實施例的，如圖1中所示的燃氣渦輪發動機的第一級部分的放大截面側視圖，其包括用于冷卻渦輪發動機的系統的示范實施例；
圖4為根據本發明的一個實施例的，如圖1中所示的燃氣渦輪發動機的第二級部分的放大截面側視圖，其包括用于冷卻渦輪發動機的系統的示范實施例；
圖5為根據本發明的一個實施例的，如圖1中所示的燃氣渦輪發動機的第二級部分的放大截面側視圖，其包括用于冷卻渦輪發動機的系統的示范實施例;且
圖6為根據本發明的一個實施例的，如圖1中所示的燃氣渦輪發動機的第一級部分和第二級部分的一部分的放大截面側視圖，其包括用于渦輪發動機的系統的示范實施例。
[0031]部件列表
10渦扇噴氣發動機 12縱向或軸向中心線 14風扇區段 16核心渦輪發動機 18外殼 20入口 22低壓壓縮機 24高壓壓縮機 26燃燒區段 28尚壓禍輪 30低壓渦輪 32噴氣排氣區段 34高壓軸/轉軸 36低壓軸/轉軸 38風扇轉軸/軸 40風扇葉片42風扇殼或機艙44出口導向導葉46下游區段48旁通空氣流通路50空氣52入口
54空氣的第一部分56空氣的第二部分58空氣的第二部分60燃燒氣體62定子導葉64渦輪轉子葉片66定子導葉68渦輪轉子葉片70風扇噴嘴排氣區段72熱氣體路徑74第一級部分76第二級部分100渦輪冷卻系統102冷卻介質源104定子導葉106內部流動通路108渦輪護罩組件110內部流動通路112壓縮的冷卻介質114 入口116 出口118 入口120護罩塊122流動分配倉室124護罩密封件126徑向內部分128冷卻空氣倉室130內/冷側表面132密封表面134徑向間隙136末梢部分138內帶環部分140孔口 /孔 142旁通流動通路 144外帶環部分 145冷卻通路
146出口 147-199未使用 200渦輪冷卻系統 202冷卻介質源 204定子導葉 206內部流動通路 208渦輪護罩組件 210內部流動通路 212壓縮的冷卻介質 214 入口
216出口
218入口 220護罩塊 222流動分配倉室 224護罩密封件 226徑向內部分 228冷卻空氣倉室 230內/冷側表面 232密封表面 234徑向間隙 236末梢部分 238內帶環部分 240孔口 /孔 242旁通流動通路 244擋板
246外帶環/護罩部分
248入口
250出口 251-299未使用。
【具體實施方式】
[0032]現在將詳細地參照本發明的實施例，其一個或更多個實例在附圖中例示出。該詳細描述使用數字和字母標號來表示附圖中的特征。附圖和描述中的相似或類似的標記用于指本發明的相似或類似的部分。如在本文中使用的，用語“第一”、“第二”和“第三”可以可互換地使用，以將一個構件與另一個區分開，且不意圖表示單獨構件的位置或重要性。用語“上游”和“下游”指相對于流體通路中的流體流的相對方向。例如，“上游”指流體從其流動的方向，且“下游”指流體流至的方向。
[0033]現在參看附圖，其中，相同的數字指示遍及附圖的相同元件，圖1為可包括本發明的各種實施例的在本文中稱為“渦扇10”的示范高旁通渦扇噴氣發動機10的示意截面圖。如圖1中所示，渦扇10具有延伸穿過其的用于參照目的的縱向或軸向中心線軸線12。大體上，渦扇10可包括風扇區段14和配置在風扇區段14下游的核心渦輪發動機或燃氣渦輪發動機16。
[0034]核心渦輪發動機16可大體上包括限定環形入口20的基本上管狀的外殼18。外殼18以依次流過的關系包圍具有增壓器或低壓(LP)壓縮機22、高壓(HP)壓縮機24的壓縮機區段、燃燒區段26、包括高壓(HP)渦輪28、低壓(LP)渦輪30的渦輪區段，和噴氣排氣噴嘴區段32。高壓(HP)軸或轉軸34將HP渦輪28驅動地連接到HP壓縮機24。低壓(LP)軸或轉軸36將LP渦輪30驅動地連接到LP壓縮機22 JLP)軸或轉軸36還可連接到風扇區段14的風扇轉軸或軸38。在特定實施例中，如圖1中所示，(LP)軸或轉軸36可直接地連接到風扇轉軸38，諸如以直接驅動構造的形式。在備選實施例中，(LP)軸或轉軸36可經由減速齒輪(未示出)連接到風扇轉軸38，諸如以間接驅動或齒輪驅動構造的形式。
[0035]如圖1中所示，風扇區段14包括多個風扇葉片40，風扇葉片40聯接到風扇轉軸38且從風扇轉軸38徑向向外地延伸。環形風扇殼或機艙42周向地包繞風扇區段14和/或核心渦輪發動機16的至少一部分。本領域技術人員將認識到的是，機艙42可構造成由多個周向地間隔的出口導向導葉44相對于核心渦輪發動機16得到支承。此外，機艙42的下游區段46可在核心渦輪發動機16的外部上延伸，以便限定其間的旁通空氣流通路48。
[0036]在渦扇10的操作期間，一定體積的空氣50通過機艙42和/或風扇區段14的相關入口 52進入渦扇10。當該體積的空氣50行進跨過風扇葉片40時，如由箭頭54指出的空氣50的第一部分被引導或發送到旁通空氣流通路48中，且如由箭頭56指出的空氣50的第二部分被引導或發送到LP壓縮機22中。空氣的第一部分54與空氣的第二部分56之間的比值通常稱為旁通比。空氣的第二部分56的壓力然后在其被朝高壓(HP)壓縮機24發送時(如由箭頭58指出)增大。空氣的第二部分58被從HP壓縮機24發送到燃燒區段26中，在此，其與燃料混合且焚燒，以提供燃燒氣體60。
[0037]燃燒氣體60被發送穿過HP渦輪28，在此，經由聯接到外殼18的HP渦輪定子導葉62和聯接到HP軸或轉軸34的HP渦輪轉子葉片64的連續級而獲得來自燃燒氣體60的熱能和/或動能的一部分，從而導致HP軸或轉軸34旋轉，從而支持HP壓縮機24的操作。燃燒氣體60然后被發送穿過LP渦輪30，在此，經由聯接到外殼18的LP渦輪定子導葉66和聯接到LP軸或轉軸36的LP渦輪轉子葉片68的連續級從燃燒氣體60獲得熱能和動能的第二部分，從而導致LP軸或轉軸36旋轉，從而支持LP壓縮機22的操作和/或風扇轉軸或軸38的旋轉。
[0038]燃燒氣體60然后被發送穿過核心渦輪發動機16的噴氣排氣噴嘴區段32以提供推進推力。同時地，在空氣54的第一部分在其從禍扇10的風扇噴嘴排氣區段70排出之前被發送穿過旁通空氣流通路48時，空氣的第一部分54的壓力顯著地增大，從而提供推進推力。HP渦輪28、LP渦輪30和噴氣排氣噴嘴區段32至少部分地限定熱氣體路徑72，以用于將燃燒氣體60發送穿過核心禍輪發動機16。
[0039]在核心渦輪發動機16的操作期間，流過HP和LP渦輪區段(特別是流過HP渦輪28)的燃燒氣體60的溫度可為極大的。例如，流過由HP渦輪28限定/限定在HP渦輪28內的熱氣體路徑72的一部分的燃燒氣體可超過2000華氏度。結果，冷卻HP渦輪28和/或LP渦輪30的各種渦輪硬件構件以滿足熱和/或機械性能要求是必須和/或有益的，渦輪硬件構件諸如但不限于定子導葉62、66、渦輪護罩密封件(如圖2-6中例示且如下文詳細描述的)和/或渦輪轉子葉片64、68。
[0040]與渦扇發動機14一起，核心渦輪16用于類似目的，且在岸基燃氣渦輪、渦輪噴氣發動機(在此空氣的第一部分54與空氣的第二部分56之比小于渦扇)中且在無涵道風扇發動機(其中風扇區段14沒有機艙46)中觀察到類似的環境。在渦扇發動機、渦輪噴氣發動機和無涵道發動機中的各個中，減速裝置(例如，減速箱)可包括在任何軸與轉軸之間，例如，在(LP)軸或轉軸36與風扇區段14的風扇轉軸或軸38之間。
[0041]根據本發明的各種實施例，用于冷卻渦輪發動機的系統以依次流過的順序包括冷卻介質源、至少一個定子導葉和渦輪護罩組件，該至少一個定子導葉具有與冷卻介質源流體地連通的內部流動通路，該渦輪護罩組件具有與定子導葉的內部流動通路流體地連通的內部流動通路。
[0042]圖2提供了根據本發明的一個實施例的，核心渦輪發動機16的HP渦輪的第一級部分74的截面側視圖，其包括在本文中稱為“系統100”的用于冷卻渦輪發動機的系統100的示范實施例。應當認識到的是，在本文中參照HP渦輪28提供和描述的系統100也可用于冷卻LP渦輪的各種渦輪硬件構件，且系統100不限于HP渦輪28，除非在權利要求中另外敘述。
[0043]如圖2中所示，系統100以依次流過的順序包括冷卻介質源102、定子導葉104、和渦輪護罩組件108，定子導葉104具有限定或形成在其中的內部流動通路106，渦輪護罩組件108具有限定或形成在其中的內部流動通路110。在特定實施例中，冷卻介質供應源102可包括HP壓縮機24和/或LP壓縮機22中的至少一者。在操作中，冷卻介質供應源102將第一溫度T1下的壓縮冷卻介質(如箭頭112指出的)提供至定子導葉104的內部流動通路106的入口114。冷卻介質112可包括來自HP壓縮機24和/或LP壓縮機22中的至少一者的壓縮空氣。
[0044]在冷卻介質112傳播穿過內部通路106時，來自定子導葉104的熱由冷卻介質112吸收，因此將冷卻介質的溫度從!^升高至較高溫度Τη。冷卻介質112經由出口 116離開內部流動通路106。冷卻介質112然后被朝渦輪護罩組件108的內部流動通路110的入口 118引導或發送。
[0045]入口118可至少部分地限定在渦輪護罩組件108的護罩塊或環部分120內。渦輪護罩組件108的內部流動通路110可至少部分地限定在護罩塊或環部分120內。例如，護罩塊或環部分120可至少部分地限定與入口 118流體地連通的流動分配倉室122。在特定實施例中，內部流動通路110可由聯接到護罩塊或環部分120徑向內部分126的護罩密封件124至少部分地限定。在一個實施例中，護罩密封件124至少部分地限定與流動分配倉室122流體地連通的冷卻空氣倉室128。
[0046]護罩密封件124大體上包括內側或冷側表面130和密封表面132，密封表面132至少部分地暴露于流過熱氣體路徑72的燃燒氣體60。徑向間隙134限定在護罩密封件124的密封表面132與渦輪轉子葉片64中的一個的末梢部分136之間。護罩密封件124在核心渦輪發動機16的操作期間防止和/或控制燃燒氣體60的穿過徑向間隙134的泄漏。
[0047]護罩密封件124和/或密封表面132可由具有高熱容量的一種或多種材料形成，諸如金屬合金、陶瓷或陶瓷基質復合物，以便適應流過熱氣體路徑72的高溫燃燒氣體60。在特定實施例中，護罩密封件124和/或密封表面132可由與形成或構成各種其他硬件構件(諸如靜止導葉104、外殼18和/或渦輪轉子葉片64)的材料不同(S卩，具有不同的熱/機械性質)的材料形成。
[0048]一旦冷卻介質112進入渦輪護罩組件108的內部流動通路110，則其可被引導跨過護罩密封件124的內表面130和/或沖擊在護罩密封件124的內表面130上，從而對護罩密封件124提供對流或沖擊冷卻中的至少一者。當與其初始溫度!^相比時，T11下的冷卻介質112的升高的溫度可穿過護罩密封件124與冷卻介質112之間的厚度和/或峰值熱梯度而減小，從而減小護罩密封件124上的熱應力。這當護罩密封件124和/或密封表面132由陶瓷或陶瓷基質復合材料形成時可能是特別有益的。
[0049]圖3提供了根據本發明的一個實施例的，如圖2中所示的核心渦輪發動機16的HP渦輪28的一部分的截面側視圖，其包括系統100的示范實施例。在如圖3中所示的一個實施例中，去往定子導葉104內部通路106的入口 114可沿定子導葉104的底部或內帶環部分138形成或配置。在一個實施例中，定子導葉104可至少部分地限定多個孔或孔口 140，孔或孔口140提供沿定子導葉104的跨度的到內部流動通路106外的流體連通。
[0050]在特定實施例中，旁通流動通路142可至少部分地由定子導葉104的頂部或外帶環部分144限定，旁通流動通路142提供穿過定子導葉外帶環部分144且進入熱氣體路徑72中的流體連通。旁通流動通路142可構造或定向成朝徑向間隙134引導冷卻介質112，從而對護罩密封件124的密封表面132提供冷卻。在一個實施例中，系統100還可包括限定在渦輪轉子葉片64內的各種冷卻通路145。冷卻通路145可構造或定向成將來自渦輪轉子葉片64的冷卻介質112的單獨的流朝護罩密封件124的密封表面132提供到徑向間隙134中。
[0051]圖4為根據本發明的一個實施例的，如圖1中所示的核心渦輪發動機16的HP渦輪28的第二級部分76的截面側視圖，其包括用于冷卻燃氣渦輪發動機的渦輪的系統200的示范實施例。如圖4中所示，系統200以依次流過的順序包括冷卻介質源202、定子導葉204、和渦輪護罩組件208，定子導葉204具有限定或形成在其中的內部流動通路206，渦輪護罩組件208具有限定或形成在其中的內部流動通路210。在特定實施例中，冷卻介質供應源202可包括HP壓縮機24和/或LP壓縮機22中的至少一者。在操作中，冷卻介質供應源202將第一溫度T2下的壓縮冷卻介質(如箭頭212指出的)提供至定子導葉204的內部流動通路206的入口214。冷卻介質212可包括來自HP壓縮機24和/或LP壓縮機22中的至少一者的壓縮空氣。
[0052]在冷卻介質212傳播穿過內部通路206時，來自定子導葉204的熱能由冷卻介質212吸收，從而將冷卻介質212的溫度從1~2升高至較高的溫度T21。冷卻介質212經由出口 216離開內部流動通路206。冷卻介質212然后被朝渦輪護罩組件208的內部流動通路210的入口 218引導或發送。
[0053]入口218可至少部分地限定在渦輪護罩組件208的護罩塊或環部分220內。渦輪護罩組件208的內部流動通路210可至少部分地限定在護罩塊或環部分220內。例如，護罩塊或環部分220可至少部分地限定與入口 218流體地連通的流動分配倉室222。在特定實施例中，內部流動通路210可由護罩密封件224至少部分地限定，護罩密封件224聯接到護罩塊或環部分220的徑向內部分226。在一個實施例中，護罩密封件224至少部分地限定與流動分配倉室222流體地連通的冷卻空氣倉室228。
[0054]護罩密封件224大體上包括內或冷側表面230和密封表面232，密封表面232至少部分地暴露于流過熱氣體路徑72的燃燒氣體60。徑向間隙234限定在護罩密封件224的密封表面232與第二級部分76的渦輪轉子葉片64中的一個的末梢部分236之間。護罩密封件224在核心渦輪發動機16的操作期間防止和/或控制燃燒氣體60穿過徑向間隙234的泄漏。
[0055]護罩密封件224和/或密封表面232可由具有高熱容量的一種或多種材料形成，諸如金屬合金、陶瓷或陶瓷基質復合物，以便適應流過熱氣體路徑72的高溫燃燒氣體60。在特定實施例中，護罩密封件224和/或密封表面232由與形成或構成各種其他硬件構件(諸如第二級部分76的靜止導葉204、外殼18和/或渦輪轉子葉片64)的材料不同(S卩，具有不同熱/機械性質)的材料形成。
[0056]一旦冷卻介質212進入渦輪護罩組件208的內部流動通路210，則其可被引導跨過護罩密封件224的內表面230和/或沖擊在其上，從而將對護罩密封件224提供對流或沖擊冷卻中的至少一種。當與其初始溫度!^相比時，T21下的冷卻介質212的升高溫度可穿過護罩密封件224與冷卻介質212之間的厚度和/或峰值熱梯度而減小，從而減小了護罩密封件224上的熱應力。這在護罩密封件224和/或密封表面232由陶瓷或陶瓷基質復合材料形成時可能是特別有益的。
[0057]圖5提供了根據本發明的一個實施例的，如圖4中所示的HP渦輪28的第二級部分76的一部分的截面側視圖，其包括系統200的示范實施例。在如圖5所示的一個實施例中，定子導葉204的內部通路206的出口 216可沿定子導葉204的底部或內帶環部分238形成或設置。在一個實施例中，定子導葉204可至少部分地限定多個孔或孔口 240，該孔或孔口 240提供沿定子導葉206的跨度的到內部流動通路206外的流體連通。
[0058]在特定實施例中，旁通流動通路242可至少部分地限定在擋板244與定子導葉204的頂部或外帶環部分246之間。在操作中，冷卻介質212經由入口 248在第一溫度1~2下進入旁通流動通路242。在冷卻介質212流動跨過定子導葉204的頂部或外帶環部分246且穿過旁通流動通路242時，熱能由冷卻介質212吸收，從而將溫度從1~2升高到T21。冷卻介質212經由出口 250離開旁通通路242。冷卻介質212然后被朝渦輪護罩組件208的內部流動通路210的入口 218引導或發送。
[0059]一旦冷卻介質212進入渦輪護罩組件208的內部流動通路210，則其可被引導跨過護罩密封件224的內表面230和/或沖擊在其上，從而對護罩密封件224提供對流或沖擊冷卻中的至少一種。當與其初始溫度!^相比時，T21下的冷卻介質212的升高溫度可穿過護罩密封件224與冷卻介質212之間的厚度和/或峰值熱梯度而減小，從而減小護罩密封件224上的熱應力。這在護罩密封件224和/或密封表面232由陶瓷或陶瓷基質復合材料形成時可能是特別有益的。
[0060]圖6提供了根據本發明的一個實施例的核心渦輪發動機16的HP渦輪28的截面側視圖，其包括如圖5中所示的第一級部分74和第二級部分76的一部分。在一個實施例中，如圖6中所示，系統200的旁通流動通路242可與HP渦輪28的第一級部分74的渦輪護罩組件108的內部流動通路110流體地連通。在操作中，如前文參照系統100所提供的那樣，冷卻介質112在T11下流入渦輪護罩組件108的內部流動通路110中。在冷卻介質112流動跨過護罩密封件124的內表面130和/或沖擊在其上時，來自護罩密封件124的熱能被吸收，從而將冷卻介質的溫度從Tn進一步升高到溫度T12。
[0061 ] 冷卻介質112然后穿過出口 146且朝入口 248流出渦輪護罩組件108，入口 248提供到旁通流動通路242中的流體連通。冷卻介質112的至少一部分流動跨過第二級部分76的定子導葉204的頂部或外帶環部分246。結果，額外的熱能由冷卻介質212吸收，因此將溫度從T12升高到T13。在一個實施例中，冷卻介質112的第二部分可流過第二級部分76的定子導葉204的內部流動通路206。冷卻介質112經由出口 250離開旁通通路242。冷卻介質112然后被朝渦輪護罩組件208的內部流動通路210的入口 218引導或發送。
[0062]一旦冷卻介質112進入渦輪護罩組件208的內部流動通路210，則其可被引導跨過護罩密封件224的內表面230和/或沖擊在其上，從而對護罩密封件224提供對流或沖擊冷卻中的至少一種。當與其初始溫度!^相比時，T13下的冷卻介質112的升高溫度可穿過護罩密封件224與冷卻介質112之間的厚度和/或峰值熱梯度而減小，從而減小護罩密封件224上的熱應力。這在護罩密封件224和/或密封表面232由陶瓷或陶瓷基質復合材料形成時可能是特別有益的。
[0063]如圖2-6中所示且如本文描述和要求保護的用于冷卻渦輪發動機的系統的各種實施例提供了優于用于渦輪發動機的常規冷卻方案的各種技術利益。例如，通過重新使用冷卻介質112、212或將其發送通過和/或跨過渦輪內的多個高溫表面，冷卻介質112、212的總體冷卻有效性可在與在單次冷卻流通構造中使用冷卻介質相比時提高。此外，通過使用相對于TjPT2溫度較暖的冷卻介質冷卻下游構件(諸如護罩組件108、208)，下游構件中的熱應力可由于冷卻介質112、212與待冷卻的構件之間的減小的熱梯度和/或減小的峰值熱梯度而減小。
[0064]本書面說明使用示例以公開本發明，包括最佳實施方式，并且還使任何本領域技術人員能夠實踐本發明，包括制造并且使用任何裝置或系統，并執行任何合并的方法。本發明的可申請專利的范圍由權利要求限定，并且可包括由本領域技術人員想到的其他示例。如果這些其他示例包括不與權利要求的字面語言不同的結構元件，或者如果這些其他示例包括與權利要求的字面語言無顯著差別的等同結構元件，則這些其他示例意圖在權利要求的范圍內。
【主權項】
1.一種用于冷卻渦輪的系統，所述系統包括: 冷卻介質源； 定子導葉，其具有與所述冷卻介質源流體地連通的內部流動通路;和 渦輪護罩組件，其具有與所述定子導葉的內部流動通路流體地連通的內部流動通路。2.根據權利要求1所述的系統，其中，所述冷卻介質源包括低壓壓縮機和高壓壓縮機中的至少一種。3.根據權利要求1所述的系統，其中，所述定子導葉的內部流動通路包括至少一個孔，其中，所述至少一個孔提供沿所述定子導葉的跨度的到內部流動通路外的流體連通。4.根據權利要求1所述的系統，其中，所述定子導葉的內部流動通路包括與所述冷卻介質源流體地連通的入口和與所述渦輪護罩組件流體地連通的出口。5.根據權利要求4所述的系統，其中，所述定子導葉的入口和出口可沿所述定子導葉的外帶環部分形成。6.根據權利要求4所述的系統，其中，所述入口沿所述定子導葉的內帶環部分形成。7.根據權利要求1所述的系統，其中，所述渦輪護罩組件的內部流動通路包括限定在所述渦輪護罩組件的護罩密封件部分內的冷卻空氣倉室。8.根據權利要求1所述的系統，其中，所述定子導葉包括在所述定子導葉的內部流動通路的下游的由所述定子導葉的外帶環部分限定的旁通流動通路，其中，所述旁通流動通路提供所述定子導葉的內部流動通路與所述渦輪的熱氣體路徑之間的流體連通。9.根據權利要求1所述的系統，其中，所述定子導葉和所述渦輪護罩組件為所述高壓渦輪的第一級部分或高壓渦輪的第二級部分中的一者的渦輪硬件構件。10.根據權利要求1所述的系統，還包括與所述渦輪護罩組件的護罩密封件的密封表面徑向地間隔的渦輪轉子葉片，所述渦輪轉子葉片包括多個冷卻通路，其中，所述冷卻通路朝所述護罩密封件的密封表面定向。
【文檔編號】F01D25/12GK106014493SQ201610195118
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年3月31日
【發明人】寧衛, D.P.德伊, M.V.斯林瓦斯
【申請人】通用電氣公司