用于燃气涡轮发动机中的位于压缩机组件下游的中框架扭矩盘的压缩机排放冷却系统

摘要

公开了冷却系统(10)，其构造成冷却涡轮发动机(12)的位于压缩机(14)与涡轮组件(16)之间的各部分。在至少一个实施方式中，冷却系统(10)可包括一个或更多个中框架冷却通道(18)，其从入口(20)延伸穿过定位在压缩机(14)下游且在涡轮组件(16)上游的一个或更多个中框架扭矩盘(22)。入口(20)可定位成接纳压缩机排放空气。中框架冷却通道(18)可定位在中框架扭矩盘(22)的径向外部中以向中框架扭矩盘(22)的外部提供冷却，使得可使用常规低成本材料而非具有承受更高温度能力的高成本材料形成中框架扭矩盘(22)。行进穿过中框架扭矩盘(22)中的中框架冷却通道(18)的冷却流体可排出到下游涡轮组件(16)用的冷却系统(10)中。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及涡轮发动机，并且更具体地涉及用于燃气涡轮发动机中的涡轮机翼型件的带冷却空气的冷却流体给送系统。

背景技术

通常，燃气涡轮发动机包括用于压缩空气的压缩机、用于将经压缩的空气与燃料混合并点燃混合物的燃烧室、以及用于产生动力的涡轮叶片组件。燃烧室通常在可以超过2500华氏度的高温下操作。典型的涡轮机燃烧室构型使涡轮叶片组件暴露于这些高温。因此，涡轮动叶(blade)和涡轮静叶(vane)必须由能够承受这种高温的材料制成。涡轮动叶、涡轮静叶和其他部件通常包括冷却系统以延长这些物件的寿命并降低由于过高温度而导致故障的可能性。

尽管涡轮发动机内的常规冷却系统对发动机的各部分——包括压缩机和涡轮组件——进行冷却，但定位在压缩机与涡轮组件之间的中框架扭矩盘仍面临冷却挑战。一种解决方案是由相比于常规的较低成本材料具有较高耐热性的更昂贵的材料形成中框架扭矩盘。然而，即使使用这种高成本的材料，中框架扭矩盘也会遭受高水平的蠕变。

发明内容

公开了一种冷却系统，该冷却系统构造成对涡轮发动机的位于压缩机与涡轮组件之间的各部分进行冷却。在至少一个实施方式中，冷却系统可以包括一个或更多个中框架冷却通道，所述一个或更多个中框架冷却通道从入口延伸穿过定位在压缩机下游且在涡轮组件上游的一个或更多个中框架扭矩盘。入口可以定位成接纳压缩机排放空气。中框架冷却通道可以定位在中框架扭矩盘的径向外部部分中，以向中框架扭矩盘的外部部分提供冷却，使得可以使用常规的低成本材料而不是具有承受更高温度的能力的高成本材料来形成中框扭矩盘。行进穿过中框架扭矩盘中的中框架冷却通道的冷却流体可以被排出到用于下游的涡轮组件的冷却系统中。

在至少一个实施方式中，用于涡轮发动机的冷却系统可以包括压缩机，该压缩机由定位在压缩机室内的多个级形成，其中，所述多个级中的每个级均可以包括一组径向延伸的压缩机叶片。冷却系统还可以包括一个或更多个中框架冷却通道，所述一个或更多个中框架冷却通道从入口延伸穿过定位在压缩机下游且在涡轮组件上游的至少一个中框架扭矩盘。中框架冷却通道可以延伸穿过一个或更多个中框架扭矩盘的外部部分。特别地，中框架冷却通道可以在所述至少一个中框架扭矩盘的在径向上最靠外的50％内轴向地延伸穿过中框架扭矩盘。在至少一个实施方式中，中框架冷却通道可以在中框架扭矩盘的在径向上最靠外的25％内轴向地延伸穿过中框架扭矩盘。在又一实施方式中，中框架扭矩盘可以由定位在扭矩盘毂的径向外侧的扭矩盘缘形成，由此，外盘本体和内盘本体由扭矩盘腹板分开，扭矩盘腹板具有比扭矩盘缘和扭矩盘毂两者小的轴向延伸宽度，并且中框架冷却通道定位在扭矩盘缘中。

冷却系统还可以包括一个或更多个冷却流体供给排放回路，所述一个或更多个冷却流体供给排放回路具有排放入口，该排放入口使冷却流体排放回路与压缩机室流体连通以接纳来自压缩机室的流体，由此，中框架冷却通道的入口与冷却流体供给排放回路流体连通。中框架冷却通道可以从入口延伸到定位在中框架扭矩盘上游的至少一个压缩机盘中。冷却系统还可以包括一个或更多个入口部段，所述一个或更多个入口部段与入口连通并且所述一个或更多个入口部段紧接于入口下游，其中，入口部段与涡轮发动机的纵向轴线不平行且不正交以产生去涡旋(de-swirling)作用，从而使压降最小化。

在至少一个实施方式中，中框架冷却通道可以包括多个轴向延伸的中框架通道，所述多个轴向延伸的中框架通道轴向地延伸穿过中框架扭矩盘。相邻的轴向中框架延伸通道可以彼此等距地定位，并且相邻的轴向中框架延伸通道可以定位在沿径向向外的方向距涡轮发动机的纵向轴线的相等距离处。中框架冷却通道可以从中框架扭矩盘延伸到定位在中框架扭矩盘下游的至少一个涡轮盘中。中框架冷却通道可以包括位于涡轮组件中的一个或更多个出口。在至少一个实施方式中，中框架冷却通道可以由筒形管道形成。

冷却系统还可以包括与冷却系统的出口连通的一个或更多个出口部段，其中，出口部段定位成紧接于出口上游，并且出口部段与涡轮发动机的纵向轴线不平行且不正交。冷却系统还可以包括一个或更多个热障覆层，所述一个或更多个热障覆层位于中框架扭矩盘的径向外表面上并且在径向向外方向上与中框架冷却通道对准。

冷却系统的优点在于：冷却系统可以向中框架扭矩盘的外部部分提供冷却，使得可以使用常规的低成本材料而不是具有承受更高温度的能力的高成本材料来形成中框架扭矩盘，从而节省大量成本。

冷却系统的另一优点在于：冷却系统利用压缩机排放空气操作，从而消除了任何对替代性的冷却空气流体源的需求，这提高了涡轮发动机的效率。

冷却系统的又一优点在于：冷却系统可以减小应力，从而使扭矩盘的断裂寿命增大。

冷却系统的另一优点在于：冷却系统在压缩机和涡轮盘中产生减小的叶片末端部间隙。

下面对这些及其他实施方式进行更详细地描述。

附图说明

结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了目前所公开的本发明的各实施方式并且与说明书一起公开了本发明的原理。

图1是具有用于一个或更多个中框架扭矩盘和其他涡轮发动机部件的冷却系统的涡轮发动机的局部横截面立体图。

图2是涡轮发动机的一部分的在图1中的细节线2-2处截取的局部横截面侧视细节图，其中，冷却系统具有位于入口下游的入口部段。

图3是涡轮发动机的一部分的在图1中的细节线2-2处截取的局部横截面侧视细节图，其中，冷却系统具有位于入口下游的入口部段。

图4是在内表面上具有肋部的中框架冷却通道的局部立体图。

图5是具有粗糙化的内表面的中框架冷却通道的局部立体图。

图6是在没有冷却系统的情况下在稳态操作条件下从涡轮发动机内的材料温度的预测软件输出的屏幕截图，其示出了中框架扭矩盘内的大的温度梯度和中框架扭矩盘中的高温。

图7是在具有冷却系统的情况下在稳态操作条件下从涡轮发动机内的材料温度的预测软件输出的屏幕截图，其示出了中框架扭矩盘内的非常小的温度梯度和中框架扭矩盘中的甚至是冷的温度。

具体实施方式

如图1至图7中所示，公开了一种冷却系统10，该冷却系统10构造成对涡轮发动机12的位于压缩机14与涡轮组件16之间的各部分(aspect)进行冷却。在至少一个实施方式中，冷却系统10可以包括一个或更多个中框架冷却通道18，所述一个或更多个中框架冷却通道18从入口20延伸穿过定位在压缩机14下游且在涡轮组件16上游的一个或更多个中框架扭矩盘22。入口20可以定位成接纳压缩机排放空气。中框架冷却通道18可以定位在中框架扭矩盘22的径向外部部分中，以向中框架扭矩盘22的外部部分提供冷却，使得可以使用常规的低成本材料而不是具有承受更高温度能力的高成本材料来形成中框架扭矩盘22。行进穿过位于中框架扭矩盘22中的中框架冷却通道18的冷却流体可以被排出到用于下游的涡轮组件16的冷却系统10中。

在至少一个实施方式中，用于涡轮发动机12的冷却系统10可以包括压缩机14，如图1中所示，压缩机14由定位在压缩机室28内的多个级26形成。所述多个级26中的每个级均可以包括一组径向延伸的压缩机叶片29。级26可以具有已经发明的任何适当的构型或者尚未构思的构型。

如图2和图3中所示，冷却系统10可以包括一个或更多个中框架冷却通道18，所述一个或更多个中框架冷却通道18从入口20延伸穿过定位在压缩机14下游且在涡轮组件16上游的一个或更多个中框架扭矩盘22。中框架冷却通道18可以具有任何适当的构型。在至少一个实施方式中，中框架冷却通道18可以由筒形管道形成。筒形管道可以由中框架扭矩盘22中的钻孔形成。在至少一个实施方式中，冷却系统10可以包括穿过一个或更多个中框架扭矩盘22的多个中框架冷却通道18。冷却系统10可以包括中框架冷却通道18的数量和尺寸的任何适当组合，以在满足转子完整性的同时为中框架扭矩盘22提供必需的冷却。在至少一个实施方式中，冷却系统10可以包括二十个中框架冷却通道18。在另一实施方式中，冷却系统10可以包括五十个中框架冷却通道18。在又一实施方式中，冷却系统10可以包括七十一个中框架冷却通道18。冷却系统10可以包括数目在二十与一百之间的冷却通道18。在至少一个实施方式中，相邻的轴向中框架延伸通道18可以定位在沿径向向外的方向距涡轮发动机12的纵向轴线48的相等距离处。替代性地，轴向中框架延伸通道18中的两个或更多个轴向中框架延伸通道可以定位在从涡轮发动机12的纵向轴线48径向向外延伸的不同距离处。相邻的轴向中框架延伸通道18中的一个或更多个或者所有轴向中框架延伸通道可以彼此等距地定位。在其他实施方式中，相邻的轴向中框架延伸通道18中的一个或更多个或者所有轴向中框架延伸通道可以以交替的距离、随机的距离或彼此不同的距离定位。中框架冷却通道18中的一个或更多个中框架冷却通道可以具有改进的内表面40以增强热传递，如图4和图5中所示。特别地，中框架冷却通道18的内表面40可以包括热传递增强特征、比如但不局限于如图4中所示的形成带肋表面的肋部42和如图5中所示的高度粗糙化的表面。

在至少一个实施方式中，中框架冷却通道18可以定位在中框架扭矩盘22的外部部分中。具体地，中框架冷却通道18可以在中框架扭矩盘22的在径向上最靠外的50％内轴向地延伸穿过中框架扭矩盘22。在另一实施方式中，中框架冷却通道18可以在中框架扭矩盘22的在径向上最靠外的25％内轴向地延伸穿过中框架扭矩盘22。在又一实施方式中，中框架扭矩盘22可以由定位在扭矩盘毂32的径向外侧的扭矩盘缘30形成。外盘本体30和内盘本体32可以由扭矩盘腹板34分开，扭矩盘腹板34具有比扭矩盘缘30和扭矩盘毂32中的每一者的宽度小的轴向延伸宽度。中框架冷却通道18可以定位在扭矩盘缘30中。扭矩盘缘30可以形成中框架扭矩盘22的径向延伸长度的靠外的25％。

在至少一个实施方式中，冷却系统10可以包括一个或更多个冷却流体供给排放回路38。冷却流体供给排放回路38可以将冷却流体供给至冷却系统10。在其他实施方式中，冷却系统10可以从压缩机14的压缩机室28直接接纳作为排放空气的冷却流体。冷却流体供给排放回路38可以包括排放入口36，排放入口36可以使冷却流体供给排放回路38与压缩机室28流体连通以接纳来自压缩机室28的流体。在至少一个实施方式中，中框架冷却通道18的入口20可以与冷却流体供给排放回路38流体连通。在其他实施方式中，中框架冷却通道18的入口20可以与压缩机14的压缩机室28流体连通以接纳压缩机排放流体、例如但不局限于空气。中框架冷却通道18可以从入口20延伸到定位在中框架扭矩盘22上游的一个或更多个压缩机盘44中。冷却系统10还可以包括入口部段46，入口部段46与入口20连通并且入口部段46紧接于入口20下游。入口部段46可以与涡轮发动机12的纵向轴线48不平行且不正交。入口部段46可以与压缩机叶片29的旋转方向不对准以产生去涡旋作用，从而使压降最小化。

如图2和图3中所示，中框架冷却通道18中的一个或更多个中框架冷却通道可以包括位于涡轮组件16中的出口52。中框架冷却通道18可以从中框架扭矩盘22延伸到定位在中框架扭矩盘22下游的一个或更多个涡轮盘50中。涡轮组件16中的出口52可以构造成将冷却流体排出到二级涡轮机的涡轮盘50中，以向涡轮组件16供给冷却流体。中框架冷却通道18中的一个或更多个中框架冷却通道还可以包括与冷却系统10的出口52连通的出口部段54。出口部段54可以定位成紧接于出口52上游。出口部段54可以与涡轮发动机12的纵向轴线48不平行且不正交。出口部段54可以逆着旋转方向定位以产生去涡旋作用，从而使压降最小化。

冷却系统10可以包括位于中框架扭矩盘22的径向外表面58上的热障覆层56。位于中框架扭矩盘22的径向外表面58上的热障覆层56可以在径向向外方向上与中框架冷却通道18对准。热障覆层56可以是已经构思或尚未构思的任何适当的热障覆层。热障覆层56可以定位在中框架扭矩盘22的外表面58的暴露于热空气或风阻热敏器件的关键区域中，以进一步降低中框架扭矩盘22的温度。

在使用期间，经压缩的空气经由与压缩机室28流体连通的一个或更多个入口20而从压缩机14排放。入口20可以通过直接联接至压缩机室28而与压缩机室28流体连通、或者比如经由冷却流体供给排放回路38而与压缩机室28间接地连通。冷却流体——冷却流体可以是空气、但不局限于空气——可以进入入口20中并紧接着流入入口部段46中，该入口部段46与压缩机叶片29的旋转方向不对准以产生去涡旋作用，从而使压降最小化。然后，冷却流体向下游流动穿过中框架冷却通道18，由此对所述一个或更多个中框架扭矩盘22的较热的外部部分进行冷却。流动穿过所述一个或更多个中框架扭矩盘22的较热的外部部分的冷却流体的温度增大。冷却流体可以从中框架冷却通道18经由出口部段54和出口52而排出。冷却流体可以排出到定位在中框架扭矩盘22下游的一个或更多个涡轮盘50中。所排出的冷却流体可以用于对涡轮组件16的部件的各部分进行冷却。图7中示出了在中框架扭矩盘22内的经由冷却系统10所经历的冷却，相比之下，图6中示出了中框架扭矩盘内的大的温度梯度和中框架扭矩盘22中的高温。

出于说明、解释和描述本发明的各实施方式的目的而提供了前述内容。对这些实施方式的修改和适应性改变对于本领域技术人员而言将是显而易见的，并且可以在不背离本发明的范围或精神的情况下进行。