用于燃气涡轮发动机中的组件的涡轮框架冷却系统和方法与流程

关于联邦资助的研究和开发的声明

本发明是根据美国空军授予的合同no.fa8650-09-d-2922而在政府的支持下进行的。政府对本发明具有某些权利。

本文描述的申请大体涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言涉及用于燃气涡轮发动机中的涡轮框架冷却系统。

背景技术：

燃气涡轮发动机典型地包括入口、风扇、低压和高压压缩机、燃烧器和低压和高压涡轮。压缩机压缩空气，压缩空气被引导到燃烧器，在这里，其与燃料混合。混合物然后被点燃，以产生热燃烧气体。燃烧气体被引导到涡轮，涡轮从燃烧气体抽取能量，以对压缩机提供功率，以及产生有用功来驱动飞行中的航空器或对负载(诸如发电机)提供功率。

在发动机运行期间，产生大量的热，其会升高包围各种发动机构件的框架的温度。具体而言，至少一种已知的框架包括径向支承支柱，其凸出穿过环形流路径，以互连内和外框架部件。因为流过流路径的运动流体的温度在过渡发动机运行期间变化非常快，所以当支柱被允许以与内和外框架部件显著不同的速率加热和冷却时，在刚性框架组件中可产生显著热应力。关于涡轮框架组件特别是这样，因为包围涡轮框架组件的排气经历运行温度和产生的热应力的最快速且最大的变化。至少一些已知的冷却系统使用压缩机空气或膛孔(bore)空气来吹扫和冷却框架，以降低热梯度。但是，使用压缩机空气或膛孔流可导致发动机循环不那么高效。

技术实现要素：

在一个方面，提供一种用于燃气涡轮发动机的涡轮框架冷却系统。涡轮框架冷却系统包括限定腔体的外环和定位在外环的径向内侧的轮毂。涡轮框架冷却系统还包括联接在外环和轮毂之间的多个沿周向间隔开的第一流线体(fairing)和联接在外环和轮毂之间的多个沿周向间隔开的第二流线体，其中，第一和第二流线体围绕轮毂交替地定位。涡轮框架冷却系统还包括联接到外环上的多个沿周向间隔开的空气斗(scoop)。多个空气斗延伸到旁通流中且构造成引导旁通空气冷却流进入外环的腔体。

在另一个方面，提供一种冷却燃气涡轮发动机的涡轮框架的方法。方法包括将冷却流从旁通导管引导通过多个空气斗，其中，多个空气斗联接到框架的外环上且延伸到旁通导管中。方法还包括引导冷却流的第一部分通过联接在外环和内轮毂之间的多个第一流线体，以及引导冷却流的第二部分通过联接在外环和内轮毂之间的多个第二流线体。多个第一流线体与多个第二流线体交替地定位。

技术方案1.一种用于燃气涡轮发动机的涡轮框架冷却系统，所述涡轮框架冷却系统包括：

限定腔体的外环；

定位在所述外环的径向内侧的轮毂；

联接在所述外环和所述轮毂之间的多个沿周向间隔开的第一流线体；

联接在所述外环和所述轮毂之间的多个沿周向间隔开的第二流线体，其中，所述多个第一和第二流线体围绕所述轮毂交替地定位；以及

联接到所述外环上的多个沿周向间隔开的空气斗，其中，所述多个空气斗延伸到旁通流中且构造成引导旁通空气冷却流进入所述腔体。

技术方案2.根据技术方案1所述的涡轮框架冷却系统，其特征在于，进一步包括多个独立的冷却回路，其中，各个冷却回路包括：

所述多个空气斗中的空气斗；

所述多个第一流线体中的第一流线体；以及

所述多个第二流线体中的第二流线体，其中，所述第一流线体定位在所述第二流线体附近。

技术方案3.根据技术方案2所述的涡轮框架冷却系统，其特征在于，所述多个冷却回路中的各个冷却回路包括密封件，其联接在所述腔体内且构造成在所述外环内限定多个独立的回路腔体，其中，各个回路腔体对应于所述多个冷却回路中的冷却回路。

技术方案4.根据技术方案3所述的涡轮框架冷却系统，其特征在于，各个密封件定位在各个冷却回路的周向下游端处。

技术方案5.根据技术方案2所述的涡轮框架冷却系统，其特征在于，各个空气斗构造成引导所述冷却流的第一部分沿径向通过所述第一流线体且引导所述冷却流的第二部分通过所述第二流线体。

技术方案6.根据技术方案5所述的涡轮框架冷却系统，其特征在于，冷却空气的所述第一部分处于第一温度，并且冷却空气的所述第二部分处于高于所述第一温度的第二温度。

技术方案7.根据技术方案1所述的涡轮框架冷却系统，其特征在于，进一步包括联接在所述轮毂和所述外环之间的多个支柱，其中，各个支柱定位在所述多个第二流线体中的对应的第二流线体内。

技术方案8.根据技术方案1所述的涡轮框架冷却系统，其特征在于，进一步包括联接在所述轮毂和所述外环之间的多组流体线路，其中，各组流体线路定位在所述多个第一流线体中的对应的第一流线体内。

技术方案9.根据技术方案1所述的涡轮框架冷却系统，其特征在于，进一步包括控制系统，其构造成控制通过所述多个空气斗的冷却空气流。

技术方案10.根据技术方案9所述的涡轮框架冷却系统，其特征在于，所述控制系统包括：

至少一个温度传感器，其联接到所述第一流线体、所述第二流线体和所述外环中的至少一个上；

至少一个阀，其联接到所述多个空气斗中的各个空气斗上，其中，所述至少一个阀控制进入所述空气斗的冷却空气；以及

控制器，其操作性地联接到所述至少一个传感器和所述至少一个阀上，其中，所述控制器构造成在从所述至少一个传感器接收表示预定温度的信号时，打开所述至少一个阀。

技术方案11.根据技术方案1所述的涡轮框架冷却系统，其特征在于，进一步包括多个沿周向间隔开的密封件，其联接在限定所述外环中的腔体内，其中，所述多个密封件构造成限制所述腔体内的冷却空气的周向流动。

技术方案12.一种冷却燃气涡轮发动机的涡轮框架的方法，所述方法包括：

将冷却流从旁通导管引导通过联接到框架的外环上的多个空气斗，其中，所述多个斗延伸到所述旁通导管中；

引导所述冷却流的第一部分通过多个第一流线体，其中，所述多个第一流线体联接在所述外环和内轮毂之间；

引导所述冷却流的第二部分通过多个第二流线体，其中，所述多个第二流线体联接在所述外环和所述内轮毂之间，并且与所述多个第一流线体交替地定位。

技术方案13.根据技术方案12所述的方法，其特征在于，引导冷却流的所述第一部分包括沿着延伸在所述外环和所述轮毂之间的多个流体线路引导冷却流的所述第一部分。

技术方案14.根据技术方案13所述的方法，其特征在于，引导冷却流的所述第二部分包括沿着延伸在所述外环和所述轮毂之间的多个支柱引导冷却流的所述第二部分。

技术方案15.根据技术方案14所述的方法，其特征在于，沿着多个流体线路引导冷却流的所述第一部分包括沿着多个流体线路以第一温度引导冷却流的所述第一部分，并且其中，沿着多个支柱引导冷却流的所述第二部分包括沿着多个支柱以高于所述第一温度的第二温度引导冷却流的所述第二部分。

技术方案16.根据技术方案12所述的方法，其特征在于，进一步包括联接多个密封件与所述外环，以在其中限定多个冷却回路。

技术方案17.根据技术方案16所述的方法，其特征在于，各个冷却回路包括：

所述多个空气斗中的空气斗；

所述多个第一流线体中的第一流线体；以及

所述多个第二流线体中的第二流线体，其中，所述第一流线体定位在所述第二流线体附近。

技术方案18.根据技术方案17所述的方法，其特征在于，进一步包括引导所述冷却空气流通过各个冷却回路，使得所述回路中的冷却流的所述第一部分被引导通过所述回路的所述第一流线体，并且所述回路中的冷却流的所述第二部分被引导通过所述回路的所述第二流线体。

技术方案19.根据技术方案12所述的方法，其特征在于，进一步包括用控制系统控制通过所述多个空气斗的冷却流。

技术方案20.根据技术方案19所述的方法，其特征在于，控制所述冷却流包括：

使用传感器测量所述第一流线体、所述第二流线体和所述外环中的至少一个的温度；

用联接到所述传感器上的控制器基于测量到的温度而操作多个阀，所述多个阀联接到所述多个空气斗中的对应的空气斗上。

附图说明

图1为示例性燃气涡轮发动机的示意图。

图2为在图1中显示的位置2-2处的燃气涡轮发动机的正视横截面图，其示出示例性涡轮框架冷却系统。

图3为燃气涡轮发动机的侧视横截面图，其示出涡轮框架冷却系统。

部件列表：

10燃气涡轮发动机组件

11纵向轴线

12风扇组件

13核心燃气涡轮发动机

14高压压缩机

16燃烧器

18高压涡轮

20低压涡轮

21后轴承

24风扇叶片

26转子盘

28进气口侧

30排气口侧

40旁通导管

42护罩

43内壁

44空气流分流器

45外壁

46涡轮框架

50第一部分

52第二部分

100涡轮框架冷却系统

102外环

104轮毂

106第一流线体

108第二流线体

110流体线路

112支承支柱

114主要流路径

116空气斗

118腔体

120冷却空气流

122冷却回路

124密封件

126第一部分

128第二部分

130泄漏空气流

132控制系统

134温度传感器

136阀

138控制器。

具体实施方式

现在将详细参照本公开的当前实施例，其一个或多个示例示出在附图中。详细描述使用数字和字母标号来指示图中的特征。图和描述中的相同或类似标号用来表示本公开的相同或类似部件。

本文描述的示例性组件和方法克服了用于冷却燃气涡轮发动机中的涡轮框架的已知的系统和方法的至少一些缺陷。此外，本文描述的系统和方法包括限定腔体的外环和定位在外环的径向内侧的轮毂。涡轮框架冷却系统还包括联接在外环和轮毂之间的多个沿周向间隔开的第一流线体和联接在外环和轮毂之间的多个沿周向间隔开的第二流线体，其中，第一和第二流线体围绕轮毂交替地定位。涡轮框架冷却系统还包括联接到外环上的多个沿周向间隔开的空气斗。多个空气斗延伸到旁通流中且构造成引导旁通空气冷却流进入外环的腔体。

冷却空气流的第一部分沿着容纳在第一流线体中的流体线路被沿径向向内引导通过第一流线体。流体线路的金属壁被第一部分冷却且流体线路的温度保持低于其中流体的焦化温度。冷却空气流的第二部分经过第一流线体且沿周向行进以加热外环，同时冷却第二流线体和容纳在其中的支柱，以降低支柱和外环之间的热梯度，因此，降低热应力。

旁通空气的使用简化发动机的外部和内部和设计，并且不需要任何外部管道来使空气从压缩机移动到框架。通过使用旁通空气，框架的轮毂设计由于不需要测量从发动机内部到框架的空气流的装置而简化。总体设计比典型的历史设计更轻且更简单。另外，旁通空气典型地比传统空气源(诸如压缩机)更冷，使得其更高效地冷却发动机且还提高发动机的运行效率，因为消除从主要流路径捕获压缩机空气的需要。

单数形式“一个”、“一”和“该”包括复数所指物，除非上下文另有清楚规定。

如本文在说明书和权利要求中使用，近似语可适用于修饰允许改变的任何数量表示，而不改变与其有关的基础功能。因此，由诸如“大约”、“大致”和“基本”的用语或多个用语修饰的值不限于所规定的确切值。在至少一些情况下，近似语可对应于用于测量值的仪器的精度。在这里和说明书和权利要求中，范围限制可组合和/或互换，标识这样的范围，并且它包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。

如本文使用，用语“第一”，“第二”和“第三”可互换地使用，以使一个构件与另一个区分开，而不意图表示单独的构件的位置或重要性。

如本文使用，用语“轴向”和“沿轴向”表示基本平行于涡轮发动机的中心线延伸的方向和定向。结合“轴向”或“沿轴向”使用的用语“前”表示沿朝向发动机入口的方向移动，或构件与另一个构件相比更靠近发动机入口。结合“轴向”或“沿轴向”使用的用语“后”表示沿朝向发动机喷嘴的方向移动，或构件与另一个构件相比更靠近发动机喷嘴。此外，用语“径向”和“沿径向”表示基本垂直于涡轮发动机的中心线延伸的方向和定向。

图1为具有纵向轴线11的示例性燃气涡轮发动机组件10的示意图。燃气涡轮发动机组件10包括风扇组件12和核心燃气涡轮发动机13。核心燃气涡轮发动机13包括高压压缩机14、燃烧器16和高压涡轮18。在示例性实施例中，燃气涡轮发动机组件10可还包括低压涡轮20。风扇组件12包括成阵列的风扇叶片24，其从转子盘26沿径向向外延伸。发动机10具有进气口侧28和排气口侧30。燃气涡轮发动机组件10还包括多个轴承组件(未显示在图1中)，其用来例如对风扇组件12、压缩机14、高压涡轮18和低压涡轮20提供旋转和轴向支承。为了使发动机10的各种构件保持在其恰当的相对运行位置，提供各种发动机框架组件来刚性地互连固定构件且对旋转构件提供轴承支承。更具体而言，发动机10包括涡轮框架46，其支承后轴承21。

在运行中，空气流过风扇组件12且被空气流分流器44分成第一部分50和第二部分52。空气流的第一部分50被引导通过压缩机14，在其中，空气流进一步被压缩且输送到燃烧器16。来自燃烧器16的热燃烧产物(未显示在图1中)用来驱动涡轮18和20且因而产生发动机推力。燃气涡轮发动机组件10还包括旁通导管40，其用来使从风扇组件12排出的空气流的第二部分52绕过核心燃气涡轮发动机13。更具体而言，旁通导管40延伸在风扇壳或护罩42的内壁43和分流器44的外壁45之间。

图2为在图1中显示的位置2-2处的燃气涡轮发动机10的正视横截面图，其示出用于冷却涡轮框架46的示例性涡轮框架冷却系统100。图3为燃气涡轮发动机10的侧视横截面图，其示出涡轮框架冷却系统100的一部分。在示例性实施例中，涡轮框架冷却系统100包括外环102、内轮毂104、多个沿周向间隔开的第一流线体106和多个沿周向间隔开的第二流线体108。各个流线体106和108联接在内轮毂104和外环102之间。此外，流线体106和108沿周向交替地围绕轮毂104的周边，使得各个第一流线体106定位在两个相邻的第二流线体108之间。

在示例性实施例中，涡轮框架冷却系统100还包括多个流体服务线路110和多个支承支柱112，其两者都延伸在内轮毂104和外环102之间。更具体而言，流体线路110延伸通过各个第一流线体106且有利于在内轮毂104和外环102之间引导冷却或润滑流体。另外，各个第二流线体108在其中容纳支柱112，支柱112对外环102提供结构支承。在示例性实施例中，流线体106和108沿径向延伸通过主要流路径114(显示在图3中)且在发动机运行期间暴露于沿轴向流过发动机10的高温燃烧气体。因而，各个流线体106和108与沿着流路径114的燃烧气体的方向对齐，以最小化气动阻力压力损耗和流路径阻塞。此外，各个流线体106和108形成为薄截面的对称或不对称的弧形或非弧形的翼型件，其包围流体线路110或上部支柱12。备选地，流线体106和108以有利于涡轮框架冷却系统100如本文描述的那样运行的任何方向定向且包括有利于涡轮框架冷却系统100如本文描述的那样运行的任何形状。

如上面所描述，支柱112暴露于各种发动机10运行温度上的大的且频繁的热梯度。因而，如果支柱112被允许以与内轮毂106和外环102显著不同的速率加热和冷却，则可在框架46中产生显著的热应力。另外，流体线路110大体由金属形成，且从流路径114中的燃烧气体吸收热。流体线路110运送流体，流体在被加热超过某个温度时，可在流体线路110内导致焦化。因此，在示例性实施例中，涡轮框架冷却系统100引导冷却空气通过流线体106和108，以管理支柱112的热梯度，以及使流体线路110的温度保持低于其内的流体的焦化温度。

在示例性实施例中，涡轮框架冷却系统100包括多个沿周向间隔开的空气斗116，其联接到外环102上且在旁通导管40中从外环102延伸。斗116从旁通流40捕获旁通空气52的一部分且引导旁通空气52进入限定在外环102中的腔体118，以用作冷却空气流120。空气斗116有利于引导冷却空气流120进入腔体118，以吹扫和冷却外环102、流线体106和108、流体线路110、支柱112和内轮毂104中的各个。虽然图2显示六个空气斗116，但是外环102可包括有利于涡轮框架冷却系统100如本文描述的那样运行的任何数量的空气斗116。

在示例性实施例中，涡轮框架冷却系统100还包括多个独立的冷却回路100。各个冷却回路122包括一个空气斗116、一个第一流线体106和一个第二流线体108。更具体而言，空气斗116定位在各个回路122中的第一和第二流线体106和108两者的周向上游，使得各个空气斗116定位在相邻的回路122的第二流线体108和与空气斗116相同的回路122中的第一流线体106之间。因而，涡轮框架冷却系统100包括相同数量的空气斗116、第一流线体106和第二流线体108中的各个。此外，各个冷却回路122包括密封件124，其联接在外环102的腔体118内。密封件124用来使单独的相邻的冷却回路122彼此分开，以及将腔体118分成与对应的冷却回路122相关联的的多个腔体节段。密封件124限制腔体118内的冷却空气流120的周向行进，并且定位在相邻的冷却回路122的空气斗116和与密封件124相同的回路122的第二流线体108之间的各个冷却回路122的周向下游端处。

各个冷却回路122以与每个其它冷却回路122基本类似的方式运行。因而，仅在本文详细描述一个冷却回路122的运行。在运行中，空气斗116从旁通导管40捕获旁通空气52且引导旁通空气52进入外环102的腔体118，以作为冷却空气流120。空气流120沿周向行进在外环102内且冷却外环102的在空气斗116和第一流线体106之间的部分。因为周向距离较小，所以冷却空气流120仅略微升高温度。

冷却空气流120的第一部分126然后沿着容纳在第一流线体106中的流体线路110被沿径向向内引导通过第一流线体106。流体线路110的金属壁被第一部分126冷却，并且流体线路110的温度保持低于其中的流体的焦化温度。第一部分126被沿径向向内引导通过第一流线体106，之后冷却空气120可在沿周向行进通过外环102期间从流路径114吸收很多热。

冷却空气流120的第二部分128沿周向围绕外环102继续，从而在其行进时从流路径114内的燃烧气体吸收热，使得冷却空气流120的第二部分128比第一部分126处于更高的温度。第二部分128然后被沿径向向内引导通过第二流线体108，以冷却第二流线体108和容纳在其中的支柱112。因而，涡轮冷却系统100有利于冷却第一流线体106和第二流线体108两者，但是与第二流线体108相比，更加冷却第一流线体106。不被引导到第二流线体108中的任何空气最初将被密封件124阻挡，而不能进一步沿周向行进，并且被密封件124迫使沿径向向内通过第二流线体108。因而，密封件124允许设定量的热在冷却空气流120在对应的回路122内行进时被冷却空气流120吸收。

第二部分128沿周向围绕外环102行进，其获得热且局部地加热外环102，然后沿径向行进通过第二流线体108，以冷却第二流线体108和支柱112。因为第二流线体108和支柱112定位在主要流路径114内，所以它们大体以比外环102显著更高的温度运行。这个温度差异导致上面描述的大热梯度，这在外环102和第二流线体108之间导致热应力。因而，第二部分128加热外环108，同时冷却第二流线体108和容纳在其中的支柱112，以降低支柱112和外环102和内轮毂104之间的热梯度，因此，降低热应力。

一旦第一和第二部分126和128被引导通过相应的第一和第二流线体106和108，冷却空气120就作为泄漏空气流130从内轮毂104在流线体106和108的轴向上游下游或轴向上游或两者进入主要流路径114。

在示例性实施例中，涡轮框架冷却系统100还包括控制系统132，用于控制进入冷却回路122的空气斗116中的冷却空气流120。控制系统132包括温度传感器134，其联接到第一流线体106、第二流线体108和外环102的任何组合上。此外，控制系统132包括阀136，其联接到各个空气斗116上，以控制进入冷却系统100的旁通空气52。传感器134和阀136操作性地联接到控制器138上。传感器134测量第一流线体106、第二流线体108或外环102的温度，且将表示测量到的温度的信号传递到控制器138。控制器138比较测量到的温度与存储的预定温度，并且基于比较结果而控制阀136的操作。具体而言，如果测量到的温度低于预定温度，则可能不需要冷却第一流线体106、第二流线体108和外环102，并且阀136被促动关闭。类似地，如果测量到的温度高于预定温度，则需要冷却第一流线体106、第二流线体108和外环102，并且阀136被促动打开。虽然阀136在本文被描述为联接到各个空气斗116上，但是在其它实施例中，阀136不是联接到所有空气斗116上。备选地，阀136在各个回路122中的空气斗116的周向下游联接到外环102上。

本文描述的示例性组件和方法克服了用于冷却燃气涡轮发动机中的涡轮框架的已知的系统和方法的至少一些缺陷。此外，本文描述的组件和方法包括限定腔体的外环和定位在外环的径向内侧的轮毂。涡轮框架冷却系统还包括联接在外环和轮毂之间的多个沿周向间隔开的第一流线体和联接在外环和轮毂之间的多个沿周向间隔开的第二流线体，其中，第一和第二流线体围绕轮毂交替地定位。涡轮框架冷却系统还包括联接到外环上的多个沿周向间隔开的空气斗。多个空气斗延伸到旁通流中且构造成引导旁通空气冷却流进入外环的腔体。

冷却空气流的第一部分沿着容纳在第一流线体中的流体线路被沿径向向内引导通过第一流线体。流体线路的金属壁被第一部分冷却，并且流体线路的温度保持低于其中流体的焦化温度。冷却空气流的第二部分经过第一流线体且沿周向行进以加热外环，同时冷却第二流线体和容纳在其中的支柱，以降低支柱和外环之间的热梯度，因此，降低热应力。因此，涡轮框架冷却系统引导冷却空气通过流线体，以管理支柱的热梯度和使流体线路的温度保持低于其内的流体的焦化温度。

旁通空气的使用简化发动机的外部和内部和设计，并且不需要任何外部管道来使空气从压缩机移动到框架。通过使用旁通空气，框架的轮毂设计由于不需要测量从发动机内部到框架的空气流的装置而简化。总体设计比典型的历史设计更轻且更简单。另外，旁通空气典型地比传统空气源(诸如压缩机)更冷，使得其更高效地冷却发动机且还提高发动机的运行效率，因为消除从主要流路径捕获压缩机空气的需要。

上面详细描述涡轮框架冷却系统的示例性实施例。涡轮框架冷却系统和运行这种系统和装置的方法不限于本文描述的特定实施例，而是相反，系统的构件和/或方法的步骤可与本文描述的其它构件和/或步骤独立地和分开地使用。例如，冷却系统还可结合需要冷却的其它系统(诸如压缩机框架)使用，而不限于仅用本文描述的涡轮框架来实践。

虽然本发明的各种实施例的特定特征可能显示在一些图中而未显示在其它图中，但是这仅仅是为了方便。根据本发明的原理，图的任何特征可结合任何其它图的任何特征来参照和/或要求保护。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。