具有设有冷却翅片的壳体的燃气涡轮发动机的制作方法

本申请和所得专利一般涉及燃气涡轮发动机。本说明书在此公开的实施例涉及用于工业应用，例如用于机械驱动或发电的燃气涡轮发动机。

背景技术：

燃气涡轮发动机通常用作几个工业和航空应用中的原动机。工业应用特别地包括机械驱动构型，其中燃气涡轮发动机用于驱动负载，例如旋转涡轮机械，例如压缩机或压缩机组、泵或其它机械。其它典型的工业应用包括发电，其中燃气涡轮发动机用于驱动发电机以用于产生电力。

由于在涡轮机械中循环的热燃烧气体，燃气涡轮发动机的某些区域承受高热负荷。在动力涡轮部段和排气扩散器的区域中尤其如此。由于机器部件的热梯度，这些区域的温差会产生严重的机械应力。

因此，为了改善涡轮机械的操作条件，例如就热引起的应力而言，燃气涡轮发动机的热部件的设计需要不断的改进。

技术实现要素：

因此，本申请和所得到的专利提供了一种包括压缩机部段、燃烧器部段和涡轮部段的燃气涡轮发动机。压缩机部段被构造成用于压缩输送到燃烧器部段的燃烧空气。燃料与压缩空气混合，并且空气燃料混合物在燃烧器部段中点燃以产生高温压缩的燃烧气体。涡轮部段被构造成用于接收热的加压燃烧气体并使燃烧气体膨胀以产生机械功率。涡轮部段可包括涡轮转子，其具有围绕涡轮旋转轴线旋转的至少一个叶片轮。涡轮部段还可包括排气扩散器以及具有内表面和外表面的壳体。本说明书公开的实施例设置有位于壳体的外表面上的多个冷却翅片。

在一些实施例中，冷却翅片具有围绕涡轮转子的旋转轴线的环形形状。环形形状可有助于改善壳体周围的空气循环，特别是从底部朝壳体的上部的空气循环。在其它实施例中，可提供轴向地延伸，即平行于涡轮旋转轴线的冷却翅片。还可提供环形和轴向冷却翅片的组合布置。

根据一些实施例，冷却翅片可围绕涡轮转子的至少一个旋转叶片轮圆周布置。涡轮部段可包括环绕至少一个旋转叶片轮并连接到壳体的至少一个护罩。冷却翅片可布置在护罩周围。

本说明书公开的燃气涡轮发动机的示例性实施例包括壳体，该壳体包括在连接接口或连接区域处彼此连接的涡轮壳体部分和扩散器壳体部分。冷却翅片可布置在涡轮壳体部分和扩散器壳体部分之间的连接处或附近。因此可获得有利的温度分布，这可以有助于减少热应力和变形。在一些实施例中，这可以有助于壳体部分的拆卸。

下文公开并在形成本说明书的整体部分的所附权利要求中进一步阐述了特征和实施例。上文的简要说明阐述了本发明的各种实施例的特征，以便可以更好地理解以下详细描述，且便于更好地了解本发明对所属领域的贡献。当然，存在本发明的其它特征，这将在下文描述且在所附权利要求书中阐述。就此而言，在详细解释本发明的若干个实施例之前，应理解，本发明的各种实施例在其应用上不限于构造的细节，也不限于以下描述中阐述或图式中示出的组件的布置。本发明能够具有其它实施例且能够以各种方式实践或执行。此外，应理解，本文中所采用的措词及术语是用于描述的目的，且不应被视为是限制性的。

由此，所属领域的技术人员应了解，本发明所基于的概念可易于用作设计用于实现本发明的若干个目的的其它结构、方法及/或系统的基础。因此，重要的是，在等效构造并不脱离本发明的精神及范围的情况下，权利要求书应被视为包括此类等效构造。

附图说明

通过在结合附图考虑时参考以下详细描述，将易于获得且更好理解对本发明的公开实施例及本发明的附带多个优点的更完整了解，在附图中：

图1是包括燃气涡轮发动机和负载的涡轮系统的框图；

图2是图1的燃气涡轮发动机的实施例的示意性剖视图；以及

图3是图2的燃气涡轮发动机的涡轮部段的一部分的放大图。

具体实施方式

示范性实施例的以下详细描述参考附图。不同图式中的相同参考标号标识相同或类似的元件。另外，所述图式未必按比例绘制。另外，以下详细描述并不限制本发明。实际上，本发明的范围由所附权利要求书界定。

贯穿本说明书对“一个实施例”、“实施例”或“一些实施例”的提及意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在所公开主题的至少一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的不同位置中出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”未必指代相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可按任何合适方式组合。

图1是燃气涡轮系统1的框图，其包括燃气涡轮发动机3和由燃气涡轮发动机3驱动的负载5。负载5可以是旋转的涡轮机械，例如，离心压缩机、发电机或由燃气涡轮发动机3产生的机械功率驱动的任何其它负载。

燃气涡轮发动机3可包括流体地联接到压缩机部段9的进气部段7。压缩机部段9吸入空气11，增加空气压力并将压缩空气13输送到燃烧器部段15。燃料17被输送到燃烧器部段15并与压缩空气混合。空气燃料混合物被燃烧以产生热的、加压的燃烧气体19的流。燃烧气体19被输送到涡轮部段21，在那里，燃烧气体膨胀并产生在驱动地连接到负载5的轴23上可用的机械功率。排气25最终通过排气部段27排出。轴23可以由彼此连接的两个或更多个轴部分构成，以形成从压缩机部段9延伸到负载5的连续的轴或轴线。可以沿轴线布置接头或离合器以及齿轮箱(未示出)。

在图1中示意性地表示的实施例中，燃气涡轮发动机3是单轴燃气涡轮发动机，其中单个轴从压缩机部段9延伸到负载5。在其它实施例中，燃气涡轮发动机可以是多轴燃气涡轮发动机，其中第一轴将高压涡轮部段驱动地连接到压缩机部段9，并且第二轴将低压涡轮部段驱动地连接到负载5。

继续参考图1，图2示出了燃气涡轮发动机3的示意性剖视图。压缩机部段9可包括围绕燃气涡轮旋转轴线a-a旋转的压缩机转子31。在图2的示例性实施例中，压缩机部段9包括轴流式压缩机，其包括由多个压缩机叶轮33构成的压缩机转子31。每个压缩机叶轮33包括周向布置的旋转压缩机叶片35。静止压缩机叶片37或静叶布置在每组旋转压缩机叶片35的上游，每对顺序排列的静止和旋转压缩机叶片组形成压缩机级。

涡轮部段21可包括涡轮转子41。涡轮转子41可包括一个或多个带叶片的涡轮叶轮43，例如三叶片涡轮叶轮。在其它实施例中，可提供不同数量的涡轮叶轮43，其安装在单个转子上或在不同涡轮部段的更多机械上独立的转子上。每个带叶片的涡轮叶轮43设置有一组周向地布置的旋转涡轮叶片45。相应的各组周向地布置的静止涡轮叶片或静叶47布置在每组旋转涡轮叶片45的上游。一个或多个静止涡轮叶片可以是可围绕相应的径向轴线角向地调整的，以调整燃气涡轮发动机的操作条件。每对静止涡轮叶片组47和相应的旋转涡轮叶片组45形成涡轮级。

在一些实施例中，涡轮转子41和压缩机转子31形成共同的燃气涡轮转子。涡轮部段21中的热加压燃烧气体的膨胀产生在燃气涡轮转子上可获得的机械功率，并且部分地用于驱动压缩机转子31旋转，以继续压缩空气，从而维持燃烧器部段15中的燃烧过程。通过涡轮部段中的气体膨胀产生的并且不用于驱动压缩机部段9的剩余的机械功率可用作驱动负载5的有用功率，负载5可连接到轴23上的机械联接件51。

在图1和图2的示例性实施例中，负载5联接到燃气涡轮发动机3的热端。在未示出的其它实施例中，负载5可连接到燃气涡轮发动机的相对冷端3，即在其进气侧处。在未示出的另外的实施例中，相应的负载可以在燃气涡轮发动机3的两端处机械地联接。

迄今为止描述的旋转涡轮机械部件通常容纳在由一个或多个壳体形成的外壳中。在图2中，涡轮部段的壳体以52示意性地示出。

继续参考图2，图3示出了涡轮部段21和相关涡轮壳体52的细节的放大图。在图3中，最末一组旋转涡轮叶片以45a示出。相应的静止涡轮叶片以47a示出。静止涡轮叶片47a和旋转涡轮叶片45a形成最末的，即最下游的涡轮级48a。在涡轮级48a的上游，另外一组旋转涡轮叶片45b和相应的静止涡轮叶片47b形成倒数第二涡轮级48b。图3中未示出另外的上游涡轮级。术语“上游”和“下游”在本说明书中是指燃烧气体横跨涡轮部段21的主要流动，示意性地由箭头f表示。

在旋转涡轮叶片45b周围，可设置护罩53，其通过安装布置55安装到壳体52上。在安装布置55的附近，可设置安装系统57，其将静止涡轮叶片47a连接到壳体52。

类似地，旋转涡轮叶片45a可由环绕旋转涡轮叶片45a的相应的护罩59包围，并且可通过安装布置61安装在壳体52上。

在本说明书公开的实施例中，每个护罩53、59可以由围绕涡轮转子的旋转轴线a-a周向地布置的护罩区段形成。护罩53、59可设置有与相应的旋转涡轮叶片45b、45a的尖端共同作用的径向地向内定向的表面。护罩和旋转涡轮叶片的构型使得叶片可围绕涡轮旋转轴线a-a自由旋转，而不会摩擦相应的护罩。旋转涡轮叶片的尖端与护罩之间的间隙足够小以减少气体泄漏，以便提高涡轮的效率。

在最末涡轮级48a的下游，排气扩散器65接收在涡轮级48b、48a中膨胀之后的排放的燃烧气体。排气扩散器65与排气部段27流体联接，排气可通过未示出的排气烟囱从排气部段排出，或者可以在排放到大气中之前流过废热回收热交换器。

根据本说明书公开的示例性实施例，壳体52可至少由涡轮壳体部分52a和扩散器壳体部分52b构成。涡轮壳体部分和扩散器壳体部分在连接区域或接口处彼此连接。根据一些实施例，在连接区域处，涡轮壳体部分52a可设置有第一连接凸缘67，并且扩散器壳体部分52b可设置有第二连接凸缘69。涡轮壳体部分52a和扩散器壳体部分52b可通过将凸缘67、69彼此连接的双头螺栓71彼此连接。

在图3的实施例中，第一连接凸缘67径向地向外延伸，而第二连接凸缘69径向地向内延伸。双头螺栓71可拧入设置在第二连接凸缘69中的螺纹盲孔中，并延伸横跨第一连接凸缘69中的通孔。可以提供不同的凸缘和螺栓布置，例如，径向地向外延伸的两个凸缘，或径向地向内延伸的两个凸缘。

根据一些实施例，壳体52还包括可定位在第一连接凸缘67和第二连接凸缘69之间的中间环形壳体部件73。中间环形壳体部件73可设置有通孔。双头螺栓71可延伸穿过中间环形壳体部件73的通孔。

中间环形壳体部件73可由插置在第一连接凸缘67和第二连接凸缘69之间的环形向外突出的凸缘部分73a构成。中间环形壳体部件73还可包括基本上圆柱形的内部部分73b，其形成护罩59的安装底座。在一些实施例中，基本上圆柱形的内部部分73b与第二连接凸缘69同轴并被第二连接凸缘69包围，即环绕。

根据本说明书公开的实施例，涡轮壳体52设置有冷却翅片或肋，其被构造和布置成用于改善涡轮壳体52与涡轮部段21周围的空气之间的热交换。在图3中，冷却翅片以75表示，并且位于在扩散器壳体部分52b和涡轮壳体部分52a之间的连接接口处或附近。

在一些实施例中，冷却翅片75形成在扩散器壳体部分52b的外表面上。在本说明书公开的实施例中，冷却翅片可以位于第二连接凸缘69周围。因此，冷却翅片75位于涡轮壳体52的一部分处和周围，涡轮壳体52的这部分具有增加的厚度并且对应于末级(即最下游)涡轮级48a的护罩59的轴向位置。

可选择冷却翅片75的形状以实现朝燃气涡轮发动机3周围的空气的最佳热传递。如果燃气涡轮发动机3容纳在封罩或封装件中，则周围的空气可被强制地循环进入并通过封罩，以通过强制对流改善散热。如果没有封罩，空气可主要通过涡轮壳体周围的自然对流循环。

可选择冷却翅片75的形状，以改善围绕壳体和沿冷却翅片75的表面的空气循环，以增强从涡轮壳体52的散热。

在一些实施例中，冷却翅片75具有圆形形状并且围绕燃气涡轮发动机3的旋转轴线a-a延伸，如图3示意性地所示。在该图中，提供了三个圆形即环形冷却翅片75。然而，根据设计考虑和约束，冷却翅片75的数量以及轴向和径向尺寸可以是不同的。圆形冷却翅片75可以是连续的。在其它实施例中，每个圆形冷却翅片可以被分成各个部段或部分，每个部段或部分围绕旋转轴线a-a延伸小于380°。

在未示出的其它实施例中，冷却翅片可具有轴向或基本上轴向的延伸部，或者可根据相对于旋转轴线a-a的倾斜方向布置。也可使用不同形状的冷却翅片，例如，轴向和环形冷却翅片的组合。

在冷却翅片75的下游，相对于燃烧气体流f的方向，排气扩散器65可设置有一个或多个隔热屏蔽件79，这减少了外部扩散器壳体部分52b和内部排气流f之间的热交换。至少部分地布置在隔热屏蔽件79上游的冷却翅片75减小壳体52内在径向和轴向方向上的温度梯度，从而减小壳体52的热应力和热变形。这又减少由热变形产生的机械载荷。

虽然本文所描述的主题的公开实施例已在图式中示出且在上文结合若干示范性实施例精确且详细地进行充分描述，但对于所属领域的技术人员来说将显而易见的是，在未实质脱离本文所阐述的新颖教示、原理及概念以及所附权利要求书中叙述的主题的优点的情况下可能有许多修改、改变及省略。因此，所公开的创新的适当范围应仅由所附权利要求书的最广义解释确定，以便涵盖所有此类修改、改变及省略。另外，任何过程或方法步骤的次序或序列可根据替代实施例而变化或重新排序。