放气系统以及燃气涡轮发动机的制作方法

本文公开的主题涉及燃气涡轮发动机，如，用于使压缩机放气流(compressor bleed flow)膨胀的系统。

背景技术：

燃气涡轮系统大体上包括压缩机、燃烧器和涡轮。燃烧器燃烧压缩空气和燃料的混合物以产生引导至涡轮来产生功的热燃烧气体，如，以便驱动发电机。压缩机压缩来自进气口的空气，且随后将压缩空气引导至燃烧器。然而，压缩空气中的一些可能并未一直引导至燃烧器，而是可从压缩机引导至燃气涡轮系统的其它部分。

技术实现要素：

在下文中概述在范围上与原来要求保护的主题相当的某些实施例。这些实施例不旨在限制要求保护的主题的范围，而相反，这些实施例仅旨在提供主题的可能形式的简要概括。实际上，主题可包含可与下文阐释的实施例相似或不同的多种形式。

在第一实施例中，系统包括放气系统，其将放气流从高压区域引导至低压区域。放气系统包括放气导管，其包括联接到高压区域的入口。放气系统还包括出口，其将放气流提供到低压区域中。放气导管可滑动地联接到限定低压区域的壳体。

在第二实施例中，系统包括放气系统，其将放气流从高压区域引导至低压区域。放气系统包括放气导管，其包括联接到高压区域的入口。放气导管还包括定位在低压区域内的出口。定位在低压区域内的放气导管的侧壁的一部分包括一个或多个开口，其允许放气流从放气导管传递到低压区域中。

在第三实施例中，系统包括燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机包括产生放气流的压缩机、联接到压缩机的燃气涡轮、接收排气流和放气流的排气区段、以及将放气流从压缩机引导至排气区段的放气系统。放气系统包括放气导管，其包括联接到压缩机的入口以及位于排气区段内的出口。放气导管可滑动地联接到排气区段。

附图说明

在参照附图阅读以下详细描述时，本公开内容的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中相似的标号表示图各处相似的部分，其中：

图1为具有放气系统的燃气涡轮系统的一种实施例的示意性框图；

图2为可用于图1的燃气涡轮系统中的放气系统的一种实施例的透视图；

图3为详述图2的放气系统的阀和固定支座的一种实施例的侧视图；

图4为可滑动地联接到排气区段的图2的放气系统的分级放气导管的一种实施例的截面侧视图；

图5为延伸穿过排气区段的壁的图4的分级放气导管的一种实施例的透视图；

图6为详述设置在排气区段的转角附近的图4的分级放气导管的出口区段的一种实施例的顶视图；

图7为可用于图1的燃气涡轮系统中的放气系统的一种实施例的透视图；以及

图8为可用于图1的燃气涡轮系统中的放气系统的一种实施例的透视图。

具体实施方式

下文将描述本公开内容的一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简要描述，可在说明书中不描述实际实施方式的所有特征。应当认识到的是，在任何此类实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中那样，必须进行许多实施方式特有的决定来实现开发者的特定目标，如，符合系统相关和业务相关的约束，这从一个实施方式到另一个可变化。此外，应当认识到的是，此开发工作可能复杂且耗时，但对于受益于本公开内容的普通技术人员而言仍然是承担设计、制造和生产的例行任务。

当介绍本公开内容的各种实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在意思是存在元件中的一个或多个。用语“包括”、“包含”和“具有”旨在为包含性的，且意思是可存在除所列元件之外的附加元件。

多种系统如压缩机、泵、涡轮和各种涡轮机可使用放气系统来将流体从一个位置放至另一个。放气系统可从高压区域接收放气流，且将放气流引导至低压区域。放气系统的分级放气导管构造成使放气流逐渐地减压，以减小放气系统的振动和/或噪音，如，放气阀的振动。分级放气导管可具有至少两级，以使放气流逐渐地(例如，递增地)减压。分级放气导管的各级可具有膨胀区段和/或扩散器板。级数可至少部分地以高压区域与低压区域之间的压差确定。对于大压差相比对于小压差可使用更多级。膨胀区段增大分级放气导管的大小，以至少减小放气流的静压。扩散器板部分地阻挡放气流，且允许放气流通过孔口。扩散器板构造成至少减小放气流的动能或动态压力。膨胀区段的特征(例如，膨胀百分比、尺寸、截面形状、长度)和扩散器板的特征(例如，孔口尺寸、孔口量、孔口形状、孔口构造、扩散器板尺寸)影响放气系统的振动。放气区段的振动和热膨胀可引起放气区段移动。某些安装和联接特征可用于适应放气系统的移动。

现在转到附图且首先参看图1，示出了燃气涡轮发动机10的一种实施例的框图。如下文详细所述，公开的燃气涡轮系统10(例如，燃气涡轮发动机)可使用一个或多个燃料喷嘴12来使燃料14与压缩空气16混合。燃气涡轮系统10可使用液体或气体燃料14，如，天然气和/或富氢合成气，以驱动燃气涡轮系统10。如图所绘，一个或多个燃料喷嘴12吸入燃料14，使燃料14与压缩空气16混合，且将空气-燃料混合物以适合的比例分送到燃烧器18中来用于最佳的燃烧、排放、燃料消耗和功率输出。空气-燃料混合物在燃烧器18内燃烧，从而产生热加压排出气体20。燃烧器18将排出气体20经由涡轮22朝排气区段24引导。当排出气体20穿过涡轮22时，排出气体20迫使涡轮叶片使轴26沿燃气涡轮系统10的轴线旋转。如图所示，轴26可连接到燃气涡轮系统10的各种构件，包括负载28。负载28可为车辆或静止负载的一部分，例如，如，飞行器上的螺旋桨或发电设备中的发电机。负载28可包括能够由燃气涡轮系统10的旋转输出供能的任何适合的装置。轴26还可连接到压缩机30。压缩机30还包括联接到轴26的叶片。当轴26旋转时，压缩机30内的叶片也旋转，从而压缩从进气口34穿过压缩机30且到燃料喷嘴12和/或燃烧器18中的空气32。如下文详细所述，一些压缩空气16可经由放气系统36(例如，压缩机排放系统)作为放气流放气，以用于各种目的。放气流可引导穿过放气系统36，以释放由压缩机30产生的过大压力，以保护燃烧器18和/或涡轮22免受喘振或失速条件，以冷却排出气体20和/或涡轮22，以稀释或夹带穿过排气区段24的排出气体20，等等。

图2示出了放气系统36的一种实施例。放气系统36包括阀38(例如，放气控制阀)和分级放气导管40。放气系统36构造成将放气流42从高压区域44(例如，压缩机30)引导至低压区域46(例如，排气区段24)。放气流42是主流48的一部分(例如，小于大约百分之5、百分之10、百分之15、百分之20或百分之25)。例如，主流48可为来自压缩机30的压缩空气16，且放气流42可为主流48的转移部分。放气系统36在一个或多个入口50处接收放气流42。一个或多个入口50可直接地联接到压缩机30，且可包括1、2、3、4、5、6或更多入口。阀38构造成开启以允许放气流42从一个或多个入口50经由分级放气导管40传递至出口区段53。出口区段53构造成将放气流42引导到低压区域46中。排气区段24可构造成引导放气流42用于许多用途，如，稀释和夹带排出气体或冷却涡轮叶片。

如前文所论述的，放气系统36从高压区域44接收放气流42。因此，放气流42处在远高于环境条件的压力下。该压差可引起放气系统36内的振动和声音。此外，燃气涡轮系统10在系统达到其操作温度时经历热膨胀。因此，放气系统36包括各种支承结构以抵消热膨胀、振动和声音。此外，放气系统36的构造可导致放气系统36内的构件(例如，发动机连接和阀38)上的大约200和600磅力之间的拉伸负载、大约200和600磅力之间的剪切负载、以及大约600和1400英寸磅力之间的弯矩负载。

多个万向节52和弹簧吊架54包括在本实施例中。万向节52允许沿一条或多条轴线的旋转自由度，且允许沿一条或多条轴线的移动。这允许了放气系统36的管关于彼此旋转和移动。此外，万向节52可包括膨胀接头或软管或由它们替换。弹簧吊架54允许放气系统沿垂直方向56移动。本实施例包括沿流动路径(flow path)交错且都在阀38上游的三个万向节52和两个弹簧吊架54。然而，一些实施例可包括任何适合数目的万向节52或弹簧吊架54，包括1、2、3、4、5、6个或更多个。另外，万向节52和弹簧吊架54可设置成各种构造，包括万向节-万向节-弹簧吊架-万向节-弹簧吊架或任何其它构造。此外，万向节52、弹簧吊架54或两者减小施加在放气系统36、涡轮22、排气区段24或它们的任何组合上的力(例如，负载)。

在所示实施例中，放气系统36还包括阀38下游的固定支座60。固定支座60将放气系统36联接到燃气涡轮系统10内的另一个结构，如，壳或壳体。本实施例包括一个固定支座60，但应当认识到，备选实施例可包括更多个固定支座60，包括2、3、4、5、6个或更多个固定支座60。放气系统36还包括设置在阀38上的盖62，以及固定支座60。在某些实施例中，放气系统36在分级放气导管40处可滑动地联接到排气区段24。这允许了分级放气导管40沿侧向轴线58相对于排气区段24移动。此外，分级放气导管40的一部分延伸到排气区段24中。

联接到阀38的控制器55(例如，电子控制器)可构造成控制穿过分级放气导管40的放气流2的质量流。控制器55包括存储器和处理器。存储器可为机器可读的介质，其构造成储存代码或指令来由处理器使用以控制阀38。开启阀38允许了较大的放气流42穿过分级放气导管40。阀38可完全闭合，以大致阻挡放气流42穿过分级放气导管40。调整阀38调整作为主流48的一部分的放气流42，从而开启阀38增大了放气流42且减小了主流48，且闭合阀38减小了放气流42且增大了主流48。在一些实施例中，放气流42可调整到在主流48的大约百分之0到百分之15之间、百分之1到百分之10之间、或百分之4到百分之8之间。阀38可为任何类型的阀，包括蝶形阀、闸阀、球阀或止回阀。

从高压区域44的主流48转移的放气流42比低压区域46的环境更大地加压。高压区域44处在第一压力下，且低压区域46处在较低的第二压力下。放气流42可从在大致第一压力下的入口50快速流至在大致第二压力下的出口区段53。放气流42在其减压时的快速流动可在放气系统36内生成振动和噪音，除非如本文所论述另外减轻。例如，以阀38使放气流42节流可干扰放气流42，以减少通过空穴作用、背压波、或来自减压的其它效果引起的振动和噪音。放气系统36的当前实施例构造成通过在多个级(例如，2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多级)中使放气流42减压来减小振动和噪音。减小振动和噪音可减小疲劳、延长寿命，且减少放气系统36、高压区域44(例如，压缩机30)和/或低压区域46(例如，排气区段24)的维护。放气系统36的各个级均可构造成使放气流42减压来减小振动和噪音。在一些实施例中，放气系统36构造成减小来自减压放气流42的振动和噪音，而不会大致影响放气流42的质量流范围，该放气流42可由控制器55引导穿过阀38。在一些实施例中，各个级均构造成大致匹配具有方向固有的扰动的放气流42的膨胀，沿该方向，控制阀38开启来减小振动和噪音。

图3是详述阀38和固定支座60的一种实施例的侧视图。固定支座60联接到阀38下游的放气系统36(例如，通过螺纹紧固件，如，螺栓或通过焊接)。固定支座60可沿垂直方向56延伸，且联接到燃气涡轮系统10内的另一个结构(例如，壳)。固定支座60是保持大部分刚性的横梁；然而，在一些实施例中，固定支座60可为任何适合的结构，包括中空部件(例如，管)、网格结构或多个横梁、中空部件或网格结构。促动器64联接到阀38。促动器64开启和关闭阀38。此外，促动器64可为液压、气动或电动的。控制器55可控制促动器64来开启和关闭如上文所述的阀38。

图4为可滑动地联接到排气区段24的放气系统36的分级放气导管40的截面侧视图。密封系统100用于将放气系统36可滑动地联接到排气区段24。密封系统100可减小由放气系统36施加到排气区段24上的力。在本实施例中，密封系统100包括密封元件102(例如，环形密封件)、密封件支承结构104(例如，环形夹具或环形结构)和排气壁唇部106(例如，环形唇部)。排气壁唇部106可与排气区段24的壁108整体结合。作为备选，排气壁唇部106可为联接(例如，焊接或螺接)到壁108的单独的件。壁108(例如，壳体)延伸和包围来限定低压区域46。排气壁唇部106沿周向方向110延伸，以形成放气系统36的分级放气导管40延伸穿过其间的环形通路(passage)。

如图所示，密封元件102设置在排气壁唇部106的上游边缘上。然而，密封元件102可设置在各种适合的位置中，如，在排气壁唇部106的下游边缘，在排气壁唇部106与分级放气导管40之间，或在排除排气壁唇部106的实施例中，密封元件102可设置在排气区段24的壁108与分级放气导管40之间的界面处。所绘的密封元件102是蝌蚪形密封件(tadpole seal)，具有包括大致圆形的主体105和为从主体105的细(即，比主体细)延伸部的延伸部106的截面。密封元件102可由任何适合的材料构成，包括金属、陶瓷、玻璃纤维、弹性体、聚合物、或材料的任何组合。密封元件102沿周向方向110围绕排气壁唇部106和分级放气导管40的界面延伸，且由密封件支承结构104保持就位。密封件支承结构104沿周向方向110围绕排气壁唇部106和密封元件102的延伸部106延伸，且上紧来将密封元件102保持就位。密封系统100的该构造允许分级放气导管40沿侧向方向58移动，而同时，密封系统100抵制分级放气导管40沿垂直方向56的移动。在一些实施例中，排气区段24的壁108可包含沿壁108与密封元件102可置于其中的分级放气导管40之间的界面的环形凹槽。

图5为延伸穿过壁108的分级放气导管40的一种实施例的透视图。如前文所论述，分级放气导管40延伸穿过壁108，以排放放气流42经由出口区段53且到低压区域46中。出口区段53包括侧壁122(例如，环形壁或表面)、端盖124(例如，在垂直于放气流的流动和分级放气导管40的中心轴线的平面中延伸)、以及开口126。开口126允许放气流42流到低压区域46中。侧壁122中的开口126沿周向方向110设置在侧壁122中。如图所绘，在沿侧向轴线58的不同位置处存在两排开口126。侧壁122可包括更多或更少排的开口126，包括1、2、3、4、5、6排或更多排的开口126。图5示出了具有相同或相似半径且为圆形形状的开口126；然而，应当认识到，开口126可具有非一致的半径，或可包括多种形状，包括三角形、四边形或任何其它形状。一些实施例可使用侧壁122中的开口126的不同图案，包括柱、交错的尺寸或形状，或完全不使用图案。通过包括侧壁122和端盖124上的开口126，分级放气导管40可具有较小的直径，同时保持具有较大直径的导管的流率。例如，这可允许分级放气导管40较小，且配合在更紧凑的空间中。

图6为详述设置在排气出口24的转角(例如，壁108的交点)附近的出口区段53的一种实施例的顶视图。在一些实施例中，分级放气导管40可在排气出口24的边缘130附近进入排气出口24。因此，开口126可沿侧壁122在周向方向110上部分地延伸(例如，等于或小于大约百分之25、百分之50、百分之60、百分之75或百分之90)。因此，侧壁122的部分(例如，等于或大于大约百分之10、百分之25、百分之40、百分之50或百分之75的连续部分)没有开口126。在其它实施例中，开口126可在周向方向110上沿侧壁122完全延伸。

图7为放气系统36的一种实施例的透视图。如图所绘，放气系统36包括两个入口50。膨胀接头160在入口50中的一个的下游。膨胀接头160可允许膨胀接头160的任一侧上的管(piping)沿管的中心轴线关于彼此移动。放气系统36还包括两个万向节52和一个弹簧吊架54，所有都在阀38上游。固定支座60包括在与阀38大致相同的位置处。此外，固定支座60包括形成U形的三个部件。阀38的下游是第二膨胀接头162，其由分级放气导管40后接，其可包括上文关于图1-6公开的任何特征。

图8为放气系统36的一种实施例的透视图。在图8中，膨胀接头160包括两个拉杆161。拉杆161可减小并未沿管的中心轴线的方向上的移动。放气系统36包括设置在弹簧吊架54与阀38之间的第三万向节52，且固定支座60包括阀38上游和下游的安装点。固定支座60的安装点在放气系统36的管的相对侧上。固定支座60可联接到放气系统36，如，通过紧固件、焊接、螺栓、拉杆、夹具或软管。应当理解，关于图1-8所示或所述的任何特征都可以以任何适合的方式来组合。

本书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例具有并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则期望此类其它实例在权利要求的范围内。