具有有预旋流器的环境空气冷却布置的燃气涡轮发动机的制作方法

文档序号:9634905阅读:428来源:国知局
具有有预旋流器的环境空气冷却布置的燃气涡轮发动机的制作方法
【专利说明】具有有预旋流器的环境空气冷却布置的燃气涡轮发动机
[0001]本申请是2011年4月12日提交的美国申请13/084,618 (代理所案号2010P26648US)的部分继续申请,该申请通过弓I用合并于此。
[0002]关于联邦资助开发的声明
[0003]用于该发明的开发部分地由美国能源部授予的编号为DE-FC26-05NT42644的合同支持。因此,美国政府可以具有该发明中的某些权利。
技术领域
[0004]本发明涉及燃气涡轮发动机的涡轮叶片的环境空气诱发的冷却。特别地,本发明涉及在这样的系统中的具有降低了的压降的预旋流器(pre-swirler)。
【背景技术】
[0005]发动机的涡轮部中使用的燃气涡轮发动机叶片典型地经由内部冷却通道来冷却,压缩空气被迫使通过内部冷却通道。该压缩空气典型地自发动机的压气机所创建的压缩空气供给引入。然而,用于冷却的压缩空气的引入使可用于燃烧的压缩空气的量减少。这进而降低了发动机效率。结果,将用于冷却的吸取自压气机的冷却空气的量最小化是现代燃气涡轮设计中的重要技术。
[0006]在一些燃气涡轮发动机模型中,下游叶片在径向方向上相对远地延伸。下游叶片可以包括例如最后一排叶片。冷却通道典型地使冷却空气从叶片的基部朝向顶部引导,在那里被排出到燃烧气体流动。凭借在叶片内沿径向向外延伸一定程度的冷却通道,叶片的转动与布置在其中的冷却通道在冷却空气上创建了将冷却通道中的冷却空气沿径向向外推的离心力。冷却空气离开叶片并且这创建了在冷却通道内的冷却空气流。冷却通道内的该流创建了将更多冷却空气从叶片的基部周围的转子腔吸引到冷却通道内的抽吸。结果,与压缩空气被迫使通过冷却通道的传统冷却不一样,诸如存在于燃气涡轮发动机外侧的环境空气等的未被压缩的空气可以用于冷却下游叶片。
[0007]环境空气的静压力充分地大于转子腔中的静压力以产生从环境空气的源朝向转子腔的冷却流体流。因此,环境空气的静压力可以将环境空气的供给朝向转子腔推动,在那里由叶片的转动生成的抽吸接着将环境空气从转子腔吸引通过涡轮叶片中的冷却通道,由此完成环境空气冷却回路。抽吸力帮助将环境空气吸引到转子腔内。以该方式,可以维持在整个冷却回路上的环境空气流。
[0008]然而,虽然环境空气的静压力和所生成的离心力足以生成冷却通道中的流,但是在实际存在以驱动流体的压力差异与引起冷却流体流动所需的最小静压力差异之间有小的余量。作为其结果,注意力正投向确保冷却回路被设计用于最大空气传送效率。
【附图说明】
[0009]在下面的描述中结合【附图说明】了本发明,附图示出:
[0010]图1是所诱发的空气冷却回路的一部分的侧视图的示意性截面。
[0011]图2是图1的所诱发的空气冷却回路的预旋流器的示意性立体图
[0012]图3是图2的预旋流器的入口的图。
[0013]图4是图3的预旋流器的剖视图,示出了引导翼片与内罩的一部分。
[0014]图5是图3的预旋流器的剖视图,示出了引导翼片与外罩的一部分。
[0015]图6是示出图4的预旋流器的形貌的俯视图。
[0016]图7是示出图5的预旋流器的形貌的图。
[0017]图8是在不具有这里所公开的特征的预旋流器中的冷却流体的流线的图示。
[0018]图9是在具有这里所公开的特征的预旋流器中的冷却流体的流线的图示。
【具体实施方式】
[0019]本发明人设想出了一种用于环境空气诱发的冷却布置的旋流器,环境空气诱发的冷却布置y用于冷却燃气涡轮发动机中的涡轮叶片,其中预旋流器具有波状轮廓(contoured)的端壁以改善由流过预旋流器的冷却流体流展现的流动特性。预旋流器在环境空气流被导入转动的涡轮叶片之前诱发该流旋转,由此提供了至叶片中的冷却通道的入口的冷却流体流的更高效的输送。波状轮廓的端壁降低了流中的压力损失,由此增加了通过预旋流器的流的效率,这进而增加燃气涡轮发动机的效率。
[0020]图1示出环境空气冷却回路10的示例性实施例的一部分的侧视图的示意性截面,空气冷却回路包括:环境空气的源12 ;提供源12与预旋流器增压室16之间的流体连通并且可选择地布置在支撑预旋流器18的支架(strut) 17中的至少一个空气供给通道14 ;与涡轮叶片22相邻的转子腔20 ;以及涡轮叶片22中的每一个内的冷却通道入口(未示出)、冷却通道26和可以布置在或可以不布置在涡轮叶片22的顶部的冷却通道出口 29。一旦在空气供给通道14内,环境空气就变成冷却流体28。冷却流体28行进通过空气供给通道14,在那里进入作为将冷却流体28供给至预旋流器18的环形增压室的预旋流器增压室16。在预旋流器18中冷却流体28被围绕转子盘31的纵向轴线30旋转。冷却流体28例如从预旋流器18直接地进入冷却通道入口,或者在冷却流体28行进通过转子盘31与涡轮叶片22的基部之间的间隙之后进入冷却通道入口,并接着冷却流体28行进通过各冷却通道26。当在冷却通道26中时,涡轮叶片22的围绕转子盘31的纵向轴线30 (又称为旋转轴线)的转动创建了激发冷却流体28通过冷却通道26的径向向外方向32上的离心力。冷却流体28被从冷却通道出口 29喷出并进入热气体36流动所在的热气体路径34内。冷却流体28的通过冷却通道26并离开冷却通道出口 29的移动创建了将冷却流体28从转子腔20吸引到冷却通道26内以取代已经被喷出的冷却流体28的抽吸力。环境空气的静压力将冷却流体28朝向转子腔20推动以取代被吸引到冷却通道26内的冷却流体28,由此完成了环境空气冷却回路10。
[0021]图2是在外罩去除的状态下的从燃气涡轮发动机的后端观察的环境空气冷却回路10的预旋流器18的示例性立体图。可以看见具有恒定直径40的内罩38和围绕转子盘31的纵向轴线30以环形阵列布置的多个引导翼片42。预旋流器18接收轴向流动的由预旋流器增压室16输送的冷却流体28的环形流动,并且赋予导致围绕转子盘31的纵向轴线30的旋转的周向运动。如可以在示出预旋流器18的示例性实施例的入口侧的图3中看到的,多个引导翼片42限定了:引导冷却流体28的多个管嘴44,各管嘴44形成在第一引导翼片46之间并由其限定;周向上相邻的引导翼片48 ;引导翼片42所跨越的内罩38的外端壁50和外罩56的内端壁54。各管嘴44因此限定了冷却回路10的一部分。与传统管嘴不一样,这里所公开的端壁不具有恒定直径40。而是,端壁不仅在周向方向60上而且在轴向方向62上都形成波状轮廓并且可以关于恒定直径40波动。
[0022]与引导翼片相关联的一个气动损失已知为可能在引导翼片42的前缘74与端壁的交叉72处发展的马蹄形漩涡70。在管嘴44内,这些漩涡趋向于在有着相对高的静压力所在的流体流的相对较慢的区域中发展。靠近于端壁以及压力侧76和/或吸入侧78的冷却流体通过包括了与这些表面相关联的摩擦在内的各种气动因素而相对于冷却流体28内的其他区域被减慢。作为结果,当与管嘴44内的中央区域82相比时,接近交叉72的区域80中的冷却流体28可能会相对慢地流动。另外,遇到引导翼片42的前缘74的冷却流体28引起在前缘74前方的弓形波,在前缘74前方处建立了当与流中的其他区域内的静压力相比时较高的静压力
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