专利名称：用于涡轮发动机的可变动力喷嘴喷射器的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及涡轮发动机，尤其涉及为优化涡轮发动机中压缩机的抽气混合而对可变动力喷嘴喷射器的使用。
背景技术：
在燃气轮机中，来自压缩机入口的一部分总气流被分流用于冷却各种涡轮组件。然而，分流空气可能会损耗流过压缩机的很大一部分总气流。因此对于该副流的管理和控制可以提高涡轮发动机的整体性能。
一般，空气加压后从压缩机中抽出，用作各种涡轮组件的冷却流，从而流经燃烧系统的支路。喷射器通常对实现该目的很有用。例如，空气引流可以从压缩机的第十三级被抽出以用来冷却涡轮的第二级喷嘴。空气引流也可以从另一级中被抽出，比如第九级，并以比从第十三级抽出的气流更低的压力和温度为涡轮的第三级喷嘴提供冷却空气。然而，抽气口通常提供过高的压力和/或温度的冷却气流。这样，气流就有可能受到节流并造成能量的净损失。采用喷射器可以将低压/低温的气流与高压/高温的气流混合来提供适中的压力和温度，基本上与冷却涡轮级所需要的压力和温度相匹配，虽然同时利用低压和低温的气流可能会作为浪费的能源而耗散掉。
众所周知，喷射器通常不具有活动件。喷射器的尺寸被设计用来提供同等条件下的所需空气。然而日常温度的差异将会影响喷射器的运行特性。换句话说，在不同日子里，和每日中的不同时间段，喷射器将会有不一样的运转表现。在比较热的日子里，喷射器将送出比需求量更多的空气还可能会溢流。这样的溢流并不会影响喷射器的使用寿命，但却可能会对性能效益造成损害。而在比较冷的日子里，喷射器送出的空气量可能会不够并可能需要使用到旁通管路。
因此，需要提供一种喷射系统以适应周围环境每天的差异。这样的一种系统能更好地提高涡轮发动机的总效率。
发明内容
本发明因此描述了一种燃气涡轮发动机。该系统包括一具有第一压缩级和第二压缩级的压缩机，一具有第一涡轮级和第二涡轮级的涡轮，连接第一压缩级和第一涡轮级的第一流动路径，连接第二压缩级和第二涡轮级的第二流动路径，一连接第一流动路径和第二流动路径的交叉流动路径，以及一布置于交叉流动路径和第一流动路径附近的喷射器。该喷射器可以是一可变动力喷嘴喷射器。
第一压缩级可以包括有第十三级，且第二压缩级可以包括有第九级。第一涡轮级可以包括有第二级喷嘴，且第二涡轮级可以包括有第三级喷嘴。喷射器可以包括有一置于初级喷嘴内的柱塞，并有一致动器与柱塞相联接。该系统还包括一与第一涡轮级和喷射器相联系的压力传感器，并且可以使用多个压力传感器。
本发明还描述了一种在具有压缩机、涡轮和可变动力喷嘴喷射器的涡轮系统中将压缩机抽气最大化的方法。该方法包括使第一空气流从压缩机流入涡轮，使第二空气流从压缩机流入涡轮，将第一空气流与第二空气流的一部分在喷射器中混合以形成第三空气流，感测第三空气流的压力，并根据该感测的压力调整该可变动力喷嘴喷射器。基于感测到的低压，该可变动力喷嘴喷射器增加通过该处的第三空气流，基于感测到的高压，该可变动力喷嘴喷射器减少通过该处的第三空气流。
本发明另外还描述了一种燃气涡轮发动机，该系统包括一具有多个压缩级的压缩机，和具有多个涡轮级的涡轮。该系统可以包括一连接第一压缩级和第一涡轮级的第一流动路径，一布置于第一流动路径附近的压力传感器，一连接第二压缩级和第二涡轮级的第二流动路径，一连接第一流动路径和第二流动路径的交叉流动路径，以及一可调节的喷射器，该喷射器置于交叉流动路径和第一流动路径附件的位置，并与压力传感器相联接。该可调节的喷射器可以包括一可变动力喷嘴喷射器，还可以包括一置于初级喷嘴内的柱塞，和与柱塞相联接的一致动器。
通过阅读下面的具体描述并结合附图和所附权利要求，本发明上述和其他技术特征对于本领域普通技术人员来说是很明显的。
图1为采用现有喷射器的涡轮发动机中压缩机和涡轮机截面示意图。
图2为现有喷射器的侧面剖视图。
图3为本发明所述的可变动力喷嘴喷射器的侧面剖视图。
图4为采用图3中所示的可变动力喷嘴喷射器的涡轮发动机中压缩机和涡轮机截面示意图。
10涡轮发动机系统12压缩机14涡轮16入口20第十三级21第二级喷嘴22流动路径24第九级26流动路径28第三级喷嘴29节流阀30喷射器31交叉流动路径32流动支路33隔离阀40空气入口42初级喷嘴44入口46次级喷嘴48混合管50扩散管100可变动力喷嘴喷射器110动力流入口120吸入流入口130初级喷嘴140次级喷嘴
150混合管155第三空气流160扩散管170柱塞180致动器200涡轮发动机系统210压力传感器具体实施方式
现在参照附图，在各个视图中相同的附图标记表示相同的元件，图1表示一涡轮发动机系统10。该系统10包括一压缩机12和一涡轮机14。压缩机12具有一入口16用以接收外界环境空气。该空气吸入后被通过不同的压缩级进行压缩，每一级都将压缩空气至更高的压力和温度。大部分的空气压缩后被输送入燃烧室。压缩机将压缩空气和燃料混合用于燃烧。该高温混合气体然后被供给到涡轮机14的不同级中。空气引流一般也可以从压缩机12的不同级中抽出用作涡轮机14的冷却气流或净化气流和其它目的。
举例来说，一高压抽气流可以从压缩机12的第十三级20获得，使其通过流动路径22作为冷却气流提供给涡轮机14的第二级喷嘴21。如图所示，可以使用多级流动路径。类似地，空气引流也可以从之前的压缩级中被抽取，比如压缩机12的第九级24，并通过流动路径26作为冷却气流提供给第三级喷嘴28。一流动支路32与流动路径22相连接。该流动支路32可以具有一节流阀29。流动支路32能够在较冷的天气里提供更多的气流，这在以下将进行更详细的描述。另外，多个交叉流动路径也可以被使用。
喷射器30可以布置在流动路径22中。如上所述，喷射器30消除了耗散抽气压力的情况。喷射器30还能够将流动路径22和26中的空气引流混合，以此来调节空气引流量并使整个系统10的效率得到优化。一交叉流动路径31可以置于流动路径22和26之间。交叉流动路径31可以包括一隔离阀33，当周围环境条件不好时，隔离阀33可以将喷射器30隔离开。
图2表示一现有的喷射器30。该喷射器30为一没有活动件的机械装置，根据动量转换将两流体进行混合。因为没有活动件，喷射器30的设计使其只能基于相同的天气条件下在特定的设计状态运行。喷射器30具有一用于接收通过流动路径22高压动力流的空气入口40，一使流动的静压降低至低于吸力总压的初级喷嘴42，一通过交叉流动路径31接收的低压或吸力流的入口44，从一用以加速二次流以使其静压下降的次级喷嘴46，一将两流动混合的混合管48，以及一使混合流减速并恢复静压的扩散管50。上述现有的喷射器系统记载于美国专利No.6,550,253和US 6,615,574中，在此一并作为参考。
通过将喷射器30定位于流动路径22中，从压缩机12的第十三级20抽取的高压抽气流在喷射器30的入口40可作为动力流。低压、低温流动通过流动路径26和交叉流动路径31到达喷射器30并作为吸力流通过入口44。这样，两流动混合到一起并流经喷射器30的扩散管50，形成一具第三流53，其压力和温度在动力流和吸入流各自的压力和温度中间。
图3表示一本发明中所述的可变动力喷嘴喷射器100。如图所示，喷射器100具有一接收通过流动路径22高压动力流的动力流入口110，一接收通过交叉流动路径31低压吸入流的吸入流入口120，一初级喷嘴130，一次级喷嘴140，一用以混合两流动以得到第三空气流155的混合管150，以及一用以将混合流减速并恢复静压的扩散管160。
喷射器100还包括置于初级喷嘴130内的柱塞170。一致动器180可以控制柱塞170。该致动器180在初级喷嘴130内操纵柱塞170，以此限据当前的环境条件来改变初级喷嘴130的流通面积。这种可变动力喷嘴喷射器100的样件在纽约巴达维亚的Graham公司就有销售。
图4表示本发明中所述的一涡轮发动机系统200。该系统200采用了喷射器100，并去除了流动支路32和节流阀29。作为流动支路32的替代，喷射器的致动器180能够抽回柱塞170以增大初级喷嘴130的流通面积并因此而增加通过该处的空气流。
喷射器100可以与多个压力传感器210相联接。压力传感器210可以置于涡轮14的第二级喷嘴21附近，以此来感测该处的压力变化。喷射器100和压力传感器210可以与一普通的微处理器和/或其他类型的控制装置相联接。控制装置根据从传感器190接收的信号可以启动致动器180工作。在此可以使用常规的速查表格或者是相类似的控制手段。喷射器100也可以将环境温度直接加入作为考虑因素。
这样，喷射器100能在周围环境条件的变化范围内提供优化的性能，而不是只能针对单一操作温度提供优化。因此喷射器100能够提供理想的空气引流并以此使得诱导比(作为一部分高压空气的低压抽气)最大化。同样地，整个系统200的复杂程度也因为流动支路32和节流阀29的去除而得到了降低。
明显地是，前述仅仅涉及本发明优选实施例描述，但是在不偏离本发明所附权利要求以及其等同物限定的精神和范围前提下，可进行许多变化和修改。
权利要求
1.一种燃气涡轮发动机系统(200)，其包括一压缩机(12)；该压缩机(12)包括第一压缩级(20)和第二压缩级(24)；一涡轮机(14)；该涡轮机(14)包括第一涡轮级(21)和第二涡轮级(28)；连接第一压缩级(20)和第一涡轮级(21)的第一流动路径(22)；连接第二压缩级(24)和第二涡轮级(28)的第二流动路径(26)；连接第一流动路径(22)和第二流动路径(26)的交叉流动路径(31)；位于交叉流动路径(31)和第一流动路径(22)附近的喷射器(100)，该喷射器(100)包括一可变动力喷嘴喷射器(100)。
2.如权利要求1所述的系统(200)，其中第一压缩级(20)包括第十三级。
3.如权利要求1所述的系统(200)，其中第二压缩级(24)包括第九级。
4.如权利要求1所述的系统(200)，其中第一涡轮级(21)包括第二级喷嘴。
5.如权利要求1所述的系统(200)，其中第二涡轮级(28)包括第三级喷嘴。
6.如权利要求1所述的系统(200)，其中喷射器(100)包括一置于初级喷嘴(130)内的柱塞(170)。
7.如权利要求6所述的系统(200)，其中喷射器(100)包括一与柱塞(170)联系的致动器(180)。
8.如权利要求1所述的系统(200)，其中还包括与第一涡轮级(210)和喷射器(100)相联系的压力传感器(210)。
9.如权利要求1所述的系统(200)，其中传感器(210)包括多个压力传感器。
10.一种使压缩机在具有压缩机(12)、涡轮(14)和可变动力喷嘴喷射器(100)的涡轮系统(200)中抽气最大化的方法，其包括使第一空气流(22)从压缩机(12)流入涡轮(14)；使第二空气流(26)从压缩机(12)流入涡轮(14)；将第一空气流(22)与第二空气流(26)的一部分在喷射器(100)中混合以形成第三空气流(155)；感测第三空气流(155)的压力；并且根据所感测的压力调节可变动力喷嘴喷射器(100)。
全文摘要
本发明涉及一种燃气涡轮发动机系统(200)。该系统(200)包括一具有第一压缩级(20)和第二压缩级(24)的压缩机(12)，一具有第一涡轮级(21)和第二涡轮级(28)的涡轮机(14)，一连接第一压缩级(20)和第一涡轮级(21)的第一流动路径(22)，一连接第二压缩级(24)和第二涡轮级(28)的第二流动路径(26)，一连接第一流动路径(22)和第二流动路径(26)的交叉流动路径(31)，以及一置于交叉流动路径(31)和第一流动路径(22)附近的喷射器(100)。所述喷射器(100)可以是一可变动力喷嘴喷射器(100)。
文档编号F02C7/12GK101059102SQ200610064708
公开日2007年10月24日 申请日期2006年12月7日 优先权日2005年12月7日
发明者C·E·沃尔夫, D·F·比迪, K·N·沃林, D·W·巴尔, K·T·麦戈文, R·P·埃卢里帕蒂, O·萨穆德拉拉 申请人:通用电气公司