专利名称：用于燃气涡轮发动机温度管理的方法和装置的制作方法
技术领域：
本文中公开的主题涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地，涉及燃气涡轮发动机中
的温度管理。
背景技术：
在燃气涡轮发动机中，空气在压縮机中被加压并且在燃烧器中与燃料混合，以产 生向下游流动经过多个涡轮级的热燃烧气体。涡轮级包括具有定子静叶(stator vane)的 固定式涡轮喷嘴，定子静叶引导燃烧气体经过从支撑盘向外径向延伸的一排下游的涡轮转 子叶片，该排涡轮转子叶片由从该热燃烧气体中提取的能量提供动力。 第一级涡轮喷嘴接受来自燃烧器的热燃烧气体，随后将该热燃烧气体引向第一级 涡轮转子叶片，以从中提取能量。第二级涡轮喷嘴可设置在第一级涡轮转子叶片的下游，并 且又跟随着一排第二级涡轮转子叶片，以从燃烧气体提取更多的能量。类似地，第三级涡轮 喷嘴可设置在第二级涡轮转子叶片的下游，并且又跟随着一排第三级涡轮转子叶片。
随着从热燃烧气体中提取出能量，相对应地降低了该气体的温度。但是，由于气体 温度相对较高，典型地通过输送制冷剂来冷却涡轮级，制冷剂例如为可从压縮机转移的压 縮空气。由于被转移的冷却空气对于燃烧器不可用，因而相应地降低了发动机的总体效率。 因此，期望改善这种冷却空气的使用，以改善发动机的总体效率。 所需的冷却空气量取决于该燃烧气体的温度、材料选择以及涡轮发动机的设计。 该温度从涡轮发动机的空转运行到高功率运行而变化，并且在压縮机的入口处从低温到高 温变化。例如，在向发电机提供动力的陆基燃气涡轮发动机中，高温运行条件典型地发生在 热天、峰值功率条件期间。因此，燃烧气体的温度在发动机的运行或者运转条件期间可以临 时地改变。尽管该运行条件在发动机运行期间可能仅发生相对较短的时间，但是，由于燃烧 气体温度直接影响静叶和叶片的耐久性，因而涡轮级的冷却空气要求对于承受发动机的高 燃烧气体温度运行必须是有效的。 在第一级喷嘴组件和压縮机出口扩散器之间限定了轮距。由于其位置接近燃烧器 的出口，因而轮距经受涡轮机所经历的一些较高温度。为了将轮距维持在适合在该区域内 部件的长期耐久性的温度范围内，冷却空气被输送到该轮距。在诸如在压縮机的入口处导 致高温的高环境温度等的一定的运行条件下，冷却空气量对于将该轮距保持在期望的温度 范围内可能是不够的。在这些条件下，已知的是拆卸涡轮发动机并从燃烧器入口外壳去除 塞子。这导致离开压縮机的一部分高压空气通过原来由塞子封闭的开口转移到该轮距。尽 管结果是对涡轮的轮距区域的补充冷却，但是该更改是永久性的。这样，冷却空气在可能不 需要时也被输送到该轮距，从而降低了涡轮发动机的总体性能。
因此，期望提供具有改善的冷却的燃气涡轮发动机。
发明内容
本发明的一个示范性实施例被包括在用于涡轮发动机的冷却系统以及用于控制
3该涡轮发动机的冷却系统的方法中。将阀构件设置在该涡轮发动机的冷却流体通道和轮距 之间。阀组件响应于该轮距中的情况，并且基于该条件改变到该轮距的冷却流体的流量。
在下面的具体实施方式
中将结合附图更加具体地描述本发明(根据优选的示范 性的实施例)和本发明的进一步的目的和益处，其中 图1是通过根据本发明的一个示范性实施例的燃气涡轮发动机的一部分的轴向 截面视图； 图2是图1的涡轮部分的放大视图，示出了本发明的一个示范性实施例的特征；以 及 图3是图1的涡轮部分的放大视图，示出了本发明的另一个示范性实施例的特征。部件列表
10燃气涡轮发动机12多级压縮机14燃烧器16多级涡轮18空气20热燃烧气体22翼型件24翼型件26翼型件28翼型件30翼型件32翼型件38喷嘴组件40第一支撑盘42轮距43压縮机空气44压縮机出口扩散器46冷却通道47轮距条件传感器48轮毂50阀组件52阀构件54空气通道56阀致动器58控制器150阀组件152阀构件
4
156元件
具体实施例方式
图1中示出的是燃气涡轮发动机10的一部分。燃气涡轮发动机10关于纵向或者 轴向中心轴线是轴对称的，并且其以连续流动连通的方式包括多级轴向压縮机12、燃烧器 14、以及多级涡轮16。在运行期间，空气18在压縮机12中被加压，并且在燃烧器14内与燃 料混合以产生热燃烧气体20。燃烧气体向下游流动经过多级涡轮16，该多级涡轮16从该 燃烧气体20中提取能量。 如图1中所示，多级涡轮16的一个实施例可以配置成三级，这三级具有彼此以直 接序列轴向地设置的6排翼型件22， 24， 26， 28， 30， 32，用于引导贯穿其中的热燃烧气体20 并从该热燃烧气体20提取能量。翼型件22配置为第一级定子静叶，该静叶彼此周向地间 隔开并且在内带和外带之间径向地延伸以限定喷嘴组件38。喷嘴组件接受来自燃烧器14 的热燃烧气体20。翼型件24从第一支撑盘40的周界向外径向地延伸，并且被配置为第一 级涡轮转子叶片，转子叶片接受来自喷嘴组件38的热燃烧气体，以在运行期间提取能量来 旋转盘40。 轮距42限定在喷嘴组件38和压縮机出口扩散器44之间，接近燃烧器出口。由于 其接近于燃烧器14的出口的位置，因而轮距经受由燃气涡轮发动机10经历的某些最高温。 为了将轮距42维持在适合该区域内部件的长期耐久性的温度范围内，从压縮机12供给诸 如图2中的压縮机空气43的制冷剂，并且该制冷剂通过限定在压縮机出口扩散器44和轮 毂48之间的冷却通道46被输送至轮距42。 在一定的运行条件下，诸如在压縮机入口处导致高温的高环境温度下，通过冷却 通道46输送到轮距42的压縮空气43对于将轮距维持在如由轮距条件传感器47确定的期 望温度范围内可能是不够的。尽管可以操作条件传感器47以直接确定轮距42内的温度，但 是也可以感测诸如在其中由于温度漂移导致的部件膨胀的条件。阀组件50设置在压縮机 出口扩散器44内并且包括可移动地定位在压縮机出口扩散器壁的通道54中的阀构件52。 阀组件50具有用于操作阀构件52的诸如电动机、螺线管或者其他合适装置的阀致动器56。 阀致动器56协同阀构件52操作以改变从压縮机出口扩散器44到冷却通道46的压縮机空 气量，从而改变到轮距42的制冷剂的输送。阀组件50由控制器58启动，控制器58接受来 自轮距条件传感器47的输入信号。随着轮距42达到诸如限定温度的预定条件，控制器58 给阀致动器56发出信号以移动空气通道54中的阀构件52，从而接纳通过通道54的附加的 压縮机空气43。当将条件控制到期望规格时，控制器58给阀致动器56发出信号以移动冷 却空气通道50中的阀构件52，从而减少输送至轮距42的压縮空气的流量并增加涡轮发动 机10的总体效率。取决于所选择的阀组件50的类型，在打开(即开/关-完全打开/完 全封闭)阀构件50时，通过通道54的冷却流量可以是固定的，或者其可以是可变的(即 部分开/部分关_部分打开/部分封闭，或受调整的)。 现在参考图3，示出了本发明的另一个示范性实施例，其中相似的标记代表如已经 描述的相似的部件。在该实施例中，阀组件150是不受诸如图2中的控制器58的任何外部 影响而独立地操作的独立单元。阀组件150可以是双金属或者膨胀元件类型，其具有被选 择为在已经达到预定限制时操作阀构件152的材料特性。随着诸如通道46中的温度的条件升高导致随着升高的温度而增加的可变流量，将在控制范围之上发生元件156的膨胀。随
着冷却空气通道46中的条件到达可接受的范围内，膨胀元件156将收回阀构件152，从而减
少输送至轮距42的制冷剂空气的流量。从而改善了涡轮发动机10的总体效率。 本书面说明使用示例公开了本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的技术人
员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合在本文中的方法。
本发明的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果
这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有差别的结构元件或者如果这些其他示例包
括与权利要求的字面语言基本无差别的等同结构元件，则这些其他示例意在属于权利要求
的范围内。
权利要求
一种涡轮发动机(10)，包括涡轮(16)；压缩机(12)，其用于压缩空气；燃烧器(14)，其用于接受通过入口通道的压缩空气(43)，并且可操作以将燃料与所述压缩空气(43)一起燃烧，从而将热排气(20)输送给所述涡轮；轮距(42)，其被限定为靠近所述燃烧器(14)；冷却空气通道(54)，其在所述压缩机(12)和所述轮距(42)之间延伸；以及阀组件(50)，其具有阀构件(52)，所述阀构件(52)设置在所述冷却空气通道(54)内，并且可操作以响应于所述轮距(42)中的条件而让冷却空气进入所述轮距(42)。
2. 如权利要求l所述的涡轮发动机，其特征在于，所述阀组件(50)还包括可操作以移 动所述阀构件(52)的阀致动器(56)。
3. 如权利要求2所述的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮发动机还包括控制器(58)， 所述控制器(58)与所述阀致动器(56)相通，并且可操作以启动所述阀致动器来移动所述 阀构件(52)。
4. 如权利要求3所述的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮发动机还包括传感器(47)， 所述传感器(47)设置在所述轮距(42)内，并且可操作以将表示所述轮距(42)中的条件的 信号发送给所述控制器(58)，所述控制器(58)可操作以响应于该信号而启动所述阀致动 器(56)从而移动所述阀构件(52)。
5. 如权利要求4所述的涡轮发动机，其特征在于，所述条件为温度。
6. 如权利要求3所述的涡轮发动机，其特征在于，所述控制器(58)可操作以调整所述 阀构件(52)的打开和封闭，从而改变经过该冷却通道(54)的冷却空气流量。
7. 如权利要求l所述的涡轮发动机，其特征在于，所述阀组件(50)还包括膨胀元件 (156)，该膨胀元件(156)具有被选择成响应于所述轮距(42)中的条件而操作所述阀构件 (152)的材料特性。
8. 如权利要求7所述的涡轮发动机，其特征在于，所述条件为温度。
9. 一种用于改变到涡轮发动机的轮距的制冷剂的流量的方法，包括 感测所述轮距(42)中的条件；启动阀组件(50)以操作阀构件(52)，从而基于所述轮距中的条件来改变到所述轮距 (42)的制冷剂流量。
10. —种如权利要求9所述的用于改变到涡轮发动机中的轮距的制冷剂流量的方法， 其特征在于，所述方法还包括使用与所述轮距(42)在感测上相通的传感器(47)产生信号； 将所述信号传递给控制器(58); 将所述信号与限定的条件进行比较；以及 向所述阀组件(50)传递信号以操作所述阀构件(52)。
全文摘要
本发明涉及一种用于燃气涡轮发动机温度管理的方法和装置，更具体地，本发明描述了一种用于涡轮发动机(10)的冷却系统以及用于控制该冷却系统的方法。阀构件(52)设置在涡轮发动机的冷却流体通道(54)和轮距(42)之间，并且操作以让冷却流体(43)进入该轮距以用于对其进行冷却。阀组件(50)响应于该轮距中的条件，并且基于该条件改变到该轮距的附加冷却流体的流量。
文档编号F02C9/00GK101713337SQ200910205638
公开日2010年5月26日 申请日期2009年9月30日 优先权日2008年9月30日
发明者C·加齐洛, H·L·小乔丹, M·A·戴维, R·A·摩根 申请人:通用电气公司