发动机和用于操作所述发动机的方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及如权利要求1的前序部分中所述的发动机的领域。具体地，本公开可涉及工作发动机，并且更具体地涉及燃气涡轮。本公开还涉及引导静叶元件，特别是适合用于这种发动机的涡轮压缩机。本公开还涉及用于冷却发动机的构件的方法。
【背景技术】
[0002]高效率发动机通常需要高工作温度。内燃机可以提供温度远远超过大多数材料能忍受的温度的工作流体，特别是当同时需要维持机械强度的时候。用于使热压缩工作流体膨胀的发动机构件因此可能需要适当的冷却。对于暴露于高温流体的不间断流的构件更是如此，该高温流体特别是燃烧气体，诸如在燃气涡轮发动机的膨胀涡轮的热气通道中的构件的情况。燃烧器以及现今的内燃式燃气涡轮的至少第一级的引导静叶和旋转叶片需要可靠冷却。同样，涡轮定子和转子的部分，诸如，例如轴或者设置在压缩机的下游的轴的部分可能需要冷却。一种提供冷却剂的方法是，从燃气涡轮压缩机内或者从燃气涡轮压缩机后抽取一些空气，利用所述抽取的空气流绕过燃烧器，以及将所述空气引导至需要冷却的构件。应该理解，从压缩机抽取空气(然后至少部分地绕过热动力过程)是昂贵的，且因此，应该尽可能高效地使用冷却空气以便减少由抽取冷却空气造成的效率损失。
[0003]虽然将冷却空气引导至燃气涡轮的固定部分相对容易，但将冷却空气引导至转子部分更具挑战性。本领域已知的是例如在最后压缩机叶片与静叶排之间抽取空气。这是转子轴通常与固定盖接触的地方。在这个位置处出现可用于抽取冷却剂的环形泄漏间隙。然后，例如，通过形成在转子内的管道或者通过形成在转子或者轴外表面与盖的内壁之间的环形间隙来引导所抽取的冷却剂以使涡轮部分旋转。
[0004]然而，由于流过第一涡轮静叶排的气体的压力比远远高于由最后的压缩机静叶排产生的压力比，需要将复杂密封机构设置在该冷却剂管道的下游端，并且，通常应用某些测量以在冷却剂被供给到例如旋转涡轮叶片且然后被排放到涡轮热气流之前调整冷却剂的压力。
[0005]此外，应该注意，根据发动机压力比和周围温度，在从压缩机抽取时应用于冷却的流体的温度容易在300° C到500° C以上的范围内。
【发明内容】
[0006]本文公开的装置和方法的一个目的是改善现有技术。本文公开的装置和方法的另一目的是克服现有技术(并且更具体地上面所述的现有技术)中的某些缺点。
[0007]这通过如权利要求1中所述的发动机实现，并且进一步通过进一步的独立权利要求中所述的构件和方法实现。
[0008]本公开教导了一种发动机，所述发动机包括压缩机、膨胀机和轴，该轴具有旋转方向。所述发动机可以是工作发动机。另外，所述发动机可以是燃气涡轮，并且特别是内燃式燃气涡轮。
[0009]应该注意，在本公开内，“轴”和“转子”在很大程度上被同义地使用，因此，转子包括固定到该转子或者另外安装到该转子上的轴和任何旋转部分，诸如，例如旋转叶片、隔热罩等等。
[0010]另外，在本公开内，静叶表示固定到发动机定子上或者另外连接至发动机定子的固定流引导元件，而叶片表示固定到发动机转子或者另外安装至发动机转子的旋转流偏转元件。
[0011]发动机包括压缩流体主流径，应该理解，在本公开的含意中，该压缩流体主流径包括在压缩机内的主流径，并且还可以包括从压缩机出口到燃烧器或者任何其他压缩流体加热装置的流径。分流器部件设置在压缩器主流径处并且流体地连接至压缩器主流径。管道流体地连接分流器和膨胀机的构件，并且设置为使得，当操作发动机时，将流体通过管道从分流器引导至所述构件。此外，流偏转器装置设置在由分流器部件和/或所述管道中的任何一者提供的流径内。流偏转器装置设置为并且适于使经过所述流偏转器装置从分流器朝膨胀机构件导向的流在切向方向上偏转且特别地因此加速。偏转器装置可以设置在管道的上游侧或者特别是端部处。在这种情况下，使流过管道的流体流偏转的效果在整个管道内变得有效。
[0012]在本公开的一个方面中，偏转器装置设计为并且设置为使得所述偏转在轴旋转方向上实现。然而，可构想其中偏转器装置设计为并且设置为使得所述偏转与轴旋转方向相反实现。
[0013]如将变得显而易见，在使可压缩流体加速时，温度和静压降低。如进一步变得显而易见，所述抽取的压缩流体局部流意图用作用于发动机构件的冷却剂。因为温度降低，所以冷却效率增强。具体地，当引导冷却剂沿轴的外表面或者通过转鼓时，如在下面更详细地标明的那样，改善了转子冷却，或者减少从介质到本身形成转子的一部分的轴的吸热。将进一步认识到，由于冷却剂管道中的静压减小，在冷却剂管道的下游热气侧的冷却剂泄漏可能减小，且/或冷却剂管道与热工作流体主流之间的密封可能较便宜。如还将认识到，在切向方向上使冷却剂流加速时，所述加速可以在不改变冷却剂管道截面的情况下实现。在轴旋转的方向上导向冷却剂流时可发现进一步的益处。即，一方面，特别是当冷却剂管道形成在间隙(例如，在轴与固定部分(例如，如将在下面更详细的标明盖)之间的环形间隙)中时，冷却剂与转子之间的摩擦损失会减小。特别对于大型发动机而言，诸如固定式发电燃气涡轮，在轴的外表面处的切向速度可以达到远远超过100 m/s的相当大的量级。如将认识到，并且，在进一步考虑这种轴的大的表面积时，相对于轴的外表面具有很大程度上不同的切向速度的冷却剂流与轴之间的摩擦损失可能相当大。由于提出的流的切向加速度，流的切向速度与轴外表面的切向速度可以具有更紧密的匹配，并且可以大大减少所述摩擦损失。还将变得显而易见的是，如果压缩流体局部流从涡轮压缩机旋转叶片排的下游抽取，并且特别是当旋转叶片设置在轴上时，流在抽取时已经具有在轴旋转的方向上的切向速度，且因此在偏转器中需要较少的额外流加速和偏转来实现期望效果。
[0014]在所抽取的流体流的雷诺数由于加速而增加时，可增强构件与所抽取的流体流之间的热传递。
[0015]此外，在本公开的另一方面中，如果压缩流体局部流被引导至转子腔内，那么可以使偏转器成形为使得偏转器将额外的速度分量加到朝转子导向的抽取的介质流，即，例如，径向向内的范围。偏转器然后将调整、配置和设置为使得所抽取的流体流在径向向内范围中且在周向方向上偏转。具体地，在增加该径向向内范围，向心速度分量，以及联合轴旋转方向上的上述切向速度分量的过程中，流可以朝轴的入口开口导向，其在轴或者转子的外部与转子腔之间(或者，换言之，在所抽取的流体流与转子或者轴腔之间)提供流体连接。流的切向速度分量可以具有与转子轴外部且因而与所述入口开口的切向速度的匹配。由于该匹配和流朝所述开口的方向，可以在不提供所述入口开口的复杂几何的情况下很大程度上促进介质流入该入口开口。
[0016]可能被明确标明或者可能未被明确标明的本公开的教导的进一步的效果和益处可为固有的，或者对本领域技术人员可为显而易见的。
[0017]应该理解，在如提出的发动机中应用的分流器中，对上述标明的特性而言额外的特性可以发现是有益的。例如，这已经被证明有益于将这种分流器设计为争取尽可能平稳的流偏转。具体地，应该避免造成涡流的急剧偏转。因此，当静压的下降已经表现为合乎需要时，避免将对总体发动机效率不利的抽取的流体流的总压力损失，或者至少将其减少到最小。
[0018]在发动机的一个实施例中，压缩机为涡轮压缩机，该涡轮压缩机包括设置在轴上的至少一排旋转或者运转的叶片以及设置在所述排运转叶片的下游的相应排固定静叶，并且，分流器设置在例如所述排叶片与所述相应排静叶之间。所述布置的一个优点在于:压缩流体在被分流器抽取时因旋转叶片所产生的流体的加速将具有在轴的方向或者转子旋转的方向上的第一切向速度分量，或者，换言之，压缩机级中的静压累积未完全产生。因此，在偏转器装置中需要较少偏转来实现期望效果。在另一个实施例中，涡轮压缩机为多级涡轮压缩机，并且分流器可以设置在最下游(即，最后的)的压缩机级的相应叶片排与静叶排之间。
[0019]流偏转器装置可以包括多个翼型件。这些翼型件可设置为提供上游公称流动角和下游公称流动角，或者，对于流管道中的翼型件阵列而言通常还被称为，流入角和流出角，每个角度相对于流体流的轴向方向测量。流体流的所述轴向方向可以被认为与轴的轴向方向相同，特别是在轴向流涡轮发动机中。所述角度例如分别由前缘和后缘处的翼型件倾斜线的方向限定。特别地，下游公称流动角或者流出角大于上游公称流动角或者流入角，并且朝轴旋转方向倾斜，以便当流体流相应地沿翼型件流动时或者穿过翼型件阵列时使流体流偏转到轴旋转方向。偏转装置因此可以类似于设置在分流器上或者设置在冷却剂管道中的引导静叶排。应该理解，流也可以相对于轴旋转方向偏转，这将需要大的偏转角。下面将更详细地标明将这种大偏转角应用于具有相对于轴旋转方向引导的切向速度的优点。
[0020]可构想进一步的实施例，其中，偏转装置可为适当成形的喷嘴或者孔口，或者相应地多个喷嘴或者孔口。
[0021 ]应该理解，偏转器是发动机的固定构件。
[0022]在进一步的实施例中，偏转装置设置在发动机的固定部分上，并且可以特别地设置在形成在转子轴与所述固定部分之间的间隙内。偏转装置可以特别地设置在围绕轴的盖、引导静叶径向内侧部分(特别是引导静叶的径向内护罩)或者分流器中的一者上。同样，分流器可以由盖或