[发明专利]级间冷却式涡轮发动机

说明书

技术领域

本发明大致涉及燃气涡轮，更具体地而言涉及其中的涡轮冷却。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中加压，并在燃烧器中与燃料混合，以便产生热的燃烧气体。能量从涡轮级中的燃烧气体中吸取，其通过一个传动轴而为压缩机提供动力，并且产生额外的功，以便为涡轮风扇航空发动机应用中的上游风扇提供动力，或驱动用于船舶和工业(M&I)应用的外部传动轴。

基础的核心发动机通常包括具有成排的压缩机叶片和相应的导流叶片(guide vane)的多级轴向式压缩机(axial compressor)，其将周围空气分级加压，并相应地提高其温度。自压缩机尾端排放的空气具有最高的压力，通常称为压缩机排放压力(CDP)，并相应地具有较高的温度。

在示例性配置中，压缩机具有七个压缩级以用于使空气压力增加到大气压力的许多倍，同时由于压缩循环，温度也会增加好几百度。根据燃气涡轮发动机的特定设计和其预期用途所需，可使用更少或更大数量的压缩级。

自压缩机排放的CDP空气大部分和燃烧器中的燃料混合，以产生热的燃烧气体。之后这些燃烧气体在几个涡轮级中经历膨胀循环，以便从中吸取出能量，其相应地减少燃烧气体的压力和其温度。高压涡轮(HPT)直接位于燃烧器之后，并用于为核心发动机中的压缩机叶片提供能量。

低压涡轮(LPT)位于HPT之后，并且驱动第二轴，为涡轮风扇发动机应用中的上游风扇提供能量，或驱动用于M&I应用的外部传动轴。

燃气涡轮发动机的整体效率依赖于空气压缩的效率，燃烧效率，和燃料气体在涡轮级中的膨胀效率。

因为涡轮构件在操作期间直接暴露于热的燃烧气体下，因此其需要合适的冷却以确保较长的使用寿命。例如，一些压缩机排放空气从燃烧过程分流以用于冷却燃烧器本身的内衬，以及冷却HPT的各种构件。

各涡轮级通常包括上游涡轮喷嘴或定子(stator)，其具有一排喷嘴翼型，其直接将燃烧气体导向下游，穿过相应的一排涡轮转子叶片。叶片通常安装在支撑转子的盘的周边，位于成形于盘中的相应的燕尾槽(dovetail slot)中。

涡轮叶片和翼型通常是带有相应的内部冷却通道的空心翼型(airfoil)，其在操作期间接收压缩机排放空气，用于使其冷却。空心叶片和翼型通常包括穿过其压力侧壁和吸力(suction)侧壁的多排薄膜冷却孔和其它排放孔，以便排放相应外部薄膜中的废弃内部冷却空气，用于进一步保护翼型。

此外，支撑第一级涡轮叶片的涡轮转子盘是相对较大的构件，其带有安装有叶片的轮缘，径向向内延伸的狭窄的腹板(web)，其终结在具有中心孔的较宽毂部(hub)上。转子盘在操作期间遇到相当大的离心荷载和受热，因而必须设计成可长时间使用。

相反，在膨胀循环期间考虑到燃烧气体温度和压力上的降低，与HPT相比LPT需要更少的冷却。因此减少了冷却需求，并且通常级间排放的空气可用于冷却那里的各种构件。

主涡轮流动路径设计成可能够限制流过发动机时的燃烧气体，并减低燃烧器中的温度和压力。各种用于涡轮构件冷却回路与主流动路径是独立的，并且必须提供足够压力下的冷却空气，以防止在操作期间吸入热的燃烧气体。

例如，在固定的涡轮喷嘴和旋转的涡轮叶片之间提供合适的旋转密封，以防止热的燃烧气体被吸入或回流到冷却回路中。因为喷嘴翼型和涡轮叶片的翼型通常包括成排的冷却空气出口孔，所以冷却空气必须具有比外部燃烧气体更大的足够的压力，以提供合适的回流安全裕度(backflow margin)，以防止热的燃烧气体吸入到涡轮翼型自身内。

因此，HPT的构件通常利用完全压力CDP空气(full-pressure CDPair)进行冷却，而LPT构件可利用较低压力的级间排放空气进行冷却。

这样，用于冷却涡轮构件的压缩机空气的使用可与HPT和LPT的不同冷却需求相匹配，从而减少对其的使用，并因此提高发动机效率。

然而，在现代燃气涡轮发动机中，提高发动机效率是持续且首要的设计目标，因此需要通过减少从压缩机中吸取的压缩空气以进一步提高发动机效率。

发明内容

一种燃气涡轮发动机，包括可操作地连接在一起的压缩机，燃烧器，和高压(HP)涡轮。级间冷却回路流通式地从压缩机的中间级连接至支撑一排涡轮叶片的HP盘的前向面(forward face)，用于将级间排放的冷却空气引导至那里。

附图说明

根据优选和典型的实施例，在以下结合附图所做的详细说明中将更具体地描述本发明和其详细的目的和优势，其中：