[发明专利]双重级间冷却发动机

说明书

技术领域

本发明总体涉及燃气轮机，且更特别地涉及其中的涡轮机冷却。

背景技术

在燃气轮机中，空气在压缩机中压缩并且在燃烧室中与燃料混合，用于产生热燃气。在涡轮级中从燃气中提取能量，通过一个驱动轴供给压缩机动力，且产生附加功来给涡轮风扇航空发动机中的上游风扇提供动力，或者用于驱动船用和工业(M&I)装置中的外驱动轴。

基本核心发动机通常包括具有多排压缩机叶片和对应导向叶片的多级轴向式压缩机，该轴向式压缩机在级中压缩环境空气并相应地升高它们的温度。从压缩机尾部排出的空气具有最高的压力，通常被称为压缩机排气压力(CDP)，还具有相对高的温度。

在示例性结构中，压缩机可以具有七级，由于压缩循环，用于将空气压力升高到环境压力的许多倍，同时提高好几百度的温度。根据燃气轮机具体设计的期望和它预期的使用，可以采用更少或者更多数目的压缩级。

从压缩机排出的CDP空气的大部分在燃烧室中与燃料混合用于产生热燃气。然后这些燃气在多级涡轮级中经过膨胀循环来从中提取能量，相应地降低了燃气的压力和它的温度。高压涡轮机(HPT)紧跟着燃烧室，并用来给核心发动机中的压缩机叶片提供动力。

低压涡轮机(LPT)紧跟着HPT，并驱动第二轴来给涡轮风扇发动机应用中的上游风扇提供动力，或者驱动M&I装置中的外驱动轴。

燃气轮机的总效率取决于空气压缩效率，燃烧效率，和涡轮级中燃气膨胀效率。

由于涡轮机部件在运行中直接接触热燃气，它们需要给它们的适当冷却来确保长期的使用寿命。例如，部分压缩机排气从燃烧过程中引出来冷却燃烧室自身的衬套，同时冷却HPT的各个部件。

每个涡轮机级通常包括具有一排喷嘴叶片的上游涡轮喷嘴或者定子，其引导燃气沿下游方向通过一排对应的涡轮机转子叶片。这些叶片通常安装在支承转子盘的周边上，其中支承转子盘的周边上形成有相应的燕尾槽。

涡轮机转子叶片和定子叶片通常是空心翼面，其内具有相应的内冷却通道，该冷却通道在运行期间中接收用于冷却它的压缩机排气。空心的转子叶片和定子叶片通常包括穿过压力侧和负压侧的多排膜式冷却孔和其它排气孔，用于通过相应的外膜排出用过的内部冷却空气以此来进一步地保护翼面。

而且，支承第一级涡轮叶片的涡轮机转子盘是相对大部件，其轮缘上安装有叶片，狭窄的腹板从那径向向内延伸直到具有中心孔的较宽轮毂。转子盘在运行期间要承受相当大的离心负荷和受热，而且还必须设计成长寿命。

相反，由于在膨胀循环中燃气温度和压力的减小，LPT比HPT需要的冷却要少些。因此冷却需求减少，通常可以采用级间抽气来冷却其中各种部件。

设计主涡轮机流动路径来限制燃气，当它们流过发动机且温度和压力比从燃烧室出来时降低。用于涡轮机部件的各个冷却回路与主流动路径无关，在运行过程中必须提供足够压力的冷却空气来防止吸入热燃气。

例如，在静止的涡轮喷嘴和转动的涡轮叶片之间设置合适的旋转密封，以此防止热燃气吸入或者回流到冷却回路中。由于喷嘴叶片和涡轮叶片的翼面通常包括多排冷却空气出口孔，冷却空气必须具有大于外部燃气压力的足够大的压力，来提供合适的回流余量防止热燃气吸入到涡轮机翼面自身中。

因此，HPT的部件通常使用全压CDP空气来进行冷却，而LPT部件可以使用低压级间抽气进行冷却。

这样，用于冷却涡轮机部件的压缩机空气的使用可以通过减少其使用来适应HPT和LPT不同的冷却需求，并且因此提高发动机效率。

然而，提高发动机效率是在现有燃气轮机中持续的和首要的设计目的，并因此期望通过减少从压缩机抽取压缩空气，进一步提高发动机效率。

发明内容

燃气轮机包括操作地连接在一起的压缩机，燃烧室，和高压涡轮机。第一级间抽气回路流连通地连接在压缩机的第一最后之前级和涡轮机中的空心叶片之间，为其提供压缩初级空气。第二级间抽气回路流连通地连接在压缩机的第二最后之前级和涡轮机叶片之间，为其提供比初级空气压力低的压缩次级空气。

附图说明

根据优选和示例性实施例，本发明和其进一步的目的和益处，结合附图在接下来的详细说明书中将更特别地进行描述，其中：

图1是涡轮风扇燃气轮机的局部剖视轴向示意图；

图2是通过图1所示的核心发动机一部分的放大轴向剖视图；

图3是图2所示的高压涡轮机的放大轴向示意图；

图4是图3所示的高压涡轮机的进一步的放大轴向剖视图。

具体实施方式