具有冷却销的涡轮发动机

摘要

本发明涉及具有冷却销的涡轮发动机，提供一种涡轮系统，在一实施例中，涡轮系统(10)可包括涡轮壳体(60)，配接到涡轮壳体(60)的护罩块体(54)，在护罩块体(54)中的流体通道(66)；以及，销(62)，其配置成与流体通道(66)交接。该销(62)可包括：中空轴(80)；插入该中空轴(80)中的杆(82)；以及，阀(84)，其安置于该杆(82)的远端上，其中该阀(84)配置成当通过该中空轴(80)远程促动杆(82)时打开和关闭该流体通道(66)。

权利要求

1.一种涡轮系统（10），包括：

涡轮壳体（60）；

护罩块体（54），其配接到所述涡轮壳体（60）；

在所述护罩块体（54）中的流体通道（66）；以及销（62），其配置成与所述流体通道（66）交接，所述销（62）包括：中空轴（80）；

杆（82），其插入所述中空轴（80）中；以及控制部件（84），其安置于所述杆（82）上，其中所述控制部件（84）配置成当所述杆（82）绕所述杆（82）和所述中空轴（80）的轴线旋转时打开和关闭所述流体通道（66）。

2.根据权利要求1所述的涡轮系统（10），其中所述流体通道（66）与所述护罩块体（54）的阻尼机构（68）流体连通。

3.根据权利要求2所述的涡轮系统（10），其中所述阻尼机构（68）包括弹簧（72）。

4.根据权利要求1所述的涡轮系统（10），其中所述流体通道（66）与所述护罩块体（54）的耐热衬里（65）流体连通。

5.根据权利要求1所述的涡轮系统（10），其中所述流体通道（66）配置成传递冷却流体到所述护罩块体（54）。

6.根据权利要求5所述的涡轮系统（10），包括在所述护罩块体（54）中与所述流体通道（66）流体连通的开口（74），其中所述开口（74）配置成在所述控制部件（84）打开所述流体通道（66）时传递冷却流体。

7.根据权利要求1所述的涡轮系统（10），其中所述销（62）延伸穿过所述护罩块体（54）和所述涡轮壳体（60）。

8.根据权利要求1所述的涡轮系统（10），其中所述控制部件（84）包括蝶形阀。

9.根据权利要求1所述的涡轮系统（10），其中所述控制部件（84）包括球阀或活塞阀。

10.一种涡轮系统（10），包括：

定子构件，其包括冷却流体通道（66）；以及防旋转销（62），其插入安装于所述定子构件（54）中的插孔内，其中所述防旋转销（62）包括：中空轴（80）；

杆（82），其插入所述中空轴（80）中，其中所述杆（82）的远端延伸超过所述中空轴（80）到所述冷却流体通道（66）内；以及阀（84），其安置于所述杆（82）的远端上，其中所述阀（84）配置成在所述杆（82）绕所述杆（82）和所述中空轴（80）的轴线旋转时打开和关闭。

说明书

具有冷却销的涡轮发动机

技术领域

[0001] 本文所公开的主题涉及燃气涡轮发动机，且更具体而言，涉及用于调制到燃气涡轮发动机的构件的冷却流体流动的流动控制组件。

背景技术

[0002] 燃气涡轮发动机包括涡轮，涡轮具有附连到中心转子上的多个叶片。来自一组燃烧器的热燃烧气体经过这些叶片流动，引起转子旋转。最小化绕过叶片的气体量提高了从气体流动到涡轮转子的能量转移。因此，涡轮护罩可安置于涡轮壳体内以减小涡轮叶片顶端与壳体之间的距离。在操作高温下，燃气涡轮发动机构件，特别地在气体路径中的旋转构件与其护罩，可经历磨损和撕裂。这些构件可由构件中和构件周围的冷却流体的流动来冷却。但为了提高发动机的运行效率，发动机通常良好地密封以防止热气体从发动机泄露出来。因此，将冷却流体导引至发动机的热部件是复杂的。

发明内容

[0003] 在下文中概述了在范围上符合原始要求保护的发明的特定实施例。这些实施例预期并不限制所主张的发明的范围，而是这些实施例预期仅提供本发明可能形式的简要概述。实际上，本发明可涵盖可与下文所陈述的实施例相似或不同的多种形式。 [0004] 在一实施例中，涡轮系统可包括涡轮壳体，配接到涡轮壳体的护罩块体，护罩块体中的流体通道；以及，销，其配置成与流体通道交接。销可包括：中空轴；插入中空轴中的杆；以及，安置于杆上的控制部件，其中该控制部件配置成在该杆绕该杆和中空轴的轴线旋转时打开和关闭该流体通道。

[0005] 在另一实施例中，涡轮系统可包括定子构件，定子构件包括冷却流体通道；以及，防旋转销，其安装于定子构件的插孔中。该防旋转销可包括：中空轴；插入中空轴中的杆，其中该杆的远端延伸超过该中空轴到冷却流体通道内；以及，阀，其安置于杆的远端上，其中该阀配置成在该杆绕该杆和中空轴的轴线旋转时打开和关闭。

[0006] 在另一实施例中，防旋转销可包括：中空轴；插入中空轴中的杆；以及，阀，其安置于杆的一部分上，杆的该部分沿着杆和中空轴的轴线延伸经过该中空轴，其中该阀配置成在杆相对于中空轴移动时打开和关闭。

附图说明

[0007] 当参看附图来阅读下文的具体实施方式时本发明的这些和其它特点、方面和优点将会被更好地理解，在所有附图中，相似的附图标记表示相似部件。

[0008] 图1是根据本技术的实施例的涡轮系统的方块图；

[0009] 图2是根据本技术的实施例如图1所示的涡轮部段的剖视侧视图； [0010] 图3是根据本技术的实施例具有配接到涡轮壳体的防旋转销的示例性护罩块体的截面图；

[0011] 图4是根据本技术的实施例的防旋转销的局部剖视侧视图；

[0012] 图5A是当阀打开时流体流动，护罩块体内的多个增压腔室的截面顶视图； [0013] 图5B是当阀关闭时流体流动中断，护罩块体内的多个增压腔室的截面顶视图； [0014] 图6是护罩块体的截面侧视图，其示出在块体内多个增压腔室相对于防旋转销的位置；

[0015] 图7是根据本技术的实施例的防旋转销的剖视侧视图；以及

[0016] 图8是根据本技术的替代实施例的防旋转销的剖视侧视图。

具体实施方式

[0017] 现将在下文中描述本发明的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简洁描述，可不在说明书中描述实际实施方式的所有特点。应了解在任何这样的实际实施方式的发展中，如在任何工程或设计项目中，可做出许多具体实施方式决策以实现开发者的具体目标，例如符合系统相关和商务相关的约束，其在实施方式之间可不同。此外，应了解这些开发工作可能复杂且耗时，但仍然是受益于本公开内容的本领域技术人员设计、制作和制造的常规任务。

[0018] 当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“该”和“所述”意图表示存在这些元件的一个或多个。术语“包括”、“包含”和“具有”意图是包括性的，且表示可存在除了所列出元件之外的额外元件。

[0019] 本发明提供用于计量流体(例如，冷却流体)到燃气涡轮发动机构件的内部流动的外部控制装置。在操作期间，涡轮发动机产生热燃烧气体，热燃烧气体在发动机的所有部件上导向。为了发动机效率的利益，希望防止这些燃烧气体泄露且导引这些气体通过一个或多个涡轮级以发电。因此，发动机的定子构件可被设计成耐受较高温度。但是，就耐温壳体和其它定子构件而言，可有利地在策略上将冷却流体导向至发动机的特定构件以维持所希望的操作温度。

[0020] 发动机的定子构件可在轴向和/或周向以区段组装，在轴向，例如，这些区段沿着发动机旋转轴的轴线一个接一个地组装；在周向，例如，这些区段被组装成基本上包围轴或其它机械构件。在任一实例中，可以以装入旋转和/或可移动构件为目的来组装这些区段。此外，区段可包围旋转构件，旋转构件相对于定子构件对准以维持所希望的最小间隙来保持效率。举例而言，定子构件可被设计成经历最小热膨胀使得间隙基本上并不随着温度升高而改变。为此，单个区段可包括多个耐受高温的结构以及用于阻尼振动且减小运动(例如，轴旋转)对定子 构件影响的结构。因此，可在单个区段内或者在两个或两个以上区段之间利用防旋转销将定子构件紧固在一起，防旋转销被设计用于维持位置。根据实施例的示例性定子构件可包括涡轮壳体和涡轮护罩块体。

[0021] 在实施例中，外部控制的装置可包括可从发动机外部的周围空气环境接近的任何装置。这些装置可延伸穿过定子构件以计量内部空气流动，内部空气可为冷却空气，或者，在一些实施例中，可为热流体。在一实施例中，可使用防旋转销来控制定子构件内的空气流动。这些销可包括阀或其它结构来计量到定子构件的特定部件的冷却流体。阀可在涡轮发动机的外表面上促动以允许操作者或促动器微调定子构件的冷却。这些销可插入于预先存在的通道内，这些预先存在的通道被设计成接纳防旋转销。与其中防旋转销仅可用于提供附连位置的单个目的的其它布置不同，本文所描述的实施例涉及可控制冷却以及提供这种附连位置的防旋转销。由于多个防旋转销可遍布定子构件，可通过促动单个防旋转销上的阀将冷却导向至很窄的区域。此外，由于防旋转销可控制到定子构件内的冷却流体通道的阀或开口，销的促动并不允许流体通过防旋转销所插入的通道排出。换言之，这些销并不通过将周围空气喷射到定子构件内来控制冷却。而是销在外部受到控制，以通过销的通道计量定子构件内的内部流体。这些销只允许操作者通过促动销上的构件来打开或关闭阀。通过以此方式操作，可避免热空气自发动机的内部部件泄露。

[0022] 现转至附图且首先参看图1，其示出了涡轮系统10的实施例的方块图，涡轮系统10可合并防旋转销，如在下文进一步展开描述。该图包括燃料喷嘴12、燃料源14和燃烧器
16。如图所描绘的，燃料源14通过燃料喷嘴12将液体燃料或气体燃料(例如天然气)导引至燃烧器16内。在与加压空气混合之后，由箭头18示出，在燃烧器16中发生点燃且所得到的废气造成涡轮20内的叶片旋转。涡轮20中叶片与轴22之间的配接将造成轴22旋转，轴22还配接至整个涡轮系 统10的若干构件，如图所示。举例而言，所图示的轴22驱动地配接到压缩机24和负荷26。应了解，负荷26可为任何合适装置，其可经由涡轮系统
10的旋转输出发电，例如发电站或车辆。

[0023] 空气源28可经由管道将空气导引至空气进口30，其然后导引空气到压缩机24内。压缩机24包括多个叶片，叶片驱动地配接到轴22，从而压缩来自空气进口30的空气且将其导引至燃料喷嘴12和燃烧器16，如由箭头32所示。燃料喷嘴12然后可混合加压空气与燃料，由数字18示出，以产生用于燃烧的最佳混合比，例如，使燃料更完全燃烧以便不浪费燃料或造成过量排放的燃烧。在穿过涡轮20之后，废气在排气出口34离开系统。涡轮系统
10包括多种构件，其使例如轴22相对于在系统10操作期间固定的其它构件移动和/或旋转。如在下文中详细地讨论的，涡轮系统10的实施例包括具有防旋转销的特定定子构件，防旋转销用于将冷却流体导引到护罩的热部件。

[0024] 在图2中示出涡轮20的实施例的细节图。来自燃烧器16的热气体在轴向35流入到涡轮20内。在本实施例中示出的涡轮20包括三个涡轮级。其它涡轮配置可包括更多或更少的涡轮级。举例而言，涡轮可包括1个、2个、3个、4个、5个、6个或更多的涡轮级。第一涡轮级包括绕涡轮20在周向41基本上等距间隔开的喷嘴38和桨叶40(例如，涡轮叶片)。第一级喷嘴38刚性地安装到涡轮20且配置成朝向桨叶40引导燃烧气体。第一级桨叶40安装到转子42上，随着燃烧气体经过桨叶40流动，转子42旋转。而转子42又配接到轴22，轴22驱动压缩机24和负荷26(参看图1)。然后，燃烧气体流经第二级喷嘴44和第二级桨叶46。第二级桨叶46也配接到转子42。最后，燃烧气体流经第三级喷嘴48和桨叶50。随着燃烧气体流经每个级，来自燃烧气体的能量转变成转子42的旋转能。在流经每个涡轮级之后，燃烧气体在轴向35离开涡轮20。

[0025] 如图所示，第一级桨叶40由定子构件包围，例如涡轮护罩块体54，涡轮护罩块体54包括耐热的护罩内衬56。护罩块体54由吊架 58配接到涡轮壳体60。本实施例的内部护罩56可用于在高温操作的涡轮20中，以使护罩块体54绝热。但是，如果护罩块体54配置成耐受操作温度，较低温度的涡轮20可省略内部护罩56。涡轮护罩块体54可最小化绕过桨叶40的燃烧气体量。具体而言，在气体沿着轴向5向下游流动时，涡轮护罩块体54与桨叶40之间的间隙59提供供燃烧气体绕过桨叶40的路径。应了解在某些实施例中，护罩块体54是可合并防旋转销(下文进一步详细地描述)的涡轮系统10的定子构件的实例。 [0026] 图3是相对于通过涡轮20的热气体流的流动在周向41配接到壳体60的护罩块体54的截面图。如图所描绘的，护罩块体54可包括插入于护罩块体54中的销通道(参看图4)内的防旋转销62。销通道可与冷却通道66流体连通用于将冷却流体(例如来自供应通道70)传递到护罩块体54的阻尼系统68，且可控制通过冷却通道66的冷却流体的流动，如在下文中进一步详细地讨论的。多个护罩块体54可安置成绕涡轮轴线的周向阵列，且安装多个护罩内衬56，多个护罩内衬56包围并形成流经涡轮20的热气体路径的一部分。护罩内衬56可由陶瓷复合物形成，护罩内衬56可由螺栓(未图示)固定到护罩块体54上，且具有与热气体路径35的热气体接触的内表面69。护罩块体54可由金属合金形成，金属合金充分耐温以耐受适度的高温水平。来自冷却通道66的空气预期净化非流动路径区以确保支承结构不经受超过特定合金熔点的高后燃温度。

[0027] 阻尼系统68可包括阻尼机构，例如弹簧72。弹簧72可插入于中央开口或通道74内，使得来自冷却通道66的压缩机排放空气的冷却流动在护罩块体54内流动，以维持弹簧温度低于预定温度。因此，弹簧72可由低温金属合金形成以维持控制阻尼块体78的正的预负荷。因此弹簧72可设计成保持低于预定的具体温度限度。冷却介质可供应到冷却通道66和弹簧通道74。通道66也可排出用过的冷却介质。因此，防旋转销62可允许操作者控制来自销62的冷却流体流动， 其可向冷却通道66提供来自压缩机24的排放空气流动或者任何其它合适的冷却介质。冷却流体可自冷却通道66进入弹簧通道74，且缓和阻尼系统68的构件(例如弹簧72)的温度。在实施例中，操作者可通过操作防旋转销62的特定可促动构件来微调散布于涡轮22上的个别阻尼系统68的冷却。

[0028] 图4是插入于销通道79内的防旋转销62的实施例的局部剖视侧视图。防旋转销62可包括中空轴80，杆82已插入于中空轴80内。杆82包括用于计量流体流动的控制部件，在此处示出为阀84。如图所描绘，阀84可位于杆82的远端86上。在其它实施例中，阀可更靠近地定位，使得阀安置于杆82的中点或者更靠近。在这些实施例中，杆82的远端可延伸通过护罩块体54的流体控制点。中空轴80和杆82绕旋转轴线90同心或同轴。当杆
82绕轴线90旋转时，阀84旋转，允许冷却流体从供应通道70传递以进入冷却通道66且在朝向弹簧通道74的方向92中流动以冷却弹簧72，阀84可包括翅片形或盘形蝶形阀结构
85。在其它实施例中，阀84可为球阀结构，闸阀或其它阀类型，其可通过杆82的旋转而打开或关闭。另外，控制部件可为计量流动的任何合适装置，例如可在外部控制的一定大小的孔口或其它装置。如图所示，杆82的远端86延伸超过中空轴80的远端94到冷却通道66内。由于中空轴可基本上不延伸到冷却通道66内，当杆82在中空轴80内旋转时，这种布置允许阀84控制冷却通道66中的流动。如图所示，销通道79可延伸穿过一个或多个定子构件，例如壳体60和护罩块体54，允许销62向定子构件提供结构支承，同时也提供用于控制冷却介质到定子构件的特定部件的流动的机构。

[0029] 图5A和图5B是示例性护罩块体54的顶部截面图，其示出阀84的替代配置，阀84可与多个弹簧通道74(74a、74b和74c，如图所示)流体连通。典型护罩块体54可每块体54具有三个或三个以上的阻尼机构。防旋转销62可配置成控制到块体54中所有或仅某些个别阻尼机构的流体。当阀84打开时，如在图5A中，冷却流体可沿着路 径92行进到增压腔室或通道，用于冷却护罩块体54的阻尼部件。当阀84关闭时，如在图5B，阻挡冷却空气的流动。图6示出护罩块体54的轴向视图，其示出个别弹簧通道74相对于防旋转销62的相对位置。防旋转销62防止护罩块体54的周向移动。

[0030] 图7是防旋转销62的剖视侧视图，其示出杆82插入于中空轴通道94内。如图所示，杆82和轴80大体上绕轴线90同心。轴通道94可具有合适的大小和形状，以允许该杆在轴通道94内绕轴线90自由旋转。为了便于这种旋转，杆82可包括特定结构以允许操作者更容易地旋转杆82。举例而言，杆82的近端96可从轴80延伸足以使得操作者可利用工具(例如，扳手、钳子、插座、螺丝刀)来夹紧杆82，或采取另外的方法控制(例如，经由自动控制器)杆82的旋转。此外，杆82可包括转轮98以便于杆82旋转。如图所示，转轮98可具有齿99或其它结构。在一些实施例中，齿99可充当杆82的锁定系统的部件。举例而言，杆82可旋转使得阀84打开。当阀84处于适当位置时，可通过绕齿99缠绕线或其它装置且使线穿过中空轴80的套环102上的孔100而将杆82固定就位。在这种布置中，杆82可相对于中空轴80的轴线90固定于旋转位置。此外，杆82可包括在远端部分86上的过大直径，其阻挡轴向移动。换言之，键106阻挡向下移动，而过大的远端部分86阻挡向上移动。过大的远端部分86限定环形唇缘，环形唇缘邻靠中空轴80的远端94。 [0031] 在其它实施例中，杆82也可沿着轴线90的长度固定就位。换言之，可防止杆82沿着轴线90上下移动。举例而言，杆82可包括穿过它的近端96的通道104，通道104沿着轴线103或105，或者基本上正交于轴线90。键106可插入于通道104内以防止沿着轴线90在向上方向112或向下方向114中移动。键106可搁置于垫圈108上以保持就位。这种布置可用于其中杆82包括另一类型的阀84(例如活塞阀)的实施例中。在这种布置中，在杆82沿着轴线90向上112或向下114移动时，阀84可打开。举例而言，向上112移动杆可打开 通道66的流动。然后可通过将键106插入于通道104内而将杆锁定于打开位置。
在一些实施例中，杆82可包括沿着轴线90的多个通道104，其大小和形状适于接纳键104以允许将杆锁定于沿着轴线90的若干可能位置之一。

[0032] 在一些实施例中，轴通道95可被密封以阻挡流体从冷却通道66泄露，流体可能会向上流动通过中空轴80通过通道95。密封110可包括线或其它延展性结构或化合物。当杆82绕轴线90转动时，线110抵靠中空轴80和安置于杆82上的套环116偏压。该旋转按压线110以形成密封，在一些实施例中，可容易移除该密封。

[0033] 在替代实施例中，在图8中示出，轴通道95可被密封以利用联锁机构来阻挡流体泄露，联锁机构在杆82与中空轴80之间提供张力。举例而言，杆82可包括螺纹120，螺纹120可旋合到中空轴82上的螺纹内，中空轴82的螺纹可形成于锥形件126a和126b内部。
杆82和轴82张紧机构可包括螺母122和垫圈124。

[0034] 本书面描述使用实例来公开本发明，包括其最佳方式，且使得本领域技术人员能实践本发明，包括做出和使用任何装置或系统和执行任何合并的方法。本发明的专利保护范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例，如果这些其它实例具有与权利要求书的字面语言并无不同的结构元件或者如果这些其它实例包括与权利要求书的字面语言并无实质差异的等效结构元件，这些其它实例预期在权利要求书的范围内。 [0035] 部件列表

[0036] 涡轮系统10

[0037] 燃料喷嘴12

[0038] 燃料源14

[0039] 燃烧器16

[0040] 空气18

[0041] 涡轮20

[0042] 轴22

[0043] 压缩机24

[0044] 负荷26

[0045] 空气源28

[0046] 空气进口30

[0047] 空气流动32

[0048] 排气出口34

[0049] 轴向35

[0050] 第一级喷嘴38

[0051] 第一级桨叶40

[0052] 周向41

[0053] 转子42

[0054] 第二级喷嘴44

[0055] 第二级桨叶46

[0056] 第三级喷嘴48

[0057] 第三级桨叶50

[0058] 涡轮护罩块体54

[0059] 耐热护罩内衬56

[0060] 吊架58

[0061] 间隙59

[0062] 涡轮壳体60

[0063] 防旋转销62

[0064] 冷却通道66

[0065] 阻尼系统68

[0066] 内表面69

[0067] 供应通道70

[0068] 弹簧72

[0069] 中央开口或通道74(74a、74b和74c)

[0070] 块体78

[0071] 销通道79

[0072] 中空轴80

[0073] 杆82

[0074] 阀84

[0075] 翅片形或盘形蝶形阀结构85

[0076] 远端86

[0077] 旋转轴线90

[0078] 方向92

[0079] 中空轴通道/远端94

[0080] 轴通道95

[0081] 近端96

[0082] 转轮98

[0083] 齿99

[0084] 孔100

[0085] 套环102

[0086] 轴线103

[0087] 通道104

[0088] 轴线105

[0089] 键106

[0090] 垫圈108

[0091] 线110

[0092] 向上方向112

[0093] 向下方向114

[0094] 套环116

[0095] 螺纹120

[0096] 螺母122

[0097] 垫圈124

[0098] 锥形件126a和126b。