用于冷却涡轮发动机的系统的制作方法
【专利摘要】在一方面中，本主题涉及用于冷却涡轮发动机的系统。该系统包括冷却介质源、定子导叶、和涡轮护罩组件，定子导叶具有与冷却介质源流体地连通的内部流动通路，涡轮护罩组件具有与定子导叶的内部流动通路流体地连通的内部流动通路。该系统允许由冷却介质源提供的冷却介质与各种涡轮硬件构件如涡轮护罩组件之间的减小的峰值热梯度。
【专利说明】
用于冷却涡轮发动机的系统
技术领域
[0001]本主题大体上涉及涡轮发动机。更具体而言，本主题涉及用于冷却涡轮发动机的各种涡轮构件如涡轮护罩组件的系统。
【背景技术】
[0002]燃气涡轮发动机以依次流过的顺序大体上包括压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。在操作中，空气进入压缩机区段的入口，在此，一个或更多个轴向压缩机逐渐地压缩空气，直到其达到燃烧区段。燃料在燃烧区段内与压缩空气混合且燃烧，以提供燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段发送至涡轮区段。在特定构造中，涡轮区段以依次流过的顺序包括高压(HP)涡轮和低压(LP)涡轮。HP涡轮和LP涡轮至少部分地限定燃气涡轮发动机的热气体路径。燃烧气体然后经由排气区段发送出热气体路径。
[0003]在燃烧气体流过热气体路径时，热能从燃烧气体传递至各种涡轮硬件构件，诸如定子导叶(stator vane)、祸轮转子叶片(turbine rotor blade)、祸轮护罩密封件和其他涡轮硬件构件。结果，冷却各种涡轮硬件构件来满足热和/或机械性能要求是必须和/或有益的。
[0004]通常，冷却介质，诸如来自压缩机区段的压缩空气，通过限定在各种涡轮硬件构件内或周围的各种冷却通路或回路来发送。然而，各种涡轮硬件构件中的不合乎需要地高的热应力可由于与热燃烧气体温度和显著较低的冷却介质温度相关的热梯度而发生。因此，减小各种涡轮硬件构件，特别是涡轮组件中的热应力的用于冷却涡轮发动机的系统在本技术中将是受欢迎的。
【发明内容】
[0005]本发明的方面和优点将在以下描述中部分地提出，或可从描述中清楚，或可通过本发明的实践而习得。
[0006]在一方面中，本主题涉及一种用于冷却涡轮发动机的系统。系统包括第一冷却介质源、第一定子导叶、和第一涡轮护罩组件，第一定子导叶具有与冷却介质源流体地连通的内部流动通路，第一涡轮护罩组件具有与第一定子导叶的内部流动通路流体地连通的内部流动通路。系统还包括第二冷却介质源、配置在第一定子导叶的下游且包括内部流动通路的第二定子导叶。第一定子导叶和第二定子导叶至少部分地限定穿过涡轮的热气体路径。系统还包括旁通流动通路，该旁通流动通路至少部分地限定在挡板与定子导叶的外带环部分之间。旁通流动通路和第二定子导叶的内部流动通路与第二冷却介质源流体地连通。系统还包括第二涡轮护罩组件，该第二涡轮护罩组件具有与第二定子导叶的内部流动通路和旁通通路中的至少一者流体地连通的内部流动通路。
[0007]在另一方面中，本主题涉及一种用于冷却涡轮发动机的系统。系统包括第一冷却介质源、第一定子导叶、和第一涡轮护罩组件，第一定子导叶具有与冷却介质源流体地连通的内部流动通路，第一涡轮护罩组件具有与第一定子导叶的内部流动通路流体地连通的内部流动通路。系统还包括第二冷却介质源。第二定子导叶配置在第一定子导叶的下游。第二定子导叶包括内部流动通路。第一定子导叶和第二定子导叶至少部分地限定穿过燃气涡轮发动机的热气体路径。旁通流动通路至少部分地限定在挡板与定子导叶的外带环之间。旁通流动通路和第二定子导叶的内部流动通路与第二冷却介质源流体地连通。系统还包括第二涡轮护罩组件，该第二涡轮护罩组件具有与第二定子导叶的内部流动通路和旁通通路中的至少一者流体地连通的内部流动通路。
[0008]本主题的另一方面涉及一种用于冷却涡轮发动机的系统。该系统包括涡轮发动机的第一级，该第一级具有定子导叶和涡轮护罩组件。定子导叶具有与冷却介质源流体地连通的内部流动通路。祸轮护罩组件包括与定子导叶的内部流动通路流体地连通的内部流动通路。该系统还包括配置在第一级下游的涡轮发动机的第二级。第二级包括定子导叶和涡轮护罩组件。第二级的定子导叶包括与第一级的涡轮护罩组件的内部流动通路流体地连通的内部流动通路。第二级的涡轮护罩组件包括与第二级的定子导叶的内部流动通路流体地连通的内部流动通路。
[0009]技术方案1:一种用于冷却涡轮的系统，所述系统包括:
冷却介质源；
定子导叶，其具有与所述冷却介质源流体地连通的内部流动通路;和
涡轮护罩组件，其具有与所述定子导叶的内部流动通路流体地连通的内部流动通路。
[0010]技术方案2:根据技术方案I所述的系统，其中，所述冷却介质源包括低压压缩机和高压压缩机中的至少一种。
[0011 ]技术方案3:根据技术方案I所述的系统，其中，所述定子导叶的内部流动通路包括至少一个孔，其中，所述至少一个孔提供沿所述定子导叶的跨度的到内部流动通路外的流体连通。
[0012]技术方案4:根据技术方案I所述的系统，其中，所述定子导叶的内部流动通路包括与所述冷却介质源流体地连通的入口和与所述涡轮护罩组件流体地连通的出口。
[0013]技术方案5:根据技术方案4所述的系统，其中，所述定子导叶的入口和出口可沿所述定子导叶的外带环部分形成。
[0014]技术方案6:根据技术方案4所述的系统，其中，所述入口沿所述定子导叶的内带环部分形成。
[0015]技术方案7:根据技术方案I所述的系统，其中，所述涡轮护罩组件的内部流动通路包括限定在所述涡轮护罩组件的护罩密封件部分内的冷却空气仓室。
[0016]技术方案8:根据技术方案I所述的系统，其中，所述定子导叶包括在所述定子导叶的内部流动通路的下游的由所述定子导叶的外带环部分限定的旁通流动通路，其中，所述旁通流动通路提供所述定子导叶的内部流动通路与所述涡轮的热气体路径之间的流体连通。
[0017]技术方案9:根据技术方案I所述的系统，其中，所述定子导叶和所述涡轮护罩组件为所述高压涡轮的第一级部分或高压涡轮的第二级部分中的一者的涡轮硬件构件。
[0018]技术方案10:根据技术方案I所述的系统，还包括与所述涡轮护罩组件的护罩密封件的密封表面径向地间隔的涡轮转子叶片，所述涡轮转子叶片包括多个冷却通路，其中，所述冷却通路朝所述护罩密封件的密封表面定向。
[0019]技术方案11:一种用于冷却涡轮的系统，所述系统包括:
第一冷却介质源；
第一定子导叶，其具有与所述冷却介质源流体地连通的内部流动通路；
第一涡轮护罩组件，其具有与所述第一定子导叶的内部流动通路流体地连通的内部流动通路；
第二冷却介质源；
第二定子导叶，其配置在所述第一定子导叶的下游，所述第二定子导叶具有内部流动通路，其中，所述第一定子导叶和所述第二定子导叶至少部分地限定穿过所述涡轮的热气体路径；
旁通流动通路，其至少部分地限定在挡板与所述定子导叶的外带环部分之间，其中，所述旁通流动通路和所述第二定子导叶的内部流动通路与所述第二冷却介质源流体地连通；和
第二涡轮护罩组件，其具有与所述第二定子导叶的内部流动通路和所述旁通通路中的至少一者流体地连通的内部流动通路。
[0020]技术方案12:根据技术方案11所述的系统，其中，所述第一冷却介质源包括低压压缩机和高压压缩机中的至少一种。
[0021]技术方案13:根据技术方案11所述的系统，其中，所述第一定子导叶的内部流动通路包括至少一个孔，其中，所述至少一个孔提供沿所述第一定子导叶的跨度的到内部流动通路外的流体连通。
[0022]技术方案14:根据技术方案11所述的系统，其中，所述第二定子导叶的内部流动通路包括至少一个孔，其中，所述至少一个孔提供沿所述第二定子导叶的跨度的到内部流动通路外的流体连通。
[0023]技术方案15:根据技术方案11所述的系统，其中，所述定子导叶的内部流动通路包括与所述冷却介质源流体地连通的入口和与所述涡轮护罩组件流体地连通的出口。
[0024]技术方案16:根据技术方案11所述的系统，其中，所述第一涡轮护罩组件的内部流动通路包括限定在所述第一涡轮护罩组件的护罩密封件部分内的冷却空气仓室。
[0025]技术方案17:根据技术方案16所述的系统，其中，所述第二冷却介质源包括所述第一涡轮护罩组件的内部流动通路。
[0026]技术方案18:根据技术方案11所述的系统，其中，所述第一定子导叶包括由所述第一定子导叶的外带环部分限定的旁通流动通路，其中，所述旁通流动通路在所述第一定子导叶的内部流动通路的下游，其中，所述旁通流动通路提供所述第一定子导叶的内部流动通路与所述涡轮的热气体路径之间的流体连通。
[0027]技术方案19:根据技术方案11所述的系统，其中，所述第一定子导叶和所述第一涡轮护罩组件为高压涡轮的第一级部分的涡轮硬件构件，且所述第二定子导叶和所述第二涡轮护罩组件为所述高压涡轮的第二级部分的涡轮硬件构件。
[0028]技术方案20:—种用于冷却涡轮发动机的系统，包括:
所述涡轮发动机的第一级，其具有定子导叶和涡轮护罩组件，所述定子导叶具有与冷却介质源流体地连通的内部流动通路，且所述涡轮护罩组件具有与所述定子导叶的内部流动通路流体地连通的内部流动通路;和所述涡轮发动机的第二级，其配置在所述第一级的下游，所述第二级具有定子导叶和涡轮护罩组件，所述第二级的定子导叶具有与所述第一级的涡轮护罩组件的内部流动通路流体地连通的内部流动通路，所述第二级的涡轮护罩组件具有与所述第二级的定子导叶的内部流动通路流体地连通的内部流动通路。
[0029]通过参照以下描述和所附权利要求，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书中且构成其一部分的附图例示出了本发明的实施例，且与描述一同用于阐释本发明的原理。
【附图说明】
[0030]在参照附图作出的说明书中阐述针对本领域的技术人员的本发明的完整且可实现的公开，包括其最佳实施方式，在附图中:
图1为根据本主题的各种实施例的示范燃气涡轮发动机的示意截面图；
图2为根据本发明的一个实施例的，如图1中所示的燃气涡轮发动机的第一级部分的放大截面侧视图，其包括用于冷却燃气涡轮发动机的涡轮的系统的示范实施例；
图3为根据本发明的一个实施例的，如图1中所示的燃气涡轮发动机的第一级部分的放大截面侧视图，其包括用于冷却涡轮发动机的系统的示范实施例；
图4为根据本发明的一个实施例的，如图1中所示的燃气涡轮发动机的第二级部分的放大截面侧视图，其包括用于冷却涡轮发动机的系统的示范实施例；
图5为根据本发明的一个实施例的，如图1中所示的燃气涡轮发动机的第二级部分的放大截面侧视图，其包括用于冷却涡轮发动机的系统的示范实施例;且
图6为根据本发明的一个实施例的，如图1中所示的燃气涡轮发动机的第一级部分和第二级部分的一部分的放大截面侧视图，其包括用于涡轮发动机的系统的示范实施例。
[0031]部件列表
10涡扇喷气发动机 12纵向或轴向中心线 14风扇区段 16核心涡轮发动机 18外壳 20入口 22低压压缩机 24高压压缩机 26燃烧区段 28尚压祸轮 30低压涡轮 32喷气排气区段 34高压轴/转轴 36低压轴/转轴 38风扇转轴/轴 40风扇叶片42风扇壳或机舱44出口导向导叶46下游区段48旁通空气流通路50空气52入口
54空气的第一部分56空气的第二部分58空气的第二部分60燃烧气体62定子导叶64涡轮转子叶片66定子导叶68涡轮转子叶片70风扇喷嘴排气区段72热气体路径74第一级部分76第二级部分100涡轮冷却系统102冷却介质源104定子导叶106内部流动通路108涡轮护罩组件110内部流动通路112压缩的冷却介质114 入口116 出口118 入口120护罩块122流动分配仓室124护罩密封件126径向内部分128冷却空气仓室130内/冷侧表面132密封表面134径向间隙136末梢部分138内带环部分140孔口 /孔 142旁通流动通路 144外带环部分 145冷却通路
146出口 147-199未使用 200涡轮冷却系统 202冷却介质源 204定子导叶 206内部流动通路 208涡轮护罩组件 210内部流动通路 212压缩的冷却介质 214 入口
216出口
218入口 220护罩块 222流动分配仓室 224护罩密封件 226径向内部分 228冷却空气仓室 230内/冷侧表面 232密封表面 234径向间隙 236末梢部分 238内带环部分 240孔口 /孔 242旁通流动通路 244挡板
246外带环/护罩部分
248入口
250出口 251-299未使用。
【具体实施方式】
[0032]现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或更多个实例在附图中例示出。该详细描述使用数字和字母标号来表示附图中的特征。附图和描述中的相似或类似的标记用于指本发明的相似或类似的部分。如在本文中使用的，用语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不意图表示单独构件的位置或重要性。用语“上游”和“下游”指相对于流体通路中的流体流的相对方向。例如，“上游”指流体从其流动的方向，且“下游”指流体流至的方向。
[0033]现在参看附图，其中，相同的数字指示遍及附图的相同元件，图1为可包括本发明的各种实施例的在本文中称为“涡扇10”的示范高旁通涡扇喷气发动机10的示意截面图。如图1中所示，涡扇10具有延伸穿过其的用于参照目的的纵向或轴向中心线轴线12。大体上，涡扇10可包括风扇区段14和配置在风扇区段14下游的核心涡轮发动机或燃气涡轮发动机16。
[0034]核心涡轮发动机16可大体上包括限定环形入口20的基本上管状的外壳18。外壳18以依次流过的关系包围具有增压器或低压(LP)压缩机22、高压(HP)压缩机24的压缩机区段、燃烧区段26、包括高压(HP)涡轮28、低压(LP)涡轮30的涡轮区段，和喷气排气喷嘴区段32。高压(HP)轴或转轴34将HP涡轮28驱动地连接到HP压缩机24。低压(LP)轴或转轴36将LP涡轮30驱动地连接到LP压缩机22 JLP)轴或转轴36还可连接到风扇区段14的风扇转轴或轴38。在特定实施例中，如图1中所示，(LP)轴或转轴36可直接地连接到风扇转轴38，诸如以直接驱动构造的形式。在备选实施例中，(LP)轴或转轴36可经由减速齿轮(未示出)连接到风扇转轴38，诸如以间接驱动或齿轮驱动构造的形式。
[0035]如图1中所示，风扇区段14包括多个风扇叶片40，风扇叶片40联接到风扇转轴38且从风扇转轴38径向向外地延伸。环形风扇壳或机舱42周向地包绕风扇区段14和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。本领域技术人员将认识到的是，机舱42可构造成由多个周向地间隔的出口导向导叶44相对于核心涡轮发动机16得到支承。此外，机舱42的下游区段46可在核心涡轮发动机16的外部上延伸，以便限定其间的旁通空气流通路48。
[0036]在涡扇10的操作期间，一定体积的空气50通过机舱42和/或风扇区段14的相关入口 52进入涡扇10。当该体积的空气50行进跨过风扇叶片40时，如由箭头54指出的空气50的第一部分被引导或发送到旁通空气流通路48中，且如由箭头56指出的空气50的第二部分被引导或发送到LP压缩机22中。空气的第一部分54与空气的第二部分56之间的比值通常称为旁通比。空气的第二部分56的压力然后在其被朝高压(HP)压缩机24发送时(如由箭头58指出)增大。空气的第二部分58被从HP压缩机24发送到燃烧区段26中，在此，其与燃料混合且焚烧，以提供燃烧气体60。
[0037]燃烧气体60被发送穿过HP涡轮28，在此，经由联接到外壳18的HP涡轮定子导叶62和联接到HP轴或转轴34的HP涡轮转子叶片64的连续级而获得来自燃烧气体60的热能和/或动能的一部分，从而导致HP轴或转轴34旋转，从而支持HP压缩机24的操作。燃烧气体60然后被发送穿过LP涡轮30，在此，经由联接到外壳18的LP涡轮定子导叶66和联接到LP轴或转轴36的LP涡轮转子叶片68的连续级从燃烧气体60获得热能和动能的第二部分，从而导致LP轴或转轴36旋转，从而支持LP压缩机22的操作和/或风扇转轴或轴38的旋转。
[0038]燃烧气体60然后被发送穿过核心涡轮发动机16的喷气排气喷嘴区段32以提供推进推力。同时地，在空气54的第一部分在其从祸扇10的风扇喷嘴排气区段70排出之前被发送穿过旁通空气流通路48时，空气的第一部分54的压力显著地增大，从而提供推进推力。HP涡轮28、LP涡轮30和喷气排气喷嘴区段32至少部分地限定热气体路径72，以用于将燃烧气体60发送穿过核心祸轮发动机16。
[0039]在核心涡轮发动机16的操作期间，流过HP和LP涡轮区段(特别是流过HP涡轮28)的燃烧气体60的温度可为极大的。例如，流过由HP涡轮28限定/限定在HP涡轮28内的热气体路径72的一部分的燃烧气体可超过2000华氏度。结果，冷却HP涡轮28和/或LP涡轮30的各种涡轮硬件构件以满足热和/或机械性能要求是必须和/或有益的，涡轮硬件构件诸如但不限于定子导叶62、66、涡轮护罩密封件(如图2-6中例示且如下文详细描述的)和/或涡轮转子叶片64、68。
[0040]与涡扇发动机14一起，核心涡轮16用于类似目的，且在岸基燃气涡轮、涡轮喷气发动机(在此空气的第一部分54与空气的第二部分56之比小于涡扇)中且在无涵道风扇发动机(其中风扇区段14没有机舱46)中观察到类似的环境。在涡扇发动机、涡轮喷气发动机和无涵道发动机中的各个中，减速装置(例如，减速箱)可包括在任何轴与转轴之间，例如，在(LP)轴或转轴36与风扇区段14的风扇转轴或轴38之间。
[0041]根据本发明的各种实施例，用于冷却涡轮发动机的系统以依次流过的顺序包括冷却介质源、至少一个定子导叶和涡轮护罩组件，该至少一个定子导叶具有与冷却介质源流体地连通的内部流动通路，该涡轮护罩组件具有与定子导叶的内部流动通路流体地连通的内部流动通路。
[0042]图2提供了根据本发明的一个实施例的，核心涡轮发动机16的HP涡轮的第一级部分74的截面侧视图，其包括在本文中称为“系统100”的用于冷却涡轮发动机的系统100的示范实施例。应当认识到的是，在本文中参照HP涡轮28提供和描述的系统100也可用于冷却LP涡轮的各种涡轮硬件构件，且系统100不限于HP涡轮28，除非在权利要求中另外叙述。
[0043]如图2中所示，系统100以依次流过的顺序包括冷却介质源102、定子导叶104、和涡轮护罩组件108，定子导叶104具有限定或形成在其中的内部流动通路106，涡轮护罩组件108具有限定或形成在其中的内部流动通路110。在特定实施例中，冷却介质供应源102可包括HP压缩机24和/或LP压缩机22中的至少一者。在操作中，冷却介质供应源102将第一温度T1下的压缩冷却介质(如箭头112指出的)提供至定子导叶104的内部流动通路106的入口114。冷却介质112可包括来自HP压缩机24和/或LP压缩机22中的至少一者的压缩空气。
[0044]在冷却介质112传播穿过内部通路106时，来自定子导叶104的热由冷却介质112吸收，因此将冷却介质的温度从!^升高至较高温度Τη。冷却介质112经由出口 116离开内部流动通路106。冷却介质112然后被朝涡轮护罩组件108的内部流动通路110的入口 118引导或发送。
[0045]入口118可至少部分地限定在涡轮护罩组件108的护罩块或环部分120内。涡轮护罩组件108的内部流动通路110可至少部分地限定在护罩块或环部分120内。例如，护罩块或环部分120可至少部分地限定与入口 118流体地连通的流动分配仓室122。在特定实施例中，内部流动通路110可由联接到护罩块或环部分120径向内部分126的护罩密封件124至少部分地限定。在一个实施例中，护罩密封件124至少部分地限定与流动分配仓室122流体地连通的冷却空气仓室128。
[0046]护罩密封件124大体上包括内侧或冷侧表面130和密封表面132，密封表面132至少部分地暴露于流过热气体路径72的燃烧气体60。径向间隙134限定在护罩密封件124的密封表面132与涡轮转子叶片64中的一个的末梢部分136之间。护罩密封件124在核心涡轮发动机16的操作期间防止和/或控制燃烧气体60的穿过径向间隙134的泄漏。
[0047]护罩密封件124和/或密封表面132可由具有高热容量的一种或多种材料形成，诸如金属合金、陶瓷或陶瓷基质复合物，以便适应流过热气体路径72的高温燃烧气体60。在特定实施例中，护罩密封件124和/或密封表面132可由与形成或构成各种其他硬件构件(诸如静止导叶104、外壳18和/或涡轮转子叶片64)的材料不同(S卩，具有不同的热/机械性质)的材料形成。
[0048]一旦冷却介质112进入涡轮护罩组件108的内部流动通路110，则其可被引导跨过护罩密封件124的内表面130和/或冲击在护罩密封件124的内表面130上，从而对护罩密封件124提供对流或冲击冷却中的至少一者。当与其初始温度!^相比时，T11下的冷却介质112的升高的温度可穿过护罩密封件124与冷却介质112之间的厚度和/或峰值热梯度而减小，从而减小护罩密封件124上的热应力。这当护罩密封件124和/或密封表面132由陶瓷或陶瓷基质复合材料形成时可能是特别有益的。
[0049]图3提供了根据本发明的一个实施例的，如图2中所示的核心涡轮发动机16的HP涡轮28的一部分的截面侧视图，其包括系统100的示范实施例。在如图3中所示的一个实施例中，去往定子导叶104内部通路106的入口 114可沿定子导叶104的底部或内带环部分138形成或配置。在一个实施例中，定子导叶104可至少部分地限定多个孔或孔口 140，孔或孔口140提供沿定子导叶104的跨度的到内部流动通路106外的流体连通。
[0050]在特定实施例中，旁通流动通路142可至少部分地由定子导叶104的顶部或外带环部分144限定，旁通流动通路142提供穿过定子导叶外带环部分144且进入热气体路径72中的流体连通。旁通流动通路142可构造或定向成朝径向间隙134引导冷却介质112，从而对护罩密封件124的密封表面132提供冷却。在一个实施例中，系统100还可包括限定在涡轮转子叶片64内的各种冷却通路145。冷却通路145可构造或定向成将来自涡轮转子叶片64的冷却介质112的单独的流朝护罩密封件124的密封表面132提供到径向间隙134中。
[0051]图4为根据本发明的一个实施例的，如图1中所示的核心涡轮发动机16的HP涡轮28的第二级部分76的截面侧视图，其包括用于冷却燃气涡轮发动机的涡轮的系统200的示范实施例。如图4中所示，系统200以依次流过的顺序包括冷却介质源202、定子导叶204、和涡轮护罩组件208，定子导叶204具有限定或形成在其中的内部流动通路206，涡轮护罩组件208具有限定或形成在其中的内部流动通路210。在特定实施例中，冷却介质供应源202可包括HP压缩机24和/或LP压缩机22中的至少一者。在操作中，冷却介质供应源202将第一温度T2下的压缩冷却介质(如箭头212指出的)提供至定子导叶204的内部流动通路206的入口214。冷却介质212可包括来自HP压缩机24和/或LP压缩机22中的至少一者的压缩空气。
[0052]在冷却介质212传播穿过内部通路206时，来自定子导叶204的热能由冷却介质212吸收，从而将冷却介质212的温度从1~2升高至较高的温度T21。冷却介质212经由出口 216离开内部流动通路206。冷却介质212然后被朝涡轮护罩组件208的内部流动通路210的入口 218引导或发送。
[0053]入口218可至少部分地限定在涡轮护罩组件208的护罩块或环部分220内。涡轮护罩组件208的内部流动通路210可至少部分地限定在护罩块或环部分220内。例如，护罩块或环部分220可至少部分地限定与入口 218流体地连通的流动分配仓室222。在特定实施例中，内部流动通路210可由护罩密封件224至少部分地限定，护罩密封件224联接到护罩块或环部分220的径向内部分226。在一个实施例中，护罩密封件224至少部分地限定与流动分配仓室222流体地连通的冷却空气仓室228。
[0054]护罩密封件224大体上包括内或冷侧表面230和密封表面232，密封表面232至少部分地暴露于流过热气体路径72的燃烧气体60。径向间隙234限定在护罩密封件224的密封表面232与第二级部分76的涡轮转子叶片64中的一个的末梢部分236之间。护罩密封件224在核心涡轮发动机16的操作期间防止和/或控制燃烧气体60穿过径向间隙234的泄漏。
[0055]护罩密封件224和/或密封表面232可由具有高热容量的一种或多种材料形成，诸如金属合金、陶瓷或陶瓷基质复合物，以便适应流过热气体路径72的高温燃烧气体60。在特定实施例中，护罩密封件224和/或密封表面232由与形成或构成各种其他硬件构件(诸如第二级部分76的静止导叶204、外壳18和/或涡轮转子叶片64)的材料不同(S卩，具有不同热/机械性质)的材料形成。
[0056]一旦冷却介质212进入涡轮护罩组件208的内部流动通路210，则其可被引导跨过护罩密封件224的内表面230和/或冲击在其上，从而将对护罩密封件224提供对流或冲击冷却中的至少一种。当与其初始温度!^相比时，T21下的冷却介质212的升高温度可穿过护罩密封件224与冷却介质212之间的厚度和/或峰值热梯度而减小，从而减小了护罩密封件224上的热应力。这在护罩密封件224和/或密封表面232由陶瓷或陶瓷基质复合材料形成时可能是特别有益的。
[0057]图5提供了根据本发明的一个实施例的，如图4中所示的HP涡轮28的第二级部分76的一部分的截面侧视图，其包括系统200的示范实施例。在如图5所示的一个实施例中，定子导叶204的内部通路206的出口 216可沿定子导叶204的底部或内带环部分238形成或设置。在一个实施例中，定子导叶204可至少部分地限定多个孔或孔口 240，该孔或孔口 240提供沿定子导叶206的跨度的到内部流动通路206外的流体连通。
[0058]在特定实施例中，旁通流动通路242可至少部分地限定在挡板244与定子导叶204的顶部或外带环部分246之间。在操作中，冷却介质212经由入口 248在第一温度1~2下进入旁通流动通路242。在冷却介质212流动跨过定子导叶204的顶部或外带环部分246且穿过旁通流动通路242时，热能由冷却介质212吸收，从而将温度从1~2升高到T21。冷却介质212经由出口 250离开旁通通路242。冷却介质212然后被朝涡轮护罩组件208的内部流动通路210的入口 218引导或发送。
[0059]一旦冷却介质212进入涡轮护罩组件208的内部流动通路210，则其可被引导跨过护罩密封件224的内表面230和/或冲击在其上，从而对护罩密封件224提供对流或冲击冷却中的至少一种。当与其初始温度!^相比时，T21下的冷却介质212的升高温度可穿过护罩密封件224与冷却介质212之间的厚度和/或峰值热梯度而减小，从而减小护罩密封件224上的热应力。这在护罩密封件224和/或密封表面232由陶瓷或陶瓷基质复合材料形成时可能是特别有益的。
[0060]图6提供了根据本发明的一个实施例的核心涡轮发动机16的HP涡轮28的截面侧视图，其包括如图5中所示的第一级部分74和第二级部分76的一部分。在一个实施例中，如图6中所示，系统200的旁通流动通路242可与HP涡轮28的第一级部分74的涡轮护罩组件108的内部流动通路110流体地连通。在操作中，如前文参照系统100所提供的那样，冷却介质112在T11下流入涡轮护罩组件108的内部流动通路110中。在冷却介质112流动跨过护罩密封件124的内表面130和/或冲击在其上时，来自护罩密封件124的热能被吸收，从而将冷却介质的温度从Tn进一步升高到温度T12。
[0061 ] 冷却介质112然后穿过出口 146且朝入口 248流出涡轮护罩组件108，入口 248提供到旁通流动通路242中的流体连通。冷却介质112的至少一部分流动跨过第二级部分76的定子导叶204的顶部或外带环部分246。结果，额外的热能由冷却介质212吸收，因此将温度从T12升高到T13。在一个实施例中，冷却介质112的第二部分可流过第二级部分76的定子导叶204的内部流动通路206。冷却介质112经由出口 250离开旁通通路242。冷却介质112然后被朝涡轮护罩组件208的内部流动通路210的入口 218引导或发送。
[0062]一旦冷却介质112进入涡轮护罩组件208的内部流动通路210，则其可被引导跨过护罩密封件224的内表面230和/或冲击在其上，从而对护罩密封件224提供对流或冲击冷却中的至少一种。当与其初始温度!^相比时，T13下的冷却介质112的升高温度可穿过护罩密封件224与冷却介质112之间的厚度和/或峰值热梯度而减小，从而减小护罩密封件224上的热应力。这在护罩密封件224和/或密封表面232由陶瓷或陶瓷基质复合材料形成时可能是特别有益的。
[0063]如图2-6中所示且如本文描述和要求保护的用于冷却涡轮发动机的系统的各种实施例提供了优于用于涡轮发动机的常规冷却方案的各种技术利益。例如，通过重新使用冷却介质112、212或将其发送通过和/或跨过涡轮内的多个高温表面，冷却介质112、212的总体冷却有效性可在与在单次冷却流通构造中使用冷却介质相比时提高。此外，通过使用相对于TjPT2温度较暖的冷却介质冷却下游构件(诸如护罩组件108、208)，下游构件中的热应力可由于冷却介质112、212与待冷却的构件之间的减小的热梯度和/或减小的峰值热梯度而减小。
[0064]本书面说明使用示例以公开本发明，包括最佳实施方式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造并且使用任何装置或系统，并执行任何合并的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括由本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。
【主权项】
1.一种用于冷却涡轮的系统，所述系统包括: 冷却介质源； 定子导叶，其具有与所述冷却介质源流体地连通的内部流动通路;和 涡轮护罩组件，其具有与所述定子导叶的内部流动通路流体地连通的内部流动通路。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述冷却介质源包括低压压缩机和高压压缩机中的至少一种。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述定子导叶的内部流动通路包括至少一个孔，其中，所述至少一个孔提供沿所述定子导叶的跨度的到内部流动通路外的流体连通。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述定子导叶的内部流动通路包括与所述冷却介质源流体地连通的入口和与所述涡轮护罩组件流体地连通的出口。5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述定子导叶的入口和出口可沿所述定子导叶的外带环部分形成。6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述入口沿所述定子导叶的内带环部分形成。7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述涡轮护罩组件的内部流动通路包括限定在所述涡轮护罩组件的护罩密封件部分内的冷却空气仓室。8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述定子导叶包括在所述定子导叶的内部流动通路的下游的由所述定子导叶的外带环部分限定的旁通流动通路，其中，所述旁通流动通路提供所述定子导叶的内部流动通路与所述涡轮的热气体路径之间的流体连通。9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述定子导叶和所述涡轮护罩组件为所述高压涡轮的第一级部分或高压涡轮的第二级部分中的一者的涡轮硬件构件。10.根据权利要求1所述的系统，还包括与所述涡轮护罩组件的护罩密封件的密封表面径向地间隔的涡轮转子叶片，所述涡轮转子叶片包括多个冷却通路，其中，所述冷却通路朝所述护罩密封件的密封表面定向。
【文档编号】F01D25/12GK106014493SQ201610195118
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】宁卫, D.P.德伊, M.V.斯林瓦斯
【申请人】通用电气公司