可变几何形状喷射器的制作方法

专利名称：可变几何形状喷射器的制作方法
技术领域：
本申请一般地涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言，涉及带有可变几何形状喷 嘴和混合管的喷射器的使用以便在任何环境温度下优化喷射器和燃气涡轮发动机的性能。
背景技术：
在燃气涡轮发动机中，来自压縮机的一部分进入空气流可被转向以冷却各种涡轮 构件。然而，被转向的空气可消耗通过压縮机的总的空气流的较大部分(约百分之二十之 多)。因此，改进这些寄生(parasitic)空气流的控制和管理可增加燃气涡轮发动机的总性 能和效率。 例如，空气可从压縮机中抽取以用作各种涡轮构件的冷却流。因此，抽取的空气绕 过燃烧系统。为了该目的，喷射器经常是有用的。放出空气(bleed air)可从例如压縮机的 十三级中抽取以冷却涡轮的第二级喷嘴。放出空气还可从另一级(例如，处于比从第十三 级中所抽取的更低的压力和温度下的第九级)中抽取以用于将冷却空气供应给涡轮的第 三级喷嘴。然而，抽取端口经常提供处于太高压力和/或温度下的冷却空气流。因此，该流 可被节流到所期望的压力和/或温度。然而，这种调节可能导致能量的净损耗。通过使用 喷射器，低压力/温度的空气流可与高压力/温度的空气流相混合以提供处于中间压力和 温度下的空气流，以便管理用于冷却涡轮级所需的压力和温度。因此，喷射器利用低压力和 温度的空气流，该空气流在其它情况下可能作为废能而浪费。 喷射器通常不具有任何运动部件。相反地，喷射器的尺寸适于以最佳的方式提供 处于IS0条件(典型地约59华氏度(约15摄氏度))下的所需的空气流。然而，每日的温 度变化将对喷射器的运行特性产生影响。换句话说，喷射器在不同的日子和在每天不同的 时间可能表现不同。在炎热天，喷射器可输送比所需更多的空气，并且因此可溢流。这样的 溢流可能不影响喷射器的寿命，但是性能利益可能受损。在炎热天(高于约70华氏度(约 21. l摄氏度))并处于部分负载(例如，低于涡轮上的约百分之五十的负载)下通常存在用 于喷射器的最佳运行状况。相反地在寒冷天，可需要平行于喷射器的旁路管线以提供喷射 器不能单独供应的附加的冷却流。 因此，期望可适应环境条件中的每日变化的喷射器系统。这样的系统优选地可总 体上增加燃气涡轮发动机的输出和效率。

发明内容
因此，本申请提供一种用于涡轮发动机的喷射器。喷射器可包括可变几何形状动
力(motive)喷嘴和定位在可变几何形状动力喷嘴下游的可变几何形状混合管。 本申请还提供一种利用具有可变几何形状喷嘴和可变几何形状混合管的喷射器
而将空气流从压縮机提供到涡轮的方法。该方法可包括步骤在寒冷的环境温度下，扩大可
变几何形状喷嘴并縮小可变几何形状混合管。该方法还可包括步骤在炎热的环境温度下，
縮小可变几何形状喷嘴并扩大可变几何形状混合管。
本申请还提供一种用于涡轮发动机的喷射器。该喷射器可包括带有许多齿的可变
几何形状动力喷嘴和具有定位在混合腔内的柔性插入件的可变几何形状混合管。 在结合数个附图和所附的权利要求来审阅下文详细描述后，本申请的这些及其它
3特征对本领域中的普通技术人员来说将变得显而易见。


图1是带有已知喷射器的燃气涡轮发动机的压縮机和涡轮区段的示意图。 图2是已知喷射器的侧视截面图。 图3是如本文中所描述的可变几何形状喷射器的侧视截面图。 图4是用于与图3的可变几何形状喷射器一起使用的V形喷嘴的侧视截面图。 图5是V形喷嘴的示意图。 图6是V形喷嘴的侧视截面图。 图7是如可与图3的可变几何形状喷射器一起使用的混合管的侧视截面图。
图8是显示与喷射器运行环境温度有关的截留比(entrapment ratio)的图表。部 件清单IO涡轮发动机系统12压縮机14涡轮16进口 18第十三级20第二级喷 嘴22第一流动路径24第九级26第二流动路径28第三级喷嘴30旁路流动路径 32节流阀34喷射器36过渡(crossover)流动路径38 隔离阀40动力空气进口42 主喷嘴44吸入空气进口46次级喷嘴48混合管50扩散器52第三流100可变几 何形状喷射器110动力空气进口120动力喷嘴130吸入空气进口140吸入腔150混合管 160扩散器170排出端180混合孔190旁路进口 200 V形喷嘴210 V形喷嘴齿220弹簧 230压力调节腔240 V形空气管线250喷嘴压力阀260柔性混合管270柔性插入件280 混合腔290混合管空气管线300混合管压力阀
具体实施例方式
现参考附图(在其中，在数个视图中，类似的标号表示类似的元件)，图l显示涡轮 发动机系统10。涡轮发动机系统10包括压縮机12和涡轮14。压縮机12包括用于接收环 境空气的进口 16。空气然后通过许多不同的压縮机级被压縮。各级将空气压縮到更高的压 力和温度。大部分压縮空气被输送到燃烧器。燃烧器使加压的空气和燃料流化合以产生热 的燃烧气体。热的燃烧气体然后被运送到涡轮14的不同级以提供机械功。涡轮14因此驱 动压縮机12和外部负载(例如，发电机)。典型地还从压縮机12的不同级中移取放出空气 以用作涡轮14中的冷却或吹扫空气流以及用于其它目的。 例如，高压空气抽取物可从压縮机12的第十三级18中获取并且作为冷却空气流 通过第一流动路径22被提供到涡轮14的第二级喷嘴20。如所显示的，可使用多个流动路 径。类似地，放出空气还可从较早的级(例如，压縮机12的第九级24)中抽取，并且作为冷 却空气通过第二流动路径26供应到第三级喷嘴28。旁路流动路径30还可与第一流动路径 22处于连通。旁路流动路径30可包括节流阀32。如上文所述，旁路流动路径30可在寒冷 天提供附加的空气流。 喷射器34可定位在流动路径22中。如上文所述，喷射器34使得来自流动路径 22、26的放出空气能够混合，以便调整抽取流以优化总的涡轮发动机系统10的效率。喷射 器34可通过定位在流动路径22、26之间的过渡流动路径36与第二空气流动路径26处于 连通。过渡流动路径36可包括隔离阀38。隔离阀38可在环境条件不利时使喷射器34隔 离。在本文中可使用任何数量的过渡流动路径36。在本文中可使用其它构造。
图2显示已知的喷射器34。喷射器34是不具有运动部件的机械装置。因为喷射 器34不具有运动部件，因此其被设计成基于ISO天条件的特定的设计点下运行。喷射器34 基于动量传递将两流体流相混合。喷射器34具有用于通过第一流动路径22而接收的高压 动力流体的动力空气进口 40，将对于动力流的静压降低到低于吸入压力的总压力的压力的主喷嘴42，用于通过过渡流动路径36所接收的低压力或吸入流体的吸入空气进口 44，用于 加速次级流以降低其静压的次级喷嘴46，用于混合两个流的混合管48，以及用于使混合流 减速并且恢复静压的扩散器50。在共同拥有的美国专利No. 6， 550， 253和No. 6， 615， 574中 示出了已知的喷射器系统。 通过将喷射器34设置在流动路径22中，来自压縮机12的第十三级18的高压抽 取流用作喷射器34的动力进口 40处的动力流。来自第二流动路径26的更低压力、更低温 度的流通过过渡流动路径36流动到喷射器34并且用作通过吸入进口 44的吸入流。因此， 这两种流被混合在一起并且流过喷射器34的扩散器50。这两种流形成第三流52并且以在 分别的动力流和吸入流的压力和温度中间的压力和温度而离开。在本文中可使用其它构造 和其它流动路径。 图3是如本文中所描述的可变几何形状喷射器100的侧视截面图。可变几何形状 喷射器100可包括动力空气进口 110。动力空气进口 110可与第一流动路径22(其与压縮 机12的十三级18相关联)处于连通。动力空气进口 110通向动力喷嘴120。动力喷嘴120 将在下文更详细地描述。可变几何形状喷射器100还包括吸入空气进口 130。吸入空气进 口 130可与通过过渡管线36而与压縮机12的第九级24相关联的第二流动路径26处于连 通。吸入空气进口 130通向吸入腔140。 动力喷嘴120和吸入腔140与混合管150处于连通。混合管150将在下文中更详 细地描述。混合管150又与扩散器160处于连通。排出端170同样可与扩散器160处于连 通。排出端170可包括许多混合孔180。混合孔180可具有任何尺寸或形状。在本文中可 使用任何数量的混合孔180。排出端170可通过第三流动路径52而与第二级喷嘴20处于 连通。排出端170还可包括旁路进口 190。旁路进口 190可与旁路流动路径30处于连通。 在本文中可使用其它构造和其它流动路径。 图4到图6显示如本文中所描述的动力喷嘴120的示例。在该示例中，动力喷嘴 120可为V形喷嘴200的形式。V形喷嘴200可具有许多V形喷嘴齿210。转动喷嘴齿210 可增加或减少通过V形喷嘴200的流动路径的尺寸。V形喷嘴齿210可具有任何尺寸或构 造。在本文中可使用任何数量的V形喷嘴齿210。 V形喷嘴齿210可通过弹簧220连接。齿 210和弹簧220可定位在压力调节腔230内。该腔230可与连接到动力空气进口 110的V 形空气管线240处于连通。V形空气管线240可具有定位在其上的喷嘴压力阀250。因此， V形喷嘴200可基于如由V形空气管线240上的喷嘴压力阀250所确定的喷嘴齿210和弹 簧220上的压力来增加或减少通过其的流动路径的尺寸。在本文中可使用其它类型的喷嘴 构造。 图7显示混合管150的侧视截面图。在该示例中，混合管150可为柔性混合管260。 柔性混合管260可包括定位在混合腔280内的柔性插入件270。柔性插入件270可由稍微 柔性的材料制成。混合腔280可与混合管空气管线290(其与动力空气进口 IIO处于连通) 处于连通。混合管压力阀300可定位在混合管空气管线290上。通过混合管压力阀300增 加混合腔280内的空气压力造成柔性的插入件270的内径在尺寸上縮小，以使得该内径和 通过其的流动路径可如所期望的而变化。在本文中可使用任何直径。在本文中还可使用其 它类型的流动限制。 在使用中，已经确定的是，在环境温度寒冷时，可优选使用较大的V形喷嘴200和
5较小的柔性混合管260，因为较大尺寸的喷嘴200具有较高的吸入，即，对于吸入流的较高 势位(potential)。与此相反，在环境温度炎热时，可优选使用较小的V形喷嘴200和较大 的柔性混合管260。因此，V形喷嘴200的几何形状可通过喷嘴压力阀250而改变，而混合 管260的几何形状可通过混合管压力阀300而改变。在本文中喷射器100可使用其它尺寸、 构造及组合。 图8显示与喷射器运行环境温度有关的夹带(entrainment)比。如所显示的，喷嘴 200和混合管260的较小的比在炎热天以较低的总流量提供给予较高的夹带以防止第二级 喷嘴20的过冷，而较大的比在寒冷天以较高的总流量给予更强的夹带。在这两种模式中， 夹带比可为最佳的，并且可在不使用旁路管线的情况下满足到第二级喷嘴20的流量。因 此，可变几何形状喷射器100消除了对于旁路混合器的需要。通过确保在任何环境温度内 的环境性能，关于可变几何形状喷射器100的效率增加预期提高约百分之二十到约百分之 三十或更多。 应显而易见的是，上述内容仅涉及本申请的某些实施例，并且可在此由本领域中 的普通技术人员进行许多变化和改型，而不背离如由所附权利要求及其等同物所限定的本 发明一般的精神和范围。
权利要求
一种用于涡轮发动机(10)的喷射器(100)，包括可变几何形状动力喷嘴(200)；以及定位在所述可变几何形状动力喷嘴(200)下游的可变几何形状混合管(260)。
2. 根据权利要求l所述的喷射器(IOO)，其特征在于，所述可变几何形状动力喷嘴 (200)包括在其中的多个齿(210)。
3. 根据权利要求2所述的喷射器(100)，其特征在于，所述多个齿(210)通过弹簧 (220)而附接。
4. 根据权利要求2所述的喷射器(100)，其特征在于，所述多个齿(210)定位在压力腔 (230)内。
5. 根据权利要求4所述的喷射器(100)，其特征在于，所述压力腔(230)与喷嘴压力阀 (250)处于连通以便改变所述多个齿(210)的位置。
6. 根据权利要求1所述的喷射器(100)，其特征在于，所述可变几何形状混合管(260) 包括定位在混合腔(280)内的柔性插入件(270)。
7. 根据权利要求6所述的喷射器(100)，其特征在于，所述混合腔(280)与混合腔压力 阀(300)处于连通以便改变所述柔性插入件(270)的直径。
8. 根据权利要求l所述的喷射器(100)，其特征在于，所述可变几何形状动力喷嘴 (200)与动力空气进口 (110)处于连通。
9. 根据权利要求8所述的喷射器(100)，其特征在于，所述喷射器(100)还包括与吸入 腔(140)处于连通的吸入进口 (130)。
10. —种利用具有可变几何形状喷嘴(200)和可变几何形状混合管(260)的喷射器 (100)而将空气流从压縮机(12)提供到涡轮(14)的方法，包括在寒冷的环境温度下，扩大所述可变几何形状喷嘴(200)，并且縮小所述可变几何形状混合管(260);以及在炎热的环境温度下，縮小所述可变几何 形状喷嘴(200)，并且扩大所述可变几何形状混合管(260)。
全文摘要
本发明涉及一种可变几何形状喷射器，具体而言，本发明描述了一种用于涡轮发动机(10)的喷射器(100)。喷射器(100)可包括可变几何形状动力喷嘴(200)以及定位在可变几何形状动力喷嘴(200)下游的可变几何形状混合管(260)。
文档编号F23R3/28GK101776284SQ20101000382
公开日2010年7月14日 申请日期2010年1月6日 优先权日2009年1月6日
发明者C·R·波佩伊, D·M·埃里克森, D·W·巴尔, K·N·惠林, 张华 申请人:通用电气公司