具有冷却流体路径的燃气涡轮发动机的制作方法

背景技术：

涡轮发动机，并且特别是燃气或燃烧涡轮发动机，是从通过发动机行进到多个旋转涡轮叶片上的燃烧气体流提取能量的旋转式发动机。燃气涡轮发动机用于陆上和海上机动和功率生成，但最常用于航空应用，诸如用于飞机，包括直升机。在飞机中，燃气涡轮发动机用于飞机的推进。在陆地应用中，涡轮发动机通常用于功率生成。

用于飞机的燃气涡轮发动机包括设计为具有多个叶片带的多个压缩机级构成，叶片带大体上周向地布置在形成转子的盘上，通过转子和配置在旋转叶片之间的静止静叶带而旋转。压缩机级压缩空气，空气随后移动至燃烧器和涡轮。在带和转子之间提供有密封，从而限制空气流泄露至压缩机的上游区域，这可能降低系统效率。另外，在涡轮中的通常实践，冷却或吹扫空气流可被引入转子中以冷却转子，且阻碍热气体路径空气通过转子中或盘与静止带之间的开口或间隙进入。

技术实现要素：

在一方面中，本发明的实施例涉及燃气涡轮发动机，该燃气涡轮发动机包括：转子，其具有至少一个盘，其中转子限定轴向面；定子，其具有至少一个环，该至少一个环具有面对转子轴向面的定子轴向面；凹部，其形成在轴向面中的一者中，以限定缓冲腔；翼，其从轴向面中的另一者延伸到该缓冲腔中并且具有相反的径向内侧和外侧表面；冷却流体路径，其在转子和定子之间延伸，该流体路径通过缓冲腔在翼的外侧表面上方延伸，并在轴向面的在外侧表面的径向上方的终端部分之间引出；和流反向部，其设在外侧表面或翼从中延伸的一个终端部分中的至少一者内。

在另一方面中，本发明的实施例涉及燃气涡轮发动机，该燃气涡轮发动机包括：转子，其具有至少一个盘，其中转子限定轴向面；定子，其具有至少一个环，该至少一个环具有面对转子轴向面的定子轴向面，其中轴向面的终端部分在其之间形成流体出口；凹部，其形成在轴向面中的一者中，以限定缓冲腔；翼，其从轴向面中的另一者延伸到缓冲腔中并且具有面对流体出口的表面；和流反向部，其设在表面或轴向面中的另一者的终端部分中的至少一者内。

在又一方面中，本发明的实施例涉及阻碍燃气涡轮发动机中的热空气流流动通过在燃气涡轮发动机的定子和转子之间的终止于流体出口中的冷却流体路径的方法，该方法包括在热空气流进入边缘密封腔中之后使热空气流反向。

技术方案1.一种燃气涡轮发动机，其包括：

转子，其具有至少一个盘，其中转子限定轴向面；

定子，其具有至少一个环，所述至少一个环具有面对转子轴向面的定子轴向面；

凹部，其形成在轴向面中的一者中，以限定缓冲腔；

翼，其从轴向面中的另一者延伸到所述缓冲腔中且具有相反的径向内侧和外侧表面；

冷却流体路径，其在所述转子和所述定子之间延伸，所述流体路径穿过所述缓冲腔在所述翼的外侧表面上方延伸并且在轴向面的在所述外侧表面的径向上方的终端部分之间引出；和

流反向部，其设在所述外侧表面或所述翼从中延伸的一个终端部分中的至少一者内。

技术方案2.根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述流反向部位于所述外侧表面与所述一个终端部分之间的接合部附近。

技术方案3.根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述流反向部位于所述外侧表面与所述一个终端部分之间的接合部处。

技术方案4.根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述流反向部包括形成在所述一个终端部分中的凹部。

技术方案5.根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述流反向部包括形成在所述外侧表面中的凹部。

技术方案6.根据技术方案5所述的燃气涡轮发动机，其中，所述流反向部与所述翼从中延伸的轴向面轴向地偏移。

技术方案7.根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述外侧表面具有平滑的弧形、波形、或起伏的轮廓中的至少一种。

技术方案8.根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述外侧表面具有周向不均匀的形状，所述周向不均匀的形状为周期的，变化的或正弦的中的至少一种。

技术方案9.根据技术方案1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述翼从所述转子的轴向面延伸且所述凹部形成于所述定子的轴向面中。

技术方案10.一种燃气涡轮发动机，其包括：

转子，其具有至少一个盘，其中转子限定轴向面；

定子，其具有至少一个环，所述至少一个环具有面对转子轴向面的定子轴向面，其中轴向面的终端部分在其之间形成流体出口；

凹部，其形成在轴向面中的一者中，以限定缓冲腔；

翼，其从轴向面中的另一者延伸到所述缓冲腔中并且具有面对所述流体出口的表面；

流反向部，其设在所述表面或轴向面中的另一者的终端部分中的至少一者内。

技术方案11.根据技术方案10所述的燃气涡轮发动机，其中，所述流反向部位于所述表面和轴向面中的另一者的终端部分之间的接合部附近。

技术方案12.根据技术方案10所述的燃气涡轮发动机，其中，所述流反向部位于所述表面和轴向面中的另一者的终端部分之间的接合部处。

技术方案13.根据技术方案10所述的燃气涡轮发动机，其中，所述流反向部包括形成在轴向面中的另一者的终端部分中的凹部。

技术方案14.根据技术方案10所述的燃气涡轮发动机，其中，所述流反向部包括形成在所述表面中的凹部。

技术方案15.根据技术方案14所述的燃气涡轮发动机，其中，所述流反向部与轴向面中的另一者的终端部分轴向地偏移。

技术方案16.根据技术方案10所述的燃气涡轮发动机，其中，所述表面具有平滑的弧形、波形、或起伏的轮廓中的至少一种。

技术方案17.根据技术方案10所述的燃气涡轮发动机，其中，所述外侧表面具有周向不均匀的形状，所述周向不均匀的形状为周期的，变化的或正弦的中的至少一种。

技术方案18.根据技术方案10所述的燃气涡轮发动机，其中，所述翼从所述转子的轴向面延伸且所述凹部形成于所述定子的轴向面中。

技术方案19.一种阻碍燃气涡轮发动机中的热空气流流动通过在所述燃气涡轮发动机的定子和转子之间的终止于流体出口中的冷却空气流路径的方法，所述方法包括在所述热空气流进入边缘密封腔后使所述热空气流反向。

技术方案20.根据技术方案19所述的方法，其中，反向包括用利用流反向部使所述热空气流转向，所述流反向部流体地联接于所述冷却空气流路径。

技术方案21.根据技术方案20所述的方法，其中，反向包括使所述冷却空气流路径在所述流体出口的下游和所述流反向部的上游转向。

附图说明

在附图中：

图1是用于飞机的燃气涡轮发动机的示意截面图。

图2是图1的燃气涡轮发动机的涡轮区段的截面图。

图3是图2的截面的放大图，例示了配置在上游定子的通道中的转子翼。

图4是图3的相同的放大截面，例示了流路径。

图5是图2的转子翼的第二实施例。

图6是图2的转子翼的第三实施例。

部件列表

10发动机

12中心线

14前部

16后部

18风扇区段

20风扇

22压缩机区段

24lp压缩机

26hp压缩机

28燃烧区段

30燃烧器

32涡轮区段

34hp涡轮

36lp涡轮

38排气区段

40风扇壳体

42风扇叶片

44核心

46核心壳体

48hp转轴

50lp转轴

51转子

52hp压缩机级

53盘

54hp压缩机级

56lp压缩机叶片

58hp压缩机叶片

60lp压缩机静叶

61盘

62hp压缩机静叶

63定子

64hp涡轮级

66lp涡轮级

68hp涡轮叶片

70lp涡轮叶片

71盘

72hp涡轮静叶

73盘

74lp涡轮静叶

76加压的环境空气

77放出空气

78空气流

80出口导向静叶组件

82翼型件导向静叶

84风扇排气侧

100叶片平台

102转子轴向面

104内带

106径向外带

108环

110定子轴向面

112径向密封

114盘

116边缘密封腔

118冷却流体路径

119凹部

120缓冲腔

121流体出口

122终端部分

123终端部分

124翼

126流反向部

127接合部

128外侧表面

129径向内侧表面

130凹部

132不均匀几何形状

202转子轴向面

210定子轴向面

212径向密封

214盘

216边缘密封腔

218冷却流体路径

219凹部

220缓冲腔

221流体出口

222终端部分

223终端部分

224翼

226流反向部

227接合部

228外侧表面

229径向内侧表面

230凹部

231凹部

232不均匀几何形状

302转子轴向面

310定子轴向面

312径向密封

314盘

316边缘密封腔

318冷却流体路径

319凹部

320缓冲腔

321流体出口

322终端部分

323终端部分

324翼

326流反向部

327接合部

328外侧表面

329径向内侧表面

331凹部

332不均匀几何形状。

具体实施方式

本发明的所描述的实施例涉及冷却流体路径，该冷却流体路径形成在燃气涡轮发动机的涡轮区段的转子和定子部分之间。为了例示，将关于用于飞机燃气涡轮发动机的涡轮来描述本发明。然而，将理解的是，本发明不由此受限，且可具有在发动机(包括压缩机)内以及在非飞机应用（诸如其他移动应用和非移动行业、商业、和居住应用）中的普遍适应性。

图1是用于飞机的燃气涡轮发动机10的示意截面图。发动机10具有大体上纵向地延伸的轴线或从前部14到后部16延伸的中心线12。发动机10以向下游串联流动的关系包括：包括风扇20的风扇区段18、包括增压机或低压(lp)压缩机24和高压(hp)压缩机26的压缩机区段22、包括燃烧器30的燃烧区段28、包括hp涡轮34和lp涡轮36的涡轮区段32、和排气区段38。

风扇区段18包括包围风扇20的风扇壳体40。风扇20包括围绕中心线12径向地配置的多个风扇叶片42。hp压缩机26、燃烧器30、和hp涡轮34形成发动机10的核心44，核心44产生燃烧气体。核心44由可与风扇壳体40联接的核心壳体46包围。

围绕发动机10的中心线12同轴地配置的hp轴或转轴48将hp涡轮34驱动地连接到hp压缩机26。在更大直径的环形hp转轴48内围绕发动机10的中心线12同轴地配置的lp轴或转轴50将lp涡轮36驱动地连接到lp压缩机24和风扇20。

lp压缩机24和hp压缩机26分别包括多个压缩机级52、54，其中一组压缩机叶片56、58相对于对应组的静止压缩机静叶60、62(也称为喷嘴)旋转，以压缩或加压行进通过该级的流体射流。在单个压缩机级52、54中，多个压缩机叶片56、58可以以环的形式提供，且可从叶片平台到叶片末梢相对于中心线12径向向外延伸，而对应的静止压缩机静叶60、62定位在旋转叶片56、58的上游并邻近旋转叶片56、58。应注意的是，图1中所示的叶片、静叶和压缩机级的数量仅是出于例示目的而选择的，且其他数量是可能的。

压缩机级的叶片56、58可安装于盘59，盘59安装于hp和lp转轴48、50中的对应的一个，其中各级具有其自身的盘59、61。压缩机级的静叶60、62可以以周向布置安装于核心壳体46。

hp涡轮34和lp涡轮36分别包括多个涡轮级64、66，其中一组涡轮叶片68、70相对于对应组的静止涡轮静叶72、74(也称为喷嘴)旋转，以从行进通过级的流体射流提取能量。在单个涡轮级64、66中，多个涡轮静叶72、74可以以环的形式提供，且可相对于中心线12径向向外延伸，而对应的旋转叶片68、70定位在静止涡轮静叶72、74的下游并邻近静止涡轮静叶72、74的下游，并也可从叶片平台到叶片末梢相对于中心线12径向向外延伸。应注意的是，图1中所示的叶片、静叶和涡轮级的数量仅是出于例示目的而选择的，且其他数量是可能的。

涡轮级的叶片68、70可安装于盘71，盘71安装于hp和lp转轴48、50中的对应的一个，其中各级具有其自身的盘71、73。压缩机级的静叶72、74可以以周向的布置安装于核心壳体46。

发动机10的安装于转轴48、50中的一者或二者并与其一起旋转的部分也单独或共同地称为转子53。发动机10的包括安装于核心壳体46的部分的固定部分也单独或共同地称为定子63。

在操作中，离开风扇区段18的空气流分开，使得空气流的一部分被导送入lp压缩机24中，lp压缩机24然后将加压的环境空气76供应至hp压缩机26，hp压缩机26进一步加压环境空气。来自hp压缩机26的加压空气76在燃烧器30中与燃料混合并被点燃，从而生成燃烧气体。一些功由hp涡轮34从这些气体中提取，hp涡轮34驱动hp压缩机26。燃烧气体被排放到lp涡轮36中，lp涡轮36提取额外的功以驱动lp压缩机24，且排气气体最终从发动机10经由排气区段38排放。lp涡轮36的驱动对lp转轴50进行驱动以使风扇20和lp压缩机24旋转。

空气流78的剩余部分绕过lp压缩机24和发动机核心44，并在风扇排气侧84处通过固定静叶排，并更具体而言通过出口导向静叶组件80(包括多个翼型件导向静叶82)，离开发动机组件10，更具体而言，在风扇区段18附近利用径向地延伸的翼型件导向静叶82的周向排来施加空气流78的一些方向控制。

由风扇20供应的环境空气中的一些可绕过发动机核心44并用于发动机10的部分(尤其是热的部分)的冷却，并且/或者用来冷却飞机的其他方面或对其提供动力。在涡轮发动机的背景下，发动机的热的部分通常是燃烧器30和在燃烧器30下游的构件，尤其是涡轮区段32，其中hp涡轮34是最热的部分，因为其在燃烧区段28的正下游。冷却流体的其他源可以是但不限于从lp压缩机24或hp压缩机26排放的流体。该流体可以是放出空气77，放出空气77可包括从lp或hp压缩机24、26吸入的空气，该空气绕过燃烧器30以作为用于涡轮区段32的冷却源。这是普遍的发动机构造，并不表示为限制。

图2描绘了涡轮区段32的包括定子63和转子53的一部分，转子53具有至少一个盘71。虽然本文中的描述是关于涡轮而书写的，但应理解的是，本文所公开的概念可等同地适用于压缩机区段。各叶片68安装于叶片平台100，叶片平台100进一步安装于盘71。叶片平台100和盘71共同为转子53的限定转子轴向面102的部分。转子53可围绕中心线12旋转，使得叶片68围绕中心线12周向地旋转。

定子63包括多个静叶72，它们各自安装在径向内带104与径向外带106之间，限定具有定子轴向面110的环108。径向密封112可安装于邻近内带104的定子盘114。各静叶72与彼此周向地隔开，以至少部分地限定用于主流空气流m的路径。转子和定子轴向面102、110二者位于与中心线12正交的平面中，且包括用于静叶、叶片和相关硬件的装配目的的接口、间隙、和其他密封。

主流空气流m沿从前到后的方向移动，从而驱动涡轮叶片68。边缘密封腔116形成在转子和定子轴向面102、110之间。边缘密封腔116可具有摄入路径，通过该摄入路径，来自主流空气流m的一些热气体空气流可进一步径向向内泄露到边缘密封腔116中，从而导致转子53和定子63的部分的不需要的加热。示范冷却流体路径118在转子53和定子63的面对的轴向面102、110之间通过用于抵消这些部分的加热的边缘密封腔116而延伸。

转向图3，部分iii的放大视图更清楚详细地描绘了径向密封116，径向密封116包括在轴向面102、110中的一者中形成的凹部119，以限定缓冲腔120。在示范实施例中，凹部119形成在定子轴向面110中，且翼124从转子轴向面102延伸。翼124可从轴向面中的另一个110延伸。翼124包括如下表面，该表面包括径向外侧表面128和径向内侧表面129。

冷却流体路径118终止于流体出口121中，流体出口121在轴向面102、110的在外侧表面128径向上方的终端部分122、123之间形成。在外侧表面128和翼124从中延伸的终端部分122内提供有包括凹部130的流反向部126。流反向部126与轴向面102轴向地偏移并邻近接合部127，并可具有例如位于外侧表面128和终端部分122之间的复合曲线或斜面。

通常，吹扫流p沿冷却流体路径118给送进入在定子63和邻近的转子53之间的缓冲腔120中。将吹扫流p喷射入缓冲腔120中，以对抗从主流空气流m到缓冲腔120中的热气体摄入。吹扫流p也可冷却缓冲腔120和邻近的构件，但是主流流m和吹扫流之间的相互作用可能是不稳定的，从而降低涡轮的效率。

如在图4中可见到的，例示可存在的流条件的示例。吹扫流p包括冷却空气流c，冷却空气流c用于对抗由主流流m的相对高的压力引起的从主流空气流m到缓冲腔120中的热空气流h。翼124使冷却流体路径118转向，以使冷却空气流c在翼124周围移动，冷却空气流c在翼处在流体出口121离开并碰上热空气流h。热空气h首先沿轴向面102流动，并被流反向部126朝主流流m转向。该转向形成非接触式密封，从而阻碍热空气h流动通过冷却流体路径118。

图4还例示了阻碍燃气涡轮发动机10中的热空气h流动通过存在于燃气涡轮发动机10的定子63和转子53之间的冷却空气流路径118的方法。该方法包括通过利用流体地联接于冷却空气流路径118的流反向部126使热空气流h转向，使得在热空气流h进入边缘密封腔116中之后使热空气流h反向。冷却空气流路径118和热空气h的相交部是任何吹扫空气p的离开点和任何热空气h的进入点，该凹入的相交区域是冷却空气流路径118的流体出口121。该转向发生在流体出口121的下游和流反向部126的上游。热空气流h的该转向将流h重新引入至主流流m。

应当注意的是，流条件的范围周向地存在，从而导致流反向部126具有更小或更大的功效。取决于部位和流条件，可在流反向部126中形成几何形状132方面的任何形式的周向不均匀性，例如周期的，变化的或正弦的。因此，从中心线12到凹部130的半径将取决于周向不均匀几何形状132而变化。流反向部126不需要在转子周围的每个周向部位处都具有相同的限定。可能是有益的是其在相对于静叶和/或叶片的尺寸、形状、或范围方面改变。

存在关于流反向部的放置和形状的多个构造。第二和第三实施例与第一实施例类似。因此，将分别用相似的标号增大100和200来标识相似的部分，其中，应理解的是，第一实施例的类似部分的描述适用于第二和第三实施例，除非另有说明。

图5描绘了流反向部226的第二实施例，流反向部226具有形成于终端部分222中的凹部230和形成于外侧表面228中的凹部231。接合部227形成具有平滑的弧形、波形、或起伏的轮廓的末梢，该轮廓形成在外侧表面228上并在轴向面202的终端部分222上结束。

图6描绘了流反向部326的第三实施例，流反向部326具有形成于外侧表面328中的凹部331，凹部331具有平滑的弧形、波形、或起伏的轮廓中的至少一种。在该实施例中，流反向部326邻近接合部327，在外侧表面328和终端部分322之间，其中终端部分322保持相对平滑和平坦。

如在本文中描绘的，热空气流h源自在内带104的径向上方的点。该热空气流h然后沿转子53的轴向面102向下流至流反向部126中，在此其被导向为使得热空气流h径向地朝定子63的轴向面110反冲出，从而成为吹扫空气p。该流反向部126的益处包括将热空气保持在凹部130中并然后将其引导回到主流空气流m。流反向部126的放置减少了通常发生在定子63和转子53之间的重叠部分中的物质交换，这提高了发动机10的耐久性，同时维持传统的转子/定子翼和沿着定子63和转子53之间的重叠部分的间隔。

质量交换的这种减少也允许较少的吹扫流，这改善了比燃料消耗(sfc)和更好的边缘密封，边缘密封防止热空气经过缓冲腔摄入并破坏定子和转子的部分，流反向部的几何形状还提高边缘密封腔的有效性同时保持叶片重量和可制造性。

本文中关于商业发动机所公开的构思的所进行的测试示出了在低吹扫流速率下腔空气温度的减少。空气温度的这种变化显示穿透超出边缘密封的热气体的减少。

应该理解的是，所公开设计的应用不限于具有风扇和增压机区段的涡轮发动机，而是也适用于涡轮喷气发动机和增压涡轮发动机。

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且实行任何合并的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包含本领域人员想到的其他实例。如果这种其他实例具有不与权利要求的文字语言不同的结构元件，或如果它们包括与权利要求的文字语言无显著差别的等同结构元件，则它们意图在权利要求的范围内。