[发明专利]减少冷却空气流的压气机系统和方法

说明书

本发明总的涉及涡轮机，尤其涉及改善涡轮机中冷却的系统和方法。

燃气轮机通常包括一核心发动机，按顺序流动关系具有一多级轴流式低压压气机和供应高压空气流给燃烧室的一多级轴流式高压压气机。这些压气机包括称作定子的静止部件级和称作转子的转动部件级，后者增加功，并压缩进入核心发动机系统的空气流。

供给燃烧室的高压压缩空气流的一部分与燃料混合，被点燃，并用来产生有推进力的热燃烧气体，这些燃烧气体继续向下游流到多级流道中的一个。具体地说，这些燃烧气体流经自热推进燃烧气体吸取能量的一个或多个涡轮级，以驱动压气机转子，并产生其它有用功，例如，一高压涡轮机可由热推进燃烧气体转动，并可用一根轴连于高压压缩机，使高压涡轮机驱动高压压气机的转子。

一种常用的旁通涡轮机在高压涡轮机的后部增加一低压涡轮机，以驱动低压压气机和一前风扇。该前风扇处在空气流的前方，并推动空气流进入低压压气机。经低压压气机不进核心发动机的空气流由流量分流器引导流经一风扇旁通管道。来自风扇的旁通空气流离开风扇旁通管道，以产生大部分的发动机推力。其余的发动机推力来自在离开各涡轮机级并在排气喷咀外被加速后的核心发动机空气流。

涡轮机被构造成在高温下工作以使发动机推力最大。发动机部，诸如高压涡轮机部件的冷却由于这些部件中所用材料的热应力限制是必要的。通常，较冷的空气流自压气机的出口抽取，它用于冷却，例如，涡轮机翼面。

例如，一部分低压压缩空气流可自低压压缩机抽取供涡轮机区冷却，机体增压，防冰和其它用途。提高压气机中空气流的压力也提高了空气流的相对温度，从而使它希望能在最低级数后从压气机中抽取空气流。不幸的是，较低的压力和灼热的空气流温度限制了冷却这些发动机部件的压缩空气流的有效利用。

因此，希望对高温涡轮机部件提供较冷的空气流。此外，希望提高该较冷空气流的压力，以冷却更多的部件，并减少所用冷却空气的数量。

借助于一种冷却空气流压气机系统便能达到这些和其它的目的，它利用一现有涡轮机来驱动一主高压压气机和一辅助高压压气机。

更具体地说，在一个示例性实施例中，该冷却空气流压气机系统将一部分主空气流自在主高压压气机内构成的主通道转入在辅助高压压气机内构成的辅助通道，该冷却空气流受配置在辅助通道内的转子进一步压缩。

一热交换器连于辅助通道以冷却该冷却空气流。主高压压气机将压缩空气引入一燃烧室。辅助通道将冷却空气流自辅助高压压气机引到燃烧室周围，并流经压气机下流的高压涡轮机叶轮级和高压涡轮机叶片。该冷却空气流然后被用来冷却高压涡轮机叶轮和叶片级，并供薄层冷却。

冷却空气流的冷却压力的增加允许在冷却回路构造、冷却空气流的有效利用，能被冷却空气流冷却的发动机部件数量增加方面有较大的浴度。此外，该冷却空气流压气机系统导致总效率改善，并使辅助部件减至最小。

图1是包括一前风扇，一低压压气机和一高压压气机的涡轮机横剖面图；

图2是图1中所示高压压气机的简图，表示一冷却空气流压气机系统；

图3是图2中所示冷却空气流压气机系统的另一实施例的简图；

图4是图3中所示冷却空气流压气机系统的又一实施例的简图。

图1是涡轮机10的横剖面，对称于中心轴线20。发动机10包括按顺序流动关系包括一前风扇30，一多级低压压气机40和一多级主高压压气机52。主高压压气机52与燃烧器66和高压涡轮机68成流体连通。一风扇旁通管道120包围压气机40和52。

在涡轮机运转期间，一空气流可经风扇30向下游移动，进入多级低压压气机40，或经旁通管道120流出。受压缩的空气流经主高压压气机52继续流向下游，在主高压压气机52内，空气受高度增压。至少一部高压空气被引向燃烧器66，与燃料混合，并点燃以产生灼热燃气，它进一步流向下游，并被利用来驱动前风扇30，低压压气机40和主高压压气机52。

图2图示一涡轮机(示于图1)的冷却空气流压气机系统50。冷却空气流压气机系统50包括主高压压气机52，与一辅助高压压气机54成流体连通。主高压压气机52包括若干转子56，由若干跟一定子壳体60相连的转子罩58包围。定子壳体60包围若干定子62。一主流道，或通道64由转子56，转子罩58、定子壳体60和定子62构成。主通道64经主高压压气机52、燃烧器66和高压涡轮机68延伸。