[发明专利]复合涡轮冷却发动机

说明书

技术领域

本发明大体涉及燃气涡轮发动机，及更具体地，涉及其中的涡轮冷却。

背景技术

燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中加压，并在燃烧室内与燃料混合，用于产生热的燃烧气体。能量取自涡轮级中的燃烧气体，燃烧气体通过一个驱动轴激励压缩机，并产生另外的功，用于在涡轮风扇飞机发动机应用中激励上游风扇，或驱动外部驱动轴，以用于航海和工业(M&I)应用。

基本的核心发动机通常包括多级轴向压缩机，多级轴向压缩机具有多排压缩机浆叶(blade)及相应的引导叶片(vane)，其在级内加压环境空气，并相应地增加其中的温度。从压缩机的尾端排放的空气具有最高压力，一般称为压缩机排放压力(CDP)，及相应的高温度。

在示例性的构造中，压缩机可以具有七级，用于由于压缩循环，而将空气压力增加至大气压的很多倍，及有好几百度的温度增加。如为燃气涡轮发动机及其意图使用的特别设计的描述，可以使用更少或更多数量的压缩级。

自压缩机排放的多数CDP空气在燃烧室内与燃料混合，用于产生热的燃烧气体。这些燃烧气体随后在几个涡轮级内经受膨胀循环，用于吸取来自那的能量，其相应地减小燃烧气体的压力和温度。高压涡轮(HPT)直接地接着燃烧室并用于激励核心发动机内的压缩机浆叶。

低压涡轮(LPT)接着HPT并驱动第二轴，用于在涡轮风扇发动机应用中激励上游风扇，或驱动外部驱动轴，用于M&I应用。

燃气涡轮发动机的总效率由空气压缩效率、燃烧效率、及涡轮级内的燃烧气体膨胀效率决定。

由于在操作期间，涡轮构件直接暴露于热的燃烧气体，它们要求其适当的冷却，以确保长的使用寿命。例如，一些压缩机排放空气从燃烧处理中转移，以冷却燃烧室自己的衬垫(liner)，并冷却HPT的各种构件。

各个涡轮级通常包括上游涡轮喷口或定子，其具有一排喷口叶片，喷口叶片引导燃烧气体向下游通过相应的涡轮转子浆叶排。浆叶通常安装于支承转子盘的周界上，相应的燕尾槽形成于支承转子盘内。

涡轮浆叶和叶片通常为中空的翼型件(airfoil)，其内具有相应的内部冷却通道，以接收压缩机排放空气，用于在操作期间的冷却。中空的浆叶和叶片通常包括各排薄膜冷却，及通过其压力和抽吸侧壁的其它排放孔，用于排放相应外部薄膜(fim)内的废弃(spent)的内部冷却空气，用于进一步地保护翼型件。

而且，支承第一级涡轮浆叶的涡轮转子盘为具有其中安装有浆叶的轮缘的相对较大构件，窄的辐板(web)自其径向向内延伸，终止于具有中心孔的宽轮毂内。在运行期间，转子盘遭受相当大的离心负载和加热，并还必须设计用于延长寿命。

相反，在膨胀循环期间，比起HPT，由于燃烧气体温度和压力的降低，LPT要求较少的冷却。由此降低了冷却要求，而且通常在级间泄放的空气可以用于冷却其内的各种构件。

主要涡轮流路设计成当它们流过发动机时限制燃烧气体，降低了来自燃烧室的温度和压力。用于涡轮构件的各种冷却回路独立于主要流路，并必须设有足够压力下的冷却空气，以防止运行期间其内的热燃烧气体的吸收。

例如，适当的旋转密封件提供于静止的涡轮喷口与旋转涡轮浆叶之间，以防止热燃烧气体的吸收或回流进入冷却回路。由于喷口叶片的翼型件及涡轮浆叶通常包括多排冷却空气出口孔，冷却的空气必须具有大于外部燃烧气体的足够的压力，以提供适当的回流余量(backflow margin)，以防止进入的涡轮翼型件的热燃烧气体它们自己的吸收。

从而，HPT的构件通常使用全压CDP空气冷却，然而LPT构件可以使用较低压力的级间泄放空气冷却。

通过该方法，用于冷却涡轮构件的压缩机空气的使用可以符合HPT和LPT的不同的冷却要求，以降低其使用消耗，并由此提高发动机效率。

然而，在现代燃气涡轮发动机中，增加发动机效率是持续的和极为重要的目标，并由此希望通过减少从压缩机抽取的压缩空气而进一步增加发动机的效率。

发明内容

燃气涡轮发动机包括操作性地连接在一起的压缩机、燃烧室、及高压涡轮。涡轮包括一排喷口叶片，接着有一排转子浆叶。叶片和浆叶具有相应的前内部冷却通道和后内部冷却通道。第一、第二、第三、及第四泄放回路与压缩机的不同级流动连通，用于在不同压力下泄放来自那里的加压空气，以分别提供冷却剂给涡轮叶片和浆叶的前通道和后通道。

附图说明

根据优选的和示例性的实施例，本发明与其进一步的目的和优点与所附附图相结合，更具体地描述于下面的详细描述中，附图中：