[发明专利]相互冷却的涡轮喷嘴

说明书

技术领域

本发明总体涉及一种燃气涡轮发动机，并且更特别是本发明涉及 其中的涡轮。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机内加压，并且在燃烧器内与 燃料混合，以便产生热燃烧气体。在为压缩机供能的高压涡轮(HPT) 内的气体提取能量。

同时，另外的能量在航空涡轮风扇航空发动机应用中驱动上游风 扇或者在海洋和工业应用中驱动外部驱动的低压涡轮(LPT)中提取。

现代燃烧器是环形的，并且包括从向前拱形向下游延伸的径向外 部和内部燃烧衬里，以便限定环形燃烧区域。一排燃料注射器和协作 的空气漩流盖安装在拱形内以便排出适于点燃以产生燃烧气体的空气 雾化燃料射流。

燃料注射器通常以均匀分布的方式相互周向隔开，并且相应地实 现向下游流到环形燃烧器出口的相对热的燃烧气体条带。

沿着每个热条带的中心可以具有最大燃烧气体温度，并且燃烧气 体温度相应地从每个热条带的中心线径向向外减小，该中心线各自径 向位于外部和内部燃烧器衬里之间，以及在周向隔开的热条带之间周 向围绕燃烧器。

在环形燃烧器出口处的燃烧气体的所得温度图案在外部和内部衬 里之间径向变化，以及在热条带之间周向变化，其中热条带之间的较 低温度气体通常指的是冷条带。热和冷条带之间的温度差可以是几百 度，并且影响下游涡轮部件的性能和操作。

更特别是，从燃烧器出口排出的燃烧气体首先通过将气体引导到 随后安装在支承转子盘的周边上的涡轮转子叶片的第一级排列的第一 级HPT涡轮喷嘴接收。涡轮喷嘴包括径向安装在相应外部和内部带之 间的一排中空喷嘴轮叶。

喷嘴通常在具有整体安装在相应的外部和内部带分段内的两个轮 叶的喷嘴偶对(doublet)的公共构造中周向分段。

环形喷嘴因此通过喷嘴偶对的外部和内部带的相应端表面内的轴 向分离线周向划分。并且，端表面通常包括用于在其中安装花键密封 件的细槽，以便保持涡轮喷嘴的周向连续性，并且从中密封内部冷却 空气损失。

整个排列中喷嘴轮叶的数量基本上大于燃烧器内的燃料注射器的 数量，并且通常不是其整数倍数。因此，在燃烧器相对于涡轮喷嘴的 组装过程中，燃料注射器的相对周向位置随着该排喷嘴轮叶的导前边 缘而变化。

在操作过程中从燃料注射器产生的热条带因此从轮叶到轮叶不同 或随机地周向对准或者定位(clocked)，并因此在操作过程中使得轮 叶置于不同的热载荷下。热条带在最高温度燃烧气体中掠过喷嘴轮叶， 而周向断开的冷条带在相对冷却的燃烧气体中掠过轮叶。

因此，涡轮喷嘴通常设计成具有周向均匀性，例如在通常的偶对 构造中具有大致相同的喷嘴轮叶和带分段。因此在偶对喷嘴构造中具 有偶数的喷嘴轮叶，每个偶对中具有两个相同的轮叶。

喷嘴轮叶具有典型的月牙形型面，具有在相对的导前和拖尾边缘 之间的弦长上周向延伸的总体凹入的压力侧和总体突出的抽吸侧。每 个偶对中的轮叶限定其中的内侧流动通道，其中偶对之间的轮叶限定 包括各自轴向分离线的外侧流动通道。

内侧和外侧喷嘴通道在下游方向上汇合到最小流动区域，该最新 流动区域通常限定在一个轮叶的垂直于相邻轮叶的抽吸侧的拖尾边缘 处。

燃烧气体通常以倾斜周向角度排出到相对于叶片压力侧在叶片抽 吸侧的方向上转动支承转子盘的下游涡轮转子叶片排。

每个喷嘴偶对因此包括在转动过程中涡轮叶片首先经过其上的导 前轮叶以及涡轮叶片随后经过其上的拖尾轮叶。

来自于燃烧器的冷和热条带轴向引导经过涡轮喷嘴的流动通道， 并且因此类似地在交替的热和冷条带中掠过涡轮转子叶片，这同样影 响其操作过程的性能。

因此，对于不同环境来说，各自排中的喷嘴定子轮叶和涡轮转子 叶片通常是相同的，并且通常其中包括相同的冷却回路。轮叶和叶片 使用从压缩机泄漏的一部分压力空气，以便冷却其相应的翼面，从而 实现发动机在操作过程中所需使用寿命。

由于从压缩机泄漏的空气没有用于燃烧器，发动机的总体效率降 低。从压缩力泄漏的冷却空气量因此应该最小，使得发动机效率最大。

但是，在传统实践中，轮叶和叶片必须针对每排中相同的冷却进 行设计，以便保护翼面不受到最大温度和来自于燃烧器产生的热条带 的热载荷的影响，而不管在操作过程中与热条带交替的冷条带的显著 较低的温度。