[发明专利]燃气涡轮发动机用低压冷却密封系统

说明书

关于联邦政府资助的研究或研发的声明

本发明的研发部分地由美国能源部先进涡轮机研发计划（合同号：DE-FC26-05NT42644，“H2Advanced Hydrogen Turbine Development”（H2先进氢气涡轮机研发））提供支持。因此，美国政府对本发明享有一定权利。

技术领域

本发明总体上针对一种涡轮发动机，并且更具体地，针对一种用于涡轮发动机中的低压冷却系统的密封系统。

背景技术

通常，燃气涡轮发动机包括用于压缩空气的压缩机、用于使压缩空气与燃料混合并点燃该混合物的燃烧室、以及用于产生动力的涡轮叶片组件。燃烧室通常在可能超过2500华氏度的高温下操作。典型的涡轮燃烧室构型使涡轮叶片组件暴露在这样的高温下。因此，涡轮叶片和涡轮导叶必须由能够耐受这样的高温的材料制成。涡轮叶片、导叶和其他部件通常包括用于延长这些零件的寿命并减小由过高的温度所引起的故障的可能性的冷却系统。

通常，涡轮导叶从叶片承载架径向向内延伸并且紧邻转子组件终止，而涡轮叶片径向向外延伸并且终止于环片附近。涡轮叶片和涡轮导叶形成被称作级的排。加压冷却流体供应至叶片和导叶级，用于冷却叶片和导叶以防止发生损坏以及防止高温气体进入涡轮发动机的内部体（aspect）中。通常，每级用由涡轮发动机内的压缩机压缩的加压冷却流体来冷却。用于压缩冷却流体所做的功对于涡轮发动机来讲是损失。因此，需要更高效的冷却流体供给系统，该冷却流体供给系统设计用于涡轮叶片以提供加压的冷却流体从而实现涡轮发动机的发展并增大操作范围。

发明内容

本发明涉及一种涡轮发动机用低压冷却系统，用于引导比如通常为环境压力或接近环境压力的低压冷却流体通过至少一个冷却流体供给通道并进入位于从转子组件径向向外延伸的成排涡轮叶片紧下游的冷却流体混合室中，以防止高温气体进入转子组件的内部体。该低压冷却系统还可以包括至少一个引气通道，该至少一个引气通道可以延伸穿过转子组件并将冷却流体排放至冷却流体混合室中，以密封旋转的涡轮叶片与下游静涡轮部件之间的间隙。通过低压冷却系统对环境压力冷却流体的使用可以因为排除为了密封间隙对加压冷却流体以及产生这种流体所需的功的需要而产生巨大的效能。

包括所述低压冷却系统的涡轮发动机可以包括由转子组件形成的涡轮组件。转子组件可以包括从转子径向向外延伸的多排涡轮叶片。所述多排涡轮叶片可以由一上游涡轮叶片排和至少一个下游涡轮叶片排形成。低压冷却系统可以包括至少一个具有冷却流体排放出口的冷却流体供给通道，所述冷却流体排放出口定位在至少一个下游涡轮叶片排的下游并且将冷却流体排放至冷却流体混合室中，所述冷却流体混合室部分地由所述冷却流体混合室的上游侧上的至少一个涡轮叶片以及下游侧上的至少一个固定结构形成。在一个实施方式中，冷却流体混合室可以定位在第四级涡轮叶片排的下游，其中流动路径气体压力略高于周围环境。冷却流体排放出口可以定位成使得从冷却流体排放出口排出的冷却流体被朝向涡轮叶片引导。冷却流体排放出口可以定位成使得从冷却流体排放出口排出的冷却流体与涡轮发动机的中心线大体对准，由此朝向涡轮发动机引导流体。在一个实施方式中，固定结构可以包括支柱的至少一部分。在另一实施方式中，冷却流体供给通道可以包含在支柱内。

低压冷却系统还可以包括至少一个引气通道，所述引气通道具有与所述冷却流体混合室连通的引气通道排放出口。所述引气通道的所述引气通道排放出口可以相对于所述至少一个冷却流体供给通道的所述冷却流体排放出口径向向外地定位。冷却流体经由所述引气通道排放出口排放到所述冷却流体混合室中，以形成将所述涡轮发动机的高温气体路径与所述转子组件的内部体隔离的一腔冷却流体。引气通道可以与压缩空气源流体连通，并且压缩空气源可以是第九级内部压缩机引气。

在一个实施方式中，冷却流体供给通道可以与环境压力或接近环境压力下的一个或更多个冷却流体源流体连通，使得环境压力或接近环境压力下的至少一股冷却流体穿过冷却流体供给通道。冷却流体供给通道可以包括在冷却流体排放出口的紧上游定位的环形气室。一个或更多个预旋流器可以定位在冷却流体供给通道中在冷却流体排放出口的紧上游并且可以定位在环形气室中。预旋流器可以定位成在冷却流体供给通道的冷却流体排放出口的紧上游。此外，冷却流体歧管可以与冷却流体供给通道流体连通。冷却流体歧管可以将冷却流体供给至冷却流体供给通道。