專利名稱：燃?xì)廨啓C(jī)翼面冷卻系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及本發(fā)明涉及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻，尤其是涉及對(duì)高壓燃?xì)廨啓C(jī)葉輪的翼面和平臺(tái)的冷卻進(jìn)行的改進(jìn)。
2．現(xiàn)有技術(shù)描述我們已經(jīng)很了解利用沖擊和薄膜相結(jié)合冷卻燃?xì)廨啓C(jī)葉輪的翼面和平臺(tái)的方法。例如，從來自發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)的壓縮氣流吸入冷卻劑氣流，并被沖擊到葉輪的內(nèi)、外平臺(tái)或其中之一，以及導(dǎo)入中空葉輪的空腔中的插管中，用來提供葉輪內(nèi)壁的沖擊冷卻或提供翼面表面的薄膜冷卻。這一冷卻系統(tǒng)在1994年10月4日授予Sylvestro的美國5,352,091號(hào)專利中作了描述。
于1992年9月1日授予Glezer等的5,142,859號(hào)美國專利描述了把外平臺(tái)的冷卻劑氣流導(dǎo)入空腔的插管中，并通過插管的孔沖擊到翼面空腔的內(nèi)表面。其中有些冷卻劑氣流流過翼面出氣邊開口導(dǎo)入主氣流中。剩下的冷卻劑氣流(Glezer等認(rèn)為是20％)通過內(nèi)葉輪平臺(tái)上的開孔從空腔中移走與另一股冷卻劑混合，最后在內(nèi)葉輪平臺(tái)的邊緣密封部分附近導(dǎo)入主氣流中。從翼面出氣邊導(dǎo)入主氣流的這部分利用過的冷卻劑氣流相對(duì)于翼面而言與主氣流成小的角度并具有高馬赫數(shù)，結(jié)果導(dǎo)致冷卻劑氣流與主氣流混合時(shí)只損耗少量能量。然而，在內(nèi)翼面平臺(tái)的邊緣密封部分附近或外平臺(tái)下游類似的位置導(dǎo)入主氣流的那部分冷卻劑氣流在混合時(shí)將導(dǎo)致能量損失。
尤其是這種葉輪通常處于高溫環(huán)境中，這種翼面冷卻系統(tǒng)所受的挑戰(zhàn)之一是把大量用過的冷卻劑氣流以最小的損耗導(dǎo)入氣流通道，并且同時(shí)能對(duì)葉輪提供有效的壓力邊薄膜冷卻。
另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是增加葉輪插管的出氣邊的回流壓力幅度，尤其是在葉輪外表面的局部薄膜冷卻時(shí)，減少熱氣體吸入葉輪的空腔從而造成翼面過熱的危險(xiǎn)。
發(fā)明綜述本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種具有改進(jìn)的高壓葉輪(HPT)空氣動(dòng)力性能的翼面，從而降低由上述的二次氣流混合所引起的能量損耗來改善葉輪和葉片效能。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是通過增大翼面出口處可能產(chǎn)生的回流壓力的阻礙幅度來解決前面提到的問題。
本發(fā)明的又另一個(gè)目的是減少冷卻翼面所需的冷卻劑氣流的流量，這是由于改變過方向的、利用過的平臺(tái)沖擊冷卻劑氣流將用來代替一部分預(yù)定冷卻翼面的壓縮氣體。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是改善沿翼面寬度的熱梯度，尤其是后部的熱梯度，從而延長翼面的壽命。
本發(fā)明的構(gòu)成包括一種用于氣輪機(jī)部分的翼面的氣體冷卻系統(tǒng)；一種具有主氣流通道穿過的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)包括將氣流從燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排到翼面的冷卻劑氣流排放裝置，翼面包括一個(gè)翼面壁，翼面壁具有外部翼面形狀并形成一個(gè)內(nèi)部空腔，翼面在端部有一個(gè)平臺(tái)，翼面包括一個(gè)形成出氣邊的后部；一個(gè)在空腔中的插管，它從平臺(tái)延伸并與冷卻劑氣流排放裝置連通，以使一部分冷卻劑氣流通過插管進(jìn)入空腔中；位于出氣邊處并沿翼面寬度穿過主氣流通道的排氣槽，用于把空腔中的氣體排入氣流通道的主氣流中；翼面還與冷卻劑氣流排放裝置連通以引導(dǎo)另一部分冷卻劑氣流沖擊平臺(tái)，其改進(jìn)是包括一個(gè)形成在平臺(tái)中的開口，該開口與翼面后部的插管和排氣槽之間的后部中的空腔連通，以便通過排氣槽排出利用過的平臺(tái)沖擊冷卻劑氣流和來自插管的利用過的冷卻劑氣流。
這一構(gòu)造的優(yōu)點(diǎn)是來自翼面內(nèi)部空腔的未被翼面用于壓力邊薄膜冷卻的所有冷卻劑氣流從葉輪出氣邊以具有要求的馬赫數(shù)和角度被導(dǎo)入主氣流，從而減少了發(fā)動(dòng)機(jī)的混合能量損失。
所有沖擊到平臺(tái)上和提供給翼面空腔的冷卻劑氣流，將增大翼面空腔的后部處的相對(duì)低壓區(qū)的壓力，從而避免從主氣流吸入熱氣流，尤其是在薄膜冷卻的情況下。
而且，由于用過的冷卻劑氣流在沖擊平臺(tái)后較熱，它將沿翼面寬度改善金屬的溫度梯度。
附圖簡述將參照下列附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，其中

圖1是本發(fā)明第一級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)葉輪翼面?zhèn)纫晥D；以及圖2是沿圖1中的線2-2所截取的水平剖面圖。
優(yōu)選實(shí)施例描述參看附圖，圖中顯示了一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)的第一級(jí)的翼面10，翼面10上有一個(gè)內(nèi)平臺(tái)12和一個(gè)外平臺(tái)14。翼面10包括構(gòu)成了至少一個(gè)空腔18的壁16。壁16上有一個(gè)相對(duì)于來自燃燒室的主氣流的進(jìn)氣邊20，該主氣流被稱作氣流通道中的氣流GF。如圖1所示，第一級(jí)的葉輪10沿徑向排列，并在內(nèi)平臺(tái)處由一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)40支撐，在外平臺(tái)處由一個(gè)外殼38支撐。
空腔18由壁16構(gòu)成，壁16上有壓力邊24和吸力邊26。盡管未示出，壁16上應(yīng)有與空腔18連通的開口，以使壁16外表面上進(jìn)行薄膜冷卻。空腔18的冷卻劑氣流由插管32和34提供，插管34在翼面的前部28，插管32在翼面的后部30。
從壓縮機(jī)(未示出)中排出的冷卻劑氣流經(jīng)過氣輪機(jī)周圍的環(huán)形氣流通道，并通過外殼38上的開口42進(jìn)入管32。在插管32的壓力邊和吸力邊上開有出口44，從而使冷卻劑氣流沖擊壁16的內(nèi)表面，并可能繼續(xù)通過壁16的開口在壁16的外表面形成一層冷卻劑薄膜。但是，空腔18中薄膜冷卻時(shí)未利用的沖擊冷卻劑將經(jīng)過突出部36流向翼面后部30，并通過翼面出氣邊22處的排氣槽54排出。突出部36位于來自開口44的冷卻劑氣流通道中，它增加了壁16的導(dǎo)熱系數(shù)。
流經(jīng)插管32的氣流在管32的出氣邊33處產(chǎn)生低壓區(qū)。
來自壓縮機(jī)的冷卻劑氣流還直接通過外殼38中的開口46沖擊外平臺(tái)14。同樣，來自壓縮機(jī)的冷卻劑氣流可以通過支撐結(jié)構(gòu)40中的開口48沖擊內(nèi)平臺(tái)12。盡管本實(shí)施例采用了內(nèi)外平臺(tái)12和14的沖擊冷卻，本發(fā)明的其它實(shí)施例也可僅用對(duì)內(nèi)外平臺(tái)之一的沖擊冷卻。在采用內(nèi)外平臺(tái)沖擊冷卻的實(shí)施例中，開口50和52分別位于平臺(tái)14和12上，處在插管32出氣邊33的下游，以便把冷卻劑氣流導(dǎo)入翼面10的空腔18的后部。開口50和52最好其中之一或兩個(gè)都位于管32的出氣邊33附近，使得以較高壓力進(jìn)入空腔的沖擊氣流增大管32的出氣邊33下游的通常為低壓區(qū)的壓力，從而提高整個(gè)區(qū)域的壓力，以便防止吸入氣流GF的熱氣流，特別是在翼面設(shè)計(jì)中采用了翼面壓力邊薄膜冷卻。這就激活了插管出氣邊下游形成的分開的氣流區(qū)，從而改善區(qū)域內(nèi)的導(dǎo)熱狀況。但是，開口50和52還可以放在后部空腔18內(nèi)的管32之外的其他位置。
沖擊到平臺(tái)12和14上的冷卻劑氣流比流過插管32的冷卻劑氣體的溫度高。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)，包括1981年10月6日授予Kobayashi等人的4,293,275號(hào)美國專利可知，在內(nèi)平臺(tái)和外平臺(tái)之間沿翼面寬度的溫度梯度明顯地隨寬度中部區(qū)的較高溫度和內(nèi)平臺(tái)區(qū)及外平臺(tái)區(qū)的較低溫度變化。從外平臺(tái)的開口50和內(nèi)平臺(tái)的開口52分別注入利用過的較熱的平臺(tái)冷卻劑氣流，翼面壁上從放氣孔50和52到排氣槽54的溫度梯度將變平緩，即降低，這是由于外平臺(tái)區(qū)和內(nèi)平臺(tái)區(qū)的溫度將得以提高并接近寬度中部區(qū)氣流的溫度。
通過翼面10的空腔18把平臺(tái)處的冷卻劑導(dǎo)入主氣流，而不是通過直接穿過平臺(tái)的排放孔或是由邊緣密封附近的葉輪平臺(tái)之外進(jìn)入主氣流(如同Glezer的專利)，與翼面壓力邊上的高壓力相比，空腔18中可保持一個(gè)更高的壓力，這就使得可在翼面的壓力邊布置薄膜冷卻孔，它與現(xiàn)有技術(shù)葉輪中的相比位于更上游。
權(quán)利要求
1.一種用于氣輪機(jī)部分的翼面的氣體冷卻系統(tǒng)；一種具有主氣流通道穿過的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)包括將氣流從燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排到翼面的冷卻劑氣流排放裝置，翼面包括一個(gè)翼面壁，翼面壁具有外部翼面形狀并形成一個(gè)內(nèi)部空腔，翼面在端部有一個(gè)平臺(tái)，翼面包括一個(gè)形成出氣邊的后部；一個(gè)在空腔中的插管，它從平臺(tái)延伸并與冷卻劑氣流排放裝置連通，以使一部分冷卻劑氣流通過插管進(jìn)入空腔中；位于出氣邊處并沿翼面寬度穿過主氣流通道的排氣槽，用于把空腔中的氣體排入氣流通道的主氣流中；翼面還與冷卻劑氣流排放裝置連通以引導(dǎo)另一部分冷卻劑氣流沖擊平臺(tái)，其改進(jìn)是包括一個(gè)形成在平臺(tái)中的開口，該開口與翼面后部的插管和排氣槽之間的后部中的空腔連通，以便通過排氣槽排出利用過的平臺(tái)沖擊冷卻劑氣流和來自插管的利用過的冷卻劑氣流。
2.如權(quán)利要求1所述的翼面，其特征在于，平臺(tái)是一個(gè)外平臺(tái)，翼面還包括一個(gè)內(nèi)平臺(tái)，內(nèi)外平臺(tái)分別位于翼面的各個(gè)端部，其中內(nèi)外平臺(tái)上都有開口。
3.如權(quán)利要求1所述的翼面，其特征在于，插管有一出氣邊，開口位于插管的出氣邊附近。
4.一種燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣輪機(jī)部分的翼面的冷卻方法包括下列步驟導(dǎo)引壓縮的冷卻劑氣流沿氣流通道從中空翼面中的導(dǎo)管進(jìn)入中空翼面空腔的內(nèi)部；導(dǎo)引第二股壓縮的冷卻劑氣流到翼面的內(nèi)外平臺(tái)上并使第二股冷卻劑氣流流進(jìn)翼面導(dǎo)管下游的中空翼面中；以及導(dǎo)引第一股和第二股冷卻劑氣流從翼面的出氣邊的出口以一定的角度和等同于氣流通道中的氣流的馬赫數(shù)進(jìn)入氣流通道，從而使沿翼面寬度的溫度梯度的范圍更窄。
全文摘要
一種用于冷卻燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的翼面葉輪的冷卻系統(tǒng),其中翼面的平臺(tái)上具有位于插管下游的開口,用來使用過的平臺(tái)沖擊冷卻劑氣流進(jìn)入插管下游的翼面空腔中,以便提高翼面后部區(qū)域的壓力,從而改善沿翼面寬度的溫度梯度。
文檔編號(hào)F01D9/02GK1232524SQ97198484
公開日1999年10月20日 申請(qǐng)日期1997年9月25日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月4日
發(fā)明者伊恩·蒂博特, 威廉·阿卜杜勒－邁西赫, 邁克爾·阿普爾 申請(qǐng)人:普拉特-惠特尼加拿大公司