發(fā)動(dòng)機(jī)和用于操作所述發(fā)動(dòng)機(jī)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)涉及如權(quán)利要求1的前序部分中所述的發(fā)動(dòng)機(jī)的領(lǐng)域。具體地，本公開(kāi)可涉及工作發(fā)動(dòng)機(jī)，并且更具體地涉及燃?xì)鉁u輪。本公開(kāi)還涉及引導(dǎo)靜葉元件，特別是適合用于這種發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪壓縮機(jī)。本公開(kāi)還涉及用于冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高效率發(fā)動(dòng)機(jī)通常需要高工作溫度。內(nèi)燃機(jī)可以提供溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)大多數(shù)材料能忍受的溫度的工作流體，特別是當(dāng)同時(shí)需要維持機(jī)械強(qiáng)度的時(shí)候。用于使熱壓縮工作流體膨脹的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件因此可能需要適當(dāng)?shù)睦鋮s。對(duì)于暴露于高溫流體的不間斷流的構(gòu)件更是如此，該高溫流體特別是燃燒氣體，諸如在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的膨脹渦輪的熱氣通道中的構(gòu)件的情況。燃燒器以及現(xiàn)今的內(nèi)燃式燃?xì)鉁u輪的至少第一級(jí)的引導(dǎo)靜葉和旋轉(zhuǎn)葉片需要可靠冷卻。同樣，渦輪定子和轉(zhuǎn)子的部分，諸如，例如軸或者設(shè)置在壓縮機(jī)的下游的軸的部分可能需要冷卻。一種提供冷卻劑的方法是，從燃?xì)鉁u輪壓縮機(jī)內(nèi)或者從燃?xì)鉁u輪壓縮機(jī)后抽取一些空氣，利用所述抽取的空氣流繞過(guò)燃燒器，以及將所述空氣引導(dǎo)至需要冷卻的構(gòu)件。應(yīng)該理解，從壓縮機(jī)抽取空氣(然后至少部分地繞過(guò)熱動(dòng)力過(guò)程)是昂貴的，且因此，應(yīng)該盡可能高效地使用冷卻空氣以便減少由抽取冷卻空氣造成的效率損失。
[0003]雖然將冷卻空氣引導(dǎo)至燃?xì)鉁u輪的固定部分相對(duì)容易，但將冷卻空氣引導(dǎo)至轉(zhuǎn)子部分更具挑戰(zhàn)性。本領(lǐng)域已知的是例如在最后壓縮機(jī)葉片與靜葉排之間抽取空氣。這是轉(zhuǎn)子軸通常與固定蓋接觸的地方。在這個(gè)位置處出現(xiàn)可用于抽取冷卻劑的環(huán)形泄漏間隙。然后，例如，通過(guò)形成在轉(zhuǎn)子內(nèi)的管道或者通過(guò)形成在轉(zhuǎn)子或者軸外表面與蓋的內(nèi)壁之間的環(huán)形間隙來(lái)引導(dǎo)所抽取的冷卻劑以使渦輪部分旋轉(zhuǎn)。
[0004]然而，由于流過(guò)第一渦輪靜葉排的氣體的壓力比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于由最后的壓縮機(jī)靜葉排產(chǎn)生的壓力比，需要將復(fù)雜密封機(jī)構(gòu)設(shè)置在該冷卻劑管道的下游端，并且，通常應(yīng)用某些測(cè)量以在冷卻劑被供給到例如旋轉(zhuǎn)渦輪葉片且然后被排放到渦輪熱氣流之前調(diào)整冷卻劑的壓力。
[0005]此外，應(yīng)該注意，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)壓力比和周圍溫度，在從壓縮機(jī)抽取時(shí)應(yīng)用于冷卻的流體的溫度容易在300° C到500° C以上的范圍內(nèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本文公開(kāi)的裝置和方法的一個(gè)目的是改善現(xiàn)有技術(shù)。本文公開(kāi)的裝置和方法的另一目的是克服現(xiàn)有技術(shù)(并且更具體地上面所述的現(xiàn)有技術(shù))中的某些缺點(diǎn)。
[0007]這通過(guò)如權(quán)利要求1中所述的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，并且進(jìn)一步通過(guò)進(jìn)一步的獨(dú)立權(quán)利要求中所述的構(gòu)件和方法實(shí)現(xiàn)。
[0008]本公開(kāi)教導(dǎo)了一種發(fā)動(dòng)機(jī)，所述發(fā)動(dòng)機(jī)包括壓縮機(jī)、膨脹機(jī)和軸，該軸具有旋轉(zhuǎn)方向。所述發(fā)動(dòng)機(jī)可以是工作發(fā)動(dòng)機(jī)。另外，所述發(fā)動(dòng)機(jī)可以是燃?xì)鉁u輪，并且特別是內(nèi)燃式燃?xì)鉁u輪。
[0009]應(yīng)該注意，在本公開(kāi)內(nèi)，“軸”和“轉(zhuǎn)子”在很大程度上被同義地使用，因此，轉(zhuǎn)子包括固定到該轉(zhuǎn)子或者另外安裝到該轉(zhuǎn)子上的軸和任何旋轉(zhuǎn)部分，諸如，例如旋轉(zhuǎn)葉片、隔熱罩等等。
[0010]另外，在本公開(kāi)內(nèi)，靜葉表示固定到發(fā)動(dòng)機(jī)定子上或者另外連接至發(fā)動(dòng)機(jī)定子的固定流引導(dǎo)元件，而葉片表示固定到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子或者另外安裝至發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)流偏轉(zhuǎn)元件。
[0011]發(fā)動(dòng)機(jī)包括壓縮流體主流徑，應(yīng)該理解，在本公開(kāi)的含意中，該壓縮流體主流徑包括在壓縮機(jī)內(nèi)的主流徑，并且還可以包括從壓縮機(jī)出口到燃燒器或者任何其他壓縮流體加熱裝置的流徑。分流器部件設(shè)置在壓縮器主流徑處并且流體地連接至壓縮器主流徑。管道流體地連接分流器和膨脹機(jī)的構(gòu)件，并且設(shè)置為使得，當(dāng)操作發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，將流體通過(guò)管道從分流器引導(dǎo)至所述構(gòu)件。此外，流偏轉(zhuǎn)器裝置設(shè)置在由分流器部件和/或所述管道中的任何一者提供的流徑內(nèi)。流偏轉(zhuǎn)器裝置設(shè)置為并且適于使經(jīng)過(guò)所述流偏轉(zhuǎn)器裝置從分流器朝膨脹機(jī)構(gòu)件導(dǎo)向的流在切向方向上偏轉(zhuǎn)且特別地因此加速。偏轉(zhuǎn)器裝置可以設(shè)置在管道的上游側(cè)或者特別是端部處。在這種情況下，使流過(guò)管道的流體流偏轉(zhuǎn)的效果在整個(gè)管道內(nèi)變得有效。
[0012]在本公開(kāi)的一個(gè)方面中，偏轉(zhuǎn)器裝置設(shè)計(jì)為并且設(shè)置為使得所述偏轉(zhuǎn)在軸旋轉(zhuǎn)方向上實(shí)現(xiàn)。然而，可構(gòu)想其中偏轉(zhuǎn)器裝置設(shè)計(jì)為并且設(shè)置為使得所述偏轉(zhuǎn)與軸旋轉(zhuǎn)方向相反實(shí)現(xiàn)。
[0013]如將變得顯而易見(jiàn)，在使可壓縮流體加速時(shí)，溫度和靜壓降低。如進(jìn)一步變得顯而易見(jiàn)，所述抽取的壓縮流體局部流意圖用作用于發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的冷卻劑。因?yàn)闇囟冉档停岳鋮s效率增強(qiáng)。具體地，當(dāng)引導(dǎo)冷卻劑沿軸的外表面或者通過(guò)轉(zhuǎn)鼓時(shí)，如在下面更詳細(xì)地標(biāo)明的那樣，改善了轉(zhuǎn)子冷卻，或者減少?gòu)慕橘|(zhì)到本身形成轉(zhuǎn)子的一部分的軸的吸熱。將進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，由于冷卻劑管道中的靜壓減小，在冷卻劑管道的下游熱氣側(cè)的冷卻劑泄漏可能減小，且/或冷卻劑管道與熱工作流體主流之間的密封可能較便宜。如還將認(rèn)識(shí)到，在切向方向上使冷卻劑流加速時(shí)，所述加速可以在不改變冷卻劑管道截面的情況下實(shí)現(xiàn)。在軸旋轉(zhuǎn)的方向上導(dǎo)向冷卻劑流時(shí)可發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步的益處。即，一方面，特別是當(dāng)冷卻劑管道形成在間隙(例如，在軸與固定部分(例如，如將在下面更詳細(xì)的標(biāo)明蓋)之間的環(huán)形間隙)中時(shí)，冷卻劑與轉(zhuǎn)子之間的摩擦損失會(huì)減小。特別對(duì)于大型發(fā)動(dòng)機(jī)而言，諸如固定式發(fā)電燃?xì)鉁u輪，在軸的外表面處的切向速度可以達(dá)到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)100 m/s的相當(dāng)大的量級(jí)。如將認(rèn)識(shí)到，并且，在進(jìn)一步考慮這種軸的大的表面積時(shí)，相對(duì)于軸的外表面具有很大程度上不同的切向速度的冷卻劑流與軸之間的摩擦損失可能相當(dāng)大。由于提出的流的切向加速度，流的切向速度與軸外表面的切向速度可以具有更緊密的匹配，并且可以大大減少所述摩擦損失。還將變得顯而易見(jiàn)的是，如果壓縮流體局部流從渦輪壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片排的下游抽取，并且特別是當(dāng)旋轉(zhuǎn)葉片設(shè)置在軸上時(shí)，流在抽取時(shí)已經(jīng)具有在軸旋轉(zhuǎn)的方向上的切向速度，且因此在偏轉(zhuǎn)器中需要較少的額外流加速和偏轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)期望效果。
[0014]在所抽取的流體流的雷諾數(shù)由于加速而增加時(shí)，可增強(qiáng)構(gòu)件與所抽取的流體流之間的熱傳遞。
[0015]此外，在本公開(kāi)的另一方面中，如果壓縮流體局部流被引導(dǎo)至轉(zhuǎn)子腔內(nèi)，那么可以使偏轉(zhuǎn)器成形為使得偏轉(zhuǎn)器將額外的速度分量加到朝轉(zhuǎn)子導(dǎo)向的抽取的介質(zhì)流，即，例如，徑向向內(nèi)的范圍。偏轉(zhuǎn)器然后將調(diào)整、配置和設(shè)置為使得所抽取的流體流在徑向向內(nèi)范圍中且在周向方向上偏轉(zhuǎn)。具體地，在增加該徑向向內(nèi)范圍，向心速度分量，以及聯(lián)合軸旋轉(zhuǎn)方向上的上述切向速度分量的過(guò)程中，流可以朝軸的入口開(kāi)口導(dǎo)向，其在軸或者轉(zhuǎn)子的外部與轉(zhuǎn)子腔之間(或者，換言之，在所抽取的流體流與轉(zhuǎn)子或者軸腔之間)提供流體連接。流的切向速度分量可以具有與轉(zhuǎn)子軸外部且因而與所述入口開(kāi)口的切向速度的匹配。由于該匹配和流朝所述開(kāi)口的方向，可以在不提供所述入口開(kāi)口的復(fù)雜幾何的情況下很大程度上促進(jìn)介質(zhì)流入該入口開(kāi)口。
[0016]可能被明確標(biāo)明或者可能未被明確標(biāo)明的本公開(kāi)的教導(dǎo)的進(jìn)一步的效果和益處可為固有的，或者對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員可為顯而易見(jiàn)的。
[0017]應(yīng)該理解，在如提出的發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用的分流器中，對(duì)上述標(biāo)明的特性而言額外的特性可以發(fā)現(xiàn)是有益的。例如，這已經(jīng)被證明有益于將這種分流器設(shè)計(jì)為爭(zhēng)取盡可能平穩(wěn)的流偏轉(zhuǎn)。具體地，應(yīng)該避免造成渦流的急劇偏轉(zhuǎn)。因此，當(dāng)靜壓的下降已經(jīng)表現(xiàn)為合乎需要時(shí)，避免將對(duì)總體發(fā)動(dòng)機(jī)效率不利的抽取的流體流的總壓力損失，或者至少將其減少到最小。
[0018]在發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)實(shí)施例中，壓縮機(jī)為渦輪壓縮機(jī)，該渦輪壓縮機(jī)包括設(shè)置在軸上的至少一排旋轉(zhuǎn)或者運(yùn)轉(zhuǎn)的葉片以及設(shè)置在所述排運(yùn)轉(zhuǎn)葉片的下游的相應(yīng)排固定靜葉，并且，分流器設(shè)置在例如所述排葉片與所述相應(yīng)排靜葉之間。所述布置的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于:壓縮流體在被分流器抽取時(shí)因旋轉(zhuǎn)葉片所產(chǎn)生的流體的加速將具有在軸的方向或者轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向上的第一切向速度分量，或者，換言之，壓縮機(jī)級(jí)中的靜壓累積未完全產(chǎn)生。因此，在偏轉(zhuǎn)器裝置中需要較少偏轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)期望效果。在另一個(gè)實(shí)施例中，渦輪壓縮機(jī)為多級(jí)渦輪壓縮機(jī)，并且分流器可以設(shè)置在最下游(即，最后的)的壓縮機(jī)級(jí)的相應(yīng)葉片排與靜葉排之間。
[0019]流偏轉(zhuǎn)器裝置可以包括多個(gè)翼型件。這些翼型件可設(shè)置為提供上游公稱流動(dòng)角和下游公稱流動(dòng)角，或者，對(duì)于流管道中的翼型件陣列而言通常還被稱為，流入角和流出角，每個(gè)角度相對(duì)于流體流的軸向方向測(cè)量。流體流的所述軸向方向可以被認(rèn)為與軸的軸向方向相同，特別是在軸向流渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中。所述角度例如分別由前緣和后緣處的翼型件傾斜線的方向限定。特別地，下游公稱流動(dòng)角或者流出角大于上游公稱流動(dòng)角或者流入角，并且朝軸旋轉(zhuǎn)方向傾斜，以便當(dāng)流體流相應(yīng)地沿翼型件流動(dòng)時(shí)或者穿過(guò)翼型件陣列時(shí)使流體流偏轉(zhuǎn)到軸旋轉(zhuǎn)方向。偏轉(zhuǎn)裝置因此可以類似于設(shè)置在分流器上或者設(shè)置在冷卻劑管道中的引導(dǎo)靜葉排。應(yīng)該理解，流也可以相對(duì)于軸旋轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)，這將需要大的偏轉(zhuǎn)角。下面將更詳細(xì)地標(biāo)明將這種大偏轉(zhuǎn)角應(yīng)用于具有相對(duì)于軸旋轉(zhuǎn)方向引導(dǎo)的切向速度的優(yōu)點(diǎn)。
[0020]可構(gòu)想進(jìn)一步的實(shí)施例，其中，偏轉(zhuǎn)裝置可為適當(dāng)成形的噴嘴或者孔口，或者相應(yīng)地多個(gè)噴嘴或者孔口。
[0021 ]應(yīng)該理解，偏轉(zhuǎn)器是發(fā)動(dòng)機(jī)的固定構(gòu)件。
[0022]在進(jìn)一步的實(shí)施例中，偏轉(zhuǎn)裝置設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)的固定部分上，并且可以特別地設(shè)置在形成在轉(zhuǎn)子軸與所述固定部分之間的間隙內(nèi)。偏轉(zhuǎn)裝置可以特別地設(shè)置在圍繞軸的蓋、引導(dǎo)靜葉徑向內(nèi)側(cè)部分(特別是引導(dǎo)靜葉的徑向內(nèi)護(hù)罩)或者分流器中的一者上。同樣，分流器可以由蓋或