專利名稱：渦輪噴嘴區(qū)劃冷卻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，并且更具體地涉及用于分離箱(split case)渦輪設(shè)計(jì)的渦輪噴嘴區(qū)劃冷卻系統(tǒng)，以便提供具有低泄漏的高壓冷卻空氣。
背景技術(shù)：
總體而言，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的渦輪級包括多個固定的渦輪噴嘴。每一個渦輪噴嘴都可以具有在外側(cè)壁與內(nèi)側(cè)壁之間沿徑向延伸的葉片。噴嘴葉片可以具有翼型構(gòu)造，以用于在布置于其上游和下游處的相應(yīng)的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪葉之間引導(dǎo)燃燒氣體。渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪葉可以安裝至轉(zhuǎn)子盤的周邊，以用于與轉(zhuǎn)子盤一起旋轉(zhuǎn)。由于渦輪噴嘴葉片在操作期間被流過其中的熱燃燒氣體加熱，因此可以在葉片內(nèi)側(cè)引導(dǎo)從壓縮機(jī)流出的冷卻空氣，以用于冷卻目的。限制所需的寄生冷卻空氣的量并且限制噴嘴葉片和其它位置處所損失的這種冷卻空氣的泄漏應(yīng)當(dāng)促進(jìn)總體燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)效率和性能。過去已經(jīng)將區(qū)劃冷卻用于航空渦輪發(fā)動機(jī)等。這種航空發(fā)動機(jī)通常包括圓形(360° )部件，以將冷卻流引導(dǎo)至噴嘴中。鑒于航空發(fā)動機(jī)大體是在組裝期間沿軸向堆疊的全環(huán)箱(full hoop case)結(jié)構(gòu)，該構(gòu)造對于航空發(fā)動機(jī)而言是可能實(shí)現(xiàn)的。然而，由于工業(yè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的總體尺寸，這種工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)通常安裝在至少兩個(甚至數(shù)量更多的)半部(180° )段中。該分段構(gòu)造通常排除使用360°部件來將冷卻流引入噴嘴布置中。因此，期望改進(jìn)的工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)計(jì)。這種改進(jìn)的工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)設(shè)計(jì)可以使用多個分段冷卻擋板，以提供具有低泄漏的高壓冷卻空氣，從而促進(jìn)具有低泄漏的高效冷卻。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供一種用于在渦輪中提供冷卻流的區(qū)劃冷卻系統(tǒng)，該渦輪中具有燃燒氣體流。該區(qū)劃冷卻系統(tǒng)可以包括渦輪噴嘴和冷卻擋板。渦輪噴嘴可以包括翼型插入件和噴嘴外側(cè)壁。冷卻擋板可以包括在第一回路中與翼型插入件相連通的高壓冷卻通路以及在第二回路中圍繞噴嘴外側(cè)壁定位的沖擊板。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種對渦輪的噴嘴進(jìn)行冷卻的方法。該方法可以包括以下步驟:通過冷卻擋板在高壓下將第一回路冷卻流輸送至噴嘴葉片的翼型插入件；通過第一回路冷卻流對噴嘴葉片進(jìn)行冷卻；將第二回路冷卻流輸送至圍繞噴嘴外側(cè)壁定位的冷卻擋板的沖擊板；以及通過第二回路冷卻流對噴嘴外側(cè)壁進(jìn)行冷卻。進(jìn)一步提供一種用于在渦輪中提供冷卻流的區(qū)劃冷卻系統(tǒng)，該渦輪中具有燃燒氣體流。該區(qū)劃冷卻系統(tǒng)可以包括渦輪噴嘴和多個冷卻擋板段。渦輪噴嘴可以包括翼型插入件和噴嘴外側(cè)壁。冷卻擋板段中的每一個冷卻擋板段都可以包括在第一回路中與翼型插入件相連通的高壓冷卻通路和在第二回路中圍繞噴嘴外側(cè)壁定位的沖擊板。所述區(qū)劃冷卻系統(tǒng)進(jìn)一步包括位于所述多個冷卻擋板段中的每一對冷卻擋板段之間的花鍵密封件。所述冷卻擋板包括位于所述沖擊板與所述噴嘴外側(cè)壁之間的后沖擊壓力腔。所述冷卻擋板包括圍繞所述沖擊板的第一密封層和圍繞所述噴嘴外側(cè)壁的第二密封層。所述冷卻擋板包括跨過所述第一密封層的第一泄露路徑和跨過所述第二密封層的第二泄露路徑。當(dāng)結(jié)合若干附圖以及所附權(quán)利要求閱覽下文的詳細(xì)描述時(shí)，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，本申請以及所獲得的專利的這些和其它的特征以及改進(jìn)將變得顯而易見。


圖1是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的示意圖，該燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)包括壓縮機(jī)、燃燒器、和渦輪。圖2是冷卻劑擋板的局部透視側(cè)橫截面圖，該冷卻劑擋板圍繞噴嘴葉片定位。圖3是圖2的冷卻擋板和噴嘴葉片的局部透視側(cè)橫截面圖；圖4是圖2的冷卻擋板和噴嘴葉片的局部側(cè)視圖，其中示出了通過其中的空氣流回路。圖5是圖2的兩個冷卻擋板和噴嘴葉片段的一部分以及其間的段間間隙的局部側(cè)橫截面圖，并且其中示出了通過其中的空氣流回路。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參照附圖，其中相似的附圖標(biāo)記在全部若干視圖中表示相似的元件，圖1示出了如本發(fā)明可以使用的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)10的示意圖。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)10可以包括壓縮機(jī)15。壓縮機(jī)15對進(jìn)入的空氣流20進(jìn)行壓縮。壓縮機(jī)15將壓縮空氣流20輸送至燃燒器25。燃燒器25對壓縮空氣流20與壓縮燃料流30進(jìn)行混合并且點(diǎn)燃混合物，以產(chǎn)生燃燒氣體流35。盡管僅示出一個燃燒器25，但是燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)10可以包括任何數(shù)量的燃燒器25。燃燒氣體流35接著被輸送至渦輪40。燃燒氣體流35驅(qū)動渦輪40，以便產(chǎn)生機(jī)械功。渦輪40中所產(chǎn)生的機(jī)械功通過軸45驅(qū)動壓縮機(jī)15和外部負(fù)載50，例如發(fā)電機(jī)等。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)10可以使用天然氣、各種類型的合成氣、以及/或者其它類型的燃料。燃?xì)鉂欇啺l(fā)動機(jī) 10 可以是由 Schenectady (NewYork)的 General Electric Company所提供的多種不同的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)中的任何一種，其中包括但不限于例如7系列或9系列重型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)等的那些燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)10可以具有不同的構(gòu)造并且可以使用其它類型的部件。本發(fā)明也可以使用其它類型的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。也可以一起使用多個燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)、其它類型的渦輪機(jī)、以及其它類型的發(fā)電設(shè)備。圖2至圖5示出了可以如本發(fā)明所描述的渦輪噴嘴區(qū)劃冷卻系統(tǒng)100的一部分。渦輪噴嘴區(qū)劃冷卻系統(tǒng)100可以用于所描述的渦輪40的多個渦輪噴嘴105等。渦輪噴嘴105可以是分離箱設(shè)計(jì)的一部分。渦輪噴嘴105中的每一個渦輪噴嘴105都可以包括噴嘴葉片110。噴嘴葉片110可以以懸臂形式在內(nèi)側(cè)壁120與外側(cè)壁140之間延伸。多個渦輪噴嘴105可以結(jié)合成周向陣列，以形成具有多個轉(zhuǎn)子輪葉(未示出)的級。噴嘴105可以包括圍繞噴嘴葉片110延伸的噴嘴外側(cè)壁140。噴嘴葉片110可以是基本空心的。翼型插入件150可以定位在噴嘴葉片110內(nèi)。翼型插入件150可以具有形成在其中的多個冷卻孔160。冷卻孔160可以用于通過沖擊冷卻等引導(dǎo)冷卻流170圍繞噴嘴葉片110。翼型插入件150可以通過管密封件或者作為冷卻回路的一部分的其它類型的高壓冷卻通路180與來自壓縮機(jī)15的冷卻流170連通。本發(fā)明中可以使用多于一個的冷卻通路180?？梢允褂闷渌牟考推渌臉?gòu)造。渦輪噴嘴區(qū)劃冷卻系統(tǒng)100也可以包括冷卻擋板200，冷卻擋板200圍繞渦輪噴嘴105定位。冷卻擋板200可以定位在來自壓縮機(jī)15的冷卻供給與渦輪噴嘴105的外側(cè)壁140之間。冷卻擋板200可以呈多個段210的形式。具體而言，冷卻擋板200可以分段成至少兩(2)個段210并且在給定的級中達(dá)到每噴嘴葉片110 — (I)個段210?？梢酝ㄟ^花鍵密封件等對冷卻擋板段210中的每一個冷卻擋板段210之間的間隙進(jìn)行密封。冷卻擋板200可以用作沖擊板230。沖擊板230可以具有形成在其中的多個冷卻孔240。本發(fā)明可以使用任何數(shù)量或構(gòu)造的冷卻孔240。第一密封層250可以圍繞沖擊板230定位。第二密封層260可以圍繞外側(cè)壁140定位。密封層250、260可以由任何穩(wěn)健、耐熱的材料制成。沖擊板230以及密封層250、260可以與翼型插入件150相連通地包繞高壓冷卻通路180。后沖擊壓力腔265可以由處于一端的沖擊板230與第一密封層250和在另一端處的外側(cè)壁140與第二密封層260共同限定。在使用中，來自壓縮機(jī)15的冷卻流170可以通過位于冷卻擋板200和第一密封層250上方的高壓區(qū)域270、位于密封層250、260之間的后沖擊壓力腔265中的中間壓力區(qū)域280、以及圍繞燃燒氣體流位于后沖擊壓力腔265和第二密封層260下方的低壓區(qū)域290。隨著冷卻流170接近渦輪噴嘴105，冷卻流170具有三(3)個可能的流動路徑。首先，冷卻流170可以直接進(jìn)入噴嘴葉片110內(nèi)的翼型插入件150，以用于在高壓下通過冷卻通路180對其中進(jìn)行冷卻。其次，冷卻流170可以通過冷卻劑擋板200的沖擊板230并且對噴嘴外側(cè)壁140進(jìn)行沖擊冷卻。第三，冷卻流170可以跨過第一密封層250泄漏到后沖擊壓力腔265中。中間壓力后沖擊空氣接著可以跨過第二密封層260泄漏到低壓燃燒氣體流35中。本發(fā)明也可以使用其它的構(gòu)造和其它的部件。通過在第一回路300中經(jīng)由高壓冷卻通路180將冷卻流170直接引入翼型插入件150中，來自高壓區(qū)域270的冷卻流170可以用于在噴嘴插入件150中進(jìn)行冷卻而不造成顯著壓降。通過在第二回路330中使用按順序排列的密封層250、260，由高壓區(qū)域270驅(qū)動的第一泄露路徑310可以延伸跨過擋板200和第一密封層250，而第二泄露路徑320在低壓下朝向燃燒氣體流35延伸跨過第二密封層260。換句話說，第二泄露路徑320中的冷卻流170從中間壓力區(qū)域280延伸跨過第二密封層260并且延伸至燃燒氣體流35的低壓區(qū)域290中。由此，后沖擊壓力腔265與燃燒氣體流35之間的壓差小于冷卻流170與高壓區(qū)域270和燃燒氣體流35之間的壓差。因此，可以通過后沖擊壓力腔265的壓力而不是來高壓區(qū)域270的壓縮機(jī)抽取物來對從噴嘴外側(cè)壁140的任何泄露進(jìn)行驅(qū)動。因此，與渦輪噴嘴區(qū)劃冷卻系統(tǒng)100的冷卻擋板200相結(jié)合的密封層250和260可以提供較低的泄露，同時(shí)使用來自高壓區(qū)域270的空氣用于冷卻而不造成顯著的壓降。渦輪噴嘴區(qū)劃冷卻系統(tǒng)100的冷卻擋板200可以是單獨(dú)元件或者通過鑄造就位(cast into place)。具體而言,可以將空心橋狀結(jié)構(gòu)鑄造到噴嘴外側(cè)壁140中，同時(shí)通過其中加工冷卻孔，使得能夠?qū)⒚芊鈱?50、260放置在其中。沖擊板能夠連接至橋狀部或側(cè)壁的頂部。備選地，也能夠?qū)⑼耆忾]的增壓室鑄造至噴嘴外側(cè)壁140并且接著在密封層250、260等中鉆取沖擊洞等。因此，具有冷卻擋板200的渦輪噴嘴105使得能夠在分離箱渦輪設(shè)計(jì)中進(jìn)行區(qū)劃冷卻。這種區(qū)劃冷卻減少泄露，同時(shí)向多個冷卻回路提供高壓冷卻空氣而不造成太多的壓降。較少的泄露和較高壓力冷卻空氣應(yīng)當(dāng)提供提高的效率、提高的性能、以及所用成本和材料有限的部件的較長壽命。應(yīng)當(dāng)顯而易見的是，上文僅涉及本申請某些實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不偏離由以下權(quán)利要求及其等同形式所限定的本發(fā)明的總體精神和范圍的情況下在本文中進(jìn)行多種改變和改型。
權(quán)利要求
1.一種用于在渦輪中提供冷卻流的區(qū)劃冷卻系統(tǒng)，所述渦輪中具有燃燒氣體流，所述區(qū)劃冷卻系統(tǒng)包括: 渦輪噴嘴； 所述渦輪噴嘴包括翼型插入件和噴嘴外側(cè)壁；以及 冷卻擋板； 所述冷卻擋板包括在第一回路中與所述翼型插入件相連通的高壓冷卻通路以及在第二回路中圍繞所述噴嘴外側(cè)壁定位的沖擊板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)劃冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻擋板包括多個冷卻擋板段。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的區(qū)劃冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻擋板包括位于每一對冷卻擋板段之間的一個或多個密封層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)劃冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻擋板包括位于所述沖擊板與所述噴嘴外側(cè)壁之間的后沖擊壓力腔。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的區(qū)劃冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述后沖擊壓力腔包括中間壓力區(qū)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的區(qū)劃冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述后沖擊壓力腔包繞所述高壓冷卻通路。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的區(qū)劃冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述燃燒氣體流包括低壓區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的區(qū)劃冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻擋板包括圍繞所述沖擊板的第一密封層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的區(qū)劃冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻擋板包括圍繞所述噴嘴的第二密封層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的區(qū)劃冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻擋板包括跨過所述第一密封層的第一泄露路徑和跨過所述第二密封層的第二泄露路徑。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)劃冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述翼型插入件包括多個冷卻孔。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)劃冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻流與壓縮機(jī)連通。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的區(qū)劃冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述渦輪噴嘴包括噴嘴葉片，所述噴嘴葉片從內(nèi)側(cè)壁延伸至所述外側(cè)壁。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的區(qū)劃冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻擋板圍繞所述外側(cè)壁定位。
15.一種對渦輪的噴嘴進(jìn)行冷卻的方法，所述方法包括: 通過冷卻擋板在高壓下將第一回路冷卻流輸送至噴嘴葉片的翼型插入件； 通過第一回路冷卻流對所述噴嘴葉片進(jìn)行冷卻； 將第二回路冷卻流輸送至圍繞噴嘴外側(cè)壁定位的所述冷卻擋板的沖擊板；以及 通過第二回路冷卻流對所述噴嘴外側(cè)壁進(jìn)行冷卻。
全文摘要
本發(fā)明涉及并公開一種用于在渦輪中提供冷卻流的區(qū)劃冷卻系統(tǒng)，該渦輪中具有燃燒氣體流。該區(qū)劃冷卻系統(tǒng)可以包括渦輪噴嘴和冷卻擋板。渦輪噴嘴可以包括翼型插入件和噴嘴外側(cè)壁。冷卻擋板可以包括在第一回路中與翼型插入件相連通的高壓冷卻通路以及在第二回路中圍繞噴嘴外側(cè)壁定位的沖擊板。
文檔編號F01D25/12GK103195507SQ20131000926
公開日2013年7月10日 申請日期2013年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者R.W.科因, G.T.富斯特, R.米納卡希森達(dá)拉姆, G.A.麥克米蘭, A.G.溫 申請人:通用電氣公司