用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的帶噴嘴注射的渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般涉及渦輪發(fā)動機(jī)，并且更具體地涉及能夠進(jìn)行燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的熱啟動而無渦輪葉片與徑向向外的密封表面干涉的風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]通常，燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)包括用于壓縮空氣的壓縮機(jī)，用于混合壓縮空氣和燃料并點(diǎn)燃混合物的燃燒器，和用于產(chǎn)生動力的渦輪葉片組件。燃燒器通常在可能會超過2500華氏度的高溫下工作。典型的渦輪機(jī)燃燒器的配置將渦輪葉片組件暴露于這樣的高溫。
[0003]由于這些大的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的質(zhì)量，發(fā)動機(jī)在停機(jī)后花費(fèi)很長時(shí)間來冷卻。許多組件以不同的速率冷卻，其結(jié)果是在各種組件之間產(chǎn)生干涉。渦輪葉片尖端和恰好被定位在渦輪葉片的徑向向外的葉片環(huán)之間的間隙，就是其中經(jīng)常發(fā)生干涉的這種配置。由于自然對流，殼體組件從上到下以不同的速率冷卻。其結(jié)果是，殼體在底部與頂部相比冷卻速度更快，并且在被充分冷卻之前在停機(jī)期間殼體呈現(xiàn)變形的形狀。殼體的較熱的上表面對較冷的下表面使殼體向上熱彎曲或彎成弓形。如果在殼體被扭曲時(shí)刻期間發(fā)動機(jī)經(jīng)歷重新啟動，葉片尖端將由于向上彎成弓形而具有在底部位置干涉的傾向。因此，如果期望在完全冷卻之前啟動燃?xì)鉁u輪機(jī)，存在損壞渦輪葉片的顯著風(fēng)險(xiǎn)，這是因?yàn)闇u輪葉片尖端由于外殼的變形形狀而從渦輪葉片尖端和發(fā)動機(jī)底部的輪葉載體之間的干涉發(fā)生摩擦。因此，存在對減少渦輪輪葉載體和輪葉載體在關(guān)機(jī)后的冷卻的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]披露了一種渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)，其被配置成在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)期間，限制在包圍渦輪葉片組件的外殼內(nèi)產(chǎn)生的熱梯度。通過減少由熱空氣浮力在外殼的中間區(qū)域腔內(nèi)引起的熱梯度，可以防止外殼的拱形和背凹彎曲，從而在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的熱再啟動期間減小葉片尖端摩擦和潛在的葉片損壞的可能性。渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)還可以顛倒局部外殼垂直溫度梯度，以優(yōu)化總的外殼變形和渦輪葉片尖端間隙。渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)可以在其中轉(zhuǎn)子仍然由燃燒氣體提供動力的關(guān)機(jī)過程期間，或在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)停機(jī)后轉(zhuǎn)動齒輪系統(tǒng)操作期間，或在兩個期間都操作，以允許外殼均勻地從上到下冷卻。在其他實(shí)施例中，渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)可以在正常的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)操作期間操作。
[0005]渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)可以由具有多排從渦輪轉(zhuǎn)子徑向向外延伸的渦輪葉片的渦輪葉片組件形成。包圍渦輪葉片組件的外殼可具有在外殼中的在限定外殼的上半部分的水平軸線上方的多個檢查孔，由此外殼可部分地限定至少一個中間排區(qū)域空腔。渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)可包括一個或多個噴嘴，其被定位在外殼內(nèi)并被定位成從渦輪葉片組件的中間排區(qū)域徑向向外。中間排區(qū)域可以從前排區(qū)域向下游，并從下游排區(qū)域向上游被定位。中間排區(qū)域腔可以在三排渦輪葉片的徑向外側(cè)。此外，中間排區(qū)域空腔可以在四排渦輪葉片的徑向外側(cè)。該噴嘴可具有噴霧模式，其小于所述至少一個中間排區(qū)域空腔的寬度。該噴嘴可具有高速度、低量噴嘴，其被配置為發(fā)射流體進(jìn)入中間排區(qū)域空腔內(nèi)。
[0006]該噴嘴可從外殼的上止點(diǎn)沿周向被偏移。在至少一個實(shí)施例中，噴嘴可以從上止點(diǎn)偏移，并且可以被定位在殼體的頂部內(nèi)的任意位置。在另一個實(shí)施例中，噴嘴可以從外殼的上止點(diǎn)沿周向被偏移使得噴嘴被定位成距外殼的上止點(diǎn)在45度至75度之間。噴嘴可以被定位成使得從噴嘴排出的流體撞擊外殼的內(nèi)表面。特別地，噴嘴可以被定位成使得從噴嘴排出的流體在上止點(diǎn)處撞擊外殼的內(nèi)表面。噴嘴可以被定位成使得從噴嘴排出的流體在夕卜殼的中間排區(qū)域孔腔內(nèi)產(chǎn)生流體的周向流。
[0007]渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)可被用于改裝燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)或用于新的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)內(nèi)。在至少一個實(shí)施例中，噴嘴可在內(nèi)孔窺視端口，其他可用的預(yù)先存在的孔口中被聯(lián)接到外殼或可以被聯(lián)接到單獨(dú)為噴嘴創(chuàng)建的孔口。更具體地說，噴嘴在內(nèi)孔窺視端口中被可釋放地聯(lián)接到外殼。渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)可以包括與至少一個噴嘴連通的環(huán)境空氣供給部，用于供應(yīng)環(huán)境空氣到噴嘴。
[0008]在至少一個實(shí)施例中，渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)可以包括至少一個噴嘴，所述至少一個噴嘴由在外殼的上止點(diǎn)的第一側(cè)從外殼延伸到中間排區(qū)域空腔內(nèi)的第一噴嘴和在外殼的上止點(diǎn)的第二側(cè)從外殼延伸到中間排區(qū)域空腔內(nèi)的第二噴嘴形成。第二側(cè)可以在第一側(cè)的相反側(cè)上。第一和第二噴嘴可以朝向外殼的上止點(diǎn)被引導(dǎo)。
[0009]渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)的一個優(yōu)點(diǎn)是，系統(tǒng)限制在外殼的中間區(qū)域空腔內(nèi)由熱空氣浮力引起的熱梯度，可以防止外殼的拱形和背凹彎曲，從而降低了在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的熱重啟期間葉片尖端摩擦以及潛在的葉片損壞的可能性。
[0010]渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)的另一個優(yōu)點(diǎn)是，該系統(tǒng)可以顛倒局部外殼垂直溫度梯度，以便優(yōu)化總的殼體變形和渦輪葉片尖端間隙。
[0011]渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)的又一個優(yōu)點(diǎn)是，該系統(tǒng)可以被安裝在當(dāng)前存在的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)內(nèi)，從而通過使熱啟動能夠發(fā)生而不是等待幾天使氣體渦輪發(fā)動機(jī)足夠冷卻以安全啟動，使得當(dāng)前正在使用的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)更有效。
[0012]渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)的另一個優(yōu)點(diǎn)是，該系統(tǒng)有助于減輕外殼內(nèi)的垂直梯度。
[0013]這些和其他實(shí)施例將在下文中更詳細(xì)地描述。
【附圖說明】
[0014]包含在說明書中并形成說明書的一部分的附圖示出了目前公開的發(fā)明的實(shí)施例，并且與說明書一起，公開了本發(fā)明的原理。
[0015]圖1是包括渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0016]圖2是具有渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)的外殼的以圖1中的剖面線2-2截取的軸視圖。
[0017]圖3是從燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)移除的外殼的上半部分的俯視圖。
[0018]圖4是從三排渦輪葉片組件徑向外側(cè)插入中間排區(qū)域空腔的噴嘴的局部剖面圖。
[0019]圖5是從四排渦輪葉片組件徑向外側(cè)插入中間排區(qū)域空腔的噴嘴的局部剖面圖。
[0020]圖6是具有渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)的外殼的以圖1中的剖面線6-6截取的軸視圖。
[0021]圖7是具有渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)的另一實(shí)施例的外殼的以圖1中的剖面線6-6截取的軸視圖。
[0022]圖8是如圖7所示的多排出噴嘴的細(xì)節(jié)剖面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]如圖1-8所示，公開了一種渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)10，其被配置成在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)16的停機(jī)期間，限制在包圍渦輪葉片組件14的外殼12內(nèi)產(chǎn)生的熱梯度。通過減少在外殼12的中間區(qū)域空腔18內(nèi)由熱空氣浮力所造成的熱梯度，可以防止外殼12的拱形和背凹(sway-back)彎曲，從而減少燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)16的熱重啟動期間，葉片尖端摩擦以及潛在的葉片損壞的可能性。渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)10還可以顛倒局部外殼垂直溫度梯度，以便優(yōu)化總的殼體變形和渦輪機(jī)葉片尖端間隙。渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)10可在其中轉(zhuǎn)子仍然由燃燒氣體供給動力的停機(jī)過程期間或在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)16停機(jī)后轉(zhuǎn)動齒輪系統(tǒng)操作期間，或在兩個期間都操作，以允許外殼12均勻地從上到下冷卻。在其他實(shí)施例中，渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)10可在正常的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)操作期間操作。
[0024]渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)10可包括渦輪機(jī)葉片組件20，其具有從渦輪轉(zhuǎn)子26徑向向外延伸的多排22渦輪葉片24。外殼12可以在外殼12和葉片環(huán)之間形成內(nèi)部空腔28。包圍渦輪葉片組件14的外殼12具有多個檢查孔30，所述多個檢查孔在外殼12內(nèi)位于限定外殼12的上半部分33的水平軸線32的上方。外殼22可至少部分地限定至少一個中間排區(qū)域空腔18。中間排區(qū)域空腔18可以由如圖1和4所示的三排渦輪葉片34，或如圖1和5所示的四排渦輪葉片36，或兩種情況徑向向外定向。中間區(qū)域空腔18可圍繞渦輪葉片組件14周向地延伸并可被定位在外殼12內(nèi)。外殼12可以是單個暢通無阻的腔28，如圖2所示，或者可以包括多個在外殼12內(nèi)形成分區(qū)腔的分區(qū)。
[0025]如圖2-5所示，渦輪發(fā)動機(jī)停機(jī)溫度控制系統(tǒng)10可以包括一個或多個定位在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)16的外殼內(nèi)的噴嘴38。噴嘴38可延伸到空腔18內(nèi)，所述空腔18被定位在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)16內(nèi)的渦輪葉片組件14的徑向向外的任何合適位置。在至少一個實(shí)施例中，一個或多個噴嘴38可被定位在外殼12內(nèi)，并被定位成從渦輪葉片組件14的中間排區(qū)域40徑向向外。中間排區(qū)域40可從前排區(qū)域42向下游，并從下游排區(qū)域44向上游被定位。噴嘴38可被配置成以高壓和低體積排出流體，例如但不限于空氣。在一個實(shí)施例中，環(huán)境空氣供給部62可以與噴嘴38連通，以將空氣供給到噴嘴38。空氣可以比外殼12的溫度更冷。噴嘴38可以是高速度、低體積噴嘴38，其被配置成排出流體進(jìn)入外殼12內(nèi)的中間排區(qū)域空腔18中。在至少一個實(shí)施例中，噴嘴38可以是高速度，低體積噴嘴38，其被配置為在每分鐘120轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動齒輪操作中以6:1的壓力比將流體發(fā)射到外殼12內(nèi)的中間排區(qū)域空腔18中。在其他實(shí)施例中，可以使用其他的壓力比和速度。
[0026]噴嘴38可以被定位成使得從噴嘴38排出的流體撞擊在外殼12的內(nèi)表面46。在至少一個實(shí)施例中，噴嘴38可被定位成使得從噴嘴38排出的流體在外殼12的上止點(diǎn)48處撞擊外殼12的內(nèi)表面46。噴嘴38可具有小于中間排區(qū)域空腔18的寬度的流體的噴霧模式。優(yōu)選的是從噴嘴38排出的流體撞擊外殼12，而不撞擊葉片環(huán)和外殼12的其它徑向向內(nèi)部件，以阻止因?yàn)椴槐匾睦鋮s在這些部件內(nèi)發(fā)展熱梯度。噴嘴38可以被定位成在空腔18內(nèi)沿周向噴射流體，以在其中產(chǎn)生周向流動模式。
[0027]在至少一個實(shí)施例中，如圖2所示，噴嘴38可從外殼12的上止點(diǎn)48沿周向偏移。特別地，噴嘴38可從外殼12的上止點(diǎn)48沿周向偏移使得噴嘴38被定位成距外殼12的上止點(diǎn)48在45度和75度之間。在一個實(shí)施例中，噴嘴38可從外殼12的上止點(diǎn)48沿周向偏移，使得噴嘴38被定位成距外殼12的上止點(diǎn)48大約60度。噴嘴38可以被定位成使得從噴嘴38排出的流體在外殼12的