用于燃?xì)廨啓C(jī)耐久性的熱斑對(duì)準(zhǔn)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)施例涉及在燃燒器內(nèi)具有燃料噴嘴的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，燃燒器將熱氣排到高壓渦輪中。更具體地，本發(fā)明的實(shí)施例包括那些涉及燃?xì)鉄岚?hot streak)的實(shí)施例，該燃?xì)鉄岚哐刂芟蚍较蚺c每隔一個(gè)的第一級(jí)噴嘴導(dǎo)葉對(duì)準(zhǔn)，并且允許在未對(duì)準(zhǔn)的導(dǎo)葉處較少的冷卻空氣的使用。
【背景技術(shù)】
[0002]在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，空氣在壓縮機(jī)中加壓，然后在具有燃料噴嘴的燃燒器內(nèi)與燃料混合，由此產(chǎn)生向下游流動(dòng)穿過渦輪級(jí)的熱燃?xì)?。這些渦輪級(jí)從燃?xì)庵腥〕瞿芰俊Ａ鲃?dòng)時(shí)，熱氣進(jìn)入包括第一級(jí)定子噴嘴和轉(zhuǎn)子組件的高壓渦輪，轉(zhuǎn)子組件包括盤和多個(gè)渦輪葉片。更具體地，高壓渦輪首先在第一級(jí)定子噴嘴處接收來自燃燒器的熱燃?xì)猓瑖娮煲龑?dǎo)燃?xì)庀蛳掠未┻^從第一轉(zhuǎn)子盤徑向地向外延伸的一列高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片。在兩級(jí)渦輪中，第二級(jí)定子噴嘴定位在第一級(jí)葉片的下游，繼而后面有從第二轉(zhuǎn)子盤徑向地向外延伸的一列第二級(jí)渦輪葉片。定子噴嘴以一種方式使熱燃?xì)廪D(zhuǎn)向來極大化下游的相鄰渦輪葉片處的能量抽取。
[0003]第一和第二轉(zhuǎn)子盤通過對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子軸連結(jié)到壓縮機(jī)以用于在運(yùn)行期間給壓縮機(jī)供以動(dòng)力。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)可以包括許多級(jí)定子和轉(zhuǎn)子，其中通常被稱為導(dǎo)葉的靜止翼型在發(fā)動(dòng)機(jī)中沿軸向方向被間隔在通常被稱為動(dòng)葉的旋轉(zhuǎn)翼型之間。多級(jí)低壓渦輪位于兩級(jí)高壓渦輪之后，并典型地通過第二軸連結(jié)到在典型的渦扇飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)配置中設(shè)置在壓縮機(jī)上游的風(fēng)扇，以用于給飛行中的飛行器供以動(dòng)力。
[0004]在燃?xì)庀蛳掠瘟鲃?dòng)穿過渦輪級(jí)時(shí)，能量被從中提取，并且燃?xì)鈮毫ο陆?。燃?xì)獗挥糜诮o渦輪輸出軸供以動(dòng)力以用于發(fā)電和航海用或者在航空使用中提供推力。
[0005]更具體地，燃燒器包括任意數(shù)量的燃燒器燃料噴嘴，噴嘴輸送燃料并幫助混合壓縮空氣的方法以在燃燒室內(nèi)獲得穩(wěn)定的火焰。在燃?xì)怆x開的燃燒器出口處，溫度分布將指示更冷或更熱的區(qū)域。更熱的區(qū)域通常被稱為熱斑。熱斑相對(duì)于第一級(jí)高壓渦輪噴嘴典型地隨機(jī)地布置在燃燒器周圍。但是，熱斑的瞄準(zhǔn)可針對(duì)燃料噴嘴和定子靜葉的整數(shù)比發(fā)生。在這樣的布置中，熱斑可瞄準(zhǔn)在導(dǎo)葉之間的噴嘴段的開放地區(qū)處，以便限制對(duì)形成噴嘴結(jié)構(gòu)材料的損害。這樣的損害可以包括氧化、熱-機(jī)械疲勞以及耐久性的相稱的降低。耐久性的該降低導(dǎo)致增加的更換間隔，其引起對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)操作者的高成本。
[0006]—些發(fā)動(dòng)機(jī)包括例如形成為單件的圓環(huán)的定子噴嘴組件。其他發(fā)動(dòng)機(jī)包括通過沿環(huán)形陣列布置的多個(gè)定子噴嘴段形成為環(huán)帶的渦輪定子噴嘴組件。噴嘴段各自包括內(nèi)側(cè)帶、外側(cè)帶和在它們之間延伸的導(dǎo)葉。導(dǎo)葉是中空的并接收在運(yùn)行期間用于冷卻導(dǎo)葉的來自壓縮機(jī)的一部分壓縮空氣。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)的當(dāng)前狀態(tài)存在兩個(gè)問題。第一，在于允許熱斑不受阻礙地在導(dǎo)葉之間穿過，熱斑將到達(dá)第一級(jí)定子噴嘴下游的構(gòu)件，只與被提供用于渦輪冷卻的空氣有限地混合。這可導(dǎo)致下游構(gòu)件的損壞。第二，現(xiàn)有設(shè)計(jì)沒有解決冷卻空氣的問題，尤其是不斷期望減少冷卻空氣的使用或控制在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中由于冷卻空氣使用而導(dǎo)致的損失。
[0008]如可在先前的段中所見的，需要在限制對(duì)第一級(jí)噴嘴下游構(gòu)件的損害的同時(shí)改善熱斑氣體混合的設(shè)計(jì)。另外，需要提高包括第一級(jí)定子噴嘴和渦輪葉片以及用于包括多級(jí)組件的實(shí)施例的渦輪構(gòu)件的耐久性。
[0009]在過去，還有一個(gè)未被滿足的要求是在沒有受到任何熱斑直接沖擊的導(dǎo)葉處減少冷卻空氣的使用，使得這樣的冷卻空氣的一部分可被用來改善燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的最低排放或其他有益功能。本發(fā)明解決了所有這些需求和更多。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]根據(jù)本實(shí)施例的一些方面，教導(dǎo)了一種方法以將交替的第一級(jí)渦輪定子噴嘴與退出渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒器的熱斑對(duì)準(zhǔn)。
[0011]根據(jù)本實(shí)施例的一些方面，教導(dǎo)了一種結(jié)構(gòu)，其中燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)使用多個(gè)燃燒器燃料噴嘴，并且在其附近的高壓渦輪包括多個(gè)第一級(jí)定子噴嘴。燃燒器燃料噴嘴和燃燒器出口與交替的第一級(jí)定子噴嘴導(dǎo)葉的前緣對(duì)準(zhǔn)，使得在每隔一個(gè)的第一級(jí)定子導(dǎo)葉處熱斑與冷卻空氣的增高的混合被實(shí)現(xiàn)。通過在對(duì)準(zhǔn)的第一級(jí)定子噴嘴處的熱斑氣體與冷卻空氣的增高的混合，相比現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)和本實(shí)施例之前的創(chuàng)造熱斑對(duì)多級(jí)渦輪的下游葉片和噴嘴導(dǎo)葉的不利影響降低。另外，本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)允許減少給非對(duì)準(zhǔn)的第一級(jí)定子噴嘴導(dǎo)葉的冷卻空氣，使得冷卻空氣的減少可以允許增加的效率、改善的耐久度、和/或渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中其他地方改善的排放。
[0012]此外，備選的實(shí)施例提供一種通過用定子噴嘴導(dǎo)葉前緣鈍化熱斑和將熱斑與冷卻空氣混合以用于第一級(jí)定子噴嘴的增強(qiáng)的冷卻的結(jié)構(gòu)。
[0013]以上所有略述的特征被理解為只是示例性的，并且本發(fā)明的許多更多的特征和目標(biāo)可以從本文的公開中發(fā)現(xiàn)。因此，如果沒有進(jìn)一步閱讀本文所包括的整個(gè)說明書、權(quán)利要求和附圖的前提則不會(huì)理解該內(nèi)容的限制性解釋。
【附圖說明】
[0014]通過參考下面結(jié)合了附圖的對(duì)實(shí)施例的描述，這些示例性的實(shí)施例的上述和其他特征與優(yōu)點(diǎn)以及獲得它們的方式，將變得更加清楚并且噴嘴特征將被更好地理解，其中:
[0015]圖1是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的示意性的側(cè)剖視圖。
[0016]圖2是經(jīng)過第一級(jí)渦輪噴嘴的熱排氣的示意側(cè)視圖。
[0017]圖3是示例性的第一級(jí)定子噴嘴的透視圖。
[0018]圖4是朝第一級(jí)噴嘴觀察的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒器噴嘴處的軸向剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]現(xiàn)在將詳細(xì)地參考所提供實(shí)施例，其中的一個(gè)或更多個(gè)示例在圖中示出。各個(gè)示例通過解釋而不是所公開實(shí)施例的限制來提供。實(shí)際上，將對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是能在本實(shí)施例中做出各種修改和變型而不脫離本公開的范圍或精神。例如，作為一個(gè)實(shí)施例的一部分示出或描述的特征能與另一個(gè)實(shí)施例一起使用以產(chǎn)生另外的實(shí)施例。因此，意圖本發(fā)明涵蓋這些落入所附權(quán)利要求及其等同物中的修改和變型。
[0020]本實(shí)施例應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，例如航空的、發(fā)電的、工業(yè)的或航海的，其中燃燒器焚燒燃料。具體地，燃燒器燃料噴嘴排出燃料，燃料在燃燒器的前部焚燒，并且熱燃?xì)怆x開燃燒器進(jìn)入高壓渦輪。本結(jié)構(gòu)和方法將熱斑與第一級(jí)定子噴嘴導(dǎo)葉的前緣對(duì)準(zhǔn)，以便改善第一級(jí)定子處熱斑與冷卻空氣的混合，并減少在相鄰的非對(duì)準(zhǔn)的第一級(jí)噴嘴導(dǎo)葉處的冷卻空氣的使用。結(jié)果，在第一級(jí)噴嘴處和下游渦輪構(gòu)件處的氧化與熱-機(jī)械疲勞問題減少。如本文中所使用的，熱斑或多個(gè)熱斑是指熱斑的中心區(qū)域是最熱的氣體高溫。
[0021]參考圖1-4，顯示和描述了用于燃?xì)廨啓C(jī)耐久性的熱斑對(duì)準(zhǔn)的實(shí)施例的選定的特征。本實(shí)施例將熱斑與每隔一個(gè)的第一級(jí)定子噴嘴導(dǎo)葉的前緣對(duì)準(zhǔn)。另外，教導(dǎo)了一種方法以用于將熱斑與第一級(jí)渦輪定子噴嘴的前緣對(duì)準(zhǔn)，以減少在非對(duì)準(zhǔn)的噴嘴導(dǎo)葉處的冷卻空氣的使用，并繼而允許冷卻空氣在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的其他位置中使用。
[0022]首先參考圖1，顯示了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10的示意性的側(cè)剖視圖，具有空氣入口端12、壓縮機(jī)14、燃燒器16和多級(jí)渦輪18。燃?xì)廨啓C(jī)10可用于航空、發(fā)電、工業(yè)、航海等。燃?xì)廨啓C(jī)10是關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)軸線24軸線對(duì)稱的，使得構(gòu)件關(guān)于該軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。取決于用途，發(fā)動(dòng)機(jī)入口端12可備選地包含多級(jí)壓縮機(jī)而不是風(fēng)扇。在運(yùn)行中，空氣進(jìn)入穿過發(fā)動(dòng)機(jī)10的空氣入口端12，并移動(dòng)穿過至少一個(gè)壓縮級(jí)，在該處空氣壓力增加然后被引導(dǎo)到燃燒器16。壓縮空氣與燃料混合并焚燒提供處于高溫的熱燃?xì)?，其朝著多?jí)渦輪18離開燃燒器。在多級(jí)渦輪18處，能量從高溫燃?xì)庵腥〕?，?dǎo)致渦輪18葉片的旋轉(zhuǎn)，這繼而導(dǎo)致軸的旋轉(zhuǎn)，軸朝著發(fā)動(dòng)機(jī)的前部傳遞以取決于渦輪設(shè)計(jì)來繼續(xù)一個(gè)或更多個(gè)壓縮機(jī)14、渦輪風(fēng)扇或入口風(fēng)扇葉片的旋轉(zhuǎn)。
[0023]本公開涉及燃燒器16和多級(jí)渦輪18之間的分界。熱燃?xì)庖匝由祀x開燃燒器16穿過渦輪18的箭頭22表示(圖2)。熱燃?xì)馄谕鼐哂醒刂芟驒M穿流的均勻的溫度分布。但是，在實(shí)際中，熱燃?xì)?2典型地具有熱斑23 (見圖4)，其時(shí)常位于燃?xì)?2地區(qū)的中心。該熱斑23具有與熱燃?xì)?2的其他區(qū)域相比更高的溫度。熱斑23能通過金屬疲勞等方式引起至少高壓渦輪構(gòu)件的損壞。
[0024]退回參見圖2，描繪了燃燒器16和渦輪第一級(jí)20的示意側(cè)視圖。在該側(cè)視圖中，環(huán)形陣列的燃燒器或燃燒器區(qū)16中的一個(gè)顯示與中心軸線24隔開。燃燒器16包括來自燃料噴嘴26的燃料輸入，在將燃料源與壓縮空氣混合后且進(jìn)一步點(diǎn)燃后從該處發(fā)出火焰。
[0025]沿軸向方向與燃燒器16相對(duì)的是第一級(jí)渦輪20，其包括定子噴嘴40和轉(zhuǎn)子組件32。轉(zhuǎn)子組件32包括多個(gè)連接到轉(zhuǎn)子或者盤36并從轉(zhuǎn)子或者盤36徑向地延伸的葉片34，其在中心軸線軸24周圍旋轉(zhuǎn)。示例性的實(shí)施例提供定子噴嘴40，其由在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)10的中心線24周圍以環(huán)形陣列與燃燒器16相對(duì)而設(shè)置的噴嘴段40組成。各個(gè)渦輪定子噴嘴段40具有外圍帶42、內(nèi)圍帶44和至少一個(gè)在內(nèi)圍帶42和外圍帶44之間延伸的導(dǎo)葉46。在示出的示例性的實(shí)施例中，定子噴嘴由一個(gè)或更多個(gè)包括兩個(gè)導(dǎo)葉46的噴嘴段4