專利名稱：具有內部流道的渦輪排氣區段結構的制作方法
技術領域：
本文公開的主題涉及燃氣渦輪冷卻，并且更具體而言，涉及排氣區段冷卻。
背景技術：
燃氣渦輪發動機燃燒燃料和壓縮空氣的混合物，以產生熱的燃燒氣體，熱的燃燒氣體驅動渦輪葉片旋轉。渦輪葉片的旋轉使軸承所支撐的軸旋轉。軸的旋轉在軸承中產生大量的熱，并且通過渦輪排氣區段而離開的熱的燃燒氣體將熱傳遞到渦輪排氣區段構件。可惜的是，在渦輪排氣區段中沒有充分冷卻的情況下，這個熱可對渦輪構件造成損害。

發明內容
下面對在范圍方面與原本聲明的發明相當的某些實施例進行概述。這些實施例不意圖限制聲明的發明的范圍，而是相反，這些實施例僅意圖提供本發明的可能形式的簡要概述。實際上，本發明可包括可能類似于或異于下面闡述的實施例的多種形式。在第一實施例中，一種系統包括渦輪排氣區段。該渦輪排氣區段包括排氣流徑。渦輪排氣區段還包括外部結構，外部結構具有外殼、沿著排氣流徑設置的外部排氣壁，以及設置在外部排氣壁和外殼之間的外部腔體。渦輪排氣區段進一步包括內部結構，內部結構具有沿著排氣流徑設置的內部排氣壁、設置在內部排氣壁和內殼之間的內部腔體，以及設置在內殼和軸承殼體之間的軸承腔體。另外，渦輪排氣區段包括在外部結構和內部結構之間延伸的支柱。支柱包括構造成使流體從內部腔體流到外部腔體的第一流道。在第二實施例中，一種系統包括渦輪排氣區段。該渦輪排氣區段包括排氣流徑。渦輪排氣區段還包括外部結構，外部結構具有外殼、沿著排氣流徑設置的外部排氣壁，以及設置在外部排氣壁和外殼之間的外部腔體。渦輪排氣區段進一步包括內部結構，內部結構具有沿著排氣流徑設置的內部排氣壁、設置在內部排氣壁和內殼之間的內部腔體，以及設置在內殼和軸承殼體之間的軸承腔體。另外，渦輪排氣區段包括在外部結構和內部結構之間延伸的支柱。支柱包括構造成使流體從內部腔體流到外部腔體的第一流道。渦輪排氣區段還包括設置在渦輪排氣系統的下游端處的第二流道。第二流道構造成使流體流到內部腔體中。在第三實施例中，一種系統包括渦輪排氣區段。該渦輪排氣區段包括排氣流徑。渦輪排氣區段還包括外部結構，外部結構具有外殼、沿著排氣流徑設置的外部排氣壁，以及設置在外部排氣壁和外殼之間的外部腔體。渦輪排氣區段進一步包括內部結構，內部結構具有沿著排氣流徑設置的內部排氣壁、設置在內部排氣壁和內殼之間的內部腔體，以及設置在內殼和軸承殼體之間的軸承腔體。另外，渦輪排氣區段包括在外部結構和內部結構之間延伸的支柱。支柱包括構造成使流體流到內部腔體中的第一流道，以及構造成使流體從內部腔體流到外部腔體的第二流道。


當參照附圖來閱讀以下詳細描述時，本發明的這些和其它特征、方面與優點將變得更好理解，在附圖中，相同符號在所有圖中表示相同部件，其中
圖1是具有可采用排氣區段冷卻的燃氣渦輪發動機的渦輪系統的實施例的示意性流程 圖2是圖1的燃氣渦輪發動機的實施例的通過縱向軸線截取的橫截面側視圖，其示出了排氣冷卻系統的實施例；
圖3是圖2的燃氣渦輪發動機的實施例的在線3-3內得到的橫截面側視圖，其示出了由圖2的排氣冷卻系統進行的排氣區段冷卻；
圖4是圖3的支柱的實施例的沿著線4-4得到的橫截面 圖5是圖3的支柱的實施例的沿著線4-4得到的橫截面 圖6是圖3的支柱的實施例的沿著線4-4得到的橫截面 圖7是圖3中的支柱和外部排氣壁的沿著線7-7得到的截面 圖8是可插入到圖7中的外部排氣壁的一個或多個孔口中的可移除式插件的實施例的沿著線8-8得到的橫截面 圖9是圖1的燃氣渦輪發動機的實施例的通過縱向軸線截取的橫截面側視圖，其示出了排氣區段冷卻系統的實施例；
圖10是圖9的燃氣渦輪發動機的實施例的在線10-10內得到的橫截面側視圖，其示出了由圖9的排氣區段冷卻系統進行的排氣區段冷卻；
圖11是圖10的支柱的實施例的沿著線11-11得到的橫截面圖；以及 圖12是圖10的支柱的實施例的沿著線11-11得到的橫截面圖。
具體實施例方式下面將對本發明的一個或多個特定的實施例進行描述。為了致力于提供對這些實施例的簡明描述，在說明書中可能不會對實際實現的所有特征進行描述。應當意識到的是，在任何這種實際實現的開發中，如在任何工程或設計項目中那樣，必須作出許多特定于實現的決策來達到開發者的具體目的，諸如服從系統相關的約束及商業相關的約束，該具體目的可隨不同的實現而改變。此外，應當意識到的是，這種開發工作可能是復雜和耗時的，但對受益于本公開的普通技術人員來說，這種開發工作將不過是設計、生產和制造的例行任務。當介紹本發明的多種實施例的要素時，冠詞“一”、“一種”、“該”和“所述”意圖表示存在一個或多個該要素的意思。術語“包括”、“包含”和“具有”意圖為包括性的，并且表示除了列出的要素之外可存在另外的要素的意思。如下面更加詳細地描述的那樣，公開的實施例使得能夠冷卻和吹掃燃氣渦輪發動機的排氣區段中的多種構件(例如軸承、支柱、外部排氣口、內部結構等等)。例如，某些實施例包括能夠將冷卻流體(例如空氣)從燃氣渦輪發動機的內部結構引導到燃氣渦輪發動機的外部結構的支柱。在某些實施例中，冷卻流體可在燃氣渦輪發動機的下游位置(例如，通過人行道)處或下游位置附近接收到燃氣渦輪發動機的內部結構中。通過內部結構而引導到外部結構的冷卻流體冷卻燃氣渦輪發動機的軸承和其它排氣區段構件。其它實施例可包括能夠有雙向流的支柱，雙向流使得冷卻流體能夠通過支柱的第一流道吹到內部結構中，并且通過支柱的第二流道從內部結構回到外部結構。因而，冷卻流體可將熱傳遞遠離(例如冷卻)軸承、內部排氣壁、內部結構的后部部分等等，同時調節外部結構(例如外部排氣壁)的溫度。在某些實施例中，冷卻流體可排到排氣流徑中。另外，在某些實施例中，多種插件可選擇性地安裝在內部結構或外部結構中的開口中，以控制排出量。例如，一些插件可完全阻擋冷卻流體流，而其它則減少進入到排氣流徑中的冷卻流體流的量。另外，在某些實施例中，可使用多個調整區域來調節從內部結構進入到支柱中和/或進入到內部結構的腔體之間的冷卻流體流。圖1是具有可采用排氣區段冷卻的燃氣渦輪發動機12的渦輪系統10的實施例的示意性流程圖。例如，系統10可包括具有通過排氣區段支柱的一個或多個冷卻流徑的排氣區段冷卻系統11。在某些實施例中，渦輪系統10可包括航空器、機車、功率發生系統或它們的組合。示出的燃氣渦輪發動機12包括空氣進氣區段16、壓縮機18、燃燒器區段20、渦輪22和排氣區段24。渦輪22通過軸26而聯接到壓縮機18上。如箭頭所指示的那樣，空氣可通過進氣區段16進入燃氣渦輪發動機12，并且流到壓縮機18中，在空氣進入到燃燒器區段20中之前，壓縮機18壓縮空氣。示出的燃燒器區段20包括在壓縮機18和渦輪22之間以同心或環形的方式圍繞軸26而設置的燃燒器殼體28。來自壓縮機18的壓縮空氣進入燃燒器30，其中，壓縮空氣在燃燒器30內可與燃料混合和燃燒，以驅動渦輪22。從燃燒器區段20，熱的燃燒氣體流過渦輪22，從而通過軸26來驅動壓縮機18。例如，燃燒氣體可對渦輪22內的渦輪轉子葉片施加原動力，以旋轉軸26。在流過渦輪22之后，熱的燃燒氣體可通過排氣區段24離開燃氣渦輪發動機12。如下面描述的那樣，排氣區段24可包括多個支柱，它們各自具有排氣區段冷卻系統11的一個或多個冷卻流徑。圖2是圖1的燃氣渦輪發動機12的實施例的通過縱向軸線截取的橫截面側視圖，其示出了排氣區段冷卻系統11的實施例。如上面關于圖1所描述的那樣，空氣可通過空氣進氣區段16進入燃氣渦輪發動機12，并且可被壓縮機18壓縮。來自壓縮機18壓縮空氣然后可被引導到燃燒器區段20中，在其中，壓縮空氣可與燃料混合。燃燒器區段20包括一個或多個燃燒器30。在某些實施例中，燃氣渦輪發動機12可包括以環形布置設置的多個燃燒器30。另外，各個燃燒器30可包括以環形或其它布置附連到各個燃燒器30的首端上或首端附近的多個燃料噴嘴32。在運行中，燃料噴嘴32可按適于有最佳燃燒、排放、燃料消耗和功率輸出的比來將燃料-空氣混合物噴射到燃燒器30中。在燃燒器區段20內，燃料-空氣混合物可燃燒而產生熱的加壓燃燒氣體。在燃燒之后，熱的加壓燃燒氣體可離開燃燒器區段20，并且通過過渡件34流到渦輪22。在渦輪22內，加壓燃燒氣體可轉動在渦輪22內沿徑向延伸的葉片36，以在通過排氣區段24作為排氣離開之前旋轉軸26。排氣區段24可包括內部結構38、至少一個支柱40和外部結構42。支柱40在外部結構42和內部結構38之間提供支撐。在熱的燃燒氣體離開渦輪22，并且軸26旋轉時，排氣區段24中的構件可經歷高溫狀況。更具體而言，高溫狀況可對支柱40、內部結構38和外部結構42引起熱應力、磨損和/或損害。因此，在示出的實施例中，排氣區段冷卻系統11包括聯接到控制器46上的吹送器44，控制器46控制通過內部結構38、支柱40和外部結構42的冷卻空氣流，以減小這些構件和設置在其中的部件的熱應力和磨損。在圖2中示出的實施例中，支柱40限定外部本體48和內部本體50。內部本體50限定第一流道52 (例如內部流道)，并且外部本體48限定排氣區段冷卻系統11的第二流道53(例如外部流道)。如下面更加詳細地描述的那樣，在圖2中示出的實施例中，第一流道52和第二流道53彼此分開，以使得冷卻流體(例如空氣)能夠雙向地流過支柱40。雖然示出的支柱40包括僅兩個單獨流道52和53，但是支柱40可包括任何數量的單獨流道，以將冷卻流體(例如空氣)輸送到內部結構38、外部結構42和支柱40中的多種特征，以及從多種特征中輸送出冷卻流體。如示出的那樣，吹送器44 (在控制器46的控制下)將冷卻空氣58吹送通過外部結構42，通過支柱40 (即，通過內部本體50的第一流道52)，以及進入到內部結構38中。冷卻空氣源58可為燃氣渦輪發動機12的壓縮機18或一些其它外部空氣源。冷卻空氣58在內部結構38中循環，并且然后通過支柱40的外部本體48離開。在通過支柱40流到內部結構38以及從內部結構38中流出之后，冷卻空氣58流到外部結構42中，以排到排氣流徑56中。如下面更加詳細地描述的那樣，排氣區段冷卻系統11使得單個吹送器44能夠冷卻支柱40，而同時從內部結構38的軸承腔體中吹掃出熱。另外，在某些實施例中，支柱40的內部本體50是構造成支承排氣區段24的內部結構38和外部結構42之間的相當大的機械負荷的負荷支承式結構支撐件，而支柱40的外部本體48則不是負荷支承式結構支撐件。例如,可包括外部本體48，以通過阻擋熱到達內部本體50來保護內部本體50。具體而言，外部本體48可設計成使冷卻空氣在外部沿著內部本體50流動，以在內部本體50和排氣區段24中的熱的燃燒氣體之間提供隔熱。與內部本體50相比，外部本體48還可針對熱的燃燒氣體具有更大的耐熱性。例如，內部本體50可比外部本體48具有更低的溫度極限。在一些實施例中，內部本體50可具有低于熱的燃燒氣體的溫度的溫度極限，而外部本體48則可具有基本高于熱的燃燒氣體的溫度的溫度極限。因而,外部本體48在熱方面保護內部本體50，使得內部本體50能夠有效地支承排氣區段24的內部結構38和外部結構42之間的機械負荷。圖3是圖2的燃氣渦輪發動機12的實施例的在線3-3內得到的橫截面側視圖，其示出了由圖2的排氣區段冷卻系統11進行的排氣區段冷卻。支柱40的設計使得單個吹送器44能夠冷卻支柱40、外部結構42和內部結構38。如圖3中示出的那樣，內部結構38限定內部排氣壁80、軸承腔體82、容納在軸承殼體85中的軸承組件84、潤滑劑(例如油)通道86、第一導流件(例如套管)88、第二導流件(例如盤)90、軸承支撐壁92(例如，在本文中也稱為內殼)和后部軸轉子腔體94。如示出的那樣，內部結構38包括設置在內部排氣壁80和內殼92之間的內部腔體91，以及設置在內殼92和軸承殼體85之間的軸承腔體82。如上面描述的那樣，吹送器44送吹冷卻空氣58通過支柱40的內部本體50。冷卻空氣58以對流的方式冷卻內部本體50中的第一流道52，從而降低在支柱40中的與熱應力相關聯的損害。在傳送通過支柱40之后，冷卻空氣58進入內部結構38。更具體而言，冷卻空氣58傳送通過軸承支撐壁92，并且進入到軸承腔體82中，在其中，冷卻空氣58冷卻軸承組件84。在軸26的旋轉期間，軸承組件84在其軸承的自旋時會產生大量的熱。因此，冷卻空氣流以對流的方式冷卻軸承組件84，以減小熱引起的早期磨損或損害。在接觸軸承組件84之后，冷卻空氣58以相反的軸向方向分成兩個空氣流100和102，如箭頭96和98所指示的那樣。沿下游軸向方向96行進的空氣流100接觸第二導流件(例如盤)90，第二導流件沿徑向將空氣流100引導向第一導流件(例如套管)88。第一導流件(例如套管)88沿著潤滑劑通道86沿軸向輸送空氣流100。如示出的那樣，導流件88和90沿著潤滑劑通道86聚集和約束(例如集中)空氣流100，從而增強潤滑劑通道86的對流冷卻。在離開第一導流件(例如套管)88之后，空氣流100在內部結構38的下游端部分81處沿著內部排氣壁80傳送，從而冷卻下游端部分81，以及進入內部結構38的排氣腔體95。再次，導流件88和90可迫使空氣流沿著內殼92傳送，從而增強內殼92的對流冷卻。在到達支柱40之后，空氣流100然后行進通過外部本體48的第二流道53，并且進入到外部結構42中。不像空氣流100，空氣流102沿相反的(即，上游)軸向方向行進，如箭頭98所示出的那樣。在沿箭頭98的上游方向行進時，空氣流102傳送通過軸承組件84，并且然后進入渦輪后部輪空間94。然后空氣流102朝內部排氣壁80行進，在其中，空氣流102的一部分通過間隙104離開而進入到排氣路徑56中。空氣流102的其余部分回到支柱40，在其中，它進入外部本體48，并且通過第二流道53行進到外部結構42。外部結構42包括外部排氣壁106和外殼108,外部排氣壁106和外殼108限定中間外部腔體110 (例如環形空間)。隨著空氣100和102離開支柱40，空氣進入外部腔體110，以在排到排氣流徑56中之前，控制外部結構42的溫度。例如，空氣100和102通過外部排氣壁106中的孔口 112排到排氣流徑56中。在一些實施例中，內部排氣壁80也可包括用于將空氣流排到排氣流徑56中的孔口 112。如示出的那樣，外部結構42包括彼此分開的冷卻空氣流58和暖空氣流100和102兩者。可調節這兩個空氣流，以控制外部結構42中的溫度。例如，可通過改變第一流道52和第二流道53的大小、內部排氣壁80和外部排氣壁106中的孔口 112的數量和大小等等來調節這兩個空氣流的比。圖4是圖3的支柱40的實施例的沿著線4-4得到的橫截面圖。如上面描述的那樣，圖4中示出的支柱40包括圍繞內部本體50而設置的外部本體48。如示出的那樣，外部本體48限定第二流道53、前緣54和后緣55，而內部本體50則包括第一流道52。在本實施例中，外部本體48具有卵形形狀(例如翼型形狀)，而內部本體50則具有長方形形狀。在其它實施例中，內部本體50和外部本體48可具有其它形狀，諸如長方形套長方形、翼型套翼型、卵形套卵形等等。不管具體的形狀如何，內部本體50和外部本體48 —個設置在另一個的內部，使得第一流道52和第二流道53—個在另一個的內部(例如同軸)而隔開。兩個流道52和53在內部結構38和外部結構42之間提供雙向空氣流。例如，第一流道52可將空氣流從外部結構42向內引導到內部結構38，而第二流道53則將空氣流從內部結構38弓I導到外部結構42，或者相反。在一些實施例中，各個流道52和53可構造成將空氣輸送到內部結構38的特定的區。在任一實施例中，支柱40中的第一流道52和第二流道53使得單個吹送器44能夠冷卻支柱40、內部結構38和外部結構42。在內部結構38中，空氣流可被引導到多種區，以在排到排氣中之前，增強對流冷卻。圖5是圖3的支柱40的實施例的沿著線4-4得到的橫截面圖。圖5中示出的支柱40包括圍繞內部本體142 (例如同軸)而設置的外部本體140。外部本體140限定流道143、前緣144和后緣145。外部本體140可形成任何數量的形狀，諸如卵形、翼型、淚珠、長方形、正方形、圓形或大體細長形。外部本體140圍繞內部本體142而設置，內部本體142在大小上設置成小于外部本體140，以限定流道143。如示出的那樣，流道143被壁150分開而形成流道146和148。在其它實施例中，流道143可進一步被壁150分開而限定任何數量的流道(例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10個或更多個流道)。類似于外部本體140，內部本體142可形成任何數量的形狀，諸如卵形、翼型、淚珠、長方形、正方形、圓形或大體細長形。雖然示出的內部本體142包括單個流道152,但是內部本體142可包括任何數量的流道(例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10個或更多個流道)。如上面描述的那樣，流道146、148和152使得單個吹送器44能夠吹送冷卻空氣58，冷卻空氣58冷卻支柱40、外部結構42和內部結構38，同時吹掃軸承腔體82的暖空氣。另外，多個流道可使得專門的冷卻劑流(例如空氣流)能夠到達以及/或者離開排氣區段24的內部結構38的特定的區。例如，專門的空氣流可輸送到軸承組件84、內部結構38的下游端部分81、內部結構38的排氣腔體95、渦輪后部輪空間94等等，或者從它們中輸送出來。圖6是圖3的支柱40的實施例的沿著線4-4得到的橫截面圖。圖6中示出的支柱40包括圍繞內部本體172而設置的外部本體170。外部本體170限定流道173、前緣174和后緣175。外部本體170可形成任何數量的形狀，包括卵形、翼型、淚珠、長方形、正方形、圓形或大體細長形，并且外部本體170包括流道173。外部本體170圍繞內部本體172而設置。如示出的那樣，內部本體172限定被壁180隔開的兩個流道176和178。在其它實施例中，較多壁180可在內部本體172中形成額外的流道(例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10個或更多個流道)。類似于外部本體170，內部本體172可形成任何數量的形狀，諸如卵形、翼型、淚珠、長方形、正方形、圓形或大體細長形。如上面描述的那樣，流道174、176和178使得單個吹送器44能夠吹送冷卻空氣58，冷卻空氣58冷卻支柱40和內部結構38，同時吹掃軸承腔體82的暖空氣。另外，多個流道可使得專門的冷卻劑流(例如空氣流)能夠到達以及/或者離開排氣區段24的內部結構38的特定的區。例如，專門的空氣流可輸送到軸承組件84、內部結構38的下游端部分81、內部結構38的排氣腔體95、渦輪后部輪空間94等等，或者從它們中輸送出來。圖7是支柱40和外部排氣壁106的沿著圖3的線7_7得到的截面圖，其示出了排出孔口 112。如上面闡明的那樣，冷卻空氣58吹掃軸承腔體82，在其中，冷卻空氣通過支柱40中的第二流道53流到具有外部排氣壁106的外部結構42。在外部結構42中，空氣流傳送通過外部腔體110，并且然后通過外部排氣壁106經由孔口 112排到排氣流徑56中。如圖7中示出的那樣，孔口 112在形狀上可為圓形，并且布置成排。在其它實施例中，孔口 112可形成不同的形狀(例如正方形、三角形、長方形、卵形、細長形、多邊形或交叉形)，并且可布置成其它型式(例如交錯形、圓形、長方形或任意的)。另外，孔口 112的大小可取決于它們的位置而改變。例如，孔口 112可隨著距支柱40的距離而在直徑上逐步改變(例如增大或減小)。在一些實施例中，孔口 112可布置成彼此間隔開的組(例如I至100個孔口 112)。另外，孔口 112可布置成相對于燃氣渦輪發動機12的旋轉軸線而介于大約O度至180度之間。例如，孔口 112可相對于軸線以15度、30度、45度、60度、75度、90度、105度、120度、135度、150度或165度成角度。圖8是可插入到圖7的一個或多個孔口 112中的可移除式插件202、204和206的實施例的沿著線8-8得到的橫截面圖。如圖8中示出的那樣，各個孔口 112可選擇性地接收多種插件，諸如插件202、204和206。插件202、204和206可協助控制通過外部排氣壁106的孔口 112而進入圖3的排氣流徑56的空氣的量。例如，各個插件202、204和206可對孔口 112提供不同的限制量。因而，多種不同的插件202、204和206可聯接到孔口 112上，以控制通過外部排氣壁106的流分配,從而控制外部排氣壁106中的溫度分布。如示出的那樣，插件202包括本體部分208、凸緣部分210和孔口 212。本體部分208配合在孔口 112內，而凸緣部分210則支托在外部排氣壁106的內部表面214或外部表面216上。本體部分208可通過干涉配合、螺紋、焊縫、螺栓或另一個緊固件而連接到外部排氣壁106上。如示出的那樣，孔口 212限定小于孔口 112的直徑220的直徑218。因此，在插入之后，插件202將減小孔口 112的大小，這然后會限制進入到排氣流徑56中的空氣流。類似于插件202，插件204包括本體部分222和凸緣部分224。本體部分222配合在孔口 220內，而凸緣部分224則接觸外部排氣壁106的內部表面214或外部表面216。如示出的那樣，插件204不包括孔口，并且因此填充整個孔口 112，從而阻止冷卻空氣排到排氣流徑56中。插件206同樣包括本體部分226、凸緣部分228和孔口 230。本體部分226配合在孔口 112內，而凸緣228則支托在外部排氣壁106的內部表面214或外部表面216上。如示出的那樣，孔口 230限定小于孔口 112的直徑220但大于插件202的直徑218的直徑232。因此，在插入之后，插件206將減小孔口 112的大小，這然后與插件202相比會對進入到排氣流徑56中的空氣流限制更少的量。雖然示出的實施例包括僅三個插件202、204和206，但是在燃氣渦輪發動機12中可采用具有不同的限制孔口的任何數量的插件。這些插件202、204和206控制通過外部排氣壁106且進入到排氣流徑56中的空氣流的量和分配。例如，插件202、204和206可用于不同的孔口 112中，以按較均勻的方式控制外部結構42的冷卻。因此，選擇性地使用這些插件202、204和206可減小外部結構42中的溫度梯度和熱應力。上面關于圖2至8所描述的實施例包括能夠使空氣流雙向地流動的支柱(例如圖2中示出的支柱40)，這使得單個冷卻空氣吹送器44能夠冷卻軸承組件84，以及燃氣渦輪發動機12的其它排氣區段構件。具體而言，在圖2和3中示出的實施例中，雙向支柱40包括在內部本體50內的第一流道52，以及在外部本體48和內部本體50之間的第二流道53。如上面描述的那樣，冷卻空氣58可通過第一流道52而吹送到內部結構38中，并且然后通過第二流道53回到外部結構42中，并且然后排到排氣流徑56中。但是，在其它實施例中，支柱可包括僅一個流道，或僅一個流向(例如具有一個或多個流道)，同時仍然能夠通過支柱而從內部結構38中輸送出冷卻空氣。例如，圖9是圖1的燃氣渦輪發動機12的實施例的通過縱向軸線截取的橫截面側視圖，其示出了排氣區段冷卻系統11的實施例。在圖9中示出的實施例中，排氣區段24包括在外部結構42和內部結構38之間提供支撐的至少一個支柱290。類似于圖2和3中示出的支柱40，圖9中示出的支柱290限定外部本體292和內部本體294。但是，與圖2和3中示出的支柱40的空心內部本體50相反，圖9中示出的支柱290的內部本體294是實心本體，沒有通過其中而限定內部流道。因而，在外部本體292和實心內部本體294之間的區域限定通過圖9中示出的排氣區段冷卻系統11的支柱290的唯一流道296。如圖9中示出的那樣，吹送器298 (例如類似于圖2和3中示出的吹送器44)可由控制器300 (例如類似于圖2和3中的控制器46)控制，以首先將冷卻空氣302 (例如類似于圖2和3中的冷卻空氣58)吹送通過內部結構38，并且然后通過外部結構42。例如，如圖9中示出的那樣，在某些實施例中，吹送器298可構造成將冷卻空氣302吹送通過排氣區段24的人行道304的內部容積(例如在后部擴散區中)。冷卻空氣源302可為燃氣渦輪發動機12的壓縮機18或一些其它外部空氣源。不管冷卻空氣302引入到內部結構38中的確切位置如何，在排氣區段24的下游位置處或下游位置附近引入冷卻空氣302。換句話說，除了排氣區段24的其它構件之外，一些冷卻空氣302在支柱290和軸承組件84的下游引入到內部結構38中。吹送到內部結構38中的冷卻空氣302的一部分循環通過內部結構38 (例如穿過軸承組件84)，并且然后通過支柱290的流道296離開，并且進入到外部結構42中，以排到排氣路徑56中。如同圖2和3中示出的實施例一樣，圖9中示出的排氣冷卻系統11使得單個吹送器298能夠冷卻支柱290，同時吹掃軸承腔體82，以及從內部結構(例如從軸承組件84)中移除熱。圖9中示出的支柱290的實心內部本體294可比圖2和3中示出的支柱40的空心內部本體50提供略微更多負荷支承式結構支撐，而支柱290的外部本體292則不是負荷支承式結構支撐件。在某些實施例中，內部本體294可具有低于熱的燃燒氣體的溫度的溫度極限，而外部本體292則可具有基本高于熱的燃燒氣體的溫度的溫度極限。因而，外部本體292在熱方面保護內部本體294，使得內部本體294能夠有效地支承排氣區段24的內部結構38和外部結構42之間的機械負荷。另外，如下面更加詳細地描述的那樣，在某些實施例中，排氣區段冷卻系統11可包括用于控制通過軸承區(例如軸承腔體82)、內部腔體91、支柱290的流道296等等的冷卻空氣流的可調區域306、308、310。圖10是圖9的燃氣渦輪發動機12的實施例的在線10-10內得到的橫截面側視圖，其示出了由圖9的排氣區段冷卻系統11進行的排氣區段冷卻。如上面描述的那樣，吹送器298將冷卻空氣302吹送通過人行道304，或在支柱290和軸承組件84的下游連接到內部結構38上的另一個構件。如箭頭312所示出的那樣，一些冷卻空氣302然后沿上游軸向方向98在第一導流件(例如套管)88和潤滑劑通道86之間流動，潤滑劑通道86連接到軸承組件84上，以將潤滑油輸送給軸承組件84。然后，如箭頭314和316所示出的那樣，一些冷卻空氣流到軸承腔體82中且流過軸承腔體82，在其中，冷卻空氣冷卻軸承組件84。如上面描述的那樣，在軸26的旋轉期間，軸承組件84在其軸承自旋時會產生大量的熱。因此，冷卻空氣流以對流的方式冷卻軸承組件84，以減小熱引起的早期磨損或損害。在接觸軸承組件84之后，一些冷卻空氣進入渦輪后部輪空間94，如箭頭318所示出的那樣。這個冷卻空氣然后朝內部排氣壁80行進，在其中，冷卻空氣的一部分通過間隙104離開而進入到排氣路徑56中。未通過間隙104而離開的冷卻空氣沿軸向下游方向96朝支柱290的流道296流回來，如箭頭320所示出的那樣。在到達支柱290之后，一些冷卻空氣然后在外部本體292和實心內部本體294之間行進通過流道296，并且進入到外部結構42中，如箭頭322所示出的那樣。如上面描述的那樣，隨著冷卻空氣離開支柱290，冷卻空氣進入外部腔體110，以在排到排氣流徑56中之前，控制外部結構42的溫度。例如，一些冷卻空氣通過外部排氣壁106中的孔口 112而排到排氣流徑56中。在一些實施例中，內部排氣壁80也可包括用于將空氣流排到排氣流徑56中的孔口 112。如上面描述的那樣，圖10中示出的排氣區段冷卻系統11也包括三個可調區域306、308、310，以控制在內部結構38內且通過支柱290的流道296的冷卻空氣流。更具體而言，可調區域306、308、310用來控制通往內部結構38的不同的區的冷卻空氣流的分配(例如劃分的百分數)。雖然示出為包括三個可調區域306、308、310，但是在其它實施例中，可使用任何數量的可調區域(諸如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10個或更多個)來將冷卻空氣流分割成合乎需要的任何百分數的冷卻空氣。此外，各個可調區域之間劃分的百分數可有所改變，并且可由例如操縱可調區域的控制器(例如控制器300)獨立地和主動地控制。另外，可調區域306、308、310也可被動地控制冷卻空氣流，因為可調區域306、308、310可包括在大小和形狀上不同地設置的孔，在排氣區段冷卻系統11的設計期間可對其進行選擇。如示出的那樣，第一可調區域306和第二可調區域308可用來調整允許多少冷卻空氣從軸承腔體82流過內部腔體91且進入到支柱290的流道296中。更具體而言，第一可調區域306可構造成使得來自軸承腔體82內的某個量的冷卻空氣能夠流過內部腔體91，以及在支柱290的上游的位置通過軸承支撐壁92而進入到流道296中。類似地，第二可調區域308可構造成使得來自軸承腔體82內的某個量的冷卻空氣能夠流過內部腔體91，以及在支柱290的下游的位置處通過軸承支撐壁92而進入到流道296中。另外，第三可調區域310可構造成使得某個量的冷卻空氣能夠沿下游軸向方向96通過第二導流件(例如盤)90從軸承腔體82內逃逸，以及進入到排氣腔體95中。在某些實施例中，可主動地控制獲許排到排氣腔體95中的冷卻空氣的量。換句話說，控制器(例如控制器300)可主動地控制第三可調區域310，以調節在燃氣渦輪發動機12的運行期間從軸承腔體82流到排氣腔體95中的冷卻空氣的量。在某些實施例中，排到排氣腔體95中的冷卻空氣諸如可通過內人行道304內的出口流道(例如，其與接收冷卻空氣302所通過的入口流道分開)在下游位置處被引導出排氣腔體95。另外，雖然示出了與支柱290隔開或分開，但是在某些實施例中，可使得排氣腔體95中的冷卻空氣能夠流到支柱290中，因為或者可移除排氣腔體95和支柱290之間的示出的壁311，或者壁311可具有通過其中的開口(或者，實際上，單獨的可調區域)。可使用類似于上面關于圖8所描述的插件(例如插件202、204和206)的插件來調整所有的可調區域306、308和310。換句話說，在某些實施例中，可調區域306、308和310可包括類似于上面關于圖7和8所描述的孔口 112的孔口。如上面描述的那樣，通過控制通過可調區域306、308和310的冷卻空氣的分配，可控制在內部結構38內和在內部結構38中以及在支柱290的流道296中的溫度分布。更具體而言，例如，使用第一可調區域306和第二可調區域308來劃分冷卻空氣流有利于調整在支柱290的上游和下游分配的冷卻空氣的量。因而，可如需要的那樣將更多或更少的冷卻空氣引導向支柱290的前緣或后緣。如上面描述的那樣，在某些實施例中，可主動地控制通過第一可調區域306和第二可調區域308的冷卻空氣的分配。換句話說，控制器(例如控制器300)可主動地控制第一可調區域306和第二可調區域308，以在燃氣渦輪發動機12的運行期間調節從軸承腔體82流過內部腔體91且流到流道296中的冷卻空氣的分配。圖11是圖10的支柱290的實施例的沿著線11_11得到的橫截面圖。如上面描述的那樣，圖11中示出的支柱290包括圍繞實心內部本體294而設置的外部本體292。如示出的那樣，流道296由外部本體292和實心內部本體294之間的區域限定。另外，外部本體292限定前緣324和后緣326。在本實施例中，外部本體292具有卵形形狀(例如翼型形狀)，而內部本體294則具有長方形形狀。在其它實施例中，內部本體294和外部本體292可具有其它形狀，諸如長方形套長方形、翼型套翼型、卵形套卵形等等。實際上，內部本體294和外部本體292兩者可形成任何數量的形狀，諸如卵形、翼型、淚珠、長方形、正方形、圓形或大體細長形。不管具體的形狀如何，內部本體294和外部本體292 —個設置在另一個的內部，使得流道296是內部本體294和外部本體292之間的容積。圖12是圖10的支柱290的實施例的沿著線11_11得到的橫截面圖。如圖12中示出的那樣，流道296被壁328分開，以形成流道330和332。在其它實施例中，流道296可進一步被壁328分開，以限定任何數量的流道(例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10個或更多個流道)。在圖12中示出的實施例中，第一流道330可至少部分地包括流過第一可調區域306的冷卻空氣，而第二流道332可至少部分地包括流過第二可調區域308的冷卻空氣。因而，因為可如上面描述的那樣主動地和/或被動地控制這些流，所以在支柱290的熱點處可提供較多冷卻(例如，沿著支柱290的前緣有較高的冷卻空氣流率)。如上面描述的那樣，圖2、3、9和10中示出的控制器46、300可構造成主動地控制吹送器44和298、可調區域306、308和310以及排氣區段冷卻系統11的其它構件的運行。控制器46、300可各自包括處理器，處理器可對其上編碼有計算機指令的存儲器進行讀寫，諸如非暫時性計算機可讀介質(例如硬盤驅動器、閃存驅動器、隨機存取存儲器(RAM)、壓密盤(CD)等等)，計算機指令配置成執行本文描述的主動控制操作。更具體而言，控制器46、300可構造成接收與排氣區段冷卻系統11的運行參數有關的信號(例如，與支柱40、290、流道52、53、296、軸承組件84、軸承腔體82、內部腔體91、排氣腔體95等等中及它們周圍的溫度有關的信號)，以及產生控制信號且將控制信號傳輸給吹送器44和298、可調區域306,308和310以及排氣區段冷卻系統11的其它構件。本發明的技術效果包括用單個吹送器冷卻渦輪排氣區段的多個構件的能力。具體而言，公開的實施例使得能夠用單個吹送器冷卻支柱、軸承和渦輪排氣區段的內部結構的其它部分。例如，支柱可構造有一個或多個通道，以將空氣流引導到內部結構中以及從內部結構中引導出空氣流，以同時冷卻支柱、軸承等等。在一個實施例中，各個支柱包括至少兩個通道，以沿相反的方向將空氣流引導到內部結構中以及從內部結構中引導出空氣流。在另一個實施例中，一個支柱可包括至少一個通道，以從內部結構中引導出空氣。在這個實施例中，可在支柱的下游位置處或下游位置附近接收空氣。本書面描述使用示例來公開本發明，包括最佳模式，并且還使本領域任何技術人員能夠實踐本發明，包括制造和使用任何裝置或系統，以及實行任何結合的方法。本發明的可取得專利的范圍由權利要求限定，并且可包括本領域技術人員想到的其它示例。如果這樣的其它示例具有不異于權利要求的字面語言的結構要素，或者如果它們包括與權利要求的字面語言無實質性差異的等效結構要素，則它們意于處在權利要求的范圍之內。
權利要求
1.一種系統，包括 渦輪排氣區段，其包括 排氣流徑； 外部結構，其包括外殼、沿著所述排氣流徑設置的外部排氣壁，以及設置在所述外部排氣壁和所述外殼之間的外部腔體； 內部結構，其包括沿著所述排氣流徑設置的內部排氣壁、設置在所述內部排氣壁和內殼之間的內部腔體，以及設置在所述內殼和軸承殼體之間的軸承腔體；以及 在所述外部結構和所述內部結構之間延伸的支柱，其中，所述支柱包括構造成使流體從所述內部腔體流到所述外部腔體的第一流道。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述支柱包括內部本體和外部本體，其中，所述第一流道設置在所述內部本體和所述外部本體之間。
3.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述內部本體包括負荷支承式結構支撐件，并且所述外部本體不支承負荷。
4.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述內部本體包括實心本體。
5.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述支柱包括設置在所述內部本體和所述外部本體之間的第二流道，所述第一通道構造成使流體從所述內部腔體的第一部分流到所述外部腔體，并且所述第二流道構造成使流體從所述內部腔體的第二部分流到所述外部腔體。
6.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述系統包括設置在所述渦輪排氣區段的下游端部分處的第二流道，其中，所述第二流道構造成使流體流到所述內部腔體中。
7.根據權利要求6所述的系統，其特征在于，所述第二流道設置在所述渦輪排氣區段的人行道內。
8.根據權利要求6所述的系統，其特征在于，所述內部腔體包括通過所述內殼的至少一個開口，其中，所述至少一個開口構造成使流體從所述軸承腔體流到所述第一流道中。
9.根據權利要求8所述的系統，其特征在于，所述系統包括相對于所述第一流道在上游位置處的開口。
10.根據權利要求8所述的系統，其特征在于，所述系統包括相對于所述第一流道在下游位置處的開口。
11.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述外部排氣壁包括構造成使流體從所述外部腔體流到所述排氣流徑中的多個開口，并且所述多個開口中的各個開口包括可移除式插件。
12.—種系統,包括 渦輪排氣區段，其包括 排氣流徑； 外部結構，其包括外殼、沿著所述排氣流徑設置的外部排氣壁，以及設置在所述外部排氣壁和所述外殼之間的外部腔體； 內部結構，其包括沿著所述排氣流徑設置的內部排氣壁、設置在所述內部排氣壁和內殼之間的內部腔體，以及設置在所述內殼和軸承殼體之間的軸承腔體； 在所述外部結構和所述內部結構之間延伸的支柱，其中，所述支柱包括構造成使流體從所述內部腔體流到所述外部腔體的第一流道；以及 設置在所述渦輪排氣系統的下游端部分處的第二流道，其中，所述第二流道構造成使流體流到所述內部腔體中。
13.根據權利要求12所述的系統，其特征在于，所述軸承腔體包括在導流件壁中的至少一個開口，其中，所述至少一個開口構造成使流體從所述軸承腔體流到排氣腔體中。
14.根據權利要求12所述的系統，其特征在于，所述第二流道設置在所述渦輪排氣區段的人行道內。
15.根據權利要求12所述的系統，其特征在于，所述支柱包括內部本體和外部本體，其中，所述第一流道設置在所述內部本體和所述外部本體之間。
16.根據權利要求15所述的系統，其特征在于，所述內部本體包括實心本體。
17.根據權利要求15所述的系統，其特征在于，所述內部本體包括負荷支承式結構支撐件，并且所述外部本體不支承負荷。
18.—種系統,包括 渦輪排氣區段，其包括 排氣流徑； 外部結構，其包括外殼、沿著所述排氣流徑設置的外部排氣壁，以及設置在所述外部排氣壁和所述外殼之間的外部腔體； 內部結構，其包括沿著所述排氣流徑設置的內部排氣壁、設置在所述內部排氣壁和內殼之間的內部腔體，以及設置在所述內殼和軸承殼體之間的軸承腔體；以及 在所述外部結構和所述內部結構之間延伸的支柱，其中，所述支柱包括構造成使流體流到所述內部腔體中的第一流道，以及構造成使流體從所述內部腔體流到所述外部腔體的第二流道。
19.根據權利要求18所述的系統，其特征在于，所述支柱包括內部本體和外部本體，其中，所述第一流道設置在所述內部本體內，并且所述第二流道設置在所述內部本體和所述外部本體之間。
20.根據權利要求19所述的系統，其特征在于，所述內部本體包括負荷支承式結構支撐件，并且所述外部本體不支承負荷。
全文摘要
本發明涉及具有內部流道的渦輪排氣區段結構。提供一種包括渦輪排氣區段的系統。渦輪排氣區段包括排氣流徑。渦輪排氣區段還包括外部結構，外部結構具有外殼、沿著排氣流徑設置的外部排氣壁，以及設置在外部排氣壁和外殼之間的外部腔體。渦輪排氣區段進一步包括內部結構，內部結構具有沿著排氣流徑設置的內部排氣壁、設置在內部排氣壁和內殼之間的內部腔體，以及設置在內殼和軸承殼體之間的軸承腔體。另外，渦輪排氣區段包括在外部結構和內部結構之間延伸的支柱。支柱包括構造成使流體從內部腔體流到外部腔體的第一流道。
文檔編號F01D25/12GK103032116SQ201210368930
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月27日 優先權日2011年10月3日
發明者R.Sv.卡西霍特拉, P.E.科貝, S.帕卡拉, R.I.丹斯庫, D.M.約翰森 申請人:通用電氣公司