交叉涡轮发动机空气轴承的冷却结构及热管理方法技术

本申请涉及一种燃气涡轮发动机，其限定纵向方向、从轴向中心线延伸的径向方向、和周向方向。燃气涡轮发动机包括沿纵向方向以串行流动布置的压缩机部段、燃烧部段和涡轮部段。燃气涡轮发动机包括：低速涡轮转子，其包括沿着纵向方向并且径向地在燃烧部段内延伸的毂；高速涡轮转子，其包括高压(HP)轴，该高压轴将高速涡轮转子连接到压缩机部段中的HP压缩机；以及第一涡轮轴承，其径向地设置在低速涡轮转子的毂和HP轴之间。HP轴沿着纵向方向并且在低速涡轮转子的毂内径向地延伸。高速涡轮转子限定在高速涡轮转子内延伸的涡轮冷却管道。本申请还涉及一种操作燃气涡轮发动机的方法。

【技术实现步骤摘要】
交叉涡轮发动机空气轴承的冷却结构及热管理方法
本申请主题大体上涉及燃气涡轮发动机架构。更具体地，本申请主题涉及用于燃气涡轮发动机部段的轴承布置和热管理系统。
技术介绍
燃气涡轮发动机大体上包括涡轮部段，所述涡轮部段在燃烧部段的下游，可随压缩机部段旋转以旋转和操作燃气涡轮发动机产生动力，例如推进力。一般燃气涡轮发动机设计标准常常包括必须平衡或折衷的冲突标准，包括提高燃料效率、操作效率和/或动力输出，同时维持或减少重量、零件数量和/或包装(即发动机的轴向和/或径向尺寸)。传统的燃气涡轮发动机通常包括涡轮部段，其限定与中压涡轮和/或低压涡轮以串行流动布置的高压涡轮。高压涡轮包括在燃烧部段和高压涡轮转子之间的入口或喷嘴导叶。常规地，离开燃烧部段的燃烧气体与通常被称为高压涡轮转子的涡轮的第一旋转级的速度(例如，沿着周向或切向方向)相比限定了相对较低的速度。因此，传统上，嘴引导片用于加速离开燃烧部段的燃烧气体的流动，以沿着切向或周向方向更接近地匹配或超过高压涡轮转子速度。已知使用喷嘴导叶来匹配或超过高压涡轮转子速度的这种流动加速度可改善总的发动机可操作性和性能。此后，传统的燃气涡轮发动机涡轮部段通常相应地包括连续的行或级的固定和旋转的翼型件或者叶片和轮叶。这种常规构造通常调节进入和离开每级叶片和轮叶的燃烧气体的流量。然而，传统的涡轮部段，特别是固定的翼型件(即叶片和喷嘴导叶)需要大量和大质量的冷却空气来减轻由于热燃烧气体造成的损坏。例如，通常，喷嘴导叶被设计为能够承受沿着环形空间的最大燃烧气体温度(即，热点)，这可能明显大于沿着环形空间的平均燃烧气体温度。因此，常规发动机被设计成使用来自压缩机部段的大量或大质量冷却空气或者来自燃烧部段的未燃烧空气，以减轻喷嘴导叶的结构损坏、磨损、劣化以及最终减轻维护和修理。然而，这种冷却空气通过消除可能用于燃烧来驱动涡轮、压缩机和风扇的能量而不利地影响整体发动机效率、性能、燃料消耗和/或可操作性。另外，当确定燃气涡轮发动机的维护和修理间隔时，喷嘴导叶通常是限制部件，由此限制整体发动机性能和效率。改进涡轮部段效率的已知解决方案是将涡轮部段的转子(即，旋转翼型件或轮叶的连续行或级)交叉构造。例如，已知的解决方案是利用喷嘴导叶、高压涡轮转子、另一个涡轮叶片级(即固定翼型件)以及与低压涡轮交错构造的中压涡轮，沿纵向方向从上游端到下游端以串行流动布置来构造涡轮部段。另一种已知的解决方案是利用喷嘴导叶、高压涡轮转子以及其后的各种级别的交错转子，包括低压、中压或高压涡轮转子，以串行流动布置来构造涡轮部段。然而，尽管有各种已知的解决方案，但存在需要使涡轮部段能够进一步朝向燃烧部段进行交错构造的结构。更进一步，需要布置和操作能够有效使用压缩空气进行轴承操作和发动机冷却的涡轮部段轴承的方法。
技术实现思路
本专利技术的各方面和优势将部分地在以下描述中阐述，或可从所述描述显而易见，或可通过本专利技术的实践而得知。本申请涉及一种燃气涡轮发动机，其限定纵向方向、从轴向中心线延伸的径向方向、和周向方向。燃气涡轮发动机包括沿纵向方向以串行流动布置的压缩机部段、燃烧部段和涡轮部段。燃气涡轮发动机包括：低速涡轮转子，其包括沿着纵向方向并且径向地在燃烧部段内延伸的毂；高速涡轮转子，其包括高压(HP)轴，该高压轴将高速涡轮转子联接到压缩机部段中的HP压缩机；以及第一涡轮轴承，其径向地设置在低速涡轮转子的毂和HP轴之间。HP轴沿着纵向方向并且在低速涡轮转子的毂内径向地延伸。高速涡轮转子限定在高速涡轮转子内延伸的涡轮冷却管道。第一涡轮轴承限定沿着第一涡轮轴承的外直径并且邻近低速涡轮转子的毂的外部空气轴承。第一涡轮轴承限定沿着第一涡轮轴承的内直径并且邻近HP轴的内部空气轴承。第一涡轮轴承进一步限定沿着纵向方向与高速涡轮转子的涡轮冷却管道相邻的冷却孔口。冷却孔口和涡轮冷却管道流体连通。在一个实施例中，冷却孔口限定喷嘴，该喷嘴被构造成加速空气从第一涡轮轴承到高速涡轮转子的涡轮冷却管道的流动。在另一个实施例中，冷却孔口限定多个叶片，所述叶片被构造成沿着纵向和周向方向加速空气流动，并且沿着周向方向的加速是沿着与高速涡轮转子相同的旋转方向。在各种实施例中，燃烧部段在压缩机部段下游限定压力增压室，并且其中发动机还包括第一歧管，该第一歧管从压力增压室延伸并与压力增压室到第一涡轮轴承流体连通。在一个实施例中，燃气涡轮发动机包括从所述第一涡轮轴承延伸、且与压力调节阀流体连通的第二歧管。在另一个实施例中，发动机还包括从压力增压室延伸到压力调节阀的第三歧管，其中压力增压室和压力调节阀经由第三歧管流体连通。在各种实施例中，发动机还包括从压力增压室延伸到第一涡轮轴承的第四歧管，第四歧管可独立于第一歧管操作。在一个实施例中，第四歧管、冷却孔口和涡轮冷却管道一起流体连通。在一个实施例中，第一涡轮轴承包括多个外部孔口，所述多个外部孔口至少沿着纵向方向并且沿着外部空气轴承沿周向布置。所述多个外部孔口与低速涡轮转子的毂相邻。第一涡轮轴承包括多个内部孔口，所述多个内部孔口至少沿着纵向方向并且沿着内部空气轴承沿周向布置，其中所述多个内部孔口与高速涡轮转子相邻。在另一个实施例中，第一涡轮轴承在第一涡轮轴承的外直径处限定至少部分环形的凹槽，其中凹槽径向地邻近低速涡轮转子的毂。在又一个实施例中，发动机限定HP压缩机和第一涡轮轴承之间的压缩机密封接口，其中发动机限定围绕发动机的轴向中心线至少部分地周向延伸的第一腔体。在再一个实施例中，发动机限定高速涡轮转子与第一涡轮轴承之间的涡轮密封接口，其中发动机限定围绕发动机的轴向中心线至少部分地周向延伸的第二腔体。本申请还涉及操作燃气涡轮发动机的方法，其中发动机包括第一涡轮轴承，第一涡轮轴承限定径向邻近低速涡轮转子的低速涡轮转子毂设置的外部空气轴承以及径向地邻近与高速涡轮转子联接的高压(HP)轴设置的内部轴承，其中第一歧管从燃烧部段的压力增压室流体连通到第一涡轮轴承，并且其中第二歧管从第一涡轮轴承流体连通到压力调节阀，并且其中第三歧管从燃烧部段的压力增压室流体连通到压力调节阀，并且其中第四歧管从燃烧部段的压力增压室流体连通到高速涡轮转子的涡轮冷却管道。该方法包括：使来自压力增压室的空气流动到第一涡轮轴承；使空气在外部空气轴承和低速涡轮转子毂之间流动；使空气在内部空气轴承和HP轴之间流动；使空气从第一涡轮轴承经由第二歧管流动到压力调节阀；以及使来自第一涡轮轴承的空气流过高速涡轮转子的涡轮冷却回路。在一个实施例中，该方法还包括使来自燃烧部段的压力增压室的空气经由第三歧管流动到压力调节阀。在另一个实施例中，使来自第一涡轮轴承的空气流过涡轮冷却回路包括使空气独立于第一歧管流过第四歧管。在又一个实施例中，该方法还包括调制空气从第一涡轮轴承流过高速涡轮转子的涡轮冷却回路。在再一个实施例中，该方法还包括使空气从外部空气轴承和低速涡轮转子毂之间流动到涡轮部段的核心流动路径。在各种实施例中，该方法进一步包括：提供来自外部空气轴承和低速涡轮转子毂之间的第一空气供应；提供来自内部空气轴承和HP轴之间的第二空气供应；以及使第一空气供应和第二空气供应通过第二歧管流动到压力调节阀。在一个实施例中，该方法还包括监测第二歧管和第三歧管的空气压力差。在另一个实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃气涡轮发动机，其限定纵向方向、从轴向中心线延伸的径向方向、和周向方向，所述燃气涡轮发动机包括沿着所述纵向方向以串行流动布置的压缩机部段、燃烧部段和涡轮部段，所述燃气涡轮发动机包括：低速涡轮转子，所述低速涡轮转子包括沿所述纵向方向且径向地在燃烧部段内延伸的毂；高速涡轮转子，所述高速涡轮转子包括将所述高速涡轮转子连接到所述压缩机部段中的HP压缩机的高压(HP)轴，其中所述HP轴沿着所述纵向方向延伸并且在所述低速涡轮转子的毂内径向地延伸，并且其中所述高速涡轮转子限定在所述高速涡轮转子内延伸的涡轮冷却管道；以及第一涡轮轴承，所述第一涡轮轴承径向地设置在所述低速涡轮转子的毂和所述HP轴之间，其中所述第一涡轮轴承限定沿着所述第一涡轮轴承的外直径且与所述低速涡轮转子的毂相邻的外部空气轴承，并且其中所述第一涡轮轴承限定沿着所述第一涡轮轴承的内直径且与所述HP轴相邻的内部空气轴承，并且进一步其中所述第一涡轮轴承限定沿着纵向方向与所述高速涡轮转子的涡轮冷却管道相邻的冷却孔口，并且其中所述冷却孔口和所述涡轮冷却管道流体连通。

【技术特征摘要】
2017.05.25 US 15/6052251.一种燃气涡轮发动机，其限定纵向方向、从轴向中心线延伸的径向方向、和周向方向，所述燃气涡轮发动机包括沿着所述纵向方向以串行流动布置的压缩机部段、燃烧部段和涡轮部段，所述燃气涡轮发动机包括：低速涡轮转子，所述低速涡轮转子包括沿所述纵向方向且径向地在燃烧部段内延伸的毂；高速涡轮转子，所述高速涡轮转子包括将所述高速涡轮转子连接到所述压缩机部段中的HP压缩机的高压(HP)轴，其中所述HP轴沿着所述纵向方向延伸并且在所述低速涡轮转子的毂内径向地延伸，并且其中所述高速涡轮转子限定在所述高速涡轮转子内延伸的涡轮冷却管道；以及第一涡轮轴承，所述第一涡轮轴承径向地设置在所述低速涡轮转子的毂和所述HP轴之间，其中所述第一涡轮轴承限定沿着所述第一涡轮轴承的外直径且与所述低速涡轮转子的毂相邻的外部空气轴承，并且其中所述第一涡轮轴承限定沿着所述第一涡轮轴承的内直径且与所述HP轴相邻的内部空气轴承，并且进一步其中所述第一涡轮轴承限定沿着纵向方向与所述高速涡轮转子的涡轮冷却管道相邻的冷却孔口，并且其中所述冷却孔口和所述涡轮冷却管道流体连通。2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述冷却孔口限定喷嘴，所述喷嘴被构造成从所述第一涡轮轴承到所述高速涡轮转子的涡轮冷却管道加速空气流动。3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述冷却孔口限定多个叶片，所述叶片被构造成沿着所述纵向方向和周向方向加速空气流动，并且沿着所述周向方向的加速是沿着与所述高速涡轮转子相同的旋转方向。4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述燃烧部段限定所述压缩机部段下游的压力增压室，并且其中所述发动机还包括第一歧管，所述第一歧管从所述压力增压室延伸到所述第一涡轮轴承并与所述压力增压室流体连通。5.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中所述第一涡轮轴承包括多个外部孔口，所述多个外部孔口至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：AR斯图尔特，JD克莱门茨，R施米德特，TO莫尼斯，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国,US