用于燃氣輪機耐久性的熱斑對準的制作方法
【技術領域】
[0001]本實施例涉及在燃燒器內(nèi)具有燃料噴嘴的燃氣渦輪發(fā)動機，燃燒器將熱氣排到高壓渦輪中。更具體地，本發(fā)明的實施例包括那些涉及燃氣熱斑(hot streak)的實施例，該燃氣熱斑沿周向方向與每隔一個的第一級噴嘴導葉對準，并且允許在未對準的導葉處較少的冷卻空氣的使用。
【背景技術】
[0002]在燃氣渦輪發(fā)動機中，空氣在壓縮機中加壓，然后在具有燃料噴嘴的燃燒器內(nèi)與燃料混合，由此產(chǎn)生向下游流動穿過渦輪級的熱燃氣。這些渦輪級從燃氣中取出能量。流動時，熱氣進入包括第一級定子噴嘴和轉(zhuǎn)子組件的高壓渦輪，轉(zhuǎn)子組件包括盤和多個渦輪葉片。更具體地，高壓渦輪首先在第一級定子噴嘴處接收來自燃燒器的熱燃氣，噴嘴引導燃氣向下游穿過從第一轉(zhuǎn)子盤徑向地向外延伸的一列高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片。在兩級渦輪中，第二級定子噴嘴定位在第一級葉片的下游，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渦輪葉片。定子噴嘴以一種方式使熱燃氣轉(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)子盤通過對應的轉(zhuǎn)子軸連結(jié)到壓縮機以用于在運行期間給壓縮機供以動力。渦輪發(fā)動機可以包括許多級定子和轉(zhuǎn)子，其中通常被稱為導葉的靜止翼型在發(fā)動機中沿軸向方向被間隔在通常被稱為動葉的旋轉(zhuǎn)翼型之間。多級低壓渦輪位于兩級高壓渦輪之后，并典型地通過第二軸連結(jié)到在典型的渦扇飛行器發(fā)動機配置中設置在壓縮機上游的風扇，以用于給飛行中的飛行器供以動力。
[0004]在燃氣向下游流動穿過渦輪級時，能量被從中提取，并且燃氣壓力下降。燃氣被用于給渦輪輸出軸供以動力以用于發(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。在燃氣離開的燃燒器出口處，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。熱斑相對于第一級高壓渦輪噴嘴典型地隨機地布置在燃燒器周圍。但是，熱斑的瞄準可針對燃料噴嘴和定子靜葉的整數(shù)比發(fā)生。在這樣的布置中，熱斑可瞄準在導葉之間的噴嘴段的開放地區(qū)處，以便限制對形成噴嘴結(jié)構(gòu)材料的損害。這樣的損害可以包括氧化、熱-機械疲勞以及耐久性的相稱的降低。耐久性的該降低導致增加的更換間隔，其引起對渦輪發(fā)動機操作者的高成本。
[0006]—些發(fā)動機包括例如形成為單件的圓環(huán)的定子噴嘴組件。其他發(fā)動機包括通過沿環(huán)形陣列布置的多個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葉。導葉是中空的并接收在運行期間用于冷卻導葉的來自壓縮機的一部分壓縮空氣。
[0007]現(xiàn)有技術的當前狀態(tài)存在兩個問題。第一，在于允許熱斑不受阻礙地在導葉之間穿過，熱斑將到達第一級定子噴嘴下游的構(gòu)件，只與被提供用于渦輪冷卻的空氣有限地混合。這可導致下游構(gòu)件的損壞。第二，現(xiàn)有設計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)動機中由于冷卻空氣使用而導致的損失。
[0008]如可在先前的段中所見的，需要在限制對第一級噴嘴下游構(gòu)件的損害的同時改善熱斑氣體混合的設計。另外，需要提高包括第一級定子噴嘴和渦輪葉片以及用于包括多級組件的實施例的渦輪構(gòu)件的耐久性。
[0009]在過去，還有一個未被滿足的要求是在沒有受到任何熱斑直接沖擊的導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氣渦輪發(fā)動機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)本實施例的一些方面，教導了一種方法以將交替的第一級渦輪定子噴嘴與退出渦輪發(fā)動機燃燒器的熱斑對準。
[0011]根據(jù)本實施例的一些方面，教導了一種結(jié)構(gòu)，其中燃氣渦輪發(fā)動機使用多個燃燒器燃料噴嘴，并且在其附近的高壓渦輪包括多個第一級定子噴嘴。燃燒器燃料噴嘴和燃燒器出口與交替的第一級定子噴嘴導葉的前緣對準，使得在每隔一個的第一級定子導葉處熱斑與冷卻空氣的增高的混合被實現(xiàn)。通過在對準的第一級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)有技術設計和本實施例之前的創(chuàng)造熱斑對多級渦輪的下游葉片和噴嘴導葉的不利影響降低。另外，本實施例的結(jié)構(gòu)允許減少給非對準的第一級定子噴嘴導葉的冷卻空氣，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)動機中其他地方改善的排放。
[0012]此外，備選的實施例提供一種通過用定子噴嘴導葉前緣鈍化熱斑和將熱斑與冷卻空氣混合以用于第一級定子噴嘴的增強的冷卻的結(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可以從本文的公開中發(fā)現(xiàn)。因此，如果沒有進一步閱讀本文所包括的整個說明書、權利要求和附圖的前提則不會理解該內(nèi)容的限制性解釋。
【附圖說明】
[0014]通過參考下面結(jié)合了附圖的對實施例的描述，這些示例性的實施例的上述和其他特征與優(yōu)點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是燃氣渦輪發(fā)動機的示意性的側(cè)剖視圖。
[0016]圖2是經(jīng)過第一級渦輪噴嘴的熱排氣的示意側(cè)視圖。
[0017]圖3是示例性的第一級定子噴嘴的透視圖。
[0018]圖4是朝第一級噴嘴觀察的燃氣渦輪發(fā)動機在燃燒器噴嘴處的軸向剖視圖。
【具體實施方式】
[0019]現(xiàn)在將詳細地參考所提供實施例，其中的一個或更多個示例在圖中示出。各個示例通過解釋而不是所公開實施例的限制來提供。實際上，將對本領域的技術人員顯而易見的是能在本實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，作為一個實施例的一部分示出或描述的特征能與另一個實施例一起使用以產(chǎn)生另外的實施例。因此，意圖本發(fā)明涵蓋這些落入所附權利要求及其等同物中的修改和變型。
[0020]本實施例應用于燃氣渦輪發(fā)動機，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，并且熱燃氣離開燃燒器進入高壓渦輪。本結(jié)構(gòu)和方法將熱斑與第一級定子噴嘴導葉的前緣對準，以便改善第一級定子處熱斑與冷卻空氣的混合，并減少在相鄰的非對準的第一級噴嘴導葉處的冷卻空氣的使用。結(jié)果，在第一級噴嘴處和下游渦輪構(gòu)件處的氧化與熱-機械疲勞問題減少。如本文中所使用的，熱斑或多個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氣輪機耐久性的熱斑對準的實施例的選定的特征。本實施例將熱斑與每隔一個的第一級定子噴嘴導葉的前緣對準。另外，教導了一種方法以用于將熱斑與第一級渦輪定子噴嘴的前緣對準，以減少在非對準的噴嘴導葉處的冷卻空氣的使用，并繼而允許冷卻空氣在燃氣渦輪發(fā)動機的其他位置中使用。
[0022]首先參考圖1，顯示了燃氣渦輪發(fā)動機10的示意性的側(cè)剖視圖，具有空氣入口端12、壓縮機14、燃燒器16和多級渦輪18。燃氣輪機10可用于航空、發(fā)電、工業(yè)、航海等。燃氣輪機10是關于發(fā)動機軸線24軸線對稱的，使得構(gòu)件關于該軸線轉(zhuǎn)動。取決于用途，發(fā)動機入口端12可備選地包含多級壓縮機而不是風扇。在運行中，空氣進入穿過發(fā)動機10的空氣入口端12，并移動穿過至少一個壓縮級，在該處空氣壓力增加然后被引導到燃燒器16。壓縮空氣與燃料混合并焚燒提供處于高溫的熱燃氣，其朝著多級渦輪18離開燃燒器。在多級渦輪18處，能量從高溫燃氣中取出，導致渦輪18葉片的旋轉(zhuǎn)，這繼而導致軸的旋轉(zhuǎn)，軸朝著發(fā)動機的前部傳遞以取決于渦輪設計來繼續(xù)一個或更多個壓縮機14、渦輪風扇或入口風扇葉片的旋轉(zhuǎn)。
[0023]本公開涉及燃燒器16和多級渦輪18之間的分界。熱燃氣以延伸離開燃燒器16穿過渦輪18的箭頭22表示(圖2)。熱燃氣期望地具有沿周向橫穿流的均勻的溫度分布。但是，在實際中，熱燃氣22典型地具有熱斑23 (見圖4)，其時常位于燃氣22地區(qū)的中心。該熱斑23具有與熱燃氣22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一步點燃后從該處發(fā)出火焰。
[0025]沿軸向方向與燃燒器16相對的是第一級渦輪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)。示例性的實施例提供定子噴嘴40，其由在燃氣輪機發(fā)動機10的中心線24周圍以環(huán)形陣列與燃燒器16相對而設置的噴嘴段40組成。各個渦輪定子噴嘴段40具有外圍帶42、內(nèi)圍帶44和至少一個在內(nèi)圍帶42和外圍帶44之間延伸的導葉46。在示出的示例性的實施例中，定子噴嘴由一個或更多個包括兩個導葉46的噴嘴段4