具有與外殼環(huán)境外部冷卻系統(tǒng)結(jié)合操作的多個部件排氣擴壓器的燃氣輪機發(fā)動機的制作方法
【專利說明】具有與外殼環(huán)境外部冷卻系統(tǒng)結(jié)合操作的多個部件排氣擴壓器的燃氣輪機發(fā)動機
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請是于2011年11月8日提交的美國專利申請13/314311的部分繼續(xù)申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及燃氣輪機發(fā)動機，更具體地說，涉及提供熱防偽以限制燃氣輪機發(fā)動機的外殼的加熱的結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0004]燃氣輪機發(fā)動機通常包括壓縮器部分、燃燒器部分、渦輪部分和排氣部分。在操作時，壓縮器部分可接納環(huán)境空氣并壓縮環(huán)境空氣。來自壓縮器部分的壓縮空氣進入燃燒器部分中的一個或多個燃燒器。壓縮空氣在燃燒器中與燃料混合，空氣燃料混合物在燃燒器中燃燒以形成熱工作氣體。熱工作氣體傳送到渦輪部分，在渦輪部分，熱工作氣體膨脹通過交替的靜止翼面和旋轉(zhuǎn)翼面排，并用于產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)子的功率。然后，離開渦輪部分的膨脹氣體經(jīng)由排氣部分從發(fā)動機排出。
[0005]在典型的燃氣輪機發(fā)動機中，包括從壓縮器的一個或多個級獲得的壓縮空氣的一部分的放氣可充當(dāng)冷卻空氣，以冷卻渦輪部分的部件。額外的放氣還可供應(yīng)到排氣部分的各部，以比如冷卻排氣部分的各部，并經(jīng)由在發(fā)動機外殼或其它部件內(nèi)提供的強制對流氣流維持渦輪排氣殼體于預(yù)定溫度。燃氣輪機發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展已導(dǎo)致增加的溫度和由在蠕變溫度之上操作引起的相關(guān)外殼變形。殼體變形可增加殼體和支撐在發(fā)動機殼體上的部件(比如軸承支撐柱)中的應(yīng)力。額外應(yīng)力(與低循環(huán)疲勞結(jié)合操作)可導(dǎo)致軸承支撐柱(安裝到殼體以支撐排氣端軸承罩)的裂紋、破裂或故障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種燃氣輪機發(fā)動機，包括限定出中心縱向軸線的外殼，外殼表面繞中心縱向軸線周向地延伸。提供熱障/冷卻系統(tǒng)來控制外殼的溫度。熱障/冷卻系統(tǒng)包括支撐在與外殼表面相對的內(nèi)殼表面上的內(nèi)部絕緣層，內(nèi)部絕緣層沿內(nèi)殼表面周向地延伸，并針對來自位于外殼徑向內(nèi)部的結(jié)構(gòu)的輻射能提供耐熱性。熱障/冷卻系統(tǒng)還包括由板結(jié)構(gòu)限定的對流冷卻通道，板結(jié)構(gòu)與外殼表面徑向間隔開，并繞外殼表面的圓周延伸。對流冷卻通道通常與內(nèi)部絕緣層軸向?qū)?，并形成冷卻外殼表面的環(huán)境氣流的流路。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另外方面，對流冷卻通道可包括位于第一周向位置的冷卻空氣供給入口以及位于與第一周向位置徑向相對的第二周向位置的排氣出口。外殼的軸線可在大致水平方向上延伸，空氣供給入口可位于外殼的下止點位置，排氣出口可位于外殼的上止點位置。輔助空氣入口可位于外殼的相對兩側(cè)上的周向位置處，比如但不局限于第一和第二周向位置之間的大致中間處，覆蓋板可位于輔助空氣入口上，覆蓋板可從輔助空氣入口移位，以允許額外的環(huán)境空氣經(jīng)由輔助空氣入口中的一個或多個進入冷卻通道中。另外，可提供支撐在板結(jié)構(gòu)上并覆蓋板結(jié)構(gòu)的外部絕緣層。
[0008]板結(jié)構(gòu)可包括在軸向延伸的接頭處連接起來的多個周向安置的板區(qū)段，穿過冷卻通道的氣流可產(chǎn)生比環(huán)境空氣壓力低的壓力，使得經(jīng)由接頭的任何空氣泄漏可包括環(huán)境空氣泄漏進冷卻結(jié)構(gòu)中。
[0009]內(nèi)部絕緣層可包括多個周向安置的、分離安裝的絕緣層區(qū)段。
[0010]外殼可包括渦輪排氣殼體，并可包括排氣擴壓器，排氣擴壓器在內(nèi)部絕緣層的軸向位置處限定出位于外殼徑向內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種燃氣輪機發(fā)動機，包括外殼，外殼包括渦輪排氣殼體，渦輪排氣殼體限定出在大致水平方向上延伸的中心縱向軸線，外殼表面繞中心縱向軸線周向地延伸。提供熱障/冷卻系統(tǒng)以控制外殼的溫度。熱障/冷卻系統(tǒng)包括支撐在與外殼表面相對的內(nèi)殼表面上的內(nèi)部絕緣層，內(nèi)部絕緣層沿內(nèi)殼表面周向地延伸，并針對來自位于外殼徑向內(nèi)部的排氣擴壓器的輻射能提供耐熱性。熱障/冷卻系統(tǒng)還包括對流冷卻通道，對流冷卻通道包括由與外殼表面徑向間隔開的板結(jié)構(gòu)限定的第一部分，板結(jié)構(gòu)繞外殼表面的圓周延伸。對流冷卻通道通常與內(nèi)部絕緣層軸向?qū)?，并形成用于沿向上方向引?dǎo)環(huán)境非強制氣流以冷卻外殼表面的流路。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的額外方面，絕緣層區(qū)段可包括多個周向安置的、分離安裝的絕緣層區(qū)段，并均包括一對片狀金屬層和位于片狀金屬層之間的保溫層(thermal blanketlayer)，保溫層具有比片狀金屬層低的導(dǎo)熱系數(shù)，即高的耐熱性。
[0013]軸承支撐柱可從外殼延伸穿過內(nèi)部絕緣層和排氣擴壓器。
[0014]內(nèi)部絕緣層可具有約0.15ff/m.K或更小的導(dǎo)熱系數(shù)。
[0015]排氣殼體可包括排氣殼體凸緣，燃氣輪機發(fā)動機還可包括閥芯結(jié)構(gòu)，閥芯結(jié)構(gòu)具有形成到排氣殼體凸緣的接頭的閥芯結(jié)構(gòu)凸緣。熱障/冷卻系統(tǒng)可包括支撐在閥芯結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面上的第二內(nèi)部絕緣層，內(nèi)部絕緣層沿閥芯結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面周向地延伸，并針對來自排氣擴壓器的輻射能提供耐熱性。熱障/冷卻系統(tǒng)的板結(jié)構(gòu)可延伸經(jīng)過排氣殼體凸緣和閥芯結(jié)構(gòu)凸緣之間的接頭，以形成對繞閥芯結(jié)構(gòu)的圓周延伸的流冷卻通道的第二部分，另一對流冷卻通道可大致與第二內(nèi)部絕緣層軸向?qū)?，并形成用于沿向上方向引?dǎo)環(huán)境非強制氣流以冷卻閥芯結(jié)構(gòu)表面的第二流路。
【附圖說明】
[0016]盡管本說明書以特別指出并明確發(fā)明的權(quán)利要求書結(jié)束，但是應(yīng)明白，結(jié)合附圖，從下面的描述中會更好地理解本發(fā)明，在附圖中，類似的標號表示類似的元件，附圖中:
[0017]圖1是圖1是穿過包括示出本發(fā)明各方面的排氣部分的燃氣輪機發(fā)動機的一部分的前剖視圖；
[0018]圖2是示出本發(fā)明各方面的排氣部分的局部剖面透視圖；
[0019]圖2A是圖2所示結(jié)構(gòu)的下部的透視圖，示出主空氣入口 ；
[0020]圖2B是圖2所示結(jié)構(gòu)的下側(cè)的透視圖，示出輔助空氣入口 ；
[0021]圖3是排氣部分的軸向剖視圖，示意性示出在燃氣輪機發(fā)動機的外殼周圍提供的氣流；
[0022]圖4是排氣部分的鄰近排氣部分上止點的部分的剖面透視圖；以及
[0023]圖5是示出根據(jù)本發(fā)明一方面的絕緣層區(qū)段的透視圖。
[0024]圖6是包括排氣部分的燃氣輪機發(fā)動機的一部分的透視圖，排氣部分具有由多個彈簧板支撐的排氣擴壓器，多個彈簧板沿軸向延伸，并繞排氣擴壓器形成周向環(huán)。
[0025]圖7是沿圖6的截線7-7截取的在排氣擴壓器和渦輪排氣殼體之間沿軸向延伸的彈簧板的局部截面圖。
[0026]圖8是沿軸向延伸并定位在渦輪排氣殼體內(nèi)的排氣擴壓器的側(cè)視圖。
[0027]圖9是在圖8的細節(jié)9-9截取的排氣擴壓器的上半部和下半部之間的水平接頭的詳細視圖。
[0028]圖10是在圖8的細節(jié)10-10截取的可用于附接到彈簧板以進行支撐的排氣擴壓器下游邊緣的詳細視圖。
【具體實施方式】
[0029]在下面對優(yōu)選實施例的詳細描述中，參考形成本說明書一部分的附圖，在附圖中，僅以示例方式而不以限制方式示出可實施本發(fā)明的特定優(yōu)選的實施例。應(yīng)理解，可使用其它實施例，并可在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對實施例進行改變。
[0030]參見圖1，示出燃氣輪機發(fā)動機的位于渦輪部分12的軸向下游的排氣部分10的一部分，以示出本發(fā)明的各方面。排氣部分10通常包括柱形結(jié)構(gòu)，柱形結(jié)構(gòu)包括繞大致水平中心縱向軸線A。周向延伸的外殼11，排氣部分形成燃氣輪機發(fā)動機的外殼的下游延伸部。排氣部分10的外殼11包括排氣筒或渦輪排氣殼體14以及位于排氣殼體14下游的排氣閥芯結(jié)構(gòu)16。
[0031]排氣殼體14包括從排氣殼體14下游端徑向向外延伸的下游排氣殼體凸緣18，滑芯結(jié)構(gòu)16包括上游滑芯結(jié)構(gòu)凸緣20，其從滑芯結(jié)構(gòu)16徑向向外延伸。下游排氣殼體凸緣18和上游滑芯結(jié)構(gòu)凸緣20在接頭處22彼此抵接，并可以常規(guī)方式保持在一起，比如通過螺柱(未示出)。此外，上游排氣殼體凸緣21從排氣殼體14的上游端徑向向外延伸，并可栓接到渦輪部分12的徑向延伸凸緣23，以將排氣殼體14支撐到渦輪部分12。
[0032]排氣殼體14包括形成結(jié)構(gòu)構(gòu)件或框架的相對厚壁，以支撐排氣端軸承罩24，并支撐排氣擴壓器26的一部分。排氣端軸承罩24用于支撐用于燃氣輪機發(fā)動機的轉(zhuǎn)子25的端部。
[0033]擴壓器26包括限定出環(huán)形通路以運送來自渦輪部分12的熱排氣31的內(nèi)壁28和外壁30。軸承罩24由多個柱結(jié)構(gòu)32支撐。每個柱結(jié)構(gòu)32包括從排氣殼體14上的連接件36延伸穿過擴壓器26而到達軸承罩24上的連接件38的柱34，以支撐和維持軸承罩24位于排氣罩24內(nèi)的居中位置。柱結(jié)構(gòu)32還可包括圍繞柱34的柱遮蔽件或整流件40，以使柱34與穿過擴壓器26的熱排氣31隔離，還見圖3。
[0034]由于熱排氣31穿過擴壓器26，所以擴壓器26的外壁30朝向排氣殼體14的內(nèi)殼體表面42徑向向外輻射熱量。如上所討論的，用于冷卻渦輪排氣部分的常規(guī)設(shè)計可提供從發(fā)動機的壓縮器部分供應(yīng)到排氣部分的放氣，以在擴壓器和排氣殼體之間提供冷卻氣流，從而經(jīng)由強制對流控制或降低排氣殼體的溫度。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供熱障/冷卻系統(tǒng)44以減少和/或消除對壓縮器放氣的使用，以控制排氣殼體14和滑芯結(jié)構(gòu)16的溫度。
[0035]參見圖2和3，熱障/冷卻系統(tǒng)44通常包括內(nèi)部絕緣層46和對流冷卻通道48。內(nèi)部絕緣層46支撐在內(nèi)殼體表面42上，并周向延伸，以基本上覆蓋整個內(nèi)殼體表