具有与外壳环境外部冷却系统结合操作的多个部件排气扩压器的燃气轮机发动机.pdf

公开了一种附接系统，用于附接燃气轮机发动机中的涡轮组件(12)下游的至少一个排气扩压器(26)。该附接系统可包括从下游边缘(132)延伸并附接到弹簧板扩压器支撑结构(202)的至少一个附接凸缘(134)以及从排气扩压器(26)的侧边缘延伸以将排气扩压器(26)的各部分联接在一起的至少一个附接凸缘(134)。扩压器(26)还可包括热障/冷却系统(44)，用于控制燃气轮机发动机的外壳(11)的温度。热障/冷却系统(44)可形成用于环境气流冷却的流路。

权利要求书
1.  一种燃气轮机发动机，包括：
至少一个排气扩压器(26)，定位在涡轮组件(12)的下游，绕所述燃气轮机发动机的中心纵向轴线(AC)周向地延伸，并且具有从上游边缘(130)向下游边缘(132)增加的横截面面积；
其中，所述至少一个排气扩压器(26)的下游边缘(132)包括具有至少一个下游附接孔的至少一个下游附接凸缘(134)，所述至少一个下游附接凸缘延伸穿过所述至少一个下游附接孔。

2.  如权利要求1所述的燃气轮机发动机，其中，所述至少一个下游附接凸缘(134)包括从所述至少一个排气扩压器(26)大致径向向外延伸的多个下游附接凸缘(134)。

3.  如权利要求2所述的燃气轮机发动机，其中，相邻的下游附接凸缘由一孔隙(138)分开，所述孔隙由第一外表面(140)、第二外表面(144)和第三外表面(148)限定出，所述第一外表面在第一下游附接凸缘(134)和所述排气扩压器(26)之间延伸，具有半径(150)，所述第二外表面在第二下游附接凸缘(134)和所述排气扩压器(26)之间延伸，具有半径(152)，所述第三外表面在第一和第二外表面(140，144)之间延伸，其中，所述第三外表面(148)具有比第一和第二外表面(140，144)的半径大的半径(154)。

4.  如权利要求3所述的燃气轮机发动机，其中，所述第一外表面(140)上的半径(150)和所述第二外表面(144)上的半径(152)相等。

5.  如权利要求1所述的燃气轮机发动机，其中，所述至少一个下游附接凸缘(134)是具有恒定厚度的大致矩形。

6.  如权利要求1所述的燃气轮机发动机，其中，至少一个排气扩压器(26)由至少两部分形成。

7.  如权利要求6所述的燃气轮机发动机，其中，至少一个排气扩压器(26)由上半部(174)和下半部(166)形成。

8.  如权利要求7所述的燃气轮机发动机，其中，所述下半部(166)的第一和第二侧(162，164)的上边缘(160)在第一和第二接头(176，178)处连接到所述上半部(174)的第一和第二侧(170，172)的下边缘(168)，其中，所述下半部(166)的第一和第二侧(162，164)的上边缘(160)均包括具有至少一个侧附接 孔(182)的至少一个侧附接凸缘(180)，所述至少一个侧附接凸缘延伸穿过所述至少一个侧附接孔，所述上半部(174)的第一和第二侧(170，172)的下边缘均包括具有至少一个侧附接孔(182)的至少一个侧附接凸缘(180)，所述至少一个侧附接凸缘延伸穿过所述至少一个侧附接孔。

9.  如权利要求8所述的燃气轮机发动机，其中，所述下半部(166)的第一和第二侧(162，164)的上边缘(160)以及所述上半部(174)的第一和第二侧(170，172)的下边缘(168)均包括从所述至少一个排气扩压器(26)大致径向向外延伸的多个侧附接凸缘(180)，使得位于所述上半部(174)的下边缘(168)上的侧附接凸缘(180)中的侧附接孔(182)与所述下半部(166)的上边缘(160)上的侧附接凸缘(180)匹配。

10.  如权利要求9所述的燃气轮机发动机，其中，相邻的侧附接凸缘(180)由一孔隙(184)分开，所述孔隙由第一外表面(186)、第二外表面(190)和第三外表面(194)限定出，所述第一外表面在第一侧附接凸缘(188)和所述排气扩压器(26)之间延伸，具有半径(196)，所述第二外表面在第二侧附接凸缘(192)和所述排气扩压器(26)之间延伸，具有半径(198)，所述第三外表面在第一和第二外表面(186，190)之间延伸，其中，所述第三外表面(194)具有比第一和第二外表面(186，190)的半径(196，198)大的半径(200)。

11.  如权利要求10所述的燃气轮机发动机，其中，所述第一外表面(140)上的半径(196)以及所述第二外表面(144)上的半径(198)相等。

12.  如权利要求8所述的燃气轮机发动机，其中，所述至少一个侧附接凸缘(180)是具有恒定厚度的大致矩形。

13.  如权利要求1所述的燃气轮机发动机，还包括弹簧板扩压器支撑结构(202)，所述弹簧板扩压器支撑结构联接到所述至少一个排气扩压器(26)的下游边缘(132)，并附接到涡轮排气壳体(14)，其中，所述弹簧板扩压器支撑结构(202)绕所述至少一个排气扩压器(26)周向地延伸。

14.  如权利要求13所述的燃气轮机发动机，其中，所述弹簧板扩压器支撑结构(202)由绕所述至少一个排气扩压器(26)周向延伸的多个弹簧板(204)形成，使得一间隙(206)存在于相邻的弹簧板(204)之间。

15.  如权利要求13所述的燃气轮机发动机，还包括外壳(11)，所述外壳包括涡轮排气壳体(14)和阀芯结构(16)，其中，所述涡轮排气壳体(14)绕所述至少一个排气扩压器(26)周向地延伸，外壳表面(68)绕所述中心纵向轴 线(AC)周向地延伸，其中，排气壳体(14)包括排气壳体凸缘(18)，并且其中，所述阀芯结构(16)具有与所述排气壳体凸缘(18)形成接头(22)的阀芯结构凸缘(20)；
热障/冷却系统(44)，用于控制所述外壳(11)的温度，所述热障/冷却系统(44)包括：
支撑在与所述外壳表面(68)相对的内壳表面(42)上的内部绝缘层(46)，所述内部绝缘层(46)沿所述内壳表面(42)周向地延伸，并针对来自位于所述外壳(11)径向内部的结构的辐射能提供耐热性；以及
由板结构(72)限定的对流冷却通道(48)，所述板结构与所述外壳表面(68)径向间隔开，并绕所述外壳表面(68)的圆周延伸，所述对流冷却通道(48)与所述内部绝缘层(46)大致轴向对准，并形成冷却所述外壳表面(68)的环境气流的流路。

16.  如权利要求15所述的燃气轮机发动机，还包括空气供给入口(84)和排气出口(86)，所述空气供给入口在第一周向位置处与所述对流冷却通道(48)连通，所述排气出口在与所述第一周向位置径向相对的第二周向位置处与所述对流冷却通道(48)连通。

17.  如权利要求16所述的燃气轮机发动机，其中，所述空气供给入口(84)位于所述外壳(11)的下止点位置，所述排气出口(86)位于所述外壳(11)的上止点位置。

18.  如权利要求17所述的燃气轮机发动机，还包括定位在所述空气供给入口(84)和所述排气出口(86)之间的至少一个辅助空气入口开口(104，106)。

19.  如权利要求18所述的燃气轮机发动机，还包括第一辅助空气入口开口(104)和第二辅助空气入口开口(106)，所述第一辅助空气入口开口定位在所述空气供给入口(84)和所述排气出口(86)之间，所述第二辅助空气入口开口定位在所述空气供给入口(84)和所述排气出口(86)之间，与所述第一辅助空气入口开口(104)径向相对。

20.  如权利要求15所述的燃气轮机发动机，还包括支撑在所述阀芯结构(16)的内表面(126)上的第二内部绝缘层(124)，所述内部绝缘层(46)沿所述阀芯结构(16)的内表面(126)周向地延伸，并针对来自所述排气扩压器(26)的辐射能提供耐热性；以及板结构(72)，所述板结构延伸经过所述排气壳体凸 缘(18)和所述阀芯结构凸缘(20)之间的接头(22)，以形成所述对流冷却通道(48)的绕所述阀芯结构(16)的圆周延伸的第二部分(82)，另一对流冷却通道(48)与所述第二内部绝缘层(124)大致轴向对准，并形成沿向上方向引导环境非强制气流以冷却阀芯结构表面的第二流路。

21.  如权利要求16所述的燃气轮机发动机，还包括支撑在所述板结构(72)上并覆盖所述板结构的外部绝缘层(122)，其中，所述板结构(72)包括在轴向延伸接头(98)处连接起来的多个周向安置的板区段(72a)，穿过所述冷却通道(48)的气流产生比环境空气压力低的压力，使得经由所述接头(98)的任何空气泄漏包括环境空气泄漏进所述冷却结构(44)中。

说明书具有与外壳环境外部冷却系统结合操作的多个部件排气扩压器的燃气轮机发动机
相关申请的交叉引用
本申请是于2011年11月8日提交的美国专利申请13/314311的部分继续申请。
技术领域
本发明涉及燃气轮机发动机，更具体地说，涉及提供热防伪以限制燃气轮机发动机的外壳的加热的结构。
背景技术
燃气轮机发动机通常包括压缩器部分、燃烧器部分、涡轮部分和排气部分。在操作时，压缩器部分可接纳环境空气并压缩环境空气。来自压缩器部分的压缩空气进入燃烧器部分中的一个或多个燃烧器。压缩空气在燃烧器中与燃料混合，空气燃料混合物在燃烧器中燃烧以形成热工作气体。热工作气体传送到涡轮部分，在涡轮部分，热工作气体膨胀通过交替的静止翼面和旋转翼面排，并用于产生驱动转子的功率。然后，离开涡轮部分的膨胀气体经由排气部分从发动机排出。
在典型的燃气轮机发动机中，包括从压缩器的一个或多个级获得的压缩空气的一部分的放气可充当冷却空气，以冷却涡轮部分的部件。额外的放气还可供应到排气部分的各部，以比如冷却排气部分的各部，并经由在发动机外壳或其它部件内提供的强制对流气流维持涡轮排气壳体于预定温度。燃气轮机发动机技术的发展已导致增加的温度和由在蠕变温度之上操作引起的相关外壳变形。壳体变形可增加壳体和支撑在发动机壳体上的部件(比如轴承支撑柱)中的应力。额外应力(与低循环疲劳结合操作)可导致轴承支撑柱(安装到壳体以支撑排气端轴承罩)的裂纹、破裂或故障。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种燃气轮机发动机，包括限定出中心纵向轴线的外壳，外壳表面绕中心纵向轴线周向地延伸。提供热障/冷却系统来控制外壳的温度。热障/冷却系统包括支撑在与外壳表面相对的内壳表面上的内部绝缘层，内部绝缘层沿内壳表面周向地延伸，并针对来自位于外壳径向内部的结构的辐射能提供耐热性。热障/冷却系统还包括由板结构限定的对流冷却通道，板结构与外壳表面径向间隔开，并绕外壳表面的圆周延伸。对流冷却通道通常与内部绝缘层轴向对准，并形成冷却外壳表面的环境气流的流路。
根据本发明的另外方面，对流冷却通道可包括位于第一周向位置的冷却空气供给入口以及位于与第一周向位置径向相对的第二周向位置的排气出口。外壳的轴线可在大致水平方向上延伸，空气供给入口可位于外壳的下止点位置，排气出口可位于外壳的上止点位置。辅助空气入口可位于外壳的相对两侧上的周向位置处，比如但不局限于第一和第二周向位置之间的大致中间处，覆盖板可位于辅助空气入口上，覆盖板可从辅助空气入口移位，以允许额外的环境空气经由辅助空气入口中的一个或多个进入冷却通道中。另外，可提供支撑在板结构上并覆盖板结构的外部绝缘层。
板结构可包括在轴向延伸的接头处连接起来的多个周向安置的板区段，穿过冷却通道的气流可产生比环境空气压力低的压力，使得经由接头的任何空气泄漏可包括环境空气泄漏进冷却结构中。
内部绝缘层可包括多个周向安置的、分离安装的绝缘层区段。
外壳可包括涡轮排气壳体，并可包括排气扩压器，排气扩压器在内部绝缘层的轴向位置处限定出位于外壳径向内部的结构。
根据本发明的另一方面，提供了一种燃气轮机发动机，包括外壳，外壳包括涡轮排气壳体，涡轮排气壳体限定出在大致水平方向上延伸的中心纵向轴线，外壳表面绕中心纵向轴线周向地延伸。提供热障/冷却系统以控制外壳的温度。热障/冷却系统包括支撑在与外壳表面相对的内壳表面上的内部绝缘层，内部绝缘层沿内壳表面周向地延伸，并针对来自位于外壳径向内部的排气扩压器的辐射能提供耐热性。热障/冷却系统还包括对流冷却通道，对流冷却通道包括由与外壳表面径向间隔开的板结构限定的第一部分，板结构绕外壳表面的圆周延伸。对流冷却通道通常与内部绝缘层轴向对准，并形成用于沿向上方向引导环境非强制气流以冷却外壳表面的流 路。
根据本发明的额外方面，绝缘层区段可包括多个周向安置的、分离安装的绝缘层区段，并均包括一对片状金属层和位于片状金属层之间的保温层(thermal blanket layer)，保温层具有比片状金属层低的导热系数，即高的耐热性。
轴承支撑柱可从外壳延伸穿过内部绝缘层和排气扩压器。
内部绝缘层可具有约0.15W/m·K或更小的导热系数。
排气壳体可包括排气壳体凸缘，燃气轮机发动机还可包括阀芯结构，阀芯结构具有形成到排气壳体凸缘的接头的阀芯结构凸缘。热障/冷却系统可包括支撑在阀芯结构的内表面上的第二内部绝缘层，内部绝缘层沿阀芯结构的内表面周向地延伸，并针对来自排气扩压器的辐射能提供耐热性。热障/冷却系统的板结构可延伸经过排气壳体凸缘和阀芯结构凸缘之间的接头，以形成对绕阀芯结构的圆周延伸的流冷却通道的第二部分，另一对流冷却通道可大致与第二内部绝缘层轴向对准，并形成用于沿向上方向引导环境非强制气流以冷却阀芯结构表面的第二流路。
附图说明
尽管本说明书以特别指出并明确发明的权利要求书结束，但是应明白，结合附图，从下面的描述中会更好地理解本发明，在附图中，类似的标号表示类似的元件，附图中：
图1是图1是穿过包括示出本发明各方面的排气部分的燃气轮机发动机的一部分的前剖视图；
图2是示出本发明各方面的排气部分的局部剖面透视图；
图2A是图2所示结构的下部的透视图，示出主空气入口；
图2B是图2所示结构的下侧的透视图，示出辅助空气入口；
图3是排气部分的轴向剖视图，示意性示出在燃气轮机发动机的外壳周围提供的气流；
图4是排气部分的邻近排气部分上止点的部分的剖面透视图；以及
图5是示出根据本发明一方面的绝缘层区段的透视图。
图6是包括排气部分的燃气轮机发动机的一部分的透视图，排气部分具有由多个弹簧板支撑的排气扩压器，多个弹簧板沿轴向延伸，并绕排气 扩压器形成周向环。
图7是沿图6的截线7-7截取的在排气扩压器和涡轮排气壳体之间沿轴向延伸的弹簧板的局部截面图。
图8是沿轴向延伸并定位在涡轮排气壳体内的排气扩压器的侧视图。
图9是在图8的细节9-9截取的排气扩压器的上半部和下半部之间的水平接头的详细视图。
图10是在图8的细节10-10截取的可用于附接到弹簧板以进行支撑的排气扩压器下游边缘的详细视图。
具体实施方式
在下面对优选实施例的详细描述中，参考形成本说明书一部分的附图，在附图中，仅以示例方式而不以限制方式示出可实施本发明的特定优选的实施例。应理解，可使用其它实施例，并可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对实施例进行改变。
参见图1，示出燃气轮机发动机的位于涡轮部分12的轴向下游的排气部分10的一部分，以示出本发明的各方面。排气部分10通常包括柱形结构，柱形结构包括绕大致水平中心纵向轴线AC周向延伸的外壳11，排气部分形成燃气轮机发动机的外壳的下游延伸部。排气部分10的外壳11包括排气筒或涡轮排气壳体14以及位于排气壳体14下游的排气阀芯结构16。
排气壳体14包括从排气壳体14下游端径向向外延伸的下游排气壳体凸缘18，滑芯结构16包括上游滑芯结构凸缘20，其从滑芯结构16径向向外延伸。下游排气壳体凸缘18和上游滑芯结构凸缘20在接头处22彼此抵接，并可以常规方式保持在一起，比如通过螺柱(未示出)。此外，上游排气壳体凸缘21从排气壳体14的上游端径向向外延伸，并可栓接到涡轮部分12的径向延伸凸缘23，以将排气壳体14支撑到涡轮部分12。
排气壳体14包括形成结构构件或框架的相对厚壁，以支撑排气端轴承罩24，并支撑排气扩压器26的一部分。排气端轴承罩24用于支撑用于燃气轮机发动机的转子25的端部。
扩压器26包括限定出环形通路以运送来自涡轮部分12的热排气31的内壁28和外壁30。轴承罩24由多个柱结构32支撑。每个柱结构32包括从排气壳体14上的连接件36延伸穿过扩压器26而到达轴承罩24上的连 接件38的柱34，以支撑和维持轴承罩24位于排气罩24内的居中位置。柱结构32还可包括围绕柱34的柱遮蔽件或整流件40，以使柱34与穿过扩压器26的热排气31隔离，还见图3。
由于热排气31穿过扩压器26，所以扩压器26的外壁30朝向排气壳体14的内壳体表面42径向向外辐射热量。如上所讨论的，用于冷却涡轮排气部分的常规设计可提供从发动机的压缩器部分供应到排气部分的放气，以在扩压器和排气壳体之间提供冷却气流，从而经由强制对流控制或降低排气壳体的温度。根据本发明的一方面，提供热障/冷却系统44以减少和/或消除对压缩器放气的使用，以控制排气壳体14和滑芯结构16的温度。
参见图2和3，热障/冷却系统44通常包括内部绝缘层46和对流冷却通道48。内部绝缘层46支撑在内壳体表面42上，并周向延伸，以基本上覆盖整个内壳体表面42。内部绝缘层46在扩压器26和排气壳体14之间形成热障，以针对从扩压器26的外壁30辐射出的能量提供耐热性。
内部绝缘层46优选地由多个绝缘层区段46a形成(图5)，多个绝缘层区段通常彼此并排安置，并具有约等于排气壳体14的轴向长度的纵向或轴向延伸部，以基本上在排气壳体14的整个内壳体表面42上提供热障。因此，防止从扩压器26辐射出的热量的明显部分到达排气壳体14，从而使排气壳体14的壁与容纳在排气壳体14内的热负荷隔离。
还参见图5，绝缘层区段46a可包括具有前缘50、后缘52和相对侧边缘54、56的矩形区段构件。绝缘层区段46a具有比排气壳体14的壁低的导热系数。绝缘层区段46a的导热系数可具有约0.15W/mK的最大值，优选地具有约0.005W/mK的导热系数值，以抵抗热量从扩压器传递到发动机壳体14。绝缘层区段46a可定位在排气壳体14的内壳体表面42上，一个绝缘层区段46a的侧边缘54、56与相邻绝缘层区段46a的侧边缘54、56紧密相邻或接合。
绝缘层区段46a的构造可包括一对相对的片状金属层58、60和位于片状金属层58、60之间的保温层62，保温层的导热系数明显低于片状金属层58、60。多个金属套管64可在绝缘层区段46a的安装点处延伸穿过片状金属层58、60和保温层62。特别地，每个金属套管64包括在片状金属层58、60之间限定出预定间隔的刚性结构，并适于接收紧固件结构，比如支 架66(图4)，以将每个绝缘层区段46a附接到排气壳体14。支架66可构造成允许绝缘层区段46a相对于内壳体表面42的有限移动，以比如提供用于内部绝缘层46和排气壳体14之间的任何热失配。例如，支架66可均包括立柱67，立柱具有固定在内壳体表面42的径向外端，并具有接收螺母69以保留绝缘层区段46a位于螺母和内壳体表面42之间的螺纹径向内端。
绝缘层区段46a可具有从后缘52延伸到套管64的后排的槽65，以便于将绝缘层区段46a组装到排气壳体14。特别地，在组装期间，通过允许套管64的后排到位于排气壳体14后部的对应立柱67排的轴向移动度，槽65便于绝缘层区段46a移动到立柱67上，在排气壳体14的后部，在排气壳体14和扩压器26之间有最小间隙。
应注意，有限间隙可在内壳体表面42周围的特定位置处设置在相邻绝缘层区段46a之间。例如，在连接件36的位置处(柱34从内壳体表面42向内延伸)，间隙或空隙可设置在邻近每个柱34的两侧的相邻绝缘层区段46a之间。类似地，有限空隙可存在于直接相邻形成水平接头92的结构的绝缘层区段46a之间。应注意，可提供绝缘层区段46a的替代构造，以减小这些位置处的空隙。例如，绝缘层区段46a可构造成包括绕柱34紧密延伸的部分，从而减小使内壳体表面42暴露于辐射热的空隙区域。
提供多个绝缘层区段46a便于将内部绝缘层46组装到发动机壳体14，并还使得能够维护内部绝缘层46的选择部分。例如，在损坏内部绝缘层46的一部分的情形下，内部绝缘层46的构造允许移除和更换绝缘层区段46a的受到损坏的单独几个，而不需要更换整个内部绝缘层46。
应理解，尽管描述了绝缘层区段46a的特定构造，但是可提供用于绝缘层区段46a的其它材料和构造。例如，绝缘层区段46a可由已知陶瓷绝缘材料形成，构造成给诸如内壳体表面42的表面提供耐热性。
参见图1，对流冷却通道48绕排气壳体14的外壳体表面68周向地延伸，并通常轴向地安置成从上游排气壳体凸缘21延伸到至少下游排气壳体凸缘18，优选地延伸到下游滑芯结构凸缘70(从滑芯结构16的下游端径向向外延伸)。对流冷却通道48由从上游位置74延伸到下游位置76的板结构72限定，在上游位置，其在上游排气壳体凸缘21处固定到排气部分10，在下游位置，其在下游滑芯凸缘70处固定到排气部分10。板结构72与外壳体表面68径向间隔开，以限定出对流冷却通道48的第一冷却通道 部分78，即上游排气壳体凸缘21和下游排气壳体凸缘18之间的凹陷区域。板结构72还与滑芯结构16的外表面80径向间隔开，以限定出对流冷却通道48的第二冷却通道部分82，即上游滑芯结构凸缘20和下游滑芯结构凸缘70之间的凹陷区域。第一和第二冷却通道部分78、82在排气部分10周围限定出周向平行的流路，并可在凸缘18、20的径向外端上彼此流体连通。
参见图2和3，对流冷却通道48包括位于第一周向位置的主冷却空气供应入口84，用于给对流冷却通道48提供环境空气的供应。对流冷却通道48还包括位于第二周向位置的排气出口86，第二周向位置与第一周向位置径向相对。根据优选的实施例，主空气供应入口84(图2A)位于排气部分10的外壳11的下止点位置，排气出口86位于排气部分10的外壳11的上止点位置。
如图2可看出，排气部分10可由在水平接头92处连接在一起的两个半部形成，即上半部88和下半部90。根据本发明的一方面，板结构72包括形成为盒部的放大侧部94，其在水平接头92上从水平接头92上方和下方的位置延伸。侧部94构造成给水平接头92周围的气流提供额外孔隙，并还构造成给对流冷却通道48提供额外气流，如下面讨论的。
板结构72包括单独板部分72a，其可由片状金属形成，即与外壳11相比比较薄。板部分72a弯曲成匹配外壳11的曲率，并从侧部94朝向主空气入口84向下延伸，从侧部94朝向空气出口86向上延伸。板部分72a形成为在排气部分10上的上游和下游位置74、76之间延伸的大致矩形部分，优选地彼此接合或抵接，以及沿板部分72a的轴向延伸边缘在搭接处98接合侧部94。板部分72a和侧部94可通过任何常规装置附接到排气部分外壳11，并优选地通过紧固件(比如螺栓或螺钉)附接为可移除部件。应理解，尽管放大侧部94显示为盒部，但是板结构72的该部分不必限于特定形状，可以是任何构造，以便于气流流过水平接头92，水平接头通常包括排气部分外壳11的放大的和径向向外延伸的凸缘部分。另外，应注意，主空气入口84和空气出口86可在板结构72周围的相应下止点位置和上止点位置处结合进相应板部分72a中。
参见图2和2B，侧部94可形成有下部100，下部在水平接头92下方延伸，并终止于向下面向的辅助空气入口结构102。辅助空气入口结构102 可包括并排安置的第一和第二辅助空气入口开口104、106，每个辅助空气入口开口显示为板结构72中的向下面向开口。第一和第二辅助空气入口开口104、106可以分别在第一和第二通道部分78、82上轴向对准。一个或多个辅助空气入口开口中104、106可定位在空气供给入口和排气出口之间。在一个实施例中，第一辅助空气入口开口104可定位在空气供给入口84和排气出口86之间，第二辅助空气入口开口106可定位在空气供给入口84和排气出口86之间，并与第一辅助空气入口开口104径向相对。辅助空气入口开口104、106显示为具有相应覆盖面板或板108、110，其可利用紧固件112(比如螺栓或螺钉)可移除地附接在开口上。覆盖板108、110中的一个或两个可从辅助空气入口开口104、106移位或移除，以允许额外或辅助环境空气116经由辅助空气入口结构102进入对流冷却通道48，如图3进一步示出。
根据本发明的一方面，对流冷却通道48经由主空气供应入口84接收非强制性环境空气。即，可给对流冷却通道48提供空气，而在空气入口84处不需要驱动力或压力将对流主空气供应流114中的空气从燃气轮机发动机外部的位置传送通过主空气供应入口84。主空气供应入口84的直径大小可以做成在第一和第二通道部分78、82的每个的至少一部分上延伸，使得主供应空气流114的一部分可直接引导进通道部分78、82中。
进入对流冷却通道48的环境气流在排气部分10的圆周周围提供减少的热梯度，以降低或最小化在排气部分10周围的非均匀温度分布时发生的热应力。特别地，与排气壳体14的不同热膨胀相关并被传送到柱34的应力可以通过增加冷却流的均匀性(通过对流冷却通道48提供)而减小。另外，排气壳体14的操作温度可以维持在材料蠕变极限以下，以避免导致柱应力增加的相关壳体蠕变变形。
通过移位或移除辅助空气入口结构102的覆盖板108、110中的一个或多个以增加对流冷却空气供应位置的数量，可以给对流冷却通道48提供多端口冷却构造。因此，可以对位于现场的涡轮发动机调节提供给通道部分78、82的冷却量，以通过移除或更换覆盖板108、110增加或减小冷却。例如，取决于环境空气温度的增加或减小，期望的是，通过移除覆盖板108、110的一个或多个来增加冷却气流，或者期望的是，通过更换覆盖板108、110的一个或多个来防止或减少辅助空气流116而提供减少的气流。另外， 可使用覆盖板108、110优化排气壳体14和滑芯结构16的温度，以使相邻硬件和部件之间的任何热失调最小。
排气出口86位于对流冷却通道48的顶部，使得加热的排气118可通过对流出对流冷却通道48而流动。排气出口86的直径大小可做成在第一和第二通道部分78、82的每个的至少一部分上延伸，使得从对流冷却通道48排出的加热空气可直接从每个通道部分78、82传送到排气出口86。随后，流出排气出口86的加热空气可排出当前提供给现有燃气轮机发动机单元的现有散热孔结构(未示出)。
应理解，穿过对流冷却通道48的对流气流包括基本上由沿外壳体表面68和滑芯结构16的外表面80加热的空气产生的对流力驱动的冷却气流。对流冷却通道48内的加热空气通过自然对流升高，并朝向排气出口86引导。当空气在对流冷却通道48内升高时，其经由主冷却空气供应入口84将环境空气抽吸进通道48中，从而有效地给外壳11的外表面周围向上的冷却空气连续流提供驱动力。类似地，当板结构72各侧的辅助空气入口开口104、106之一或两个打开时，自然对流会把通道48周围的空气向上抽吸通过辅助空气入口结构102，到达排气出口86。
应注意，当冷却空气作为对流气流48向上流动时，会在对流冷却通道48内产生比对流冷却通道48外部的环境空气压力低的压力。因此，板接头98处或接头97、99(图2)(板区段72a的边缘在上游和下游位置74、76处安装到排气部分10)处的任何泄漏会向内进入对流冷却通道48。在这方面，应理解，不必在板区段72a的周界边缘和侧部94处提供防泄漏密封件，进入对流冷却通道48的泄漏可被看作便于热障/冷却系统44的冷却功能的优点。
可选地，如图3示意性示出，可提供连接到排气出口86的风扇单元120。风扇单元120可提供来自排气出口86的额外气流，以增加对流冷却通道48的冷却能力。替代地或另外地，可给主冷却空气供应入口84提供入口风扇单元(未示出)，以提供增加的环境气流进入通道48。应理解，即使在提供风扇单元(即出口86处的风扇单元120和/或入口84处的风扇单元120)以便于流过对流冷却通道48的情况下，流过通道48的气流的移动会可在通道48内产生降低的压力(相对于外壳11外部周围的环境区域)。
对流冷却通道48还可具有外部绝缘层122，如图1、3和4看出(图2 中未示出)。外部绝缘层可基本覆盖板结构72的由板区段72a和侧部94限定的整个外部表面，并具有低导热系数，以总体上给在排气部分10附近工作或经过的人员提供热防护。
参见图4，可给滑芯结构16提供可选的另一或第二内部绝缘层124，其绕内滑芯区段表面126周向延伸，并从设置用于支撑扩压器26的Z板或弹簧板结构128径向向外延伸。第二内部绝缘层124可包括具有与内部绝缘层46所述的类似的构造和导热系数的分离的绝缘层区段。另外，第二内部绝缘层124可以与针对内部绝缘层46的绝缘层区段46a所述的方式类似的方式安装到内滑芯区段表面126。可提供第二内部绝缘层124以限制或最小化从扩压器26传递到滑芯结构16的辐射热量。因此，通过包含第二内部绝缘层124可降低对流过对流冷却通道48的第二部分82的空气的对流气流要求。
如上所述，热障/冷却系统44提供了一系统，其中，内部绝缘层46基本上减少了传递到排气部分10的外壳11的热量，从而降低了对维持外壳11的材料低于其蠕变极限的冷却要求。因此，由对流冷却通道48提供的外部冷却构造以对流气流给外壳11提供了恰当的冷却，伴随着减少或消除给外壳11内部提供强制空气冷却的需求。消除到外壳11内部的强制空气冷却，即通过维持冷却空气在外壳11外部的供应和排出，避免了与外壳11内的部件之间的热失调或热梯度相关的问题。
另外，由于冷却外壳11的空气供应不会吸收压缩器放气或者直接取决于来自燃气轮机发动机的空气供应，所以本热障/冷却系统44不会降低涡轮功率，比如抽吸压缩器放气的系统的情况下会发生的，本系统的冷却效率基本上独立于发动机操作条件而操作。因此，本发明可在不吸收燃气轮机发动机的二次冷却空气的情况下实施，并可降低对使用二次冷却空气的需要以及增加燃气轮机发动机操作时的总体效率。
如图6-10所示，燃气轮机发动机10可包括定位在涡轮组件12下游的排气扩压器26。排气扩压器26可绕燃气轮机发动机的中心纵向轴线AC周向地延伸，并可具有从上游边缘130到下游边缘132的增加的横截面面积。排气扩压器26的下游边缘132可包括一个或多个下游附接凸缘134，下游附接凸缘具有可穿过其中的一个或多个附接孔136。下游附接凸缘134和附接孔136可与相邻附接装置对准，以将排气扩压器26在涡轮发动机内 固定到位。在至少一个实施例中，排气扩压器26可包括多个下游附接凸缘134和对应的下游附接孔136。
如图6、7和10所示，下游附接凸缘134可包括从排气扩压器26大致径向向外延伸的多个下游附接凸缘134。相邻的下游附接凸缘134可由孔隙138分开，孔隙由第一外表面140、第二外表面144和第三外表面148限定出，第一外表面在第一下游附接凸缘142和排气扩压器26之间延伸，具有半径150，第二外表面在第二下游附接凸缘146和排气扩压器26之间延伸，具有半径152，第三外表面在第一和第二外表面140、144之间延伸，其中，第三外表面148具有比第一和第二外表面140、144的半径150、152大的半径154。第一外表面140的半径150和第二外表面144的半径152可以相等。在一个实施例中，下游附接凸缘134可以是具有恒定厚度的大致矩形。
在一个实施例中，排气扩压器26可由至少两部分形成。排气扩压器26可由上半部174和下半部166形成。下半部166的第一和第二侧162、164的上边缘160在第一和第二接头176、178处连接到上半部174的第一和第二侧170、172的下边缘168，其中，下半部166的第一和第二侧162、164的上边缘160均包括具有穿过其中的至少一个侧附接孔182的至少一个侧附接凸缘180，上半部174的第一和第二侧170、172的下边缘168均包括具有穿过其中的至少一个侧附接孔182的至少一个侧接凸缘180。下半部166的第一和第二侧162、164的上边缘160以及上半部174的第一和第二侧170、172的下边缘168均包括多个侧附接凸缘180，多个侧附接凸缘180从至少一个排气扩压器26大致径向向外延伸，使得位于上半部174的下边缘169上的侧附接凸缘180中的侧附接孔182与位于下半部166的上边缘160上的侧附接凸缘180匹配。
位于下半部166或上半部174或者两者上的相邻的侧附接凸缘180可由孔隙184分开，孔隙由第一外表面186、第二外表面190和第三外表面194限定出，第一外表面在第一附接凸缘188和排气扩压器26之间延伸，具有半径196，第二外表面在第二侧附接凸缘192和排气扩压器26之间延伸，具有半径198，第三外表面在第一和第二外表面186、190之间延伸，其中，第三外表面194具有比第一和第二外表面186、190的半径196、198大的半径200。第一外表面186上的半径196和第二外表面190上的半径 198可以相等。在一个实施例中，侧附接凸缘180可以是具有恒定厚度的大致矩形。
弹簧板扩压器支撑结构202可联接到排气扩压器26的下游边缘132，并可附接到涡轮排气壳体14。弹簧板扩压器支撑结构202可绕排气扩压器26周向地延伸。弹簧板扩压器支撑结构202可由多个弹簧板204形成，多个弹簧板绕排气扩压器26周向地延伸，使得间隙206存在于相邻的弹簧板204之间。在一个实施例中，弹簧板扩压器支撑结构202可由20个弹簧板形成。弹簧板204可以周向地弯曲。弹簧板204可包括位于上游和下游边缘210、212上的一个或多个附接系统208，以将弹簧板204固定到位。在至少一个实施例中，上游边缘210可包括上游凸缘214。上游凸缘214可从弹簧板204径向向外延伸。上游凸缘214可包括一个或多个凸缘孔218，凸缘孔218定位成与相邻支撑结构中的孔对准。弹簧板204可包括下游凸缘216。下游凸缘216可从弹簧板204径向向内延伸。下游凸缘216可包括一个或多个凸缘孔214，凸缘孔214定位成与位于排气扩压器中的下游附接孔136对准。
图6-10所示燃气轮机发动机10可包括图1-5所示其它部件中的一个或多个。例如，外壳11可以由涡轮排气壳体14和阀芯结构16形成。涡轮排气壳体14可绕排气扩压器26周向地延伸，外壳表面68绕中心纵向轴线AC周向地延伸。排气壳体14可包括排气壳体凸缘18。阀芯结构16可具有与排气壳体凸缘18形成接头22的阀芯结构凸缘20。热障/冷却系统44可以邻近排气扩压器26定位，以控制外壳11的温度。热障/冷却系统44可包括支撑在与外壳表面68相对的内壳表面42上的内部绝缘层46。内部绝缘层46可沿内壳表面42周向地延伸，并可针对来自位于外壳11径向内部的结构的辐射能提供耐热性。热障/冷却系统44可包括由板结构72限定的对流冷却通道48，板结构与外壳表面68径向间隔开，并可绕外壳表面68的圆周延伸。对流冷却通道48可以与内部绝缘层46大致轴向对准，并可形成冷却外壳表面68的环境气流的流路。
第二内部绝缘层124可支撑在阀芯结构16的内表面上。内部绝缘层124可沿阀芯结构16的内表面周向地延伸，并可针对来自排气扩压器26的辐射能提供耐热性。板结构72可延伸经过排气壳体凸缘18和阀芯结构凸缘20之间的接头22，以形成绕阀芯结构16的圆周延伸的对流冷却通道48 的第二部分82。对流冷却通道48可以与第二内部绝缘层124大致轴向对准，并可形成沿向上方向引导环境非强制气流以冷却阀芯结构表面的第二流路。外部绝缘层122可支撑在板结构72上，并覆盖板结构。板结构72可包括在轴向延伸接头98处连接起来的多个周向安置的板区段72a。穿过冷却通道48的气流可产生比环境空气压力低的压力，使得发生的任何空气泄漏是环境空气泄漏进冷却结构44中。
尽管示出和描述了本发明的特定实施例，但是本领域技术人员应明白，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它改变和修改。因此，意在于所附权利要求中涵盖位于本发明范围内的所有这些改变和修改。