CN100381677C - 燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃气轮机，包括若干静叶片，设置在壳体内侧的圆周上；若干动叶片，设置在转子盘侧的圆周上与静叶片相邻；密封盘，同轴连接到转子盘上游侧；第一TOBI喷嘴，将所容纳的排出空气作为涡流供给到密封盘，涡流以与密封盘相同的方向旋转；密封空气供应流动通道，与第一TOBI喷嘴排出口连通并把密封空气供给到静叶片和动叶片之间的空间中；盘孔，设置在密封盘上使涡流流过；密封空气旁通流动通道，通过将第一TOBI喷嘴和盘孔间的流动通道旁通将密封空气供给到密封空气供应流动通道；设置在密封空气旁通流动通道上游侧的第二TOBI喷嘴，其使密封空气形成涡流同时控制密封空气流动速度并将密封空气供应到密封空气旁通流动通道。

Description

燃气轮机

技术领域

本发明涉及一种使用来自燃烧室的经过燃烧的气体来旋转驱动的燃气轮机，更加具体地说，本发明涉及一种这样的燃气轮机：在该燃气轮机中，通过从切向内置喷射(tangential on board injection)喷嘴向转子盘排气来有效地提高功率。

背景技术

在燃气轮机设备中，来自压缩机的压缩空气被导入到燃烧室中，当该压缩空气与被导入到燃气轮机中的燃料一起进行燃烧时所产生的高温气体来驱动该燃气轮机设备。典型的设计是这样的，压缩空气的一部分作为排出空气被引入到冷却装置中并且进行冷却。该经过冷却的排出空气随后被导入到位于燃气轮机侧上的静叶片和动叶片，并用作这些叶片的冷却空气和用作位于动叶片和静叶片之间的密封空气。

在下面参照图4来解释向传统燃气轮机中的动叶片和静叶片的第一级装置排气的一个设计例子。图4是局部剖视图，示出排出空气到第一级装置的流动通道。位于纸面的左边而图中未显示出的压缩机同轴地设置在燃气轮机中。

在图4中，附图标记1和2各自示出第一级动叶片和第一级静叶片。若干第一级动叶片1设置在围绕转子盘3的圆周上，该转子盘3与压缩机共轴。第一级动叶片1接受来自压缩机的燃烧气体HF，因此使第一级转子盘3转动。若干第一级静叶片2设置在壳体内侧的圆周上，从而与第一级转子盘3共轴线。第一级动叶片1、第一级转子盘3和第一级静叶片2以这种方式进行设置，从而形成第一级装置4。密封盘7在第一级装置4的上游处连接在相同轴上。若干盘孔7a围绕着该轴对中形成并且相互之间具有相等的角度间隔，所述盘孔为穿透孔，来自上游的排出空气通过该穿透孔到达第一级装置4中。

图4中的附图标记5是排放室，该室容纳来自冷却装置的经过冷却的排出空气f1。已经被容纳在排出空气室5中的排出空气f1通过密封盘7中的盘孔7a，并且被供应到第一级转子盘3中。排出空气f1被导入到每个第一级动叶片中，并且从内部冷却这些叶片。若干切向内置喷射(TOBI)喷嘴10形成为在排放室5的排出口处对中地围绕着上述轴。沿着密封盘7的旋转方向喷射排出空气f1。借助以这种方式设置每个TOBI喷嘴10来把涡流传递到排出空气f1，有可能减少泵送损失。

图4中的附图标记f2是来自压缩机的密封空气。在通过迷宫式密封件8a、8b、8c和黄铜密封件9之后，密封空气f2横穿过每个TOBI喷嘴10的排出口的前部，通过黄铜密封件12和迷宫式密封件13a、13b，并且供给到位于第一级动叶片1和第一级静叶片2之间的空隙C中。供给到空隙C中的密封空气f2可以防止燃烧气体HF通过空隙C泄漏到内部中。

但是，这种传统燃气轮机具有下面所要进行说明的一些问题。

即，在从压缩机到空隙C的线路上的密封空气f2干扰从每个TOBI喷嘴10朝向密封盘7排出的排出空气f1的涡流。因此，圆周速度分量减小。圆周速度分量的减小使得泵送损失增大。其结果是，设置TOBI喷嘴10的效果受到损失。换句话说，燃气轮机损失了功率。

如果这种圆周速度分量的减小从开始就被预测到，那么人们可能考虑借助提高TOBI喷嘴的倾斜角度来增加这个分量。但是，当圆周速度分量增大时，减小了来自TOBI喷嘴10的输送压力。在这种情况下，每个TOBI喷嘴10的输送压力和燃烧气体HF的压力之间的差值变得较小，并且密封空气f2的流动速度减小了。其结果是，空隙C内的密封结构不能正常地起作用。燃烧气体HF从空隙C的渗透关联于用来旋转每个第一级动叶片1的功率减小。因此，燃气轮机又损失了功率。

如上所述，当向通过密封盘7的气流中加入圆周速度分量时，从而提高了燃气轮机的功率，反之，功率下降了。

发明内容

根据上述情况构思出本发明，本发明的目的是提供一种燃气轮机，在该燃气轮机中，排出空气被供应到从切向内置喷射(TOBI)喷嘴到密封盘的涡流中，其中该燃气轮机通过所述涡流可以有效地提高功率。

本发明采用了下面装置来解决上述问题。

本发明的一个方面提供了一种燃气轮机，它包括：若干静叶片，它们设置在壳体内侧的圆周上；若干动叶片，它们设置在转子盘侧的圆周上与所述静叶片相邻；密封盘，它共轴地连接到转子盘的上游侧；第一TOBI喷嘴，它将所容纳的排出空气作为涡流供给到密封盘，该涡流以与密封盘相同的方向旋转；密封空气供应流动通道，它与第一TOBI喷嘴的排出口相连通，并且把密封空气供给到位于静叶片和动叶片之间的空间中；盘孔，它设置在密封盘上，用于使涡流流过；密封空气旁通流动通道，用于通过将第一TOBI喷嘴和盘孔之间的流动通道旁通，把密封空气供给到密封空气供应流动通道；以及设置在密封空气旁通流动通道上游侧的第二TOBI喷嘴，该第二TOBI喷嘴使密封空气形成涡流同时控制密封空气的流动速度，并将密封空气供应到密封空气旁通流动通道。

上述燃气轮机的设计使得引导在静叶片和动叶片之间区域中的密封空气流过密封空气旁通流动通道。因此，从第一TOBI喷嘴中所排出的涡流没有受到密封空气的干扰。其结果是，涡流保持着它的圆周速度分量被供给到盘孔中，因此涡流有助于密封盘的旋转动力，并且密封盘的旋转得到了加速。其结果是，燃气轮机的功率提高了。

在上述燃气轮机中，在静叶片和动叶片之间设置双密封结构也是可以接受的。

第一TOBI喷嘴所产生的涡流减少了在第一TOBI喷嘴排出口处的静态压力并且减少了提供密封空气的流动速度。借助这种在燃气轮机的静叶片和动叶片之间设置双层密封结构，即使在有较低的密封空气流动速度的情况下，能够可靠地防止燃烧气体从空隙的进入。

在上述燃气轮机中，可以设置第二TOBI喷嘴，该喷嘴接受一部分的排出空气以形成涡流，并且控制着到密封空气旁通流动通道的密封空气的流动速度。

在这种燃气轮机中，当密封空气通过由第二TOBI喷嘴所形成的涡流时，从上游流到位于下游侧上的密封空气旁通流动通道的该密封空气的流动速度在涡流的下游侧上保持不变。由于可以防止密封空气的流动速度变得过大，因此燃气轮机的旋转效率可以得到进一步的提高。

附图说明

图1示出根据本发明的燃气轮机的实施例，示出排出空气到第一级装置的流动通道的局部剖视图；

图2示出相同燃气轮机中的相同零件的主要部分，并且是图1的部分A的放大视图；

图3示出相同燃气轮机中的相同零件的其它主要部分，并且是沿着图1中的线B-B的透视图；

图4示出传统燃气轮机的实施例，示出排出空气到第一级装置中的流动通道的局部剖视图。

具体实施方式

参照图1-3来解释本发明的燃气轮机的实施例。当然，本发明不局限于此。

注意，在下面的讨论中，位于上游侧(即图1纸面的左侧)上的密封空气S和排出空气F1的流向和位于下游侧(即图1纸面的右侧)上的密封空气S和排出空气F1的流向分别称为“上游侧”和“下游侧”。此外，包括密封盘34和第一组转子盘32在内的旋转件的旋转轴线的方向(图1中的左和右)在下面讨论中称为“轴向”。

如图1所示，本发明的燃气轮机设置有第一级装置30，该装置30具有：第一级静叶片31(静叶片)，它们设置在壳体内侧上的圆周上；第一级转子盘32(转子盘)，它邻近这些第一级静叶片31；以及第一级动叶片33(动叶片)，它们设置在绕着第一级转子盘32的圆周上。注意，具有相同结构的第二级装置、第三级装置等(未示出)共轴地连接在第一级装置30的下游侧上。其结果是，在轴向上静叶片和动叶片交替地设置。

若干第一级动叶片33绕着第一级转子盘32进行设置。借助容纳来自附图中没有示出的燃烧室中的燃烧气体，第一级转子盘33受到旋转驱动。此外，若干第一级静叶片31内置于壳体的内侧上，从而与第一级转子盘32共轴线。

包括第一级转子盘32的每一级转子盘共轴叠置以形成一个转子，该转子通过密封盘34和连接转子35共轴地连接到设置在上游处的压缩机(未示出)的转子。

图1中的附图标记36示出用来容纳排出空气的排放室，其中该排出空气为经过冷却装置(未示出)冷却之后从压缩机中排出的气体。排放室36形成为第一分隔壁37和第二分隔壁38之间的圆形空间，其中第一分隔壁固定到每个第一级静叶片31的内罩31a的内边缘侧上，而第二分隔壁38进一步由第一分隔壁37的内边缘侧进行支持。

若干排出空气引入孔(未示出)形成在第一分隔壁37上，该第一分隔壁37对中地绕着每个转子盘的旋转轴。这些排出空气引入孔将排出空气F1从冷却装置引入到排放室36中。

第二分隔壁38是圆形零件，它共轴地绕着密封盘34和连接转子35设置。第二分隔壁38把第一分隔壁37的内部保持在静止状态下。若干切向内置喷射(TOBI)喷嘴39设置在圆周上，该圆周沿着第二分隔壁38的内边缘表面的宽度方向(轴向)进行对中。黄铜密封件40、41和迷宫式密封件42固定就位，其位置比每个TOBI喷嘴39在第二分隔壁38的内边缘表面上的位置更加处于上游位置。TOBI喷嘴43(第二TOBI喷嘴)固定就位，其位置与TOBI喷嘴39相比更加位于上游，用于容纳排放室36内的排出空气F1的一部分，并且形成涡流，以及朝向连接转子35的外边缘表面喷出涡流。另一方面，黄铜密封件44和一对迷宫式密封件45、46固定就位在与第二分隔壁38的内边缘表面上的每个TOBI喷嘴39相比更加远离下游的位置。

密封盘34是转子盘，它设置和连接在第一级转子盘32和连接转子35之间。若干盘孔34a形成在圆周方向上，该圆周方向以彼此相等的角度距离对中在转子盘的旋转轴线上。这些盘孔34a在与旋转轴线对中的径向上的位置与每个TOBI喷嘴39的排出口的中心重合，其中盘孔34a形成穿透孔，这些穿透孔平行于旋转轴线。

通过这些盘孔34a的排出空气F1通过形成在位于第一级装置30之外的每个后级转子盘中的盘孔，然后通过这些后面级的动叶片，从内部冷却它们。换句话说，在第一级装置30的情况下，例如，通过盘孔34a的排出空气F1的一部分通过第一级转子盘32中的径向孔32a，然后被导入到流动通道(未示出)中，该流动通道形成在第一级动叶片33的内部中，冷却第一级动叶片33。同时，通过每个盘孔34a的排出空气F1的一部分通过第一级转子盘32的盘孔32b，并且用于冷却第二级装置和后级装置(未示出)。

径向孔32a是若干流动通道，它们形成在第一级转子盘32的径向上。以相互相等的角度间隔绕着第一级转子盘32的轴线对中形成径向孔32a。此外，使用设置到第一级转子盘32上的孔板32c，将通过径向孔32a并且朝向每一个第一级动叶片33中的排出空气F1的流动速度被调整成不变的速度。未示出的若干孔设置在孔板32c中并用来实现流动速度的调整。在这个实施例中，由于排出空气F1设置为涡流，因此排出空气F1的供给压力较小。为了提高该较小的供给压力，因此使孔的开口直径大于传统设计中的直径(若需要，孔板32c可以省去)。出于相同的原因，径向孔32a的孔径大于传统设计中的直径。

每个盘孔32b在与第一级转子盘32的旋转轴线对中的径向位置与每个径向孔32a的中心重合，其中盘孔32b形成穿透孔，这些穿透孔平行于旋转轴线。在后级的转子盘中形成类似的盘孔，而每级的孔径不相同。其结果是，供给到动叶片、用来进行冷却的排出空气F1的流动速度得到自动调整。

附图标记S表示密封空气，该密封空气用来防止燃烧气体通过位于第一级动叶片33和第一级静叶片31之间的空隙而进入到内部中。密封空气S来自压缩机。密封空气S横贯密封空气供应流动通道50，该流动通道与每个TOBI喷嘴39的排出口连通并把密封空气S供给到上述空隙中。密封空气供应流动通道50通过下面方法来形成：在密封盘34的外边缘表面和第二分隔壁38的内边缘表面之间形成空隙流动通道，并且在第一级转子盘32和第一级分隔壁37之间形成空隙流动通道。

根据这个实施例的燃气轮机的特征在于，设置了密封空气旁通流动通道55和双层密封结构56，借助使位于每个TOBI喷嘴39的排出口和每个与这些排出口相对的盘孔32b之间的流动通道进行旁通，旁通流动通道55把密封空气S提供到密封空气供应流动通道50中，而双层密封结构56设置到位于第一级动叶片33和第一级静叶片31之间的空间中。

密封空气旁通流动通道55是管子，它用于容纳从压缩机供给来的、通过TOBI喷嘴43、黄铜密封件40和迷宫式密封件42之后的密封空气S，并且导向该密封空气以使其通过密封空气供应流动通道50。以相互相等的角度间隔绕着密封盘34的旋转轴线对中地设置若干密封空气旁通流动通道55。

如图2所示，通过设置两个突出部56a、56b和两个密封件56c、56d形成双层密封结构56，所述两个突出部56a、56b形成在第一级动叶片33上的内罩33a的上游边缘，所述两个密封件56c、56d分别靠着突出部56a、56b滑动，并且在第一级分隔壁37侧部上固定就位。

密封件56c固定就位在内罩31a的下游边缘上。密封件56d固定就位在第一分隔壁37的下游边缘，并且都固定就位在第一级空间37侧上。密封件56c、56d和突出部56a、56b交替地设置，从而相互接合，以形成若干弯曲的流动通道。这些弯曲的流动通道是双层结构，该双层结构包括：第一级密封结构，它由突出部56b和密封件56d形成；以及第二级密封结构，它由突出部56a和密封件56c形成。与单层密封结构相比，即使密封空气S具有较小的流动速度，双层密封结构也可以有效地密封空隙。

这个实施例的燃气轮机的特征还在于设置了TOBI喷嘴43。如图3所示，TOBI喷嘴43设置在第二分隔壁38上，从而连通排出空气室36和密封空气S的旁通流动通道，该密封空气S的旁通流动通道形成在连接转子35的外边缘表面和第二排出空气室36的内边缘表面之间。

以相互相等的角度间隔与连接转子35的旋转轴线对中地设置若干TOBI喷嘴43。作为具有这些TOBI喷嘴43的结果，收集在排出空气室36内的排出空气F1的一部分借助减少它的面积而被加速了，并且喷射到连接转子35的外边缘表面上。以这种方式喷出的排出空气F1在连接转子35的周围形成环形涡流。其结果是，来自压缩机、通过该涡流并且到达密封空气旁通流动通道50的密封空气S的流动速度可以得到控制，并且可以防止该流动速度变得过大。

将解释在具有上述结构的本实施例的燃气轮机中的排出空气F1和密封空气S的流动情况。

首先解释排出空气F1的流动情况。收集在排出空气室36内的排出空气F1借助通过TOBI喷嘴39来形成涡流，并且在这种情况下被喷射到密封盘34。以这种方式喷射的密封空气S形成这样的涡流：该涡流以与密封盘34的旋转方向相同的方向进行旋转。其结果是，当密封空气S通过盘孔34a时，其有助于并加速了密封盘34的旋转动力。这时，在来自每个TOBI喷嘴39的涡流上没有来自密封空气S的干扰，因此可以保持涡流的圆周速度分量。

由TOBI喷嘴39形成的涡流，导致在TOBI喷嘴39的排出口静态压力减小。但是，如上面所解释的那样，在这个实施例中，在第一级静叶片31和第一级动叶片33之间采用双密封结构56。其结果是，有可能可靠地防止燃烧气体加入，即使在低的密封空气流动速度下。

在通过径向孔32a之后通过孔板32c时，已经通过每个盘孔34a的排出空气F1的一部分的流动区域被减小了，并且作为冷却流供给到第一级动叶片33内。经盘孔32b的排出空气F1的流量被供给用来冷却后面各级中的动叶片。

另一方面，在容纳于排出空气室36之后从每个TOBI喷嘴43中所喷出的排出空气F1形成了这样的涡流：该涡流绕着连接转子35以相同方向转动，并且防止密封空气S的流动速度变得过大。

接下来，解释密封空气S的流动情况。一旦使用从每个TOBI喷嘴43所喷射出的涡流使来自压缩机的密封空气S被保持到适合的速度上，其通过黄铜密封件40和迷宫式密封件42，并且被导入到密封空气旁通流动通道55中。

从这些密封空气旁通流动通道55中所喷射出的密封空气S通过黄铜密封件44和迷宫式密封件45、46，被引入到密封空气供应流动通道50中，并且供给到位于第一级动叶片33和第一级静叶片31之间的空隙中，因此密封所述空间。

工业应用

在根据上述实施例的燃气轮机中，采用了这样的设计：设置有密封空气旁通流动通道55，从而借助旁通位于TOBI喷嘴39和盘孔34a之间的流动通道，把密封空气S供给到密封空气供应流动通道50中，并且设置有双密封结构56，该密封结构56设置在位于第一级静叶片31和第一级动叶片33之间的空隙中。作为这种设计的结果是，在盘孔34a处从TOBI喷嘴39所喷射出的涡流没有受到来自密封空气S的干扰。因此，保持了涡流的圆周速度分量。其结果是，涡流有效地起着转动密封盘34、甚至使密封盘34转得更快的驱动源的作用，因此燃气轮机的功率可以得到提高。此外，借助位于第一级静叶片31和第一级动叶片33之间的空隙中设置的双密封结构56，有可能可靠地防止燃烧气体通过这个空间引入。因此，由于TOBI喷嘴39出口处的静态压力减少而产生的密封空气S的流动速度的下降量可以得到补偿。

相应地，由于没有产生功率损失，因此可以避免对降低连接到燃气轮机上的发电机(未示出)的能量产生能力减少的忧虑。

根据这个实施例的燃气轮机采用了这样的设计：设置了一些TOBI喷嘴43，这些喷嘴43容纳排出空气F1的一部分，将它形成涡流，并且控制密封空气S在密封空气旁通流动通道55处的流动速度。在这种设计中，其结果是，可以防止密封空气S的流动速度变得过大。因此，燃气轮机的旋转效率可以得到进一步的提高。

Claims (2)

1.一种燃气轮机，它包括：

若干静叶片，它们设置在壳体内侧的圆周上；

若干动叶片，它们设置在转子盘侧的圆周上与所述静叶片相邻；

密封盘，它同轴地连接到转子盘的上游侧；

第一TOBI喷嘴，用以将所容纳的排出空气作为涡流供给到密封盘，该涡流以与密封盘相同的方向旋转；

密封空气供应流动通道，它与第一TOBI喷嘴的排出口连通，并且把密封空气供给到位于静叶片和动叶片之间的空间中；

盘孔，它设置在密封盘上，用于使涡流流过；

密封空气旁通流动通道，用于通过将第一TOBI喷嘴和盘孔之间的流动通道旁通，将密封空气供给到密封空气供应流动通道；以及

设置在密封空气旁通流动通道上游侧的第二TOBI喷嘴，该第二TOBI喷嘴使密封空气形成涡流同时控制密封空气的流动速度，并将密封空气供应到密封空气旁通流动通道。

2.如权利要求1所述的燃气轮机，其中还包括设置在静叶片和动叶片之间的双密封结构。

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