CN1011153B - 用于燃气轮机中冷却系统的涡流喷嘴 - Google Patents

Abstract

来自热燃气轮机的气轮机喷嘴导叶的冷却空气，从导叶处通过一空气接头被集流在一起，一导管将接头和邻近气轮机叶轮的端头连接在一起，因此，空气流经导叶和导管从其端部以对准气轮机叶轮的喷流型式被排出，装有导叶的涡流喷嘴被插入导管内，靠近气轮机叶轮，以便把旋转动量输给从螺纹接头处排出的空气流。排出的空气流然后顺着叶轮的旋转方向切向对准或靠近气轮机叶轮。

Description

本发明涉及燃气轮机中的空气冷却系统，尤其涉及空气冷却系统中的涡流喷咀装置，它引导来自气轮机喷咀导叶的冷却空气切向对准气轮机叶轮。

热燃气轮机采用一个或多个燃烧室，燃料空气混合物在其中燃烧，产生热燃气源。热燃气从燃烧室被导入一个或多个燃气轮机叶轮，在那里，使热燃气流到燃气轮机叶片之间或安装于每个燃气轮机叶轮上的沿圆周排列的叶片之间。这些涡轮叶片或叶片对冲击的热燃气起反作用，将燃气中的能量转换成燃气轮机叶轮的旋转运动。在某些情况下，燃气轮机叶轮和压气机共同安装在一根轴上，旋转着的燃气轮机叶轮其时也驱动压气机，压气机为发动机中燃料燃烧提供空气。因为发动机利用了流经其间的大量高热燃气，使许多暴露于热燃气中的部件和发动机结构达到极高的温度。在某些情况下，这些另部件的温度高到某种可能损害结构的程度。在这种情况下，可从压气机中引出冷却空气，用来冷却所提到的部件和结构。这种冷却空气也许有一相当大的速度分量，因此，对于冲击到以极高转速运动或旋转的发动机的部件上的冷却空气的方向，必须予以适当关注。此外，使用了大量的冷却空气，而它在发动机中以有利的方式最终排出是人们所希望的。

本发明的目的是引导一定量的冷却空气，流经热燃气轮机的喷咀导向叶片，沿一条适当的流动路经，切向靠近一对燃气轮机叶轮中的 前的一个，顺着前一叶轮的旋转方向，作为一股喷射空气流排出。

本发明的另一目的是在喷射空气流方面提供一个改进了的涡流喷咀，以便对喷射空气流施加旋转作用，使气流顺着叶轮转向，对准靠近叶轮的切线方向。

本发明的再一个目的是要规定流经发动机进入群流的所述喷射空气流的最终配置。

流经处于热燃气轮机中叶轮间的喷咀导叶的冷却空气经适当的导管被引至面对叶轮的侧壁的孔内。一空气喷流顺燃气轮机叶轮的旋转方向从孔中喷出。一种特别适用的涡流喷咀配置于所述孔中。冷却空气流入所述孔内，并流经涡流喷咀。在穿过喷咀的空气流道的矩形区的气流控制导叶对流动的空气流施加一个旋转作用力，因此，它作为一股顺着叶轮旋转方向、靠近前一级叶轮、被切向引导的空气喷流从喷咀流出。从喷咀流出的冷却空气喷流靠近前一级叶轮对准共同的区域，那里气轮机叶轮的涡轮叶片或叶片被固定于叶轮圆盘上。当供应的空气作为冷却目的被利用后，使其沿着发动机中某一预定的路径流动，跟流经发动机的空气群流混合以提高其效率。

如果将下面的叙述和附图联系起来，那么本发明会被更充分的理解。

图1是热燃气轮机的局部纵剖视图;

图2是本发明的涡流喷咀的对切剖视图;

图3是图2涡流喷咀的表示其次装关系的图解;

为了叙述本发明，在图1中仅图示了燃气轮机的有关细节。在图1中，热燃气轮机10包括刚性铸件11，它并且被用作发动机的机架。发动机10包括一空气压缩机（未示出），它给燃烧室12供应 空气。适当量的燃料输入燃烧室12，在那里和来自压气机的空气混合，点燃并燃烧。在某种典型的热燃气轮机中，将诸如燃烧室12的许多燃烧室围绕着发动机10的中心线沿圆周安装成一排。来自燃烧室12的热燃气进入一环形通道或腔道13，腔道13引导在气轮机圆盘15上沿圆周安装成一排的气轮机涡轮叶片或叶片14之间的热燃气。气轮机涡轮叶片和叶片跟气轮机圆盘或转子组合在一起被称作气轮机叶轮，在热燃气轮机中可以采用一个或多个气轮机叶轮。

如图1所示，采用了3个轴向间隔的气轮机叶轮16、16′和16″，每个叶轮的涡轮叶片和叶片14，14′和14″延伸到环形通道13，这样来自燃烧室12的燃气流在其中连续地冲击每个叶轮上的叶片14、14′和14″，将旋转能量传给叶轮。叶片14的反作用引起了热燃气流方向变化，并使刚通过叶片14间的热燃气流产生某种旋转速度分量。然而，如果在叶轮间热燃气基本上按轴流型流动，并且被引导以最佳状况和方向来冲击叶片14，那么从热燃气流到叶片14的能量交换是最大的。

因此，为了将热燃气流以最佳状态和方向导入叶片14，在气道13的热燃气流中安装了一环形排列的喷咀或导叶17，如图示那样，采用了3排喷咀导叶17，17′和17″，每排邻近3个叶轮16，16′和16″中的每个叶轮，因此，譬如说叶轮16，它是燃烧室12和叶片排17′之间的前导叶轮，或者说叶片16是叶片排17′的前导叶轮。喷咀导叶17是按气道13中热燃气流的方向定位的，并且承受着极高的温度，该温度能引起叶片翘曲或别的结构变形或损坏。因此，就希望有一些冷却叶片的装置。在图1中，空气的供应取自压气机，它先于进入燃烧室12之前，并被引入一环室或 压力通风系统18中，它同心地围绕邻近第二级叶片16′的一排导叶17′。导叶17可以是空心的（如虚线所示）或具有垂直的空气通道，通过该通道和压力通风系统保持空气流动关系。为了使导叶17′冷却，来自压力通风系统18的冷却空气通过导叶使其成为径向向内流动。和这种冷却方案有关联的一种重要因素是需要一些装置来有效地利用现有冷却空气的最大冷却能力，同时需要一些装置最好以有利或有益的方式来最终配置发动机中的冷却空气。图1表示了适于这些目的某种发动机结构。

在图1中，表示了第1和第2级燃气轮机叶轮16和16′。介于每对叶轮之间的是间隔叶轮7、8和9（未示出）。譬如说，在图1中间隔叶轮7介于相邻叶轮16和16′之间。介于一系列气轮机叶轮，诸如叶轮16和16′之间的还有喷咀结构19。喷咀结构19包括一系列圆周扇形体，它们共同组成一个360°环状结构。每个圆周扇形体由一个或多个导叶17′组成，它们和气道13的壁20和21整体浇注而成。气轮机叶轮之间的区域或空间指的是叶轮空间，并且一般来说包括喷咀导叶环形结构19下流的空间。空气接头22悬挂在壁21的下边，并连于一个或多个喷咀装置的出口端，每一扇形体可包括一个或多个空气接头。

来自压力通风系统18的冷却气流经导叶17′进入接头22。一敞口的刚性端接的导管或螺纹接头23一端跟接头22保持空气流通关系，而另一开口端沿轴向伸向前一级叶轮16。自螺纹接头23喷出的空气流对着叶轮16上叶片14固定于叶轮圆盘15处的共同区域。因此，有许多分散的空气接头、螺纹连头、涡流导流盘在装配后的外壁扇形体21下边的径向内部空间内排列成360°弧形。 然而，在图1和图3所示的该发动机中，有一环形空气集流器腔室，被称作涡轮导流盘，它被同心地配置在喷咀导叶装置19的壁21下边，并且可以是喷咀导叶装置19的整体部分。因此喷咀导叶装置19的每一圆周部分有其自己的涡流导流盘部分。当采用这种涡轮导流盘24时，可将靠近涡轮机叶轮16的螺纹接头23的端部端接于腔室24的直立侧壁26中的孔内，如图所示。来自导叶17′的冷却空气然后流入接头22，经螺纹接头23和孔25，对着叶轮16，通常被导入叶片14连接于叶轮圆盘15的区域。正是这个区域，燃气轮机叶轮的温度控制变得极其重要，因而一种冷却装置是显然有益的。

业已发现，从孔25或螺纹接头23被喷出的冷却空气喷注或气流，应当具有最佳的方向性。如果来自孔25的速度较高的冷却空气喷注垂直对着汽轮机叶轮圆盘15，那末，由于叶轮的旋转方向和来自孔25的空气流方向彼此成直角，使冷却空气喷注相对于叶轮16线速度的相对速度非常高，因而此种方案不利于最大限度的冷却。

业已发现，如果由孔25喷出的冷却空气流和前一级叶轮16的旋转方向正好相切，那么，叶轮圆盘15的冷却比较有效。因此需要某种空气流控制装置来为来自孔25的冷却空气产生一种确定的旋转动量。业已发现，一种装有叶片的特殊喷咀，也就是涡流喷咀，可装于孔25内，尽管用于产生旋转动力的轴向距离非常短，它仍会提供必要的旋转动量。

根据本发明的实践，在图2中表示了一种涡流喷咀27。现在参看图2，涡流喷咀27包括一短的薄壁圆柱体28，后者具有一对平行而对应的表面29和30，分别代表进口面和出口面。圆柱体28还包括一贯穿其间的连续空气通道32。通道32通常由其中的一对 连续的通道31和33构成，它们在圆柱体内彼此交切。第一通道31其断面是圆柱形的，称为入口通道31，其中心线和圆柱体28的平面29相垂直。另一通道33称为出口通道33，其断面为矩形，并且其中心线跟圆柱体28的平面30构成约小于45°的角度。通道32是贯穿圆柱体28的连续的但有角度的通道。通道31和33各自的中心线在圆柱体28内彼此相交，并形成了通道31由其圆柱形断面圆滑地过渡到通道33的矩形断面的区域。

仅靠形成角度的通道32是不足以提供这种所要求的空气旋转动量的，因为圆柱体28的长度比较短。通常为了有效地使空气产生所希望的旋转，该旋转力应在相当长的气流长度上作用于气流。已经发现，在圆柱体28的矩形通道33内附加一定量的弯转导叶可提供所需要的旋转动量增量，在图2中表示了许多这种弯转导叶34。导叶34是比较薄的弧形而又平行的构件，它悬挂于形成通道32的圆柱体28的壁上，并从那里延伸，特别是悬挂于形成矩形通道33的圆柱体28的壁上，并从那里延伸。

业已发现，通过铸造工艺，而后将导叶34铸在适当的位置来制造涡流喷咀是有利的。正如图示那样，导叶34明显伸入通道32及其中的空气流。导叶装置的大部分属于通道32的矩形区段33。可以认为每一导叶具有3个区段，第一轴向区段35，平行于通道33的中心线，并从圆柱体28的平面30延伸到通道31和33的交会点。在该点，有一圆弧区段36，向极短的第二轴向区段37作圆滑过渡，区段37伸入圆柱形通道31，和其中心线平行。导叶片34提供了非常有效的空气流控制装置以及一确定和有效的旋转力量来使流经通道32的空气流旋转，因而使它按所希望的方向离开喷咀27。

从图2的观察中可以理解，如果没有旋转导叶34，那么流经圆柱体28内的通道32的高速空气流的主体部分会沿轴向喷出，因为在平面30内的孔33的相当部分面积是正对着平面29内的孔32的。弧形的或带角度的通道33的壁不仅会把相当的切向分量加于空气流。导叶片34，如图所示，起初矫正而后使圆柱体28内的空气流旋转，它们的弧形表面为控制从圆柱体28的平面30内的矩形孔33中喷出的气流提供了一种手段。

由于顺着气轮机叶轮的旋转方向，以切向方式把冷却空气导向叶轮，空气流相对于气轮机叶轮的相对速度减小，从而使气轮机的运转温度较低。

图3表示了本发明的涡流喷咀27在热燃气轮机内的装配。在图3中，喷咀导叶装置19包含空心导叶17′，它适于使来自图1压力通风系统18的冷却空气通过导叶17′。再参看图1和图3，冷却空气从接头22流经刚性固定螺纹接头23，并通过本发明的涡流喷咀27，靠近前一级叶轮16的旋转圆盘15切向流出。冷却空气从该处沿叶轮圆盘15及叶片14与壁21的一端之间径向向外逸出，进入通道13内的热燃气中，而有利地成为通过发动机10的空气群流部分。

把涡流喷咀27装入发动机10的一种方法示于图2和图3中，该方法包括在涡轮导流盘24的侧壁26内的孔25中形成一阶梯孔38，并与孔25偏心。然后喷咀27被压入阶梯孔38内直至其端面30根涡轮导流盘24的侧壁26的外表齐平为止。此时，孔25内的螺纹接头23的端面将和涡流喷咀27的阶梯孔40接合。此后，涡流喷咀27可以通过各种方法机械地被保持在阶梯孔38内，例如 通过打销钉或铆边44的方法。按照在发动机10中顺序的装配，必须采取一些措施，其目的在于使涡流喷咀27被正确的定心，并且使喷咀27的通道31内的导叶34以适当的角度引导空气流切向靠近叶轮圆盘15。达到正确定心的一种措施，包括扩一阶梯孔40，相对于圆柱体28或喷咀27的外径成偏心关系。当喷咀27被插入涡轮导流盘24的阶梯孔38时，喷咀27的入口端面29会邻接螺纹接头23的伸出端。螺纹接头23届时突入涡轮导流盘24的阶梯孔38内，并且，如果偏心距是正确的话，阶梯孔40会和螺纹接头接合，从而使喷咀27装入涡轮导流盘24内。当喷咀27被插入孔25的阶梯38孔内时。应在其中转动，直到通道32的阶梯孔40自身正确地定心、与螺纹接头23的端部接合为止，所有部件都有必要正确定心。

这样，本发明为热燃气轮机的叶轮提供了一股确定的被切向导向的冷却气流，该气流来自喷咀导叶冷却系统。

在图示和叙述了本发动的优选实施方案之后，对于那些熟知本技术的人来说，在不背离由附加的权利要求书所规定的本发明范围的情况下，可以作出各种变化和修改是显而易见的事。

Claims (6)

1、一种燃气轮机的空气冷却系统，包括一个外壳、许多安装在壳体内能旋转的轴向间隔的气轮机叶轮，叶轮具有安装于其上的径向向外伸展的叶片；一种安装在气轮机各叶轮之间的包括喷咀叶片的静止的环形构件；所述装有叶片的气轮机叶轮和所述静止环形构件构成了热燃气流道；在热燃气流道和静止构件的外壁之间形成了一环形压力通风系统，一涡轮导流盘从静止构件的内壁处悬挂下来；为了将环形压力通风系统的冷却空气导致涡流导流盘，一些空气通道至少要经过若干喷咀叶片；从环形构件内壁处悬挂下来许多空气接头，每一空气接头至少和一喷咀叶片保持流体连通；在涡轮导流盘中至少制出一个孔口，面对上流的前一级气轮机叶轮；其特征在于：

在涡轮导流盘中制出一扩大的阶梯孔，和各自的孔偏心；

旋式喷咀被插入上述扩大的阶梯孔中，所述涡旋式喷咀包括一偏心涡旋式喷咀阶梯孔；

一螺纹接头借助于涡轮导流盘中制出的孔连接于空气接头和涡旋式喷咀阶梯孔之间，从而将冷却空气从环形压力通风系统经各喷咀叶片输送到各空气接头，并经各螺纹接头输送到面对上游的前一级叶轮的各涡旋式喷咀。

2、按照权利要求1所述的燃气轮机的空气冷却系统，其特征在于，所述涡流式喷咀包括：一个制有偏心的涡流式喷咀阶梯孔的圆柱体;一个穿过上述圆柱体的空气通道包括一个与所述涡流式喷咀阶梯孔同心的通道入口和一个与所述通道入口连保持续的但相对于所述通道入口和涡流式喷咀阶梯孔偏心的通道出口。

3、按照权利要求2所述的燃气轮机的空气冷却系统，其特征在于，还包括设置于通道出口处的涡流式喷咀导叶，因此，涡流式喷咀相对于涡轮导流盘孔是偏心的，并且所述通道出口相对于涡流式喷咀阶梯是偏心的，从而使冷却空气流经涡流式喷咀时产生旋转，并对准前一级气轮机叶轮的切线方向。

4、按照权利要求1所述的燃气轮机的空气冷却系统，其特征在于，所述涡旋式喷咀包括：

具有平行的对应入口和出口平面的正圆柱体，所述入口平面具有一圆柱形通道，通道穿过入口平面而成为圆柱体，所述出口平面具有一通道，通道穿过入口平面而成为圆柱体，和伸向入口平面的上述圆柱体交切，在上述出口平面的上述通道其断面为矩形，所述入口平面具有穿过该入口平面的呈圆柱体的涡流式喷咀阶梯孔，所述阶梯孔相对于所述正圆柱体的外径是偏心的，所述螺纹接头通过安装在所述孔内的喷咀件插入所述阶梯孔内。

5、按照权利要求4所述的燃气轮机的空气冷却系统，其特征在于，在所述入口平面内的孔是圆柱形孔，而在所述出口平面内的孔是一矩形孔，所述圆柱形通道垂直穿过上述入口平面，所述矩形通道以相对于所述出口平面成某一锐角穿过所述出口平面，并且和所述圆柱体内的上述圆柱通道交切，形成一穿过所述圆柱体的连续的斜角通道。

6、按权利要求1所述的燃气轮机的空气冷却系统，其特征在于所述涡流式喷咀包括有：

（a）具有一对平行的对应的平面的正圆柱体构件，对应平面由一入口平面和一出口平面组成;

（b）所述圆柱体具有一穿过其间的斜角空气流道，从所述入口平面开始穿过该入口平面，而后穿过所述圆柱体通道和所述出口平面;

（c）所述空气流道包括一个轴向伸进所述入口平面而进入所述圆柱体的圆柱形通道;一个倾斜伸进所述出口平面而进入所述圆柱体，并和所述圆柱形通道相交切而形成一贯穿所述圆柱体的倾斜空气流道的矩形通道;

（d）在所述矩形通道内的多个空气流导叶件，引导空气流流经上述斜角空气流道，而在所述圆柱体外，在其矩形孔口处，相对于所述出口平面构成约小于45°的角度;

（e）上述圆柱形通道在邻近所述入口平面处的通道内具有一阶梯孔。

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