CN101333937A - 涡轮机转子盘槽的冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机转子盘槽的冷却装置，该装置包括：转子盘(4)，其具有多个槽(10)和从盘的上游径向表面(16)向上游延伸的环形凸缘(14)。该装置还包括保持环(22)，其具有置于盘凸缘(14)周围的环形凸缘(24)，与凸缘(14)共同留出形成冷却气体扩散腔的环形空间(28)，所述腔开口到每个盘槽的底部；和多个开口到扩散腔的上游端的进气孔；腔(28)的下游端具有用来减小气体渗入到盘上与进气孔径向对准定位的槽(10a)中的流动速度的装置(32)。

Description

涡轮机转子盘槽的冷却装置
技术领域
本发明涉及周边上带有用来安装叶片根部的槽的涡轮机转子盘的一般领域，本发明更特别涉及能够对这些槽进行有效冷却的装置。
背景技术
众所周知，涡轮机转子盘，例如低压涡轮各级中的盘，在其周边上包括多个大致轴向的槽，涡轮机转动叶片的根部啮合在槽中。
在涡轮机工作时，低压涡轮机上设置叶片的流动截面穿过温度非常高的气体。因此盘上用来容纳叶片根部的槽因而会直接暴露在热气中，因此有必要对其进行冷却以避免给盘造成任何损伤。
鉴于此，已知方法是获取在低压涡轮机流动截面外侧流动的一小部分气体并通过冷却回路将其引导到转子盘的槽中。在实际中，每个转子盘具有从盘的上游径向表面向上延伸的环形凸缘，其周围安装有保持环。盘凸缘和保持环被布置成以便在二者之间形成构成冷却气体扩散腔的环形空间。该扩散腔的上游端通过多个规则分布在盘转轴周围的孔，下游端开口到盘中每个槽底部被供给冷却气体。涡轮机流动截面外流动的气体通过这些孔渗入到冷却回路的扩散腔中，在所述腔中扩散，然后对盘槽进行换气以便对其进行冷却。
然而，这种类型的冷却回路不能使转子盘的所有槽均获得完全均匀地冷却，而这对盘的正常操作是有害的，同时对盘的使用寿命也会造成损害。易于理解具有这种结构即与冷却回路的空速孔完全成直线布置的槽比与其倾斜偏离的槽的冷却效果好得多。
发明内容
本发明通过提出一种能够改善转子盘槽冷却效果以增加其使用寿命的装置来改善上述缺陷。
利用一种涡轮机转子盘槽的冷却装置来获得本发明的目的，所述装置包括：
转子盘，包括：
在其周边上的多个规则分布在盘转轴周围的大致轴向槽；和
从盘的上游径向表面向上游延伸的环形凸缘；
保持环，安装在盘的径向表面的上游，包括向上游延伸并置于盘凸缘周围的环形凸缘，其与凸缘共同留出形成冷却气体扩散腔的环形空间，在其上游端，所述扩散腔的下游端开口到每个盘槽的底部；和
多个进气孔，其规则分布在盘转轴周围，并开口到扩散腔的上游端；
该装置的特征在于气体扩散腔的下游端包括用来减小气体渗入到盘上与进气孔径向对准定位的槽中的流动速度和用来增大气体渗入到远离进气孔的槽中的流动速度的装置。
术语“与进气孔径向对准定位的槽”用来指与每个孔位于大致相同径向表面的槽或每个槽。
通过减小气体渗入到转子盘上那些与进气孔径向对准定位的槽的流动速度，必然地增大气体渗入到远离进气孔槽中的流动速度。因而在整个盘上，冷却气体进入到盘中每个槽中的量大致相等。因此，对盘上所有槽的冷却完全均匀，因而可以增大盘的使用寿命。
优选地，盘凸缘的外表面，和/或保持环的凸缘的内表面的下游端具有突起，面向与盘上进气孔径向对准定位的每个槽，突起伸入气体扩散腔(28)中以减小气体渗入到所述槽中的流动截面。对于相等速度，减小气体流动截面与减小气体渗入槽中的流动速度一致。
根据优选的特征，每个突起在面向盘上与相应进气孔径向对准定位的槽处具有最大高度，以使那里的气体流动截面最小，在相应进气孔和与其直接相邻的两个进气孔之间的一半处具有最小高度，以使那里的气体流动截面最大。因此，气体渗入与进气孔径向对准定位的槽中的流动速度减小，而气体渗入远离槽中的流动速度增大。
根据另一个优选特征，每个突起的高度在其最大高度与其最小高度之间以大致规律的方式减小。因此，气体渗入每个槽中的流动速度能够很好适应于槽相对于进气孔的角位置。
每个突起可以具有大致平面的或大致曲线形轮廓。利用将其自由端夹紧在一起的螺栓连接件，将保持环紧固到盘的凸缘上，进气孔沿周向布置在所述螺栓连接件之间。
本发明还提供一种涡轮机，其包括至少一种如上所述的转子盘槽的冷却装置。
附图说明
通过以下对具有非限定特征实施方式的详细描述并结合附图，本发明的其它特征和优点将会显而易见，其中：
图1是装配有构成本发明一个实施方式所述装置的涡轮机的低压涡轮的局部纵向截面图；
图2是沿着图1中II-II线的截面图；
图3是图2的概略展开图；
图4是构成本发明另一个实施方式所述装置的局部展开图；
图5是构成本发明又一个实施方式所述装置的纵向截面图。
具体实施方式
图1是装配有构成本发明一个实施方式所述装置的航空涡轮机的低压涡轮的局部纵向截面图。
自然地，本发明适用于任何其上带有用来轴向安装叶片根部的槽的转子盘的涡轮机装置(航空或陆地)。
图1中更精确地示出了低压涡轮的第一级和第二级。第一级包括由轴向安装在转子盘4上的多个转子叶片2构成的转子轮。第二级包括由多个定子叶片6构成的喷嘴，和置于喷嘴后面由多个轴向安装在转子盘4’上的转子叶片2’构成转子轮。
第一和第二涡轮状态的转子盘4和4’以涡轮机的纵轴X-X为中心，并通过规则分布在X-X轴周围的螺栓连接件8相互固定。
每个盘4，4’的周边上设有多个大致轴向的槽10，10’，这些槽向盘的外侧开口并规则分布在盘的旋转轴(该旋转轴与涡轮机的纵轴X-X重合)周围。每个槽用于轴向容纳转子叶片2，2’的各个根部12，12’(例如C-冷杉形)(例如通过相互装配interfitting)。
每个盘4，4’还包括从盘的径向上游表面16，16’轴向向上游延伸的环形凸缘14，14’。凸缘14，14’由大致径向环形部14b，14’b延伸的大致轴向环形部14a，14’a构成(下文中称作盘凸缘的上游端)。
第一级涡轮的盘4还具有从盘的下游径向表面20向下游轴向延伸的环形凸缘18。该凸缘18用于通过如上所述的螺栓连接件8将盘4紧固到第二级的盘4’上。
保持环22，22’安装在每个盘4，4’的径向上游表面16，16’上，中间插入环形止动环23，23’。每个保持环22，22’包括向上游径向延伸并且置于盘的对应凸缘14，14’周围的环形凸缘24，24’。
更准确地，保持环的凸缘24，24’由大致轴向的、由大致径向的环形部24b，24’b(下文中称作环的凸缘的自由端)延伸的环形部24a，24’a构成。
通过螺栓连接件26将各个自由端24b，14b夹紧以将第一级涡轮的保持环22紧固到盘4的凸缘14上。利用将盘4，4’紧固在一起的螺栓连接件8将第二级的保持环22’紧固到盘4’的凸缘14’上。
为了方便起见，这里的描述仅涉及用于第一级涡轮盘4中的槽10的冷却回路。自然地，第二级涡轮盘4’中的槽10’的冷却回路与第一级中的回路完全类似。
保持环22的凸缘24以与盘的凸缘14共同形成构成冷却气体扩散腔的环形空间28的方式布置在凸缘14的周围。该扩散腔28基本上形成在保持环与盘的各个凸缘24，14的轴向部24a，14a之间。
扩散腔28在槽的上游端具有向盘4每个槽10底部开口的下游端。扩散腔的上游端通过将保持环与盘上各个凸缘24，14的自由端24b，14b之间的螺栓连接件26拧紧来闭合。
而且，扩散腔28由规则分布在纵轴X-X周围并向扩散腔上游端开口的多个进气孔30供给。
在图2所示的实施方式中，这些进气孔30是通过沿大致径向方向机械加工盘4的凸缘14的自由端14b而形成。自然地，这些孔也可以通过机械加工保持环22的凸缘24的自由端24b来得到。
而且，盘上进气孔30的数量总体上是可以变化的。因而，在图2所示的实施例中，两个相邻进气孔30之间的角间隔与盘上的大约八个槽相对应。因而，如图2中箭头所示，每个孔30为大约七个槽提供冷却气体。
根据本发明所述，气体扩散腔28的下游端包括用于减小气体渗入盘4上与进气孔30径向对准定位的槽中流动速度的装置。
术语“与进气孔径向对准定位的槽”用来表示与每个进气孔以基本上相同的径向平面布置的槽或每个槽。因而，在图2所示的实施例中，附图标记为10a的槽对应于与每个进气孔径向对准定位的槽。
在图1-3所示的这些装置的一个实施方式中，盘凸缘14的轴向部14a的外表面在其下游端(即在扩散腔的出口)存在突起32，其与与每个进气孔30径向对准定位的槽10a平齐。
这个突起32伸入到进气孔28中，因而能够使渗入到这些槽10a中的气体流动截面减小。
离开扩散腔28并渗入到与孔30径向对准定位的槽10a中的气体流动截面的减小，在图3中尤其明显。以相同的流动速度，分配给与进气孔30径向对准定位的通风槽10a的气体流动速度因而被减小，因此具有增大供给盘中其它槽中气体流动速度的必然结果。由于这些槽更加远离进气孔，因此供给这些槽的路径更长。然而，冷却这些槽的气体流动速度的增大用来抵偿这些距离，因而总体上使整个盘上各个槽的冷却效果更加均匀。
根据图3所示的优势特征，每个突起32在面向与对应进气孔30径向对准定位的槽10a处具有最大高度(渗入扩散腔)H，在对应进气孔和与其直接相邻两个进气孔之间角度的一半处具有最小(或零)高度h。
因而，气体进入与每个进气孔30径向对准定位的槽10a的流动截面最小，在两个相邻进气孔角度一半的气体流动截面最大。这与实际需要相一致，使与进气孔最远的槽(与两个相邻孔之间角度一半定位的槽)的气体流动速度最大。
优选地，如图3所示，每个突起32在其最大高度H与最小高度h之间以大致规律的方式减小。因此，气体渗入盘中每个槽的流动速度可以很好地适应槽相对于进气孔的角位置。
在图1-3所示的本发明的实施方式中，每个突起32具有大致平面的轮廓(形成突起的表面大致为平面)。
自然地，也可以预期其它形状的轮廓。因而，图4中所示的突起32的轮廓为曲线形的，更准确地说是圆锥形的(也可以是圆柱形的，等等)。
而且，仍然是在图1-3所示的本发明实施方式中，突起32形成在盘凸缘14的轴向部14a的外表面。
然而，如图5所示，可以预期突起32形成在保持环22的凸缘24的轴向部24a的内表面上，这些突起自然也伸入到扩散腔28中。
图中未示出的另一种变型在于突起既形成在盘凸缘的外表面上又形成在保持环凸缘的内表面上。
最后，应该观察到与本发明的实施方式无关，进气孔30优选地周向布置在将保持环22紧固到盘4的凸缘14上的螺栓连接件26之间。

Claims (7)

1.一种涡轮机转子盘槽的冷却装置，所述装置包括：
转子盘(4)，包括：
在其周边上的多个规则分布在盘转轴(X-X)周围的大致轴向槽(10，10a)；和
从盘的上游径向表面(16)向上游延伸的环形凸缘(14)；
保持环(22)，安装在盘的径向表面的上游，包括向上游延伸并置于盘凸缘(14)周围的环形凸缘(24)，其与凸缘(14)共同留出形成冷却气体扩散腔的环形空间(28)，在其上游端，所述扩散腔的下游端开口到每个盘槽的底部；和
多个进气孔(30)，其规则分布在盘转轴周围，并开口到扩散腔的上游端；
所述装置的特征在于气体扩散腔(28)的下游端包括用来减小气体渗入到盘上与进气孔径向对准定位的槽(10a)中的流动速度和用来增大气体渗入到远离进气孔的槽中的流动速度的装置(32)。
2.如权利要求1所述的装置，其中盘(4)的凸缘(14)的外表面，和/或保持环(22)的凸缘(24)的内表面的下游端具有突起(32)，面向与盘上进气孔(30)径向对准定位的每个槽(10a)，突起(32)伸入气体扩散腔(28)中以减小气体渗入到所述槽中的流动截面。
3.如权利要求2所述的装置，其中每个突起(32)在面向盘上与相应进气孔(30)径向对准定位的槽(10a)处具有最大高度(H)，以使那里的气体流动截面最小，在相应进气孔和与其直接相邻的两个进气孔之间的一半处具有最小高度(h)，以使那里的气体流动截面最大。
4.如权利要求3所述的装置，其中每个突起(32)的高度在其最大高度(H)与其最小高度(h)之间以大致规律的方式减小。
5.如权利要求2至4中任一项所述的装置，其中每个突起(32)具有大致平面的或大致曲线形轮廓。
6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其中利用将其自由端(24b，14b)夹紧在一起的螺栓连接件(26)，将保持环(22)紧固到盘(4)的凸缘(14)上，进气孔(30)沿周向布置在所述螺栓连接件之间。
7.一种涡轮机，其特征在于包括至少一种如权利要求1至6中任一项所述的转子盘槽的冷却装置。
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