CN102562174B - 轴向流类型的燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轴向流类型的燃气轮机，其包括转子和定子，该定子构成包围转子的壳体，从而提供热气路径，在燃烧室中形成的热气传送通过该热气路径，其中，转子包括具有尤其是杉树类型的、用于接收多个叶片的轴向槽口的转子轴，该多个叶片布置成一系列的叶片排，转子热防护件置于相邻的叶片排之间，从而形成热气路径的内部轮廓，并且其中，转子轴构造成沿轴向方向沿着转子热防护件和叶片的下部引导主要冷却空气流，并且其中，转子轴对叶片供应进入叶片的内部的冷却空气。通过提供气密性冷却通道来确保任何叶片排入口处有稳定的和可预测的冷却空气参数，该气密性冷却通道与主要冷却空气流分开来沿轴向延伸通过转子轴，并且对叶片供应冷却空气。

Description

轴向流类型的燃气轮机
技术领域
本发明涉及燃气轮机的技术。它涉及一种轴向流类型的燃气轮机，包括转子和定子，所述定子构成包围所述转子的壳体，从而提供热气路径，燃烧室中形成的热气传送通过所述热气路径，其中，所述转子包括具有用于接收多个叶片的轴向槽口的转子轴，所述多个叶片布置成一系列的叶片排，转子热防护件置于相邻的叶片排之间，从而形成所述热气路径的内部轮廓，并且其中，所述转子轴构造成沿轴向方向沿着所述转子热防护件和所述叶片的下部引导主要冷却空气流，并且其中，所述转子轴对所述叶片供应进入所述叶片的内部的冷却空气。
背景技术
燃气轮机由定子和转子构成。定子构成壳体，定子热防护件和导叶安装在壳体中。同轴地布置在定子壳体内的涡轮转子由具有杉树类型的、用来安装叶片的轴向槽口的旋转轴组成。若干个叶片排和转子热防护件交替地安装在其中。在燃烧室中形成的热气传送通过导叶之间的成形通道，并且在撞击在叶片上时使涡轮转子旋转。
为了使燃气轮机以足够的效率运行，以非常高的热气温度来工作是必要的。因此，涡轮的热气通道的构件(尤其是叶片、导叶和热防护件)会经历非常高的热负荷。此外，叶片同时经受转子的高转速处的离心力所导致的非常高的机械应力。
因此，冷却燃气轮机的热气通道的有热负荷的构件是非常重要的。
在现有技术中，已经提出在转子轴本身内提供用于叶片冷却介质的通道(见例如EP909878A2或EP1098067A2或US6,860,110B2)。但是，这种冷却构造需要对转子或转子盘进行复杂和昂贵的加工。
图1中显示了根据现有技术的不同冷却方案。图1的燃气轮机10包括多个级，图中显示了其中的前三个。燃气轮机10包括绕着机器的中心轴线(未显示)旋转的转子13。转子13具有转子轴15，转子轴15具有杉树类型的、用来安装多个叶片B1、B2和B3的轴向槽口。图1的叶片B1、B2和B3布置成三个叶片排。置于相邻的叶片排之间的是转子热防护件R1和R2。叶片B1、B2、B3和转子热防护件均匀地分布在转子轴15的周边的周围。叶片B1、B2和B3中的各个具有内部平台，该内部平台与同一排的其它叶片的相应的平台一起在机器轴线的周围构成封闭环。
叶片B1、B2和B3的内部平台结合转子热防护件R1和R2形成涡轮流径或热气路径12的内部轮廓。在外侧处，热气路径12由包围的定子11与其定子热防护件S1、S2和S3以及导叶V1、V2和V3限定边界。内部轮廓将引导主要冷却空气流17的转子冷却空气过渡腔体与热气路径12内的热气流分开。为了改进冷却空气流径的密封性，将密封板19安装在相邻的叶片B1-B3和转子热防护件R1、R2之间。
如可从图1中看到的那样，空气在沿轴向方向沿着叶片B1-B3的叶片颈部和转子热防护件R1、R2之间的公共流径流动时冷却转子轴15；这个空气持续地传送通过叶片B1的内部腔体，然后又通过叶片B2和叶片B3的腔体。
但是，与导叶相比，包含在现代涡轮中的叶片会在更重的状况下运行，因为除了高的温度和气体力的作用之外，叶片实际上会经受离心力所导致的负荷。为了产生具有较长的寿命的高效叶片，人们应当解决错综复杂的技术问题。
为了成功地解决这个问题，人们应当尽可能地准确地知道叶片内部腔体入口处的冷却空气压力。因此，图1中提出的转子设计的严重的短处在于，在冷却空气从第一级叶片B1传送到第三级叶片B3时，冷却空气压力损失会以不可预测的方式增加。这是空气通过相邻的叶片和转子热防护件之间的狭缝泄漏到涡轮流径12中所导致的。这个缺点会妨碍设计被有效地冷却的叶片，因为上面提到的狭缝的总的截面面积取决于部件制造容差的散度以及取决于密封板19的不可靠的效果。
发明内容
因此本发明的目的是产生一种燃气轮机，其消除了上面描述的短处，并且以简单的方式确保任何叶片排入口处有稳定的和可预测的冷却空气参数。
这个和其它目的通过如下所述的燃气轮机来达到。
本发明的燃气轮机是轴向流类型的，并且包括转子和定子，该定子构成包围转子的壳体，从而提供热气路径，燃烧室中形成的热气传送通过该热气路径，其中，转子包括具有尤其是杉树类型的、用于接收多个叶片的轴向槽口的转子轴，该多个叶片布置成一系列的叶片排，转子热防护件置于相邻的叶片排之间，从而形成热气路径的内部轮廓，并且其中，转子轴构造成沿轴向方向沿着转子热防护件和叶片的下部引导主要冷却空气流，并且其中，转子轴对叶片供应进入叶片的内部的冷却空气。
根据本发明，提供了气密性冷却通道，其与主要冷却空气流分开来沿轴向延伸通过转子轴，并且对叶片供应冷却空气。
根据本发明的一个实施例，定子包括导叶承载件，其中安装了定子热防护件和导叶，定子热防护件定位成与叶片相对，并且导叶定位成与转子热防护件相对。
根据本发明的另一个实施例，各个叶片排包括呈相同角度布置的相同的明确数量的叶片，并且为叶片排的一个角度叶片位置提供了至少一个气密性冷却通道，该气密性冷却通道延伸通过以相同角度位置布置的所有叶片排的相应的叶片。
根据本发明的另一个实施例，通过沿轴向方向穿过转子热防护件和叶片的下部的同轴的圆柱形开口，以及通过以气密的方式连接相邻的叶片和转子热防护件的开口的套管来建立气密性冷却通道。
尤其地，气密性冷却通道在它们的端部处通过塞来封闭。
根据本发明的另一个实施例，连接套管构造成允许被连接的部件有相对移置，而不失去连接的气密性。
尤其地，连接套管在各个端部处在它们的外侧上具有球形区段，这允许套管在圆柱形开口内回转，类似于球窝接头。
根据本发明的另一个实施例，通过提供多个沿周向分布的轴向肋，连接套管有减小的质量，而未牺牲它们的刚度。
可在连接套管的内侧处提供轴向肋。
备选地，可在连接套管的外侧处提供轴向肋，其中，肋的径向高度小于球形区段的径向高度。
附图说明
现在通过不同的实施例且参照附图来更密切地阐述本发明。
图1显示了已知的燃气轮机的前三个级，其中，进入叶片的冷却空气直接从沿着转子轴流动的主要冷却空气流中得到；
图2以与图1等效的图显示了根据本发明的一个实施例的叶片冷却构造；
图3显示了根据图2的叶片冷却构造的透视图；
图4显示了根据图2的叶片冷却构造的放大的细节；
图5以图4的精简版显示了剖面A-A，沿着该剖面A-A得到图6和图7的截面；
图6显示了沿着图5中的剖面A-A的第一截面；
图7显示了沿着图5中的剖面A-A的第二截面；
图8显示了根据图2-5的套管的第一实施例的两个不同的视图(a)和(b)；以及
图9显示了根据图2-5的套管的第二实施例的截面图。
部件列表：
10、20燃气轮机
11定子
12热气路径
13转子
14导叶承载件
15转子轴
16热气
17冷却空气(主要流)
18冷却空气(进入叶片)
19密封板
21冷却通道(气密性的)
22、22'套管(连接件)
23、23'套管(连接件)
24塞
25球形区段
26、27肋
28开口(同轴的、圆柱形)
B1-B3叶片
R1、R2转子热防护件
S1-S3定子热防护件
V1-V3导叶
具体实施方式
图2和图3显示了具有根据本发明的一个实施例的叶片冷却构造的燃气轮机。图2的燃气轮机20包括多个级，在图中显示了其中的前三个。类似于图1，燃气轮机20包括具有转子轴15和叶片B1、B2和B3的转子13。叶片B1、B2和B3再次布置成三个叶片排。
置于相邻的叶片排之间的是转子热防护件R1和R2。叶片B1、B2、B3和转子热防护件均匀地分布在转子轴15的周边的周围。叶片B1、B2和B3中的各个具有内部平台，该内部平台与同一排的其它叶片的相应的平台一起在机器轴线的周围构成封闭环。
叶片B1、B2和B3的内部平台结合转子热防护件R1和R2形成涡轮流径或热气路径12的内部轮廓。与转子热防护件R1和R2相对的是导叶V2排和导叶V3排。第一排导叶V1布置在热气16所进入的热气路径的入口处。内部轮廓将再次引导主要冷却空气流17的转子冷却空气过渡腔体与热气路径12内的热气流分开。为了改进冷却空气流径的密封性，将密封板19安装在相邻的叶片B1-B3和转子热防护件R1、R2之间。
所提出的根据图2的设计的基本差异和优点在于，可获得与沿着轴15传送的主要冷却空气流17分开的气密性冷却通道21。这些冷却通道21的数量对应于沿周向方向在叶片排中的各个中的叶片B1、B2和B3的数量。出于这个原因，叶片的数量和叶片的周向分布在各个涡轮级或叶片排中是相同的(见图6和7)。
冷却通道21用来单独地对叶片B1、B2和B3供应冷却空气。通过提供穿过叶片B1、转子热防护件R1、叶片B2、转子热防护件R2和叶片B3的同轴的圆柱形开口28来形成冷却通道21。各个通道21以安装在叶片B3的对应的开口28的端部处的塞24来终止。通过圆柱形套管22、23(见图4、5)来获得通道21的气密性，圆柱形套管22、23各自安装成使其端部中的一个处于对应的叶片的凹部中，而其另一端部处于对应的相邻的转子热防护件的凹部中。套管22、23成形为使得它们不阻止相邻的部件有相互的径向和轴向移置(见图4)。
叶片B1-B3和转子热防护件R1、R2中的开口28是圆柱形的。它们成形为以便通过加工来在所述凹部和圆柱形套管22、23之间的接触区域内提供最小空隙。因而，通过在一侧的套管22、23和另一侧的叶片B1-B3和转子热防护件R1、R2之间的接触区域内的几乎零空隙来阻止主要流17和通道21中的流之间的溢流和混合两者。
考虑到上面所述，可认识到所提出的设计的以下优点：
1.没有空气从叶片冷却空气供应通道21泄漏到涡轮流径12中。
2.来自供应通道21的空气不会泄漏出去，并且不与沿着转子轴15传送的主要冷却空气流17混合。
3.通过改变套管22、23的内径，存在影响用于叶片B1-B3的冷却空气供应的参数的可能性。
4.存在影响转子轴15的热状态的可能性，因为不管沿着叶片供应通道21传送的空气流的密度如何，对在叶片B1-B3的叶片颈部和转子热防护件R1、R2之间传送的空气质量流(即，主要流17，见图2)有控制。可实现对主要空气流17的调节，因为改变了任何叶片排或任何转子热防护件环中的叶片颈部和转子热防护件两者(见图5-7，其中，图6显示了用于冷却空气的主要流17的最大面积，而图7显示了用于冷却空气的主要流17的最小面积)。
因而，叶片B1-B3和转子热防护件R1、R2与贯通通道(开口28)以及与密封套管22、23的结合允许产生现代高性能燃气轮机。
与典型的已知设计(图1)相比，所提出的根据图2的、具有通过单独的通道21而通往叶片B1-B3的纵向冷却供应的转子设计还具有一优点，因为关于上面的点4，它甚至可在不安装套管22、23的情况下使用。
图4显示了套管的实施例，其提供了用于组织几乎气密性的通道21来在转子部件之间进行冷却空气运送的手段。
通道21的密封性通过在相邻的转子热防护件和叶片中的开口28的端部处制造的圆柱形的穴来获得。已经选择了穴的圆柱形形状，因为可通过以最简单的方式以高的精度进行的加工来制造这种穴。
当在相邻的部件中制造的穴由于制造误差的原因或因为转子热防护件和叶片在涡轮运行期间的热移置的原因而相互移置时，套管22、23的两个端部处的球形区段25有可能使通道21保持气密性，即便是在穴未沿周向方向和径向方向两者对准时。也可以高的精度在套管22、23的端部处加工出球形区段25。
由于与这种类型的定子部件不同，所以套管22、23在涡轮运行期间会经受高的离心力。因此宜于减轻它们的重量，因为否则在运行期间相应的穴在与其它部件接触时可能会逐渐磨损。为了或者减轻重量而不降低刚度或者改进刚度而不增加重量，可在那些套管处提供刚性肋。根据图8，可在套管22'的内表面上提供那些肋26。根据图9，这样的肋27也可布置在套管23'的外表面上。在此情况下，球形区段25应当比肋27具有更大的径向高度。
可再次总结所提出的设计的优点：
1.没有空气从叶片供应通道泄漏到涡轮流径中。
2.在供给到通道中的那个空气与沿着转子传送的主要冷却空气流之间没有泄漏且没有混合。
3.可调节冷却空气运送通道的贯通面积，因为改变了连接套管的内径。
4.所提出的套管设计允许减少冷却空气泄漏，以及改进涡轮效率。

Claims (13)

1.一种轴向流类型的燃气轮机(20)，包括转子(13)和定子(11)，所述定子(11)构成包围所述转子(13)的壳体，从而提供热气路径(12)，燃烧室中形成的热气传送通过所述热气路径(12)，其中，所述转子(13)包括具有用于接收多个叶片(B1-B3)的轴向槽口的转子轴(15)，所述多个叶片(B1-B3)布置成一系列的叶片排，转子热防护件(R1,R2)置于相邻的叶片排之间，从而形成所述热气路径(12)的内部轮廓，并且其中，所述转子轴(15)构造成沿轴向方向沿着所述转子热防护件(R1,R2)和所述叶片(B1-B3)的下部引导主要冷却空气流(17)，并且其中，所述转子轴(15)对所述叶片(B1-B3)供应进入所述叶片(B1-B3)的内部的冷却空气(18)，其特征在于，提供了气密性冷却通道(21)，其与所述主要冷却空气流(17)分开来沿轴向延伸通过所述转子轴(15)，并且对所述叶片(B1-B3)供应冷却空气(18)。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，用于接收多个叶片(B1-B3)的所述轴向槽口是杉树类型的。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，所述定子(11)包括导叶承载件(14)，其中安装了定子热防护件(S1-S3)和导叶(V1-V3)，所述定子热防护件(S1-S3)定位成与所述叶片(B1-B3)相对，并且所述导叶(V1-V3)定位成与所述转子热防护件(R1,R2)相对。
4.根据权利要求1－3中的任一项所述的燃气轮机，其特征在于，各个叶片排包括呈相同角度布置的、相同的明确数量的叶片(B1-B3)，并且为所述叶片排的一个角度叶片位置提供了至少一个气密性冷却通道(21)，所述气密性冷却通道(21)延伸通过以相同角度位置布置的所有叶片排的相应的叶片。
5.根据权利要求4所述的燃气轮机，其特征在于，通过沿轴向方向穿过所述转子热防护件(R1,R2)和所述叶片(B1-B3)的下部的同轴的圆柱形开口(28)以及套管(22,22'；23,23')来建立所述气密性冷却通道(21)，所述套管(22,22'；23,23')以气密的方式连接相邻的叶片和转子热防护件的所述开口(28)。
6.根据权利要求5所述的燃气轮机，其特征在于，所述气密性冷却通道(21)在它们的端部处通过塞(24)来封闭。
7.根据权利要求5或6所述的燃气轮机，其特征在于，所述连接套管(22,22'；23,23')构造成允许被连接的部件有相对移置，而不失去连接的气密性。
8.根据权利要求7所述的燃气轮机，其特征在于，所述连接套管(22,22'；23,23')在各个端部处在它们的外侧上具有球形区段(25)，这允许所述套管(22,22'；23,23')在圆柱形开口(28)内回转，类似于球窝接头。
9.根据权利要求5、6和8中的任一项所述的燃气轮机，其特征在于，通过提供多个沿周向分布的轴向肋(26,27)，所述连接套管(22,22'；23,23')有减小的质量，而未牺牲它们的刚度。
10.根据权利要求7所述的燃气轮机，其特征在于，通过提供多个沿周向分布的轴向肋(26,27)，所述连接套管(22,22'；23,23')有减小的质量，而未牺牲它们的刚度。
11.根据权利要求9所述的燃气轮机，其特征在于，在所述连接套管(22,22'；23,23')的内侧处提供所述轴向肋(26)。
12.根据权利要求10所述的燃气轮机，其特征在于，在所述连接套管(22,22'；23,23')的内侧处提供所述轴向肋(26)。
13.根据权利要求8所述的燃气轮机，其特征在于，通过提供多个沿周向分布的轴向肋(26,27)，所述连接套管(22,22'；23,23')有减小的质量，而未牺牲它们的刚度，且在所述连接套管(22,22'；23,23')的外侧处提供所述轴向肋(27)，并且所述肋(27)的径向高度小于所述球形区段(25)的径向高度。
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