CN102667068A - 用于转换能量的涡轮机及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种涡轮机以及能量转换方法，其中，外壳中的冷却管（25）的出口（33）的角位置的

₃₃取决于导流片（17）的下游边缘（21）的角位置

₂₁并且取决于用于将流动流体供应到涡轮机的流体进入管（14）的角位置 ₁₄。此外，通过在特定角位置和轴向位置提供加固外壳，避免了涡轮机中不经受高温和高压的组件受到不必要的冷却。

Description

用于转换能量的涡轮机及其操作方法

技术领域

本发明涉及从流动流体转换能量的涡轮机以及从流动流体转换能量的方法。

背景技术

根据现有技术水平，已知涡轮机可以从流动流体转换能量。具体地，利用涡轮机可以从流动的流体中提取一部分势能（压位差）和/或动能（速位差）并将其转换为机械能，诸如转动能。具体地，此转动能可以用于驱动发电机发电或者驱动机械泵或压缩机。

在本领域中已知一些不同类型的涡轮机。蒸汽涡轮机从流动的蒸汽提取能量并且通常用于在热电站发电。可以利用燃气、煤、燃油或核能产生蒸汽。燃气涡轮机被供应以来自燃烧燃料的燃烧室的流动流体，其中，燃气用于驱动涡轮机，尤其是额外驱动在燃烧室上游的压缩机，以产生用于燃烧室的压缩气体。

一般而言，涡轮机包括被外壳中的轴承可转动地支撑的转子轴。多个转子叶片与转子轴连接，并且从转子轴径向向外延伸。转子叶片具有特别形状的表面型面，以便将流动流体的能量转换为转子叶片的机械运动。在典型的涡轮机中，多个转子叶片布置为与转子轴的旋转轴线基本垂直的所谓的转子叶片排。典型地，涡轮机可包括沿轴向方向彼此隔开布置的多个转子叶片排。在每对转子叶片排之间布置一排导流片，所述导流片与还包括转子轴轴承的涡轮机的定子部分连接。

沿轴向方向，即沿转子轴的旋转轴线，供应包含势能（压位差）和动能（速位差）的流动流体。所述流动流体撞击在导流片的最上游排上，这使得该流动流体转向，从而使得流动流体朝向布置在第一导流片排下游转子叶片排。流动流体撞击在转子叶片上，并将其部分能量传递给转子叶片，从而使得转子叶片移动到一定方向。为此目的，将转子叶片成形为特定形状，以将碰撞的流动流体的能量最佳地转换为机械运动。由于转子叶片与转子轴连接，因此转子叶片的移动引起转子轴转动。

所述流动流体将其能量的一部分留在一排转子叶片后，将到达下游的一排具有翼型形状的导流片，该排导流片又将所述流动流体导引到甚至更下游的转子叶片排。此更远的转子叶片排也从流动流体中提取一些能量并将其转换为机械能。最后，所述流动流体损失其大部分能量并且从最后的转子叶片排排出到排气管，该排气管可以将流动流体引导到外界。

无论涉及到哪种类型的涡轮机，用于驱动涡轮机的流动流体通常都具有高温、高压和高速。因此，转子叶片以及导流片必须被构造和设计为能够承受热、高压、高速流体的作用。具体地，当撞击在转子叶片上时，流动流体不仅将能量转换为机械能形式还将其转换为热能形式。由此，涡轮机的不同组件，具体是转子叶片、导流片和外壳，被加热。转子叶片被加热引起转子叶片膨胀，这会导致诸如干扰相邻组件的问题。材料温度增加导致的另一方面是可能发生组件的氧化和/或腐蚀。

转子叶片在由涡轮机转子部分的外壳或其它组件界定的工作空间中转动。为了确保流动流体撞击在转子叶片上从而将其很大部分的能量转换为机械能，必须禁止流动流体从转子叶片径向地流出。因此，叶片梢部（转子叶片的径向最外侧部分）和外壳之间的间隙必须尽可能小。在操作期间，热流动流体可以通过叶片梢部和外壳的叶梢密封部之间的间隙经过叶梢，由此将叶梢和外壳的叶梢密封部加热至高温。此高温限制外壳的叶梢密封部以及叶梢的寿命。常规地，利用来自位于转子叶片上游处的压缩机的压缩机分送空气冷却外壳的叶梢密封部。然而，此冷却导致性能下降，因为用于冷却外壳的叶梢密封部和叶梢的冷却空气不参与燃烧期间的热量增加，并因此对转子叶片作用更少的机械功。

为了控制转子叶片的膨胀，已提出通过大气空气冷却转子叶片。文件US 3,645,096公开了在燃气涡轮机发动机中的外围段开口，其中，外围开口延伸穿过燃气涡轮机的外壳，以利用新鲜的大气空气冷却转子叶片梢部。

从文件EP 1 024 251 Bl已知优先冷却围带以及叶梢。

从文件US 4,733,538已知一种燃气涡轮机发动机，其中孔口沿周向布置在外壳中。

然而，已经注意到，涡轮机的操作常常不满足要求，尤其在效率方面。

因此，需要提供一种从流体转换能量的涡轮机，其可以显示提高的效率并且同时可以具有简单的结构和/或高耐用性。此外，需要提供一种经改进的（尤其在效率方面）涡轮机操作方法。

发明内容

独立权利要求所述的主题可满足这一需要。从属权利要求描述了优选实施例。

根据一个示例性方面，提供一种用于转换能量的涡轮机，其中，该涡轮机包括：外壳；转子轴，其绕沿轴向方向延伸的旋转轴线可转动地支撑在所述外壳中；至少一个流体进入管，固定在所述外壳处用于供应流动流体；至少一个导流片，具有下游边缘，并且该导流片被固定在所述外壳处；至少一个冷却管，在所述外壳中，并且该冷却管具有出。从而，相对于所述旋转轴线，所述冷却管的出口的中心的角位置与偏移第一偏移角的所述导流片的所述下游边缘的一部分的角位置分隔开第一角距离，并且偏移第二偏移角的所述冷却管的所述出口的所述中心的角位置与所述流体进入管的中心的角位置分隔开第二角距离，其中，所述第一角距离小于10°，特别地小于7°，更特别地小于5°，并且所述第二角距离小于30°，特别地小于20°，更特别地小于15°。这里，至少一个冷却管的所述出口的所述中心被布置在至少一个导流片的下游，其中，包括至少一个冷却管的多个冷却管被布置为使得在流动流体温度和压力都高之处提供最大冷却。

所述涡轮机可以是任意类型的涡轮机，诸如蒸汽涡轮机、燃气涡轮机等。因此，燃气涡轮机可以也可以不包括用于压缩空气的装置，所述涡轮机可以也可以不包括用于将废气与燃料混合并且燃烧该废气和燃料的混合物的装置。因此，对于燃气涡轮机，向下游流动的流体可以代表压缩空气和燃料的燃烧混合物，即，排出气体。对于蒸汽涡轮机，流动流体可以代表通过提供高能水蒸气的外部设施供应的水蒸气。

特别地，该流体可以是含有势能（压位差）和/或动能（速位差）和/或热能形式的能量的气体。

涡轮机包括外壳和其它定子部件，在其中转子轴被可转动地支撑。为了减小涡轮机操作期间的摩擦，可以用轴承支撑转子轴。转子轴适于相对于外壳和其它定子部件绕沿轴向方向延伸的旋转轴线转动。轴向方向可以限定三维坐标系统的z轴，其中点可以由柱坐标（ρ、                                               、z）表示。这些坐标的含义如下：首先，选定与z轴正交的x-y平面。对于具有柱坐标（ρ、

、z）的给定点，ρ表示从z轴到该点的径向距离，角

是在x-y平面上诸如x方向的参考方向和从坐标系原点到x-y平面上的该点投影的线之间的方位角，z表示x从x-y平面到该点的距离。

在本申请的背景中，径向方向是指背离旋转轴线且与所述旋转轴线成90°角因此与轴向方向成90°角的方向。

流体进入管被设置用于将流动流体供应到涡轮机，特别地用于将流动流体供应到至少一个导流片。特别地，涡轮机可包括共同形成完整的环的多个流体进入管。所述至少一个导流片被固定在外壳并且可以朝转子轴径向向内突起，所述转子轴相对于导流片可转动。所述至少一个导流片可以具有翼面型面，其具有凹的上游表面和凸的下游表面。

这里，流动流体可以具有可以限定组件的上游侧和组件的下游侧的流动方向。组件的上游侧可以是流动流体指向的组件侧，即面向接近的流体的那侧。组件的下游侧可以是流动流体来自的组件侧，即，面向流过的流体的那侧。

导流片的下游边缘可以是凹表面和凸表面接合的边缘，并且在该边缘处，导流片的凹表面和凸表面包括弓形角，诸如20°以下的角。在从下游边缘的角位置移动的特定角位置和导流片的下游处，操作期间的流动流体静态压力可以比远离该特定位置的其它区域显著更高。具有提高的压力的区域也被称作“高压区域”。

所谓的“尾流区域”可以是靠近每个喷嘴导流片尾（下游）缘的低压区域。高压区域可以位于尾流区域之间。特别地，高压区域可以具有在相邻导流片（其具有至少近似相同的轴向位置，因此包括在同一排导流片中）的下游边缘的角位置之间（诸如之间的中点处）的角位置。此外，高压区域的角位置可以取决于其它参数的数量，诸如导流片的几何形状、导流片的方位、整个一排导流片中导流片的数量。

冷却管出口的中心的角位置可以取决于导流片的下游边缘和径向外部间隙（下面也被称作“临界间隙”）之间的轴向距离，该径向外部间隙在导流片围带和转子叶片的径向外端之间，导流片的下游、转子叶片梢部密封部的上游。此间隙形成与转子叶片梢部密封部连通的腔。在压力增加的角位置处，热流体可以通过此临界间隙在操作期间从工作空间进入所述腔中，并且加热叶梢密封部，导致损坏涡轮机定子部分的叶梢密封部和/或转子叶片梢部的风险。实施例可以提供能够特定地避免或消除对这些涡轮机部件的损坏的冷却。

可以在外壳中设置冷却管，用于向工作空间提供冷却空气，在所述工作空间中，流动流体在其中流动并且流动流体可以撞击转子叶片，以将能量传递给转子叶片。冷却管可以适于使得流过冷却管的冷却气体到达流动有流动流体的工作空间的径向向外的区域。工作空间的径向向外的区域可包括流动流体泄漏向转子叶片梢部和外壳密封部之间临界间隙的区域。特别地，冷却气体可以冷却转子叶片的梢部，特别是外壳的叶梢密封部等。

为了将冷却气体适当地供应到待冷却的涡轮机组件，冷却管的出口可以布置在特定位置。通过相对于涡轮机的其它组件限定出口的角位置可以限定出口的位置。角位置可以由柱坐标

表示，其中，旋转轴线限定坐标系统中的z轴，如上所述。不考虑z和ρ的坐标值，通过指明其角位置（例如由柱坐标表示）可以指明出口的位置，特别地是出口的中心的位置。出口的中心可以是冷却管在出口处的出口区域的中心，或者是刚好覆盖或阻挡出口的均匀装载表面的质量中心。例如，如果出口具有环形形状，则出口的中心可以是圆形的中间点。此外，如果出口具有矩形形状，则出口的中心可以是矩形对角线的交点。

相对于偏移第一偏移角的导流片的下游边缘部分的

坐标和偏移第二偏移角的流体进入管的中心的

坐标，限定冷却管出口的中心的

坐标。再者，流体进入管的中心可以是刚好阻挡或覆盖流体进入管的均匀装载表面的质量中心。例如，如果流体进入管具有环形形状的出口，则流体进入管的中心可以是圆形的中间点。冷却管出口的中心的坐标与偏移第一偏移角的导流片的下游边缘部分的

坐标偏离小于10°，特别地小于5°。由此，冷却管出口的优选位置可以取决于导流片的下游边缘的相对轴向位置，因为当流动流体向下游流动时导流片下游的高压区域可以改变其圆周位置（即角位置）。

由此，导流片的下游边缘部分可以是位于最下游处的导流片的下游边缘的点。在其它实施例中，导流片的下游边缘部分可以是在径向最外的下游边缘处的点，因此最靠近围绕的外壳。

此外，冷却管出口的中心的

坐标与偏移第二偏移角的流体进入管的中心的

坐标偏离小于30°，特别地小于15°。根据另一实施例，冷却管出口的中心的

坐标的偏离与偏移第一偏移角的导流片的下游边缘部分的

坐标和偏移第二偏移角的流体进入管的中心的坐标偏离更小。特别地，冷却管出口的中心可以与偏移第一偏移角的导流片的下游边缘部分至少近似对齐并且与流体进入管的中心对齐，所述流体进入管的中心的角位置相对于旋转轴线（即轴向方向）偏移第二偏移角。

具体地，两点之间的角距离可以由它们的柱坐标值之差表示。

冷却管可以被布置为可以实现对于经受高温和高压的涡轮机组件进行有效冷却。

 “腔”是指转子叶片的叶梢密封部上游的立体区域（从导流片翼面表面的径向外端径向向外），冷却管出口位于该区域并且流动流体（即主流动路径气体）通过临界间隙泄漏到该区域中。根据一个实施例，冷却管的入口和出口的位置可以被设置如下：

1）固定冷却管的方位角，从而当它进入腔中的涡轮空气时可以最小化混合损失，

2）固定冷却孔的出口圆周位置（角位置），从而使得冷却空气面向高温和高压的流动流体进入腔的点，

3）利用冷却管的方位角和冷却管出口的位置计算冷却管入口的必要位置。

其它实施例可以执行其它步骤来限定冷却管的位置。

根据一个涡轮机实施例，第一角距离小于导流片的角范围的10%，特别地小于导流片的角范围的20%。导流片的角范围可以由限定导流片上游边缘的

角和限定导流片下游边缘的

角之差来表示。例如，如果导流片的角范围为30°，则第一角距离可以小于6°，特别地小于3°。

根据涡轮机的另一实施例，第二角距离小于流体进入管角范围的三倍，特别地小于二倍。流体进入管的角范围可以是限定流体进入管的最大尺寸或直径的流体进入管处的

角之差。

根据另一涡轮机实施例，第一偏移角取决于至少一个导流片的下游边缘的轴向位置和冷却管出口的中心的轴向位置之间的距离，并且第二偏移角取决于流体进入管的中心的轴向位置和冷却管出口的中心的轴向位置之间的距离。由此第一偏移角可以随着至少一个导流片的下游边缘的轴向位置和冷却管出口的中心的轴向位置之间的距离的增加而增加，并且第二偏移角可以随着流体进入管的中心的轴向位置和冷却管出口的中心的轴向位置之间距离的增加而增加。由此，第一偏移角和第二偏移角可以取决于当流动流体从流体进入管流到冷却管出口时流动流体的转动量，并且可以取决于当流动流体从导流片流到冷却管出口时流动流体的转动量。

此外，第一偏移角可以取决于至少一个导流片的下游边缘的轴向位置和临界间隙的轴向位置之间的距离，其中热流体可以通过所述临界间隙进入腔，如上所述。

根据另一涡轮机实施例，第一偏移角取决于导流片的几何形状和/或方位。导流片的几何形状和/或方位可以影响流动流体的流向并且因而可以影响流动流体在何角位置到达临界间隙。

根据另一实施例，涡轮机包括具有另一下游边缘的另一导流片，其中，所述至少一个导流片的下游边缘的轴向位置等于所述另一导流片的下游边缘的轴向位置，并且其中，第一偏移角取决于至少一个导流片的下游边缘的角位置和所述另一导流片的下游边缘的角位置之间的距离。紧靠两个导流片的下游，在操作期间在两个下游边缘之间会出现压力增加的区域。此高压区域的角位置可以根据导流片下游的轴向位置由于流动流体的螺旋运动而改变。

根据另一涡轮机实施例，外壳中的冷却管具有入口，其中，由所述冷却管的入口的中心和出口的中心限定并且被投影到与所述导流片长度的径向正交的平面中的线包括与由下游边缘处的一点在所述平面中的投影和所述导流片的上游边缘处的一点在所述平面中的投影限定的线之间的夹角，其中，所述夹角小于30°，特别地小于15°。特别地，冷却管可以从入口平直地延伸到出口。特别地，冷却管可以通过在外壳中钻平直孔而形成。特别地，当沿径向突起时，导流片和冷却管的方位偏离30°，特别地偏离15°。由此，在操作期间，流动流体可以至少近似地沿与冷却气体流过冷却管的方向相同的方向流动，由此可以提高冷却效果，因为否则的话冷却气体和流动流体之间的速度差会导致湍流。

根据另一涡轮机实施例，沿轴向方向，冷却管的出口布置在冷却管入口的下游。因此，离开冷却管出口进入工作空间的冷却气体可以具有与流动流体的整体速度平行的速度分量。此外，从冷却管出口离开的冷却气体可以有利地指向布置在冷却管出口更下游的涡轮机组件。这些待冷却的组件包括转子叶片、转子叶片梢部和/或位于转子叶片梢部的轴向位置处的外壳叶梢密封部。

根据另一涡轮机实施例，外壳部分限定用于容纳冷却流体的冷却空间，冷却流体经由冷却管与用于容纳流动流体的工作空间连通。涡轮机的其它组件可以对限定冷却空间有贡献。或者，冷却空间可以由于外壳分离的容器限定。冷却空间可以填充以来自外部源的冷却流体或者可以由至少一个导流片上游的压缩机的阀门提供。冷却流体可以是温度在200℃和600℃之间的气体。工作空间中的流动流体可以具有在800℃至1400℃范围内的温度。导流片可以位于工作空间中。

根据另一涡轮机实施例，涡轮机进一步包括至少一个转子叶片，在转子叶片的径向外端具有叶梢，转子叶片被固定在转子轴处。转子叶片可以具有被适当成形的上游表面和下游表面，以将撞击流动流体的能量转换为机械能。由此，可以使得转子叶片在圆周方向移动。由于转子叶片固定在转子轴处，因此转子轴相对于外壳且相对于导流片转动。可以将至少一个转子叶片沿轴向方向布置在至少一个导流片的下游。

根据另一涡轮机实施例，沿轴向方向，导流片的下游边缘位于第一轴向位置，并且转子叶片梢部位于第二轴向位置，其中，冷却管出口的中心的轴向位置处于第一轴向位置和第二轴向位置之间。因此，在冷却管出口离开的冷却流体可以有利地冷却转子叶片的转子叶片尖端。此外，通过在冷却管出口离开的冷却流体也可以有利地冷却至少近似被布置与转子叶片梢部相同的轴向位置处的外壳叶梢密封部。

在其它实施例中，冷却管出口的中心的轴向位置不处于第一轴向位置和第二轴向位置之间，而是甚至可以处于导流片的下游边缘的轴向位置的更上游。

根据另一涡轮机实施例，加固限定冷却空间的外壳部分，以便冷却流体在满足以下条件的位置处：所述位置具有在第一轴向位置和第二轴向位置之间的轴向位置，所述位置具有这样的角位置，其比偏移第一偏移角的导流片的下游边缘部分的角位置远20°，特别地远15°，或者比偏移第二偏移角的流体进入管的中心的角位置远35°，特别地远40°。由于流动流体向下游流动时的转动，偏移角可以大于零。由此，根据轴向位置，高压区域可以已经转动到不同角位置。在前述位置处，外壳被加固并因此对于冷却流体是牢固的，从而使得冷却流体可以在以上限定的位置处穿过外壳。因此，在以上限定的位置处，禁止冷却流体被供应到工作空间，从而使得至少削弱了在这些区域内的组件冷却。特别地，以上限定的位置可以没有任何冷却管。因此，可以节省冷却流体，从而提高涡轮机的效率。

在以上限定的位置处，对于此区域内的组件，工作空间中的压力和温度条件不那么严苛，从而在此区域不需要进行彻底的冷却。但是，可以保持涡轮机的正确功能。

根据另一涡轮机实施例，外壳包括叶梢密封部，其轴向位置至少大致等于转子叶片的叶梢的轴向位置。在操作中，对于每一圈，转子叶片（或者当设置多个转子叶片时的每个转子叶片）将接近外壳的叶梢密封部，由此在叶梢密封部和转子叶片的转子叶片梢部之间形成间隙。在操作期间，外壳的叶梢密封部和转子叶片的转子叶片梢部经受流过叶梢密封部和转子叶片梢部之间的间隙的高温高压的流动流体。由于冷却管的出口位于叶梢密封部和转子叶片的转子叶片梢部的上游，因此在冷却管出口离开的冷却流体可以有利地冷却叶梢密封部和转子叶片的转子叶片梢部两者。

根据另一涡轮机实施例，具有下述特征中的至少一个：多个冷却管的出口成角度地（在圆周方向）非等距地间隔开（从而使得第一出口与第二出口圆周地分隔开第一角距离，并且第二出口与第三出口圆周地分隔开不同于第一角距离的第二角距离）；多个冷却管的出口的尺寸和/或形状不同（以允许供应不同量和速度的冷却流体）；多个冷却管中的不同冷却管适于（例如，关于它们的几何形状、尺寸和布置方式）供应不同量的冷却流体。这些规定意在向特定区域（可由角范围和轴范围限定）提供较多的冷却流体，在此区域温度和/或压力较高。此外，这些规定意在向特别区域（可由角范围和轴范围限定）提供较少的冷却流体，在此区域温度和/或压力较小。由此，冷却被减少且限制于最关键的区域。

在下文中，将描述涡轮机的其它示例性实施例。然而，这些实施例也应用于以下描述的涡轮机操作方法。

通过下文将要描述的实施例的例子，以上限定的方面和本发明的其它方面将显而易见，并且参照实施例的例子解释这些方面。下面将参照实施例的例子更详细地描述本发明，但是本发明不限于此。

根据另一方面，提供了一种能量转换方法，其中，所述方法包括：经由被固定在外壳处的至少一个流体进入管供应流动流体；使所述流动流体流到具有下游边缘的至少一个导流片，所述导流片被固定在外壳处；通过流动流体驱动被可转动地支撑在外壳中的转子轴；以及通过外壳中的至少一个冷却管的出口供应冷却流体，其中，对于所述转子轴的旋转轴线，所述冷却管出口的中心的角位置与偏移第一偏移角的所述导流片的下游边缘部分的角位置分隔开第一角距离，并且冷却管出口的中心的角位置与偏移第二偏移角的流体进入管的中心的角位置分隔开第二角距离，其中，所述第一角距离小于10°，特别地小于5°，并且所述第二角距离小于30°，特别地小于15°。

所述方法可以有利地用于操作涡轮机，以提高效率。流动流体可以是高温高压的流体，诸如从一个或多个燃烧腔排出的气体。经由至少一个流体进入管供应流动流体，所述至少一个流体进入管被布置为使得流体进入管的中心具有特定的角位置，例如可以利用柱坐标系统的角测量该特定的角位置。可以用形成环的类环状方式布置多个流体进入管。特别地，相比那些它们的角位置远离偏移第二偏移角的流体进入管的角位置的组件，供应的流动流体对于那些它们的角位置靠近偏移第二偏移角的流体进入管中心的角位置的涡轮机组件的加热更多。因此，与角位置远离流体进入管的角位置的组件相比，角位置更靠近偏移第二偏移角的流体进入管的角位置的涡轮机组件更需要彻底的冷却。需要彻底冷却的位置也可以被称作“高温点”。由此，“高温点”可以形成角图案，对于因转动的流动流体而改变的轴向位置，该角图案将改变。

流动流体可以流动到至少一个导流片处，其中，一部分流动流体沿导流片的凹上游表面流动，一部分流动流体沿导流片的凸下游表面流动。导流片的凸侧也可以被称作导流片的吸力侧，并且导流片的凹侧也可以被称作导流片的压力侧。导流片可以沿它的凸表面和沿它的凹表面引导流动流体，从而使得凸表面下游的流体压力低于凹表面上游的流体压力。

流动流体沿导流片的两个表面流动，以到达导流片的下游边缘，在该下游边缘处，导流片的凸表面与导流片的凹表面接合。由于阻挡液流的前缘以及来自翼面压力侧和吸力侧的液流的湍流所导致的损失，相比导流片凸表面的下游的其它区域，导流片的下游边缘的下游具有更低的压力。在较低压区域之间是相对高压区域，也被称作“高压点”。高压点的角位置可以明确高压点，该角位置可以用柱坐标角

来表示。流动流体在这些高压点处可能泄漏到远离流动路径的腔中，因为流体可以从高压流向低压。

特别地，具有既靠近高温点的角位置又靠近高压点的位置的角位置的涡轮机组件经受来自泄漏气体的特定高温，这导致这些组件的受损风险增加。为了避免这些受损，特别地，可以通过所述方法有利地冷却这些组件，所述组件位于临界间隙处或者通过临界间隙被影响，该临界间隙具有高温点和高压点的角位置。

根据一个实施例，所述方法进一步包括使冷却流体通过冷却管指向固定在转子轴处的转子叶片梢部并且指向外壳的叶梢密封部。冷却叶梢密封部和/或转子叶片梢部将减少涡轮机的故障并且还将增加涡轮机的耐用性和效率。

下面，将描述涡轮机的其它示例性实施例。然而，这些实施例也应用于涡轮机的操作方法。

应该注意，已描述了关于不同主题的本发明的实施例。特别地，已描述了关于方法权利要求的一些实施例，并且已描述了关于装置权利要求的另一些实施例。然而，本领域技术人员可以从以上和以下的描述总结出，除非另行说明，否则，除了属于同一类型主题的特征可任意结合之外，也应认为与不同主题有关的特征之间（特别是方法权利要求的特征和装置权利要求的特征之间）的任意结合已被本文公开。

通过下文将要描述的实施例的例子，以上限定的方面和本发明的其它方面将显而易见，并且参照实施例的例子解释这些方面。下面将参照实施例的例子更详细地描述本发明，但是本发明不限于此。

应该注意，用语“包括”并不排除其它元件或步骤，表示英语不定冠词的用语“一”并不排除多个。此外，可以结合那些联系不同实施例描述的元件。还应注意，权利要求中的附图标记不应被理解成限制权利要求的范围。

附图说明

现在，将通过参照附图对示例性实施例进行说明来描述本发明。在附图中：

图1示意性地示出了根据一个实施例的涡轮机的至少一部分；

图2示意性地示出了将成角度的方向卷起为直线方向的图1所示的风力涡轮机的一部分；

图3A、3B和3C是曲线图，示出根据一个实施例的角位置和范围。

具体实施方式

图1示出了根据一个实施例的涡轮机1的至少一部分的示意图。因此删除一些不是限定实施例所必须的部分，以简化附图。涡轮机1包括多个外壳部分3a、3b、3c、3d，在所述外壳部分3a、3b、3c、3d中支撑未示出的转子轴。转子轴还可以被包括多个瓦块轴承或流体轴承（未示出）的一个或多个轴承支撑。转子轴可以围绕旋转轴线5转动，该旋转轴线5与坐标系的z轴一致。部分示出的转子叶片保持器7与转子轴连接。转子叶片保持器径向地向外突起并且承托转子叶片9，从而将转子叶片9布置在工作空间11、11a、11b，流动流体经由流体进入管13被供应通过工作空间11、11a、11b，以沿箭头15标示的方向流动。

通过位于更上游（位于图1中距流体进入管13左手侧更远处）的一个或多个燃烧室，经由流体进入管13供应流动流体。流动流体携带至少部分被涡轮机1转换为转动能的动能和势能。为了实现此能量转换，流动流体被引向具有与上游表面18和下游表面20接合的上游边缘19和下游边缘21的导流片17。

流动流体流过导流片17的凹上游表面18并且流过导流片17的凸下游表面20并且被引向转子叶片9，所述转子叶片9经由转子叶片保持器7连接到围绕轴5可转动的未示出的转子轴。流动流体将其至少部分能量传递给转子叶片9，以引起转子叶片9的圆周运动。由此转动转子轴。

转子叶片9在其径向外端处包括转子叶片梢部23，该转子叶片梢部23在操作期间紧密地靠近外壳的叶梢密封部3e，从而在转子叶片梢部23和外壳的叶梢密封部3e之间形成尽可能小的间隙。由此，从工作空间11a通过该间隙流到转子叶片9更下游处的工作空间11b的流动流体减少，这在另一方面会降低涡轮机1的效率。然而，在转子叶片9上游的工作空间11a中具有比在转子叶片下游的工作空间11b中更高的压力的一部分流动流体流过转子叶片梢部23和外壳的叶梢密封部3e之间的间隙，这导致转子叶片梢部23和外壳的叶梢密封部3e温度升高。

为了冷却涡轮机1的这些组件以及相邻组件，在外壳组件3d中设置冷却管25，其中该冷却管具有入口27和出口29。可以通过钻出穿过外壳组件3d的直孔来形成冷却管25。在所示实施例中，冷却管25可以被看作在外壳中被外壳材料的圆柱形内表面限定的开口。该冷却管的中心线可以是限定冷却管的圆柱形表面的对称轴。此中心线不在图1的绘图平面中，而是相对于该绘图平面倾斜40°-80°，特别是倾斜50°-70°，如将参照图2进一步详细解释的。此外，投影到x-z平面中的冷却管25的对称轴包括与z轴成40°至80°角的角。

涡轮机定子的多个部分，诸如部分3b（喷嘴导流片的一部分）、部分3a、部分3d以及其它未示出的涡轮机定子部分，限定用于容纳冷却流体的冷却空间31。例如，可以将冷却流体从压缩机供应到冷却空间31。压缩机可以位于未示出的上游区域。容纳早冷却空间31中的冷却流体可以具有比工作空间11a中的流动流体高的压力，从而使得冷却流体穿过冷却管25并且在出口29朝向工作空间11a离开冷却管。

冷却管25的出口29的中心33可以是出口29的出口区域的中心，冷却流体通过该出口区域离开冷却管到达工作空间11a。图1指出了导流片17的下游边缘21的轴向位置z₂₁、冷却管25的出口29的中心33的轴向位置z₃₃以及转子叶片9的梢部23的轴向位置z₂₃。显示出冷却管25的出口29的中心33的轴向位置z₃₃在导流片17的下游边缘21的轴向位置z₂₁和转子叶片9的梢部23的轴向位置z₂₃之间。由此，通过冷却管25进入的冷却流体可以流到梢部23和叶梢密封部3e，以冷却这些组件。在其它实施例中，冷却管25的出口29的中心33的轴向位置z₃₃可以在导流片17的下游边缘21的轴向位置z₂₁的上游。

大部分冷却空气可能不会进入区域11a，但是可以流过叶梢23。通过适当地定向和放置冷却管25可以降低由于进入空间11a而被浪费的冷却空气量。

虽然图1是涡轮机一部分的示意图，但涡轮机1可包括被布置在至少大致相同的轴向位置处的多个导流片，在角位置形成一排彼此隔开的导流片。此外，涡轮机1可包括在至少近似相同的轴向位置的多个转子叶片，形成一排转子叶片。此外，涡轮机1可包括布置在不同轴向位置的几排导流片，其与布置在不同轴向位置的多排转子叶片相间。

图1中未示出瓦块轴承，在外壳3中经由该瓦块轴承可转动地支撑转子轴，减小摩擦。

根据特定的选择，在图1所示的x-z平面中的一位置的柱坐标的值可以为0。

图2是涡轮机1的一部分的示意图，其中示出了结构的展开图，其中涡轮机1的圆周方向被展开为直线。由此，由柱坐标中的角

定义沿涡轮机圆周方向的位置。在图2的展开图中，示出具有至少近似相同的轴向位置的多个转子叶片9。根据实施例，在一个转子叶片盘中的转子叶片数量可以在12个转子叶片到70个转子叶片之间变化。每个转子叶片9包括具有轴向位置z₃₃的转子叶片梢部23。尽管在一个转子叶片盘中的转子叶片9的不同转子叶片梢部23具有基本相同的轴向位置z₂₃，但是它们具有不同的角位置，角位置可以由不同的方位角

₂₃表示，其中

是沿图2的纵轴测量的柱坐标。

涡轮机1包括大体具有相同轴向位置的多个导流片17、17’。每个导流片包括在下游边缘21处接合的凹上游表面18和凸下游表面20。尽管多个导流叶片17、17’的下游边缘21、21’至少近似具有相同的轴向位置z₂₁，但是它们具有由不同的角

₂₁表示的不同角位置。

在图2的展开图中示出的涡轮机1进一步包括多个流体进入管13，图2中仅示出两个流体进入管13。离开上游燃烧室的流动流体通过流体进入管13被引向箭头15标示的方向。每个流体进入管13可以与流体进入管的中心14相关，该中心14可以是进入区域中心，诸如均匀装载的进入区域的质量中心。尽管多个流体进入管可以具有相同的轴向位置z₁₃，但是具有由不同的角

₁₄表示的不同角位置。

根据实施例，在具有特定

值和特定z值的区域，加固涡轮机的外壳，从而冷却流体不会从冷却空间进入工作空间11a、11b，转子9在所述工作空间11a、11b中转动。这些加固区域具有在下游边缘21的轴向位置（即z₂₁）和转子叶片9的叶梢23的轴向位置（即z₂₃）之间的轴向位置。此外，外壳的加固区域具有在范围Δ

(边缘)之外的

值，位于被偏移角改变的导流片17、17’的下游边缘21的多个不同角位置

₂₁处。在所示实施例中，偏移角大小约为在同一排导流片中（因此具有相同的轴向位置）相邻导流片的下游边缘的角位置之间的差的一半。在其它实施例中，可以假设偏移角为不同值，这也取决于导流片下游边缘的轴向位置/差、冷却管的中心、图1所示的临界间隙的地点C、导流片的几何形状和/或方位以及冷却管的方位。

加固区域的角位置对下游边缘和加固区域的轴向位置之间的轴距离的依赖可以是由流动流体的螺旋运动导致的（表示流动流体的方向15可以具有

方向的分量）。在图2中为了简化而禁止流动流体的螺旋运动，但是必须考虑到螺旋运动，以适当地限定加固区域35和包括冷却管25的出口29的加固区域37的轴向位置和角位置。

此外，外壳的加固区域也形成在区域Δ

（入口）之外的

值范围内，该区域Δ

位于流体进入管13的多个中心14处。在图2所示的实施例中，范围Δ

(边缘)和Δ(入口)分别集中在导流片17的下游边缘21和进入管13的中心14的角位置，即第一角偏移和第二角偏移分别被设置为零，以便不模糊附图。在其它实施例中，第一角偏移和第二角偏移大于零，并且由于转动的流动流体而取决于进入管13的中心14和冷却管25的出口的中心33的相对轴向位置，并且取决于导流片17的下游边缘21和冷却管25的出口的中心33的相对轴向位置。

根据特定应用范围Δ

(边缘)和Δ

(入口)可以采用不同大小。Δ

(边缘)的可能值为例如10°、5°或2°，并且Δ

(入口)的可能值可以为60°、30°、15°或10°。外壳的加固区域是图2中轴向位置z₂₁和z₂₃之间的边缘区域35。根据一个实施例，冷却管25的出口29仅出现在加固区域35外的区域37中。然而，在不处于z₂₁和z₂₃之间的范围Δz内的外壳区域中，可以出现其它冷却管25的其它出口29。

具体地，在涡轮机1的操作期间，与区域35中的温度和压力相比，在区域37中增加的温度和增加的压力占优势。因此，尤其是在这些高温、高压区域，通过从冷却空间31经由冷却管25引入冷却流体能够冷却转子叶片梢部23和叶梢密封部3e，该冷却流体在出口29被排出到包括叶梢密封部3e的径向外部腔。此外，通过不在与区域37相比温度和压强下降的阴影区域35中设置冷却管的出口，可以避免不必要的冷却，因此尤其节省冷却流体供给。因此可以提高涡轮机的效率。

图3A、3B和3C示出限定外壳的加固区域和可包括冷却管出口的区域的替代实施例。

图3A描绘了示出依赖角位置（横轴）的温度分布（纵轴），所述角位置可以由圆周位置或柱坐标

来表示。在

值为

_HT处，温度从低温度值LT增加到高温度值HT，之后温度下降到值LT。最大温度HT的中心和类高斯曲线39的宽度取决于布置在涡轮机1上游区域中的流体进入管的角位置和构造和/或取决于更上游的流体进入管中的燃烧室的位置。图3A所示的温度分布可以表示在图1示出的在导流片17的下游边缘21和转子叶片9的上游边缘之间的地点C的轴向位置处的温度分布。地点C可以是临界的轴向位置，在该处高压、高温的流体可以进入径向向外放置且在转子叶片梢部23的上游的腔。流动流体将到达在其它角位置和轴向位置处的叶梢23，并且可以将冷却管25的出口29放置为冷却叶梢和密封部3e，其中从主流动路径通过地点C处的间隙泄漏的流动流体到达叶梢23。

图3B描绘了示出依赖角位置的温度分布41（纵轴）的曲线图， 所述角位置可以由柱坐标

或由圆周位置来表示。可以观察到压力根据从低压LP变化到高压HP，其中，在

值为

_HP时观察到最大值HP。位置 _HP可以取决于导流片17的下游边缘21的角位置。具体地，位置

_HP可以在邻近的（即相邻）导流片17的下游边缘21的角位置之间，尤其是两者之间的中部，但是也可以稍微小于或大于这些角位置，并且可以取决于如上所述的其它参数。压力变化可以是由一排导流片的下游区域中所谓的尾流效应导致的。

因为由流体的压力分布和温度控制的流动流体的流动路径判断涡轮机1的哪个组件会由于高温而受到损坏，所以温度和压力分布可以结合以达到梢部泄漏温度，如图3C的曲线43所示。例如，通过根据图3A和3B所示的曲线39和41分别进行求和、求积等，可以推导出曲线43。由阈值S以上曲线43的角位置确定具有高损风险的角位置。为了减小阈值S以上的区域37a内的损坏风险，通过在区域37a的那些角位置处特别地或唯一地设置冷却管的出口，向这些区域37a提供冷却流体。在泄漏温度降低到阈值S以下的其它角区域35a，将工作空间11a、11b与冷却空间31分开的外壳部分被加固并且对于冷却流体来说足够牢固，从而没有冷却流体可以从冷却空间31流到工作空间11a、11b。因此，可以避免不受高压和高温值两者影响的不必要的组件冷却。

本发明不限于所描述的实施例。

可以总结出，本发明涉及一种用于转换能量的涡轮机，所述涡轮机包括：外壳；转子轴，其绕沿轴向方向延伸的旋转轴线5可转动地支撑在外壳中；形成在外壳中用于供应流动流体的至少一个流体进入管13，该流体进入管13位于第一圆周位置；具有下游边缘21的至少一个导流片17，该导流片被固定在外壳中；具有在转子叶片9的径向外端处的转子叶片梢部23的至少一个转子叶片9，该转子叶片9被固定在转子轴处；在外壳中的至少一个冷却管25，该冷却管具有出口29，其中，冷却管25的出口29指向转子叶片梢部23上游的腔，以便冷却转子叶片梢部23，并且其中，以适当位置和尺寸布置冷却管5，从而在涡轮机操作期间，将较多的冷却流体提供到在具有与第一圆周位置基本相同的圆周位置的第一区域中的所述腔，并且将较少的冷却流体提供到在除第一圆周位置之外的其它圆周位置处的腔。

这允许以最有效的方式分布冷却空气，考虑到流动路径的空气中的温度和压力变化，特别考虑到，由于燃烧系统中有限数量的燃烧器，在流动路径中存在高温和低温区域的圆周图案，通常高温区域的数量与燃烧器数量相同。

由于位于靠近尖端密封部上游处的喷嘴导流片的尾流效应，围绕流动路径也存在较高和较低压力的圆周图案。每个喷嘴导流片的后缘产生组件下游的高压和低压区域。在流动路径压力最高之处，空气将被压迫入叶梢密封部上游的腔中。该空气的一部分将在该叶梢密封部和涡轮机叶片顶端之间穿过，然后再次进入涡轮机叶片下游的流动路径。本发明的冷却将提供关于此热气体泄漏路径的方案。该气体的剩余部分将再次进入涡轮机叶片上游的流动路径，但是在压力较低的圆周位置处。

叶梢密封部将遇见最严苛条件的圆周位置是上述较高压力的区域与燃烧器导致的最高温度一致的位置。根据本发明，大多数冷却空气应该供应在这些位置。在被压迫到腔内的工作流体不那么热的那些位置，将需要较少的冷却空气来保护叶梢密封部。

中心思想是将向叶梢密封部提供冷却空气的冷却孔分隔开为不对称圆周图案，并且对每个叶梢密封部不同。这可以完成，因为最高流动路径温度和最高流动路径压力存在于应该供应最多冷却空气的同一位置。可以在叶梢密封部中钻孔，或者可以在支撑喷嘴和叶梢密封部的垫圈中钻孔。这可以取决于发动机设计。

利用本发明可以处理温度和压力变化。优选地，应该分隔开冷却孔，从而在流动路径温度和压力都高之处提供最大程度的冷却。在流动路径压力高而温度低的圆周位置，通过较少数量的冷却孔提供较少的冷却。如果流动压力低而温度高，则可以提供更少的冷却。最终，如果流动路径温度和压力都低，则应该供应最小冷却或不冷却。

附图标记列表

1     涡轮机

3a、3b、3c、3d、3e    涡轮机定子部分

3e    外壳的叶梢密封部

5     旋转轴线

7     转子叶片保持器

9     转子叶片

11、11a、11b    工作空间

13    流体进入管

14    流体进入管中心

15    流动流体方向

17    导流片

18    导流片的凹上游表面

19    导流片的上游边缘

20    导流片的凸下游表面

21    导流片的下游边缘

23    转子叶片梢部

25    冷却管

27    冷却管入口

29    冷却管出口

31    冷却空间

33    冷却管出口中心

z₂₁    冷却管出口中心的轴向位置

z₃₃    转子叶片梢部的轴向位置

35、35a    加固外壳的z-

区域

37、37a    包括冷却管出口的外壳的z-

区域

39     温度分布

41     压力分布

43     泄漏流的温度

14    流体出口中心的角位置

21    导流片的下游边缘的角位置

33    冷却管出口的角位置

Δ

(入口)    与流体进入管相关联的角范围

Δ

(边缘)    与导流片的下游边缘相关联的角范围

HT         高温

LT         低温

HP         高压

LP         低压

S          用于损坏测量的阈值

Claims (16)

1.一种用于转换能量的涡轮机，所述涡轮机包括：

外壳（3a、3b、3c、3d、3e）；

转子轴，其绕沿轴向方向延伸的旋转轴线（5）可转动地支撑在所述外壳中；

至少一个流体进入管（13），其形成在所述外壳中用于供应流动流体；

具有下游边缘（21）的至少一个导流片（17），所述导流片被固定在所述外壳中；

处于所述外壳中的至少一个冷却管（25），所述冷却管具有出口（29），

其中，相对于所述旋转轴线，

所述冷却管（25）的出口（29）的中心（33）的角位置（                                                ₃₃）与偏移了第一偏移角的所述导流片的下游边缘（21）的一部分的角位置（

₂₁）分隔开第一角距离，并且

所述冷却管的出口的中心的所述角位置（

₃₃）与偏移了第二偏移角的所述流体进入管（13）的中心（14）的角位置（

₁₄）分隔开第二角距离，

其中，所述第一角距离小于10°，特别地小于5°，而所述第二角距离小于30°，特别地小于15°，

其中，所述至少一个冷却管（25）的出口（29）的中心（33）被布置在所述至少一个导流片（17）的下游，

其中，包括所述至少一个冷却管的多个冷却管被布置为使得在流动流体温度和压力都高之处提供最大冷却。

2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，所述第一角距离小于所述导流片的角范围的20%，特别地小于所述导流片的角范围的10%。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮机，其中，第二角距离小于所述流体进入管的角范围的三倍，特别地小于所述流体进入管的角范围的二倍。

4.根据权利要求1至3之一所述的涡轮机，其中，

所述第一偏移角取决于至少一个导流片（17）的所述下游边缘（21）的轴向位置（z₂₁）和所述冷却管（25）的出口（29）的中心的轴向位置（z₃₃）之间的距离，并且

所述第二偏移角取决于所述流体进入管的中心的轴向位置（z₁₄）和所述冷却管（25）的出口（29）的中心的轴向位置（z₃₃）之间的距离。

5.根据权利要求1至4之一所述的涡轮机，其中，

所述第一偏移角取决于所述导流片（17）的几何形状和/或方位。

6.根据权利要求1至5之一所述的涡轮机，进一步包括：

另一导流片，其具有另一下游边缘，

其中，所述至少一个导流片（17）的下游边缘（21）的轴向位置与所述另一导流片的下游边缘的轴向位置相同，

其中，所述第一偏移角取决于所述至少一个导流片（17）的下游边缘（21）的角位置与所述另一导流片的下游边缘的角位置之间的距离。

7.根据权利要求1至6之一所述的涡轮机，其中，所述外壳中的所述冷却管（25）具有入口（27），其中，由所述冷却管（25）的入口（27）的中心和出口（29）的中心（33）限定且被投影到与所述导流片（9）长度的径向方向（x）正交的平面（y-z）中的线包括一个与由所述下游边缘（21）处的一点在所述平面中的投影和所述导流片（17）的上游边缘处的一点在所述平面中的投影限定的线之间的夹角，

其中，所述夹角小于30°，特别地小于15°。

8.根据权利要求7所述的涡轮机，其中，沿所述轴向方向，所述冷却管（25）的出口（29）被布置在所述冷却管（25）的入口（27）的下游。

9.根据权利要求1至8之一所述的涡轮机，其中，所述外壳的多个部分限定了用于容纳冷却流体的冷却空间（31），所述冷却流体经由所述冷却管（25）与用于容纳所述流动流体的工作空间（11、11a、11b）连通。

10.根据权利要求1至9之一所述的涡轮机，进一步包括：

至少一个转子叶片（9），在所述转子叶片（9）的径向外端具有转子叶片梢部（23），所述转子叶片（9）被固定在所述转子轴处。

11.根据权利要求10所述的涡轮机，其中，沿所述轴向方向，所述导流片（17）的下游边缘（21）位于第一轴向位置（z₂₁），并且所述转子叶片梢部（23）位于第二轴向位置（z₂₃），其中所述冷却管（25）的出口（29）的中心（33）的轴向位置（z₃₃）处于所述第一轴向位置和所述第二轴向位置之间。

12.根据权利要求11所述的涡轮机，其中，限定了所述冷却空间（31）的所述外壳（3a、3b、3c、3d、3e）的多个部分被加固，以便冷却流体处于这样的位置，

其具有在所述第一轴向位置与所述第二轴向位置之间的轴向位置，并且

具有如下角位置：

a) 比偏移第一偏移角的所述导流片的下游边缘的那一部分的角位置远20°，特别地远15°，或者

b) 比偏移第二偏移角的所述流体进入管的中心的角位置远35°，特别地远40°。

13.根据权利要求1至11之一所述的涡轮机，当包括权利要求10时，

其中，所述外壳（3a、3b、3c、3d、3e）包括叶梢密封部（3e），所述叶梢密封部（3e）具有的轴向位置至少大致等于所述转子叶片（9）的转子叶片梢部（23）的轴向位置（z₂₃）。

14.根据前述权利要求之一所述的涡轮机，其中，具有下述特征中的至少一个：

所述多个冷却管的出口成角度地非等距地间隔开；

所述多个冷却管的出口的尺寸和/或形状不同；

所述多个冷却管中的不同冷却管适于供应不同量的冷却流体。

15.一种能量转换方法，所述方法包括：

经由固定在外壳（3a、3b、3c、3d）处的至少一个流体进入管供应流动流体；

使所述流动流体流到具有下游边缘（21）的至少一个导流片（17），所述导流片被固定在所述外壳处；

通过所述流动流体驱动被可转动地支撑在所述外壳中的转子轴；以及

通过所述外壳中的至少一个冷却管（25）的出口（29）供应冷却流体，

其中，相对于所述转子轴的旋转轴线，所述冷却管（25）的出口（29）的中心（33）的角位置（

₃₃）与偏移第一偏移角的所述导流片（17）的下游边缘（21）的一部分的角位置（

₂₁）分隔开第一角距离，并且

所述冷却管（25）的出口（29）的中心（33）的角位置（

₃₃）与偏移第二偏移角的所述流体进入管（13）的中心（14）的角位置（

₁₄）分隔开第二角距离，

其中，所述第一角距离小于10°，特别地小于5°，并且所述第二角距离小于30°，特别地小于15°，

其中，所述至少一个冷却管（25）的出口（29）的中心（33）被布置在所述至少一个导流片（17）的下游，

其中，包括所述至少一个冷却管的多个冷却管被布置为使得在流动流体温度和压力都高之处提供最大冷却。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：

导引所述冷却流体通过所述冷却管（25）到达被固定在所述转子轴处的转子叶片（9）的梢部和所述外壳的叶梢密封部（3e）。

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