CN103133063A - 重型中低热值燃机涡轮第一级动叶护环冷却机构 - Google Patents

Abstract

重型中低热值燃机涡轮第一级动叶护环冷却机构，属于重型中低热值燃气轮机技术领域。它可对护环片冷却的同时，还可防止高温燃气泄漏到涡轮壳体中。持环上开有十字形开口和第一密封插槽，位于进气侧设有冷却流体进气孔，护环片与持环滑动连接，护环片将持环的凹腔围成压缩流体腔室，冲击孔板与持环固接，冷却流体进气孔与压缩流体腔室相通，护环片位于进、出气侧设有第一、二冷却孔，第一、二冷却孔与内压缩流体腔室相通，护环片设有第二密封插槽，持环与护环片之间设有第一、二冷却流道，第一、二冷却流道与第一、二缝隙冷却通道相通，护环片上设有多个冷却孔，冲击孔板上设有数个冲击孔。本发明用于重型中低热值燃机涡轮第一级动叶护环冷却。

Description

重型中低热值燃机涡轮第一级动叶护环冷却机构

技术领域

本发明涉及重型中低热值燃机涡轮第一级动叶护环，属于重型中低热值燃气轮机技术领域。

背景技术

根据中国国内能源产业结构，天然气资源较少，而煤资源丰富，由煤提炼的中低热值燃料丰富，因此提高适用于中低热值燃料的重型燃机性能尤为重要。传统设计中，对重型中低热值燃气轮机的第一级涡轮动叶护环冷却结构形式单一，护环经常发生烧蚀和损坏，也很少兼顾护环片之间的缝隙冷却、护环片和持环之间的缝隙冷却。

针对目前的中低热值重型燃气轮机涡轮第一级动叶护环直接暴漏在较高的热负荷环境中，尤其在护环与燃气接触面，长期高热负荷环境下容易导致叶片产生氧化且出现蠕变损坏，同时压力突变不稳定的情况下还容易通过护环缝隙进入涡轮壳体损坏壳体问题，虽然目前透平材料和工艺已有长足的进展，但是，为解决目前面临日益增高的燃烧室温度，叶片的温度和热应力水平仍逐渐增大，同时提供给护环更多的冷气会引起涡轮效率下降的问题，研究一种高效适用于重型中低热值燃料的第一级动叶护环冷却结构非常重要，尤其是在不增加整个透平系统的总体冷气量的情况下，降低护环片燃气接触表面温度和热应力，则显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种重型中低热值燃机涡轮第一级动叶护环冷却机构，它可对护环片冷却的同时，还可防止高温燃气泄漏到涡轮壳体中。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

重型中低热值燃机涡轮第一级动叶护环冷却机构，所述第一级动叶护环冷却机构包括冲击孔板、持环及护环片；持环上位于径向外侧面上开有通透的十字形开口，持环上位于进气侧的侧面上设有至少一个冷却流体进气孔，持环上位于出气侧的侧面上设有开槽，持环上与相邻的持环相连接的表面设有多个第一密封插槽，持环上位于径向内侧面上设有凹腔，凹腔位于进气侧一侧的内侧面设置有第一滑槽，凹腔位于出气侧一侧的内侧面设置有第二滑槽，第一滑槽和第二滑槽的开口正对设置，护环片设置在持环径向内侧面的内侧，护环片上位于进气侧一侧设有与第一滑槽相配合的第一凸台，护环片上位于出气侧一侧设有与第二滑槽相配合的第二凸台，护环片通过第一凸台和第二凸台与持环的第一滑槽和第二滑槽滑动连接，护环片将持环的凹腔围成压缩流体腔室，冲击孔板设置在持环与护环片之间，冲击孔板与持环固定连接，冲击孔板将压缩流体腔室分割为相通的两部分，其中一部分由持环和冲击孔板围成并定义为外压缩流体腔室，余下部分由护环片和冲击孔板围成并定义为内压缩流体腔室，冷却流体进气孔与外压缩流体腔室相通，护环片位于进气侧设有多个第一冷却孔，护环片位于出气侧设有多个第二冷却孔，多个第一冷却孔和多个第二冷却孔均与内压缩流体腔室相通，护环片的上表面靠近持环一侧设有第二密封插槽，第一滑槽与第一凸台之间设有第一冷却流道，第二滑槽与第二凸台之间设有第二冷却流道，持环的径向内侧面位于进气侧与护环片的相邻面之间设有与第一冷却流道相通的第一缝隙冷却通道，持环的径向内侧面位于出气侧与护环片的相邻面之间设有与第二冷却流道相通的第二缝隙冷却通道，护环片与进气侧和出气侧相平行的两个侧面上各设有多个冷却孔，多个冷却孔错位设置，多个冷却孔均与进气侧和出气侧相垂直设置，且多个冷却孔均与内压缩流体腔室相通，冲击孔板上设有数个冲击孔。

重型中低热值燃机涡轮第一级动叶护环冷却机构，所述第一级动叶护环冷却机构包括冲击孔板、持环及多个护环片；持环上位于径向外侧面上开有通透的十字形开口，持环上位于进气侧的侧面上设有至少一个冷却流体进气孔，持环上位于出气侧的侧面上设有开槽，持环上与相邻的持环相连接的表面设有多个第一密封插槽，持环上位于径向内侧面上设有凹腔，凹腔位于进气侧一侧的内侧面设置有第一滑槽，凹腔位于出气侧一侧的内侧面设置有第二滑槽，第一滑槽和第二滑槽的开口正对设置，多个护环片设置在持环的径向内侧面内侧，每个护环片上位于进气侧一侧设有与第一滑槽相配合的第一凸台，每个护环片上位于出气侧一侧设有与第二滑槽相配合的第二凸台，每个护环片通过第一凸台和第二凸台与持环的第一滑槽和第二滑槽滑动连接，护环片将持环的凹腔围成压缩流体腔室，冲击孔板设置在持环与多个护环片之间，冲击孔板与持环固定连接，冲击孔板将压缩流体腔室分割为相通的两部分，其中一部分由持环和冲击孔板围成并定义为外压缩流体腔室，余下部分由护环片和冲击孔板围成并定义为内压缩流体腔室，冷却流体进气孔与外压缩流体腔室相通，护环片位于进气侧设有多个第一冷却孔，护环片位于出气侧设有多个第二冷却孔，多个第一冷却孔和多个第二冷却孔均与内压缩流体腔室相通，护环片上与相邻的护环片相邻表面设有第二密封插槽，第一滑槽与第一凸台之间设有第一冷却流道，第二滑槽与第二凸台之间设有第二冷却流道，相邻两个护环片之间设有护环侧缝隙，持环的径向内侧面位于进气侧与护环片的相邻面之间设有与第一冷却流道相通的第一缝隙冷却通道，持环的径向内侧面位于出气侧与护环片的相邻面之间设有与第二冷却流道相通的第二缝隙冷却通道，护环片与进气侧和出气侧相平行的两个侧面上各设有多个冷却孔，多个冷却孔错位设置，多个冷却孔均与进气侧和出气侧相垂直设置，且多个冷却孔均与内压缩流体腔室相通，相邻两个护环片中的相邻设置的多个冷却孔均与护环侧缝隙相通，冲击孔板上与每个护环片相对应部分设有一个区域，区域上设有数个冲击孔。

本发明的有益效果是：本发明采用多种冷却方式和全方位冷却护环的冷却结构，包括阻隔燃气的持环、增加冷却效果的冲击孔板、直接接触高温燃气的护环片，并设置了冷却流体进气孔、冷却孔、冷却流道、缝隙冷却通道等，本发明采用高效的冲击冷却和护环片四周全方位的冷却方式，这些冷却方式在冷却护环片的同时可防止高温燃气泄漏到涡轮壳体中。

附图说明

图1为本发明的整体结构主视剖视图；图2为本发明的整体结构主视图；图3为多个护环片排布的俯视示意图；图4为图1中冲击孔板的后视图，图中表示的是冲击孔的具体分布形式。

图1～图3中位于图左侧的箭头指向为进气侧，位于图右侧的箭头指向为出气侧。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图4说明，本实施方式的重型中低热值燃机涡轮第一级动叶护环冷却机构，所述第一级动叶护环冷却机构包括冲击孔板2、持环3及护环片1；持环3上位于径向外侧面3-1上开有通透的十字形开口18，持环3上位于进气侧的侧面上设有至少一个冷却流体进气孔4（冷却流体进气孔的数量根据冷气进入的具体形式确定），持环3上位于出气侧的侧面上设有开槽22（与二级导叶连接用），持环3上与相邻的持环相连接的表面设有多个第一密封插槽11（用于密封件的插入，用来分隔持环外侧与持环内侧，其具体形式与持环3的十字形开口18的具体形式有关），持环3上位于径向内侧面3-2上设有凹腔，凹腔位于进气侧一侧的内侧面设置有第一滑槽，凹腔位于出气侧一侧的内侧面设置有第二滑槽，第一滑槽和第二滑槽的开口正对设置，护环片1设置在持环3径向内侧面3-2的内侧，护环片1与凹腔相邻的表面位于进气侧一侧设有与第一滑槽相配合的第一凸台1-1，护环片1与凹腔相邻的表面位于出气侧一侧设有与第二滑槽相配合的第二凸台1-2，护环片1通过第一凸台1-1和第二凸台1-2与持环3的第一滑槽和第二滑槽滑动连接，护环片1将持环3的凹腔围成压缩流体腔室，冲击孔板2设置在持环3与护环片1之间，冲击孔板2与持环3固定连接（采用焊接形式固定连接），冲击孔板2将压缩流体腔室分割为相通的两部分，其中一部分由持环3和冲击孔板2围成并定义为外压缩流体腔室5，余下部分由护环片1和冲击孔板2围成并定义为内压缩流体腔室6，冷却流体进气孔4与外压缩流体腔室5相通，护环片1位于进气侧设有多个第一冷却孔8，护环片1位于出气侧设有多个第二冷却孔7，多个第一冷却孔8和多个第二冷却孔7均与内压缩流体腔室6相通，护环片1的上表面靠近持环3一侧设有第二密封插槽12，第一滑槽与第一凸台1-1之间设有第一冷却流道9，第二滑槽与第二凸台1-2之间设有第二冷却流道10，持环3的径向内侧面3-2位于进气侧与护环片1的相邻面之间设有与第一冷却流道9相通的第一缝隙冷却通道20，持环3的径向内侧面3-2位于出气侧与护环片1的相邻面之间设有与第二冷却流道10相通的第二缝隙冷却通道21，护环片1与进气侧和出气侧相平行的两个侧面上各设有多个冷却孔13，多个冷却孔13错位设置，多个冷却孔13均与进气侧和出气侧相垂直设置，且多个冷却孔13均与内压缩流体腔室6相通，冲击孔板2上设有数个冲击孔16。

具体实施方式二：结合图1～图4说明，本实施方式的重型中低热值燃机涡轮第一级动叶护环冷却机构，所述第一级动叶护环冷却机构包括冲击孔板2、持环3及多个护环片1；持环3上位于径向外侧面3-1上开有通透的十字形开口18，持环3上位于进气侧的侧面上设有至少一个冷却流体进气孔4（冷却流体进气孔的数量根据冷气进入的具体形式确定），持环3上位于出气侧的侧面上设有开槽22（与二级导叶连接用），持环3上与相邻的持环相连接的表面设有多个第一密封插槽11（用于密封件的插入，用来分隔持环外侧与持环内侧，其具体形式与持环3的十字形开口18的具体形式有关），持环3上位于径向内侧面上设有凹腔，凹腔位于进气侧一侧的内侧面设置有第一滑槽，凹腔位于出气侧一侧的内侧面设置有第二滑槽，第一滑槽和第二滑槽的开口正对设置，多个护环片1设置在持环3的径向内侧面3-2内侧，每个护环片1与凹腔相邻的表面位于进气侧一侧设有与第一滑槽相配合的第一凸台1-1，每个护环片1与凹腔相邻的表面位于出气侧一侧设有与第二滑槽相配合的第二凸台1-2，每个护环片1通过第一凸台1-1和第二凸台1-2与持环3的第一滑槽和第二滑槽滑动连接，护环片1将持环3的凹腔围成压缩流体腔室，冲击孔板2设置在持环3与多个护环片1之间，冲击孔板2与持环3固定连接（采用焊接形式固定连接），冲击孔板2将压缩流体腔室分割为相通的两部分，其中一部分由持环3和冲击孔板2围成并定义为外压缩流体腔室5，余下部分由护环片1和冲击孔板2围成并定义为内压缩流体腔室6，冷却流体进气孔4与外压缩流体腔室5相通，护环片1位于进气侧设有多个第一冷却孔8，护环片1位于出气侧设有多个第二冷却孔7，多个第一冷却孔8和多个第二冷却孔7均与内压缩流体腔室6相通，护环片1上与相邻的护环片1相邻表面设有第二密封插槽12，第一滑槽与第一凸台1-1之间设有第一冷却流道9，第二滑槽与第二凸台1-2之间设有第二冷却流道10，相邻两个护环片1之间设有护环侧缝隙15，持环3的径向内侧面3-2位于进气侧与护环片1的相邻面之间设有与第一冷却流道9相通的第一缝隙冷却通道20，持环3的径向内侧面3-2位于出气侧与护环片1的相邻面之间设有与第二冷却流道10相通的第二缝隙冷却通道21，护环片1与进气侧和出气侧相平行的两个侧面上各设有多个冷却孔13，多个冷却孔13错位设置，多个冷却孔13均与进气侧和出气侧相垂直设置，且多个冷却孔13均与内压缩流体腔室6相通，相邻两个护环片1中的相邻设置的多个冷却孔13均与护环侧缝隙15相通，冲击孔板2上与每个护环片1相对应部分设有一个区域19，区域19上设有数个冲击孔16。

具体实施方式一及二中，冷却流体进气孔4的数量为两个，冷却流体进气孔4的半径为8mm（冷却流体进气孔4的直径根据进气量的多少而定）。持环3上的第一密封插槽11主要是避开十字形开口18和开槽22，并且十字形开口18和开槽22要进行良好的密封；护环片1上的第二密封插槽12主要是阻止高温燃气和压缩流体进入涡轮壳体和开槽22。

设置冷却流体通道20、冷却流体出气侧通道21及护环侧缝隙15，这样的冷却通道和缝隙对护环片1周围与燃气接触的区域进行很好的冷却。

具体实施方式三：结合图1和图2说明，本实施方式的第一滑槽与持环3的径向外侧面3-1相邻一侧的槽深深于与持环3的径向内侧面3-2相邻一侧的槽深，第二滑槽与持环3的径向外侧面3-1相邻一侧的槽深深于与持环3径向内侧面3-2相邻一侧的槽深。便于形成第一冷却流道9和第二冷却流道10。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图4说明，本实施方式的冲击孔板2上的冲击孔16的数量至少为30个（具体数量与冲击孔板2的大小有关）。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：结合图3说明，本实施方式中的护环片1的数量为三个，这样分散的护环片1能使冷却空气得到更合理的利用，防止由于单个冷却孔13堵塞引起大范围护环片1损坏的风险，其中护环片1位于进气侧设有六个第一冷却孔8，出气侧设有六个第二冷却孔7，多个冷却孔13错位分布有利于整个缝隙都能进入冷却的压缩流体。冷却孔13的直径为2mm。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式二相同。

具体实施方式六：结合图1、图2及图4说明，本实施方式中，护环片1的数量为三个，冲击孔板2上的数个冲击孔16设置在三个区域19内，三个区域19与三个护环片1一一对应，数个冲击孔16错位分布，这样的分布方式能使整个护环片1内部进行均匀的冲击冷却，冲击孔16数量为114个，冲击孔16的直径为1.5mm。本实施方式中未公开的技术特征与具体实施方式二相同。

本发明中，持环3通过十字形开口18安装在涡轮壳体上，冲击孔板2用于增加压缩流体腔室中流体对护环1的冷却，使压缩冷却流体得到了高效的利用。

压缩冷却流体经持环进入，通过冲击孔板合理的分配到不同的护环空腔中，对护环内部表面进行冲击冷却，冲击后的冷却流体经过护环孔分别进入护环的四周进行对流冷却。同时数量较多的护环片有利于冷气的均分利用。综合来看，冷气得到了综合利用，对护环分别采用了冲击冷却、对流冷却两种高效的冷却结构。

通过以上具体实施方式对本发明进行了详细描述，但是应当理解，本发明并不限于所公开的实施案例，相反，本发明旨在覆盖包括所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。因此，对保留本发明的目的而在细微之处略有不同的其他实例也是适用的。

Claims (4)

1.一种重型中低热值燃机涡轮第一级动叶护环冷却机构，其特征在于：所述第一级动叶护环冷却机构包括冲击孔板（2）、持环（3）及护环片（1）；持环（3）上位于径向外侧面（3-1）上开有通透的十字形开口（18），持环（3）上位于进气侧的侧面上设有至少一个冷却流体进气孔（4），持环（3）上位于出气侧的侧面上设有开槽（22），持环（3）上与相邻的持环相连接的表面设有多个第一密封插槽（11），持环（3）上位于径向内侧面（3-2）上设有凹腔，凹腔位于进气侧一侧的内侧面设置有第一滑槽，凹腔位于出气侧一侧的内侧面设置有第二滑槽，第一滑槽和第二滑槽的开口正对设置，护环片（1）设置在持环（3）径向内侧面（3-2）的内侧，护环片（1）与凹腔相邻的表面位于进气侧一侧设有与第一滑槽相配合的第一凸台（1-1），护环片（1）与凹腔相邻的表面位于出气侧一侧设有与第二滑槽相配合的第二凸台（1-2），护环片（1）通过第一凸台（1-1）和第二凸台（1-2）与持环（3）的第一滑槽和第二滑槽滑动连接，护环片（1）将持环（3）的凹腔围成压缩流体腔室，冲击孔板（2）设置在持环（3）与护环片（1）之间，冲击孔板（2）与持环（3）固定连接，冲击孔板（2）将压缩流体腔室分割为相通的两部分，其中一部分由持环（3）和冲击孔板（2）围成并定义为外压缩流体腔室（5），余下部分由护环片（1）和冲击孔板（2）围成并定义为内压缩流体腔室（6），冷却流体进气孔（4）与外压缩流体腔室（5）相通，护环片（1）位于进气侧设有多个第一冷却孔（8），护环片（1）位于出气侧设有多个第二冷却孔（7），多个第一冷却孔（8）和多个第二冷却孔（7）均与内压缩流体腔室（6）相通，护环片（1）的上表面靠近持环（3）一侧设有第二密封插槽（12），第一滑槽与第一凸台（1-1）之间设有第一冷却流道（9），第二滑槽与第二凸台（1-2）之间设有第二冷却流道（10），持环（3）的径向内侧面（3-2）位于进气侧与护环片（1）的相邻面之间设有与第一冷却流道（9）相通的第一缝隙冷却通道（20），持环（3）的径向内侧面（3-2）位于出气侧与护环片（1）的相邻面之间设有与第二冷却流道（10）相通的第二缝隙冷却通道（21），护环片（1）与进气侧和出气侧相平行的两个侧面上各设有多个冷却孔（13），多个冷却孔（13）错位设置，多个冷却孔（13）均与进气侧和出气侧相垂直设置，且多个冷却孔（13）均与内压缩流体腔室（6）相通，冲击孔板（2）上设有数个冲击孔（16）。

2.一种重型中低热值燃机涡轮第一级动叶护环冷却机构，其特征在于：所述第一级动叶护环冷却机构包括冲击孔板（2）、持环（3）及多个护环片（1）；持环（3）上位于径向外侧面（3-1）上开有通透的十字形开口（18），持环（3）上位于进气侧的侧面上设有至少一个冷却流体进气孔（4），持环（3）上位于出气侧的侧面上设有开槽（22），持环（3）上与相邻的持环相连接的表面设有多个第一密封插槽（11），持环（3）上位于径向内侧面上设有凹腔，凹腔位于进气侧一侧的内侧面设置有第一滑槽，凹腔位于出气侧一侧的内侧面设置有第二滑槽，第一滑槽和第二滑槽的开口正对设置，多个护环片（1）设置在持环（3）的径向内侧面（3-2）内侧，每个护环片（1）与凹腔相邻的表面位于进气侧一侧设有与第一滑槽相配合的第一凸台（1-1），每个护环片（1）与凹腔相邻的表面位于出气侧一侧设有与第二滑槽相配合的第二凸台（1-2），每个护环片（1）通过第一凸台（1-1）和第二凸台（1-2）与持环（3）的第一滑槽和第二滑槽滑动连接，护环片（1）将持环（3）的凹腔围成压缩流体腔室，冲击孔板（2）设置在持环（3）与多个护环片（1）之间，冲击孔板（2）与持环（3）固定连接，冲击孔板（2）将压缩流体腔室分割为相通的两部分，其中一部分由持环（3）和冲击孔板（2）围成并定义为外压缩流体腔室（5），余下部分由护环片（1）和冲击孔板（2）围成并定义为内压缩流体腔室（6），冷却流体进气孔（4）与外压缩流体腔室（5）相通，护环片（1）位于进气侧设有多个第一冷却孔（8），护环片（1）位于出气侧设有多个第二冷却孔（7），多个第一冷却孔（8）和多个第二冷却孔（7）均与内压缩流体腔室（6）相通，护环片（1）上与相邻的护环片（1）相邻表面设有第二密封插槽（12），第一滑槽与第一凸台（1-1）之间设有第一冷却流道（9），第二滑槽与第二凸台（1-2）之间设有第二冷却流道（10），相邻两个护环片（1）之间设有护环侧缝隙（15），持环（3）的径向内侧面（3-2）位于进气侧与护环片（1）的相邻面之间设有与第一冷却流道（9）相通的第一缝隙冷却通道（20），持环（3）的径向内侧面（3-2）位于出气侧与护环片（1）的相邻面之间设有与第二冷却流道（10）相通的第二缝隙冷却通道（21），护环片（1）与进气侧和出气侧相平行的两个侧面上各设有多个冷却孔（13），多个冷却孔（13）错位设置，多个冷却孔（13）均与进气侧和出气侧相垂直设置，且多个冷却孔（13）均与内压缩流体腔室（6）相通，相邻两个护环片（1）中的相邻设置的多个冷却孔（13）均与护环侧缝隙（15）相通，冲击孔板（2）上与每个护环片（1）相对应部分设有一个区域（19），区域（19）上设有数个冲击孔（16）。

3.根据权利要求1或2所述重型中低热值燃机涡轮第一级动叶护环冷却机构，其特征在于：第一滑槽与持环（3）的径向外侧面（3-1）相邻一侧的槽深深于与持环（3）的径向内侧面（3-2）相邻一侧的槽深，第二滑槽与持环（3）的径向外侧面（3-1）相邻一侧的槽深深于与持环（3）径向内侧面（3-2）相邻一侧的槽深。

4.根据权利要求1或2所述重型中低热值燃机涡轮第一级动叶护环冷却机构，其特征在于：冲击孔板（2）上的冲击孔（16）的数量至少为30个。

Images