CN103195507B - 涡轮喷嘴区划冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及并公开一种用于在涡轮中提供冷却流的区划冷却系统，该涡轮中具有燃烧气体流。该区划冷却系统可以包括涡轮喷嘴和冷却挡板。涡轮喷嘴可以包括翼型插入件和喷嘴外侧壁。冷却挡板可以包括在第一回路中与翼型插入件相连通的高压冷却通路以及在第二回路中围绕喷嘴外侧壁定位的冲击板。
Description
技术领域
本发明总体涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及用于分离箱(splitcase)涡轮设计的涡轮喷嘴区划冷却系统，以便提供具有低泄漏的高压冷却空气。
背景技术
总体而言，燃气涡轮发动机的涡轮级包括多个固定的涡轮喷嘴。每一个涡轮喷嘴都可以具有在外侧壁与内侧壁之间沿径向延伸的叶片。喷嘴叶片可以具有翼型构造，以用于在布置于其上游和下游处的相应的涡轮机转子轮叶之间引导燃烧气体。涡轮机转子轮叶可以安装至转子盘的周边，以用于与转子盘一起旋转。由于涡轮喷嘴叶片在操作期间被流过其中的热燃烧气体加热，因此可以在叶片内侧引导从压缩机流出的冷却空气，以用于冷却目的。限制所需的寄生冷却空气的量并且限制喷嘴叶片和其它位置处所损失的这种冷却空气的泄漏应当促进总体燃气涡轮发动机效率和性能。
过去已经将区划冷却用于航空涡轮发动机等。这种航空发动机通常包括圆形(360°)部件，以将冷却流引导至喷嘴中。鉴于航空发动机大体是在组装期间沿轴向堆叠的全环箱(fullhoopcase)结构，该构造对于航空发动机而言是可能实现的。然而，由于工业燃气涡轮发动机的总体尺寸，这种工业燃气涡轮机通常安装在至少两个(甚至数量更多的)半部(180°)段中。该分段构造通常排除使用360°部件来将冷却流引入喷嘴布置中。
因此，期望改进的工业燃气涡轮机设计。这种改进的工业燃气涡轮机设计可以使用多个分段冷却挡板，以提供具有低泄漏的高压冷却空气，从而促进具有低泄漏的高效冷却。
发明内容
因此，本发明提供一种用于在涡轮中提供冷却流的区划冷却系统，该涡轮中具有燃烧气体流。该区划冷却系统可以包括涡轮喷嘴和冷却挡板。涡轮喷嘴可以包括翼型插入件和喷嘴外侧壁。冷却挡板可以包括在第一回路中与翼型插入件相连通的高压冷却通路以及在第二回路中围绕喷嘴外侧壁定位的冲击板。
本发明进一步提供一种对涡轮的喷嘴进行冷却的方法。该方法可以包括以下步骤：通过冷却挡板在高压下将第一回路冷却流输送至喷嘴叶片的翼型插入件；通过第一回路冷却流对喷嘴叶片进行冷却；将第二回路冷却流输送至围绕喷嘴外侧壁定位的冷却挡板的冲击板；以及通过第二回路冷却流对喷嘴外侧壁进行冷却。
进一步提供一种用于在涡轮中提供冷却流的区划冷却系统，该涡轮中具有燃烧气体流。该区划冷却系统可以包括涡轮喷嘴和多个冷却挡板段。涡轮喷嘴可以包括翼型插入件和喷嘴外侧壁。冷却挡板段中的每一个冷却挡板段都可以包括在第一回路中与翼型插入件相连通的高压冷却通路和在第二回路中围绕喷嘴外侧壁定位的冲击板。所述区划冷却系统进一步包括位于所述多个冷却挡板段中的每一对冷却挡板段之间的花键密封件。所述冷却挡板包括位于所述冲击板与所述喷嘴外侧壁之间的后冲击压力腔。所述冷却挡板包括围绕所述冲击板的第一密封层和围绕所述喷嘴外侧壁的第二密封层。所述冷却挡板包括跨过所述第一密封层的第一泄露路径和跨过所述第二密封层的第二泄露路径。
当结合若干附图以及所附权利要求阅览下文的详细描述时，对于本领域普通技术人员而言，本申请以及所获得的专利的这些和其它的特征以及改进将变得显而易见。
附图说明
图1是燃气涡轮发动机的示意图，该燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器、和涡轮。
图2是冷却剂挡板的局部透视侧横截面图，该冷却剂挡板围绕喷嘴叶片定位。
图3是图2的冷却挡板和喷嘴叶片的局部透视侧横截面图；
图4是图2的冷却挡板和喷嘴叶片的局部侧视图，其中示出了通过其中的空气流回路。
图5是图2的两个冷却挡板和喷嘴叶片段的一部分以及其间的段间间隙的局部侧横截面图，并且其中示出了通过其中的空气流回路。
具体实施方式
现在参照附图，其中相似的附图标记在全部若干视图中表示相似的元件，图1示出了如本发明可以使用的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可以包括压缩机15。压缩机15对进入的空气流20进行压缩。压缩机15将压缩空气流20输送至燃烧器25。燃烧器25对压缩空气流20与压缩燃料流30进行混合并且点燃混合物，以产生燃烧气体流35。尽管仅示出一个燃烧器25，但是燃气涡轮发动机10可以包括任何数量的燃烧器25。燃烧气体流35接着被输送至涡轮40。燃烧气体流35驱动涡轮40，以便产生机械功。涡轮40中所产生的机械功通过轴45驱动压缩机15和外部负载50，例如发电机等。
燃气涡轮发动机10可以使用天然气、各种类型的合成气、以及/或者其它类型的燃料。燃气涡轮发动机10可以是由Schenectady(NewYork)的GeneralElectricCompany所提供的多种不同的燃气涡轮发动机中的任何一种，其中包括但不限于例如7系列或9系列重型燃气涡轮发动机等的那些燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机10可以具有不同的构造并且可以使用其它类型的部件。本发明也可以使用其它类型的燃气涡轮发动机。也可以一起使用多个燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮机、以及其它类型的发电设备。
图2至图5示出了可以如本发明所描述的涡轮喷嘴区划冷却系统100的一部分。涡轮喷嘴区划冷却系统100可以用于所描述的涡轮40的多个涡轮喷嘴105等。涡轮喷嘴105可以是分离箱设计的一部分。涡轮喷嘴105中的每一个涡轮喷嘴105都可以包括喷嘴叶片110。喷嘴叶片110可以以悬臂形式在内侧壁120与外侧壁140之间延伸。多个涡轮喷嘴105可以结合成周向阵列，以形成具有多个转子轮叶(未示出)的级。
喷嘴105可以包括围绕喷嘴叶片110延伸的喷嘴外侧壁140。喷嘴叶片110可以是基本空心的。翼型插入件150可以定位在喷嘴叶片110内。翼型插入件150可以具有形成在其中的多个冷却孔160。冷却孔160可以用于通过冲击冷却等引导冷却流170围绕喷嘴叶片110。翼型插入件150可以通过管密封件或者作为冷却回路的一部分的其它类型的高压冷却通路180与来自压缩机15的冷却流170连通。本发明中可以使用多于一个的冷却通路180。可以使用其它的部件和其它的构造。
涡轮喷嘴区划冷却系统100也可以包括冷却挡板200，冷却挡板200围绕涡轮喷嘴105定位。冷却挡板200可以定位在来自压缩机15的冷却供给与涡轮喷嘴105的外侧壁140之间。冷却挡板200可以呈多个段210的形式。具体而言，冷却挡板200可以分段成至少两(2)个段210并且在给定的级中达到每喷嘴叶片110一(1)个段210。可以通过花键密封件等对冷却挡板段210中的每一个冷却挡板段210之间的间隙进行密封。
冷却挡板200可以用作冲击板230。冲击板230可以具有形成在其中的多个冷却孔240。本发明可以使用任何数量或构造的冷却孔240。第一密封层250可以围绕冲击板230定位。第二密封层260可以围绕外侧壁140定位。密封层250、260可以由任何稳健、耐热的材料制成。冲击板230以及密封层250、260可以与翼型插入件150相连通地包绕高压冷却通路180。后冲击压力腔265可以由处于一端的冲击板230与第一密封层250和在另一端处的外侧壁140与第二密封层260共同限定。
在使用中，来自压缩机15的冷却流170可以通过位于冷却挡板200和第一密封层250上方的高压区域270、位于密封层250、260之间的后冲击压力腔265中的中间压力区域280、以及围绕燃烧气体流位于后冲击压力腔265和第二密封层260下方的低压区域290。随着冷却流170接近涡轮喷嘴105，冷却流170具有三(3)个可能的流动路径。首先，冷却流170可以直接进入喷嘴叶片110内的翼型插入件150，以用于在高压下通过冷却通路180对其中进行冷却。其次，冷却流170可以通过冷却剂挡板200的冲击板230并且对喷嘴外侧壁140进行冲击冷却。第三，冷却流170可以跨过第一密封层250泄漏到后冲击压力腔265中。中间压力后冲击空气接着可以跨过第二密封层260泄漏到低压燃烧气体流35中。本发明也可以使用其它的构造和其它的部件。
通过在第一回路300中经由高压冷却通路180将冷却流170直接引入翼型插入件150中，来自高压区域270的冷却流170可以用于在喷嘴插入件150中进行冷却而不造成显著压降。通过在第二回路330中使用按顺序排列的密封层250、260，由高压区域270驱动的第一泄露路径310可以延伸跨过挡板200和第一密封层250，而第二泄露路径320在低压下朝向燃烧气体流35延伸跨过第二密封层260。换句话说，第二泄露路径320中的冷却流170从中间压力区域280延伸跨过第二密封层260并且延伸至燃烧气体流35的低压区域290中。由此，后冲击压力腔265与燃烧气体流35之间的压差小于冷却流170与高压区域270和燃烧气体流35之间的压差。因此，可以通过后冲击压力腔265的压力而不是来高压区域270的压缩机抽取物来对从喷嘴外侧壁140的任何泄露进行驱动。因此，与涡轮喷嘴区划冷却系统100的冷却挡板200相结合的密封层250和260可以提供较低的泄露，同时使用来自高压区域270的空气用于冷却而不造成显著的压降。
涡轮喷嘴区划冷却系统100的冷却挡板200可以是单独元件或者通过铸造就位(castintoplace)。具体而言，可以将空心桥状结构铸造到喷嘴外侧壁140中，同时通过其中加工冷却孔，使得能够将密封层250、260放置在其中。冲击板能够连接至桥状部或侧壁的顶部。备选地，也能够将完全封闭的增压室铸造至喷嘴外侧壁140并且接着在密封层250、260等中钻取冲击洞等。
因此，具有冷却挡板200的涡轮喷嘴105使得能够在分离箱涡轮设计中进行区划冷却。这种区划冷却减少泄露，同时向多个冷却回路提供高压冷却空气而不造成太多的压降。较少的泄露和较高压力冷却空气应当提供提高的效率、提高的性能、以及所用成本和材料有限的部件的较长寿命。
应当显而易见的是，上文仅涉及本申请某些实施例。本领域技术人员可以在不偏离由以下权利要求及其等同形式所限定的本发明的总体精神和范围的情况下在本文中进行多种改变和改型。
Claims (15)
1.一种用于在涡轮中提供冷却流的区划冷却系统，所述涡轮中具有燃烧气体流，所述区划冷却系统包括：
涡轮喷嘴；
所述涡轮喷嘴包括翼型插入件和喷嘴外侧壁；
冷却挡板；
所述冷却挡板包括在第一回路中与所述翼型插入件相连通的高压冷却通路以及在第二回路中围绕所述喷嘴外侧壁定位的冲击板；以及
径向地位于所述冲击板与所述喷嘴外侧壁之间的后冲击压力腔；
其中，所述冷却挡板进一步包括沿所述冲击板布置的第一密封层，该第一密封层布置在所述后冲击压力腔的径向外部。
2.根据权利要求1所述的区划冷却系统，其特征在于，所述冷却挡板包括多个冷却挡板段。
3.根据权利要求2所述的区划冷却系统，其特征在于，所述第一密封层布置在所述多个冷却挡板段的每一对冷却挡板段之间。
4.根据权利要求1所述的区划冷却系统，其特征在于，所述翼型插入件接收通过所述高压冷却通路的冷却流，并且所述后冲击压力腔接收通过所述冲击板的冷却流。
5.根据权利要求1所述的区划冷却系统，其特征在于，所述后冲击压力腔包括中间压力区域。
6.根据权利要求5所述的区划冷却系统，其特征在于，所述后冲击压力腔包绕所述高压冷却通路。
7.根据权利要求4所述的区划冷却系统，其特征在于，所述燃烧气体流包括低压区域。
8.根据权利要求4所述的区划冷却系统，其特征在于，所述冷却挡板包括围绕所述冲击板的所述第一密封层。
9.根据权利要求8所述的区划冷却系统，其特征在于，所述冷却挡板包括围绕所述喷嘴的第二密封层。
10.根据权利要求9所述的区划冷却系统，其特征在于，所述冷却挡板包括跨过所述第一密封层的第一泄露路径和跨过所述第二密封层的第二泄露路径。
11.根据权利要求1所述的区划冷却系统，其特征在于，所述翼型插入件包括多个冷却孔。
12.根据权利要求1所述的区划冷却系统，其特征在于，所述冷却流与压缩机连通。
13.根据权利要求1所述的区划冷却系统，其特征在于，所述涡轮喷嘴包括喷嘴叶片，所述喷嘴叶片从内侧壁延伸至所述外侧壁。
14.根据权利要求13所述的区划冷却系统，其特征在于，所述冷却挡板围绕所述外侧壁定位。
15.一种对涡轮的喷嘴进行冷却的方法，所述方法包括：
通过冷却挡板在高压下将第一回路冷却流输送至喷嘴叶片的翼型插入件；
通过第一回路冷却流对所述喷嘴叶片进行冷却；
将第二回路冷却流输送至径向地位于所述冷却挡板的冲击板与所述喷嘴的喷嘴外侧壁之间的后冲击压力腔；
利用沿所述冲击板布置的并位于所述后冲击压力腔的径向外部的第一密封层密封所述后冲击压力腔；以及
通过第二回路冷却流对所述喷嘴外侧壁进行冷却。
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