CN1032327C - 旋转机械的定子组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴流式旋转机械10的定子组件46。研制出了增加这种机械的效率的各种结构细节。在一个实施例中该机械包括一个用向连续的结构式外壳和一保用向连续的内壳，作为工质流道的压力容器。

Description

本发明涉及燃气涡轮发动机定子组件。
燃气涡轮发动机型的轴流式旋转机械包括压缩区、燃烧区和涡轮区。工质气体的流道贯穿发动机的上述各区。工质气体在压缩区被压缩。被压缩的气体在燃烧区与燃油混合并燃烧，以给气体增加能量。这种热的压缩燃气通过涡轮区时得到膨胀。
在涡轮区，发动机设有转子组件。该转子组件包括转子盘和转子叶片，叶片向外延伸，横穿工质流道。当燃气通过转子组件时，转子组件从燃气中吸取能量。
定子组件绕转子组件沿圆周方向延伸。定子组件支承着转子组件，并提供一个压力容器，以将燃气工质限定在工质流道内。通常，定子组件包括一个外壳和一个内壳、其间是热燃气工质。内壳体支承着定子叶片组和密封件，例如内气体密封件和外气体密封件，它们非常接近转子组件。
当燃气流过定子组件时，燃气在定子叶片上产生空气动力载荷。这种载荷从定子叶片传递到内壳上，引起内壳的应力。此外，外气体密封件和定子叶片因燃气工质流过而被加热。热量以传导形式传给内壳引起内壳不均匀加热。并在内壳中产生附加应力。对内壳的疲劳寿命产生不利影响。
冷却空气送到涡轮区以冷却内壳。冷却内壳可以降低内壳的温度梯度和由此产生的热应力。
使内壳得到冷却的一种结构型式，包括周向连续的外亮体和周向分段的内壳体。每个弧段内壳体上都带一部分定子叶列和外空气密封件。这样，由于中断了内壳体的周向连续性，有助于降低内壳体的热应力。但是弧段结构也有缺点，这就是要求供给压力高于气流通道压力的冷却空气，以防燃气工质经内壳体沿径向向外泄漏。一旦从内壳体泄漏出去，热燃气工质所具有的势能，便引起邻近结构中异常高的温度梯度，并伴随很大的热应力，从而降低了热疲劳寿命。冷却空气漏入流道内，会在流道内产生一个低压区。由于高压冷却气所具有的压力必须高于与内壳体相邻的燃气流道内的最高压力，压缩这种冷却气体需消耗较多的功，这就降低了旋转机械的效率。
另一种技术方案是形成一种具有一组周向连续的壳体的发动机。这些壳体彼此互相连接，并用来对工质流道提供冷却空气。具有这类结构的例子，由美国专利4841726号给出，其题目为“多轴双流结构的燃气涡轮喷气发动机”，该专利颁发给了Burkhardt。由于这种壳体是周向连续的，冷却气体可以较低压力供给，只要其压力高于与热工质流道相邻的排气部位的压力即可。这种技术方案因降低了冷却气体增压所消耗的功而提高了发动机效率，但却导致内壳体内较大的热应力，这是因为当壳体力图膨胀时却受到刚性联结结构的限制的缘故。
为此，在申请人的受让人的领导下工作的科学家和工程师们寻求研制一种定子组件，它具有的壳体能以低于工质流道最高压力的压力供给冷却空气。并避免由于内外壳体之间热膨胀的差异而产生的附加应力。
本发明的目的在于提供一种改着的具有内、外壳的所述定子组件，它由于能以低于内壳中的工质流道内的最高压力的某一压力将冷却空气输送到该两壳体之间而可提高发动机效率，同时避免了内外壳体之间因温差的增大而产生的应力。
本发明的定子组件包括一个周向连续的外壳、它联接在一个与之相邻的壳体上，以承受结构载荷，和一个周向连续的内壳体、它在径向与该外壳隔开，以在其间形成一个冷却空气腔；内壳体周向延伸形成气体工质的流道并支承定子叶片组，而外空气密封件则伸入该流道内，内壳体一端是密封地固定在外壳体上的，以支撑住内壳体，并阻止气体在它们之间流动，另一端是自由端，以补偿壳体之间轴向的和径向的相对膨胀。
根据本发明的一个实施例，所述燃气轮机的定子组件，具有一个使工质气体在流经时膨胀的流道，所述定子组件环烧流道沿圆周方向延伸以界定工质流道，并包括数排向内延伸的定子叶片和数组外空气密封装置；一个沿轴向并围绕该轮机的轴线沿圆周方向延伸的结构外壳，该外壳沿圆周方向是连续的，并具有连于定子组件相邻构件的一个上游端和一个下游端，以及一个沿圆周方向连续的、相对于外壳轴向延伸的、跟外壳径向向内间隔、在其间留有一冷却空气腔道的内壳，该内壳具有一个第一端和一个第二端，外壳还具有一个邻近外壳两端中的一端、适于使外壳跟内壳啮合的向内延伸件，和一个邻近于该延伸件跟冷却空气源成流体连通的第一冷却空气腔；该内壳是一个非结构壳体，所述冷却空气腔是一个第二冷却空气腔，所述内壳用作一压力槽，使第二冷却空气腔跟工质气体隔离，内壳的第一端在内、外壳都暴露冷却空气的一个部位上固定于外壳的延伸件，内壳的第二端在安装的非运转状况下跟外壳(48)是轴向间隔的，且径向向内间隔的，相对于外壳能径向和轴向自由移动至少一最小量。
本发明的主要特点在于一种定子组件，它具有周向连续的外壳体，和周向连续的内壳体。另一个特征在于该内壳体的上游端。该内壳体的上游端被固定在外壳体上。在这个位置上的另外一个特征是一个冷却空气腔；它与内壳体和外壳体以及在内壳体外侧压力冷却空气系统相邻。再一个特征在于内壳体的下游端部。在非工作期间的安装状态、内壳体下游端部在径向和轴向均与外壳体隔开。在工作情况下受热膨胀的影响，这个部位的内壳体轴向发生位移，径向也向外发生位移，紧靠在外壳上。还有一个特征在于内壳体有数个厚度增大区。这些厚度增大区适于与定子叶片与外壳的固定点相衔接。最后一个特征在于有一个隔板将冷却空气腔分为供气集流腔和喷气集流腔。该隔板有可选择取向的孔，以对着内壳体的厚度增大区喷射冷却空气，该厚度增大区是支承定子叶片组和外空气密封件的部位。
本发明的主要优点是发动机效率高，这是由于使用了一个内壳体的压力容器，便能对内壳体使用冷却空气，而该冷却空气是以低于与之相邻的工质流道的最高压力提供的。另一个优点是因内壳体与外空气密封件的同轴度好而使发动机效率提高。外空气密封件是用围绕转子部件的内壳体组件定位的，采用了结构式外壳体以承担弯曲载荷，而非结构式内壳体是经加工的，以安装外空气密封件。另外一个优点是内壳体和外壳体的疲劳寿命高。这是因为内壳体与外壳体的联接点暴露在冷却空气中，因而内壳体在那一端的热应力得以减小，并允许内壳体的另一端相对于外壳体在径向和轴向可以自由膨胀，以补偿内壳体和外壳体之间热膨胀的差异，从而减小了总的热应力。在一个实施例中，其优点是发动机效率和转子组件的疲劳寿命高，其原因在于把自内壳体排出的经加热的冷却空气集中起来，导入发动机的内部，用加热过的冷却空气加热转子盘朝内的部分，以降低转子盘内的温度梯度和由此引起的热应力。
本发明的特征和优点结合以下对最佳实施例和附图的详细说明，将会更加清楚。
图1是燃气涡轮机型的轴流式旋转机械的侧视图，为清楚起见，发动机作了局部剖开：
图2是图1所示旋转机械的涡轮区的部分侧视图。部分剖开了，部分是完整的，以表示内壳体与外壳体的相互关系；
图3是图2的局部放大剖视图，表示出了内壳体的下游端。
下面结合附图说明本发明的最佳实施例。
图1是轴流式旋转机械10的侧视图，说明本发明的一个实施例。所示的具体发动机是一种轴流式燃气涡轮发动机，具有工质气体的环形流道11。
该发动机包括压缩区12、燃烧区14和涡轮段16。涡轮区包括一个动力涡轮18和一个为从燃气工质获取能量的自由涡轮22。从发动机压缩区引出的压缩气体导管24把压缩区与发动机的涡轮区的流体连通。阀门26控制通过的气体的流量，通过电子式发动机控制装置之类的控制装置28。对发动机的参数作出响应。供给冷却空气的第二条流道32环绕燃烧室34，并穿过燃烧区。
图2是该发动机的涡轮区18的局部放大剖视图。该涡轮区包括一个转子组件36，它绕发动机轴线A设置。转子组件包括转子盘38和成排的转子叶片，转子叶片用42和44表示，它们径向向外延伸穿过工质流道。
定子组件46沿周向绕转子组件36延伸，以形成工质的流道。该定子组件包括一个结构式外壳体48和一个非结构式内壳52。内壳体支承并定位各定子叶片组定子叶片用54和56表示，它们向内延伸穿过工质流道，靠近转子组件36。内壳体也支承并定位成排的外空气密封件，外空气密封件用58和62表示，它们沿周向绕转子叶片组设置。每个外空气密封件均靠近转子叶片，以阻止气体工质泄漏出外空气密封件。
结构式外壳体48绕发动机轴线沿轴向和周向延伸。外壳体在周向是连续的。外壳体有一个上游端64和一个下游端66。每一端都适于用法兰68、72与相邻的定子构件联接。用74和76表示的若干螺栓螺母组件穿过外壳体，并将外壳体固定在相邻的定子构件上。外壳体是发动机的主要结构件，工作期间承受着作用在发动机上的弯曲载荷。
外壳体48暴露在相对冷的空气中。例如在发动机周围绕流的空气中、并用绕流空气冷却其外部。外壳体上还有用82表示的局部开口，它穿过外壳体向内延伸。该局部开口适于使外壳体通过导管24与有压冷却空气源沟通。
外壳体包括一个向内延伸的法兰84，它接近于外壳体的上游端64。向内延伸的法兰适于使外壳体与内壳体52联接。该法兰轴向离开外壳体的上游端，在它们之间形成一个第一冷却空气腔86。第一冷却空气腔与冷却空气源沟通，该冷却空气源可以是例如图1所示的穿过燃烧区14的冷却空气流道32。
向内延伸的法兰84包括一系列穿过法兰的孔88，它适于法兰向相邻的定子叶片组54的下游朝外排放冷却空气。叶片冷却空气的供给区92设置在叶片54和内壳体52之间。
非结构式内壳体52也是定子组件的一部分。该内壳体沿周向是连续的。并起工质流道11的压力容器的作用。内壳体相对于外壳体48沿轴向延伸，并经向离开外壳体，以在它们之间留出一个第二冷却空气腔94。
内壳体有一个上游端96和一个下游端98。在安装情况下，下游端径向和轴向均与外壳体48隔开，之间形成间隙GR和Gr。下游端98可在径向和轴向自由伸长，直到内壳体接触外壳体为止。
上游端96固定在外壳体的上游法兰84上。在图示的实施例中，一系列螺栓螺母组件104穿过外壳体的上游法兰和内壳体的上游端96。紧固件将内壳体固定在外壳体上，防止内壳体相对外壳体产生轴向和径向移动。在安装情况下，由于内壳体的下游端98轴向和径向相对外壳是自由的。内壳体象悬臂梁那样从外壳体伸出。
内壳体包括一个第一表面106和一个第二表面108，它们位于内壳体的上游端96和下游端98之间。在工作情况下由于受热而向外膨胀、致使这些表面紧贴在外壳体48上，把冷却空气腔分为第一气室112、第二气室114和第三气室116。第一气室通过设在法兰或螺栓104上的孔88。与位于外壳体上游的第一腔室86连通。第二气室经导管24与冷却空气源相通。第三气室116收集对内壳体52进行喷射后的冷却空气。
内壳体52有数个与相邻节区相比，径向厚度增大了的节区118、120、122。这些厚度增大了的节区适于通过周向延伸的凹槽，例如槽124，与定子叶片54、56和外空气密封件59、62配合。这些节区能吸收定子叶片和外空气密封件的热量。这些区段通过对内壳体相应部位喷射冷却空气可有选择地进行冷却。
隔板126设置在内壳体52和外壳体48之间的第二气室114内。该隔板把第二气室分为供气集流腔128和喷气集流腔132。
一系列喷气孔134对准与定子叶片和外空气密封件配合的径向厚度增大的区段。这些喷射孔118、120、122向将定子叶片和外空气密封件安装到内壳体上的安装点所在处的条件恶劣的部位喷射冷却空气。
第三气室116经过一系列孔136与喷气集流腔132相通。这样，第三气室起到收集冷却空气的集气室的作用。该冷却空气是径向向内流动吸收内壳体的热量后从上述喷气集流腔排出的。
该气室116经过外壳体48上的一系列通道138与沿周向延伸的集流腔142联通。一组空心构件144径向向内延伸穿过工质流道11与结构件146靠近。该结构件上的开孔148为向邻近的转子盘36内侧部分排放的冷却空气(通过喷射内壳体而被加热的空气)提供了一个流道154。冷却空气使转子盘加热，以降低转子盘内径与邻近工质流道11的外径之间的转子盘内的温度梯度。
图3是图2中的涡轮段18的局部放大剖视图。它更详细地表示出了内壳体的下游端98。如图3所示。外壳体48包括一个径向向内延伸并带有槽158的法兰156。在工作情况下，该槽适于法兰与内壳体48的联接。在非工作状态下，内壳体的下游端与该槽的表面离开，轴向形成间隙GR，径向形成间隙Gr。在工作状态下，内壳体径向向外膨胀，紧贴在凹槽158的表面上，以阻止冷却空气径向向内朝外空气密封件泄漏，进而流入工质流道。
内壳48的下游端98具有一个第一节区，它具有一个第一径向厚度R1。第二节区在第一节区的上游端，与它轴向隔开，第二节区具有一个第二径向厚度R2，它大于上述第一径向厚度R1。第三节区在第一节区和第二节区间延伸。第三节区具有一个径向厚度R3，它小于第一径向厚度R1或第二径向厚度R2的一半(1/2)。第三节区与相邻节区比较，径向有较大的柔度。在工作情况下，内壳体向外膨胀到外壳体上时，允许在第一节区和外壳体上的槽158的表面之间有某种径向柔顺度。
在图1所法的燃气涡轮发动机10工作期间，气体工质沿工质流道11流动。在压缩区12中受到压缩，提高压力。然后流入燃烧区14，与燃油混合并燃烧，以增加能量。热工质燃气在涡轮段16、18膨胀，在转子叶片和定子叶片上产生周向力。由于热传导、燃气在定子叶片54、56和外空气密封件58、62上还有热量损失。
通过定子叶片54、56和外空气密封58、62的热传导，热量传到内壳体52上。冷却空气经过第一腔室86向内流向靠近定子叶片的内壳体部位，向外流到上述第一气室内的内壳体部位。
冷却空气还经过导管24，从压缩段12流出。用控制阀门26和能对发动机的工作参数作出响应的控制装置28调节这部分冷却空气的流量。冷却空气进入供气集流腔128，该集流腔是由隔板126向外沿周向绕发动机延伸的。冷却空气的压力小于涡轮区上游端工质流道11处的压力，大于涡轮段下游端工质流道的压力。冷却空气从供气集流腔流出，通过隔板穿过喷气集流腔到达内壳体的条件恶劣部位。
内壳体作为一个压力容器，起到隔绝二气室与工质流道的作用。结果，排出第二气室的冷却空气的压力仅需要高于邻近内壳体可相对外壳体自由运动的气室116处的工质流道内的压力即可。这就使得冷却空气的压力可以低于涡轮区入口处的工质流道压力，而不需要消耗更多的功来压缩冷却空气，从而提高了发动机的效率。
冷却空气通过第一腔室86后进入第一气室112，将内壳体和外壳体暴露在冷却空气中。最后，导叶区92为内壳体内部提供了冷却空气。此外，外壳体是用与之接触的绕流空气冷却的。结果在内壳体和外壳体的联接处的内壳体和外壳体的温度是很低的，大大降低了热应力，提高了内壳体的疲劳寿命。
如上所述，内壳体的下游端径向和轴向相对外壳体是可以自由运动的，这就降低了发动机运转由非工作状态到工作状态时，外壳体上的热应力。由于在内壳体的第一区段R1和第二区段R2之间的第三区段R3的厚度减小，提高了该壳体端部的柔性，使热应力进一步减小。
最后，第二气室114起到热交换器的作用，把热量从内壳体52传给冷却空气。冷却空气有足够的压力输送到下游，并径向向内进入涡轮区16中，在那里空气喷射到转子盘的内部，以降低转子盘内的温度梯度。
上面结合详细的实施例对本发明进行了说明。本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的宗旨和权利要求范围的情况下，可以在形式和细节上做出各种变化。

Claims (8)

1.燃气轮机的定子组件，具有一个使工质气体在流经时膨胀的流道(11)，所述定子组件(46)环烧流道(11)沿圆周方向延伸以界定工质流道(11)，并包括数排向内延伸的定子叶片(54，56)和数组外空气密封装置(58，62)；一个沿轴向并围绕该轮机(10)的轴线(A)沿圆周方向延伸的结构外壳(48)，该外壳沿圆周方向是连续的，并具有连于定子组件(46)相邻构件的一个上游端(64)和一个下游端(66)，以及一个沿圆周方向连续的、相对于外壳(48)轴向延伸的、跟外壳(48)径向向内间隔、在其间留有一冷却空气腔道的内壳(52)，该内壳(52)具有一个第一端(96)和一个第二端(98)，其特征在于外壳(48)还具有一个邻近外壳(48)两端(64，66)中的一端(64)、适于使外壳(48)跟内壳(52)啮合的向内延伸件(84)，和一个邻近于该延伸件(84)跟冷却空气源(32)成流体连通的第一冷却空气腔(86)；该内壳(52)是一个非结构壳体，所述冷却空气腔是一个第二冷却空气腔(94).所述内壳(52)用作一压力槽，使第二冷却空气腔(94)跟工质气体隔离，内壳(52)的第一端(96)在内、外壳(52，48)都暴露冷却空气的一个部位上固定于外壳(48)的延伸件(84)，内壳(52)的第二端(98)在安装的非运转状况下跟外壳(48)是轴向间隔的，且径向向内间隔的，相对于外壳(48)能径向和轴向自由移动至少一最小量。
2.按权利要求1所述的定子组件，其特征在于内壳(52)固定于外壳(48)的延伸件(84)上的部位是冷却空气自第一腔(86)流到第二腔(98)的部位。
3.按权利要求1所述的定子组件，其特征在于包括一个在一排定子叶片(54)外侧、在内壳(52)内侧并邻近外壳(48)中的构件(84)的叶片腔区，该叶片腔跟一冷却空气腔成流体连通以对邻近于外壳(48)连接部位的内壳产生额外的冷却。
4.按权利要求1至3所述之一的定子组件，其特征在于导流板(126)配置于内、外壳(52、48)之间的第二腔(94)内，将第二腔(94)分成一供气集流腔(128)和一喷气集流腔(132)，导流板(126)有若干对准内壳(52)的喷气孔：一压力通气系统(16)位于喷气集流腔(132)的下游，收集在冷却空气径向向内流动以接收内壳(52)的热量之后自喷气集流腔(132)排出的冷却空气；压力通气系统(116)跟转子组件(36)成流体连通以排出因冲击内壳(152)、冲击转子盘(38)内部而被加热的冷却空气，以减小转子盘(38)内在其内、外径之间的温度梯度。
5.按权利要求1至3之一所述的定子组件，其特征在于外壳(48)具有至少一个穿过外壳(48)的开口，适于使外壳(48)跟压力冷却空气源成流体连通，所述向内延伸件是一靠近外壳(48)上游端(64)的突缘(84)，该突缘(84)跟外壳(48)的上游端(64)轴向间隔，该突缘(84)包括若干穿透其内的孔(88)，它们适于使冷却空气沿下游方向通过突缘(84)：内壳(52)的第一和第二端分别是一上游端(96)和一下游端(98)，上游端(96)固定于外壳(48)的突缘(84)上，而下游端(98)为相对于外壳(48)能轴向和径向自由移动的所述端，内壳(52)还具有一个配置于上、下游端(96、98)之间的第一表面(106)，它密封接合外壳(48)，以将第二冷却空气腔(94)分成第一压力通气系统(112)和第二压力通气系统(114)，第一压力通气系统(112)经突缘(84)内的孔(88)跟第一冷却空气腔(86)成流体连通，而第二压力通气系统(114)跟冷却空气源成流体连通；有若干径向厚度增加的区段(118，120，122)，各区段适于内壳(52)跟定子叶片(54，56)和外空气密封装置(58，62)接合；导流板(126)配置于在内壳(52)和外壳(48)之间的第二压力通气系统(114)内，将第二压力通气系通(114)划分成一供气集流腔(128)和一喷气集流腔(132)，该导流板(126)，具有若干喷气(134)，它们对准定子叶片(54，56)和外空气密封装置(58、62)跟内壳(52)的连接点。
6.按权利要求5所述的定子组件，其特征在于内壳(52)根据运转温度径向向外移动以便在动转条件下跟外壳(48)接合。
7.按权利要求5所述的定子组件，其特征在于内壳(52)的下游端(98)具有一个有第一径向厚度R的第一区，一个跟在上游的第一区轴向间隔的具有第二径向厚度R的第二区，以及一个在它们之间延伸的具有第三径向厚度R的第三区，第三径向厚度小于第二和第二径向厚度R和R的一半，以便在它们之间形成一柔性区。
8.按权利要求6所述的定子组件，其特征在于内壳(52)具有一个径向向外延伸到外壳(49)附近从而在其间构成第三压力通气系统(116)的第二表面(108)，该第三压力通气系统收集在该冷却空气径向向内流动、从内壳(52)上接收热量之后自喷气集流腔(132)排出的冷却空气；该第三压力通气系统(116)经在外壳(48)中的一系列通道跟一径向延伸件(144)成流体连通，该径向延伸件(144)横跨工质流道(11)径向向内延伸到配置于定子组件内的转子组件(36)附近以排出因冲击内壳(52)、冲击转子组件(36)的转子盘(38)而已被加热的冷却空气，从而加热转子盘(38)，使转子盘(38)内处于其外径和内径之间的温度梯度减小。
CN92103989A 1991-05-03 1992-05-02 旋转机械的定子组件 Expired - Fee Related CN1032327C (zh)

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