CN103375200A - 用于燃气涡轮机系统的冷却组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于燃气涡轮机系统的冷却组件。所述冷却组件包括具有至少一条通道的涡轮喷嘴，所述至少一条通道包括通道入口，所述通道入口经配置以从冷却源接收冷却流，其中所述至少一条通道以第一压力在径向方向上引导所述冷却流穿过所述涡轮喷嘴到达通道出口。还包括出口腔室，所述出口腔室用于使所述通道出口与涡轮部件区域流体连通，其中所述涡轮部件的所述区域处于第二压力，其中所述第一压力大于所述第二压力。
Description
技术领域
本发明涉及燃气涡轮机系统，且更确切地说，涉及用于此种燃气涡轮机系统内的各部件的冷却组件。
背景技术
在燃气涡轮机系统中，燃烧器将燃料或空气燃料混合物的化学能转化为热能。热能由流体（通常为压缩空气）从压缩机传送到涡轮，在涡轮中，热能转化为机械能。作为转化过程中的一部分，热气在涡轮的若干部分上方流动，并且流过作为热气路径的所述涡轮的若干部分。沿着所述热气路径的高温可以加热涡轮部件，从而导致部件的功能退化。
涡轮部分的径向外部件（例如，涡轮防护罩组件）以及涡轮部分的径向内部件为易受热气路径影响的部件的实例。尽管已尝试采用各种冷却方案来切实有效地对此类涡轮部件进行冷却，但是供应到此类涡轮部件的冷却空气通常会被浪费，并且会降低涡轮发动机的总体效率。
发明内容
根据本发明的一个方面，用于燃气涡轮机系统的冷却组件包括具有至少一条通道的涡轮喷嘴，所述至少一条通道包括通道入口，所述通道入口经配置以从冷却源接收冷却流，其中所述至少一条通道以第一压力在径向方向上引导冷却流穿过涡轮喷嘴到达通道出口。还包括出口腔室，所述出口腔室用于使所述通道出口与涡轮部件区域流体连通，其中所述涡轮部件的所述区域处于第二压力，其中所述第一压力大于所述第二压力。
优选的，其中所述冷却源为设置在所述涡轮喷嘴上游的压缩机，并且所述冷却流冲击在所述至少一条通道上。
优选的，其中所述涡轮喷嘴设置在径向内区段与径向外区段之间，并且有效地连接到所述径向内区段和所述径向外区段。
优选的，其中所述通道入口设置在所述径向内区段邻近处，其中所述冷却流被径向向外引导至所述通道出口。
优选的，其中所述涡轮部件包括涡轮防护罩组件，所述涡轮防护罩组件设置在所述涡轮喷嘴的所述通道出口的下游，其中所述出口腔室由护罩区段包围，并且将所述冷却流引导至位于所述涡轮防护罩组件的前表面邻近处的内部区域。
优选的，其中所述涡轮喷嘴为第一级涡轮喷嘴，并且所述涡轮防护罩组件为设置在第一涡轮转子级的径向外部的第一级涡轮防护罩组件。
优选的，其中所述涡轮喷嘴包括多条路径，所述多条路径包括蛇形冷却回路，其中所述通道入口设置在所述多条路径中的至少一条路径的邻近处，其中所述冷却流被径向向外引导至所述通道出口，其中所述涡轮部件包括涡轮防护罩组件，所述涡轮防护罩组件设置在所述涡轮喷嘴的所述通道出口的下游，其中所述出口腔室由护罩区段包围，并将所述冷却流引导至位于所述涡轮防护罩组件的前表面邻近处的内部区域。
优选的，其中所述涡轮喷嘴以悬臂方式安装到径向外区段，其中所述通道入口设置在冲击后区域的邻近处，并且所述冷却流被径向向内引导至所述通道出口。
优选的，其中所述出口腔室包括喷嘴隔板，所述喷嘴隔板设置在所述涡轮喷嘴的所述通道出口的邻近处，且邻近于径向内区段。
优选的，其中所述涡轮喷嘴包括多条路径，所述多条路径包括蛇形冷却回路，其中所述通道入口设置在所述多条路径中的至少一条路径的邻近处，其中所述冷却流被径向向内引导至所述通道出口，其中所述出口腔室包括喷嘴隔板，所述喷嘴隔板设置在所述涡轮喷嘴的所述通道出口的邻近处，且邻近于径向内区段。
根据本发明的另一方面，用于燃气涡轮机系统的冷却组件包括设置在径向内区段（inner segment）与径向外区段（outer segment）之间的涡轮喷嘴，所述涡轮喷嘴具有多条通道，每条通道包括通道入口，所述通道入口经配置以从冷却源接收冷却流，其中所述多条通道在径向方向上引导冷却流穿过涡轮喷嘴到达通道出口。还包括多个转子叶片，所述多个转子叶片以可旋转的方式设置在转子轴与由涡轮外壳支撑的固定式涡轮防护罩组件之间，其中所述固定式涡轮防护罩组件位于涡轮喷嘴的下游。进一步包括由护罩区段完全包围的出口腔室，所述出口腔室用于使通道出口与固定式涡轮防护罩组件流体连通，其中所述冷却流被传输到固定式涡轮防护罩组件。
优选的，其中所述冷却源包括设置在所述涡轮喷嘴上游的压缩机，并且所述冷却流以第一压力冲击在所述多条通道上。
优选的，其中所述涡轮喷嘴有效地连接到所述径向内区段和所述径向外区段。
优选的，其中所述通道入口设置在所述径向内区段邻近处，其中所述冷却流被径向向外引导至所述通道出口。
优选的，其中所述出口腔室将所述冷却流引导至位于所述固定式涡轮防护罩组件的前表面邻近处的内部区域，其中所述内部区域包括小于所述第一压力的第二压力。
优选的，其中所述涡轮喷嘴为第一级涡轮喷嘴，并且所述固定式涡轮防护罩组件为第一级涡轮防护罩组件。
根据本发明的又一方面，燃气涡轮机系统包括用于在高压下分配冷却流的压缩机。还包括有效地支撑和容纳第一级涡轮喷嘴的涡轮外壳，所述第一级涡轮喷嘴具有多条通道，所述多条通道用于接收冷却流以冷却所述第一级涡轮喷嘴，并用于径向地引导冷却流穿过所述第一级涡轮喷嘴。进一步包括第一涡轮转子级，所述第一涡轮转子级以可旋转的方式设置在第一级涡轮防护罩组件的径向内部，其中所述第一级涡轮防护罩组件设置在第一级涡轮喷嘴的下游。又包括被包围的出口腔室，所述出口腔室使所述多条通道中的至少一条通道与第一级涡轮防护罩组件流体连通，从而将冷却流输送到所述第一级涡轮防护罩组件。
优选的，其中所述多条通道中的每条通道都包括设置在径向内区段邻近处的通道入口和设置在所述涡轮外壳邻近处的通道出口，其中所述冷却流被径向向外引导至所述通道出口。
优选的，其中所述出口腔室将所述冷却流引导至位于所述第一级涡轮防护罩组件的前表面邻近处的内部区域。
优选的，其中所述冷却流包括所述多条通道内的第一压力，其中所述出口腔室包括小于所述第一压力的第二压力。
通过以下结合附图进行的说明可以更加清楚地了解这些和其他优点以及特征。
附图说明
作为本说明书的结论，权利要求书详细指出并明确主张了本发明。通过以下结合附图进行的详细说明可以清楚地了解本发明的上述和其他特征以及优点，在附图中：
图1是燃气涡轮机系统的示意图；
图2是用于燃气涡轮机系统的第一实施例的冷却组件的侧视图；以及
图3是用于燃气涡轮机系统的第二实施例的冷却组件的侧视图。
具体实施方式参考附图并通过实例来介绍本发明的实施例以及优点和特征。
具体实施方式
参考图1，燃气涡轮机系统用附图标记10示意地示出。燃气涡轮机系统10包括压缩机12、燃烧器14、涡轮16、轴18以及燃料喷嘴20。应理解，燃气涡轮机系统10的一个实施例可以包括多个压缩机12、燃烧器14、涡轮16、轴18以及燃料喷嘴20。压缩机12和涡轮16由轴18来连接。轴18可以是单一的轴或者是多个轴区段连接在一起而形成该轴18。
燃烧器14使用天然气或富含氢的合成气等易燃液体和/或气体燃料来运行燃气涡轮机系统10。例如，燃料喷嘴20与空气供应源和燃料供应源22流体连通。燃料喷嘴20产生空气-燃料混合物，并且将所述空气-燃料混合物排入燃烧器14中，从而引起燃烧，产生热压缩排气。燃烧器14将热压缩气体通过过渡连接件引导至涡轮喷嘴（或“一级喷嘴”）、以及其他级桨叶和喷嘴中，从而使涡轮叶片在涡轮外壳24内发生旋转。涡轮叶片的旋转使轴18旋转，从而在空气流入压缩机12中时对空气进行压缩。在一个实施例中，热气路径部件位于涡轮16中，其中穿过部件的热气流使涡轮部件蠕变、氧化、磨损以及产生热疲劳。热气部件的实例包括桨叶组件（也称为叶片或叶片组件）、喷嘴组件（也称为轮叶或轮叶组件）、防护罩（shroud）组件、过渡连接件、固定环以及压缩机排气部件。列出的部件仅为说明性的，而并非意图作为易受热气影响的示例性部件的详尽列表。控制热气部件的温度可以减少部件中的损坏状况。
参考图2，图示了涡轮16的入口区域26，所述入口区域26包括第一级涡轮喷嘴等的涡轮喷嘴28以及第一转子级组件等的转子级组件30。尽管采用第一级为背景进行描述，但是应理解，涡轮喷嘴28和转子级组件30可以为下游级。主要热气路径31越过并通过涡轮喷嘴28和转子级组件30。转子级组件30有效地连接到轴18（图1）并且以可旋转的方式安装在涡轮防护罩组件32的径向内部。通常情况下，涡轮防护罩组件32通常为相对固定的，并且有效地由涡轮外壳24支撑。此外，涡轮防护罩组件32与旋转的转子级组件30一起用作密封部件，用于通过减少沿着转子级组件30周围发生泄漏的热气的量来提高燃气涡轮机系统10的总体效率，从而增加转化为机械能的热气的量。由于邻近主要热气路径31，涡轮防护罩组件32需要来自冷却源的冷却流34。所述冷却源通常为压缩机12，所述压缩机12除了如上所述的提供用于与易燃燃料燃烧的压缩空气之外，还提供辅助气流，本说明书中称为冷却流34。冷却流34为绕过燃烧器14的高压气流，用于输送到所选择的需要冷却流34的区域，以抵消主要热气路径31产生的热量传输。
在第一实施例（图2）中，涡轮喷嘴28设置在转子级组件30的上游，并且在内区段36和外区段中间径向延伸，所述涡轮喷嘴28有效地安装到内区段36和外区段，并由它们进行支撑，其中所述内区段36邻近轴18，所述外区段可以相当于涡轮外壳24。涡轮喷嘴28也需要冷却流34，并且经配置以经由一条或多条主要通道38接收邻近内区段36的冷却流34，所述一条或多条主要通道38将冷却流34冲击到涡轮喷嘴28内的至少一个冲击区域。或者，冷却流34可以经由蛇形流动回路被引导穿过涡轮喷嘴28，所述蛇形流动回路包括多条流路。至少一条，但通常是多条微通道40设置在涡轮喷嘴28的内部区域，每条微通道40包括至少一个通道入口42和至少一个通道出口44。所述至少一个通道入口42经设置邻近于冲击区域或蛇形流动回路的多条流路中的至少一条流路。所述至少一个通道出口44位于径向外区段或涡轮外壳24的附近，并且将冷却流34排到出口腔室46，所述出口腔室46引导冷却流34朝向涡轮防护罩组件32进行轴向下游流动。出口腔室46所处的压力小于设置在上游位置的涡轮喷嘴的内部区域的压力，冷却流34穿过所述涡轮喷嘴进行传输。代替将冷却流34喷射到主要热气路径31中，出口腔室46由盖子或护罩（hood）47部分或完全包围，以通过安全地将冷却流34向下游传送到涡轮防护罩组件32来“再次使用”冷却流34，如上所述，涡轮防护罩组件32需要冷却，并且通常采用从压缩机12等的冷却源产生的额外冷却流。具体而言，出口腔室46将冷却流34引导至涡轮防护罩组件32的前表面48，且更确切地说，导向涡轮防护罩组件32的内部区域50，其中冷却流34穿过前表面48的孔。内部区域50包围的体积的压力小于微通道40和出口腔室46的压力，所述微通道40和所述出口腔室46称为上游区域。所述上游区域具有第一压力，而内部区域50具有第二压力，如上所述，其中所述第二压力小于所述第一压力。所述第一压力与所述第二压力之间的压力差值使得冷却流34可以从较高压力的上游区域被吸到较小的第二压力区域中。冷却流34的输送在涡轮防护罩组件32上产生冷却效果。通过减少压缩机12所需的冷却流的量，可以更有效地运行燃气涡轮机系统10。
现在参考图3，图示了涡轮喷嘴的第二实施例，并且涡轮喷嘴用附图标记128来指代。涡轮喷嘴128在若干方面与涡轮喷嘴28的第一实施例类似，在结构和功能方面均类似，但存在一个显著的区别。涡轮喷嘴128以悬臂方式（cantilever）安装到外区段，例如，涡轮外壳24。在图示的实施例中，将冷却流34从涡轮外壳24邻近处供应到涡轮喷嘴128，并且在朝着轴18的径向向内方向上，引导冷却流34在内部穿过微通道40。此处，至少一个通道出口44设置在内区段36的邻近处，且确切地说，邻近于喷嘴隔板60，所述喷嘴隔板60经配置以接收冷却流34，并且可以与上述出口腔室46交换运用。与第一实施例中涡轮防护罩组件32的内部区域50一样，喷嘴隔板60包括具有相对低压的体积62，该体积将冷却流34从至少一个通道出口44吸到喷嘴隔板60中，用于在喷嘴隔板60中冷却。在这种配置中，冲击后的空气经由微通道40被传输到喷嘴隔板60，从而防止冲击后的空气发生冲击能力退化。或者，冷却流34可以经由蛇形流动回路被引导穿过涡轮喷嘴128，所述蛇形流动回路包括多条流路。
冷却流34可以进一步经过喷嘴隔板60、通过内部支撑环而被传输到设置在轴18邻近处的叶轮空间中。这通过由上文详细描述的盖子或护罩47部分或完全包围的路径来协助完成，所述部分或完全包围的路径穿过内部支撑环。
相应地，涡轮喷嘴28、128将冷却流34传送到需要冷却的额外的涡轮部件，并且减少从压缩机12等冷却源所需的冷却流的量，从而有效地对涡轮部件进行冷却。冷却流34通过循环穿过冷却组件而有效地实现“再次使用”，所述冷却组件包括出口腔室46，所述出口腔室46将冷却流34从微通道40传输到涡轮16的较低压区域，所述微通道40设置在涡轮喷嘴28和128的内部区域内。因此，可以实现对燃气涡轮机系统10的总体效率的提高。
尽管仅结合了有限数目的实施例来详细描述本发明，但容易了解，本发明并不限于所揭示的此类实施例。相反，本发明可以经修改以涵盖之前并未描述、但与本发明的精神和范围相符合的任意数目的变化、更改、替换或等效布置。另外，尽管已描述了本发明的各种实施例，但应了解，本发明的各方面可以仅包括所述实施例中的一些实施例。因此，本发明不应视为受前述说明的限制，而是仅受所附权利要求书的范围的限制。
Claims (20)
1.一种用于燃气涡轮机系统的冷却组件，包括：
具有至少一条通道的涡轮喷嘴，所述至少一条通道包括通道入口，所述通道入口经配置以从冷却源接收冷却流，其中所述至少一条通道以第一压力在径向方向上引导所述冷却流穿过所述涡轮喷嘴到达通道出口；以及
出口腔室，所述出口腔室用于使所述通道出口与涡轮部件区域流体连通，其中所述涡轮部件的所述区域处于第二压力，其中所述第一压力大于所述第二压力。
2.根据权利要求1所述的冷却组件，其中所述冷却源为设置在所述涡轮喷嘴上游的压缩机，并且所述冷却流冲击在所述至少一条通道上。
3.根据权利要求2所述的冷却组件，其中所述涡轮喷嘴设置在径向内区段与径向外区段之间，并且有效地连接到所述径向内区段和所述径向外区段。
4.根据权利要求3所述的冷却组件，其中所述通道入口设置在所述径向内区段邻近处，其中所述冷却流被径向向外引导至所述通道出口。
5.根据权利要求1所述的冷却组件，其中所述涡轮部件包括涡轮防护罩组件，所述涡轮防护罩组件设置在所述涡轮喷嘴的所述通道出口的下游，其中所述出口腔室由护罩区段包围，并且将所述冷却流引导至位于所述涡轮防护罩组件的前表面邻近处的内部区域。
6.根据权利要求5所述的冷却组件，其中所述涡轮喷嘴为第一级涡轮喷嘴，并且所述涡轮防护罩组件为设置在第一涡轮转子级的径向外部的第一级涡轮防护罩组件。
7.根据权利要求1所述的冷却组件，其中所述涡轮喷嘴包括多条路径，所述多条路径包括蛇形冷却回路，其中所述通道入口设置在所述多条路径中的至少一条路径的邻近处，其中所述冷却流被径向向外引导至所述通道出口，其中所述涡轮部件包括涡轮防护罩组件，所述涡轮防护罩组件设置在所述涡轮喷嘴的所述通道出口的下游，其中所述出口腔室由护罩区段包围，并将所述冷却流引导至位于所述涡轮防护罩组件的前表面邻近处的内部区域。
8.根据权利要求1所述的冷却组件，其中所述涡轮喷嘴以悬臂方式安装到径向外区段，其中所述通道入口设置在冲击后区域的邻近处，并且所述冷却流被径向向内引导至所述通道出口。
9.根据权利要求8所述的冷却组件，其中所述出口腔室包括喷嘴隔板，所述喷嘴隔板设置在所述涡轮喷嘴的所述通道出口的邻近处，且邻近于径向内区段。
10.根据权利要求9所述的冷却组件，其中所述涡轮喷嘴包括多条路径，所述多条路径包括蛇形冷却回路，其中所述通道入口设置在所述多条路径中的至少一条路径的邻近处，其中所述冷却流被径向向内引导至所述通道出口，其中所述出口腔室包括喷嘴隔板，所述喷嘴隔板设置在所述涡轮喷嘴的所述通道出口的邻近处，且邻近于径向内区段。
11.一种用于燃气涡轮机系统的冷却组件，包括：
设置在径向内区段与径向外区段之间的涡轮喷嘴，所述涡轮喷嘴具有多条通道，每条通道包括通道入口，所述通道入口经配置以从冷却源接收冷却流，其中所述多条通道在径向方向上引导所述冷却流穿过所述涡轮喷嘴到达通道出口；
多个转子叶片，所述多个转子叶片以可旋转的方式设置在转子轴与由涡轮外壳支撑的固定式涡轮防护罩组件之间，其中所述固定式涡轮防护罩组件位于所述涡轮喷嘴的下游；以及
由护罩区段完全包围的出口腔室，所述出口腔室用于使所述通道出口与所述固定式涡轮防护罩组件流体连通，其中所述冷却流被传输到所述固定式涡轮防护罩组件。
12.根据权利要求11所述的冷却组件，其中所述冷却源包括设置在所述涡轮喷嘴上游的压缩机，并且所述冷却流以第一压力冲击在所述多条通道上。
13.根据权利要求11所述的冷却组件，其中所述涡轮喷嘴有效地连接到所述径向内区段和所述径向外区段。
14.根据权利要求11所述的冷却组件，其中所述通道入口设置在所述径向内区段邻近处，其中所述冷却流被径向向外引导至所述通道出口。
15.根据权利要求12所述的冷却组件，其中所述出口腔室将所述冷却流引导至位于所述固定式涡轮防护罩组件的前表面邻近处的内部区域，其中所述内部区域包括小于所述第一压力的第二压力。
16.根据权利要求11所述的冷却组件，其中所述涡轮喷嘴为第一级涡轮喷嘴，并且所述固定式涡轮防护罩组件为第一级涡轮防护罩组件。
17.一种燃气涡轮机系统，包括：
压缩机，用于在高压下分配冷却流；
涡轮外壳，所述涡轮外壳有效地支撑和容纳第一级涡轮喷嘴，所述第一级涡轮喷嘴具有多条通道，所述多条通道用于接收所述冷却流以冷却所述第一级涡轮喷嘴，并用于引导所述冷却流径向地穿过所述第一级涡轮喷嘴；
第一涡轮转子级，所述第一涡轮转子级以可旋转的方式设置在第一级涡轮防护罩组件的径向内部，其中所述第一级涡轮防护罩组件设置在所述第一级涡轮喷嘴的下游；以及
被包围的出口腔室，所述出口腔室使所述多条通道中的至少一条通道与所述第一级涡轮防护罩组件流体连通，从而将所述冷却流输送到所述第一级涡轮防护罩组件。
18.根据权利要求17所述的燃气涡轮机系统，其中所述多条通道中的每条通道都包括设置在径向内区段邻近处的通道入口和设置在所述涡轮外壳邻近处的通道出口，其中所述冷却流被径向向外引导至所述通道出口。
19.根据权利要求18所述的燃气涡轮机系统，其中所述出口腔室将所述冷却流引导至位于所述第一级涡轮防护罩组件的前表面邻近处的内部区域。
20.根据权利要求19所述的燃气涡轮机系统，其中所述冷却流包括所述多条通道内的第一压力，其中所述出口腔室包括小于所述第一压力的第二压力。
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