CN104420887B - 一种燃气轮机的透平机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气轮机透平机，所述透平机包括机壳，透平机入口，透平机出口，一个透平转子，四级静叶以及四级动叶。该透平转子包括四个动叶轮盘和三个中间盘，两者沿轴向交替排列，并通过两组拉杆连接为一体。该静叶安装在固定的机壳上，其内部设置有冲击冷却套筒，其表面设有气膜孔，其尾缘设有对流冷却通道。该动叶安装在转子一侧并与转子一起旋转，其中三级为空心结构，其内部设有双蛇形冷却通道和多组人字形肋片。该静叶与动叶在转子的轴线方向交替排列，并在内部形成燃气通道。本发明的透平机在燃气轮机运转时可以实现将高温燃气的热能高效地转化为转子转动的机械能，并通过充分、合理的冷却，保证机械运行的安全性。

Description

一种燃气轮机的透平机

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机的透平机，尤其是一种具有等中径燃气通道、四级透平叶片的燃气轮机透平机，该透平机在燃气轮机中，能够高效、安全地将燃气的热能转化为转子的机械能。

背景技术

现代发电用大功率燃气轮机以燃用气体燃料为主，其透平系统普遍采用带冷却多级透平方案，即高温燃气从燃烧室出口通过带冷却结构的导向静叶栅，导入第一级动叶片释放一部分能量做功。在第一级动叶片后设置类似的静叶栅和动叶栅结构，逐级将高温燃气的热能转化成机械能。

根据整机对透平做功能力的要求，对透平级的分配进行热力计算，不同的透平级分配形式，对透平的气动性能有较大的影响。高温燃气进入燃气通道内，对静叶和动叶均有一定的热侵蚀，仅依赖于材料的耐热和耐腐蚀能力，已不能达到安全要求，因此需要采用带冷却结构的透平工作叶片。随着不同级的能量吸收，其温度逐渐降低，因此叶片的冷却结构也逐渐趋于简单。

发电用燃气轮机对透平系统的要求是高透平进口温度、高热转换效率、长时间稳定运行，一个例子是作为现代燃气轮机电站主力设备的F级燃气轮机透平第一级动叶进口燃气温度达到1300℃、透平等熵效率90%以上、检修间隔＞8000小时。

目前传统的透平系统，在产品开发和运行中存在以下问题：①F级中低热值的燃气轮机，采用3级透平方案，随着对透平功率的增加，透平所需要的燃气流量增大，透平出口面积将增大，叶片通道的扩张角将增大很多，透平的气动性能较差。②透平转子上动叶轮盘与中间盘结构紧凑，受通道高温燃气的影响，在各级轮盘和中间盘间合理布局冷却孔的分布，便于转子及其组件的冷却效果控制，随着透平功率和透平级数增加，转子涡轮盘内径变化较大，连接各级涡轮盘较为复杂。③透平第一级工作环境最为恶劣，第一级透平静叶直接与燃烧室出口相连，叶片的上下端壁和叶身承受最恶劣的热冲击和热腐蚀，其冷却难度相对较大。透平第一级动叶在长期的运行中存在叶片下缘板和叶型尾缘上端部分失效的事故案例，复杂的内冷结构导致冷气进入叶片后流动阻力较大，最终导致叶片尾缘处冷却效果较差，甚至存在失效现象。

燃气轮机的发展已经对透平系统的性能提出进一步的要求，即透平进口燃气温度达到1500℃以上、第一级动叶入口温度达到1400℃以上、透平效率高达91%。所述的传统的透平通流形式和叶片冷却系统控制技术存在的问题将更加尖锐，甚至完全不能满足所述进一步发展的要求。

发明内容

为了解决上述现有技术中透平的效率问题，本发明提出一种具有等中径燃气通道、四级透平叶片的燃气轮机透平机，本发明重新设计了透平系统的通流结构，采用四级透平方案合理重新分配各级焓降，采用等中径设计方法有效的控制了子午型面的过渡，透平叶片的叶身型线采用全新设计，各级叶片冲角控制在10°之内，整体满足高热转换效率的要求。

本发明所提出一种燃气轮机透平机包括：机壳10，透平机入口24，透平机出口25，一个透平转子22，四级静叶11、13、15和17，以及四级动叶12、14、16和18，其中：

所述透平机入口24位于所述透平机的一端，作为高温燃气的入口；

所述透平机出口25位于所述透平机的另一端，作为高温燃气的出口；

所述四级静叶11、13、15和17的静叶片依次安装在固定的机壳10上，所述四级动叶12、14、16和18的动叶片依次安装在透平转子22的同一侧并带动所述透平转子22一起旋转；

所述四级静叶11、13、15和17和四级动叶12、14、16和18在所述透平转子22的轴线方向上依次交替排列，并在内部形成燃气通道；

所述透平转子22、四级静叶、四级动叶均处于所述机壳10所形成的空间中；

其中，每一级静叶均包括多个静叶片，所述多个静叶片沿圆周方向互相独立的固定在机壳10上，每个静叶片的外形为沿圆周方向扭转的流线形；

第一级静叶11、第二级静叶13和第三级静叶15均采用双通道双套层结构，第四级静叶17为空腔冷却结构；

所述机壳10上沿轴向设有若干个冷却空气通道，所述冷却空气通道与各级静叶的内部通道以及燃气通道相通，低温空气经由所述机壳10上的冷却空气通道流入各级静叶的内部通道，最终流入燃气通道，并冷却沿程部件；

所述透平机的每一级动叶均包括多个动叶片，所述多个动叶片沿圆周方向互相独立的安装在透平转子22的相应级的动叶轮盘上；

所述透平机工作时，高温燃气从透平机入口24沿轴向流入，每次经过四级静叶11、13、15、17后产生圆周方向的流速，并依次吹动四级动叶12、14、16、18带动透平转子22和燃气轮机主轴23发生旋转。

现有技术中采用的长拉杆结构适应性较差，要求轮盘直径相差在一个较小的范围内，轮盘存在较小的温差，本透平系统采用四级透平方案，叶片流道轴向距离较长，轮盘直径变化较大，为解决动叶轮盘间的连接，本发明采用前两级动叶轮盘与前两级中间盘用拉杆8相连，后两级中间盘与后两级动叶轮盘用拉杆9相连，上述分段式拉杆结构具有较强的适应性。

冷却空气直接从压气机抽气，并未参与燃烧室燃烧，该部分气体并没有进行做功，降低了整个机组的效率。合理分配燃气轮机各级透平的冷却空气，降低冷却空气抽气量可以有效提高机组效率。高温燃气通过透过各级透平后，部分热能转化为机械能，因此叶片的温度随着透平级的延续各级叶片所承受的温度也逐渐降低，根据各级叶片的温度，采用合理的冷却结构，对于保障机组安全运行和降低整个机组冷气量具有较关键作用。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的透平机的总体结构示意图。

图2是根据本发明一实施例的透平机静叶片和动叶片的安装结构图。

图3是根据本发明一实施例的透平机前两级静叶片的结构示意图。

图4是根据本发明一实施例的第一至三级静叶片的内部结构示意图。

图5是根据本发明一实施例的透平机前两级动叶片的结构示意图。

图6是根据本发明一实施例的透平机燃气通道的剖视图。

图7是根据本发明一实施例的透平转子的结构示意图。

图8是根据本发明一实施例的空气冷却流路示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是根据本发明一实施例的透平机的上半部分剖视图，如图1所示，所述透平机包括机壳10，透平机入口24，透平机出口25，一个透平转子22，四级静叶11、13、15和17，以及四级动叶12、14、16和18，其中：

所述透平机入口24位于所述透平机的一端，作为高温燃气的入口；

所述透平机出口25位于所述透平机的另一端，作为高温燃气的出口；

所述四级静叶11、13、15和17的静叶片依次安装在固定的机壳10上，所述四级动叶12、14、16和18的动叶片依次安装在透平转子22的同一侧并带动所述透平转子22一起旋转；

所述四级静叶11、13、15和17和四级动叶12、14、16和18在所述透平转子22的轴线方向上依次交替排列，并在内部形成燃气通道，如图2所示；

所述透平转子22、四级静叶、四级动叶均处于所述机壳10所形成的空间中。

所述透平机工作时，高温燃气从透平机入口24沿轴向流入，每次经过四级静叶11、13、15、17后产生圆周方向的流速，并依次吹动四级动叶12、14、16、18带动透平转子22和燃气轮机主轴23发生旋转。

图3是根据本发明一实施例的透平机前两级静叶的结构示意图，图3的左图为第一级静叶的结构示意图，右图为第二级静叶的结构示意图，如图3左图所示，与第一级静叶相似，每一级静叶均包括多个静叶片，所述多个静叶片沿圆周方向互相独立的固定在机壳10上，每个静叶片的外形为沿圆周方向扭转的流线形，如图2所示。

透平机的第一、第二和第三级静叶均采用双通道双套层结构，如图4所示，第四级静叶为空腔冷却结构。第一、第二和第三级静叶中的每个通道的内层沿径向设有若干个冲击冷却孔，外层沿径向设有若干个冷却孔，所述冲击冷却孔与冷却孔交错排列，用于将低温空气排入燃气通道。

其中，第一级静叶片外层的冷却孔包括：静叶片前缘沿弦向设置的五排冷却孔52（比如为圆柱形）、背弧侧沿弦向设置的4排冷却孔54（比如为圆柱形）、内弧侧沿弦向设置的4排冷却孔51（比如为方形），以及尾缘沿径向设置的若干个冷却孔53，如图2、图3的左图以及图4所示。

第二级静叶片外层的冷却孔包括：前缘沿弦向设置的五排冷却孔68，尾缘沿径向设置的多个冷却孔70（比如65个针形孔），如图2、图3的右图所示。

第三级静叶片外层的冷却孔包括尾缘沿径向设置的若干个冷却孔；

所述第四级静叶的静叶片沿径向的两端表面设置有多个冷气通道。

所述机壳10上沿轴向设有若干个冷却空气通道，所述冷却空气通道与各级静叶的内部通道以及燃气通道相通，低温空气经由所述机壳10上的冷却空气通道流入各级静叶的内部通道，最终流入燃气通道，并冷却沿程部件。

图5是根据本发明一实施例的透平机第一级动叶的结构示意图，图5的左图为第一级动叶的侧视图，右图为第一级动叶的透视图。透平机的每一级动叶均包括多个动叶片，所述多个动叶片沿圆周方向互相独立的安装在透平转子22的相应级的动叶轮盘上，比如第一级动叶安装在透平转子22的第一级动叶轮盘上，第二级动叶安装在透平转子22的第二级动叶轮盘上，以此类推。

如图5所示，透平机的第一级动叶片以及第二、三级动叶片的表面设有3排冷却孔60，尾缘沿径向设有多个冷却孔64；第一、第二、三级动叶片的内部为由多组人字形肋片隔成的沿弦向排列的两个蛇形通道61和62（如图5右图所示），所述蛇形通道61靠近叶片的前缘，所述蛇形通道62靠近叶片的尾缘，所述蛇形通道61与所述冷却孔60相通，所述蛇形通道62与所述冷却孔64相通；所述蛇形通道62的顶部开设有多个压力平衡孔65，用于将低温空气排入燃气通道，并冷却沿程各部件。

所述透平机的前三级动叶片均为上述空心结构，第四级动叶片则为实心结构。

图6是根据本发明一实施例的透平机燃气通道的剖视图，如图6所示，所述透平机的燃气通道为沿轴向逐渐扩张的环形通道，所述燃气通道的内侧壁面沿轴向以一定的角度向内收缩，外侧壁面沿轴向以一定的角度向外扩张；如上文所述，所述燃气通道内依次交替安装有四级静叶和四级动叶，所述燃气通道的主要参数列表如下：

图7是根据本发明一实施例的透平转子22的结构示意图，如图7所示，所述透平转子22包括四个动叶轮盘1、2、3和4，以及三个中间盘5、6和7，所述动叶轮盘和中间盘沿轴向交替排列，通过两组拉杆8和9连接为一体，并与燃气轮机的主轴23相连；动叶轮盘与中间盘之间沿圆周分布若干个径向通流孔31、32、33、34、35、36（如图8所示）；所述拉杆8为沿圆周方向均匀布置的若干根传动、定位杆组成的拉杆组，所述拉杆8依次穿过燃气轮机主轴23、动叶轮盘1、中间轮盘5、动叶轮盘2和中间盘6的传动定位孔，并与这些孔紧密配合，并通过压紧机构将燃气轮机主轴23、动叶轮盘1、中间轮盘5、动叶轮盘2和中间盘6沿轴向压紧；同理，所述拉杆9穿过并压紧中间轮盘6、动叶轮盘3、中间轮盘7、动叶轮盘4和燃气轮机主轴23。

所述动叶轮盘沿径向设置有冷却空气通道，来自外部的部分低温空气从所述透平转子22的内部空间经由动叶轮盘上的冷却空气通道流入第一、二、三级动叶片的内部双蛇形通道，最终从动叶片表面的冷却孔60和64流入燃气通道；另一部分低温空气流经第四级动叶轮盘与第四级动叶叶片结合处的间隙进入燃气通道。

图8是根据本发明一实施例的空气冷却流路示意图，所述空气冷却流路中，转子的冷却采用从压气机内部抽气，静子的冷却采用压气机排气及外部管路抽气。

其中内部抽气为：一股通过动叶轮盘1与中间轮盘5间的若干径向通流孔31，经由动叶轮盘1的冷却空气通道流入第一级动叶12的双蛇形通道，冷却第一级动叶12后流入燃气通道；一股通过中间轮盘5与动叶轮盘2间的若干径向通流孔32，经由动叶轮盘2的冷却空气通道流入第二级动叶14的双蛇形通道，冷却第二级动叶14后流入燃气通道；一股通过动叶轮盘2与中间盘6的若干径向通流孔33，然后从第三级静叶15与中间盘6之间的密封间隙排出流入燃气通道；一股通过中间轮盘6与动叶轮盘3间的若干径向通流孔34，经由动叶轮盘3的冷却空气通道流入第三级动叶16的双蛇形通道，冷却第三级动叶16后流入燃气通道；一股通过动叶轮盘3与中间盘7的若干径向通流孔35，然后从第四级静叶17与中间盘7之间的密封间隙排出流入燃气通道；一股通过中间轮盘7与动叶轮盘4的若干径向通流孔36，然后从第四级静叶17与中间盘7之间的密封间隙排出流入燃气通道；一股通过动叶轮盘4与燃气轮机主轴23之间的间隙流入燃气通道。

第一级静叶由压气机的排气进行冷却。第二、三、四级静叶分别由来自压气机中的低压抽气进行冷却。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃气轮机透平机，其特征在于，该透平机包括：机壳(10)，透平机入口(24)，透平机出口(25)，一个透平转子(22)，四级静叶(11、13、15、17)，以及四级动叶(12、14、16、18)，其中：

所述透平机入口(24)位于所述透平机的一端，作为高温燃气的入口；

所述透平机出口(25)位于所述透平机的另一端，作为高温燃气的出口；

所述四级静叶(11、13、15、17)的静叶片依次安装在固定的机壳(10)上，所述四级动叶(12、14、16、18)的动叶片依次安装在透平转子(22)的同一侧并带动所述透平转子(22)一起旋转；

所述四级静叶(11、13、15、17)和四级动叶(12、14、16、18)在所述透平转子(22)的轴线方向上依次交替排列，并在内部形成燃气通道；

所述透平转子(22)、四级静叶、四级动叶均处于所述机壳(10)所形成的空间中；

其中，每一级静叶均包括多个静叶片，所述多个静叶片沿圆周方向互相独立的固定在机壳(10)上，每个静叶片的外形为沿圆周方向扭转的流线形；

第一级静叶(11)、第二级静叶(13)和第三级静叶(15)均采用双通道双套层结构，第四级静叶(17)为空腔冷却结构；

所述机壳(10)上沿轴向设有若干个冷却空气通道，所述冷却空气通道与各级静叶的内部通道以及燃气通道相通，低温空气经由所述机壳(10)上的冷却空气通道流入各级静叶的内部通道，最终流入燃气通道，并冷却沿程部件；

所述透平机的每一级动叶均包括多个动叶片，所述多个动叶片沿圆周方向互相独立的安装在透平转子(22)的相应级的动叶轮盘上；

所述透平机工作时，高温燃气从透平机入口(24)沿轴向流入，每次经过四级静叶(11、13、15、17)后产生圆周方向的流速，并依次吹动四级动叶(12、14、16、18)带动透平转子(22)和燃气轮机主轴(23)发生旋转；

所述透平机的空气冷却流路中，转子的冷却采用从压气机内部抽气，静子的冷却采用压气机排气及外部管路抽气，

其中，所述内部抽气为：一股通过第一级动叶轮盘(1)与第一级中间轮盘(5)间的若干径向通流孔(31)，经由第一级动叶轮盘(1)的冷却空气通道流入第一级动叶(12)的双蛇形通道，冷却第一级动叶(12)后流入燃气通道；一股通过第一级中间轮盘(5)与第二级动叶轮盘(2)间的若干径向通流孔(32)，经由第二级动叶轮盘(2)的冷却空气通道流入第二级动叶(14)的双蛇形通道，冷却第二级动叶(14)后流入燃气通道；一股通过第二级动叶轮盘(2)与第二级中间轮盘(6)的若干径向通流孔(33)，然后从第三级静叶(15)与第二级中间轮盘(6)之间的密封间隙排出流入燃气通道；一股通过第二级中间轮盘(6)与第三级动叶轮盘(3)间的若干径向通流孔(34)，经由第三级动叶轮盘(3)的冷却空气通道流入第三级动叶(16)的双蛇形通道，冷却第三级动叶(16)后流入燃气通道；一股通过第三级动叶轮盘(3)与第三级中间轮盘(7)的若干径向通流孔(35)，然后从第四级静叶(17)与第三级中间轮盘(7)之间的密封间隙排出流入燃气通道；一股通过第三级中间轮盘(7)与第四级动叶轮盘(4)的若干径向通流孔(36)，然后从第四级静叶(17)与第三级中间轮盘(7)之间的密封间隙排出流入燃气通道；一股通过第四级动叶轮盘(4)与燃气轮机主轴(23)之间的间隙流入燃气通道。

2.根据权利要求1所述的透平机，其特征在于，所述透平机的燃气通道为沿轴向逐渐扩张的环形通道，所述燃气通道的内侧壁面沿轴向以一定的角度向内收缩，外侧壁面沿轴向以一定的角度向外扩张。

3.根据权利要求2所述的透平机，其特征在于，所述第一级静叶(11)的燃气通道中径为2680mm，叶片径向长度为184mm；所述第一级动叶(12)的燃气通道中径为2683mm，叶片径向长度为190mm；所述第二级静叶(13)的燃气通道中径为2689mm，叶片径向长度为280mm；所述第二级动叶(14)的燃气通道中径为2691mm，叶片径向长度为330mm；所述第三级静叶(15)的燃气通道中径为2722mm，叶片径向长度为425mm；所述第三级动叶(16)的燃气通道中径为2723mm，叶片径向长度为490mm；所述第四级静叶(17)的燃气通道中径为2750mm，叶片径向长度为595mm；所述第四级动叶(18)的燃气通道中径为2753mm，叶片径向长度为650mm。

4.根据权利要求1所述的透平机，其特征在于，所述第一、二、三、四级动叶轮盘沿径向设置有冷却空气通道，来自外部的部分低温空气从所述透平转子(22)的内部空间经由第一、二、三级动叶轮盘上的冷却空气通道流入第一、二、三级动叶的内部双蛇形通道，最终从第一、二、三级动叶表面的冷却孔(60、64)流入燃气通道；另一部分低温空气流经第四级动叶轮盘与第四级动叶结合处的间隙进入燃气通道。

5.根据权利要求1所述的透平机，其特征在于，第一级静叶由压气机的排气进行冷却；第二、三、四级静叶分别由来自压气机中的低压抽气进行冷却。

6.根据权利要求1所述的透平机，其特征在于，所述透平转子(22)包括四个动叶轮盘(1、2、3、4)，以及三个中间轮盘(5、6、7)，所述四个动叶轮盘和三个中间轮盘沿轴向交替排列，通过两组拉杆(8、9)连接为一体，并与燃气轮机的主轴(23)相连；四个动叶轮盘与三个中间轮盘之间沿圆周分布若干个径向通流孔(31、32、33、34、35、36)；第一拉杆(8)为沿圆周方向均匀布置的若干根传动、定位杆组成的拉杆组，所述第一拉杆(8)依次穿过燃气轮机主轴(23)、第一级动叶轮盘(1)、第一级中间轮盘(5)、第二级动叶轮盘(2)和第二级中间轮盘(6)的传动定位孔，并与这些孔紧密配合，并通过压紧机构将燃气轮机主轴(23)、第一级动叶轮盘(1)、第一级中间轮盘(5)、第二级动叶轮盘(2)和第二级中间轮盘(6)沿轴向压紧；第二拉杆(9)穿过并压紧第二级中间轮盘(6)、第三级动叶轮盘(3)、第三级中间轮盘(7)、第四级动叶轮盘(4)和燃气轮机主轴(23)。

7.根据权利要求1所述的透平机，其特征在于，所述第一级静叶(11)、第二级静叶(13)和第三级静叶(15)中的每个通道的内层沿径向设有若干个冲击冷却孔，外层沿径向设有若干个冷却孔，所述冲击冷却孔与冷却孔交错排列，用于将低温空气排入燃气通道；

所述第一级静叶(11)外层的冷却孔包括：静叶片前缘沿弦向设置的五排冷却孔(52)、背弧侧沿弦向设置的四排冷却孔(54)、内弧侧沿弦向设置的四排冷却孔(51)，以及尾缘沿径向设置的若干个冷却孔(53)；

所述第二级静叶(13)外层的冷却孔包括：前缘沿弦向设置的五排冷却孔(68)，尾缘沿径向设置的多个冷却孔(70)；

所述第三级静叶(15)外层的冷却孔包括尾缘沿径向设置的若干个冷却孔；

所述第四级静叶(17)的静叶片沿径向的两端表面设置有多个冷气通道。

8.根据权利要求1所述的透平机，其特征在于，所述透平机的第一级动叶以及第二、三级动叶的表面设有三排冷却孔(60)，尾缘沿径向设有多个冷却孔(64)；第一、第二、三级动叶的内部为由多组人字形肋片隔成的沿弦向排列的两个蛇形通道(61、62)，第一蛇形通道(61)靠近叶片的前缘，第二蛇形通道(62)靠近叶片的尾缘，所述第一蛇形通道(61)与第一级动叶以及第二、三级动叶的表面设置的冷却孔(60)相通，所述第二蛇形通道(62)与尾缘沿径向设置的多个冷却孔(64)相通；所述第二蛇形通道(62)的顶部开设有多个压力平衡孔(65)，用于将低温空气排入燃气通道，并冷却沿程各部件。

9.根据权利要求1所述的透平机，其特征在于，所述透平机的第四级动叶为实心结构。