CN104675440A - 一种燃气轮机透平转子的冷却气引气结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机结构、冷却及空气系统设计技术领域，提供了一种燃气轮机透平转子的冷却气引气结构。该燃气轮机透平转子的冷却气引气结构，包括分别设置在第一级轮盘和最后一级轮盘外侧的密封腔室，并且第N级间腔室至第N+1级间腔室之间的轮盘上不设置轮盘冷却气通道，从而第一级轮盘外侧的密封腔室将冷却气正向依次引入第一级间腔室至第N级间腔室；最后一级轮盘外侧的密封腔室将冷却气逆向依次引入最后的级间腔室至第N+1级间腔室，从而很好地实现透平转子冷却气分级引气的功能，进而减少了透平转子高压冷却气的用量，提高了燃气轮机的工作效率。

Description

一种燃气轮机透平转子的冷却气引气结构

技术领域

本发明涉及燃气轮机结构、冷却及空气系统设计技术领域，尤其涉及一种燃气轮机透平转子的冷却气引气结构。

背景技术

工业领域涉及的燃气轮机主要包括压气机、燃烧室及透平三大部件。空气进入压气机后被压缩成高温高压的空气，供给燃烧室燃料燃烧，产生的高温高压燃气在透平中膨胀做功。其中轮盘、动叶、轴以及附属的转动部件统称为转子，其他非转动部件统称为静子。

燃气轮机工作时，燃气轮机本体温度会逐渐升高，尤其是透平部分。以“F”级燃气轮机为例，透平进口温度已高达1400℃左右，因此透平部件除选用较好材料外，还需要通过复杂的冷却设计来保证燃机的安全和寿命。目前在燃气轮机中一般是从压气机抽气对透平进行冷却，所以冷却设计是否合理对燃气轮机的效率有很大影响。

燃气在透平中逐级做功温度会不断降低，透平转子和静子的温度也随之逐渐降低，从而对冷却气113的需求也逐渐降低。为了提高燃机效率，在冷却设计时常常根据透平不同级的冷却需求分开引不同参数的冷却气113。其中透平静子的冷却一般采用高、中、低级压气机抽气来满足不同级静子的冷却需求。而透平转子因为自身结构的复杂性，分级引气比较困难，所以一般都从压气机同一个高压级抽气进行冷却。

具体请参见图1，该图为常见透平转子冷却气113的流路，在透平的第一级轮盘101前设置有密封环112，密封环112与转子形成密封腔室111。密封环112上设计有引气结构，引入一股冷却气113注入密封腔室111中。进入密封腔室111中的冷却气对第一级轮盘101进行冷却，然后分为两路。一路经过第一级轮盘101上向上的通气孔(本申请中将所有轮盘上向上的通气孔称为动叶冷却气113通道)进入第一级动叶107的根部，并对第一级动叶107进行冷却；另一路经过第一级轮盘101上向后的通气孔(本申请中将所有轮盘上向后的通气孔称为轮盘冷却气113通道)进入第一级间腔室105。进入第一级间腔室105的冷却气113继续对第一级轮盘101和第二级轮盘102进行冷却，然后同样分为两路。一路通过第二级轮盘102上向上的通气孔进入第二级动叶108的根部，并对第二级动叶108进行冷却；另一路通过第二级轮盘102上向后的通气孔进入第二级间腔室106。依此类推，冷却气113一直向后逐一冷却剩余的透平第三级轮盘103、第四级轮盘104、第三级动叶109和第四级动叶110。因此，这种结构的透平转子只采用了同一股气源的冷却气113，从而造成了高压的冷却气113的浪费，降低了燃机效率。

有鉴于此，亟待提出一种新型的燃气轮机透平转子的冷却气引气结构。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题就是提供一种新型的燃气轮机透平转子的冷却气引气结构，根据透平转子不同级的冷却要求不同，引入不同的冷却气，以减少宝贵的高压冷却气用量，提高燃机效率。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种燃气轮机透平转子的冷却气引气结构，包括每两级相邻的轮盘之间设置的级间腔室，以及轮盘上设置的动叶冷却气通道和轮盘冷却气通道；还包括位于第一级轮盘外侧的第一密封腔室，以及位于最后一级轮盘外侧的第二密封腔室；所述第一密封腔室通过相应轮盘上的轮盘冷却气通道将冷却气正向依次引入第一级间腔室至第N级间腔室；所述第二密封腔室通过相应轮盘上的轮盘冷却气通道将冷却气逆向依次引入最后的级间腔室至第N+1级间腔室；其中，N为任意正整数。

优选地，所述第一密封腔室和第二密封腔室的冷却气的气源为燃气轮机的压气机或者外部气源。

优选地，所述第一密封腔室和第二密封腔室的冷却气的气源不同。

优选地，所述第一密封腔室的冷却气的气压高于所述第二密封腔室的冷却气的气压。

优选地，所述第一密封腔室和第二密封腔室均由密封环和转子形成。

(三)有益效果

本发明的技术方案具有以下优点：本发明的燃气轮机透平转子的冷却气引气结构，包括分别设置在第一级轮盘和最后一级轮盘外侧的密封腔室，并且第N级间腔室至第N+1级间腔室之间的轮盘上不设置轮盘冷却气通道，从而第一级轮盘外侧的密封腔室将冷却气正向依次引入第一级间腔室至第N级间腔室；最后一级轮盘外侧的密封腔室将冷却气逆向依次引入最后的级间腔室至第N+1级间腔室，从而很好地实现透平转子冷却气分级引气的功能，进而减少了透平转子高压冷却气的用量，提高了燃气轮机的工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术的燃气轮机透平转子的冷却气引气结构的结构示意图；

图2是本发明的燃气轮机透平转子的冷却气引气结构的结构示意图；

图中：101、第一级轮盘；102、第二级轮盘；103、第三级轮盘；104、第四级轮盘；105、第一级间腔室；106、第二级间腔室；107、第一级动叶；108、第二级动叶；109、第三级动叶；110、第四级动叶；111、密封腔室；112、密封环；113、冷却气；1、第一级轮盘；2、第二级轮盘；3、第三级轮盘；4、第四级轮盘；5、第一级间腔室；6、第二级间腔室；7、第三级间腔室；8、第一级动叶；9、第二级动叶；10、第三级动叶；11、第四级动叶；12、第一密封腔室；13、第一密封环；14a、第一冷却气；14b、第二冷却气；15、第二密封腔室；16、第二密封环。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明的燃气轮机透平转子的冷却气引气结构，包括每两级相邻的轮盘之间设置的级间腔室，以及轮盘上设置的动叶冷却气通道和轮盘冷却气通道；还包括位于第一级轮盘1外侧的第一密封腔室12，以及位于最后一级轮盘外侧的第二密封腔室15；所述第一密封腔室12通过相应轮盘上的轮盘冷却气通道将冷却气正向依次引入第一级间腔室5至第N级间腔室；所述第二密封腔室15通过相应轮盘上的轮盘冷却气通道将冷却气逆向依次引入最后的级间腔室至第N+1级间腔室；其中，N为任意正整数。

本实施例结合包含四级轮盘的燃气轮机的透平转子的冷却气引气结构为例进行说明，请参见图2。其中该冷却气引气结构对应的燃气轮机包含四级动叶和三级级间腔室。从图中左至右的轮盘依次为第一级轮盘1、第二级轮盘2、第三级轮盘3和第四级轮盘4，同理动叶和级间腔室的命名也按照从左往右的顺序排序。其中，第四级轮盘4也即最后一级轮盘，第三级轮盘3也即倒数第二级轮盘。

第一密封腔室12设置在第一级轮盘1的外侧也即前端，由第一密封环13和转子形成。在第一密封环13上设计有引气结构，该引气结构引入一股第一冷却气14a注入第一密封腔室12，进入第一密封腔室12的第一冷却气14a对第一级轮盘1进行冷却，然后分为两路。一路经过第一级轮盘1上向上的动叶冷却气通道进入第一级动叶8根部，并对第一级动叶8进行冷却；另一路经过第一级轮盘1上向后的轮盘冷却气通道进入第一级间腔室5。进入第一级间腔室5的第一冷却气14a继续对第一级轮盘1和第二级轮盘2进行冷却，然后从第二级轮盘2上向上的动叶冷却气通道进入第二级动叶9的根部，并对第二级动叶9进行冷却。在第二级轮盘2上没有设置轮盘冷却气通道，因此第一冷却气14a不继续向后冷却剩余级的轮盘和动叶，而是从第二级动叶9上全部排入燃气通道。

第二密封腔室15设置在第四级轮盘4的外侧也即后面，由第二密封环16和转子形成。在第二密封环16上设计有引气结构，该引气结构引入一股第二冷却气14b注入第二密封腔室15。注入第二密封腔室15的第二冷却气14b通过第四级轮盘4上的轮盘冷却气通道对第四级轮盘4进行冷却，第二冷却气14b进入第三级间腔室7以后，继续对第四级轮盘4和第三级轮盘3进行冷却，然后分为两路。一路经过第四级轮盘4上向上的动叶冷却气通道进入第四级动叶11的根部，并对第四级动叶11进行冷却；另一路经过第三级轮盘3上的向前的轮盘冷却气通道进入第二级间腔室6，同样对第三级轮盘3和第二级轮盘2进行冷却。由于第二级轮盘2上未开轮盘冷却气通道，因此第二冷却气14b全部从第三级动叶10排入燃气通道。

本实施例中，第一密封腔室12通过相应轮盘上的轮盘冷却气通道将第一冷却气14a正向引入至第一级间腔室5(也即第N级间腔室，此处N等于一)。而第二密封腔室15通过相应轮盘上的轮盘冷却气通道将第二冷却气14b逆向依次引入至第三级间腔室7(也即最后的级间腔室)至第二级间腔室6(也即第N+1级间腔室)。当然进入第一密封腔室12和第二密封腔室15后的冷却气同样会进入动叶冷却气通道，但是由于动叶冷却气通道并没有特殊的要求，采用现有的轮盘上设置的动叶冷却气通道的结构形式亦可；并且其对动叶冷却的原理和现有技术中动叶冷却原理几乎相同，因此此处不对其做过多描述。

应当理解的是，本实施例的燃气轮机透平转子的冷却气引气结构，可以应用在包含任意级轮盘的燃气轮机上；且可以在除了第一级轮盘1和最后一级轮盘以外的第M级轮盘上不开设轮盘冷却气通道，从而使得第一级轮盘1和最后一级轮盘外侧的密封腔室可以分别引入冷却气，从而很好地实现透平转子冷却气分级引气的功能。

第一密封腔室12和第二密封腔室15可以通过各自的引气结构供入两种不同的冷却气。其中进入第一密封腔室12的第一冷却气14a从前向后流动负责冷却透平前几级轮盘和动叶，进入第二密封腔室15的第二冷却气14b从后向前流动负责冷却剩余的后几级轮盘和动叶。由于透平前几级温度比后几级高，冷却设计复杂，需要冷却气的压力比后面级高。因此进入第一密封腔室12的第一冷却气14a可以从压气机高压抽气，而进入第二密封腔室15的第二冷却气14b可以采用相对压力较低的气源，从而节省燃气轮机高压冷却气的用量，提高燃机效率。当然第一密封腔室12和第二密封腔室15的气源不受上述限制。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种燃气轮机透平转子的冷却气引气结构，包括每两级相邻的轮盘之间设置的级间腔室，以及轮盘上设置的动叶冷却气通道和轮盘冷却气通道；其特征在于，还包括位于第一级轮盘外侧的第一密封腔室，以及位于最后一级轮盘外侧的第二密封腔室；所述第一密封腔室通过相应轮盘上的轮盘冷却气通道将冷却气正向依次引入第一级间腔室至第N级间腔室；所述第二密封腔室通过相应轮盘上的轮盘冷却气通道将冷却气逆向依次引入最后的级间腔室至第N+1级间腔室；其中，N为任意正整数。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机透平转子的冷却气引气结构，其特征在于，所述第一密封腔室和第二密封腔室的冷却气的气源为燃气轮机的压气机或者外部气源。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机透平转子的冷却气引气结构，其特征在于，所述第一密封腔室和第二密封腔室的冷却气的气源不同。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机透平转子的冷却气引气结构，其特征在于，所述第一密封腔室的冷却气的气压高于所述第二密封腔室的冷却气的气压。

5.根据权利要求1所述的燃气轮机透平转子的冷却气引气结构，其特征在于，所述第一密封腔室和第二密封腔室均由密封环和转子形成。