CN1056909C - 轴流式燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

一种轴流式燃气轮机，它主要由一个多级涡轮(1)构成，涡轮驱动设置在共同轴(13)上的压缩机(10)，其中，位于涡轮和压缩机之间的轴的部分是一个滚筒(14)，滚筒由一个滚筒盖(15)所包绕同时形成一个环形管道(20)，一个封住滚筒盖的迷宫密封装置(21)设置在环形管道内，至少一个用于漏出空气和一部分冷却空气的抽吸装置(25)被设置在滚筒迷宫区域内，抽吸装置连接在后涡轮级的冷却装置上。

Description

轴流式燃气轮机
本发明涉及一种燃气轮机，特别是一种轴流式燃气轮机。
这种型式的燃气轮机是已知的。所有转子一侧的冷却空气都是，例如，从压缩机端抽吸过来的。其绝大部分流经单独的导管并通过一个涡流叶栅流入各转子冷却管道中，涡流叶栅一般情况都位于涡轮转子的端面处与转子冷却管道同样的半径上，例如，英国专利GB2189845中所公开的那样。小部分的冷却空气用以冷却最后的压缩机盘、滚筒和第一涡轮盘。
在欧洲专利EP0447886中，所有冷却转子所需要的冷却空气都是在压缩机的毂部最后一排活动排后面抽取的并以其固有的涡旋直接送入位于转子滚筒和滚筒盖之间的环形管道中。它一直流至滚筒迷宫处。不可避免的泄漏量流经迷宫，而转子冷却空气的主要部分被送入涡流叶栅。冷却空气在被偏转至转子转动方向的同时在其间被加速。在该过程中，从涡流叶栅流出的气流几乎是成切向的。在涡流叶栅下通过滚筒迷宫的泄漏质量流在涡轮盘区域内与涡轮叶栅后的冷却空气相混合。
但是在具有高压力比的燃气轮机中会发生如下的问题。由于在压缩机最后活动排后面的空气对于冷却涡轮叶片太热。因此该空气在通过涡流叶栅进入涡轮转子的冷却空气管道之前必须首先经过再冷却。冷却空气与沿着转子滚筒的迷宫漏出空气之间的大温度差使转子滚筒和涡轮盘区域内产生高应力。此外，冷的冷却空气与涡流叶栅后的热的漏出空气相混合使冷却空气不合需要的加热从而减弱了涡流。
为了在转子冷却空气体系中获得必要的压力，一般需要在涡流叶栅上面的涡轮转子盘和盘盖之间装有迷宫密封。因此，在滚筒迷宫受到损坏的情况下，沿着涡轮盘的压力会增大，导致大大增大了转子轴向推力。
因此，在本文开头所提那种型式的轴流式燃气轮机中，本发明的目的之一是试图避免所有这些缺点的同时减小轴向推力，改进叶片和盘的冷却效率并达成一个均匀的温度分布。
根据本发明，这目的是这样达成的，即本发明的轴流式燃气轮机，包括一个多级涡轮，涡轮驱动一个设置在一根共同轴上的压缩机，在其中，位于涡轮和压缩机之间的轴的部分是一个滚筒，滚筒由一个滚筒盖所包绕同时形成一个环形管道，一个封住滚筒盖的迷宫密封装置设置在环形管道内，而滚筒盖连同涡轮转子的端面限定一个径向延伸的轮侧室，设有用于涡轮转子及其工作叶片环的冷却装置，和所述用于涡轮的转子侧的冷却空气都是从压缩机在压缩机出口区域内抽取的，其特征在于，在其中，设置有至少一根单独的导管用以将涡轮转子冷却空气从压缩机带至涡轮转子的端面，而这导管和轮侧室之间的连通是通过至少两个涡流喷嘴实现的，至少一个用于漏出空气和一部分冷却空气的抽吸装置被设置在滚筒迷宫区域内。
本发明的优越性特别能从这样的事实看出来，即涡轮盘和一部分的转子滚筒只是被冷却空气一掠而过。这就导致较低的特别是较为均匀的温度分布，其对转子/盘过渡区的强度有着有利的影响。由于与冷却空气的混合随着漏出空气的抽走也被避免了，冷却空气就不会被加热而冷却空气的涡流不会被打扰。
将抽吸装置区域内的环形管道加宽形成漏出或冷却空气的收集室将是有益的，这样就能保证更好的抽出。
此外，如果抽吸装置由一条导管构成，其一侧连接在漏出或冷却空气的收集室而另一侧连接在压缩机外壳内的冷却空气抽吸圆形室将是有利的。
还有，抽吸装置最好与涡轮后各级的冷却空气装置相连，因为抽出空气这样就被掺和在涡轮后各级的冷却空气中从而继续以有用的方式被用于过程中。
如果在转子滚筒压缩机一侧的部分上设置至少一个用于一部分冷却空气的对环形管道的供应口将是有利的。该供应口在其相应的端头上具有至少一个涡流式喷嘴。这样，在热的漏出空气中同样也有冷空气掺和入内，因而在这区域内，空气温度下降至可允许的程度。
最后，涡流叶栅后的冷却空气压力最好是这样选择，即在涡轮盘和盘盖之间一般寻常的迷宫密封可以省免，从而靠近盘的压力可以由气道中涡轮主流的压力来确定。在转子滚筒迷宫损坏的情况下，出于没有了盘迷宫和由于增加的漏出空气被抽气，在涡轮盘上的大量压力增加就被避免了，从而使转子的轴向推力只有小量的改变。在迷宫间隙增大的情况下，滚筒和盘的温度还是保持相对稳定。
在附图中本发明的几个实施例通过一个单轴的轴流式燃气轮机予以描述。附图中：
图1是燃气轮机的一个局部纵向截面图；
图2是滚筒迷宫和抽吸装置区域放大的部分纵向截面图；
图3a-3c是抽吸装置的三种不同的可能安排。
在图中只有对了解本发明必要的元件才予显示。设备中未显示的例如有燃气轮机的排气室和排气管和烟道以及压缩机部分的进口部分。工作介质的流动方向由箭头指示。
以下将对本发明参照附图并根据实施例予以详述。
从图1中可以看出，轴流式涡轮机1主要由配置有工作叶片2的转子3和配置有导叶4的叶片载体5构成。图1中只显示了涡轮机1的第一轴流级。叶片载体5被挂在涡轮外壳6内。涡轮外壳6还包绕着用于压缩燃烧空气的收集室7。
燃烧空气从收集室7流入环形燃烧室8，燃烧室通向涡轮进口。压缩空气从压缩机10的扩散道9流入收集室7。在图1中只显示了压缩机10的具有工作叶片11和导叶12的最后一级。压缩机10和涡轮1的工作叶片组都装在一根共同的轴13上，其介于涡轮1和压缩机10之间的部分形成一个滚筒14。
滚筒14由一个滚筒盖15包绕着，滚筒盖通过肋板16与扩散道的外壳17相连。在涡轮一侧，滚筒盖15连同涡轮转子3的端面18限定了一个径向延伸的轮侧室19。
轮侧室19形成延伸在滚筒14和滚筒盖15之间的一条环形管道20的尽头。一个封住滚筒盖15的迷宫式密封装置21设置在这环形管道20内。
一条来自压缩机端头的导管22通向轮侧室19用以输送涡轮转子冷却空气。在其端头上装有涡流式喷嘴23。用于涡轮转子主冷却空气的涡流式喷嘴23在这里最好设置在与转子冷却管道24也就是转子冷却管道24的进口同一半径处，而另外的一个或多个涡流式喷嘴23设置在距涡轮主轴较小的径向距离处，它们的作用是对涡轮转子3的端面18添加冷却空气。
在这示范性实施例中，两个用于漏出空气和一部分冷却空气的抽吸装置25被设置在滚筒迷宫21的区域内。
图2详细地显示出抽吸装置25的一种可能的实施变异体。环行管道20在抽吸25装置的区域内被扩张，形成了两个收集室26。两个抽吸装置25在这里是一头连接在用于漏出空气的收集室26上而另一头连接压缩机壳内的冷却空气抽吸环形室28。导管22a从冷却空气抽吸环形室28通向后涡轮级的冷却体系。收集室26在滚筒迷宫21内的设置可以做出这样的选择，使在室26和28之间形成的压力降和导管25的横截面产生出所需要的抽吸空气量。当然，本发明并不只限于这一实施例变异体。抽吸装置25也可以有另外的设计。
此外，在转子滚筒14的压缩机侧部分还可以额外地为一小部分冷却空气再设置一个通向环形管道20的供应口27，该供应口27在其朝向环形管道20的端头处也具有至少一个涡流式喷嘴23。所谓涡流式喷嘴23就是其中线带有些微弯曲的加速叶栅。冷却空气的掺入到热的漏出空气质量流中就使空气温度在转子滚筒14的压缩机侧部分下降至可容许的数值。
图3显示出可以设置只有一个用于漏出或冷却空气的抽吸装置25或者两个以上的抽吸装置25。
下面将对本发明的运作方式予以描述：为冷却转子所需要的冷却空气是在压缩机端头处抽取的。转子冷却空气的主要部分经过导管22和涡流式喷嘴23流入轮侧室19。这种涡旋的冷却空气的绝大部分通过位于同样高度的进口流入转子3的冷却管道24，而一小部分通过涡轮盘与盘盖之间流入涡轮机1的气道中。另外的冷却空气通过另一个涡流式喷嘴23进入轮侧室19，而该另一个喷嘴设置在较前述的涡流式喷嘴23离涡轮主轴更小的径向距离处。这股冷却空气沿着环形管道20的方向流动，并与从其它方向来自压缩机10的并在最后的工作叶片11之后被抽吸的漏出空气质量流一起被抽入到设置在滚筒迷宫21区域内的抽吸装置25。当然，漏出空气质量流也可以在另一处地点，例如在压缩机10的最后导叶12之后被抽吸。抽出的空气由于其压力低就被掺入到例如用于后涡轮级的冷却空气中，因而继续以有用的方式应用在过程中。
由于漏出空气质量流和通过一个或多个涡流式喷嘴23掺入的一小部分冷却空气是在滚筒迷宫21处被抽走的，涡轮盘和一部分的转子滚筒14’只是被冷却空气一掠而过。这种情况的优点是可以得到更加均匀和更低的温度分布，其对转子盘部位的强度有利。
随着漏出空气的被抽走，在涡流式喷嘴23之后的与冷却空气的混合也免掉了。在涡流式喷嘴23之后的冷却空气旋涡不再受漏出空气的影响，冷却空气也不再被较热的漏出空气所加热；因而转子冷却体系的进气情况基本稳定，冷却空气的作用增大了，而转子冷却体系的进气损失也减至最低。
涡流叶栅后面的冷却空气压力可以这样地选择使通常设置在涡轮盘和盘盖之间的迷宫密封装置可以被省免。由此，盘附近的压力由气道内的涡轮主要的压力所确定。
在转子滚筒迷宫21受到损伤的情况下，通过取消盘迷宫和通过漏出空气量的增加在涡轮盘上的较大的压力增大被避免了，因而转子的轴向推力只有小量的变化。在迷宫间隙增大的情况下，滚筒和盘的温度相对地仍保持稳定。

Claims (6)

1.一种轴流式燃气轮机，包括一个多级涡轮(1)，涡轮驱动一个设置在一根共同轴(13)上的压缩机(10)，-在其中，位于涡轮(1)和压缩机(10)之间的轴的部分是一个滚筒(14)，滚筒由一个滚筒盖(15)所包绕同时形成一个环形管道(20)，一个封住滚筒盖(15)的迷宫密封装置(21)设置在环形管道(20)内，而滚筒盖(15)连同涡轮转子(3)的端面(18)限定一个径向延伸的轮侧室(19)，-在其中，设有用于涡轮转子(3)及其工作叶片环的冷却装置(24)，和-所述用于涡轮(1)的转子侧的冷却空气都是从压缩机(10)在压缩机出口区域内抽取的，
其特征在于，在其中，设置有至少一根单独的导管(22)用以将涡轮转子冷却空气从压缩机(10)带至涡轮转子(3)的端面(18)，而这导管(22)和轮侧室(19)之间的连通是通过至少两个涡流喷嘴(23)实现的，
至少一个用于漏出空气和一部分冷却空气的抽吸装置(25)被设置在滚筒迷宫(21)区域内。
2.如权利要求1所述的轴流式燃气轮机，其特征在于，其中环形管道(20)在抽吸装置(25)区域内被扩张形成一个用于漏出或冷却空气的收集室(26)。
3.如权利要求1或2所述的轴流式燃气轮机，其特征在于，其中抽吸装置(25)由一条导管构成，导管的一侧连接在用于漏出或冷却空气的收集室(26)上，而其另一侧则连接在压缩机外壳内的冷却空气抽吸环形室(28)上。
4.如权利要求1所述的轴流式燃气轮机，其特征在于，其中轴吸装置(25)连接在后涡轮级的冷却装置(24)上。
5.如权利要求1所述的轴流式燃气轮机，其特征在于，其中至少一个对环形管道(20)的供应口(27)被设置在转子滚筒(14)的压缩机侧部分，用于供应一部分冷却空气，该供应口在其相应的一端具有至少一个涡流式喷嘴(23)。
6.如权利要求1所述的轴流式燃气轮机，其特征在于，在轮侧室(19)中涡流叶栅(23)后的冷却空气压力可以这样地选择，从而使涡轮盘和盘盖之间的迷宫密封装置能够被省免。
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