CN106460563A - 涡轮的换气构造 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮的换气构造，其具备：排气扩散器(33)，其在内筒与外筒之间形成使来自涡轮的排气通过的环状的排气通道；支柱(47)，其从所述外筒外侧的壳体(19)横穿所述排气扩散器而支承所述内筒内侧的轴承；支柱罩(49)，其配置于所述排气通道并覆盖所述支柱的外周；连接部件(43)，其配置于所述排气通道中的所述支柱罩的下游侧，具有中空部且将所述壳体与所述内筒连接，在所述涡轮的换气构造中，在所述壳体上设置从外部导入空气的第一导入口(51)，在所述支柱罩后缘部上设置排出孔(55)，设置第一换气通道(VP1)，该第一换气通道(VP1)从所述第一导入口通过所述连接部件的所述中空部，并从所述支柱的内端部通过所述支柱与所述支柱罩之间的空间，进而从所述排出孔通到所述排气通道内。

Description

涡轮的换气构造
关联申请
本申请要求2014年4月7日申请的日本专利申请2014-078651的优先权，将其全部内容以参考的方式引入作为本申请的一部分。
技术领域
本发明涉及一种具备主要具有金属板材双层构造的排气扩散器的燃气涡轮发动机的涡轮的换气构造。
背景技术
作为燃气涡轮发动机中的将来自涡轮的排气排出的排气扩散器的构造，一般采用由金属板材制的外筒及内筒构成的双层构造(例如专利文献1)。在具备这种构造的排气扩散器的燃气涡轮发动机中，为了对扩散器内部的支承构造件、轴承箱等通过铸造形成的部件进行热保护而需要进行适当的换气(冷却)。在能够于全部的运转条件下充分地确保排气扩散器入口的负压的情况下，可通过利用该负压向排气扩散器内吸入换气用空气来进行换气。
另外，已提出了一种方案：在利用排气扩散器入口的负压向排气扩散器内吸入换气用空气的情况下，通过将对涡轮转子的轴承进行支承的支柱与覆盖其的支柱罩之间的间隙作为换气用空气的通道来利用，从而高效地冷却扩散器内部的构造物(例如专利文献2、3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2004-197696号公报
专利文献2：日本专利公开2009-167800号公报
专利文献3：日本专利公开2011-127447号公报
发明内容
(一)要解决的技术问题
但是，有时难以在所有运转条件下对换气确保足够的负压。例如，在发动机的部分负荷运转(空载；idling)状态下，排气扩散器内的排气会成为旋转流而在倾斜方向上与支柱碰撞。由此，会在支柱附近在排气流中产生紊乱，其结果，在排气扩散器内无法得到足够的负压。
进一步地，在从排气扩散器入口向排气扩散器内取入换气用空气的情况下，由于换气用空气沿着排气扩散器的内壁流动，使来自涡轮的排气从排气扩散器的内壁剥离，排气扩散器性能降低。
本发明的目的在于，为了解决上述技术问题，提供一种涡轮的换气构造，其能够在燃气涡轮发动机的所有运转条件(负荷条件)下不使排气扩散器的性能降低而在排气扩散器内产生用于换气的足够的负压。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明的燃气涡轮发动机中的涡轮的换气构造，具备：排气扩散器，其在内筒与外筒之间形成使来自涡轮的排气通过的环状排气通道；支柱，其从所述外筒的径向外侧的壳体横穿所述排气扩散器而支承所述内筒内侧的轴承；支柱罩，其配置于所述排气通道并覆盖所述支柱外周；连接部件，其配置于所述排气通道中的支柱罩的下游侧，在内部具有使配件通过的中空部，并将所述壳体与所述内筒连接，所述壳体具有导入来自外部的空气的第一导入口，所述支柱罩在其后缘部具有排出孔，进一步地，还设有第一换气通道，该第一换气通道从所述第一导入口通过所述连接部件的所述中空部，并从所述支柱的内端部通过所述支柱与所述支柱罩之间的空间，进而从所述支柱罩的所述排出孔通到所述排气通道内。
根据该结构，在作为排气扩散器内构造物的支柱罩的后缘部，即排气流的下游侧设置排出换气用空气的排出孔，从而能够利用支柱罩后方区域的负压，不仅在燃气涡轮发动机的满载运转时，而且在空载运转时也稳定地产生换气用空气流。而且，能够使换气用空气在远离排气扩散器的内壁的区域流动，因此能够防止排气扩散器的性能降低。
在本发明的一个实施方式的涡轮的换气构造中，优选地，所述排出孔沿着所述支柱罩上的横穿所述排气通道的方向分开间隔地设有多个。根据该结构，通过设置多个排出孔，使排气扩散器内的换气用空气流的分布均匀化，其结果，可抑制对排气流的影响，因此更加有效地防止排气扩散器的性能降低。
在本发明的一个实施方式的涡轮的换气构造中，优选地，所述支柱罩的后缘部具有朝向排气的下游侧的平坦面，除了后缘部之外的其它部分的横截面为翼形。根据该结构，能够抑制支柱罩的阻力，并且更加切实地在支柱罩的后方产生负压。
在本发明的一个实施方式的涡轮的换气构造中，优选地，在所述壳体上设有导入来自外部的空气的第二导入口，还具备第二换气通道，该第二换气通道从该第二导入口通过所述壳体与所述外筒之间，并通过所述支柱与所述支柱罩之间的空间，进而从所述支柱罩的排出孔通到所述排气通道内。根据该结构，通过除第一导入口之外另设置第二导入口，并除第一换气通道之外另设定第二换气通道，能够更加有效地对排气扩散器周边的构造物进行冷却。尤其是在将第二导入口设置在壳体上的涡轮出口与所述支柱罩之间的轴向位置上的情况下，可对壳体上的靠近涡轮出口的成为高温的部分有效地进行冷却。
权利要求书和/或说明书和/或说明书附图所公开的至少两个的结构的任意组合也包含在本发明中。尤其是权利要求书的两项以上的任意组合也包含在本发明中。
附图说明
通过参照附图对以下优先的实施方式进行说明，可更加清楚地理解本发明。但是，实施方式及附图仅用于图示及说明，不应用于确定本发明的范围。本发明的范围由权利要求书确定。在附图中，多张附图中相同的附图标记表示相同或相当的部分。
图1是表示适用本发明一个实施方式的换气构造的燃气涡轮发动机的局部剖切侧面图。
图2是沿着图1的II-II线的示意性截面图。
图3是图1的换气构造的将排气扩散器的周边部分放大表示的截面图。
图4是表示在图1的换气构造中使用的支柱及支柱罩的立体图。
图5A是对图1的换气构造在满载状态下的作用进行说明的示意图。
图5B是对图1的换气构造在空载状态下的作用进行说明的示意图。
具体实施方式
下面，基于附图对本发明的实施方式进行说明，但是本发明并不限定于该实施方式。
图1是将适用本发明一个实施方式的涡轮的换气构造的燃气涡轮发动机(以下简称为燃气轮机)1的一部分剖切的侧面图。在同一图中，燃气轮机1将导入空气IA用压缩机3压缩后导向燃烧器5，并向燃烧器5内喷射燃料F进行燃烧，利用得到的高温高压的燃烧气体G驱动涡轮7。燃烧器5沿着燃气轮机1的周向等间隔地配置有多个。此外，在以下的说明中，有时将燃气轮机1的轴心方向上的压缩机3侧称为“前侧”，将涡轮7侧称为“后侧”。
在本实施方式中，作为压缩机3使用了轴流式压缩机。该轴流式压缩机3利用许多动叶11与许多静叶13的组合，对从吸气筒15吸入的空气IA进行压缩。动叶11配置在构成燃气轮机1的旋转部分的转子17前部的外周面上，静叶13配置在壳体19的内周面上。
经压缩机3压缩的压缩空气A供给至燃烧器5。燃烧器5将从压缩机3供给的压缩空气A与喷射到燃烧器5内的燃料F混合并进行燃烧，将高温高压的燃烧气体G向涡轮7输送。
涡轮7具备设置于壳体19的内侧并覆盖转子17的后部的涡轮罩21。在涡轮罩21的内周部，沿轴心方向隔开规定间隔地安装有多级的涡轮静叶23。另一方面，在转子17的后部设有多级的涡轮动叶25。这些涡轮静叶23和涡轮动叶25沿着轴心方向交替地配置。转子17的整体介由前部及后部的轴承27、29旋转自由地支承于壳体19。
多级的涡轮动叶25中的位于最后级的涡轮动叶25的后端成为涡轮出口31。该涡轮出口31连接有将来自涡轮7的排气EG向外部排出的环状的排气扩散器33。排气扩散器33由相互呈同心状配置的外筒35和内筒37、以及将这些外筒35和内筒37连接的第一连接部件41和第二连接部件43构成。外筒35及内筒37分别由金属板材形成，该金属板材由耐热性优异的金属材料制成。外筒35与内筒37之间的空间形成了使排气EG通过的环状的排气通道45。外筒35由壳体19支承。在排气扩散器33的下游侧连接有利用排气EG的热进行工作的废热锅炉(未图示)。
将沿着图1的II－II线的截面图表示于图2。此外，在图2中示出配置有第一连接部件41及支柱47的部分的横截面，但第二连接部件43除了没有在内部配置支柱这一点之外也具有与第一连接部件41同样的构造。第一连接部件41(及第二连接部件43)在径向上横穿排气通道45。第一连接部件41(及第二连接部件43)分别在周向上等间隔地设有多个，例如为六个。如图3所示，第一连接部件41及第二连接部件43分别由金属板材形成，具有中空部41a、43a。在第一连接部件41的中空部41a中插通有从壳体19横穿排气扩散器33延伸的支柱47。换言之，第一连接部件41形成了覆盖支柱47外周的支柱罩49。在支柱47与支柱罩49之间形成有间隙(空间)S。另一方面，在壳体19的与第二连接部件43的径向外侧相当的轴向位置上设有换气管道51。换气管道51形成将外部的空气作为换气用空气VA向燃气轮机1内部导入的第一导入口。在第二连接部件43的中空部43a中插通有配件，例如为轴承用润滑油的供给管(未图示)。
支柱47配置在与后部轴承29大致对应的轴向位置上，从排气扩散器33的外筒35的径向外侧贯通外筒35，并在径向上横穿排气通道45，进而从内筒37的径向外侧贯通内筒37，与在后部轴承29的径向外侧设置的轴承支架53连接。即，支柱47介由轴承支架53将后部轴承29支承于壳体19。此外，第一连接部件41、第二连接部件43及支柱47不是必须沿径向横穿排气通道45，也可以相对于径向倾斜地横穿。
如图4所示，支柱47及包围其外周的支柱罩49沿着燃气轮机1的轴心方向细长地延伸。由图5A可知，被与燃气轮机1的轴心同心的圆筒面切断的支柱47的切断面形成为细长的大致矩形，支柱罩49的切断面形成为大致翼形。在图4所示的支柱罩49的后缘部49a上设有用于将支柱罩49内部的空气向外部排出的排出孔55。这里，支柱罩49的“后缘部”是指排气EG的流动方向(燃气轮机1的轴心方向)上的下游端及其附近的部分。
更详细地，支柱罩49的后缘部49a具有朝向后侧(排气EG的下游侧)的平坦面，除后缘部49a之外的其它部分的横截面形成为翼形。即，支柱罩49具有：形成前部及侧部的具有翼形的弯曲面的弯曲部49b、以及形成后部的具有平坦面的平坦面部49c。在本实施方式中，排出孔55仅设在与弯曲部49b和平坦面部49c的边界相当的两个角部49d中的一方。
进而，排出孔55沿着支柱罩49上的横穿排气通道45的方向即支柱罩49的高度方向H(在本例中为燃气轮机1的径向)分开间隔地设有多个(在本例中为三个)。通过设置多个排出孔55，可使通过后述的第一换气通道VP1及第二换气通道VP2导入排气通道45内的换气用空气VA流的分布均匀化。其结果是，可抑制换气用空气VA流对排气EG流造成的影响，因此可有效地防止排气扩散器33的性能降低。
支柱罩49上的设置排出孔55的位置，只要是支柱罩49的后缘部49a，则并无特别限定。例如，可以设置在支柱罩49的平坦面部49c上，也可以设置在弯曲部49b上的角部49d附近。
但是，排气EG在图5A所示的满载状态下是与燃气轮机1的轴心平行的流态，即与支柱罩49的长尺寸方向平行的流态，而在包括空载在内的部分负荷状态下则具有绕燃气轮机1的轴心的旋转成分。因此，在本实施方式中，仅在支柱罩49的后缘部49a的两个角部49d中的、在燃气轮机1的空载状态下位于排气EG的旋转方向R的下游侧的角部49d设有排出孔55。由此，在如下区域设置排出孔55，该区域为不仅在图5A所示的满载运转状态下，而且在用于吸入换气用空气VA的负压的不足尤其成问题的图5B的空载状态下，支柱罩49周边负压都成为最大的区域D附近。因此，在燃气轮机1的任意运转状态下都能够切实地将换气用空气VA引入排气扩散器33内。
如图4所示，作为横穿方向H上的设置排出孔55的范围，以支柱罩49的高度L即外筒35的内周面与内筒37的外周面之间在径向上的距离为基准，从支柱罩49在横穿方向H上的两端起的距离d优选为0.1L以上，更加优选为0.15L以上。通过将排出孔55设置在这样的范围内，可避免排气EG因换气用空气VA而从排气扩散器33(图1)的内壁面剥离的问题，可防止排气扩散器33的性能降低。
也可以是，不在支柱罩49上设置平坦面部49c，而将后部形成为例如从弯曲部49b连续的曲面状，使支柱罩49整体的横截面为完整的翼形。但是，通过将支柱罩49的后部形成为平坦面部49c，能够在支柱罩49的后方(下游侧)更加切实地产生负压。
如图3所示，在壳体19上除了设置作为第一导入口的换气管道51之外，还另设有贯通壳体19的第二导入口61。从该第二导入口61也可将外部的空气作为换气用空气VA导入燃气轮机1内部。更具体地，第二导入口61设置在壳体19上的、与涡轮出口31的径向外侧相当的轴向位置上。设置第二导入口61的轴向位置并不限于图示的例子，优选设置在比换气管道51更靠近前方的轴向位置上，更加优选设置在涡轮出口31与支柱罩49之间的轴向位置上。
在具有这种结构的燃气轮机1的换气构造中，利用在支柱罩49的排出孔55的下游部产生的负压，将外部的空气作为换气用空气VA经由换气管道(第一导入口)51及第二导入口61导入，形成两条路径的换气通道VP1、VP2。即，形成从壳体19外侧通过第二连接部件43的中空部43a，并从支柱47的内径侧端部通过支柱47与支柱罩49之间的空间S，进而从支柱罩49的排出孔55通到排气通道45内的第一换气通道VP1。进一步地，形成从第二导入口61通过壳体19与外筒35之间，并通过支柱47与支柱罩49之间的空间S，进而从支柱罩49的排出孔55通到排气通道45内的第二换气通道VP2。
利用第一换气通道VP1，可介由轴承支架53冷却轴承29，同时对排气扩散器33内侧的空间S1进行换气。另外，利用第二换气通道VP2，可对壳体19上靠近涡轮出口31的成为高温的部分有效地进行冷却。
此外，虽然第二导入口61及第二换气通道VP2也可以省略，但是通过在除换气管道(第一导入口)51之外另设置第二导入口61，并在除第一换气通道VP1之外另设定第二换气通道VP2，能够在更大范围内并且有效地冷却排气扩散器33周边的构造物。
根据本实施方式的涡轮的换气构造，在作为排气扩散器33内构造物的支柱罩49的后缘部49a、即排气EG流的下游侧设置排出换气用空气VA的排出孔55，从而能够利用支柱罩49后方区域的负压，不仅在燃气涡轮发动机1的满载运转时，而且在空载运转时也稳定地产生换气用空气VA流。而且，能够使换气用空气VA在远离排气扩散器33的内壁的区域流动，因此能够防止排气扩散器33的性能降低。
如上所述，参照附图对本发明的优选实施方式进行了说明，但在不脱离本发明主旨的范围内，能够进行各种补充、改变或删除。因此，这样的补充、改变及删除也包含在本发明的范围内。
附图标记说明
1 燃气涡轮发动机
3 压缩机
5 燃烧器
7 涡轮
17 转子(旋转轴)
19 壳体
27、29 轴承
33 排气扩散器
35 外筒
37 内筒
43 第二连接部件(连接部件)
45 排气通道
47 支柱
49 支柱罩
49a 支柱罩的后缘部
51 换气管道(第一导入口)
55 排出孔
61 第二导入口
EG 排气
VA 换气用空气
VP1 第一换气通道
VP2 第二换气通道

Claims (5)

1.一种燃气涡轮发动机中的涡轮的换气构造，其具备：
排气扩散器，其在内筒与外筒之间形成使来自涡轮的排气通过的环状排气通道；
支柱，其从所述外筒的径向外侧的壳体横穿所述排气扩散器而支承所述内筒内侧的轴承；
支柱罩，其配置于所述排气通道并覆盖所述支柱的外周；
连接部件，其配置于所述排气通道中的所述支柱罩的下游侧，在内部具有使配件通过的中空部，并将所述壳体与所述内筒连接；
所述壳体具有导入来自外部的空气的第一导入口，
所述支柱罩在其后缘部具有排出孔，
进一步地，还设有第一换气通道，该第一换气通道从所述第一导入口通过所述连接部件的所述中空部，并从所述支柱的内端部通过所述支柱与所述支柱罩之间的空间，进而从所述支柱罩的所述排出孔通到所述排气通道内。
2.根据权利要求1所述的换气构造，其特征在于，所述排出孔沿着所述支柱罩上的横穿所述排气通道的方向分开间隔地设有多个。
3.根据权利要求1或2所述的换气构造，其特征在于，所述支柱罩的后缘部具有朝向排气的下游侧的平坦面，除了所述后缘部之外的其它部分的横截面为翼形。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的换气构造，其特征在于，在所述壳体上设有导入来自外部的空气的第二导入口，还具备第二换气通道，该第二换气通道从该第二导入口通过所述壳体与所述外筒之间，并通过所述支柱与所述支柱罩之间的空间，进而从所述支柱罩的排出孔通到所述排气通道内。
5.根据权利要求4所述的换气构造，其特征在于，所述第二导入口设置在所述壳体上的涡轮出口与所述支柱罩之间的轴向位置上。
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