CN107143385A - 一种燃气涡轮导向器前缘安装边结构及具有其的燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃气涡轮导向器前缘安装边结构及具有其的燃气轮机，涡轮导向器前缘安装边内侧设有多个凸台，各凸台位于涡轮导向器叶片通道前缘靠近吸力面的一侧；燃气涡轮导向器前缘安装边通过各凸台搭接在燃烧室出口部末端的外侧壁面上，涡轮导向器前缘安装边的外侧壁面上搭接一辅助环形弯板，环形弯板、燃烧室出口部的外侧壁面以及涡轮导向器前缘安装边围成一环形冷却腔室，涡轮导向器前缘安装边沿其周向设置有若干气流孔，所述气流孔的外侧连通空气系统的冷却气体，所述气流孔的内侧连通所述环形冷却腔室。本发明的上述结构，优化了二次空气系统流路，改进燃气涡轮导向器内外环燃气侧端壁的冷却效果，减少了冷却空气的使用量。

Description

一种燃气涡轮导向器前缘安装边结构及具有其的燃气轮机

技术领域

本发明涉及燃气轮机高温部件涡轮领域，更具体的说，涉及一种新型燃气涡轮导向器前缘安装边结构，用以改变二次空气系统的流路，可以通过更有效的方式利用冷却气流，从而达到更高的冷却效率和更少的冷气流量，提高发动机整体性能。

背景技术

为了提高燃气轮机的性能，高压涡轮前温度不断提高。先进航空涡扇发动机的涡轮进口燃气温度已经达到1800K～2050K，远远超过了现有高温合金的许用温度。为保证高压涡轮的安全运行，必须实施有效的冷却来降低高压涡轮导向器的金属壁温。

在设计航空发动机时，燃烧室的出口部分通常与高压涡轮导向器的前缘搭接，因此在燃烧室与高压涡轮导向器的流道壁面之间形成缝隙。为防止燃烧室出口高温燃气从该缝隙中间倒灌，通常引高压二次冷却气流实施封严。同时，高压二次冷却气流可以通过该结构对高压涡轮导向器内外环道壁面进行冷却。但是，燃烧室和高压涡轮导向器之间的缝隙是由于安装配合造成的，冷气的出流形式受到两者配合的限制，不能很好的贴附金属壁面。同时，在涡轮导向器叶片前缘存在横向压力梯度，叶片压力侧压力高于相邻叶片吸力侧的压力。受其影响，在叶片前缘压力面区域冷气量减小，而靠近叶片前缘吸力面区域冷气量增加。结果导致更需要冷却的叶片前缘以及靠近压力面的大片区域内冷却不足，而对于冷却需求相对较弱的叶片吸力面以及靠近吸力面的通道中间位置，反而冷却过强。使得叶片通道内，端壁附近的温度场分布更加不均匀。因此，合理的组织冷却气流的出流形式，对提高高压涡轮导向器内外环端壁的冷却效果尤为重要。在以往的航空发动机设计中，为了保证发动机的安全运行，通常的做法是增加冷气流量，确保整个叶片前缘及通道区域内均满足冷却的需求。但是这种做法势必极大地增加冷却气流量，对于发动机的性能是极其不利的。为了进一步提高发动机的性能和竞争力，迫切需要一种新的结构实现涡轮前缘的高效冷却的前提下，减少冷却空气用量。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺点和不足，本发明旨在提供一种用于现代燃气轮机高温部件，尤其是燃气涡轮导向器安装边的冷却布局方式，通过采用新型结构，优化二次空气系统流路，改进燃气涡轮导向器内外环燃气侧端壁的冷却效果，减少了冷却空气的使用量，从而提高发动机性能和竞争力。

为实现该目标，本发明采用的技术方案为：

一种燃气涡轮导向器前缘安装边结构，所述燃气涡轮导向器前缘安装边设置在燃烧室出口部的下游，且所述燃气涡轮导向器前缘安装边与所述燃烧室出口部的末端搭接，其特征在于，

所述燃气涡轮导向器前缘安装边的内侧流道表面沿其周向设置有若干间隔分布的凸台，各所述凸台位于所述燃气涡轮导向器的叶片通道前缘靠近吸力面的一侧；所述燃气涡轮导向器前缘安装边通过各所述凸台搭接在所述燃烧室出口部末端的外侧壁面上，且所述燃烧室出口部末端的外侧壁面延伸到各所述凸台的下游；相邻两所述凸台之间形成周向不连续分布的气流槽缝；

所述燃气涡轮导向器前缘安装边的外侧壁面上搭接一辅助环形弯板的下表面，所述辅助环形弯板的上表面固定连接在所述燃烧室出口部的外侧壁面上，所述环形弯板、燃烧室出口部的外侧壁面以及燃气涡轮导向器前缘安装边围成一环形冷却腔室，

所述燃气涡轮导向器前缘安装边沿其周向设置有若干气流孔，所述气流孔的外侧连通空气系统的冷却气体，所述气流孔的内侧连通所述环形冷却腔室。

较优的，各所述凸台周向均匀地布置在所述燃气涡轮导向器的叶片通道前缘靠近吸力面一侧。

进一步地，所述凸台的周向宽度占所述燃气涡轮导向器的叶片通道宽度的约二分之一，且所述凸台的数量与所述燃气涡轮导向器中叶片的数量相当。

可选择的，所述凸台的形状可设计为矩形、平行四边形、梯形或者任意其他形式。

较优的，所述凸台的内侧表面为光滑曲面，且该光滑曲面与所述燃烧室出口部末端的外侧壁面满足一定的配合精度要求，以保证气流主要经过各所述凸台之间的气流槽缝流出。

较优的，所述凸台位于所述燃气涡轮导向器叶片通道前方，所述燃烧室出口部末端外侧壁面与各所述凸台间的气流槽缝位于导流叶片前缘的前方。

较优的，所述燃烧室出口部末端外侧壁面与各所述凸台在冷态下具有一定间隙，间隙的大小根据燃气涡轮导向器工作温度条件下金属的膨胀量而定。

较优的，所述燃烧室出口部末端的外侧壁面继续延伸至各所述凸台下游，可以阻挡冷却气流过早的同高温燃气的掺混，提高气膜冷却的有效性。

可选择的，所述气流孔周向均匀布置且数量不少于3个，为提高冷却效果，可以多个气流孔一组且周向均匀分布或者其他任意形式。

较优的，所述气流孔周向分布在所述涡轮导向器导流叶片的前缘区域。

较优的，所述气流孔布置在所述凸台之间的气流槽缝处，所述气流孔的轴线与所述燃气涡轮导向器的圆周方向和轴向方向具有一定的偏转角度，其圆周方向的偏转角度可以产生冷却气流的圆周速度，其轴向的偏转角度可以实现对燃烧室壁面的冲击冷却。

较优的，所述气流孔与所述燃气涡轮导向器的圆周方向的夹角根据通道内横向压力梯度选取，通常不超过60°。

较优的，所述气流孔与所述燃气涡轮导向器的轴向的角度，可使冷却气流冲击到靠近燃气涡轮导向器前缘的燃烧室内壁面上。

较优的，来自空气系统的二次冷却气流通过涡轮导向器安装边的所述气流孔冲击到燃烧室出口部的外侧壁面，经过各所述凸台之间的气流槽缝后，冲击到所述燃气涡轮导向器的导流叶片前缘区域，沿燃气涡轮导向器内外环壁面流向下游。

较优的，所述辅助环形弯板的上表面通过焊接的方式固定在所述燃烧室壁面上，所述辅助环形弯板的下表面与导向器安装边搭接，其表面为光滑表面，且该光滑表面与导向器安装边有一定的同轴度要求，以保证导向器的装配以及冷气不会从该处泄露。

根据本发明的另一方面，还提供了一种具有上述燃气涡轮导向器前缘安装边结构的燃气轮机。

本发明的燃气涡轮导向器前缘安装边结构与燃烧室壁面搭接配合，改善了燃气涡轮内外环端壁的冷却效果，与现有的结构形式相比，具有以下优势：(1)冷却气流经气流孔射流冲击到燃烧室壁面的背面，降低了燃烧室壁面金属温度，从而降低了其附近燃气温度，进而降低了燃气涡轮导向器进口内外环端壁附近的燃气温度；

(2)燃气涡轮导向器前缘区域，换热条件恶劣，冷却气流经设计优化的槽缝流出，主要冷却该区域，提高了该区域的冷却效率；

(3)由于冷却气流通过槽缝出流，气流射流流出，增大了冷却气流的速度，因此提高了冷却气流贴附壁面和抵抗通道内端区二次流的影响的能力；

(4)冷却气流流经气流孔后，气流流出槽缝时带有一定的预旋，可以更好的组织气流的出流形式，实现对叶片前缘和压力面角区换热恶劣区域的有效冷却；

(5)燃烧室壁面在与凸台搭接的地方继续向前延伸，可以阻挡冷却气流过早的与高温燃气掺混，有效的保护燃气涡轮导向器内外环壁面不受燃气的侵蚀；

(6)由于对燃气涡轮导向器内外环壁面实施有效的冷却，降低了金属的热应力，保证了足够的机械强度，从而提高了发动机的可靠性和安全性。

附图说明

图1为本发明的燃气涡轮导向器前缘安装边结构示意图；

图2为本发明的燃气涡轮导向器前缘安装边结构的A向视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合具体实例对发明进一步详细说明，以下实例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实例。

如图1、2所示，本发明的燃气涡轮导向器前缘安装边结构中，1为燃气涡轮导向器前缘安装边，2为燃烧室出口部末端壁面，3为辅助环形弯板，4为环形冷却腔室，5为燃气涡轮导向器。燃气涡轮导向器前缘安装边1设置在燃烧室出口部的下游，且燃气涡轮导向器前缘安装边1与燃烧室出口部末端壁面2搭接。燃气涡轮导向器前缘安装边1上设有周向间隔分布的多个凸台101和气流孔102，各凸台101位于燃气涡轮导向器5的叶片通道前缘靠近吸力面的一侧；燃气涡轮导向器前缘安装边1通过各凸台101搭接在燃烧室出口部末端的外侧壁面201上，且燃烧室出口部末端的外侧壁面201延伸到各凸台101的下游；并且各凸台101的内环端面保持良好的粗糙度要求，与燃烧室壁面的外侧壁面201配合。相邻两凸台101之间形成周向不连续分布的气流槽缝。在发动机运行状态下，燃烧室壁面2温度远高于燃气涡轮导向器安装边1，膨胀更加明显，使得该配合间隙进一步减少，保证冷却空气主要经过凸台101之间的气流槽缝流出，提高冷却效果。

燃气涡轮导向器前缘安装边1的外侧壁面上搭接一辅助环形弯板3的下表面，辅助环形弯板3的上表面固定连接在燃烧室出口部2的外侧壁面201上，辅助环形弯板3、燃烧室壁面201和燃气涡轮导向器安装边1围成一个环形冷却腔室4，提供下游燃气涡轮导向器内外环冷却气体，通过焊接的方式连接辅助环形弯板3与燃烧室壁面201，与燃气涡轮导向器安装边1搭接，防止冷却气体泄露进入到环形冷却腔室4。

燃气涡轮导向器前缘安装边1沿其周向设置的气流孔102，其外侧连通空气系统的冷却气体，内侧连通环形冷却腔室4。气流孔102周向均匀布置且数量不少于3个，为提高冷却效果，可以多个气流孔102一组且周向均匀分布或者其他任意形式。并且，气流孔102周向分布在燃气涡轮导向器5的导流叶片的前缘区域。较优的，气流孔102布置在凸台101之间的气流槽缝处，气流孔102的轴线与燃气涡轮导向器5的圆周方向和轴向方向具有一定的偏转角度，其圆周方向的偏转角度可以产生冷却气流的圆周速度，其轴向的偏转角度可以实现对燃烧室壁面的冲击冷却。气流孔102与燃气涡轮导向器5的圆周方向的夹角根据通道内横向压力梯度选取，通常不超过60°。气流孔102与燃气涡轮导向器5的轴向的角度，可使冷却气流冲击到靠近燃气涡轮导向器前缘的燃烧室内壁面上。

来自空气系统的二次冷却气流通过涡轮导向器安装边的气流孔102冲击到燃烧室出口部的外侧壁面201，经过各凸台101之间的气流槽缝后，冲击到燃气涡轮导向器5的导流叶片前缘区域，沿燃气涡轮导向器内外环壁面流向下游。

图2是燃气涡轮导向器的A向视图，示出了前缘安装边凸台101的结构和周向位置。图中凸台101的结构是矩形结构，也可以设计成平行四边形或梯形等任意其他形式。凸台101的周向宽度占燃气涡轮导向器5的叶片通道宽度的约二分之一，且凸台101的数量与燃气涡轮导向器中叶片的数量相当。凸台101位于燃气涡轮导向器5的叶片通道前方，燃烧室出口部末端的外侧壁面201与各凸台101间的气流槽缝位于导流叶片前缘的前方。燃烧室出口部末端的外侧壁面201与各凸台101在冷态下具有一定的间隙，间隙的大小根据燃气涡轮导向器5工作温度条件下金属的膨胀量而定。燃烧室出口部末端的外侧壁面201继续延伸至各凸台101下游，可以阻挡冷却气流过早的同高温燃气的掺混，提高气膜冷却的有效性。

图1中带箭头的实线代表的是燃气轮机中主流燃气的流动路线，带箭头的虚线是冷却气流的流动路线。燃烧室产生的高温燃气流经高压涡轮导向器5加速膨胀，导致燃气涡轮导向器安装边1和内外环壁面工作环境恶劣，常常需要通过冷却的方式降低其金属温度。来自空气系统的冷却气体流经气流孔102冲击到燃烧室壁面201背面，降低了燃烧室的金属壁温，同时也降低了壁面附近主流燃气温度。冷却气体流经气流孔102后进入到环形冷却腔室4中，然后经过凸台101之间的槽缝射流高压涡轮导向器5的前缘区域，对热负荷较大的该区域实施高效的冷却。燃烧室出口部的末端外侧壁面201延伸到凸边101的下游，阻挡了冷却气流过早的与主流燃气的掺混，有效的利用了冷却气流。

综上，本发明的燃气涡轮导向器前缘安装边的结构，改变了冷却方式，大大提高了对导向器内外环的冷却效果，降低了冷却气体的使用量，对提高发动机的性能和效率有积极的帮助作用。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮导向器前缘安装边结构，所述燃气涡轮导向器前缘安装边设置在燃烧室出口部的下游，且所述燃气涡轮导向器前缘安装边与所述燃烧室出口部的末端搭接，其特征在于，

所述燃气涡轮导向器前缘安装边的内侧流道表面沿其周向设置有若干间隔分布的凸台，各所述凸台位于所述燃气涡轮导向器的叶片通道前缘靠近吸力面的一侧；所述燃气涡轮导向器前缘安装边通过各所述凸台搭接在所述燃烧室出口部末端的外侧壁面上，且所述燃烧室出口部末端的外侧壁面延伸到各所述凸台的下游；相邻两所述凸台之间形成周向不连续分布的气流槽缝；

所述燃气涡轮导向器前缘安装边的外侧壁面上搭接一辅助环形弯板的下表面，所述辅助环形弯板的上表面固定连接在所述燃烧室出口部的外侧壁面上，所述环形弯板、燃烧室出口部的外侧壁面以及燃气涡轮导向器前缘安装边围成一环形冷却腔室，

所述燃气涡轮导向器前缘安装边沿其周向设置有若干气流孔，所述气流孔的外侧连通空气系统的冷却气体，所述气流孔的内侧连通所述环形冷却腔室。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，各所述凸台周向均匀地布置在所述燃气涡轮导向器的叶片通道前缘靠近吸力面一侧。

3.根据上述权利要求所述的结构，其特征在于，所述凸台的周向宽度占所述燃气涡轮导向器的叶片通道宽度的约二分之一，且所述凸台的数量与所述燃气涡轮导向器中叶片的数量相当。

4.根据上述权利要求所述的结构，其特征在于，所述凸台的形状可设计为矩形、平行四边形、梯形或者任意其他形式。

5.根据上述权利要求所述的结构，其特征在于，所述凸台的内侧表面为光滑曲面，且该光滑曲面与所述燃烧室出口部末端的外侧壁面满足一定的配合精度要求，以保证气流主要经过各所述凸台之间的气流槽缝流出。

6.根据上述权利要求所述的结构，其特征在于，所述凸台位于所述燃气涡轮导向器的叶片通道前方，所述燃烧室出口部末端的外侧壁面与各所述凸台间的气流槽缝位于导流叶片前缘的前方。

7.根据上述权利要求所述的结构，其特征在于，所述燃烧室出口部末端的外侧壁面与各所述凸台在冷态下具有一定的间隙，间隙的大小根据燃气涡轮导向器工作温度条件下金属的膨胀量而定。

8.根据上述权利要求所述的结构，其特征在于，所述燃烧室出口部末端的外侧壁面继续延伸至各所述凸台下游，可以阻挡冷却气流过早的同高温燃气的掺混，提高气膜冷却的有效性。

9.根据上述权利要求所述的结构，其特征在于，所述气流孔周向均匀布置且数量不少于3个，为提高冷却效果，可以多个气流孔一组且周向均匀分布或者其他任意形式。

10.根据上述权利要求所述的结构，其特征在于，所述气流孔周向分布在所述燃气涡轮导向器的导流叶片的前缘区域。