CN108625991A - 燃气涡轮发动机及用于冷却所述燃气涡轮发动机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃气涡轮发动机及用于冷却所述燃气涡轮发动机的方法。具体而言，燃气涡轮发动机(1)包括压缩机(2)、收纳至少一个燃烧室(4)的燃烧器仓室(3)、具有至少第一级(16)的至少一个涡轮(5)。涡轮(5)包括外壳(7)和涡轮导叶载体(12)。用于空气的冷却仓室(13)限定在外壳(7)与涡轮导叶载体(12)之间。燃气涡轮发动机(1)包括相对于热气体方向(G)在第一级的导叶(10A)上游的环形元件(15,19)，和在燃烧器仓室(3)与冷却仓室(13)之间液压连接的热交换器(6)。

Description

燃气涡轮发动机及用于冷却所述燃气涡轮发动机的方法
优先权声明
本申请请求享有2017年3月22日提交的欧洲专利申请第17162453.9号的优先权，其公开内容通过引用并入。
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机以及用于冷却所述燃气涡轮发动机的方法。燃气涡轮发动机可在发电厂中采用。
背景技术
燃气涡轮发动机已知包括压缩机、收纳燃烧室的燃烧器仓室，以及涡轮。此外，它们还可包括第二燃烧室(顺序燃烧室)和第二涡轮。
涡轮具有外壳且包括定子和可在定子内旋转的转子。定子和转子分别包括多级导叶和叶片。导叶保持在涡轮导叶载体上。在外壳与涡轮导叶载体之间限定冷却仓室。
在操作期间，空气在压缩机中压缩且引导穿过燃烧器仓室到燃烧室中，在那里喷射燃料；压缩的空气和燃料在燃烧室中燃烧，从而生成引导到涡轮中(特别是穿过其热气体管道)的热气体。
由于燃烧室和涡轮上的热负荷非常高，因此必须进行冷却。
第一涡轮级承载最高的热负荷，且为了冷却它，空气从燃烧器仓室引导到涡轮的冷却仓室中，且然后穿过导叶和叶片。
在瞬态操作期间(例如，在启动时)，涡轮导叶载体和转子由包含在冷却仓室和燃烧仓室中的热压缩空气加热且膨胀；由于涡轮导叶载体具有比转子小的热惯性，所以涡轮导叶载体比转子更快地加热和膨胀。
在已知的燃气涡轮发动机中，在叶片与定子之间以及导叶与转子之间限定空隙，以便允许膨胀而不受干扰(特别是在瞬态期间)。
由于与转子相比，涡轮导叶载体的膨胀更快，且为了防止导叶与转子之间以及叶片与涡轮导叶载体之间的干扰，空隙必须非常大；然而，这可显著地影响燃气涡轮发动机的效率。
已知的燃气涡轮发动机还设有刚性元件(大体上为膜)，其相对于热压缩空气方向在第一叶片级之后放置在冷却仓室中。
因此由该情况引起的另一问题是，第一个涡轮级必须由可耐受高温的材料制成。
鉴于上述情况，存在避免此类问题的需要。
发明内容
本发明的方面包括提供燃气涡轮发动机和用于冷却所述燃气涡轮发动机的方法，其允许削弱由叶片与定子之间以及导叶和转子之间存在的空隙引起的效率损耗。
本发明的另一方面包括提供燃气涡轮发动机和用于冷却所述燃气涡轮发动机的方法，其允许至少第一导叶和/或涡轮导叶载体由必须耐受比现有解决方案更低的温度的材料制成。
这些及另外的方面通过提供根据所附权利要求的燃气涡轮发动机和用于冷却所述燃气涡轮发动机的方法来获得。
附图说明
另外的特征和优点将从在附图中经由非限制性示例示出的燃气涡轮发动机和方法的优选但非排他性实施例的描述而更加显而易见，在附图中：
图1示出了燃气涡轮发动机的示意图；
图2至图4示出了涡轮的不同截面。
参照标号
1燃气涡轮发动机
2压缩机
3燃烧器仓室
4燃烧室
5涡轮
6热交换器
7外壳
8定子
9转子
10导叶
10A第一级导叶
11叶片
12涡轮导叶载体
13冷却仓室
14空隙
15环形元件
16第一涡轮级
17高压区域
18低压区域
19支撑元件
20凹槽
21壁
22额外的环形元件
G热气体方向。
具体实施方式
参照图，这些图示出了燃气涡轮发动机1，其包括压缩机2、收纳燃烧室4的燃烧器仓室3以及涡轮5。热交换器6也设在燃气涡轮发动机1中，热交换器6在压缩机2与涡轮5之间连接(液压连接)，以便冷却从压缩机2抽取且引导到涡轮5中的空气，以用于冷却目的。例如，附图示出了来自压缩机2的空气引导到燃烧器仓室3中，且在压缩机2处压缩的空气从燃烧器仓室3引导到热交换器6中。
燃气涡轮发动机1还可具有按顺序的两个燃烧室，具有或不具有在其间的高压涡轮。
涡轮5具有定子8和转子9，定子8包括外壳7和涡轮导叶载体12。定子8和转子9包括多级导叶10和叶片11。导叶10保持在涡轮导叶载体12上。在外壳7与涡轮导叶载体12之间限定了冷却仓室13。
间隔间隙14限定在导叶10与转子11之间以及叶片11与定子8之间。
在本发明的优选实施例中，环形元件15相对于来自燃烧室4的热气体方向G设在第一级导叶10A上游。第一级导叶10A设在涡轮5的入口处。环形元件15的位置允许冷却仓室13与燃烧器仓室3的分离，以便防止包含在燃烧器仓室3中的空气与包含在冷却仓室13中的空气混合。环形元件15可为膜或支撑元件，其例如由金属材料制成。
有利地，热交换器6在燃烧器仓室3与冷却仓室13之间液压连接。
关于措词膜，其必须理解为与外壳7且与涡轮导叶载体12分离且连接于它们的元件。关于措词支撑元件，其必须理解为布置成维持涡轮导叶载体12与外壳7之间的相对位置的元件；例如，支撑元件可为以单件制成且从涡轮导叶载体12或从外壳7突出的元件。
在如图2中示出的本发明的第一实施例中，环形元件15优选为膜，其收纳在外壳7的凹槽20内且连接(例如，螺栓连接或螺纹连接)于涡轮导叶载体12的壁21，其中壁21面向燃烧器仓室3。支撑元件19优选相对于热气体方向G在第一涡轮级16之后在冷却仓室13中从涡轮导叶载体12朝向外壳7突出。
在图3中示出的本发明的第二实施例中，环形元件15收纳在外壳7的凹槽20内以及涡轮导叶载体12的凹槽20内。
在如图4中示出的本发明的第三实施例中，环形元件为支撑元件19，其从外壳7突出而在涡轮导叶载体12的凹槽20中。
自然地，支撑元件或环形元件可相对于热气体方向G定位在上游位置处。
在所有上述实施例中，额外的环形元件22可放置在冷却仓室13中，如图2中示例性示出的那样。例如，额外的环形元件22可为额外的膜和/或额外的支撑元件。
在提供至少两个环形元件(例如，一个膜和一个支撑元件，如在图3和图4中)时，和/或在额外的环形元件22设在冷却仓室13中(像在图2中)时，不同压力(以及可能为温度)下的区域可限定在冷却仓室13中。
在附图中，以参照17来指示高压下的区域；例如，高压区域17中的压缩空气从燃烧器仓室3(经由热交换器6)供应。此外，以参照18来指示低压下(低于区域17)的区域；例如，低压区域18中的压缩空气从压缩机2在其上游级处供应(即，其中空气仅部分地压缩)。
燃气涡轮发动机的操作从描述和示出的操作而显而易见，且大致如下。
当燃气涡轮发动机1处于操作时，来自压缩机2的压缩空气供应到燃烧器仓室3中，且从此处，压缩空气进入燃烧器室4，在那里其与燃料燃烧；在燃烧室4中生成的热气体因此引导到涡轮5中。
此外，压缩空气从燃烧器仓室3引导到热交换器6中，在那里其被冷却；冷却的压缩空气从热交换器6引导到冷却仓室13中，特别是在高压区域17处；例如，使其在涡轮5的叶片11和导叶10中流动来冷却它们。同时，从压缩机的上游级抽取的压缩空气供应到冷却仓室13的低压区域18中。来自高压区域17和低压区域18的压缩空气用于冷却。
由于环形元件15，包含在燃烧器仓室3中的压缩空气与包含在冷却仓室13中的空气分离(即，不可混合)。因此，由于压缩空气的冷却发生在热交换器6中，包含在冷却仓室13中的压缩空气具有比包含在燃烧器仓室3中的空气更低的温度(即，比其更冷)。
由于冷却仓室13中的空气的温度较低，涡轮导叶载体12经受较慢的膨胀；以该方式削弱叶片11与定子8之间以及导叶10与转子9之间的干扰，且可使空隙14的尺寸更小；这允许穿过这些空隙的泄漏的减少，且因此允许效率的提高。
本发明还涉及用于冷却燃气涡轮发动机的方法。
方法包括，从燃烧器仓室3抽取压缩空气，通过热交换器6冷却压缩空气，以及在冷却仓室13中供应压缩空气。
自然地，描述的特征可彼此独立地提供。例如，所附权利要求中的各个的特征可独立于其他权利要求的特征来应用。
实际上，使用的材料和尺寸可根据需求和技术发展水平随意选择。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机(1)，包括压缩机(2)、收纳至少一个燃烧室(4)的燃烧器仓室(3)、具有至少第一级(16)的至少一个涡轮(5)，
其中所述至少一个涡轮(5)包括外壳(7)和涡轮导叶载体(12)，
其中用于空气的冷却仓室(13)限定在所述外壳(7)与所述涡轮导叶载体(12)之间，
其特征在于，包括相对于热气体方向(G)在所述第一级的导叶(10A)上游的环形元件(15,19)，和在所述燃烧器仓室(3)与所述冷却仓室(13)之间液压连接的热交换器(6)。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机(1)，其特征在于，所述外壳(7)包括用于收纳所述环形元件(15,19)的至少一个凹槽(20)，所述环形元件(15,19)收纳在所述至少一个凹槽(20)中。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机(1)，其特征在于，所述涡轮导叶载体(12)包括用于收纳所述环形元件(15,19)的至少一个凹槽(20)，所述环形元件(15,19)收纳在所述至少一个凹槽(20)中。
4.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机(1)，其特征在于，所述涡轮导叶载体(12)包括面向所述燃烧器仓室(3)的壁(21)，所述环形元件(15,19)连接于所述壁(21)。
5.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机(1)，其特征在于，所述环形元件(15,19)为膜(15)。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机(1)，其特征在于，所述环形元件(15,19)为支撑元件(19)。
7.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机(1)，其特征在于，所述支撑元件(19)从所述涡轮导叶载体(12)突出。
8.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机(1)，其特征在于，所述支撑元件(19)从所述外壳(7)突出。
9.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机(1)，其特征在于，所述燃气涡轮发动机(1)包括收纳在所述冷却仓室(13)内的额外环形元件(22)。
10.一种用于冷却根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机(1)的方法，其特征在于，从燃烧器仓室(3)抽取压缩空气，通过热交换器(6)冷却所述压缩空气，以及在冷却仓室(13)中供应所述压缩空气。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111594275A (zh) * 2019-02-20 2020-08-28 通用电气公司 具有气流管理组件的涡轮机
CN112344369A (zh) * 2019-08-08 2021-02-09 安萨尔多能源瑞士股份公司 包括顺序燃烧器的燃气涡轮组件及其运行方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1923539A2 (en) * 2006-11-15 2008-05-21 General Electric Company Gas turbine with active tip clearance control
US20140133956A1 (en) * 2011-04-07 2014-05-15 Hans-Thomas Bolms Process for cooling the turbine stage and gas turbine having a cooled turbine stage
CN104564351A (zh) * 2013-10-24 2015-04-29 阿尔斯通技术有限公司 冲击冷却组件
US20150275762A1 (en) * 2014-03-27 2015-10-01 General Electric Company High speed propulsion system with inlet cooling
CN106321247A (zh) * 2015-07-02 2017-01-11 安萨尔多能源瑞士股份公司 燃气涡轮冷却阶段运行方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63159626A (ja) * 1986-12-24 1988-07-02 Hitachi Ltd ガスタ−ビンケ−シングの温度制御方法および温度制御装置
US8495883B2 (en) * 2007-04-05 2013-07-30 Siemens Energy, Inc. Cooling of turbine components using combustor shell air
US8821114B2 (en) * 2010-06-04 2014-09-02 Siemens Energy, Inc. Gas turbine engine sealing structure
US9562475B2 (en) * 2012-12-19 2017-02-07 Siemens Aktiengesellschaft Vane carrier temperature control system in a gas turbine engine
EP3130759B1 (en) * 2015-08-14 2018-12-05 Ansaldo Energia Switzerland AG Gas turbine membrane seal

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1923539A2 (en) * 2006-11-15 2008-05-21 General Electric Company Gas turbine with active tip clearance control
US20140133956A1 (en) * 2011-04-07 2014-05-15 Hans-Thomas Bolms Process for cooling the turbine stage and gas turbine having a cooled turbine stage
CN104564351A (zh) * 2013-10-24 2015-04-29 阿尔斯通技术有限公司 冲击冷却组件
US20150275762A1 (en) * 2014-03-27 2015-10-01 General Electric Company High speed propulsion system with inlet cooling
CN106321247A (zh) * 2015-07-02 2017-01-11 安萨尔多能源瑞士股份公司 燃气涡轮冷却阶段运行方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111594275A (zh) * 2019-02-20 2020-08-28 通用电气公司 具有气流管理组件的涡轮机
CN112344369A (zh) * 2019-08-08 2021-02-09 安萨尔多能源瑞士股份公司 包括顺序燃烧器的燃气涡轮组件及其运行方法

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