CN1108733A - 燃气轮机的汽垫叶片透平机系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种燃气轮机的汽垫叶片透平 机系统，属于燃气轮机技术领域。在燃气轮机工作 时，高压水或低温水蒸汽在汽垫叶片内吸热汽化向外 喷出，对叶片强化冷却，因此可以把燃气初温提高到 1600～1700K。同时由于高温燃气被汽垫而减少了 对叶片的直接冲击磨蚀，又增加了燃气的质量流量。 本发明可以显著地提高燃气轮机的热效益及使用寿 命。

Description

本发明属于燃气轮机技术领域。

目前，燃气轮机已广泛用于飞行器、船舶、发电站、机车、汽车等部门，为了提高其经济性，人们不断地提出新的改进方案，一般有这几种类型。

第一类是通过对燃气轮机排气的废热回收利用。一般有回热器的利用，蒸汽回注式燃气轮机，燃气轮机与蒸汽轮机联合运行。这一类的主要缺点是需要庞大复杂的蒸汽发生、储存、运行系统。

第二类是开拓使用固体燃料的燃气轮机，如中国89104861.8号专利提出的一种煤粉燃气轮发电机组，但它存在一些显然的缺点，高温灰尘微粒对叶片的冲击磨蚀严重，在高温环境中产生的各种有害气体如含硫、碱金属气体对透平机的腐蚀。

第三类是新材料的开发，各种复合材料虽然性能好，却极为昂贵;陶瓷涡轮虽然能耐高温及磨蚀，却脆性太大，不能承受燃气轮机的振动及冷热交替冲击，尤其不适应大型涡轮使用。对于以固体为燃料的燃气轮机，细微的灰尘粒子造成的划痕，也是致命的破坏。

提高涡轮热效率的重要方法一般是提高燃气初温，降低排气温度，提高透平机两端的温度差，传统的空心叶片涡轮可以在超过合金熔点的环境下工作，但工作温度还是很有限，而且相应地排气温度也很高，热损失很大。

其他提高效益的方法有，对压气机排气或燃气注入水，以增加质量流量，如中国89107525.9号专利提出的“固体燃料燃气轮机高效率产生功率的方法”所描述的，它通过蒸发冷却对压气机排气注入水，以增加质量流量。但它不能克服固体微粒对透平机的冲击磨蚀和进一步提高燃气温度。

本发明的目的就是为了克服上述现有技术的不足而提供的一种在结构上使用汽垫叶片，以汽垫的方式冷却并保护叶片，使其不受高温燃气的直接冲击，同时由汽垫叶片向燃气中注入水或水蒸气以增加燃气的质量流量，以致能够最大程度地提高燃气初温，降低排气温度来提高热效率的燃气轮机的汽垫叶片透平系统。

本发明的原理是：水在空心叶片内吸热汽化或部分汽化，从叶片表面的排汽孔喷出，一方面在叶片表面形成一层低温气膜，对叶片进行强化冷却并保护其不受高温燃气直接冲击磨蚀;另一方面水在燃气中直接吸热汽化，将高温燃气的部分潜热直接转化为势能，增加了燃气的质量流量，同时降低了透平机的排气温度。这种叶片可以称之为“汽垫叶片”。使用汽垫叶片的透平机，可以将燃气初温提高到1600～1700K，而排气温度却很低，从而极大地提高了透平机两端的温度差，显然地提高了热效益。

本发明采用以下技术方案：

1、本发明中设置一个水净化处理器，其作用是将水进行净化处理，除去水中的固体微粒并使水失去结垢的能力。然后由管道输入增压泵。

2、本发明设置的增压泵，其作用是将净化处理后的水增压至所需的压力，然后由管道分别输送到汽垫叶片转子和汽垫叶片静子及外壳的夹层中去。

3、本发明中设置的连通器，其作用是将汽垫介质，传输到高速旋转的汽垫叶片转子上去。它的一端与增压泵接通，另一端通过通道与转盘和汽垫叶片接通。

4、本发明设置的汽垫叶片转子，是进行能量转换和对外输出功率的核心部件，它由转轴、转盘及汽垫动叶片（简称动叶片）构成，当然也可以将转盘及动叶片制成一个整体。动叶片与转盘、转轴有流体通道与连通器接通，动叶片的内部有合理分布的流体通道，其表面均匀地分布排汽孔，排汽孔的轴线与动叶片的表面平行或成一定的角度，其排汽方向与汽垫叶片转子的旋转方向相反。边缘的排气方向与边缘平行。由于在动叶片的表面排出蒸汽，所以在动叶片的表面形成一层高速对流的低温气膜，它产生这几方面的增益作用：①强化冷却叶片;②可以进一步提高燃气初温，并保护动叶片不受高温燃气的直接冲击磨蚀;③迅速将高温燃气的部分潜热转化为势能，同时增加燃气的质量流量;④降低排气温度，提高透平机两端温差。

5、本发明中设置的汽垫叶片静子可以制作成整体导向器，也可以制作单片安装在外壳上。汽垫叶片静子上的汽垫叶片简称静叶片，静叶片通过管道与增压泵接通。与动叶片相似，其内部有合理分布的流体通道，表面布满排汽孔，排孔的轴线与表面平行或成一定的角度，其排汽方向与汽垫叶片转子的旋转方向相同，其边缘的排气方向与边缘平行，它产生的增益作用与动叶片的作用相似。

6、本发明中设置的外壳是夹层结构，夹层内充有冷却水。在外壳的内层可以设置排汽孔，冷却水吸热汽化后，再由管道引向排汽孔，从排汽孔沿内层表面喷出。形成气膜隔离高温燃气，强化外壳冷却，同时回收由于高温辐射而损失的热能。

如果以低温水蒸气作用汽垫介质，则可以不用水净化处理器。

本发明与压气机、燃烧室配套就成为完整的燃气轮机。它可以使用液体、气体和固体燃料。由于本发明的汽垫叶片可以用普通耐热合金制造，从而节约镍钴等战略金属，所以制造成本低。

采用汽垫叶片透平机系统的燃气轮机，尤其适合用作发电站、船舶、机车的动力。

本发明给出以下附图：

附图1为本发明结构示意图。

附图2为本发明汽垫叶片立体示意图。

附图3为本发明连通器结构示意图。

下面结合附图给出实施例，对本发明的工作原理及装置的结构，作进一步描述。

附图1所示，本发明设置的主要工作部件是：水净化处理器（1），增压泵（2）、连通器（3）、汽垫叶片转子（4），汽垫叶片静子（5），外壳（6）。

水净化处理器（1）将水经过净化处理，除去水中的固体微粒并使其失去结垢的能力，然后由增压泵（2）增压后分两路输出;其中A路输送到透平机的外壳（6）的夹层（7）及汽垫叶片静子（5）的静叶片（8），B路通过连通器（3）输送到汽垫叶片转子（4）的动叶片（9）上。如附图2所示，动叶片（9）与静叶片（8）的内部有合理分布的流体通道，其表面有均匀分布的排汽孔，排汽孔轴线与叶片的表面平行。其中动叶片（9）的排汽方向与汽垫叶片转子（4）的旋转方向相反，静叶片（8）的排汽方向与汽垫叶片转子（4）的旋转方向相同。动叶片（9）与静叶片（8）边缘的排方向与边缘平行。

外壳（6）是夹层结构，夹层（7）内充有冷却水，在内层设有排汽孔（10），夹层（7）内产生的水蒸气由管道引向排汽孔（10），沿内层表面喷出。形成气膜隔离高温燃气，强化外壳冷却。

如附图3所示，连通器（3）可以套在汽垫叶片转子（4）的转轴（12）上，由密封环（13）密封。

本发明可以与压气机，燃烧室及发电机及其他作业机械一起设计制造并运行。

Claims (4)

1、燃气轮机的汽垫叶片透平机系统，其特征是：主要由水净化处理器(1)，增压泵(2)，连通器(3)，汽垫叶片转子(4)，汽垫叶片静子(5)及外壳(6)构成。其工作方式是：水净化处理器(1)将水净化处理，除去固体微粒并使水失去结垢能力；然后由增压泵(2)对净化处理后的水增压，分两路输出，其中一路输送至外壳(6)及汽垫叶片静子(5)的静叶片(8)，另一路经过连通器(3)输送到汽垫叶片转子(4)的动叶片(9)。水在动叶片(9)，静叶片(8)及外壳(6)内吸热汽化，从其表面的排汽孔喷出，对动叶片(9)，静叶片(8)外壳(6)强化冷却并产生汽垫作用，从而可以进一步提高燃气初温，增加燃气的质量流量，降低排汽温度，提透平机的热效率。

2、根据权利要求1所述的燃气轮机的汽垫叶片透平机系统，其特征是：动叶片（9）与静叶片（8）的内部分布有流体通道，其表面有排汽孔，其中动叶片（9）的排汽方向与汽垫叶片转子（4）的旋转方向相反，静叶片（8）的排汽方向与汽垫叶片转子（4）的旋转方向相同。

3、根据权利要求1所述的燃气轮机的汽垫叶片透平机系统，其特征是：外壳（6）是夹层结构，夹层（7）内充有冷却水，外壳（6）的内层上有排汽孔（10），夹层（7）内的冷却水汽化后产生的水蒸气由管道引向排汽孔（10），沿内层表面喷出。

4、根据权利要求1所述的燃气轮机的汽垫叶片透平机系统，其特征是：汽垫介质可以用水及水蒸气。