CN111794807A - 一种燃驱压缩机组用动力涡轮进口导向器 - Google Patents

Abstract

一种燃驱压缩机组用动力涡轮进口导向器，它涉及一种动力涡轮进口导向器。本发明为了解决现有的涡轮进口导向器存在结构复杂、轴向尺寸较长、损失较大且可实现性差的问题。本发明的内罩壳(7)套装在隔离罩(5)上，机匣(1)套装在内罩壳(7)外侧并通过导叶组(3)与内罩壳(7)连接，导叶组(3)通过导叶组压环(4)压装在隔离罩(5)的下部，导叶组(3)通过护环(2)压装在隔离罩(5)的上部，冷却系统由上至下依次开设在机匣(1)、导叶组(3)、内罩壳(7)和隔离罩(5)上；机匣(1)为大子午扩张角机匣，机匣(1)与内罩壳(7)之间的流道形状为S形。本发明用燃驱压缩机组。

Description

一种燃驱压缩机组用动力涡轮进口导向器

技术领域

本发明涉及一种动力涡轮进口导向器。具体涉及一种用于燃驱压缩机组连接燃气发生器涡轮与动力涡轮大子午扩张结构形式、轴向尺寸较短、损失较小的动力涡轮进口导向器。

背景技术

燃气轮机具有功率密度大、反应迅速等特点，在发电、机械驱动等领域得到广泛应用。现代燃气轮机正朝着大功率、高效率、高稳可靠性的方向发展，高性能及高可靠性的动力涡轮是燃气轮机工作经济性、安全性和功能实现的重要保障。

用于天然气输送管线驱动压缩机组的燃气轮机通常采用带动力涡轮的结构，这种燃气轮机的燃气发生器涡轮转速与动力涡轮转速相比要高很多，加之由于燃气发生器涡轮工作温度较高，为确保寿命及可靠性，燃气发生器涡轮的径向尺寸一般较小。而动力涡轮一般采用2级结构，径向尺寸较大，导致燃气发生器涡轮径向尺寸比动力涡轮小。在尽量缩短燃气轮机整机轴向尺寸的情况下，增大了燃气发生器涡轮与动力涡轮之间的过渡段设计技术难度。动力涡轮进口导向器就起到涡轮过渡段的作用，其作为连接动力涡轮与燃气发生器涡轮的流道，大多采用环形扩压流道结构，主要作用是将燃气发生器排气气流引至动力涡轮进口，其基本要求是：结构可靠，轴向尺寸尽量短，气动损失尽量小。

国内外科研院所、高校对燃气轮机及航空发动机涡轮过渡段开展了相关研究，科研人员的研究主要集中在过渡段流程与性能分析、流道型线优化，以及支板、扩压率等参数对涡轮过渡段的影响。Honeywell公司的Paul开展了几何参数对涡轮过渡段性能影响数值研究；Chalmers大学的Wallin和Arroyo对不同工况时的过渡段进行了研究；Durham大学的Norris和Dominy对比了两种不同长短的涡轮过渡段性能；Marn开展了涡轮过渡段支板与下游涡轮导叶合为一体的研究。国内方面，西北工业大学的毛凯对大涵道比涡扇发动机涡轮过渡段开展了数值研究；哈尔滨工业大学的安柏涛开展了涡轮过渡段流道型线对损失的影响研究，孙志刚对某型燃气轮机涡轮过渡段流场开展了优化设计；中航商用航空发动机有限公司的施鎏鎏开展了大扩张角涡轮过渡段性能试验和数值研究；中国科学院的胡书珍开展了涡轮过渡段内部流动机理研究；中国燃气涡轮研究院的唐洪飞开展了支板对大子午扩张涡轮流动损失影响研究，向传国针对核心机出口整流支板开展了设计和流场分析。

显然，动力涡轮进口导向器不仅影响着燃驱压缩机组燃气轮机整机性能，而且关乎机组结构可靠性，因此，承担着燃气发生器与动力涡轮结构连接及动力涡轮前端承力功能的动力涡轮进口导向器是燃驱压缩机组燃气轮机的重要组成部分。而目前国内外关于动力涡轮进口导向器结构的研究相对较少，现有的涡轮进口导向器如果要集成空气系统，势必造成结构复杂，由于燃气发生器出口和涡轮进口导向器直径相差较大，为保证高效连接，一般情况下轴向尺寸较长，而缩短进口导向器尺寸，会造成流道转角大进而增加了气动损失，并且由于流道转角过大，导致相关零部件的结构突变较大，可实现性差。

综上所述，现有的涡轮进口导向器存在结构复杂、轴向尺寸较长、损失较大且可实现性差的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的涡轮进口导向器存在结构复杂、轴向尺寸较长、损失较大且可实现性差的问题。进而提供一种燃驱压缩机组用动力涡轮进口导向器。

本发明的技术方案是：一种燃驱压缩机组用动力涡轮进口导向器包括护环、导叶组和导叶组压环，它还包括隔离罩、内罩壳、机匣和冷却系统，内罩壳套装在隔离罩上，机匣套装在内罩壳外侧并通过导叶组与内罩壳连接，导叶组的下部通过导叶组压环压装在隔离罩上，导叶组的上部通过护环压装在机匣上，冷却系统由上至下依次开设在机匣、导叶组、内罩壳和隔离罩上；机匣为大子午扩张角机匣，且机匣的进口处与轴线的夹角不小于40°，机匣与内罩壳之间的流道形状为S形。

进一步地，机匣包括扩压段、平缓段和护环安装段，扩压段、平缓段和护环安装段由左至右依次连接并制成一体。

进一步地，扩压段与轴线之间的夹角为40°-45°。

优选地，扩压段与轴线之间的夹角为41°-43°。

进一步地，平缓段与轴线之间的夹角为25°-30°。

优选地，平缓段与轴线之间的夹角为26°-28°。

进一步地，冷却系统包括管接座、外导流管和内导流管，导叶组的导叶上由上至下开设导流孔，管接座安装在机匣的平缓段上，外导流管安装在导流孔的上端与管接座之间，内导流管安装在导流孔的下端并依次穿过内罩壳和隔离罩后抵设在导叶组压环上，冷气通过导叶组压环上的进气口进入涡轮内部。

进一步地，外导流管和内导流管均为内、外两端部带有外球形的套管，所述套管两端的外球形直径不等，所述直径差为1mm-2mm，且外端的外球形直径大于内端的外球形直径。

更进一步地，它还包括前外壳和后外壳，前外壳和后外壳由左至右依次安装在机匣的扩压段下部。

进一步地，前外壳、隔离罩和内罩壳均为由左至右直径渐增的环状罩体，其母线形状由左至右向上弯挑。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、现有燃驱压缩机组动力涡轮为了有效控制子午扩张角过大引起流动分离，导致流动损失增加、机组性能下降，本发明的导向器流道扩张角相比于现有燃驱压缩机组扩张角增加至少15°以上，增幅超过50％，通过采用进出口段略微倾斜、中间段快速扭转倾斜的“S型”流道，配合全三维优化设计技术，不仅有效的缩短了导向器轴向尺寸，而且损失较没有增加、性能没有降低。

2、目前，大部分动力涡轮的冷却空气是通过单独的管路系统引到动力涡轮内部，空气管通过动力涡轮流道时，为了减少冷却空气的温升，需要设置专门的保护罩，为了保证空气系统的安装和流道密封，需要增加的密封结构和安装结构等，进而增加了零部件数量，增加了导向器的整体尺寸，结构复杂。本发明将冷却系统整合安装在进口导叶上，简化了进口导叶的结构。而且在融合过程中，克服了由于导叶内部开孔导致的温度梯度变大和应力水平提高的问题，克服了冷却空气通过动力涡轮各个零部件时的密封问题。

3、目前大部分机匣的扩张角是一定的，扩张角偏小，可以减小气动性能损失，但是导向器的长度尺寸较大；扩张角偏大，可以减小导向器的长度尺寸，但是由于工质流动角度变化剧烈，导致气动损失较大。本发明的机匣包括扩压段、平缓段和护环安装段，便于通过调节燃气通道的扩张角来实现S型扩压段。为了减小气动性能损失，在扩压段进口处，平缓扩张角，使进气气流稳定；在进入扩压段进口后，增加扩张角，使导向器快速扩张到与动力涡轮下级导向器装配所需的直径尺寸，缩短扩张段的长度，并通过数值模拟，得到了合理的S形流道型面，避免增加流动损失；在进口导叶装配处，平缓扩张角实现叶片的装配，满足导叶组、导叶组压环等零件的安装工艺需求。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图(图中的箭头表示气流流动方向)；

图2是管接座与机匣连接的局部放大图；

图3是外导流管的结构示意图；

图4是图1中A处的局部放大图(图中的箭头表示气流流动方向)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式的一种燃驱压缩机组用动力涡轮进口导向器包括护环2、导叶组3和导叶组压环4，它还包括隔离罩5、内罩壳7、机匣1和冷却系统，内罩壳7套装在隔离罩5上，机匣1套装在内罩壳7外侧并通过导叶组3与内罩壳7连接，导叶组3的下部通过导叶组压环4压装在隔离罩5上，导叶组3的上部通过护环2压装在机匣1上，冷却系统由上至下依次开设在机匣1、导叶组3、内罩壳7和隔离罩5上；机匣1为大子午扩张角机匣，且机匣1的进口处与轴线的夹角不小于40°，机匣1与内罩壳7之间的流道形状为S形。

本实施方式采用了大子午扩张的结构形式，冷却空气流道与进口导叶组相结合。这种进口导向器不仅能够将燃气发生器涡轮出口燃气顺利的输送至动力涡轮首级动叶前，满足动力涡轮燃气供给和首级动叶做功需求，而且40°的扩张角相对于25°左右的扩张角，可以缩短导向器长度达30％左右，大幅缩短了燃气轮机的长度尺寸，进而减小了燃气轮机的占地面积，通过多次性能计算和对通流型线的优化，最终确定了S型流道，有效减小了由于大扩张角引起的流动损失。此外，由于将冷却系统和导向器进口导叶融为一体，减少了大量空气系统零部件以及相应的安装和密封结构，因此简化了冷却空气系统结构，由于减少了大量空气系统的零部件，有效降低了进口导向器的整体设计难度，减少了零部件数量，进而减少了零部件的加工和安装数量，简化了工艺，需要加工和装配的零部件减少了，因此也降低了成本。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的机匣1包括扩压段1-1、平缓段1-2和护环安装段1-3，扩压段1-1、平缓段1-2和护环安装段1-3由左至右依次连接并制成一体。如此设置，不但能够实现缩小导向器的轴向尺寸，还能够便于保证导叶组的安装以及与其他设备和零部件的安装，避免由于扩压段的扩张角度突然增加，导致现有的其他导叶组等部件无法安装所带来的设计、生产制造以及工艺，装配上的不便。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的扩压段1-1与轴线之间的夹角为41°-43°。如此设置，在保证燃气发生器涡轮和动力涡轮之间的连接前提下，缩短导向器的轴向尺寸。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的扩压段1-1与轴线之间的夹角为41°-43°。如此设置，此时的轴向尺寸与燃气发生器涡轮和动力涡轮之间的连接效果为最佳，角度过大，会增加气动损失，角度过小会增加导向器的长度尺寸。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的平缓段1-2与轴线之间的夹角为25°-30°。如此设置，便于导叶组的安装，无需对现有导叶组结构进行调整，直接安装即可，减少整个导向器相应零部件的改变。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式平缓段1-2与轴线之间的夹角为26°-28°。如此设置，连接方便，可靠。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式冷却系统包括管接座11、外导流管10和内导流管6，导叶组3的导叶上由上至下开设导流孔3-1，管接座11安装在机匣1的平缓段1-2上，外导流管10安装在导流孔3-1的上端与管接座11之间，内导流管6安装在导流孔3-1的下端并依次穿过内罩壳7和隔离罩5后抵设在导叶组压环4上，冷气通过导叶组压环4上的进气口4-1进入涡轮内部。如此设置，便于冷气直接通入到涡轮内，防止冷空气泄漏。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式的外导流管10和内导流管6均为内、外两端部带有外球形的套管，所述套管两端的外球形直径不等，所述直径差为1mm-2mm，且外端的外球形直径大于内端的外球形直径。如此设置，便于补偿外导流管10和内导流管6在安装过程中，外导流管10和内导流管6两端安装孔的不同心，还便于安装和拆卸。其它组成和连接关系与具体实施方式一至七中任意一项相同。

本实施方式的外导流管10在实际使用时，外端的外球形直径为20mm，内端的外球形直径为19mm。上述外球形直径差值在能够满足调心的情况下，便于安装和拆卸，也不影响其他构件的生产和加工。

本实施方式中所述的内、外两端部是指，相对于导向器的轴线而言，靠近导向器轴线的一侧为内端，远离导向器轴线的一端为外端。

具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式还包括前外壳8和后外壳9，前外壳8和后外壳9由左至右依次安装在机匣1的扩压段1-1下部。如此设置，便于形成一个安全的内部S型通流结构。其它组成和连接关系与具体实施方式一至八中任意一项相同。

具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式的前外壳8、隔离罩5和内罩壳7均为由左至右直径渐增的环状罩体，其母线形状由左至右向上弯挑。如此设置，便于形成S型通流结构。其它组成和连接关系与具体实施方式一至九中任意一项相同。

结合图1至图4说明本发明的工作原理：

在导向器进口处，采用大扩张角，相应修改连接法兰的安装结构和角度，保证连接的可靠性和工艺性，在导叶组的安装位置，缩小通流表面的扩张角，保证导叶组上缘板的扩张角不大于25°，减小导叶组的工艺难度。

在机匣上设置管接座，用于连接外部冷却空气管路，在机匣和导叶组之间有外导流管，将冷却空气引入进口导叶组。导流管采用球头结构，补偿两端接口的不同心，外部球头的尺寸大于内部球头，方便安装和调整，外导流管的定位靠管接座和进口导叶组上的止口结构。内导流管穿过隔热罩和内罩壳，靠在导叶组压环的圆周法兰上，将冷却空气从进口导叶组引导第3级导向器内部，实现冷却系统与进口导叶组的整合。

以上所述仅对本发明的优选实施例进行了描述，但本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域的技术人员在本发明的启示之下，在不脱离发明宗旨下，对本发明的特征和实施例进行的各种修改或等同替换以适应具体情况均不会脱离本发明的精神和权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种燃驱压缩机组用动力涡轮进口导向器，它包括护环(2)、导叶组(3)和导叶组压环(4)，其特征在于：它还包括隔离罩(5)、内罩壳(7)、机匣(1)和冷却系统，

内罩壳(7)套装在隔离罩(5)上，机匣(1)套装在内罩壳(7)外侧并通过导叶组(3)与内罩壳(7)连接，导叶组(3)的下部通过导叶组压环(4)压装在隔离罩(5)上，导叶组(3)的上部通过护环(2)压装在机匣(1)上，冷却系统由上至下依次开设在机匣(1)、导叶组(3)、内罩壳(7)和隔离罩(5)上；机匣(1)为大子午扩张角机匣，且机匣(1)的进口处与轴线的夹角不小于40°，机匣(1)与内罩壳(7)之间的流道形状为S形。

2.根据权利要求1所述的一种燃驱压缩机组用动力涡轮进口导向器，其特征在于：机匣(1)包括扩压段(1-1)、平缓段(1-2)和护环安装段(1-3)，扩压段(1-1)、平缓段(1-2)和护环安装段(1-3)由左至右依次连接并制成一体。

3.根据权利要求2所述的一种燃驱压缩机组用动力涡轮进口导向器，其特征在于：扩压段(1-1)与轴线之间的夹角为40°-45°。

4.根据权利要求3所述的一种燃驱压缩机组用动力涡轮进口导向器，其特征在于：扩压段(1-1)与轴线之间的夹角为41°-43°。

5.根据权利要求6所述的一种燃驱压缩机组用动力涡轮进口导向器，其特征在于：平缓段(1-2)与轴线之间的夹角为25°-30°。

6.根据权利要求5所述的一种燃驱压缩机组用动力涡轮进口导向器，其特征在于：平缓段(1-2)与轴线之间的夹角为26°-28°。

7.根据权利要求1、3或5所述的一种燃驱压缩机组用动力涡轮进口导向器，其特征在于：冷却系统包括管接座(11)、外导流管(10)和内导流管(6)，导叶组(3)的导叶上由上至下开设导流孔(3-1)，管接座(11)安装在机匣(1)的平缓段(1-2)上，外导流管(10)安装在导流孔(3-1)的上端与管接座(11)之间，内导流管(6)安装在导流孔(3-1)的下端并依次穿过内罩壳(7)和隔离罩(5)后抵设在导叶组压环(4)上，冷气通过导叶组压环(4)上的进气口(4-1)进入涡轮内部。

8.根据权利要求7所述的一种燃驱压缩机组用动力涡轮进口导向器，其特征在于：外导流管(10)和内导流管(6)均为内、外两端部带有外球形的套管，所述套管两端的外球形直径不等，所述直径差为1mm-2mm，且外端的外球形直径大于内端的外球形直径。

9.根据权利要求1所述的一种燃驱压缩机组用动力涡轮进口导向器，其特征在于：它还包括前外壳(8)和后外壳(9)，前外壳(8)和后外壳(9)由左至右依次安装在机匣(1)的扩压段(1-1)下部。

10.根据权利要求1、8或9所述的一种燃驱压缩机组用动力涡轮进口导向器，其特征在于：前外壳(8)、隔离罩(5)和内罩壳(7)均为由左至右直径渐增的环状罩体，其母线形状由左至右向上弯挑。

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