CN112459850B - 燃气轮机主动控制气动冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供燃气轮机主动控制气动冷却系统，包括涡轮叶片，涡轮叶片设置主流冷气进气通道、主流燃气出气通道、出气道、前腔、叶片前缘、进气口，燃气轮机压气机压缩的高压空气进入主流冷气进气通道，通过出气道流出的气体流入燃烧室壳体内部冷却燃烧室外壁，之后通过进气口进入叶片前缘和前腔，通过叶身的气膜孔喷出对叶片前缘和叶身进行气膜冷却。本发明通过叶片内的冷却通道，令压气机出口的高压气体全部冷却导叶后再进入燃烧室，在不额外消耗能量的情况下提升了气体温度，有效地提升了涡轮效率。通过调节挡板来调节冷气是否进入叶片前部，可以自由控制冷气量来适应不同工况的需求，显著提升机组变工况效率并确保叶片的冷却效果。

Description

燃气轮机主动控制气动冷却系统

技术领域

本发明涉及的是一种气动系统，具体地说是燃气轮机气动冷却系统。

背景技术

燃气轮机具有质量轻、体积小、单机功率大、启动快、污染少、热效率高、经济性好等特点。由燃气轮机的简单循环方式可知，通过提高燃气初温的方式来提高比功率和性能。

目前，燃气轮机涡轮叶片前温度早已超过其材料的承受温度。保证叶片能够安全可靠地工作，主要通过两个途径来实现，一是提高材料的耐高温性能，二是采用冷却能力更强的冷却方式来降低叶片的温度。对于采用冷却气体进行冷却的叶片，目前采取的普遍系统为从压气机抽冷气冷却叶片之后直接汇入主流的冷却系统，利用气体压力差被动地控制冷却气体的流量。

这种系统的冷却气体流量几乎一直与主流流量成固定比例，一方面在低工况依然通冷气令气动效率浪费，同时造成燃气排放不够清洁；另一方面在更加恶劣的温度环境时无法主动增加冷气流量来控制冷却效果，而且冷却气体由于热效应降低了主流气体的做工能力。

发明内容

本发明的目的在于提供降低燃气轮机涡轮叶片能量损失、提高综合热效率的燃气轮机主动控制气动冷却系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明燃气轮机主动控制气动冷却系统，其特征是：包括涡轮叶片，涡轮叶片设置主流冷气进气通道、主流燃气出气通道、出气道、前腔、叶片前缘、进气口，主流冷气进气通道分别连通主流燃气出气通道、出气道、前腔、叶片前缘和联通腔，燃气轮机压气机压缩的高压空气进入主流冷气进气通道，通过出气道流出的气体流入燃烧室壳体内部冷却燃烧室外壁，之后通过进气口进入叶片前缘和前腔，通过叶身的气膜孔喷出对叶片前缘和叶身进行气膜冷却。

本发明还可以包括：

1、主流冷气进气通道与主流燃气出气通道之间设置可调挡板，可调挡板开启时，主流冷气进气通道进入主流燃气出气通道的气体进入燃烧室，在燃烧室中与燃料混合升温后进入高温燃气进气通道，在导叶流道内经转折后从高温燃气出气通道流出。

2、可调挡板关闭时，主流冷气进气通道的气体流入前腔、叶片前缘和联通腔，在联通腔完成各个叶片前腔冷却气体的分配，通过叶身的气膜孔喷出对叶片前缘和叶身进行气膜冷却。

3、所述的可调挡板存在于全部涡轮叶片或部分涡轮叶片。

本发明的优势在于：

1、有效的提升了涡轮气动效率。传统气动冷却系统对于冷气直接喷在叶片流道，令主流的高温燃气流量减少，使得涡轮效率降低。本发明通过叶片内的冷却通道，令压气机出口的高压气体全部冷却导叶后再进入燃烧室，在不额外消耗能量的情况下提升了气体温度，令冷却叶身气体得到的能量得到利用，有效地提升了涡轮效率。

2、通过安装在叶片中的调节挡板来调节冷气是否进入叶片前部，因此可以自由控制冷气量来适应不同工况的需求，显著提升机组变工况效率并确保叶片的冷却效果。

3、通过叶片前部的环腔来均匀的分配各个叶片前腔的冷却气体流量，确保冷却效果，提升了机组的可靠性和叶片的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明燃气轮机高效率主动控制气动冷却系统，包括涡轮叶片，涡轮叶片设置主流冷气进气通道1、主流燃气出气通道2、叶片后腔冷却气体出气道3、可调挡板4、叶片前腔5、联通腔6、前腔冷气进气孔7、高温燃气进气通道8、高温燃气出气通道9、叶片前缘10。

主流冷气进气通道1位于叶片的内部，因此令让燃气轮机压气机压缩的高压空气，不直接进入燃烧室，而是进入涡轮叶片的主流冷气通道来对涡轮进行冷却。

压缩气体在进入涡轮后腔之后，一部分通过出气道3流入燃烧室壳体外部，来对燃烧室外壁进行冷却，之后这股气体由进气口7再进入前缘10和前腔5，之后通过叶身的气膜孔喷出来对叶片的前缘和叶身进行气膜冷却。

一部分气体由可调挡板4的开合来控制气体流动走向，根据不同工况以及叶片自身情况确定需要的冷气量之后动态调节挡板4的开合，从而对冷气进行主动精确的控制，来实现全工况的高效率、高可靠性、低排放运行。

在挡板开启时，已经对叶身冷却的气体通过主流燃气出气通道2直接进入燃烧室，这种布置有效地利用了冷却气体吸收的热量，令燃机整机效率显著增高。在燃烧室中气体与燃料混合燃烧升温后进入高温燃气进气通道8，在导叶流道内经过转折折后气体从高温燃气出气通道9流出；

在挡板关闭时，气体直接流入叶片前腔5、叶片前缘10和联通腔6，在联通腔6完成各个叶片前腔冷却气体的均匀分配；流入叶片前腔5、叶片前缘10的气体在叶身中对叶片冷却之后会从气膜孔喷射出来对叶片的前缘和叶身进行气膜冷却之后汇入主流。

Claims (3)

1.燃气轮机主动控制气动冷却系统，其特征是：包括涡轮叶片，涡轮叶片设置主流冷气进气通道、主流燃气出气通道、出气道、前腔、叶片前缘、进气口，主流冷气进气通道分别连通主流燃气出气通道、出气道、前腔、叶片前缘和联通腔，燃气轮机压气机压缩的高压空气进入主流冷气进气通道，通过出气道流出的气体流入燃烧室壳体内部冷却燃烧室外壁，之后通过进气口进入叶片前缘和前腔，通过叶身的气膜孔喷出对叶片前缘和叶身进行气膜冷却；

主流冷气进气通道与主流燃气出气通道之间设置可调挡板，可调挡板开启时，主流冷气进气通道进入主流燃气出气通道的气体进入燃烧室，在燃烧室中与燃料混合升温后进入高温燃气进气通道，在导叶流道内经转折后从高温燃气出气通道流出。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机主动控制气动冷却系统，其特征是：可调挡板关闭时，主流冷气进气通道的气体流入前腔、叶片前缘和联通腔，在联通腔完成各个叶片前腔冷却气体的分配，通过叶身的气膜孔喷出对叶片前缘和叶身进行气膜冷却。

3.根据权利要求1或2所述的燃气轮机主动控制气动冷却系统，其特征是：所述的可调挡板存在于全部涡轮叶片或部分涡轮叶片。

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