CN112673149B - 用于燃气涡轮发动机的冷却流体的模块化壳体歧管 - Google Patents

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Abstract

提出了一种用于燃气涡轮发动机的冷却流体的模块化壳体歧管。模块化壳体歧管具有环形形状，包括轴向内板(211)、轴向外板(212)、径向前板(210)和径向后板(220)。前板在前端处附接到内板和外板。后板的至少一部分在后端处可附接到内板和外板上，并且可从内板和外板上移除，以便使冷却流体能够冷却燃气涡轮发动机的涡轮叶片。模块化壳体歧管包括预旋流器段(260)。至少多个预旋流器段可附接至前板并可从前板移除，以使冷却流体能够冷却燃气涡轮发动机的涡轮叶片。模块化壳体歧管使得替代的冷却流体能够以最小成本和组装灵活性来冷却燃气涡轮发动机的涡轮叶片。

Description

用于燃气涡轮发动机的冷却流体的模块化壳体歧管
技术领域
本发明总体上涉及一种用于燃气涡轮发动机的冷却流体的模块化壳体歧管，具体而言，涉及一种使得诸如压缩空气和环境空气的替代冷却流体能够冷却燃气涡轮发动机的涡轮叶片的模块化壳体歧管。
背景技术
工业燃气涡轮发动机通常包括用于压缩空气的压缩机、用于将压缩空气与燃料混合并点燃混合物的燃烧器、用于产生机械动力的涡轮区段以及用于将机械动力转换成电力的发电机。涡轮区段包括附接在转子盘上的多个涡轮叶片。涡轮叶片布置成沿着转子盘轴向间隔开的排，并且周向地附接到转子盘的周边。涡轮叶片由来自燃烧器的点燃的热气体驱动，并且使用通过涡轮叶片中的冷却通道的冷却剂（诸如冷却流体）来冷却。
通常，冷却流体可通过泄放压缩机空气来供应。然而，从压缩机中泄放空气可降低涡轮发动机效率。由于第一、第二和第三级涡轮叶片的高操作压力，可能需要泄放压缩机空气来冷却第一、第二和第三级涡轮叶片。末级涡轮叶片在最低压力下操作。因此，环境空气可以是用于冷却末级涡轮叶片的替代冷却流体。
冷却空气壳体歧管通常沿轴向附接在末级涡轮叶片的下游。壳体歧管可包括用于将压缩空气从压缩机供应至歧管的管道，并且提供增压室以冷却末级涡轮叶片。流体引导系统，诸如预旋流器，可以附接到壳体歧管，用于将压缩空气引导到涡流角，以用于充分冷却末级涡轮叶片。然而，当使用环境空气来冷却末级涡轮叶片时，需要独特的涡流角来实现所需的边界条件，以充分地冷却末级涡轮叶片。当使用环境空气冷却末级涡轮叶片时，不需要管道来将压缩空气泄放到歧管。制造多组壳体歧管以支撑用于冷却末级涡轮叶片的替代冷却流体的成本是显著的。需要提供一种模块化壳体歧管，其易于组装和拆卸，具有最小的硬件成本和维修时间，以支撑替代的冷却流体，用于充分地冷却末级涡轮叶片。
发明内容
简要地描述，本发明的方面涉及用于燃气涡轮发动机的冷却流体的模块化壳体歧管、燃气涡轮发动机以及用于使用冷却流体冷却燃气涡轮发动机的方法。
根据一方面，提出了一种燃气涡轮发动机的模块化壳体歧管。燃气涡轮发动机包括多个涡轮叶片。模块化壳体歧管布置在涡轮叶片下游，并且构造成使冷却流体能够冷却涡轮叶片。模块化壳体歧管包括具有环形形状且轴向延伸的内板。模块化壳体歧管包括具有环形形状且轴向延伸的外板。模块化壳体歧管包括具有环形形状且径向延伸的前板。前板在前端处附接到内板和外板。模块化壳体歧管包括具有环形形状且径向延伸的后板。模块化壳体歧管包括多个预旋流器段。后板的至少一部分构造成在后端处可附接到内板和外板上，以及可从内板和外板上移除，以便使冷却流体能够冷却涡轮叶片。至少多个预旋流器段被构造成可附接到前板上并可从前板上移除，以使冷却流体能够冷却涡轮叶片。
根据一方面，提出了一种燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机包括多个涡轮叶片。燃气涡轮发动机包括模块化壳体歧管，其布置在涡轮叶片下游，并且构造成使冷却流体能够冷却涡轮叶片。模块化壳体歧管包括具有环形形状且轴向延伸的内板。模块化壳体歧管包括具有环形形状且轴向延伸的外板。模块化壳体歧管包括具有环形形状且径向延伸的前板。前板在前端处附接到内板和外板。模块化壳体歧管包括具有环形形状且径向延伸的后板。模块化壳体歧管包括多个预旋流器段。后板的至少一部分构造成在后端处可附接到内板和外板上，以及可从内板和外板上移除，以便使冷却流体能够冷却涡轮叶片。至少多个预旋流器段被构造成可附接到前板上并可从前板上移除，以使冷却流体能够冷却涡轮叶片。
根据一方面，提出了一种用于使冷却流体能够冷却燃气涡轮发动机的涡轮叶片的方法。该方法包括将模块化壳体歧管布置在涡轮叶片的下游。模块化壳体歧管包括具有环形形状且轴向延伸的内板。模块化壳体歧管包括具有环形形状且轴向延伸的外板。模块化壳体歧管包括具有环形形状且径向延伸的前板。前板在前端处附接到内板和外板。模块化壳体歧管包括具有环形形状且径向延伸的后板。模块化壳体歧管包括多个预旋流器段。后板的至少一部分构造成在后端处可附接到内板和外板上，以及可从内板和外板上移除，以便使冷却流体能够冷却涡轮叶片。至少多个预旋流器段被构造成可附接到前板上并可从前板上移除，以使冷却流体能够冷却涡轮叶片。
如上和下文中描述的本申请的各个方面和实施例不仅可以在明确描述的组合中使用，而且可以在其他组合中使用。本领域技术人员在阅读和理解本说明书时将想到修改。
附图说明
参照附图更详细地解释本申请的示例性实施例。在附图中。
图1示出了燃气涡轮发动机的一部分的示意性透视纵向截面图，其示出了根据本发明的实施例的末级和模块化壳体歧管；
图2示出了根据本发明的实施例的构造成使用压缩空气来冷却燃气涡轮发动机的涡轮叶片的模块化壳体歧管的示意性透视纵向截面图；
图3示出了根据本发明的实施例的预旋流器段的示意性透视图；
图4示出了根据本发明的实施例的构造成使用压缩空气来冷却燃气涡轮发动机的涡轮叶片的模块化壳体歧管的示意性后视透视图，以及
图5示出了根据本发明的实施例的构造成使用环境空气来冷却燃气涡轮发动机的涡轮叶片的模块化壳体歧管的示意性后视透视图；以及
图6示出了根据本发明的实施例的构造成使用环境空气来冷却燃气涡轮发动机的涡轮叶片的模块化壳体歧管的示意性透视纵向截面图。
为了便于理解，在可能的情况下，已经使用相同的附图标记来表示附图中共有的相同元件。
具体实施方式
下面将参照附图对与本发明的各方面相关的详细描述进行描述。
图1示出了燃气涡轮发动机100的一部分的示意性透视纵向截面图，其示出了根据本发明的实施例的末级和模块化壳体歧管200。如图1中所示，燃气涡轮发动机100包括末级转子盘110和沿转子盘110的外周附接的多个末级涡轮叶片120。通过将叶片根部122插入转子盘沟槽112中，将每个涡轮叶片120附接到转子盘110上。多个密封板130附接到末级转子盘110的后侧周向部分上。密封板130可防止热气体进入转子盘110的后侧。每个密封板130覆盖每个叶片根部122。为了说明的目的，在图1中仅示出了一个涡轮叶片120和一个密封板130。
燃气涡轮发动机100包括位于末级涡轮叶片120下游的模块化壳体歧管200。模块化壳体歧管200布置在密封板130之后的轴向位置中。模块化壳体歧管200具有环形形状，其内部具有增压室（plenum）。多个预旋流器段260可周向地附接在模块化壳体歧管200内。预旋流器段260具有喷嘴262。预旋流器段260可从模块化壳体歧管200中移除。模块化壳体歧管200可提供用于冷却流体的增压室，所述冷却流体以涡流角通过预旋流器段260的喷嘴262进入最后的涡轮叶片120的冷却通道，以冷却涡轮叶片120。通过重新安装不同几何形状的预旋流器段260或移除预旋流器段260，可向冷却流体提供不同的涡流角。衬垫密封板140可周向地设置在模块化壳体歧管200上，以提供模块化壳体歧管200与涡轮壳体（未示出）之间的密封。
图2示出了根据本发明的实施例的用于用以冷却燃气涡轮发动机100的涡轮叶片120的压缩空气150的模块化壳体歧管200的示意性透视纵向截面图。如图2中所示，模块化壳体歧管200可具有环形形状。模块化壳体歧管200包括具有环形形状且轴向延伸的内板211、具有环形形状且轴向延伸的外板212、具有环形形状且径向延伸的前板213。前板213在前端处附接到内板211和外板212。内板211、外板212和前板213可以是形成具有环形U形的前部件210的一体件，该环形U形具有朝向后端的开口。模块化壳体歧管包括具有环形形状且沿径向延伸的后板220。后板220可在后端处附接到U形环状前部件210上，从而形成内部具有增压室的环形模块化壳体歧管200。后板220可通过各种方式附接到前部件210。根据图2中所示的示例性实施例，后板220通过凸缘连接而附接到前部件210上。如图2中所示，内板211可具有在后端处且径向向下延伸的内凸缘214。外板212可具有在后端处且径向向上延伸的外凸缘215。后板220通过插入到内凸缘214和外凸缘215中的紧固件240附接到前部件210。紧固件240可包括螺钉，例如ISO 4017六角头螺钉。
参照图2，前板213可具有多个槽216。槽216轴向地穿透前板213。槽216可以位于前板213的径向下部部分。槽216沿前板213彼此周向间隔开。每个槽216可对应于预旋流器段260。预旋流器段260可通过槽216附接至前板213并可从前板拆卸。
图3示出了根据本发明的实施例的预旋流器段260的示意性透视图。如图3中所示，预旋流器段260包括多个喷嘴262，它们周向地布置并彼此间隔开。喷嘴262轴向地穿透预旋流器段260。喷嘴262可相对于燃气涡轮发动机100的轴向方向成角度地布置，这为通过的冷却流体提供了涡流角。诸如压缩空气150的冷却流体以涡流角通过喷嘴262被引导到涡轮叶片120的冷却通道中，以冷却涡轮叶片120。涡流角可基于参数来限定，所述参数是例如冷却流体、燃气涡轮发动机100的用于充分冷却涡轮叶片120的冷却要求。通过重新安装不同几何形状的预旋流器段260或移除预旋流器段260，可以向冷却流体提供不同的涡流角，以满足燃气涡轮发动机100的冷却要求。
预旋流器段260包括主体264和从主体264的前侧轴向向前延伸的突起266。突起266与模块化壳体歧管200的槽216匹配。预旋流器段260可通过将突起266插入前板213的槽216中而附接至模块化壳体歧管200。预旋流器段260可通过从前板213的槽216移除突起266而从模块化壳体歧管200移除。突起266的周向尺寸可以小于主体264的周向尺寸。因此，前板213上的槽216沿着前板213彼此周向间隔开，以用于沿着前板213周向地附接预旋流器段260。突起266的径向尺寸可以小于主体264的径向尺寸。
图4示出了根据本发明的实施例的用于用以冷却燃气涡轮发动机100的涡轮叶片120的压缩空气150的模块化壳体歧管200的示意性后视透视图。根据如图4中所示的示例性实施例，后板220可包括多个后板段222，后板段222沿周向附接到前部件210上。后板段222可通过紧固件240附接到前部件210上。为了清楚起见，从模块化壳体歧管200中移除一个后板段222。应当理解的是，后板220可为单个周向板。预旋流器段260经由前板213的槽216周向地连接至模块化壳体歧管200。槽216轴向地穿透前板213。槽216沿前板213彼此周向间隔开。前板213包括沿周向布置在槽213之间的面板217，用于支撑前板213。
模块化壳体歧管200可包括管道250。管道250的一端附接到模块化壳体歧管200的后板220。根据如图4中所示的示例性实施例，管道250附接到后板段222。管250的另一端可连接到燃气涡轮发动机100的压缩机（未示出）上，以将压缩空气150泄放到模块化壳体歧管200。管道250可包括一端连接到模块化壳体歧管200上的第一管道区段251和另一端连接到燃气涡轮发动机100的压缩机上的第二管道区段252。第一管道区段251和第二管道区段252可以通过凸缘253彼此连接。压缩空气150通过第二管道区段252从压缩机泄放，并且通过第一管道区段251流入模块化壳体歧管200中。压缩空气150然后以涡流角通过预旋流器段260的喷嘴262进入涡轮叶片120的冷却通道，以用于冷却燃气涡轮发动机100的涡轮叶片120，为了说明的目的，在图4中示出了连接到模块化壳体歧管200的两个管道250。应当理解的是，根据燃气涡轮发动机100的设计标准，其它数量的管道250可连接到模块化壳体歧管200。
模块化壳体歧管200可包括叶片接近面板230。叶片接近面板230可以附接到前部件210。叶片接近面板230可包括设置在两个周向端部处的凸缘232。叶片接近面板230可通过在两个周向端部处插入凸缘232中的紧固件240附接到前部件210。叶片接近面板230可从模块化壳体歧管200移除，以便接近涡轮叶片120。为了说明的目的，在图4中在模块化壳体歧管200的每一侧上示出了两个叶片接近面板230。应当理解的是，模块化壳体歧管200可具有其它数量的叶片接近面板230。
在燃气涡轮发动机100的操作期间，可能需要具有不同涡流角的不同几何形状的预旋流器段260，以用于使用压缩空气150充分冷却涡轮叶片120，从而满足燃气涡轮发动机100的不同冷却要求。根据一实施例，预旋流器段260可通过叶片接近面板230从模块化壳体歧管200的槽216中移除。不同几何形状的预旋流器段260可通过叶片接近面板230重新安装到模块化壳体歧管200的槽216中。叶片接近面板230从模块化壳体歧管200拆卸，以用于移除预旋流器段260和用于重新安装不同几何形状的预旋流器段260。在重新安装不同几何形状的预旋流器段260之后，将叶片接近面板230组装回模块化壳体歧管200。
当操作燃气涡轮发动机100时，从压缩机泄放压缩空气150可降低燃气涡轮发动机100的效率。由于最低的操作压力，可使用压缩空气150或环境空气来冷却末级涡轮叶片120。当使用环境空气来冷却末级涡轮叶片120时，不需要连接到燃气涡轮发动机100的压缩机上以泄放压缩空气150的第二管道区段252。第二管道区段252可在凸缘253处从模块化壳体歧管200移除。后板220的至少一部分需要从模块化壳体歧管200移除以形成开口，使得环境空气可流入模块化壳体歧管200中，并且进入涡轮叶片120的冷却通道。当使用环境空气来冷却涡轮叶片120时，可能需要与使用压缩空气150不同的涡流角。根据一实施例，可安装不同几何形状的预旋流器段260，以便环境空气冷却涡轮叶片120。根据另一实施例，至少多个预旋流器段260可从模块化壳体歧管200移除，以便环境空气冷却涡轮叶片120。
图5示出了根据本发明的实施例的用于用以冷却燃气涡轮发动机100的涡轮叶片120的环境空气160的模块化壳体歧管200的示意性后视透视图。如图5中所示，后板220的至少一部分可从模块化壳体歧管200移除。根据图5中所示的示例性实施例，从模块化壳体歧管200中移除了多个后板段222。至少多个预旋流器段260可从轴向地穿透模块化壳体歧管200的前部件210的前板213的槽216中移除。前板213包括沿周向布置在槽216之间的面板217，用于支撑前板213。环境空气160可通过由后板段222的移除而形成的开口流入模块化壳体歧管200中。在移除预旋流器段260之后，环境空气160可通过槽216进入叶片120的冷却通道。
待移除的后板段222的数量取决于涡轮叶片120的冷却要求。冷却要求越高，则待移除的后板段222的数量越多。可从模块化壳体歧管200中移除全部数量的后板段222，以满足冷却要求。后板220可以是单个板并且被完全移除。后板220的一部分可保留在模块化壳体歧管200上。根据图5中所示的示例性实施例，出于组装和拆卸的考虑，具有第一管道区段251的后板段222可保持在模块化壳体歧管200上。环境空气160还可通过连接到其余后板段222上的第一管道区段251而流入模块化壳体歧管200中。一些后板段222可保留用于机械强度考虑。根据图5中所示的示例性实施例，所有后板段222通过紧固件240附接到模块化壳体歧管200上。应当理解的是，其余后板段222可通过固定连接、诸如通过焊接而附接到模块化壳体歧管200上。
待移除的预旋流器段260的数量取决于涡轮叶片120的冷却要求。冷却要求越高，待移除的预旋流器段260的数量就越多。可以从模块化壳体歧管200中移除全部数量的预旋流器段260以满足冷却要求。在后板段222的移除之后，预旋流器段260可从模块化壳体歧管200的前板213的槽216移除。预旋流器段260可通过叶片接近面板230从模块化壳体歧管200的前板213的槽216中移除。在剩余的后板段222后面的预旋流器段260可通过叶片接近面板230移除。从模块化壳体歧管200拆卸叶片接近面板230，以用于移除预旋流器段260。在移除预旋流器段260之后，叶片接近面板230被组装回模块化壳体歧管200。根据另一实施例，不同几何形状的预旋流器段260可重新安装到模块化壳体歧管200的前板213的槽216中，以满足使用环境空气160的涡轮叶片120的冷却要求。
图6示出了根据本发明的实施例的用于用以冷却燃气涡轮发动机100的涡轮叶片120的环境空气160的模块化壳体歧管200的示意性透视纵向截面图。如图6中所示，后板220的至少一部分在模块化壳体歧管200的后端处从内凸缘214和外凸缘215移除。后板220的该部分的移除形成了用于环境空气160流入模块化壳体歧管200中的开口。至少多个预旋流器段260从前板213的槽216中移除，这允许环境空气160进入布置在模块化壳体歧管200上游的涡轮叶片120的冷却通道。槽216彼此周向地间隔开。前板213包括沿周向布置在槽216之间的面板217，用于支撑前板213，如图5中所示。环境空气160从通过移除后板220的一部分而形成的开口流入模块化壳体歧管200中。在移除至少多个预旋流器段260之后，环境空气160然后通过槽216进入涡轮叶片120的冷却通道，以用于冷却涡轮叶片120。
根据一方面，所提出的模块化壳体歧管200可使得替代的冷却流体（诸如压缩空气150和环境空气160）能够冷却燃气涡轮发动机100的涡轮叶片120。当使用压缩空气150来冷却燃气涡轮发动机100的涡轮叶片120时，后板220、预旋流器段260以及用于泄放压缩空气150的管道250可附接到模块化壳体歧管200。当使用环境空气160来冷却燃气涡轮发动机100的涡轮叶片120时，后板220的至少一部分、多个预旋流器段260以及用于泄放压缩空气150的管道250可从模块化壳体歧管200移除。
根据一方面，所提出的模块化壳体歧管200可通过移除预旋流器段260来优化冷却流体流，以便充分冷却燃气涡轮发动机100的涡轮叶片120。所提出的模块化壳体歧管200可通过重新安装不同几何形状的预旋流器段260来优化冷却流体流，以便充分冷却燃气涡轮发动机100的涡轮叶片120。所提出的模块化壳体歧管200可提高燃气涡轮发动机100的效率。
根据一方面，所提出的模块化壳体歧管200易于组装和拆卸，以便使用替代的冷却流体，诸如压缩空气150和环境空气160，来以最小成本和组装灵活性冷却燃气涡轮发动机100的涡轮叶片120。所提出的模块化壳体歧管200显著地降低了燃气涡轮发动机100的制造成本和维修时间。
尽管在本文已经详细示出和描述了结合本发明教导的各种实施例，但是本领域技术人员可以容易地设计出仍然结合这些教导的许多其他变化的实施例。本发明在其应用方面不限于在说明书中阐述或在附图中示出的示例性实施例的构造细节和部件布置。本发明能够有其它实施例，并且能够以各种方式实践或执行。而且，要理解的是，本文所使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应当被认为是限制性的。“包括”、“包含”或“具有”及其变型在本文中的使用意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。除非另外指定或限制，术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变型被广泛地使用，并且涵盖直接和间接的安装、连接、支撑和联接。此外，“连接”和“联接”不限于物理或机械连接或联接。
附图标记列表：
100：燃气涡轮发动机
110：转子盘
112：盘沟槽
120：涡轮叶片
122：叶片根部
130：密封板
140：衬垫密封板
150：压缩空气
160：环境空气
200：模块化壳体歧管
210：前部件
211：内板
212：外板
213：前板
214：内凸缘
215：外凸缘
216：槽
217：前板的面板
220：后板
222：后板段
230：叶片接近面板
232：叶片接近面板凸缘
240：紧固件
250：管道
251：第一管道区段
252：第二管道区段
253：管道凸缘
260：预旋流器段
262：预旋流器段的喷嘴
264：预旋流器段的主体
266：预旋流器段的突起。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机(100)的模块化壳体歧管(200)，其中所述燃气涡轮发动机(100)包括多个涡轮叶片(120)，其中所述模块化壳体歧管(200)布置在所述涡轮叶片(120)的下游并且构造成使得冷却流体能够冷却所述涡轮叶片(120)，所述模块化壳体歧管(200)包括：
具有环形形状并轴向延伸的内板(211)；
具有环形形状并轴向延伸的外板(212)；
具有环形形状并且径向延伸的前板(213)，其中所述前板(213)在前端处附接到所述内板(211)和所述外板(212)；
具有环形形状且径向延伸的后板(220)；
多个预旋流器段(260)；
其中，所述后板(220)的至少一部分构造成在后端处能够附接到所述内板(211)和所述外板(212)上以及能够从所述内板(211)和所述外板(212)移除，以使所述冷却流体能够流入所述模块化壳体歧管(200)，以及
其中，至少多个所述预旋流器段(260)被构造为能够附接至所述前板(213)并能够从所述前板(213)移除，以使所述冷却流体能够冷却所述涡轮叶片(120)。
2.根据权利要求1所述的模块化壳体歧管(200)，其中，所述内板(211)包括位于所述后端处且径向向下延伸的内凸缘(214)，并且其中所述后板(220)能够通过插入所述内凸缘(214)中的紧固件(240)而附接到所述内板(211)。
3.根据权利要求1所述的模块化壳体歧管(200)，其中，所述外板(212)包括位于所述后端处且径向向上延伸的外凸缘(215)，并且其中所述后板(220)能够通过插入所述外凸缘(215)的紧固件(240)而附接到所述外板(212)。
4.根据权利要求1所述的模块化壳体歧管(200)，其中，所述前板(213)包括轴向穿透所述前板(213)的多个槽(216)。
5.根据权利要求4所述的模块化壳体歧管(200)，其中，所述前板(213)包括沿周向布置在所述槽(216)之间的面板(217)。
6.根据权利要求4所述的模块化壳体歧管(200)，其中，每个预旋流器段(260)包括主体(264)和从所述主体(264)的前侧轴向向前延伸的突起(266)，并且其中，所述突起(266)被构造成与所述前板(213)的对应槽(216)配合，使得所述预旋流器段(260)通过所述槽(216)能够附接至所述前板(213)并且能从所述前板(213)移除。
7.根据权利要求6所述的模块化壳体歧管(200)，其中，所述突起(266)的周向尺寸小于所述主体(264)的周向尺寸。
8.根据权利要求6所述的模块化壳体歧管(200)，其中，所述突起(266)的径向尺寸小于所述主体(264)的径向尺寸。
9.根据权利要求1所述的模块化壳体歧管(200)，其中，所述后板(220)包括多个后板段(222)。
10.根据权利要求1所述的模块化壳体歧管(200)，还包括附接到所述后板(220)的第一管道区段(251)，其中，所述第一管道区段(251)包括凸缘(253)，并且其中，第二管道区段(252)能够通过所述凸缘(253)附接到所述第一管道区段(251)，以及能够从所述第一管道区段(251)上移除，以用于所述冷却流体。
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