CN112780358A - 用于燃气涡轮的定子组件和包括所述定子组件的燃气涡轮 - Google Patents

用于燃气涡轮的定子组件和包括所述定子组件的燃气涡轮 Download PDF

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CN112780358A CN202011216063.2A CN202011216063A CN112780358A CN 112780358 A CN112780358 A CN 112780358A CN 202011216063 A CN202011216063 A CN 202011216063A CN 112780358 A CN112780358 A CN 112780358A
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Abstract

一种用于燃气涡轮的定子组件(22)，其包括和设有：定子环(24)，该定子环(24)围绕纵向轴线(A)延伸且包括内边缘和外边缘(29)；外边缘设有环形凹槽(30)；环形凹槽(30)限定前壁(34)和后壁(35)；后壁(34)设有环形后径向面(36a)和环形后轴向面(36b)；多个定子导叶(25)，该多个定子导叶(25)沿径向布置且彼此并排地联接到定子环(24)的外边缘(29)，以便封闭环形凹槽(30)且限定环形冷却通道(32)；该定子环(24)设有至少一个后冷却孔(39)，该后冷却孔(39)具有面向环形冷却通道(32)的入口(40)和布置在环形后径向面(36b)上的出口(41)。

Description

用于燃气涡轮的定子组件和包括所述定子组件的燃气涡轮
相关申请的交叉引用
该专利申请要求保护来自于2019年11月4日提交的编号为19425077.5的欧洲专利申请的优先权，该欧洲专利申请的全部公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
本发明涉及一种用于燃气涡轮的定子组件，且涉及一种包括所述定子组件的燃气涡轮。特别地，本发明的燃气涡轮是用于产生电能的设备的部分。
背景技术
如已知的，用于功率设备的燃气涡轮包括压缩机、燃烧器和涡轮。
特别地，压缩机包括供应有空气的入口和压缩所经过的空气的多个旋转叶片。离开压缩机的压缩空气流入压室(即，由外壳界定的封闭体积)中，且从该处流入燃烧器中。在燃烧器内部，压缩空气与至少一种燃料混合和燃烧。所产生的热气体离开燃烧室且在涡轮中膨胀。在涡轮中，热气体膨胀使连接到转子的旋转叶片移动来做功。
压缩机和涡轮两者包括沿轴向置于转子组件之间的多个定子组件。
每个转子组件包括围绕主轴线旋转的转子盘和由转子盘支承的多个叶片。
每个定子组件包括由相应的导叶托架支承的多个定子导叶和围绕转子布置的定子环。
组件间的多个腔限定于定子组件与转子组件之间。
在涡轮中，密封空气通常从压缩机放出，且引入所述组件间的腔中，以便避免或限制从组件间的腔中的热气体路径摄入热气体。
最大限度地减小密封和冷却组件间的腔所用的空气量对功率设备的性能是有益的。然而，所述最大限度地减小意味着使用昂贵的先进材料和/或采用具有非常复杂几何形状的布置。
发明内容
因此，本发明的目标在于提供一种用于燃气涡轮的定子组件，其使得能够避免或至少减轻所描述的缺点。
特别地，本发明的目标在于提供一种具有改进结构的定子组件，其能够最大限度地减小密封空气的量且同时保持定子和转子部分的热状态。
根据所述目标，本发明涉及一种用于燃气涡轮的定子组件，该定子组件包括：
•定子环，该定子环围绕纵向轴线延伸且包括内边缘和外边缘；外边缘设有环形凹槽；环形凹槽限定前壁和后壁；后壁设有环形后径向面和环形后轴向面；
•多个定子导叶，该多个定子导叶沿径向布置且彼此并排地联接到定子环的外边缘，以便封闭环形凹槽且限定环形冷却通道；
•该定子环设有至少一个后冷却孔，该后冷却孔具有面向环形冷却通道的入口和布置在环形后径向面上的出口。
有利地，后冷却孔的存在在后组件间的腔中产生密封流，该密封流与源自摄入的热气流相互作用。
根据本发明的变型，每个定子导叶包括联接到定子环的内护罩、外护罩和翼型件；内护罩包括平台。
优选地，在后冷却孔的出口的中心与定子环的内边缘之间的径向距离包括在0.45·DP至0.75·DP的范围内，其中DP是平台的外面与定子环的内边缘之间的径向距离。
根据本发明的变型，后冷却孔沿延伸轴线延伸；在由纵向轴线和正交于纵向轴线且与延伸轴线相交的径向方向限定的纵向轴向平面上，由延伸轴线在纵向轴线平面(A-R)上的投影和径向方向限定的第一角度包括在0°与50°之间。
根据本发明的变型，后冷却孔沿延伸轴线延伸；在由纵向轴线和周向方向限定的切向平面上，由延伸轴线在切向平面上的投影和轴向方向限定的第二角度包括在20°与70°之间，该周向方向正交于纵向轴线且正交于径向方向，该径向方向又正交于纵向轴线。
由于后冷却孔的径向位置和倾斜，来自后冷却孔的密封冷却空气被引向后组件间的腔的进口。
以该方式，来自后冷却孔的密封冷却空气渗透所摄入的热流，有利于后组件间的腔的更充分的密封/冷却。
根据本发明的变型，后冷却孔的入口具有包括在1 mm与5 mm之间的直径。
根据本发明的变型，后冷却孔具有恒定的截面。
根据本发明的变型，定子环设有多个后冷却孔。
根据本发明的变型，多个后冷却孔的出口沿环形后径向面均匀分布。
根据本发明的变型，后冷却孔的数量包括在0.5·NV-2·NV的范围内；其中NV是定子组件的定子导叶的数量。
根据本发明的变型，内护罩包括前凸缘和后凸缘，两者从平台沿径向向内延伸；前凸缘联接到前壁且后凸缘联接到后壁；后凸缘联接到后壁，以便在后壁与平台之间留有后径向间隙且限定面向所述后径向间隙的后凸缘的后表面。
根据本发明的变型，后凸缘在后表面上设有与环形冷却通道流体连通的至少一个次级冷却孔。
根据本发明的变型，后凸缘在后表面上设有沿周向对准的多个次级冷却孔。
根据本发明的变型，次级冷却孔均匀分布。
本发明的目标还在于提供一种可靠且其中密封空气消耗减小的燃气涡轮。根据所述目标，本发明涉及一种燃气涡轮，该燃气涡轮沿纵向轴线延伸且包括：
多个转子组件，该多个转子组件中的每个包括转子盘和沿径向布置且联接到转子盘的多个转子叶片；
多个定子组件；定子组件和转子组件沿轴向方向交替；
定子组件中的至少一个在上文描述。
附图说明
现在将参照附图来描述本发明，附图示出一些非限制性实施例，附图中：
图1是根据本发明的燃气涡轮电功率设备的示意性截面前视图，为了清楚，其中部分被去除；
图2是图1的第一细节的示意性截面前视图，为了清楚，其中部分被去除；
图3是图1的第二细节的示意性透视图，为了清楚，其中部分被截切且部分被去除；
图4是图3的第二细节的不同示意性透视图；
图5是图1的第三细节的示意性截面侧视图，为了清楚，其中部分被去除；
图6是图4的第四细节的示意性透视图，为了清楚，其中部分被截切且部分被去除。
具体实施方式
图1中，参考标号1指示燃气涡轮电功率设备(在图1中示意性地示出)。
设备1包括压缩机3、燃烧室4、燃气涡轮5和发电机(为了简单，未在附图中示出)。
压缩机3、涡轮5和发电机(未示出)安装在同一轴上以形成转子8，该转子8容纳在定子壳9中且沿轴线A延伸。
更详细地，转子8包括前轴10、多个转子组件11和后轴13。
每个转子组件11包括转子盘15和联接到转子盘15且沿径向布置的多个转子叶片16。
多个转子盘15连续地布置在前轴10与后轴13之间，且优选地由中心拉杆14成组夹紧。作为备选，转子盘可焊接在一起。
中心轴17将压缩机3的转子盘15与涡轮5的转子盘15分离且延伸穿过燃烧室4。
此外，定子组件22与压缩机转子组件11交替。
每个定子组件22包括定子环24和多个定子导叶25，该多个定子导叶25沿径向布置且联接到定子环24和相应的定子壳9。
图2中，示出涡轮5中两个转子组件11之间的定子组件22的放大视图。
箭头D指示在涡轮5的热气体通道18中流动的热气流的方向。
组件间的腔27布置在转子组件11与定子组件22之间。
特别地，每个定子组件22限定前组件间的腔27a和后组件间的腔27b，其中前组件间的腔27a在后组件间的腔27b的沿热气流方向D的上游。
参照图3和图4，定子环24(其仅一部分在图3和图4中可见)围绕纵向轴线A延伸且包括内边缘28和外边缘29，该外边缘29设有环形凹槽30。
多个定子导叶25彼此并排地联接到定子环24的外边缘29，以便封闭环形凹槽30且限定环形冷却通道32。
环形冷却通道32供给有空气，该空气优选地来自压缩机3。
环形凹槽30限定前壁34和后壁35。前壁34在后壁35的沿热气流方向D的上游。
后壁35还设有环形后径向面36a和环形后轴向面36b。
优选地，前壁34设有与环形冷却通道32流体连通的多个前冷却孔37。
优选地，冷却开口37布置在内边缘28附近。
在这里公开和示出的非限制性示例中，冷却开口37沿周向对准且均匀分布。
后壁35设有至少一个后冷却孔39，该后冷却孔39与环形冷却通道32流体连通。
更详细地，每个后冷却孔39通过后壁35，且具有面向环形冷却通道32的入口40，以及布置在环形后径向面36a上的出口41，其在使用中面向后组件间的腔27b。
每个定子导叶25包括联接到定子环24的内护罩44、外护罩43和翼型件42。
翼型件42设有冷却空气管道45a，该冷却空气管道45a由外护罩43上的专用开口45b供给。
外护罩43联接到相应的定子壳9。
内护罩44包括平台46、从该平台46沿径向向内延伸的后凸缘49和前凸缘48。前凸缘48在后凸缘49的沿热气流方向D的上游。
前凸缘48联接到前壁34，而后凸缘49联接到后壁35。
在这里公开和示出的非限制性示例中，前凸缘48接合前壁34的相应的环形座50，而后凸缘49接合后壁35的相应的环形座51。
参照图5，前凸缘48联接到前壁34，以便在前壁34与平台46之间留有前径向间隙53且限定面向所述前径向间隙53的前凸缘48的前表面54。
后凸缘49联接到后壁35，以便在后壁35与平台46之间留有后径向间隙55且限定面向所述后径向间隙55的后凸缘49的后表面56。
前凸缘48在前表面54上设有与环形冷却通道32流体连通的至少一个初级冷却孔60。
优选地，前凸缘48在前表面54上设有沿周向对准的多个初级冷却孔60。
后凸缘49在后表面56上设有与环形冷却通道32流体连通的至少一个次级冷却孔61。
优选地，后凸缘49在后表面56上设有沿周向对准的多个次级冷却孔61。
在这里公开和示出的非限制性示例中，次级冷却孔61均匀分布。
根据这里公开和示出的非限制性实施例，次级冷却孔61具有比初级冷却孔60的通路截面更小的通路截面。
参照图3和图4，定子组件22优选地包括多个后冷却孔39，其均匀分布且优选地在环形后径向面36a上沿周向对准。
优选地，后冷却孔39的数量包括在0.5·NV-2·NV的范围内；其中NV是定子组件22的定子导叶25的数量。
特别地，冷却孔39的出口41的中心与定子环24的内边缘28之间的距离DH包括在0.45*(DP)至0.75*(DP)的范围内，其中DP是平台46的外面46a与定子环24的内边缘28之间的径向距离。
参照图6，后冷却孔39的入口40优选地具有包括在1 mm与5 mm之间的直径d。
优选地，后冷却孔39具有恒定的截面。
后冷却孔39沿延伸轴线O延伸；在由纵向轴线A和周向方向C限定的切向平面上，由延伸轴线O在切向平面A-C上的投影和轴向方向限定的第一角度α包括在0°与50°之间，该周向方向C正交于纵向轴线A且正交于径向方向R，该径向方向R又正交于纵向轴线A。角度α是在逆时针方向(在左边具有压缩机侧的切向方向上看)上从轴向方向A到延伸轴线O的投影所测量的。
而在由纵向轴线A和正交于纵向轴线A且与延伸轴线O相交的径向方向R限定的纵向轴向平面A-R上，第二角度β由延伸轴线在纵向轴向平面A-R平面上的投影和轴向方向A限定。
优选地，后冷却孔39具有切向倾斜(由角度β限定)，其与机器W的旋转方向(从压缩机侧看，围绕轴线A的逆时针方向)一致。
所述第二角度β优选地包括在20°与70°之间。
角度β是在逆时针方向(在左边具有压缩机侧的切向方向上看)上从轴向方向A到延伸轴线O的投影所测量的。
在使用中，在热气体通道18中流动的热气体摄入后组件间的腔27b中。然而，由于后冷却孔39的径向位置和倾斜，来自后冷却孔39的密封冷却空气被引向后组件间的腔27b的进口。
以该方式，来自后冷却孔39的密封冷却空气渗透所摄入的热流，有利于后组件间的腔27b的更充分的密封/冷却。
特别地，当来自后冷却孔39的密封冷却空气在旋转方向上旋流时，摄入的热气体与密封冷却空气流之间的切向速度差减小；这导致两个相互作用的流之间的切应力减小且促进密封冷却空气渗透热气体中。
以该方式，在后组件间的腔27b中，由热气体摄入流与密封冷却空气流之间的相互作用所产生的流展现更一致的旋流数分布，其保证显著改进的密封/冷却能力。
以该方式，所要求保护的解决方案允许增进后组件间的腔27b的密封效率和热状态，且因此显著减小密封后组件间的腔27b所用的总密封空气量，在发动机性能上有随之而来的改进。
最后，显然可在不脱离如所附权利要求书中限定的本发明的范围的情况下对本文中描述的定子组件和燃气涡轮进行修改和变型。

Claims (15)

1.用于燃气涡轮的定子组件(22)，所述定子组件(22)包括：
•定子环(24)，所述定子环(24)围绕纵向轴线(A)延伸且包括内边缘和外边缘(29)；所述外边缘设有环形凹槽(30)；所述环形凹槽(30)限定前壁(34)和后壁(35)；所述后壁(34)设有环形后径向面(36a)和环形后轴向面(36b)；
•多个定子导叶(25)，所述多个定子导叶(25)沿径向布置且彼此并排地联接到所述定子环(24)的外边缘(29)，以便封闭所述环形凹槽(30)且限定环形冷却通道(32)；
•所述定子环(24)设有至少一个后冷却孔(39)，所述后冷却孔(39)具有面向所述环形冷却通道(32)的入口(40)和布置在所述环形后径向面(36b)上的出口(41)。
2.根据权利要求1所述的定子组件，其特征在于，每个定子导叶(25)包括联接到所述定子环(24)的内护罩(44)、外护罩(43)和翼型件(38)；所述内护罩(44)包括平台(46)。
3.根据权利要求2所述的定子组件，其特征在于，所述后冷却孔(39)的出口(41)的中心与所述定子环(24)的内边缘(28)之间的径向距离(DH)包括在0.45·DP至0.75·DP的范围内，其中DP是所述平台(46)的外面(46a)与所述定子环(24)的内边缘(28)之间的径向距离。
4.根据权利要求1所述的定子组件，其特征在于，所述后冷却孔(39)沿延伸轴线(O)延伸；在由所述纵向轴线(A)和周向方向(C)限定的切向平面(A-C)上，第一角度(α)由所述延伸轴线(O)在所述切向平面(A-C)上的投影和所述轴向方向(A)限定且优选地包括在0°与50°之间，所述周向方向(C)正交于所述纵向轴线(A)且正交于径向方向(R)，所述径向方向(R)又正交于所述纵向轴线(A)。
5.根据权利要求1所述的定子组件，其特征在于，所述后冷却孔(39)沿延伸轴线(O)延伸；在由所述纵向轴线(A)和正交于所述纵向轴线(A)且与所述延伸轴线(O)相交的径向方向(R)限定的纵向轴向平面(A-R)上，第二角度(β)由所述延伸轴线(O)在所述纵向轴向平面(A-R)上的投影和所述轴向方向(A)限定且优选地包括在20°与70°之间。
6. 根据权利要求1所述的定子组件，其特征在于，所述后冷却孔(39)的入口(40)具有包括在1 mm与5 mm之间的直径(d)。
7.根据权利要求1所述的定子组件，其特征在于，所述后冷却孔(39)具有恒定的截面。
8.根据权利要求1所述的定子组件，其特征在于，所述定子环(24)设有多个后冷却孔(39)。
9.根据权利要求5所述的定子组件，其特征在于，所述多个后冷却孔(39)的出口沿所述环形后径向面(36b)均匀分布。
10.根据权利要求8所述的定子组件，其特征在于，后冷却孔(39)的数量包括在0.5·NV-2·NV的范围内；其中NV是所述定子组件(24)的定子导叶的数量。
11.根据权利要求2所述的定子组件，其特征在于，所述内护罩(40)包括前凸缘(48)和后凸缘(49)，两者从所述平台(46)沿径向向内延伸；所述前凸缘(48)联接到所述前壁(34)且所述后凸缘(49)联接到所述后壁(35)；所述后凸缘(49)联接到所述后壁(34)，以便在所述后壁(35)与所述平台(46)之间留有后径向间隙(55)且限定面向所述后径向间隙(55)的所述后凸缘(49)的后表面(56)。
12.根据权利要求11所述的定子组件，其特征在于，所述后凸缘(49)在所述后表面(56)上设有与所述环形冷却通道(32)流体连通的至少一个次级冷却孔(61)。
13.根据权利要求12所述的定子组件，其特征在于，所述后凸缘(49)在所述后表面(56)上设有沿周向对准的多个次级冷却孔(61)。
14.根据权利要求13所述的定子组件，其特征在于，所述次级冷却孔(61)均匀分布。
15.燃气涡轮，所述燃气涡轮沿纵向轴线(A)延伸且包括：
多个转子组件(11)，所述多个转子组件(11)中的每个包括转子盘(15)和沿径向布置且联接到所述转子盘(15)的多个转子叶片(16)；
多个定子组件(22)；所述定子组件(22)和所述转子组件(11)沿轴向方向(A)交替；
所述定子组件(22)中的至少一个是根据权利要求1所述的类型的。
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