CN113586251B - 一种燃气轮机冷却气流逐级利用的部件冷却-轮缘密封结构 - Google Patents

一种燃气轮机冷却气流逐级利用的部件冷却-轮缘密封结构 Download PDF

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Abstract

一种燃气轮机冷却气流逐级利用的部件冷却‑轮缘密封结构，包括静叶片及其静叶平台，前级动叶片及前级动叶盘等。在静叶平台内设置了预混腔室和配气腔室，叶片内部冷却气流经过静叶底部的冷却气流出气孔流入预混腔室，后从配气腔室开设的冷却气流喷射孔射入第一转静腔室，一路冷却气流冷却前级动叶盘后，沿径向方向由内而外流动，经上游轮缘间隙汇入主流；另一路冷却气流经密封降温、降压、增速后流入第二转静腔室，对后级动叶盘冷却后，经下游轮缘间隙汇入主流。本发明逐级充分利用冷却气流的冷源特性，冷却气流冷却各部件后对轮缘间隙进行密封，提高了汇入主流时的温度，减少冷气损失，从而利用单股冷却气流实现部件冷却和轮缘密封的功能。

Description

一种燃气轮机冷却气流逐级利用的部件冷却-轮缘密封结构
技术领域
本发明属于燃气轮机领域，具体涉及一种燃气轮机冷却气流逐级利用的部件冷却-轮缘密封结构。
背景技术
燃气轮机部件在实际热运行工况下会产生热弹性变形、离心变形以及轴系振动，为了防止转动件与静止件的接触和剐蹭，动静部件之间必须留有间隙值。当静叶隔板与旋转涡轮盘构成的转静盘腔内部压力低于主流压力时，会发生燃气入侵现象，高温燃气经过轮缘间隙进入盘腔，对轮盘表面进行烧蚀，轮缘高半径区域与轮盘内径之间的温度梯度增加，轮盘热应力急剧增加，造成有害变形，严重时导致轮盘破裂。为保证涡轮盘的使用寿命及可靠性，目前工程中主要通过从压气机级引入低温封严气流在轮缘间隙处形成压力平衡，同时设计轮缘间隙处的密封结构，增加高温燃气侵入转静盘腔的流动阻力，遏制燃气入侵。
内部冷却空气系统是一个以冷却热端部件、封严间隙和平衡轴向力为主要功能的气路系统，用于减少燃气入侵的冷却气流即源自内冷空气系统。为了保证高温部件的可靠性，往往需要在多处进行冷却和密封，大量的冷却气流汇入高温主流燃气，势必会带来严重的冷却气流损失，降低涡轮效率，增加燃油油耗，极大地减弱了提高涡轮进口燃气温度带来的优越性。基于以上原因，本发明提出了一种燃气轮机冷却气流逐级利用的部件冷却-轮缘密封结构，仅利用单股冷却气流实现静叶冷却、轮盘冷却和轮缘密封的功能，在减少冷却气流量的同时，缩小了冷却气流汇入参数与高温主流参数间的差距，具有功能多样、结构简单、冷却气流损失小等特点，在兼顾机组安全性的同时，提高了经济性。
发明内容
为了实现燃气轮机叶片冷却、轮盘冷却和轮缘密封的功能，传统的设计至少需要引入两股冷却气流，结构复杂且造成的冷却气流损失较大，为了避免现有技术存在的不足，本发明提出了一种燃气轮机冷却气流逐级利用的部件冷却-轮缘密封结构，该结构可以充分利用冷却气流的冷源特性对各部件进行逐级冷却，再汇入主流实现轮缘密封，减少了冷却气流损失，简化了内部冷却空气系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种燃气轮机冷却气流逐级利用的部件冷却-轮缘密封结构，包括静叶片及其静叶平台，前级动叶片及前级动叶盘，后级动叶片及后级动叶盘，密封定子，密封转子，以及转轴；
前级动叶盘、密封转子和后级动叶盘依次安装在转轴上，且密封转子两侧与前级动叶盘和后级动叶盘分别通过端面齿连接；
前级动叶片与前级动叶盘通过叶根-轮缘结构连接，沿主流流动方向的前级动叶片后方为静叶片，静叶片下方为静叶平台，静叶片为空心静叶，在静叶片的上方开设冷却气流进气孔，静叶内部隔板将静叶片内部划分形成内部冷却通道，在静叶片的下方与静叶平台的连结处开设冷却气流出气孔，静叶平台内部存在连通的预混腔室和配气腔室，配气腔室左侧布置有冷却气流喷射孔，静叶平台的下方安装密封定子，密封定子下方为密封转子；
前级动叶盘与静叶平台之间形成第一转静腔室，后级动叶盘与静叶平台之间形成第二转静腔室，密封定子与密封转子配合形成密封结构；
沿主流流动方向的静叶片后方为后级动叶片，后级动叶片与后级动叶盘通过叶根-轮缘结构连接。
本发明进一步的改进在于，静叶片的前缘和尾缘内部的冷却通道为直通道，静叶中弦为U型转弯蛇形通道。
本发明进一步的改进在于，配气腔室的形状为梯形，预混腔室和配气腔室的连通方式为孔连通。
本发明进一步的改进在于，静叶片与前级动叶之间存在上游轮缘间隙。
本发明进一步的改进在于，静叶片与后级动叶之间存在下游轮缘间隙。
本发明进一步的改进在于，端面齿用于传递扭矩。
本发明进一步的改进在于，密封定子与密封转子配合形成的密封结构，密封转子的齿数以及与密封定子的间隙应该根据下游轮缘间隙附近的主流燃气参数具体设计，其作用是将第一转静腔室的一部分冷却气体降温、降压、增速后流入第二转静腔室，确保最终通过下游轮缘间隙汇入主流时的冷却气流压力高于当地主流压力。
本发明进一步的改进在于，冷却气流喷射孔具有向前级动叶盘内侧的倾斜角度，倾斜角度的选取范围为10°～80°。
本发明进一步的改进在于，前级动叶盘和后级动叶盘上布置有强化换热结构。
本发明进一步的改进在于，强化换热结构为交错布置的球窝/球凸，或者是交错布置的柱肋、翅片结构，或者各种强化换热结构的混合使用。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
1、为了实现燃气轮机叶片冷却、轮盘冷却和轮缘密封的功能，传统的设计至少需要引入两股冷却气流，冷却气流输送管路和燃气轮机内部结构复杂。同时，各路冷却气流在实现各自功能后直接汇入主流，造成了大量的冷却气流损失。而本发明只需要引入一股冷却气流即可实现上述功能，简化了冷却气流的管道设置，具有结构简单的优势。尤其是，本发明利用单股冷却气流对各部件进行逐级高效冷却，通过动静轮缘间隙汇入主流的冷却气流已经充分发挥了冷源特性，具有较高的温度水平和略大于主流的压力，缩小了冷却气流汇入参数与高温主流参数间的差距，在保证不会发生燃气入侵的同时大幅减小了冷却气流损失，在兼顾机组安全性的同时，提高了经济性。
2、本发明可以根据实际功能需求灵活配置，通过对冷却气流进气孔、静叶片内部冷却通道、冷却气流出气孔、冷却气流喷射孔、强化换热结构、密封齿数、密封间隙等具体结构的专门设计，实现各处冷却气流的温度和流量等参数的精准调控。
3、冷却气流在叶片内部冷却通道流过的行程及承受的热负荷不同，其通过不同冷却气流出气孔汇入静叶平台时的气体参数存在差异，因此本发明在静叶平台设计了预混腔室对冷却气流进行掺混，提高了冷却气流流入配气腔室时的气体均匀性。
附图说明
图1是本发明一种燃气轮机冷却气流逐级利用的部件冷却-轮缘密封结构示意图；
图2是本发明静叶和静叶平台区域的局部放大图。
附图标记说明：
1-前级动叶片，2-静叶片，3-后级动叶片，4-前级动叶盘，5-静叶平台，6-后级动叶盘，7-静叶内部隔板，8-密封定子，9-密封转子，10-端面齿，11-转轴，12-强化换热结构，13-冷却气流进气孔，14-冷却气流出气孔，15-预混腔室，16-配气腔室，17-冷却气流喷射孔，18-上游轮缘间隙，19-下游轮缘间隙。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参见图1和图2，本发明提供的一种燃气轮机冷却气流逐级利用的部件冷却-轮缘密封结构，包括静叶片2及其静叶平台5，前级动叶片1及前级动叶盘4，后级动叶片3及后级动叶盘6，密封定子8，密封转子9，以及转轴11。前级动叶片1与前级动叶盘4通过叶根-轮缘结构连接，前级动叶盘4上布置有强化换热结构12，前级动叶盘4安装在转轴11上。前级动叶后(沿主流流动方向)为静叶片2，静叶片2下方为静叶平台5，在静叶片2的上方开设冷却气流进气孔13，静叶片2为空心静叶，静叶内部隔板7将静叶片2内部划分形成内部冷却通道，由于静叶片2前缘承受的热负荷较大，静叶片2尾缘较薄，因此，前缘和尾缘内部的冷却通道为直通道，静叶中弦为U型转弯蛇形通道，在静叶片2的下方与静叶平台5的连结处开设冷却气流出气孔14。静叶平台5内部存在预混腔室15和配气腔室16，预混腔室15与配气腔室16连通，配气腔室16左侧布置有冷却气流喷射孔17，配气腔室16的形状为梯形，这是由于受冷却气流喷射孔17的影响，冷却气体流量沿径向由外而内逐渐减少。静叶平台5的下方安装密封定子8，密封定子8下方为密封转子9，密封转子9安装在转轴11上，密封转子9两侧与前级动叶盘4和后级动叶盘6通过端面齿10连接，端面齿10的作用是传递扭矩。前级动叶盘4与静叶平台5之间形成第一转静腔室，后级动叶盘6与静叶平台5之间形成第二转静腔室，密封定子8与密封转子9配合形成密封结构，其作用是将第一转静腔室的一部分冷却气体降温、降压、增速后流入第二转静腔室。静叶片2后(沿主流流动方向)为后级动叶片3，后级动叶片3与后级动叶盘6通过叶根-轮缘结构连接。静叶片2与前级动叶1之间存在上游轮缘间隙18，静叶片2与后级动叶3之间存在下游轮缘间隙19。
为了对本发明进一步了解，现对其工作过程原理做进一步说明。
在燃气轮机实际工作过程中，应用本发明提出的部件冷却-轮缘密封结构以后，冷却气流通过静叶片2上方开设的冷却气流进气孔13流入静叶片2内部的冷却通道，静叶内部隔板7将静叶片2内部分隔形成不同的内部冷却通道，考虑到叶片前缘承受热负荷较大以及尾缘形状较薄的几何特征，叶片前缘和尾缘为直通道，叶片的中弦较厚，采用U型转弯蛇形通道。冷却气流流过叶片内部冷却通道对静叶片2进行冷却后，通过冷却气流出气孔14流入静叶平台5内部设置的预混腔室15。由于冷却气流在内部冷却通道流过的行程及承受的热负荷不同，其通过不同的冷却气流出气孔14流入预混腔室15的状态参数存在差异，因此，预混腔室15的设置可以将冷却气流进行掺混，提高该处冷却气流的气体均匀性。配气腔室16与预混腔室15连通，预混后的冷却气流流入配气腔室16，再经过配气腔室16左侧开设的冷却气流喷射孔17射入第一转静腔室，冲击前级动叶盘4表面设置的强化换热结构12，形成对前级动叶盘4的高效冲击冷却。然后，第一转静腔室内的冷却气流分为两路：一路冷却气流沿径向方向由内而外流动，通过上游轮缘间隙18汇入主流，实现该处的轮缘密封；另一路冷却气流经由密封定子8和密封转子9形成的密封通道后降温、降压、增速，并流入第二转静腔室，然后沿径向方向由内而外流动，与表面设置有强化换热结构12的后级动叶盘6充分换热，实现后级动叶盘6的高效冷却，最后经过下游轮缘间隙19汇入主流，实现该处的轮缘密封，两路冷却气流汇入主流时压力均略高于当地主流压力，温度与当地主流温度接近。值得指出的是，通过上游轮缘间隙18和下游轮缘间隙19汇入主流的冷却气流已经充分发挥了冷源特性，完成了对静叶片2、前级动叶盘4和后级动叶盘6的冷却，具有较高的温度水平和略大于主流的压力，与传统设计相比，在保证不会发生燃气入侵的同时大幅减小了冷却气流损失。
本发明的冷却气流进气孔13和冷却气流出气孔14的孔径、形状、倾斜角度和数量，以及静叶片2的内部冷却通道结构，可以根据实际功能需求灵活配置，从而实现冷却气流的温度和流量等参数的精准调控。
本发明的预混腔室15和配气腔室16的连通方式为孔连通，连通孔的孔径、形状和数量根据实际冷却气流流量设计确定。
本发明的冷却气流喷射孔17的数量和形状应根据实际需求通过的冷却气流流量进行设计，冷却气流喷射孔17具有向前级动叶盘4内侧的倾斜角度，倾斜角度的选取范围为10°～80°，图1和图2所示的喷射孔倾斜角度为30°。
本发明的动叶盘表面强化换热结构12可以是交错布置的球窝球凸结构，交错布置的柱肋，翅片结构，或者各种强化换热结构的混合使用。
本发明的密封转子9的齿数以及与密封定子8的间隙应该根据下游轮缘间隙19附近的主流燃气参数具体设计，使第一转静腔室的一部分冷却气流降温、降压、增速流入第二转静腔室，确保最终通过下游轮缘间隙19汇入主流时的冷却气流压力略高于当地主流压力。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种燃气轮机冷却气流逐级利用的部件冷却-轮缘密封结构，其特征在于，包括静叶片(2)及其静叶平台(5)，前级动叶片(1)及前级动叶盘(4)，后级动叶片(3)及后级动叶盘(6)，密封定子(8)，密封转子(9)，以及转轴(11)；
前级动叶盘(4)、密封转子(9)和后级动叶盘(6)依次安装在转轴(11)上，且密封转子(9)两侧与前级动叶盘(4)和后级动叶盘(6)分别通过端面齿(10)连接；
前级动叶片(1)与前级动叶盘(4)通过叶根-轮缘结构连接，沿主流流动方向的前级动叶片(1)后方为静叶片(2)，静叶片(2)下方为静叶平台(5)，静叶片(2)为空心静叶，在静叶片(2)的上方开设冷却气流进气孔(13)，静叶内部隔板(7)将静叶片(2)内部划分形成内部冷却通道，在静叶片(2)的下方与静叶平台(5)的连结处开设冷却气流出气孔(14)，静叶平台(5)内部存在连通的预混腔室(15)和配气腔室(16)，配气腔室(16)左侧布置有冷却气流喷射孔(17)，静叶平台(5)的下方安装密封定子(8)，密封定子(8)下方为密封转子(9)；
前级动叶盘(4)与静叶平台(5)之间形成第一转静腔室，后级动叶盘(6)与静叶平台(5)之间形成第二转静腔室，密封定子(8)与密封转子(9)配合形成密封结构；
沿主流流动方向的静叶片(2)后方为后级动叶片(3)，后级动叶片(3)与后级动叶盘(6)通过叶根-轮缘结构连接；
静叶片(2)的前缘和尾缘内部的冷却通道为直通道，静叶中弦为U型转弯蛇形通道；
静叶片(2)与前级动叶片 (1)之间存在上游轮缘间隙(18)，静叶片(2)与后级动叶片(3)之间存在下游轮缘间隙(19)；
密封定子(8)与密封转子(9)配合形成的密封结构，密封转子(9)的齿数以及与密封定子(8)的间隙根据下游轮缘间隙(19)附近的主流燃气参数具体设计，其作用是将第一转静腔室的一部分冷却气体降温、降压、增速后流入第二转静腔室，确保最终通过下游轮缘间隙(19)汇入主流时的冷却气流压力高于当地主流压力；
配气腔室(16)的形状为梯形，预混腔室(15)和配气腔室(16)的连通方式为孔连通；
冷却气流喷射孔(17)具有向前级动叶盘(4)内侧的倾斜角度，倾斜角度的选取范围为10°～80°；
前级动叶盘(4)和后级动叶盘(6)上布置有强化换热结构(12)，强化换热结构(12)为交错布置的球窝/球凸，或者是交错布置的柱肋、翅片结构，或者各种强化换热结构的混合使用。
2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机冷却气流逐级利用的部件冷却-轮缘密封结构，其特征在于，端面齿(10)用于传递扭矩。
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