CN113623014B - 一种燃气轮机透平叶片-轮盘联合冷却结构 - Google Patents

一种燃气轮机透平叶片-轮盘联合冷却结构 Download PDF

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Abstract

一种燃气轮机透平叶片‑轮盘联合冷却结构，包括转轴，前级轮盘，前级动叶，轮盘前盖板，轮盘后盖板，端面齿等；轮盘前盖板和轮盘后盖板安装在前级轮盘两侧；轮盘后盖板通过端面齿分别与前级轮盘和后级轮盘连接；转轴上开设冷却气流通道，前级轮盘和后级轮盘之间设置有轮盘中心冷却腔室；轮盘后盖板上设置有若干端面孔、若干引射孔、平衡块和密封齿；密封齿与后级静叶平台形成封严结构；轮盘后盖板与前级轮盘的中部和轮缘处形成轮盘中部冷却腔室和轮缘‑叶根冷却腔室；前级动叶叶根内部开设有叶根内部冷却通道，前级动叶设有内部冷却通道和尾缘劈缝；本发明充分利用冷却气流的冷源特性对各部件进行联合冷却，冷却气流损失小，冷却管路布置简单。

Description

一种燃气轮机透平叶片-轮盘联合冷却结构
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透平叶片-轮盘联合冷却结构。
背景技术
随着燃气轮机的不断发展，其透平入口温度不断提高，各部件承受的温度负荷也越来越大。叶片和轮盘是燃气轮机透平的关键部件，其不仅受通流区域高温负荷的影响，还受到高速离心负荷的影响，受力非常复杂。为了降低高温应力对叶片和轮盘使用寿命的影响，需要对叶片和轮盘进行冷却，以保证燃气轮机透平的安全运行。目前，工程上通常引入两股压气机级的低温冷却气体，分别对叶片内部和轮盘表面进行对流换热，从而实现叶片和轮盘的冷却，冷却后的气体直接汇入主流。然而，冷却后的气体温度较低，与高温主流燃气掺混后会使主流气体温度降低，影响燃气轮机透平的性能。因此，需要设计一种更加有效的燃气轮机叶片和轮盘冷却结构，提升冷却效果，减小冷气损失，提高机组的安全性和经济性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种燃气轮机透平叶片-轮盘联合冷却结构，该结构可以充分利用冷却气流的冷源特性对各部件进行联合冷却，减少了冷却气流损失，简化了冷却管路布置，具有广阔的应用前景。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种燃气轮机透平叶片-轮盘联合冷却结构，包括转轴，前级轮盘，前级动叶，轮盘前盖板，轮盘后盖板，端面齿，后级轮盘，后级动叶，后级静叶，后级静叶平台，密封环，以及密封齿；
转轴与前级轮盘紧固连接，前级动叶通过前级动叶叶根安装在前级轮盘的轮缘结构上，轮盘前盖板和轮盘后盖板安装在前级轮盘的两侧，并在轮盘后盖板和前级轮盘的外圈区域设置有密封环；轮盘后盖板通过端面齿分别与前级轮盘和后级轮盘连接；后级动叶通过叶根-轮缘结构安装在后级轮盘上；转轴上开设冷却气流通道，前级轮盘和后级轮盘之间设置有轮盘中心冷却腔室；轮盘后盖板上设置有若干端面孔、若干引射孔、平衡块和密封齿；密封齿与后级静叶下方的后级静叶平台形成封严结构；
轮盘后盖板与前级轮盘的中部和轮缘处分别形成轮盘中部冷却腔室和轮缘-叶根冷却腔室；前级动叶叶根内部开设有叶根内部冷却通道，内部隔板将前级动叶内部划分形成内部冷却通道，前级动叶的尾缘布置有若干尾缘劈缝；冷却气流通道与轮盘中心冷却腔室连通，轮盘中心冷却腔室与轮盘中部冷却腔室通过前级轮盘与轮盘后盖板的端面齿连接间隙、以及端面孔连通，轮盘中部冷却腔室与轮缘-叶根冷却腔室通过引射孔连通，轮缘-叶根冷却腔室与前级动叶内部冷却通道通过叶根内部冷却通道连通。
本发明进一步的改进在于，前级轮盘中心、中部和轮缘处的表面布置有强化换热结构。
本发明进一步的改进在于，强化换热结构是球窝/球凸，或者是圆形、菱形、方形和三角形翅片结构，或者各种强化换热结构的混合使用。
本发明进一步的改进在于，前级轮盘和后级静叶平台之间形成前级转静腔室。
本发明进一步的改进在于，后级静叶平台和后级轮盘之间形成后级转静腔室。
本发明进一步的改进在于，端面孔具有向前级轮盘的倾斜角度。
本发明进一步的改进在于，引射孔具有向前级轮盘的倾斜角度。
与现有技术相比，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和轮盘冷却的功能，传统的设计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，造成了大量的冷气损失。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依次对轮盘的中心位置、中部位置及轮缘、动叶叶根和叶片进行联合冷却，通过动叶尾缘劈缝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，在保证叶片和轮盘安全可靠性的同时大幅减小了冷气损失，兼顾了机组的安全性和经济性；
2、本发明可以根据实际功能需求灵活配置，通过对端面孔、引射孔、叶根内部冷却通道、动叶内部冷却通道、动叶尾缘劈缝、强化换热结构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、轮盘后盖板上的端面孔和射流孔均具有向轮盘倾斜的角度，在旋转效应的作用下冷却气流流经该结构时流速增加，具有较强流体湍动能的冷却气流冲刷轮盘表面，有利于破坏壁面边界层，形成高效的冲击冷却，显著降低轮盘温度；
4、轮盘中心冷却腔室、轮盘中部冷却腔室和轮缘-叶根冷却腔室均布置有强化换热结构，能够加强冷却气流扰动和增大换热面积，从而显著提高换热效果；
5、本发明中，前级轮盘和后级静叶平台之间形成前级转静腔室，后级静叶平台和后级轮盘之间形成后级转静腔室，轮盘后盖板上布置的密封齿与后级静叶平台组成的封严结构，可以密封前级转静腔室与后级转静腔室之间的工质流动，方便精准控制前级转静腔室与后级转静腔室内密封工质的参数，以实现前级动叶和后级静叶间的轮缘间隙、后级静叶和后级动叶间的轮缘间隙的有效密封，防止高温主流燃气入侵。密封齿的齿数以及与后级静叶平台的密封间隙可以根据具体功能需求灵活配置；
6、叶片安装在轮盘上时，叶根和轮缘之间存在缝隙，轴向漏气会造成冷气损失，本发明中通过螺栓将轮盘前盖板和轮盘后盖板紧固连接在叶根-轮缘处，从而防止漏气。
附图说明
图1为本发明一种燃气轮机透平叶片-轮盘联合冷却结构的总体二维示意图。
图2为前级动叶-轮盘的局部放大示意图。
图3(a)为本发明一种燃气轮机透平叶片-轮盘联合冷却结构(前级动叶-轮盘)的3/4剖面三维示意图；图3(b)为剖面的局部放大三维图。
图4为本发明冷却腔室表面的强化换热结构示意图；其中，图4(a)为圆形翅片结构，图4(b)为三角形翅片结构，图4(c)为方形翅片结构，图4(d)为菱形翅片结构。
附图标记说明：
1-冷却气流通道，2-转轴，3-前级轮盘，4-轴端紧固件，5-前级动叶，6-轮盘前盖板，7-轮盘后盖板，8-端面齿，9-后级轮盘，10-后级动叶，11-后级静叶，12-后级静叶平台，13-螺栓，14-平衡块，15-端面孔，16-引射孔，17-轮盘中心冷却腔室，18-轮盘中部冷却腔室，19-轮缘-叶根冷却腔室，20-强化换热结构，21-前级动叶叶根，22-叶根内部冷却通道，23-内部隔板，24-尾缘劈缝，25-密封环，26-密封齿。
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。
参照图1至图3，本发明提供的一种燃气轮机透平叶片-轮盘联合冷却结构，包括：转轴2，前级轮盘3，轴端紧固件4，前级动叶5，轮盘前盖板6，轮盘后盖板7，端面齿8，后级轮盘9，后级动叶10，后级静叶11，后级静叶平台12，螺栓13，密封环25，密封齿26。转轴2与前级轮盘3通过轴端紧固件4连接，前级动叶5通过前级动叶叶根21安装在前级轮盘3的轮缘结构上。轮盘前盖板6和轮盘后盖板7通过螺栓13安装在前级轮盘3的两侧，并在轮盘后盖板7和前级轮盘3的外圈区域设置有密封环25。轮盘后盖板7通过端面齿8分别与前级轮盘3和后级轮盘9连接。后级动叶10通过叶根-轮缘结构安装在后级轮盘9上。转轴2上开设冷却气流通道1，前级轮盘3和后级轮盘9之间设置有轮盘中心冷却腔室17。轮盘后盖板7上设置有若干端面孔15、若干引射孔16、平衡块14和密封齿26，端面孔15和引射孔16具有向前级轮盘3的倾斜角度。密封齿26与后级静叶11下方的后级静叶平台12形成封严结构。轮盘后盖板7与前级轮盘3的中部和轮缘处分别形成轮盘中部冷却腔室18和轮缘-叶根冷却腔室19。前级动叶叶根21内部开设有叶根内部冷却通道22，内部隔板23将前级动叶5内部划分形成内部冷却通道，前级动叶5的尾缘布置有若干尾缘劈缝24。冷却气流通道1与轮盘中心冷却腔室17连通，轮盘中心冷却腔室17与轮盘中部冷却腔室18通过前级轮盘3与轮盘后盖板7的端面齿8连接间隙、以及端面孔15连通，轮盘中部冷却腔室18与轮缘-叶根冷却腔室19通过引射孔16连通，轮缘-叶根冷却腔室19与前级动叶5内部冷却通道通过叶根内部冷却通道22连通。前级轮盘3中心、中部和轮缘处的表面布置有强化换热结构20，强化换热结构20可以是球窝/球凸，也可以是圆形、菱形、方形和三角形等翅片结构(参照图4)，或者各种强化换热结构的混合使用。
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，应用本发明提出的透平叶片-轮盘联合冷却结构后，压气机级引入的低温冷却气流通过冷却气流通道1沿轴向进入轮盘中心冷却腔室17，与前级轮盘3中心位置处布置有强化换热结构20的轮盘表面进行换热，实现对前级轮盘3中心区域的冷却。随后，冷却气流通过前级轮盘3与轮盘后盖板7之间的端面齿8连接间隙、以及端面孔15流入轮盘中部冷却腔室18。端面孔15具有向前级轮盘3的倾斜角度，从而提高通过端面孔15流入轮盘中部冷却腔室18的冷却气流的流体湍动能，冷却气流冲刷表面布置有强化换热结构20的前级轮盘3中部，破坏壁面边界层，形成该区域的高效冲击冷却，显著降低前级轮盘3中部的温度。接下来，冷却气流通过引射孔16射入轮缘-叶根冷却腔室19，引射孔16具有向前级轮盘3的倾斜角度，从而提高冷却气流通过引射孔16后的流体湍动能，冷却气流冲刷表面布置有强化换热结构20的前级轮盘3的轮缘和前级动叶叶根21，破坏壁面边界层，形成该区域的高效冲击冷却，显著降低前级轮盘3的轮缘和前级动叶叶根21的温度。然后，冷却气流流经叶根内部冷却通道22，对前级动叶叶根21部分进行冷却。接着，冷却气流进入由内部隔板23组成的前级动叶5内部冷却通道，并由尾缘劈缝24汇入主流，实现前级动叶5的内部冷却和尾缘劈缝冷却。值得指出的是，通过尾缘劈缝24汇入主流的冷却气流已经充分发挥了冷源特性，完成了对前级轮盘3的中心位置、中部位置及轮缘、前级动叶5的叶片和前级动叶叶根21的联合冷却，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，在保证部件安全可靠性的同时大幅减小了冷气损失。
本发明的端面孔15和引射孔16的孔径、形状、倾斜角度和数量，以及叶根内部冷却通道和前级动叶5的内部冷却通道结构，可以根据实际冷却需求灵活配置，从而实现冷却气流的温度和流量等参数的精准调控。
本发明的前级轮盘3中心、中部和轮缘处表面布置的强化换热结构20可以是球窝/球凸，也可以是圆形、菱形、方形和三角形等翅片结构，或者各种强化换热结构的混合使用。
本发明中，前级轮盘3和后级静叶平台12之间形成前级转静腔室，后级静叶平台12和后级轮盘9之间形成后级转静腔室，轮盘后盖板7上布置的密封齿26与后级静叶平台12组成的封严结构，可以密封前级转静腔室与后级转静腔室之间的工质流动，方便精准控制前级转静腔室与后级转静腔室内密封工质的参数，以实现前级动叶5和后级静叶11间的轮缘间隙、后级静叶11和后级动叶10间的轮缘间隙的有效密封，防止高温主流燃气入侵。密封齿26的齿数以及与后级静叶平台12的密封间隙应该根据具体功能需求设计。
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 (1)

1.一种燃气轮机透平叶片-轮盘联合冷却结构，其特征在于，包括转轴(2)，前级轮盘(3)，前级动叶(5)，轮盘前盖板(6)，轮盘后盖板(7)，端面齿(8)，后级轮盘(9)，后级动叶(10)，后级静叶(11)，后级静叶平台(12)，密封环(25)，以及密封齿(26)；
转轴(2)与前级轮盘(3)紧固连接，前级动叶(5)通过前级动叶叶根(21)安装在前级轮盘(3)的轮缘结构上，轮盘前盖板(6)和轮盘后盖板(7)安装在前级轮盘(3)的两侧，并在轮盘后盖板(7)和前级轮盘(3)的外圈区域设置有密封环(25)；轮盘后盖板(7)通过端面齿(8)分别与前级轮盘(3)和后级轮盘(9)连接；后级动叶(10)通过叶根-轮缘结构安装在后级轮盘(9)上；转轴(2)上开设冷却气流通道(1)，前级轮盘(3)和后级轮盘(9)之间设置有轮盘中心冷却腔室(17)；轮盘后盖板(7)上设置有若干端面孔(15)、若干引射孔(16)、平衡块(14)和密封齿(26)；密封齿(26)与后级静叶(11)下方的后级静叶平台(12)形成封严结构；
轮盘后盖板(7)与前级轮盘(3)的中部和轮缘处分别形成轮盘中部冷却腔室(18)和轮缘-叶根冷却腔室(19)；前级动叶叶根(21)内部开设有叶根内部冷却通道(22)，内部隔板(23)将前级动叶(5)内部划分形成内部冷却通道，前级动叶(5)的尾缘布置有若干尾缘劈缝(24)；冷却气流通道(1)与轮盘中心冷却腔室(17)连通，轮盘中心冷却腔室(17)与轮盘中部冷却腔室(18)通过前级轮盘(3)与轮盘后盖板(7)的端面齿(8)连接间隙、以及端面孔(15)连通，轮盘中部冷却腔室(18)与轮缘-叶根冷却腔室(19)通过引射孔(16)连通，轮缘-叶根冷却腔室(19)与前级动叶(5)内部冷却通道通过叶根内部冷却通道(22)连通；
前级轮盘(3)中心、中部和轮缘处的表面布置有强化换热结构(20)；
后级静叶平台(12)和后级轮盘(9)之间形成后级转静腔室，前级轮盘(3)和后级静叶平台(12)之间形成前级转静腔室；
强化换热结构(20)是球窝/球凸，或者是圆形、菱形、方形和三角形翅片结构，或者各种强化换热结构的混合使用；
端面孔(15)具有向前级轮盘(3)的倾斜角度；
引射孔(16)具有向前级轮盘(3)的倾斜角度。
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