CN115768969A - 用于过滤涡轮机的涡轮的冷却空气的装置 - Google Patents

用于过滤涡轮机的涡轮的冷却空气的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于过滤用于冷却涡轮机的低压涡轮的冷却空气流(F)的装置(100)，其特征在于，它包括具有几何形状的管道(110)，该管道被构造为对穿过所述管道(110)的冷却空气流(F)进行离心。所述管道(110)具有开口(114)，该开口(114)的尺寸被设计为能够实现被离心的所述冷却空气流(F)中所包含的固体颗粒的分离。

Description

用于过滤涡轮机的涡轮的冷却空气的装置
技术领域
本发明的领域涉及用于装配涡轮机的涡轮的冷却和通风，并且更特别地涉及低压涡轮的冷却和通风。
更特别地，本发明涉及用于过滤来自涡轮机的低压涡轮的冷却空气流的过滤装置。
背景技术
在本申请中，相对于穿过涡轮机的气体的正常流动方向(上游到下游)，定义术语“上游”和“下游”。
涡轮机的转子的旋转轴线也被称为“涡轮机的轴线”或“发动机轴线”。轴向方向是涡轮机的轴线的方向，并且径向方向是垂直于涡轮机的轴线，并且与该轴线相交的方向。类似地，轴向平面是包含涡轮机的轴线的平面，并且径向平面是垂直于该轴线的平面。
除非另外指明，否则在本申请中，参考径向方向使用形容词“内侧(的)”、“内部(的)”、“外侧(的)”、“外部(的)”，这样使得元件的内部部分沿着径向方向比同一元件的外部部分更靠近涡轮机的轴线。
常规地，涡轮机从上游到下游(即，在气体流的流动方向上)包括：风扇、一个或多个压气机、燃烧室、一个或多个涡轮、以及用于喷射燃烧气体的喷管，该燃烧气体离开一个或多个涡轮。
因此，涡轮机包括至少一个部件，该至少一个部件专用于压缩其在入口处抽取的空气。由压气机压缩的空气进入燃烧室，在该燃烧室中，空气在所得的混合物燃烧之前与燃料混合，并且产生热的燃烧气体。然后，热的燃烧气体在涡轮的高压级中膨胀，并且然后在该相同涡轮的至少一个低压级中膨胀。
因此，在该涡轮机的运行过程中，不同的低压涡轮级具有温度非常高的燃烧气体从中穿过。
常规地，低压或高压涡轮包括一个或多个级，每个级由一系列静止叶片形成，从而形成称为上游导向叶片的组件，之后是涡轮叶轮，该涡轮叶轮包括转子盘，所谓的移动叶片固定在转子盘上的小室中。上游导向叶片将气流以适当的角度和速度朝向叶轮的移动叶片转向，以便可旋转地驱动涡轮的移动叶片和转子组件。
接收移动叶片的根部的转子盘中的小室直接地被暴露于燃烧气体，所以有必要将它们冷却，以防止对盘的任何损坏。
为了减少温度应力，并且确保叶片(叶片根部)和盘(小室)的联接部分的足够长的使用寿命，已知的是通过冷却空气冷却它们。
为此，已知的是抽取从低压涡轮的流动路径流出的空气的一部分，通常地在高压压气机室的上游，并且将该冷却空气经由供应管(称为公用管)输送到设置在涡轮中心框架(TCF)处的喷射器。因此，该冷却空气被喷射到盘间空腔中，并且经由各种小孔和通过端口，被分配到不同的转子盘的小室。
在涡轮机的高压压气机隔室处抽取的空气可以包含残余物、颗粒，例如砂粒。在运行中，这些颗粒最终被输送到低压涡轮的转子部分中，并且尤其被输送到盘间空腔中，在盘间空腔中它们尤其是在涡轮可移动盘的环形凸缘的套圈下方积聚。
颗粒的这种积聚形成相对大的层，尤其是在环形凸缘套圈的径向内面处，并且导致盘的质量增加，并且因此导致涡轮机的离心质量增加，从而产生不同旋转部件的机械应力的增加，以及这些部件的寿命的减少。
这种颗粒积聚的第二结果是各个旋转部件(尤其是盘)的对流冷却的效率降低，因为积聚的颗粒充当热屏障。
因此，本发明旨在补救上述缺点，并且提供一种通过对所抽取的空气流中所包含的固体颗粒(如沙子)进行分离，用于纯化在涡轮机压气机处所抽取的冷却空气流的过滤装置。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于对所抽取的空气流中所包含的固体颗粒(如沙子)进行分离，而不显著地阻碍气流的技术方案。因此，本发明的解决方案试图提供一种使压头损失最小化的过滤装置，以便维持下游低压涡轮转子的有效冷却。
为此，本发明的一个目的是一种用于过滤冷却空气流的装置，该冷却空气流用于冷却涡轮机的低压涡轮，其特征在于，所述装置包括具有几何形状的管道，所述管道被构造成对穿过所述管道的所述冷却空气流进行离心，所述管道具有开口，这些开口的尺寸设计为允许对被离心的所述冷却空气流中所包含的固体颗粒进行分离，所述管道具有内接在具有旋转轴线的旋转圆柱体上的圆形螺旋形状。
借助于根据本发明的装置，实现了冷却流中所包含的固体颗粒的分离，同时使得压头损失最小化，这使得可以保持离开过滤装置的空气流的速度与进入的空气流的速度基本上相同。因此，低压涡轮的转子的冷却质量得以维持。
有利地，管道具有内接在具有旋转轴线的旋转圆柱体上的圆形螺旋形状。因此，管道的形状允许静态元件对穿过其中的冷却空气流进行离心。
有利地，管道是具有圆形截面的管。因此，进一步最小化了压头损失。
有利地，开口相对于所述旋转轴线被设置在所述管道的径向外部部分中。因此，在管道的一部分中制成开口，固体颗粒通过离心作用被引导至该部分中。
有利地，过滤装置包括用于储存从所述冷却空气流分离的固体颗粒的储存箱。因此，从空气流中分离的固体颗粒不被释放到涡轮机中。
有利地，储存箱具有空气多孔壳。因此，在储存箱内部不存在过压。
有利地，过滤装置包括形成所述过滤装置的外壳的保护罩。因此，过滤装置被保护免受冲击和外部侵害。
有利地，保护罩具有开口，这些开口允许保护罩的内部被放置成与该保护罩的外部处于流体连通。因此，保证保护罩内部的压力低于管道内部的压力，这有助于通过管道开口从管道排出固体颗粒。
有利地，保护罩具有进入舱口，该进入舱口被定位成面向在储存箱的外壳中所设置的开口。因此，在允许容易的清洁操作的同时，保证了过滤装置的内部的保护。
本发明还涉及一种用于冷却低压涡轮的系统，该系统包括用于将在高压压气机隔室处所抽取的冷却空气流输送到低压涡轮隔室的公用管，所述公用管包括过滤装置，所述过滤装置被定位在连接到高压压气机隔室的上游管与连接到低压涡轮隔室的下游管之间。
通过阅读以下说明和检查附图，将更好地理解本发明及其各种应用。
附图说明
这些图仅用于指示而非限制本发明的目的。
图1是结合了根据本发明的过滤装置的用于输送在高压压气机模块处所抽取的冷却空气的公用管的示意性透视图。
图2更特别地示出了在沿着装置的纵向轴线的局部轴向截面中，根据本发明的过滤装置的一个示例性实施方式。
图3更特别地示出了根据本发明的过滤装置的螺旋管的横截面。
图4是示出了根据本发明的过滤装置的运行的示意图。
图5是图2中所示的过滤装置的外部视图。
图6是沿着图2中所示的过滤装置的纵向平面的局部截面视图，该截面是在外部保护壳与图2中所示的过滤装置内部的储存箱之间。
除非另外说明，在不同图中出现的相同元件具单一附图标记。
具体实施方式
图1是结合了根据本发明的过滤装置100的用于输送在高压压气机模块处所抽取的冷却空气的公用管10的示意性透视图。
图2更特别地示出了在沿着装置的纵向轴线的局部轴向截面中，根据本发明的过滤装置100的一个示例性实施方式。
根据本发明的过滤装置100用于过滤用于冷却低压涡轮的冷却空气流F，并且更特别地用于冷却低压涡轮的转子。
冷却空气流F在低压涡轮的上游部分处，例如在涡轮机的高压压气机处被抽取，并且经由在图1中表示的被称为“公用管10”的供应管被输送到涡轮中心框架(TCF)。
公用管10包括：上游端11，该上游端连接至高压压气机的一部分，并且被构造成允许抽取冷却空气流F；以及至少一个下游臂，具有下游分配端12，该下游分配端被构造成连接至涡轮中心框架的喷射孔(在图1中以举例方式示出的公用管10包括两个公用臂18，这两个公用臂各自具有下游分配端12)。
根据本发明的过滤装置100有利地位于上游端11与下游端12之间的这个公用管10上。因此，该过滤装置100被插入在公用管10的上游管14与下游管16之间。
参考图2，根据本发明的过滤装置100包括内接在具有旋转轴线(Ox)的旋转圆柱体上的螺旋或圆形螺旋形状的管道110。根据示范性实施方式，管道110由具有圆形截面的管形成。
形成管道的螺旋管110具有上游端111和下游端112，该上游端被构造成联接到公用管10的上游管14，该下游端被构造成联接到公用管10的下游管16。
螺旋管110的上游端和下游端111和112分别经由合适的附接装置(例如，通过凸缘和螺栓连接的系统)固定到上游管14和下游管16。
螺旋管110具有围绕具有旋转轴线Ox的旋转圆柱体，以圆形螺旋或螺钉的形式绘制的母线。因此，螺旋管110具有沿着旋转轴线Ox轴向地延伸的多个环，并且通常具有开塞钻的形状。
如在图2中，并且更特别地在图3中所表示的，该图特别地示出了根据本发明的过滤装置100的螺旋管110的横截面，螺旋管110包括多个开口114，这些开口相对于基本上平行于纵向轴线L的旋转轴线Ox，被设置在螺旋管的径向外部部分115处。
有利地，在螺旋管110的整个长度上，即，在螺旋管110的上游端111与下游端112之间，制作开口114。
根据替代性实施方式，还预期在螺旋管110的长度上分布的一个或多个部分上制作开口114。
根据期望从空气流F中过滤或抽出的颗粒的大小，确定开口114的直径。
举例来讲，为了过滤具有0.01mm至2mm直径的砂颗粒，开口114可以具有2mm的直径。
借助于根据本发明的过滤装置100，在公用管10的上游管14中以速度V1和压力P1循环的冷却空气流F通过在螺旋管110内部循环而被离心。
因此，螺旋管110是具有几何形状的静态元件，允许冷却空气流F被离心。
冷却空气流F的离心允许沙粒120通过它们的密度差而与空气流分离。
在螺旋管110内部循环过程中，冷却空气流F和沙粒120经受由螺旋管110的螺旋形状施加的离心力。
如在图3中可以看到的，砂粒120因此朝向相对于旋转轴线Ox的螺旋管110的径向外部部分115抛射，并且砂粒120经由开口114从螺旋管110中排出。
过滤装置100包括储存箱130，该储存箱用于接纳从冷却空气流F中过滤掉，并且从螺旋管110中排出的沙粒120。
储存箱130围绕螺旋管110，即，螺旋管110容置于储存箱130内。
储存箱130形成具有至少一个外壁的罩，该外壁形成罩壳，该罩壳对于空气是穿孔的，但不允许过滤颗粒、尤其是过滤沙颗粒120通过。
因此，从冷却空气流F中过滤的沙粒120在重力作用下积聚在储存箱130的底部，如图2中所示。
例如，储存箱130是围绕螺旋管110的多孔布或多孔金属罩。
此外，过滤装置100包括形成过滤装置100的外壳的保护罩140。保护罩140定位在储存箱130周围以及公用管10与螺旋管110之间的联接部分周围。为此目的，保护罩140包括上游附接系统141和下游附接系统142，该上游附接系统和该下游附接系统用于分别地将保护罩附接到公用管10的上游管14和下游管16上。
保护罩140基本上具有保护装置100，并且尤其是螺旋管110，免受各种冲击或外部侵害的作用。
过滤装置100进一步包括用于将储存箱130固定至保护罩140上的装置144。因此，储存箱130是自支撑的，并且可以在保护罩140的内部居中，如在图2中所示。
通过举例的方式，用于将储存箱130固定到保护罩140上的装置144还被构造成用于限制和/或吸收在保护罩140内部的储存箱130的较大运动、振动等。
保护罩140还包括开口146，尤其用于允许保护罩140的外部与内部之间的流体连通，即，空气交换。因此，如图4的示意图所示，保证螺旋管110内部的压力P1大于周围压力P2，并且因此保证沙粒120从螺旋管中110排出。
实际上，如果保护罩140被关闭和完全地密封，则沙粒120将被卡在螺旋管110内部，并且不会被大于在螺旋管110内部循环的冷却空气流F的压力P1的保护罩140内部的压力的存在排出。
在保护罩140处设置的开口146的尺寸被设计为保证螺旋管110内部的压力P1大于保护罩140内部的压力P2，同时最小化在高压压气机隔室处所抽取的冷却空气流F的流速损失。因此，在过滤装置100的出口处的空气流速被最大化，以确保过滤装置100的下游，并且尤其是低压涡轮转子的下游的适当冷却。
通过举例的方式，开口146均匀地分布在保护罩140的表面的至少一部分上。
参考表示过滤装置100的外部视图的图5，保护罩140包括通向储存箱130的进口。
因此，如通过实施例所表示的，保护罩140可以包括配备有可移除面板149的进入舱口148，该进入舱口给予当可移除面板149处于打开位置时进入储存箱130的可能性，并且当可移除面板149处于关闭位置时为保护罩140内部的元件提供保护的可能性。
面对保护罩140的进入舱口148，储存箱130还包括开口132，该开口设置在储存箱的外壳处，允许从过滤装置100的外部接近在储存箱130中所积聚的沙粒120。例如，开口132是具有在打开位置与关闭位置之间的可移除面板的进入舱口。图5中以截面图示出储存箱的开口132。
进入舱口148、132的尺寸被设计为允许视觉控制储存箱的填充和/或用于抽吸装置150的抽吸管151的通过。进入舱口148、132必须足够大，以能够抽吸储存箱130中存在的所有颗粒。
因此，便于维护操作。考虑到进口，因此可以使用常规抽吸装置150容易地排空储存箱130，如在图6中表示的。因此，根据本发明的过滤装置100使得在维护操作期间，或者在发动机检查操作期间，更容易抽出所储存的沙粒120。
过滤装置100还可以包括填充检测器，该填充检测器用于例如，通过实时传送填充速率，或者通过在超过阈值填充速率时发出警报信号，传送储存箱130中的砂粒120的填充速率。

Claims (9)

1.一种用于过滤冷却空气流(F)的装置(100)，所述冷却空气流用于冷却涡轮机的低压涡轮，其特征在于，所述装置包括具有几何形状的管道(110)，所述管道被构造成用于对穿过管道(110)的冷却空气流(F)进行离心，所述管道(110)具有开口(114)，所述开口的尺寸被设计为允许对被离心的所述冷却空气流(F)中所包含的固体颗粒进行分离，所述管道(110)具有内接在具有旋转轴线(Ox)的旋转圆柱体上的圆形螺旋形状。
2.根据前述权利要求所述的用于过滤冷却空气流(F)的装置(100)，其特征在于，所述管道(110)是具有圆形截面的管道。
3.根据权利要求2所述的用于过滤冷却空气流(F)的装置(100)，其特征在于，所述开口(114)相对于所述旋转轴线(Ox)设置在所述管道的径向外部部分中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的用于过滤冷却空气流(F)的装置(100)，其特征在于，所述装置包括存储罐(130)，所述存储罐用于存储从所述冷却空气流(F)分离的固体颗粒。
5.根据前述权利要求所述的用于过滤冷却空气流(F)的装置(100)，其特征在于，所述储存罐(130)具有空气多孔的壳。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用于过滤冷却空气流(F)的装置(100)，其特征在于，所述装置包括形成所述过滤装置(110)的外壳的保护罩(140)。
7.根据前述权利要求所述的用于过滤冷却空气流(F)的装置(100)，其特征在于，所述保护罩(140)具有开口(146)，所述开口允许保护罩(140)的内部被放置成流体连通保护罩(140)的外部。
8.根据权利要求6至7之一所述的用于过滤冷却空气流(F)的装置(100)，其特征在于，所述保护罩(140)具有面向设置在储存箱(130)的外壳处的开口(132)定位的进入舱口(148)。
9.一种用于冷却低压涡轮的系统，其特征在于，所述系统包括用于将在高压压气机隔室处所抽取的冷却空气流(F)输送至低压涡轮隔室的公用管(10)，所述公用管(10)包括根据前述权利要求中任一项所述的过滤装置(100)，所述过滤装置(100)被定位在连接至高压压气机隔室的上游管(14)与连接至所述低压涡轮隔室的下游管(16)之间。
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