CN117287267A - 一种燃气轮机的涡轮盘腔结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于燃气轮机技术领域，具体涉及一种燃气轮机的涡轮盘腔结构，涡轮盘腔结构设置于涡轮导向器组件与涡轮转子组件的结合处；所述涡轮盘腔结构包括外封严通道、内封严通道和径向回流通道；外封严通道为预旋喷嘴环与前篦齿环之间的间隙，内封严通道为内篦齿封严环与前篦齿环之间的间隙，径向回流通道为内安装环与预旋喷嘴环之间的间隙；预旋喷嘴环处喷向前篦齿环的冷气的一部分通过外封严通道和内封严通道送入到冷气回流腔中；预旋喷嘴环处喷向前篦齿环的冷气的又一部分通过内封严通道送入到冷气回流腔中。本方案减少了泄漏的冷气与燃气轮机主流道中的主气流的混掺而造成的能量损失，还能对涡轮转子组件的轴向力和径向离心力进行调节。

Description

一种燃气轮机的涡轮盘腔结构

技术领域

本发明属于燃气轮机技术领域，具体涉及一种燃气轮机的涡轮盘腔结构。

背景技术

涡轮导向器是燃气轮机的主要部件之一，而在涡轮导向器与涡轮转子的连接处往往形成有涡轮盘腔结构，涡轮盘腔结构主要用于引用来自压气机的末级冷气，然后对冷气进行增压后，对涡轮盘、转子叶片等高温部件的进行冷却。

在涡轮导向器和涡轮转子所用的制造材料的耐温能力有限的情况下，通过提高冷气的利用率和合理分配冷气，成为了保障涡轮在高温环境下可靠工作的有效途径。现有的涡轮盘腔结构为了保证冷气对涡轮导向器和涡轮转子等结构的冷却，往往会设计较多的通气间隙，如此就造成涡轮导向器与涡轮转子封严难度大的问题，这种情况下，冷气往往会从不同的通气间隙处进入到燃气轮机的主通道内，而这些泄漏的冷气不仅带来冷能的浪费，同时也降低了主通道中的温度，影响燃气轮机的运行功率，为此，有必要设计一种能够减少泄漏冷气浪费和减少冷气与主通道内主气流混掺的涡轮盘腔结构。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本方案提供了一种燃气轮机的涡轮盘腔结构。

本发明所采用的技术方案为：

一种燃气轮机的涡轮盘腔结构，涡轮盘腔结构设置于涡轮导向器组件与涡轮转子组件的结合处；

所述涡轮转子组件包括从前至后先后连接的涡轮轴、前篦齿环和涡轮盘；

所述涡轮导向器组件包括内安装环、内锥环、预旋喷嘴环和内篦齿封严环；所述内安装环设置于内锥环的外侧，且在两者之间形成有冷气增压腔，该冷气增压腔连通冷气源；在内锥环与其内侧的涡轮轴之间具有冷气回流腔，所述冷气回流腔用于回流涡轮轴后侧的冷气；所述预旋喷嘴环连接于内锥环的后端，并与前篦齿环配合形成篦齿封严；内篦齿封严环连接于预旋喷嘴环的内环侧，并与前篦齿环配合也形成篦齿封严；

所述涡轮盘腔结构包括外封严通道、内封严通道和径向回流通道；外封严通道为预旋喷嘴环与前篦齿环之间的间隙，内封严通道为内篦齿封严环与前篦齿环之间的间隙，径向回流通道为内安装环与预旋喷嘴环之间的间隙；预旋喷嘴环处喷向前篦齿环的冷气的一部分通过外封严通道和内封严通道送入到冷气回流腔中；预旋喷嘴环处喷向前篦齿环的冷气的又一部分通过内封严通道送入到冷气回流腔中。

作为上述涡轮盘腔结构的备选结构或补充设计：所述预旋喷嘴环的后环面上具有多个封严部，在前篦齿环上具有多个篦齿部；封严部与对应的篦齿部形成篦齿封严，使得外封严通道弯转呈S形。

作为上述涡轮盘腔结构的备选结构或补充设计：所述预旋喷嘴环的两个封严部分别为第一封严部和第二封严部，第一封严部和第二封严部分别位于预旋喷嘴环后环面的中部和外缘处；在前篦齿环上的篦齿部分别为第一篦齿部和第二篦齿部；所述第一篦齿部贴合于第一封严部的径向内侧，第二篦齿部贴合于第二封严部的径向内侧。

作为上述涡轮盘腔结构的备选结构或补充设计：在前篦齿环的内侧设置有第三篦齿部，在内篦齿封严环的内环侧设置有第三封严部，该第三篦齿部贴合于第三封严部的径向内侧并形成篦齿封严。

作为上述涡轮盘腔结构的备选结构或补充设计：第三篦齿部的轴线长度大于第一篦齿部与第二篦齿部之和。

作为上述涡轮盘腔结构的备选结构或补充设计：在内锥环的后部设置有后法兰部，所述后法兰部上设置有径向气孔和轴向气孔，所述轴向气孔用于将冷气增压并送入预旋喷嘴环的喷流孔中，所述径向气孔用于径向回流通道与冷气回流腔之间的连通。

作为上述涡轮盘腔结构的备选结构或补充设计：若干径向气孔与轴向气孔相间设置。

作为上述涡轮盘腔结构的备选结构或补充设计：所述径向回流通道由外至内呈扩口状，使径向回流通道中的冷气扩压。

作为上述涡轮盘腔结构的备选结构或补充设计：所述预旋喷嘴环的内环侧设置有喷嘴部，若干喷流孔设置于喷嘴部上并旋向倾斜。

作为上述涡轮盘腔结构的备选结构或补充设计：喷流孔前端的截面面积大于后端的截面面积，使冷气能够在喷流孔内增压。

本发明的有益效果为：本方案通过设计将冷气回流至冷气回流腔的冷气回流通道结构，有效的减少了泄漏的冷气与燃气轮机主流道中的主气流的混掺而造成的能量损失，同时冷气回流腔注入冷气后，能够使得涡轮转子组件外侧进行增压，从而达到对涡轮转子组件的轴向力和径向离心力进行调节的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本方案实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本方案中的涡轮盘腔结构的局部剖视图；

图2是本方案中的涡轮盘腔结构处的空气流向图；

图3是内锥环的结构示意图；

图4是内锥环的局部剖视图；

图5是预旋喷嘴环的结构示意图；

图6是预旋喷嘴环的局部剖视图。

图中：1-内安装环；11-冷气进孔；2-内锥环；21-锥形部；22-前法兰部；23-后法兰部；231-轴向气孔；232-径向气孔；3-预旋喷嘴环；31-环面部；32-第一封严部；33-第二封严部；34-喷嘴部；341-喷流孔；35-抵柱；4-内篦齿封严环；5-篦齿盘；51-盘面进气孔；52-第一篦齿部；53-第二篦齿部；54-第三篦齿部；55-第四篦齿部；6-涡轮盘；61-传递气孔；7-导向叶片；8-工作叶片；9-冷气回流腔。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而非是全部，基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本方案的保护范围。

实施例1

如图1至图6所示，本实施例设计了一种燃气轮机的涡轮盘腔结构，能够将泄漏的冷气进行回流，从而减少冷气进入燃气轮机的主通道，与主通道内的主气流混掺而影响燃气轮机的功率，涡轮盘腔结构设置于涡轮导向器组件与涡轮转子组件的结合处。

所述涡轮转子组件包括涡轮轴、前篦齿环和涡轮盘6等部件；涡轮轴、前篦齿环和涡轮盘6从前至后先后设置。该涡轮轴呈轴筒状。涡轮盘6呈圆盘状，并连接在涡轮轴的后端，在涡轮盘6的外环侧连接有多个转子叶片。前篦齿环也呈圆盘状，并设置于的涡轮轴的前侧，该前篦齿环的内环侧套接于涡轮盘6中部向前凸起的部分上，在前篦齿环的设置有盘面进气孔51。为了实现对转子叶片的冷却：涡轮导向器组件向后送出的冷气，往往从盘面进气孔51处进入到前篦齿环与涡轮盘6之间，然后经过涡轮盘6外缘处的传递气孔61送入到转子叶片的内腔中，然后通过转子叶片的叶身上的孔排入到转子叶片所在的主通道中，从而对转子叶片实现冷却保护。

所述涡轮导向器组件包括内安装环1、内锥环2、预旋喷嘴环3和内篦齿封严环4等部件。在内安装环1前部的环壁上设置有冷气进孔11，涡轮导向器组件前侧的压气机处引入的冷气将会从冷气进孔11进入到内安装环1的内侧。在内安装环1的后部外侧环向设置有若干导向叶片7，为了实现导向叶片7的冷却：压气机处引入的冷气往往会沿着内安装环1的外侧送入到导向叶片7的内腔中，然后从导向叶片7叶身上的气膜孔流出，从而实现导向叶片7的冷却保护。

内锥环2固定设置于内安装环1的内侧，并且在内锥环2与内安装环1之间形成有冷气增压腔，冷气增压腔通过内安装环1上的冷气进孔11连通冷气源（即压气机处引入的冷气通道）。内锥环2包括锥形部21、前法兰部22和后法兰部23；锥形部21的直径从前至后递减；前法兰部22设置于锥形部21的前侧，并通过螺栓与内安装环1的前侧固定连接；后法兰部23设置于锥形部21的后侧，后法兰部23上环布有若干轴向气孔231，所述轴向气孔231用于将冷气增压并送入预旋喷嘴环3的喷流孔341中，冷气增压腔沿气流方向呈收口状，从而使得冷气在向轴向气孔231流入过程中，不断增压。

涡轮轴的径向外侧具有冷气回流腔9，冷气回流腔9的后端位于内锥环2与其内侧的涡轮轴之间，所述冷气回流腔9用于使得涡轮轴后侧的冷气向前流动，并实现冷气回流。

所述预旋喷嘴环3固定连接于内锥环2的后端，该预旋喷嘴环3包括有环面部31、封严部、喷嘴部34和抵柱35等结构。

环面部31呈圆环状，在环面部31的后环面上具有多个封严部，具体可为第一封严部32和第二封严部33，第一封严部32和第二封严部33分别位于预旋喷嘴环3后环面的中部和外缘处，在前篦齿环的前侧面上具有多个篦齿部，具体可为第一篦齿部52和第二篦齿部53，所述第一篦齿部52贴合于第一封严部32的径向内侧并形成篦齿封严，第二篦齿部53贴合于第二封严部33的径向内侧并形成篦齿封严，通过第一封严部32和第二封严部33处的封严结构设计，使得前篦齿环与预旋喷嘴之间的外封严通道弯转呈S形，从而提高了封严效果、降低了冷气泄漏，提高了冷气利用率。

预旋喷嘴环3的喷嘴部34位于环面部31的内环侧，若干喷流孔341设置于喷嘴部34上；各个喷流孔341旋向倾斜，从而使得喷流孔341向后喷出冷气的同时，向喷嘴部34的喷流孔341所在位置的切线方向倾斜。该喷流孔341前端的截面面积大于后端的截面面积，使冷气能够在喷流孔341内增压。在预旋喷嘴环3与内锥环2连接时，应当保证轴向气孔231与喷流孔341的对准。在环面部31的外沿设置的抵柱35能够向前抵住内安装环1，相邻抵柱35之间的间隙能够用于冷气的通过。

内篦齿封严环4连接于预旋喷嘴环3的内环侧，在前篦齿环的内侧设置有第三篦齿部54，在内篦齿封严环4的内环侧设置有第三封严部，该第三篦齿部54贴合于第三封严部的径向内侧并形成篦齿封严。第三篦齿部54的轴线长度大于第一篦齿部52与第二篦齿部53之和，从而减少第三篦齿部54处的冷气泄露。

本实施例所设计的涡轮盘腔结构包括外封严通道、内封严通道和径向回流通道等结构。外封严通道为预旋喷嘴环3与前篦齿环之间的间隙（包括第二封严部33与第二篦齿部53之间的间隙，以及包括第一封严部32与第一篦齿部52之间的间隙），内封严通道为内篦齿封严环4与前篦齿环之间的间隙（包括第三封严部与第三篦齿部54之间的间隙），径向回流通道为内安装环1与预旋喷嘴环3之间的间隙。从预旋喷嘴环3的喷流孔341处喷出的气流，能够经过S形的外封严通道流向预旋喷嘴环3的外侧。而外封严通道与径向回流通道是相互连通的，使得外封严通道外侧的泄漏的冷气能够通过预旋喷嘴环3的相邻抵柱35之间的间隙进入到径向回流通道中，并通过该径向回流通道进入到冷气回流通道中；在所述径向回流通道由外至内呈扩口状，使径向回流通道中的冷气扩压；在内锥环2的后法兰部23上还设置有若干径向气孔232，若干径向气孔232与轴向气孔231相间设置，所述径向气孔232用于径向回流通道与冷气回流腔9之间的连通，使得径向回流通道中的冷气能够引入到冷气回流腔9中。

为了避免通过外封严通道泄漏的冷气进入通过内安装环1与涡轮转子组件之间的间隙进入到转子叶片所在的主通道中，在内安装环1的后端内侧设置有第四封严部，而在篦齿盘5的外沿处设置有第四篦齿部55，该第四篦齿部55贴合到第四封严部上的径向内侧，并配合形成篦齿封严的效果。

本实施例中的涡轮盘腔结构在使用时，预旋喷嘴环3处喷向前篦齿环的冷气的一部分通过外封严通道和内封严通道送入到冷气回流腔9中；预旋喷嘴环3处喷向前篦齿环的冷气的又一部分通过内封严通道送入到冷气回流腔9中，减少了泄漏的冷气与燃气轮机主流道中的主气流的混掺而造成的能量损失，同时冷气回流腔9注入冷气后，能够使得涡轮转子组件外侧进行增压，从而达到对涡轮转子组件的轴向力和径向离心力进行调节的效果

上述实施例仅仅是为了清楚地说明所做的举例，而并非对实施方式的限定；这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本技术的保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃气轮机的涡轮盘腔结构，其特征在于：涡轮盘腔结构设置于涡轮导向器组件与涡轮转子组件的结合处；

所述涡轮转子组件包括从前至后先后连接的涡轮轴、前篦齿环和涡轮盘（6）；

所述涡轮导向器组件包括内安装环（1）、内锥环（2）、预旋喷嘴环（3）和内篦齿封严环（4）；所述内安装环（1）设置于内锥环（2）的外侧，且在两者之间形成有冷气增压腔，该冷气增压腔连通冷气源；在内锥环（2）与其内侧的涡轮轴之间具有冷气回流腔（9），所述冷气回流腔（9）用于回流涡轮轴后侧的冷气；所述预旋喷嘴环（3）连接于内锥环（2）的后端，并与前篦齿环配合形成篦齿封严；内篦齿封严环（4）连接于预旋喷嘴环（3）的内环侧，并与前篦齿环配合也形成篦齿封严；

所述涡轮盘腔结构包括外封严通道、内封严通道和径向回流通道；外封严通道为预旋喷嘴环（3）与前篦齿环之间的间隙，内封严通道为内篦齿封严环（4）与前篦齿环之间的间隙，径向回流通道为内安装环（1）与预旋喷嘴环（3）之间的间隙；预旋喷嘴环（3）处喷向前篦齿环的冷气的一部分通过外封严通道和内封严通道送入到冷气回流腔（9）中；预旋喷嘴环（3）处喷向前篦齿环的冷气的又一部分通过内封严通道送入到冷气回流腔（9）中。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机的涡轮盘腔结构，其特征在于：所述预旋喷嘴环（3）的后环面上具有多个封严部，在前篦齿环上具有多个篦齿部；封严部与对应的篦齿部形成篦齿封严，使得外封严通道弯转呈S形。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机的涡轮盘腔结构，其特征在于：所述预旋喷嘴环（3）的两个封严部分别为第一封严部（32）和第二封严部（33），第一封严部（32）和第二封严部（33）分别位于预旋喷嘴环（3）后环面的中部和外缘处；在前篦齿环上的篦齿部分别为第一篦齿部（52）和第二篦齿部（53）；所述第一篦齿部（52）贴合于第一封严部（32）的径向内侧，第二篦齿部（53）贴合于第二封严部（33）的径向内侧。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机的涡轮盘腔结构，其特征在于：在前篦齿环的内侧设置有第三篦齿部（54），在内篦齿封严环（4）的内环侧设置有第三封严部，该第三篦齿部（54）贴合于第三封严部的径向内侧并形成篦齿封严。

5.根据权利要求4所述的燃气轮机的涡轮盘腔结构，其特征在于：第三篦齿部（54）的轴线长度大于第一篦齿部（52）与第二篦齿部（53）之和。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的燃气轮机的涡轮盘腔结构，其特征在于：在内锥环（2）的后部设置有后法兰部（23），所述后法兰部（23）上设置有径向气孔（232）和轴向气孔（231），所述轴向气孔（231）用于将冷气增压并送入预旋喷嘴环（3）的喷流孔（341）中，所述径向气孔（232）用于径向回流通道与冷气回流腔（9）之间的连通。

7.根据权利要求6所述的燃气轮机的涡轮盘腔结构，其特征在于：若干径向气孔（232）与轴向气孔（231）相间设置。

8.根据权利要求6所述的燃气轮机的涡轮盘腔结构，其特征在于：所述径向回流通道由外至内呈扩口状，使径向回流通道中的冷气扩压。

9.根据权利要求6所述的燃气轮机的涡轮盘腔结构，其特征在于：所述预旋喷嘴环（3）的内环侧设置有喷嘴部（34），若干喷流孔（341）设置于喷嘴部（34）上并旋向倾斜。

10.根据权利要求9所述的燃气轮机的涡轮盘腔结构，其特征在于：喷流孔（341）前端的截面面积大于后端的截面面积，使冷气能够在喷流孔（341）内增压。