CN117662302A - 一种可调高压气冷的燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调高压气冷的燃气轮机，包括增压气泵、散热器、外部管路、控制阀、流量计、涡轮机匣蜗壳、一级涡轮导向器，所述一级涡轮导向器包括与涡轮机匣蜗壳连接外环、内环、及装在内环和外环之间的环形涡轮导向叶片，所述环形涡轮导向叶片由多组三联导叶和一组双联导叶围合而成，所述三联导叶和双联导叶均由一级涡轮导向叶片铸造，所述一级涡轮导向叶片包括叶身、叶形冲击管一、叶形冲击管二、上缘板、下缘板，本发明增加的新的冷气入口和冷气排出口都从涡轮机匣蜗壳进出，将此空间利用成冷气循环气路，保证了冷气的气密性；按不同工况可从1％到6％调节流量比，避免小功率时冷气浪费，大功率时冷气不足。

Description

一种可调高压气冷的燃气轮机

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，具体为一种可调高压气冷的燃气轮机。

背景技术

某型燃气轮机功率达1-2兆瓦，用作冷热电联供系统的燃气动力，目前采用气冷一级导流器对燃气轮机的叶片进行冷却。气冷一级导流器是长寿命燃气轮机的标配，从压气机出口引高压空气进入导流器外环，进入各导叶内腔，从叶盆尾部的斜孔喷出，汇入主流。目前的气冷一级导流器冷气流路上的孔径和孔数都是固定的，因此无法调节流量，无论是什么功率状态，只能提供占总气流的百分比固定约4％的冷气流量，无法避免小功率时冷气浪费，大功率时冷气不足；而且冷气孔设在内环和外环上，内环、一级涡轮导向叶片和外环之间气密性不足，因此原先的冷气会分散出去，降低冷却效率。

公开号为CN116104587A的专利公开了一种航空发动机的燃气涡轮导向器；包括环形内环、环形外环以及连接环形内环与环形外环的导向叶片；环形内环设置有第一气膜孔，环形外环上设置有第二气膜孔，导向叶片具有连接环形内环内表面与环形外环外表面的中空腔体，中空腔体内卡扣连接有对导向叶片起振动阻尼以及气流冷却作用的冲击管，导向器的前端与火焰筒套接，所述导向器的末端与涡轮内机匣连接，所述环形内环、环形外环以及导向叶片一体成型，该燃气涡轮导向器的孔径和孔数都是固定的，因此无法调节流量，无论是什么功率状态，只能提供占总气流的百分比固定约4％的冷气流量，无法避免小功率时冷气浪费，大功率时冷气不足；而且冷气孔设在内环和外环上，内环、一级涡轮导向叶片和外环之间气密性不足，因此原先的冷气会分散出去，降低冷却效率。

发明内容

本发明为解决现有技术的问题，提供一种可调高压气冷的燃气轮机。

本发明采用的技术方案是：

一种可调高压气冷的燃气轮机，包括增压气泵、与增压气泵连接的散热器、一端与散热器连接的外部管路、设在外部管路上的控制阀和流量计、与外部管路另一端连接的涡轮机匣蜗壳、与涡轮机匣蜗壳连接的一级涡轮导向器；

所述一级涡轮导向器包括与涡轮机匣蜗壳连接的外环、内环、及装在内环和外环之间的环形涡轮导向叶片，所述环形涡轮导向叶片由多组三联导叶和一组双联导叶围合而成，所述三联导叶由三片一级涡轮导向叶片一体式铸造，所述双联导叶由两片一级涡轮导向叶片一体式铸造，所述一级涡轮导向叶片包括含有内腔的叶身、设在叶身内腔的两个不同大小的叶形冲击管一和叶形冲击管二、设在叶身上方的上缘板和叶身下方的下缘板，叶形冲击管一和叶形冲击管二均直通上缘板和下缘板；

所述叶形冲击管一比叶形冲击管二大，叶形冲击管一设在内腔前沿，叶形冲击管二设在内腔后沿，所述叶形冲击管一的前沿和壁身设有冲击冷气孔，所述叶身设有双排的冷气排出孔，冲击冷气孔与冷气排出孔位置错开；

所述上缘板上方前后设有与外环内侧连接的前上支撑和后上支撑，所述后上支撑侧面设有冷气入口孔，所述外环与全部的上缘板、前上支撑和后上支撑之间形成环状的空腔，所述空腔与全部的叶形冲击管一、叶形冲击管二、冷气入口孔相通。

进一步地，所述下缘板下方前后设有与内环外侧连接的前下支撑和后下支撑。

进一步地，所述叶身由光顺叶型拉伸而成，并且拉伸方向垂直于涡轮轴，将燃烧室出口的轴向气流偏转60°，降压加速喷出。

进一步地，所述叶形冲击管一和叶形冲击管二为等壁厚，厚度为0.3mm，两个叶形冲击管一之间隔厚约1±0.5mm，提高了刚性和自振频率，这种设计可提高合格率，降低制造成本。

进一步地，所述一级涡轮导向叶片是由镍基高温合金铸造，涂覆钴铬铝钇合金，提高耐高温氧化性能。

进一步地，所述下缘板设有角向定位槽，所述内环通过方榫插入角向定位槽与下缘板连接。

进一步地，所述上缘板设有外环定位销孔，所述外环通过定位销插入外环定位销孔与上缘板连接。

进一步地，所述外环与涡轮机匣蜗壳的接口用涨圈密封定位，一级涡轮导向叶片相互之间插入铁基高温合金条密封，兼有振动阻尼功能。

进一步地，所述三联导叶与双联导叶、三联导叶与三联导叶之间设有间隙，间隙在0.2±0.05mm，此间隙热胀冷缩补偿间隙。

进一步地，所述叶形冲击管一或叶形冲击管二前沿外壁设有一根光纤，红热状态的导叶发出的光通过光纤传送到发动机外部，在光纤的输出端用辐射测温仪器测出壁面温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明去除原来内环和外环的冷气入口，增加的新的冷气入口和冷气排出口都从涡轮机匣蜗壳进出，本身涡轮机匣蜗壳与一级涡轮导向器之间的空间为密封闲置状态，将此空间利用成冷气循环气路，保证了冷气的气密性，而且增压冷气由外部管路供给，按不同工况可从1％到6％调节流量比，避免小功率时冷气浪费，大功率时冷气不足。

(2)本发明应用三联导叶和双联导叶联合整环铸造，整环车铣加工，提高了合格率，提高了生产力，可以应用于更高的燃气温度(最高可达1K℃)和热变形应力，可减少几十个零件数量，制作成本降低，可减少冷气泄漏，提高效率，延长一级涡轮导向叶片使用寿命。

(2)本发明在高温合金导叶外表涂覆钴铬铝钇合金，提高耐高温氧化性能，提高燃气温度，降低耗油率，提高燃油经济性。

(4)本发明四条圆弧腿(前上支撑、后上支撑、前下支撑、后下支撑)稳定支撑在内外环中，三联导叶与双联导叶、三联导叶与三联导叶之间设有热胀冷缩的小间隙，多处阻尼降低振动应力。

附图说明

图1为一种可调高压气冷的燃气轮机的结构示意图；

图2为一级涡轮导向器的结构示意图；

图3为双联导叶的仰视结构示意图；

图4为双联导叶的俯视结构示意图；

图5为三联导叶的结构示意图；

图6为环形涡轮导向叶片的结构示意图；

图7为冲击管的结构示意图。

其中：1-涡轮机匣蜗壳；2-一级涡轮导向器；3-外环；4-内环；5-环形涡轮导向叶片；6-三联导叶；7-双联导叶；8-光纤；9-叶身；10-外环定位销孔；11-叶形冲击管一；12-叶形冲击管二；13-上缘板；14-下缘板；15-冲击冷气孔；16-冷气排出孔；17-前上支撑；18-后上支撑；19-冷气入口孔；20-空腔；21-前下支撑；22-后下支撑；23-角向定位槽。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1

请参阅图2至图7，本发明提供的一种实施例：一种可调高压气冷的燃气轮机，包括增压气泵、与增压气泵连接的散热器、一端与散热器连接的外部管路、设在外部管路上的控制阀和流量计、与外部管路另一端连接的涡轮机匣蜗壳1、与涡轮机匣蜗壳1连接的一级涡轮导向器2；

所述一级涡轮导向器2包括与涡轮机匣蜗壳1连接的外环3、内环4、及装在内环4和外环3之间的环形涡轮导向叶片5，所述环形涡轮导向叶片5由多组三联导叶6和一组双联导叶7围合而成，所述三联导叶6由三片一级涡轮导向叶片8一体式铸造，所述双联导叶7由两片一级涡轮导向叶片8一体式铸造。

所述一级涡轮导向叶片8包括含有内腔10的叶身9、设在叶身9内腔10的两个不同大小的叶形冲击管一11和叶形冲击管二12、设在叶身9上方的上缘板13和叶身9下方的下缘板14。所述一级涡轮导向叶片8是由镍基高温合金铸造，涂覆钴铬铝钇合金，提高耐高温氧化性能。

所述叶身9由光顺叶型拉伸而成，并且拉伸方向垂直于涡轮轴，将燃烧室出口的轴向气流偏转60°，降压加速喷出。

所述叶形冲击管一11和叶形冲击管二12均直通上缘板13和下缘板14，所述叶形冲击管一11比叶形冲击管二12大，叶形冲击管一11设在内腔10前沿，叶形冲击管二12设在内腔10后沿，所述叶形冲击管一11的前沿和壁身设有冲击冷气孔15，叶形冲击管一11前沿的冲击冷气孔15对着叶身9的内部背面吹，未冷却之前，这个部位的温度最高，所述叶身9设有双排的冷气排出孔16，冲击冷气孔15与冷气排出孔16位置错开，冷气曲折前行。

所述上缘板13上方前后设有与外环3内侧连接的前上支撑17和后上支撑18，所述后上支撑18侧面设有冷气入口孔19，所述外环3与全部的上缘板13、前上支撑17和后上支撑18之间形成环状的空腔20，所述空腔20与全部的叶形冲击管一11、叶形冲击管二12、冷气入口孔19相通。所述上缘板13设有外环定位销孔10，所述外环3通过定位销插入外环定位销孔10与上缘板13连接。

所述下缘板14下方前后设有与内环4外侧连接的前下支撑21和后下支撑22。所述下缘板14设有角向定位槽23，所述内环4通过方榫插入角向定位槽23与下缘板14连接。

所述外环3与涡轮机匣蜗壳1的接口用涨圈密封定位，一级涡轮导向叶片8相互之间插入铁基高温合金条密封，兼有振动阻尼功能。

所述三联导叶6与双联导叶7、三联导叶6与三联导叶6之间设有间隙，间隙在0.2mm，多处缝隙留出热涨冷缩的空间，减小热应力，增加循环寿命，由于可调冷气压力明显高于燃气压力，对密封性能提出了更高的要求，必须减少泄漏部位的数量。

工作时，增压气泵和散热器产生高压冷气，高压冷气可以通过控制阀调节流量，流量计观察流量大小，根据当时的燃气轮机的功率调节冷气多少，之后高压冷气从外部管路进入涡轮机匣蜗壳1，从冷气入口孔19灌入空腔20进入各叶形冲击管一11，进入各一级涡轮导向叶片8叶身9内腔10，再从各叶身9后沿的两排冷气排出孔16喷出，汇入主流涡轮机匣蜗壳1中。

实施例2

请参阅图2至图7，本发明提供的一种实施例：一种可调高压气冷的燃气轮机，包括增压气泵、与增压气泵连接的散热器、一端与散热器连接的外部管路、设在外部管路上的控制阀和流量计、与外部管路另一端连接的涡轮机匣蜗壳1、与涡轮机匣蜗壳1连接的一级涡轮导向器2；

所述一级涡轮导向器2包括与涡轮机匣蜗壳1连接的外环3、内环4、及装在内环4和外环3之间的环形涡轮导向叶片5，所述环形涡轮导向叶片5由多组三联导叶6和一组双联导叶7围合而成，所述三联导叶6由三片一级涡轮导向叶片8一体式铸造，所述双联导叶7由两片一级涡轮导向叶片8一体式铸造。

所述一级涡轮导向叶片8包括含有内腔10的叶身9、设在叶身9内腔10的两个不同大小的叶形冲击管一11和叶形冲击管二12、设在叶身9上方的上缘板13和叶身9下方的下缘板14。所述一级涡轮导向叶片8是由镍基高温合金铸造，涂覆钴铬铝钇合金，提高耐高温氧化性能。

所述叶身9由光顺叶型拉伸而成，并且拉伸方向垂直于涡轮轴，将燃烧室出口的轴向气流偏转60°，降压加速喷出。

所述叶形冲击管一11和叶形冲击管二12均直通上缘板13和下缘板14，所述叶形冲击管一11比叶形冲击管二12大，叶形冲击管一11设在内腔10前沿，叶形冲击管二12设在内腔10后沿，所述叶形冲击管一11的前沿和壁身设有冲击冷气孔15，叶形冲击管一11前沿的冲击冷气孔15对着叶身9的内部背面吹，未冷却之前，这个部位的温度最高，所述叶身9设有双排的冷气排出孔16，冲击冷气孔15与冷气排出孔16位置错开，冷气曲折前行。

进一步地，所述叶形冲击管一11和叶形冲击管二12为等壁厚，厚度为0.3mm，叶形冲击管一11和叶形冲击管二12隔厚约1mm，提高了刚性和自振频率，这种设计可提高合格率，降低制造成本。

所述上缘板13上方前后设有与外环3内侧连接的前上支撑17和后上支撑18，所述后上支撑18侧面设有冷气入口孔19，所述外环3与全部的上缘板13、前上支撑17和后上支撑18之间形成环状的空腔20，所述空腔20与全部的叶形冲击管一11、叶形冲击管二12、冷气入口孔19相通。所述上缘板13设有外环定位销孔10，所述外环3通过定位销插入外环定位销孔10与上缘板13连接。

所述下缘板14下方前后设有与内环4外侧连接的前下支撑21和后下支撑22。所述下缘板14设有角向定位槽23，所述内环4通过方榫插入角向定位槽23与下缘板14连接。

所述外环3与涡轮机匣蜗壳1的接口用涨圈密封定位，一级涡轮导向叶片8相互之间插入铁基高温合金条密封，兼有振动阻尼功能。

所述三联导叶6与双联导叶7、三联导叶6与三联导叶6之间设有间隙，间隙在0.2mm，多处缝隙留出热涨冷缩的空间，减小热应力，增加循环寿命，由于可调冷气压力明显高于燃气压力，对密封性能提出了更高的要求，必须减少泄漏部位的数量。

工作时，增压气泵和散热器产生高压冷气，高压冷气可以通过控制阀调节流量，流量计观察流量大小，根据当时的燃气轮机的功率调节冷气多少，之后高压冷气从外部管路进入涡轮机匣蜗壳1，从冷气入口孔19灌入空腔20进入各叶形冲击管一11，进入各一级涡轮导向叶片8叶身9内腔10，再从各叶身9后沿的两排冷气排出孔16喷出，汇入主流涡轮机匣蜗壳1中。

实施例3

请参阅图2至图7，本发明提供的一种实施例：一种可调高压气冷的燃气轮机，包括增压气泵、与增压气泵连接的散热器、一端与散热器连接的外部管路、设在外部管路上的控制阀和流量计、与外部管路另一端连接的涡轮机匣蜗壳1、与涡轮机匣蜗壳1连接的一级涡轮导向器2；

所述一级涡轮导向器2包括与涡轮机匣蜗壳1连接的外环3、内环4、及装在内环4和外环3之间的环形涡轮导向叶片5，所述环形涡轮导向叶片5由多组三联导叶6和一组双联导叶7围合而成，所述三联导叶6由三片一级涡轮导向叶片8一体式铸造，所述双联导叶7由两片一级涡轮导向叶片8一体式铸造。

所述一级涡轮导向叶片8包括含有内腔10的叶身9、设在叶身9内腔10的两个不同大小的叶形冲击管一11和叶形冲击管二12、设在叶身9上方的上缘板13和叶身9下方的下缘板14。所述一级涡轮导向叶片8是由镍基高温合金铸造，涂覆钴铬铝钇合金，提高耐高温氧化性能。

所述叶身9由光顺叶型拉伸而成，并且拉伸方向垂直于涡轮轴，将燃烧室出口的轴向气流偏转60°，降压加速喷出。

所述叶形冲击管一11和叶形冲击管二12均直通上缘板13和下缘板14，所述叶形冲击管一11比叶形冲击管二12大，叶形冲击管一11设在内腔10前沿，叶形冲击管二12设在内腔10后沿，所述叶形冲击管一11的前沿和壁身设有冲击冷气孔15，叶形冲击管一11前沿的冲击冷气孔15对着叶身9的内部背面吹，未冷却之前，这个部位的温度最高，所述叶身9设有双排的冷气排出孔16，冲击冷气孔15与冷气排出孔16位置错开，冷气曲折前行。

所述上缘板13上方前后设有与外环3内侧连接的前上支撑17和后上支撑18，所述后上支撑18侧面设有冷气入口孔19，所述外环3与全部的上缘板13、前上支撑17和后上支撑18之间形成环状的空腔20，所述空腔20与全部的叶形冲击管一11、叶形冲击管二12、冷气入口孔19相通。所述上缘板13设有外环定位销孔10，所述外环3通过定位销插入外环定位销孔10与上缘板13连接。

所述下缘板14下方前后设有与内环4外侧连接的前下支撑21和后下支撑22。所述下缘板14设有角向定位槽23，所述内环4通过方榫插入角向定位槽23与下缘板14连接。

所述外环3与涡轮机匣蜗壳1的接口用涨圈密封定位，一级涡轮导向叶片8相互之间插入铁基高温合金条密封，兼有振动阻尼功能。

所述三联导叶6与双联导叶7、三联导叶6与三联导叶6之间设有间隙，间隙在0.2mm，多处缝隙留出热涨冷缩的空间，减小热应力，增加循环寿命，由于可调冷气压力明显高于燃气压力，对密封性能提出了更高的要求，必须减少泄漏部位的数量。

进一步地，所述冲击管前沿外壁设有一根光纤8，红热状态的导叶发出的光通过光纤8传送到发动机外部，在光纤8的输出端用辐射测温仪器测出壁面温度，低温冲击管作为光纤8传感器的安装支架，保护光纤8，这是一种无损测温法，普通热电偶传感器没有足够使用寿命，而且对气流有阻碍。

工作时，增压气泵和散热器产生高压冷气，高压冷气可以通过控制阀调节流量，流量计观察流量大小，根据当时的燃气轮机的功率调节冷气多少，之后高压冷气从外部管路进入涡轮机匣蜗壳1，从冷气入口孔19灌入空腔20进入各叶形冲击管一11，进入各一级涡轮导向叶片8叶身9内腔10，再从各叶身9后沿的两排冷气排出孔16喷出，汇入主流涡轮机匣蜗壳1中。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种可调高压气冷的燃气轮机，其特征在于，包括增压气泵、与增压气泵连接的散热器、一端与散热器连接的外部管路、设在外部管路上的控制阀和流量计、与外部管路另一端连接的涡轮机匣蜗壳、与涡轮机匣蜗壳连接的一级涡轮导向器；

所述一级涡轮导向器包括与涡轮机匣蜗壳连接外环、内环、及装在内环和外环之间的环形涡轮导向叶片，所述环形涡轮导向叶片由多组三联导叶和一组双联导叶围合而成，所述三联导叶由三片一级涡轮导向叶片一体式铸造，所述双联导叶由两片一级涡轮导向叶片一体式铸造，所述一级涡轮导向叶片包括含有内腔的叶身、设在叶身内腔的两个不同大小的叶形冲击管一和叶形冲击管二、设在叶身上方的上缘板和叶身下方的下缘板，叶形冲击管一和叶形冲击管二均直通上缘板和下缘板；

所述叶形冲击管一比叶形冲击管二大，叶形冲击管一设在内腔前沿，叶形冲击管二设在内腔后沿，所述叶形冲击管一的前沿和壁身设有冲击冷气孔，所述叶形冲击管一和叶形冲击管二后沿设有冷气排出孔；

所述上缘板上方前后设有与外环内侧连接的前上支撑和后上支撑，所述后上支撑侧面设有冷气入口孔，所述外环与全部的上缘板、前上支撑和后上支撑之间形成环状的空腔，所述空腔与全部的叶形冲击管一、叶形冲击管二、冷气入口孔相通。

2.根据权利要求1所述的一种一级涡轮导向器，其特征在于，所述下缘板下方前后设有与内环外侧连接的前下支撑和后下支撑。

3.根据权利要求1所述的一种一级涡轮导向器，其特征在于，所述叶身由光顺叶型拉伸而成。

4.根据权利要求1所述的一种一级涡轮导向器，其特征在于，所述叶形冲击管一和叶形冲击管二为等壁厚，厚度为0.3mm，叶形冲击管一和叶形冲击管二之间隔厚1±0.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种一级涡轮导向器，其特征在于，所述一级涡轮导向叶片是由镍基高温合金铸造，涂覆钴铬铝钇合金。

6.根据权利要求1所述的一种一级涡轮导向器，其特征在于，所述下缘板设有角向定位槽，所述内环通过方榫插入角向定位槽与下缘板连接。

7.根据权利要求1所述的一种一级涡轮导向器，其特征在于，所述上缘板设有外环定位销孔，所述外环通过定位销插入外环定位销孔与上缘板连接。

8.根据权利要求1所述的一种一级涡轮导向器，其特征在于，所述外环与涡轮机匣蜗壳的接口用涨圈密封定位，一级涡轮导向叶片相互之间插入铁基高温合金条密封。

9.根据权利要求1所述的一种一级涡轮导向器，其特征在于，所述三联导叶与双联导叶、三联导叶与三联导叶之间设有间隙，间隙在0.2±0.05mm。

10.根据权利要求1所述的一种一级涡轮导向器，其特征在于，所述叶形冲击管一或叶形冲击管二前沿外壁设有一根光纤，红热状态的导叶发出的光通过光纤传送到发动机外部，在光纤的输出端用辐射测温仪器测出壁面温度。