CN1379170A - 燃气轮机 - Google Patents

Abstract

一种燃气轮机(1),其具有一工作叶片组和一导向叶片组,为了在以简单方式可靠冷却涡轮机叶片(12,14)的情况下实现很高的效率。根据本发明,在所述导向叶片(14)内部的冷却剂通道分成第一分通道和第二分通道,在所述第一分通道内流动的冷却剂用于冷却该导向叶片(14),而在所述第二分通道内流动的冷却剂则几乎无损失地继续传输。

Description

燃气轮机

                       技术领域

本发明涉及一种燃气轮机，它包括多个分别组成各工作叶片组并且设置在涡轮轴上的工作叶片，以及多个组成各导向叶片组并且与涡轮机壳体相连的导向叶片。

                       背景技术

燃气轮机在许多领域中用来驱动发电机或者作功机械。其中燃料的能量用于产生涡轮轴的旋转运动。为此要使燃料在一个燃烧室内燃烧，同时将空气压缩机压缩的空气送入。在燃烧室内通过燃料的燃烧产生的高压高温工作介质，经过燃烧室后面的涡轮机单元实现膨胀作功。

为产生涡轮轴的旋转运动，在涡轮轴上布置了多个工作叶片，该叶片通常构成叶片组或者叶片串列，所述工作叶片经工作介质的动量转移(Impulsuebertrag)驱动涡轮轴。此外为了引导涡轮机单元内的工作介质，通常在相邻的工作叶片组之间设置与涡轮机壳体相连的导向叶片组。

在设计这种燃气轮机时，除了要实现所需功率外，通常还以很高的效率作为设计目标。出于热动力学的原因，提高效率原则上可通过提高出口温度来实现，工作介质以这样的温度从燃烧室排出并且进入涡轮机单元内。所以这种燃气轮机工作在大约1200℃至1300℃的温度上。

然而暴露在这种高温工作介质中的部件和构件均受到很高的热负荷。为了保证相关的部件具有高的可靠性和相对较长的寿命，通常需要冷却有关的部件，特别是冷却涡轮机单元的工作叶片和/或导向叶片。所述涡轮机叶片通常设计成可冷却结构，特别是处在工作介质流动方向上的第一叶片串列应当保证有效和可靠的冷却。为了实现冷却，相应的涡轮机叶片通常具有处在叶片板或者叶片轮廓内的集成式冷却剂通道，从该通道出发，可有针对性地将冷却剂引导到涡轮机叶片的热负荷集中区。

就冷却剂而言，通常采用冷却空气。通常将空气送入相应的涡轮机叶片内，其方式是经集成式冷却剂通道进行开放式冷却。冷却空气从涡轮机叶片内送出后，与进入涡轮机单元内的工作介质相混合。然而这种冷却方式的燃气轮机的设计功率受到了限制，特别是考虑到燃气轮机各个部件仅具有有限的机械强度，继续提高功率通常只有增加燃料输入量实现。这样将会相对增加冷却涡轮机叶片的冷却剂量，在可支配的压气机气流内造成损失。这种损失只能在有限的程度上可以忍受。

                       发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种上述类型的燃气轮机，它能在涡轮机叶片得到可靠冷却的情况下实现特别高的设计功率。

按照本发明，上述技术问题通过这样一种燃气轮机来解决，它包括一涡轮机壳体、一导向叶片组，该导向叶片组具有分别带有集成式冷却剂通道的导向叶片，该通道与一个冷却回路连通，在所述回路内有冷却剂流动，其中，所述导向叶片的集成式冷却剂通道分成第一分通道和第二分通道，在所述第一分通道内流动的冷却剂第一分流主要用于冷却该导向叶片，而在所述第二分通道内流动的冷却剂第二分流则几乎没有损失地继续传输。

本发明从以下考虑出发，即提高燃气轮机的效率可以实现很高的设计功率，其方法是将所支配的压气机气流的损失保持在最小程度。为了将损失保持在最小程度，燃气轮机的设计应当使冷却剂、特别是冷却空气的需要量非常小。这种设计的实现方式是，脱离开放式冷却的构思，将冷却设计成封闭方式，使冷却剂在流过需要冷却的涡轮机叶片之后输送到燃烧过程中。当然在这种封闭式冷却中冷却剂在流通过程中可能会出现压力损失，从而无法将由涡轮机叶片排出的冷却剂输送到燃气轮机的燃烧室内。

为了将这种压力损失保持在最小程度，使得对涡轮机叶片原则上的封闭冷却得以实现，所以在导向叶片内对冷却剂进行了分流，其中冷却剂的一个分流对相应的导向叶片进行冷却，而冷却剂的第二分流则以几乎无损失的方式穿过该导向叶片。因此该导向叶片本身既得到了足够的冷却剂，又可以提供足够的几乎无压力损失的冷却剂用于冷却其他导向叶片。这种将冷却剂分成两个分流的做法，对于冷却剂的压力而言，意味着对该导向叶片以及随后的涡轮机分级的导向叶片进行平行冷却。脱离顺序穿过相邻涡轮机分级的导向叶片和与它们连接的导向环传输冷却剂的构思，利用冷却剂通道来传输冷却剂，能够减小冷却剂内的压力损失。此外还简化了对冷却剂的引导，因为冷却剂通道在导向叶片内进行划分。另外还可以使造成压力损失的流动路径保持较短，相应地减小了冷却剂压力损失，进而降低了冷却剂用量。

优选有针对性地将足够量的冷却剂作用到相应导向叶片的叶片截面上。因为构成第一导向叶片组的导向叶片的叶片截面承受着非常高的热负荷，所以此处需要特别大的冷却强度。该区域可以有针对性地用冷却剂冷却，同时也使相应的冷却剂流保持非常短的流动路径。采用相对大量的冷却剂作用于叶片截面时，也可以将压力损失限制在很小的程度上，所以从叶片截面中流出的冷却剂可以返回进入燃气轮机的燃烧过程。

在另一种有利的方案中，第二分通道内的冷却剂用于冷却第二导向叶片组中的导向叶片。为此所述第二分通道的出口最好与一个冷却通道系统相连，使得该分通道能够首先将冷却剂以几乎无损失的方式传输给第二导向叶片组中的导向叶片。此时穿过所述第二分通道的冷却剂已足够用于冷却所述第二导向叶片组的导向叶片。所述第一和第二导向叶片组的导向叶片“用过的”冷却剂随后经另一个冷却剂通道送入燃气轮机燃烧室中。冷却剂的主要压力降可由此保持在很小程度上，因为冷却剂的第二分流仅流经第二导向叶片组的导向叶片。

通过该第二分通道可有针对性地并满足需求地将冷却剂输送给构成第二导向叶片组的导向叶片。特别是由于第二导向叶片组的温度比第一导向叶片组的更低，所以冷却构成第二导向叶片组的导向叶片时所需的冷却剂量相对较少，因此尽管第二分通道内冷却剂的流动路径相对较长，其压力损失还是有限的。

按照一种特别有利的方案，可将设置在所述冷却回路前面的冷却剂压缩机设计成这样，即，使“用过的”冷却剂的压力在其回输到环绕燃烧室的流动腔室内前具有与该腔室内近似相等的压力。通过这种方式可以保证用于导向叶片的冷却剂具有足够高的压力水平，所以所使用的冷却剂中至少有一大部分可以返回燃气轮机的燃烧过程。特别是将所使用的冷却空气送回燃烧过程可实现很高的功率效率和/或很低的排放水平。

本发明所述方案实现的优点特别在于，通过在构成第一导向叶片组的导向叶片内将冷却空气流动路径进行分流，使冷却空气有针对性地作用在需要冷却的部位上，而且压力损失相对较小。这种有限的压力损失，特别是可通过冷却剂一侧设置的冷却剂压缩机得到补偿，所以在保持较高效率的同时，通过回收冷却空气可以提高功率，降低排放，其原因在于在燃烧过程中对相应的导向叶片使用了封闭式冷却。冷却空气流在构成第一导向叶片组的导向叶片内根据需要产生分流，其中第一分流以合理的压力损失对导向叶片截面进行冷却，而第二分流则以几乎无损失的方式穿过该导向叶片。随后所述第二分流以总体上可接受的压力损失仅用于冷却构成第二导向叶片组的导向叶片。在冷却剂内的压力状况方面，用于平行冷却相邻涡轮机分级导向叶片的冷却剂通道的分流结构和位于其前面的冷却剂压缩机之间通过一般的协调匹配，即可降低冷却剂的用量，同时通过使用封闭式冷却剂通道可保持所需的冷却效果。

                        附图说明

下面对照附图所示实施例对本发明作进一步的说明。附图中：

图1为燃气轮机的半剖视图；

图2为图1所示燃气轮机的局部纵向剖视图，其中显示出冷却通道。

在所有图中，相同的零件均使用相同的标号。

                      具体实施方式

如图1所示，燃气轮机1具有一个用于提供助燃空气的压气机2，一个燃烧室4以及一个用于驱动压气机2的涡轮机6和一个未画出的发电机或作功机械。其中的涡轮机6和压气机2设置在一个共同的涡轮轴8上，它也称为涡轮机转子，与其相连的还有所述发电机或作功机械，均围绕其中轴线9转动。

所述燃烧室4具有多个燃烧器10，用于燃烧液态或气态燃料。此外燃烧室的内壁上还设置有未画出的隔热元件。

涡轮机6具有多个与涡轮轴8相连的可转动工作叶片12。所述工作叶片12采用环状方式布置在涡轮轴8上，从而构成多个工作叶片组。此外涡轮机6还包括多个固定的导向叶片14，它们同样呈环状固定在涡轮机6的内壳体16上，构成导向叶片组。所述工作叶片12通过流过涡轮机6的工作介质M的动量转移作用，驱动涡轮轴8转动。所述导向叶片14的作用则是在每两个沿工作介质M流向相邻的工作叶片组或工作叶片环之间，对工作介质M进行导流。由一个导向叶片14的环圈或一个导向叶片组，以及一个工作叶片12的环圈或工作叶片组组成的一对相邻的叶片组被称为涡轮机分级。

每个导向叶片14均具有一个被称为叶片支座的平台18，它作为壁构件设置，用于将相应的导向叶片14固定在涡轮机6的内壳体16上。所述平台18是一种热负荷相对较强的构件，它构成一个供工作介质M流经涡轮机6的热烟气通道的外轮廓。每个工作叶片12均以类似的方式，通过一个作为叶片支座的平台20固定在涡轮轴8上。

在每两个相邻的导向叶片组的导向叶片14的相互隔开布置的平台18之间，分别有一个导向环21设置在涡轮机6的内壳体16上。每个导向环21的内表面同样也受到流经涡轮机6的工作介质M的热气流作用，并且在径向上，与位于其对面的工作叶片12的外端隔开一个间隙。在相邻导向叶片组之间设置的导向环21的作用主要是作为覆盖元件，它将内壁16或其他壳体安装件防护起来，防止受到涡轮机6内流动的工作介质M的热气流的过热。

为了实现相对较高的效率，燃气轮机1被设计成具有相对较高的出口温度，即从燃烧室4送出的工作介质M具有大约1200℃至1300℃的温度。为了实现该目的，至少要通过作为冷却介质的冷却空气对至少若干个工作叶片12和导向叶片14进行冷却。为了显示冷却空气的流动路径，与燃烧室4直接相连的燃气轮机1的部分在图2中作了局部放大。从图中可知，从燃烧室4流出的工作介质M首先抵达一定数量的构成所谓第一导向叶片组的导向叶片14，这些导向叶片14通过其平台18悬挂在燃烧室4内。沿工作介质M的流动方向看过去，随后是构成第一工作叶片组的工作叶片12、构成第二导向叶片组的导向叶片14，以及构成第二工作叶片组的工作叶片12。

为了使燃气轮机1在很高的效率下实现很高的设计功率，所述燃气轮机1被设计成利用基本上封闭的冷却装置，对构成第一和第二导向叶片组的导向叶片14进行冷却，其中，将已“用过的”、从所述导向叶片14排出的冷却空气回输到燃气轮机1的燃烧室4内。为了使这种冷却装置中产生的冷却空气压力损失对于回输给燃烧室4而言，保持在足够小的程度上，沿工作介质M流向看过去构成第一导向叶片组的导向叶片14分别具有一个用箭头30所示的集成式冷却剂通道。所述冷却剂通道的入口32设置在相应导向叶片14的自由端34，所以当冷却剂K进入导向叶片14的集成式冷却剂通道时，从相应导向叶片14的自由端34朝向叶片支座或其平台18将发生冷却剂的穿流。

在相应导向叶片14的叶片体内部，冷却剂通道发生分路，见箭头30的分支所示，其中通过一个第一分流箭头36表示的是第一分通道，用一个第二分流箭头38表示的是第二分通道。所述分通道的构成方式是，经该分通道有针对性地用冷却剂K冷却燃气轮机1的特别关键的位置，而且压力损失相对较小。其中通过第一分流箭头36表示的第一分通道用于冷却相应导向叶片14的叶片截面。为此所述导向叶片14例如可具有空心壁，其中有冷却剂K的相应分流通流。在出口端有第一分通道，如分流箭头40所示，它与一个通道系统相连，该系统的出口则与环绕燃烧室4的流动腔室42连通。所述流动腔室42内是自燃气轮机1的压气机2排出的压缩气流，所以在以回流方式将冷却剂K通过第一分通道传输的分流输入流动腔室42内时，产生了与压缩机流体的混合。该流动腔室42内的气体混合物随后进入燃气轮机1的燃烧过程中。

用第二分流箭头38表示的第二分通道在相应导向叶片14的叶片体内部，其出口与一个冷却通道系统相连，该系统通过位于工作介质M流动方向上的后续导向环21引导，并且在出口与一个沿工作介质M流动方向看过去构成第二导向叶片组的导向叶片14内的集成式冷却剂通道连通。因此，对于第二分通道内传输的冷却剂K而言有这样一条流动路径，它最初按照第二分流箭头38所示在原来的导向叶片内延伸，从那儿出发，如流动箭头44所示，穿过导向环21，随后如流动箭头46所示，在属于第二导向叶片组的导向叶片14内曲折延伸。最后如流动箭头48所示，冷却剂K的分流从该导向叶片14的出口同样返回流动腔室42。

通过这种对冷却剂K的导流，可以使导向叶片14得到能够满足需要的冷却剂K的作用。特别是沿工作介质M流动方看过去构成第一导向叶片组且受到更高热负荷作用的导向叶片14，因此也得到比较多量的冷却剂K。对于相应的分流而言，其直至回输到流动腔室42的回流路径可保持很短，所以即便使用了相对较大量的冷却剂K，压力损失也是有限的。另一方面沿工作介质M的流动方向看过去，构成第二导向叶片组的导向叶片14也可受到冷却剂K的作用。尽管这里也存在相对较长的流动路径，压力损失还是有限的，这主要是因为相应的冷却剂K的分流没有用于冷却处在工作介质M流动方向上的第一导向叶片组，因此可几乎没有发生压力损失地经过相应的导向叶片14。所以冷却剂K的压力损失总体上能够保持在较低的水平，实现通过以封闭冷却方式冷却导向叶片14使冷却剂K回输给流动腔室42，进而进入燃气轮机1的燃烧过程中。

为了特别可靠地保证这种回输冷却剂K所需的压力水平，沿工作介质M流动方向看过去的构成第一列导向叶片组的导向叶片14，在冷却剂入口一端设置了一个冷却剂压缩机50。所述冷却剂压缩机在本实施例中是一个轴流式压缩机，它包括多个与涡轮轴8固定连接的压缩机元件52以及多个与涡轮机壳体6固定连接的压缩机元件54。所述冷却剂压缩机50在输入端有冷却剂K输入，在输出端经一个由涡轮轴8和壳体元件56限定的冷却剂通道58与导向叶片14的冷却剂K的入口32连通。为了施加冷却剂K，压缩机50的输入端与压气机2相连，所以一部分来自压气机2的压缩气流可以作为冷却剂K分流给导向叶片14。

Claims (4)

1.一种燃气轮机，它包括一涡轮机壳体、一导向叶片组，该导向叶片组具有分别带有集成式冷却剂通道的导向叶片，该通道与一个冷却回路连通，在所述回路内有冷却剂流动，其特征在于，所述冷却剂通道分成第一分通道和第二分通道，在所述第一分通道内流动的冷却剂第一分流主要用于冷却该导向叶片，而在所述第二分通道内流动的冷却剂第二分流则几乎无损失地继续传输。

2.如权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，沿工作介质流动方向看过去的第一导向叶片组具有所述导向叶片。

3.如权利要求1或2所述的燃气轮机，其特征在于，所述冷却剂第二分流几乎没有损失地继续传输给沿工作介质流动方向看过去的下一个导向叶片组的导向叶片。

4.如权利要求1至3中任一项所述的燃气轮机(1)，其特征在于，设置在所述冷却回路前面的冷却剂压缩机被设计成，在运行条件下可提高冷却剂的压力，使得冷却剂在回输到环绕燃气轮机燃烧室的流动腔室内时具有与该腔室内近似相同的压力。

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