CN1392917A - 用于提高涡轮机效率的蒸汽式燃气轮机的组件和方法 - Google Patents

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J·R·莫恩
N·A·图恩奎斯特
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Abstract

一种提高涡轮机效率的蒸汽式燃气轮机组件(22)，包含一定子(24)、转子(26)、环形刷式密封(28)或环形迷宫式密封(56)，以及第一气流导向板和第二气流导向板(30、32)。一主气流(44)沿着共同限定了一叶轮间隔空腔(46)的定子(24)和转子(26)流动。一第二气流(48)从接近转子(26)的上游级(36)的主气流(44)通过叶轮间隔空腔(46)并进入邻近转子(26)的下游级(38)的主气流(44)内。环形刷式密封(28)或环形迷宫式密封(56)横穿转子级(36、38)之间的叶轮间隔空腔(46)延伸，阻挡住第二气流(48)的至少一部分。气流导向板(36、38)沿径向隔开且彼此不重合，这样，使第二气流(48)转向为与主气流(44)成切向关系。

Description

用于提高涡轮机效率的蒸汽式燃气轮机的组件和方法
技术领域
本发明通常涉及一种蒸汽式燃气轮机，更确切地讲，是涉及一种用于提高涡轮机效率的蒸汽式燃气轮机的组件及其方法。
背景技术
燃气轮机包含利用燃烧气体旋转转子的燃烧式燃气轮机和利用蒸汽旋转转子的蒸汽式燃气轮机。燃气轮机的示例包括燃气轮机动力发生装置和燃气轮机航空发动机，但是不仅局限于此。燃烧式燃气轮机带有一气体通道，该气体通道通常包含：串联的一空气进口(或入口)、一压缩机、一燃烧室、一涡轮和一气体出口(或排气喷嘴)。蒸汽式燃气轮机带有一气体通道，该通道一般包含：串联的一蒸汽入口、一涡轮和一蒸汽出口。
在某些燃气轮机元件之间的气体泄漏是不希望出现的现象，因为这样会浪费气体(例如空气、燃烧气体、蒸汽等)，产生动力或效率损失。例如对于图1所示的现有技术中的蒸汽式燃气轮机组件10而言，其中动力和效率损失的出现，是由于组件10的转子12和定子14的径向重叠和接近部分之间、由箭头A、B和C表示的气体泄漏引起的。已经在燃烧式和蒸汽式燃气轮机中采用了多种方法，以减少气体泄漏。在燃烧式和蒸汽式燃气轮机中使用迷宫式密封和刷式密封本身是现有技术，这一内容在Wolfe等的美国专利5,613,829中公开，并且本专利已转让给受让人通用电器公司。在两种型式的涡轮中还使用了在涡轮叶片根部的气流导向板。图2表示出现有技术的气流根部导向板15，如图2所示，它提供了一横向第二气流，如图2中箭头A所示，从转子12的一级20的涡轮叶片18的根部16和定子14之间的轮间空腔16沿着并通过转子12的叶片18进入由箭头D表示的主气流。由通用电子公司制造的燃烧式燃气轮机已经设计有气流根部导向板，该导向板提供切向和轴向气流，而不提供从叶轮间隔空腔进入主气流的标准的横向第二气流。
然而，在本发明之前，切向流体导向板的方案没有预先引入蒸汽式燃汽轮机内。将切向流体根部导向板引入蒸汽式燃气轮机的失败，至少部分归因于两种类型的燃气轮机考虑气体泄漏的看法不同。将从叶轮间隔空腔流入主气流的第二气流用在燃烧式燃气轮机中很理想，但是用在蒸汽式燃气轮机中却并不理想。在燃烧式燃气轮机中，因为高温必须冷却和吹洗叶轮间隔空腔。因此，第二气流从叶轮间隔空腔进入主气流的方案，在燃烧式燃气轮机内是不可避免的弊端。另一方面，在蒸汽式燃气轮机中不需要这种叶轮间隔空腔进行冷却和吹洗。因此，在蒸汽式燃气轮机内应尽可能减少从叶轮间隔空腔进入主气流的第二气流，一般设计为零泄漏是很理想的。
在蒸汽式燃气轮机内使用蒸汽旁路通道和刷式密封，以减少从叶轮间隔空腔进入主气流的第二气流本身是公知技术。蒸汽旁路通道延伸穿过转子级的涡轮叶轮根部并朝着邻近的叶轮间隔空腔开口，以减少从叶轮间隔空腔进入主气流的第二气流量。但是，在其中设置蒸汽旁路通道存在的一个问题是：为了使蒸汽旁路通道实现其效率，每个蒸汽旁路通道的大小必须是最优化的，但是让每个蒸汽旁路通道的大小都最优化又难于实现。刷式密封设置在转子级之间的级间密封组件内、与迷宫式密封相邻的位置上。但是，在其中设置刷式密封存在的一个问题是：不能有效地减少从叶轮间隔空腔进入主气流的第二气流量。
发明内容
因此，本发明的发明人开发了一种减少从叶轮间隔空腔进入主气流的第二气流量的元件组合体，该方案能有效地解决蒸汽式燃气轮机的气体泄漏问题，而不会在其安装位置产生新的问题。
本发明提供一种提高涡轮机效率、满足上述要求的蒸汽式燃气轮机的组件和方法。本发明中提高蒸汽式燃气轮机效率的组件和方法，是一种比现有技术中解决蒸汽式燃气轮机气体泄漏问题更有效的解决方案，同时能够降低方案中对蒸汽旁路通道大小最优化的要求。提高效率的组件和方法，在蒸汽式燃气轮机内提供了独特的减少从叶轮间隔空腔进入主气流的第二气流量的元件组合体。
在本发明的一个实施例中，用于提高涡轮机效率的蒸汽式燃气轮机组件包含：一带有一纵向延伸轴的定子；一转子，与定子同轴对齐且与定子径向相邻、隔开设置，其中，转子包含至少一对转子级，该对转子级彼此相连且分别位于彼此相对的上游和下游，每个级有多个以环状结构布置的根部和安装在根部上的叶片，这样，主气流从定子和转子的纵向延伸轴并沿着该轴、并在转子的邻近的上游和下游级的叶片之间的一个方向上，在沿径向隔开的一通道内流动，定子和转子的上游和下游级在其间共同限定了至少一个叶轮间隔空腔，该叶轮间隔空腔的相对的上游和下游端在转子的上游和下游级处向主气流通道敞开，这样，至少另一个通道内的第二气流流过在转子的上游和下游级之间的叶轮间隔空腔，从叶轮间隔空腔的上游端到下游端，进入主气流；至少将一个环形刷式密封或一个环形迷宫式密封或两者设置在定子和转子之间并横穿第二气流的通道，这样刷式密封阻挡第二气流的至少一部分；一第一气流导向板，由接近转子的一个下游级的根部的定子的边缘形成；以及一第二气流导向板，由转子的一个下游级的根部的边缘形成，这样，第一气流导向板距第二气流导向板有一距离并位于其上方，因而从叶轮间隔空腔进入主气流的第二气流在第一和第二气流导向板之间朝向该转子的一个下游级转向，并以与主气流和转子的一个下游级的根部成切向关系而进入主气流。
组件还包含至少转子的一个下游级的根部，该根部限定了一个朝着叶轮间隔空腔敞开的贯通的蒸汽旁路通道，同时该通道的大小适合于转移第二气流中的一部分，防止其流入主气流。刷式密封带有一固定端和一自由端。刷式密封的固定端安装到定子上，而刷式密封的自由端朝向转子伸入叶轮间隔空腔内。环形迷宫式密封与定子和转子同轴对齐，并且在定子和转子中的至少一个上形成，同时延伸到在定子和转子之间的叶轮间隔空腔内，迷宫式密封用于阻挡第二气流的至少一部分。
在本发明的另一示例性实施例中，提高蒸汽式燃气轮机效率的方法包含的步骤有：提供上述定子和转子；导入上述主气流；限定上述叶轮间隔空腔；导入上述第二气流，在定子和转子之间设置至少一个环形刷式密封或者环形迷宫式密封；以及设置上述第一和第二气流导向板。
附图说明
图1是现有技术中蒸汽式燃气轮机组件的示意图；
图2是图1中在蒸汽式燃气轮机的涡轮叶轮根部设置的气流导向板的放大示意图，同时产生一个从涡轮的叶轮间隔空腔进入主气流的横向第二气流；
图3是用于提高涡轮机效率的本发明中蒸汽式燃气轮机组件的示意图；
图4是图3中在蒸汽式燃气轮机的涡轮叶轮根部设置的气流导向板的放大示意图，并且产生一个从涡轮的叶轮间隔空腔进入主气流的切向第二气流。
具体实施方式
现在，参照附图、特别是附图3，示出了用于提高涡轮机效率、用22表示的本发明的蒸汽式燃气轮机组件。组件22包含一定子24、一转子26、至少一个环形刷式密封28，以及第一和第二气流导向板30、32。
定子24有一个大体纵向延伸的轴34。转子26与定子24同轴对齐且与定子径向相邻、隔开设置。转子26包含至少一对转子级36、38，该对转子级彼此相连且沿着轴线34、彼此相对的分别位于上游和下游。转子26的每个级36、38带有多个沿环形布置的根部40和安装到根部40上的叶片42。一主气流44从定子24和转子26的纵向延伸轴34且沿着该轴、在一径向隔开的通道内并在转子26的相邻的上游和下游级36、38的叶片42之间的一个方向上向外流动。主气流44处于压力状态，使得转子26的级36、38的叶片42围绕纵轴34旋转。
定子24和转子26的上游和下游级36、38在其间共同限定了至少一个叶轮间隔空腔46，该叶轮间隔空腔46的相对的上游端46a和下游端46b朝着主气流44敞开。第二气流48在与主气流44的通道相分离的另一个通道内，从接近转子26的上游级36的叶轮间隔空腔46的上游端46a处的主气流44穿过叶轮间隔空腔46，进入接近转子26的下游级38的叶轮间隔空腔46的下游端46b处的主气流44。
一级间密封件50安装在定子24和转子26上，并横穿叶轮间隔空腔46且在转子26的上游级36和下游级38之间的第二气流48中延伸。如图所示，级间密封件50包含：设置在定子24和转子26之间、横穿第二气流48通道的组件10的环形刷式密封28，但是这种刷式密封不是必须的。刷式密封28带有一固定端28a和一自由端28b。刷式密封28的固定端28a安装到定子24上，刷式密封28的自由端28b朝着定子26延伸入叶轮间隔空腔46内。刷式密封28带有许多硬毛(bristles)52。硬毛52确定了刷式密封28的自由端28b。刷式密封28的硬毛52朝着定子26延伸入叶轮间隔空腔46内，这样它们阻挡穿过叶轮间隔空腔46、通过级间密封件50的第二气流48的至少一部分。
现在看附图3和4，第一气流导向板30由位于转子26下游级38的根部40对面并与之相邻的定子24的边缘24a形成。第二气流导向板32由在定子24的边缘24a对面的转子26的下游级38的根部40的边缘40a形成，这样，第一气流导向板30距第二气流导向板32有一间距并位于其上方，同时第二气流导向板32略微向轴34倾斜，这样，从叶轮间隔空腔46进入主气流44的第二气流48在第一气流导向板30和第二气流导向板32之间、朝着转子26的下游级38转向，流入主气流44，与主气流44和转子26的下游级38的根部40成切向关系。更确切地讲，第一气流导向板30和第二气流导向板32沿径向相隔且彼此不重合，这样，第二导向板32与第一导向板30的下游有一距离、位于比第一导向板30更接近轴34的位置。第二气流48和主气流44之间成切向关系，这种关系使第二气流48进入主气流44时比第二气流48和主气流44之间成横切关系时对主气流44的扰动程度降低了。这种降低了对主气流44扰动程度的情况提高了燃气轮机的动力和效率。
现在看附图3，组件10还包含至少限定一个贯通的蒸汽旁路通道54的转子26的下游级38的根部40。蒸汽旁路通道54与叶轮间隔空腔46相通，以转移第二气流48的至少一部分，防止其进入主气流44。蒸汽旁路通道54的大小，适合于将第二气流48的一部分转移开，不让其流入主气流44。在转子26的每个级36、38的根部40内，都可以有一个蒸汽旁路通道54。每个蒸汽旁路通道54都带有朝着相邻的叶轮间隔空腔46敞开的相对端54a、54b。第二气流48的一部分可以从一个叶轮间隔空腔46通过每个蒸汽旁路通道54进入下一个叶轮间隔空腔46，因而可以避免这一部分进入主气流44，从而降低对主气流44的扰动程度。
如图所示，组件10的级间密封件50还包含至少一个环形迷宫式密封56。迷宫式密封56与定子24和转子26同轴对齐。迷宫式密封56至少在定子和转子26中的一个上形成，并伸入定子24和转子26之间的叶轮间隔空腔46内。迷宫式密封56可以阻挡第二气流44的至少一部分。
通过上面的描述，可以理解本发明及其优点，同时对本发明所作的各种变化都不偏离本发明的精神和范围或者减少其所具有的实质性的优点，前面所述的型式仅作为优选实施例或者示例性实施例。

Claims (10)

1.一种用于提高涡轮机效率的蒸汽式燃气轮机组件(22)，包含：
一定子(24)，具有一纵向延伸轴(34)；
一转子(26)，与所述定子(24)同轴对齐且与定子径向相邻、隔开设置，其中，所述转子(26)包含至少一对转子级(36，38)，该对转子级彼此相连且分别位于彼此相对的上游和下游，每个所述级(36，38)具有多个以环状结构布置的根部(40)和安装在所述根部(40)的上叶片(42)，这样，主气流(44)从所述定子(24)和转子(26)的纵向延伸轴(34)并沿着该轴、并在所述转子(26)的所述邻近的上游级和下游级(36、38)的所述叶片(42)之间的一个方向上，在沿径向隔开的一通道内向外流动，所述定子(24)和所述转子(26)的上游级和下游级(36、38)在其间共同限定了至少一个叶轮间隔空腔(46)，该叶轮间隔空腔的相对的上游端和下游端(46a、46b)在所述转子的上游级和下游级(36、38)处向主气流(44)敞开，这样，至少一个另一个通道内的第二气流(48)流过在所述转子(26)的上游级和下游级(36、38)之间的所述叶轮间隔空腔(46)，从所述叶轮间隔空腔(46)的上游端(46a)所述下游端(46b)，进入所述主气流(44)；
设置在所述定子(24)和转子(26)之间并横穿所述第二气流(48)的所述通道的一个环形刷式密封(28)和一个环形迷宫式密封(56)中的至少一个，因此，所述至少一个密封(28、56)阻挡所述第二气流(48)的至少一部分；
一第一气流导向板(30)，由接近所述转子(26)的一个下游级(38)的所述根部(40)的所述定子(24)的边缘(24a)形成；以及
一第二气流导向板(32)，由所述转子(26)的所述一个下游级(38)的所述根部(40)的边缘(40a)形成，这样，所述第一气流导向板(30)距所述第二气流导向板(32)有一距离并位于其上方，因而从所述叶轮间隔空腔(46)进入所述主气流(44)的所述第二气流(48)在所述第一气流导向板和第二气流导向板(30、32)之间朝向所述转子(26)的所述一个下游级(38)转向，并以与所述主气流(44)和所述转子(26)的所述一个下游级(38)的所述根部(26)成切向关系而进入主气流(44)。
2.如权利要求1所述的组件(22)，还包含：
所述转子(26)的所述一个下游级(38)的至少所述根部(40)，限定了一个朝着所述叶轮间隔空腔(46)敞开的贯通的蒸汽旁路通道(54)，用于转移第二气流(48)中的至少一部分，防止其流入所述主气流(44)。
3.如权利要求2所述的组件(22)，其特征在于：所述蒸汽旁路通道(54)的大小，适合于转移所述第二气流(48)中至少一部分，防止其流入所述主气流(44)
4.如权利要求1所述的组件(22)，其特征在于：所述刷式密封(28)带有一固定端(28a)和一自由端(28b)，所述刷式密封(28)的固定端(28a)安装到所述定子(24)上，同时所述刷式密封(28)的所述自由端(28b)朝向所述转子(26)伸入所述叶轮间隔空腔(46)内。
5.如权利要求1所述的组件，其特征在于：所述环形迷宫式密封(56)与所述定子(24)和转子(26)对齐，并且在所述定子(24)和转子(26)中的至少一个上形成，同时延伸到在所述定子(24)和转子(26)之间的所述叶轮间隔空腔(46)内，所述迷宫式密封(56)用于阻挡所述第二气流(48)的至少一部分。
6.一种提高蒸汽式燃气轮机效率的方法，所述方法包含下列步骤：
提供一具有一纵向延伸轴(34)的定子(24)；
提供一转子(26)，该转子与定子(24)同轴对齐且与定子径向相邻、隔开设置，其中，转子(26)包含至少一对转子级(36，38)，该对转子级彼此相连且分别位于彼此相对的上游和下游，每个所述级(36，38)具有多个呈环状结构布置的根部(40)和安装在根部(40)上的叶片(42)；
引导主气流(44)从定子(24)和转子(26)的纵向延伸轴(34)并沿着该轴、并在转子(26)的邻近的上游级和下游级(36、38)的叶片(42)之间的一个方向上，在沿径向隔开的一通道内向外流动；
在定子(24)和转子(26)的上游级和下游级(36、38)之间形成至少一个叶轮间隔空腔(46)，该叶轮间隔空腔的相对的上游端和下游端(46a、46b)在转子(26)的上游级和下游级(36、38)处向主气流(44)敞开；
引导至少一个第二气流(48)在另一个通道内流动，即穿过在转子(26)的上游级和下游级(36、38)之间的叶轮间隔空腔(46)、从叶轮间隔空腔(46)的上游端(46a)到下游端(46b)，进入主气流(44)；
提供一个环形刷式密封(28)和一个环形迷宫式密封(56)中的至少一个，设置在定子(24)和转子(26)之间并横穿第二气流(48)的通道，以便至少一个密封(28、56)阻挡第二气流(48)的至少一部分；
将接近转子(26)的一个下游级(38)的根部(40)的定子(24)的边缘(24a)改成为一第一气流导向板(30)；以及
将转子(26)的一个下游级(38)的根部(40)的边缘(40a)改成为一第二气流导向板(32)，这样，第一气流导向板(30)距第二气流导向板(32)有一距离并位于其上方，因而从叶轮间隔空腔(46)进入主气流(44)的第二气流(48)朝向转子(26)的一个下游级(38)在第一气流导向板和第二气流导向板(30、32)之间转向，以与主气流(44)和转子(26)的一个下游级(38)的根部(40)成切向关系而进入主气流(44)。
7.如权利要求6所述的方法，还包含下列步骤：
形成一个蒸汽旁路通道(54)，该通道穿过至少转子(26)的一个下游级(38)的根部(40)，与叶轮间隔空腔(46)相通，以便转移第二气流的至少一部分，防止其流入主气流(44)。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：形成蒸汽旁路通道(54)的步骤包括：使蒸汽旁路通道(54)形成某一尺寸，该尺寸适合于转移第二气流(48)中至少一部分，防止其流入主气流(44)。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于：刷式密封(28)带有一固定端(28a)和一自由端(28b)，刷式密封(28)的固定端(28a)安装到定子(24)上，而刷式密封(28)的自由端(28b)朝向转子(26)伸入叶轮间隔空腔(46)内。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述环形迷宫式密封(56)与定子(24)和转子(26)对齐，并且在定子(24)和转子(26)中的至少一个上形成，并延伸入在定子(24)和转子(26)之间的叶轮间隔空腔(46)内，迷宫式密封(56)用于阻挡第二气流(48)的至少一部分。
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