CN1568397A - 用于冷却燃气轮机叶片顶端的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃气轮机(10)的涡轮(20)，该涡轮包括涡轮喷嘴组件(42)，该喷嘴组件可低成本并可靠地降低转子叶片(56)的工作温度。每个转子叶片包括靠近罩盖(80)旋转的叶片顶端，所述罩盖围绕转子组件(40)沿周向延伸。涡轮喷嘴组件包括多个引导燃烧气体向下游流向转子叶片的涡轮叶片扇段(92)。每个涡轮叶片扇段从内平台(96)沿径向向外延伸，并包括顶端(100)、根部(102)和在两者之间延伸的本体(94)。涡轮叶片扇段的顶端与用于将叶片扇段固定到燃气轮机内的外带(150)形成一体。外带与冷却流体源流体连通，并包括至少一个孔(158)。

Description

用于冷却燃气轮机叶片顶端的方法和装置
【技术领域】
本发明涉及一种涡轮组件，具体地说，本发明涉及一种用于冷却燃气轮机转子叶片顶端的方法和装置。
【背景技术】
燃气轮机通常包括压缩机、燃烧室和至少一个涡轮。压缩机对与燃料进行混合并进入燃烧室的空气进行压缩。然后点燃混合物并产生热的燃烧气体，燃烧气体进入涡轮，涡轮从燃烧气体中吸取能量来驱动压缩机并产生有用功来驱动飞机飞行或动力驱动负载例如发电机运转。
涡轮包括转子组件和定子组件。转子组件包括多个从转子盘沿径向向外延伸的转子叶片。具体地说，每个转子叶片在与转子盘相邻的平台之间沿径向延伸到叶片顶端。穿过转子组件的燃烧气体流动通道径向向内由转子叶片平台限定，径向向外由多个罩盖进行限定。
定子组件包括多个形成喷嘴的定子叶片，喷嘴将进入涡轮的燃烧气体引导到转子叶片。定子叶片在根部平台和叶片顶端之间沿径向延伸。叶片顶端包括外带，外带可将定子组件固定到燃气轮机内。
在工作过程中，涡轮定子和转子组件暴露在热的燃烧气体中。超时和连续暴露在热的燃烧气体中使转子组件的工作温度升高。当转子组件旋转时，较高的温度就会从每个转子的叶根向每个转子的叶片顶端传递。转子叶片顶端的工作温度升高就会使围绕转子组件的罩盖受到削弱和氧化。
为了降低转子叶片顶端的工作温度，至少有些转子组件包括叶片冷却系统，其引导冷却空气从压缩机经过预旋流系统。预旋流系统将空气排出到转子叶片的径向通道中。冷却空气流经转子叶片并经叶片顶端沿径向向外排出。这种冷却系统成本高，使用了大量的冷却空气，因此而产生局部寿命限制问题。
【发明内容】
在典型实施例中，燃气轮机的涡轮包括涡轮喷嘴组件，该喷嘴组件可低成本并可靠地降低转子叶片的工作温度。每个转子叶片包括靠近罩盖旋转的叶片顶端，所述罩盖围绕转子组件沿周向延伸。涡轮喷嘴组件包括多个引导燃烧气体向下游流向转子叶片的涡轮叶片扇段。每个涡轮叶片扇段从内平台沿径向向外延伸，并包括顶端、根部和在两者之间延伸的本体。涡轮叶片扇段的顶端与用于将叶片扇段固定到燃气轮机内的外带形成一体。外带与冷却流体源流体连通，并包括至少一个孔。
在工作过程中，当涡轮旋转时，冷却流体从冷却流体源供应到每个涡轮叶片扇段外带。冷却流体经外带孔向下游流向旋转叶片。具体地说，冷却流体围绕转子叶片顶端沿周向供给，以便于降低转子叶片顶端和围绕转子叶片的罩盖的工作温度。因此，涡轮喷嘴组件低成本且可靠地降低了转子组件的工作温度。
【附图说明】
图1是燃气轮机的示意图；
图2是可与图1所示燃气轮机一起使用的转子组件和定子组件的局部横截面图；
图3是图2所示定子组件的局部正向透视图。
【具体实施方式】
图1是燃气轮机10的示意图，该燃气轮机包括低压压缩机12、高压压缩机14和燃烧室16。燃气轮机10还包括高压涡轮18和低压涡轮20。压缩机12和涡轮20通过第一轴22连接，压缩机14和涡轮18通过第二轴21连接。在一个实施例中，燃气轮机10是可从位于Ohio州Cincinnati市的General Electric Aircraft Engines公司商购的GE90燃气轮机。
在工作过程中，空气流经低压压缩机12，且压缩空气从低压压缩机12供应给高压压缩机14。高压缩的空气进入燃烧室16。来自燃烧室16的气流驱动涡轮18和20并经喷嘴24离开燃气轮机10。
图2是转子组件40的局部横截面图，转子组件40包括可与燃气轮机10一起使用的定子42。图3是定子42的局部正向透视图。转子组件40包括通过连接装置46连接在一起且围绕轴向中心线(未示出)同轴布置的多个转子44。每个转子44由一个或多个单体叶盘(blisk)48构成，每个单体叶盘包括环形径向外缘50、径向内毂52和径向延伸在两者之间的整体腹板54。每个单体叶盘48还包括多个从外缘50径向向外延伸的叶片56。在图2所示的实施例中，叶片56与相应的外缘50连接成一体。另外，对于至少一级，每个转子叶片56以公知的方式利用叶片燕尾(未示出)可拆卸地连接到外缘50上，叶片燕尾可安装在相应外缘50的互补的槽(未示出)中。
转子叶片56的结构制成可与运动或工作流体例如空气一起相配合工作。在图2所示的典型实施例中，转子组件40是一个带有转子叶片56的涡轮例如低压涡轮20(图1所示)，转子叶片56的结构制成适合于将运动流体空气引导到后续的级中。当空气从一级流向另一级时，转子外缘50的外表面58形成涡轮20的一个径向内流动通道表面。
叶片56绕轴向中心线旋转达到一个特定的最大设计转速，并在旋转部件上产生离心负载。叶片56旋转所产生的离心力由位于每个转子叶片56正下方的外缘50的部分承受。转子组件40和叶片56旋转从空气中吸取能量并使涡轮20旋转且提供能量来驱动低压压缩机12(图1所示)。径向内流动通道在周向由相邻的转子叶片56进行界定，并在径向由罩盖58进行界定。
每个转子叶片56包括前缘60、后缘62和在两者之间延伸的翼型面64。每个翼型面64包括吸入侧76和周向相对的压力侧78。吸入和压力侧76和78分别在轴向间隔开的前缘60和后缘62之间延伸，并在转子叶片顶端罩80和转子叶根82之间的径向间距中延伸。叶弦是在转子叶片后缘62和前缘60之间进行测量。在典型实施例中，转子叶片56包括转子密封齿86，转子密封齿在定子罩盖88附近旋转并穿过定子罩盖88和转子叶片顶端罩80所形成的空腔89。
定子组件42包括大致圆筒形的支承90。一排低压涡轮叶片扇段92也被称为涡轮喷嘴安装在支承90上并在燃气轮机10中沿周向延伸。每个叶片扇段92包括多个在内平台96和外平台98之间径向延伸的翼型本体94，内平台96构成径向内流动通道的一部分，外平台98和罩盖88一起在径向界定流动通道。具体地说，每个翼型本体94在叶片扇段顶端100和叶片扇段根部102之间延伸。
每个叶片扇段本体94是中空的，并包括限定了空腔112的内表面110。空腔112包括入口114和出口116，用于使冷却流体流经空腔112。在一个实施例中，冷却流体是压缩机排出空气。U形隔板或壁板120从翼型顶端100向翼型根部102沿径向伸入到空腔112中。在另一个实施例中，隔板120不是U形的。隔板120将空腔92分割成一个第一冷却通道122和一个第二冷却通道124。第一冷却通道122与空腔入口114流体连通，以便冷却流体可流入到第一冷却通道122中，第二冷却通道124与空腔出口116流体连通，以便从第二通道124中排出冷却流体。
多个冷却孔130穿过隔板120在第一冷却通道122和第二冷却通道124之间延伸。冷却孔130允许冷却流体从第一冷却通道122进入第二冷却通道124。具体地说，冷却孔130相对于空腔内表面110的尺寸和位置设定成可便于将冷却流体引向与翼型本体94的前缘134紧邻的空腔内表面110的一部分132。因此，冷却流体射到空腔内表面部分132上，从而通过冲击冷却的方式对翼型本体94进行冷却。
测量孔140也穿过在第一冷却通道122和第二冷却通道124之间的隔板120。孔140相对于空腔内表面110的位置设置成在不冲击内表面110的情况下可将冷却流体从第一冷却通道122排出到第二冷却通道124中。在典型实施例中，孔140设置得靠近隔板120的下顶端142，从而引导空气沿径向向内流动并离开空腔内表面110。具体地说，孔140的尺寸和位置设定成可便于将冷却流体排出到第二冷却通道124中以便对第二冷却通道124进行对流冷却。在一个实施例中，孔140的尺寸设置得可将进入第一冷却通道122的冷却流体的大约三分之一经孔140排出到第二冷却通道124中，大约三分之二的冷却流体经孔130排出。在另一个实施例中，隔板120包括多个孔140。
外带结构150与翼型本体顶端100形成一体。外带150包括多个用于将涡轮叶片扇段92沿周向连接到支承90上的钩形固定件152。具体地说，外带150包括上游侧154和下游侧156。外带下游侧156包括经其延伸穿过的孔158。
隔热屏160的外形相应地适合安装在外带上游侧154和下游侧156之间。因此，隔热屏160包括前缘162、后缘164和在两者之间延伸的本体166。隔热屏本体116在支承90和隔热屏160之间形成一个空腔168。隔热屏的前缘162从外带上游侧钩形固定件152沿径向向外并位于其附近，隔热屏的后缘164从外带下游侧156沿径向向外并位于其附近。
隔热屏160还包括第一组开口170和第二组开口172。在一个实施例中，隔热屏的第一组开口170包括一个第一开口170，隔热屏的第二组开口172包括一个第二开口172。隔热屏的第二组开口172与涡轮叶片扇段的翼型本体94流体连通，隔热屏的第一组开口170与涡轮叶片扇段的外带150流体连通。具体地说，隔热屏的第二组开口172将冷却流体沿径向向内排出到翼型本体空腔的第一冷却通道122中，隔热屏的第一组开口170沿轴向向外带冷却孔158排出冷却流体。孔158与隔热屏开口170和翼型空腔排出口116流体连通。在一个实施例中，隔热屏开口170是一个槽。
在工作过程中，燃烧气体从燃烧室16(图1所示)排出，并将旋转动能传递给转子组件40。当转子组件40旋转时，连续暴露在热的燃烧气体下就使转子叶片56的顶端在较高的温度下工作，且超时工作会导致转子叶片56断裂、氧化和疲劳损坏。为便于对转子叶片顶端进行冷却，将冷却流体供应到定子组件支承90上。具体地说，将冷却流体供应到支承90和隔热屏160之间的支承空腔168中。
然后将一部分冷却流体经隔热屏开口172沿径向向内排出到涡轮叶片扇段的翼型本体空腔的第一冷却通道122中。剩下的冷却流体被称为分流冷却流体，并将其经隔热屏开口170沿轴向向外向涡轮叶片扇段的外带150排出。
从第一冷却通道122进入翼型本体空腔112的冷却流体经冷却孔130和测量孔140流入空腔的第二冷却通道124中。然后，剩下的冷却流体从翼型本体空腔112经空腔出口116排出，然后，剩下的冷却流体与经隔热屏开口170和外带测量部分174沿轴向向外排出的分流冷却流体相混合。在一个实施例中，由于剩下的冷却流体从用于冷却喷嘴翼型面的上游通过，因此，提高了热力学效率。具体地说，在涡轮叶片扇段的外带冷却孔158内，流出空腔排出口116的剩下的冷却流体与流出隔热屏开口170的冷却流体相混合并通过部分174进行测量。
然后，冷却流体混合物从涡轮叶片扇段外带150向下游排出到罩盖空腔180中，然后再进入到转子组件支承空腔182中。进入空腔182的冷却流体混合物进入到燃烧气流通道中，因此就降低了气流的温度。具体地说，冷却流体混合物在排出到燃烧气流通道中之前，围绕旋转转子叶片56、转子叶片顶端罩80和转子密封齿86沿周向流动。由于冷却流体流经空腔182，因此，也便于降低定子罩盖88的工作温度。在一个实施例中，冷却流体混合物分岔并分离，且一部分冷却流体混合物沿径向向内流动，以便于降低至少一部分转子叶片翼型面64的工作温度。
因此，冷却流体有利于降低转子叶片的转子密封齿86、转子叶片56、转子叶片顶端罩80、定子罩盖88和一部分转子叶片翼型面64的工作温度。另外，由于冷却流体大致排出到转子叶片的转子密封齿86、转子叶片56和转子叶片顶端罩80的附近，而不是直接进入到形成于转子叶片56中的冷却槽中，因此，定子组件42的成本较低。
涡轮叶片扇段92可利用已知的制造技术进行制造。在一个实施例中，每个扇段92通过利用一个可形成空腔112、隔板120和冷却通道122和124的型芯(未示出)铸造而成。然后对孔130和140进行机加工并形成隔板120。机加工另外的开口170和172而形成隔热屏160。
上述定子组件成本低、可靠性高。定子组件包括涡轮喷嘴组件和隔热屏，涡轮喷嘴组件包括外带，所述外带包括至少一个用于引导冷却流体向下游流动的孔，隔热屏包括多个第一开口和多个第二开口。第一开口与外带孔流体连通，第二开口与形成于每个叶片扇段中的空腔流体连通。在工作过程中，一部分冷却流体流经叶片扇段空腔，然后与经外带孔排出的冷却流体相混合。从外带排出的冷却流体围绕转子组件沿周向流动以便于降低转子叶片密封齿的工作温度。
尽管上面已结合特定实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员可以认识到，在本发明宗旨和权利要求书所限定的范围内，本发明还可作出各种的变型。

Claims (20)

1.一种用于操纵燃气轮机(10)的方法，该燃气轮机包括涡轮(20)，涡轮(20)包括多个涡轮叶片(56)和一个涡轮喷嘴组件(42)，涡轮喷嘴组件包括沿周向排列的涡轮叶片扇段(92)和内平台(96)，每个叶片扇段从内平台沿径向向外延伸，并包括顶端(100)、根部(102)和在两者之间延伸的本体(94)，叶片扇段顶端包括外带(150)，外带将涡轮喷嘴组件连接到燃气轮机内，所述方法包括以下步骤：
将燃烧气体经涡轮喷嘴组件引向多个涡轮叶片；
将冷却流体供应到涡轮叶片扇段外带；
从涡轮叶片扇段外带经外带上的孔(158)向下游排出冷却流体。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，涡轮喷嘴组件(42)还包括固定在每个涡轮叶片扇段外带(150)内的隔热屏(160)，所述向下游排出冷却流体的步骤还包括将冷却流体经每个隔热屏上的第一组开口(170)引向涡轮叶片扇段外带的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，每个涡轮叶片扇段本体(94)形成一个空腔(112)，所述方法还包括将冷却流体引导到每个涡轮叶片扇段本体空腔的步骤。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述排出冷却流体的步骤还包括将冷却流体经每个隔热屏(160)上的第二组开口(172)引导到每个涡轮叶片扇段本体空腔(112)中的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述从涡轮叶片扇段(92)向下游排出冷却流体的步骤还包括将压缩机排出空气引导到每个涡轮叶片扇段中的步骤。
6.一种用于燃气轮机(10)的涡轮喷嘴组件(42)，所述涡轮喷嘴组件包括一排从内平台(96)沿径向向外延伸的涡轮叶片扇段(92)，每个所述涡轮叶片扇段包括顶端(100)、根部(102)和在两者之间延伸的本体(94)，所述顶端包括从所述涡轮叶片扇段本体沿径向向外延伸的外带(150)，所述外带包括至少一个孔(158)，该孔构造成可引导冷却气流从每个所述涡轮叶片扇段顶端向下游流动。
7.根据权利要求6所述的涡轮喷嘴组件(42)，其还包括固定在每个所述涡轮喷嘴组件外带(150)中的隔热屏(160)。
8.根据权利要求7所述的涡轮喷嘴组件(42)，其中，所述隔热屏(160)包括多个第一开口(170)和多个第二开口(172)，所述第一开口和所述第二开口中的至少一个与所述涡轮叶片扇段外带(150)流体连通。
9.根据权利要求8所述的涡轮喷嘴组件(42)，其中，所述涡轮叶片扇段本体(94)限定了一个空腔(112)，所述隔热屏第二开口(172)与所述涡轮叶片扇段本体空腔流体连通。
10.根据权利要求8所述的涡轮喷嘴组件(42)，其中，所述隔热屏第一开口(170)与所述涡轮叶片扇段外带(150)流体连通。
11.根据权利要求6所述的涡轮喷嘴组件(42)，其中，向下游流经所述涡轮叶片扇段外带孔(158)的所述冷却气流是压缩机排出空气。
12.根据权利要求6所述的涡轮喷嘴组件(42)，其中，所述涡轮叶片扇段外带(150)的至少一个孔(158)包括多个孔，孔的结构制成可控制从所述涡轮叶片扇段外带向下游排出的冷却气流量。
13.一种燃气轮机(10)，其包括低压涡轮(20)，低压涡轮包括多个涡轮叶片(56)和一个用于将气流引向所述涡轮叶片的涡轮喷嘴组件(42)，所述涡轮喷嘴组件包括一排沿周向排列的涡轮叶片扇段(92)和一个内平台(96)，每个所述叶片扇段从所述内平台沿径向向外延伸并包括顶端(100)、根部(102)和在两者之间延伸的本体(94)，所述顶端包括外带(150)，其构造成可将所述涡轮喷嘴组件连接到所述燃气轮机内，所述外带包括至少一个孔(158)，该孔构造成可引导冷却气流从每个所述叶片扇段顶端向下游流动。
14.根据权利要求13所述的燃气轮机(10)，其中，所述涡轮喷嘴组件的涡轮叶片扇段外带孔(158)还构造成可调节从所述叶片扇段外带(150)排出的气流量。
15.根据权利要求14所述的燃气轮机(10)，其中，所述涡轮喷嘴组件(42)还包括固定在每个所述涡轮叶片扇段外带(150)中的隔热屏(160)。
16.根据权利要求15所述的燃气轮机(10)，其中，所述涡轮喷嘴组件的隔热屏(160)包括多个第一开口(170)和多个第二开口(172)，所述隔热屏第一开口构造成可将冷却空气向下游向所述涡轮叶片扇段外带(150)排出。
17.根据权利要求16所述的燃气轮机(10)，其中，所述涡轮喷嘴组件的隔热屏第二开口(172)构造成可向所述涡轮叶片扇段本体(94)排出冷却空气。
18.根据权利要求18所述的燃气轮机(10)，其中，每个所述涡轮叶片扇段(92)包括一个空腔(112)，所述涡轮喷嘴组件的隔热屏第二开口(172)与所述涡轮叶片扇段空腔流体连通。
19.根据权利要求16所述的燃气轮机(10)，其中，所述涡轮喷嘴组件的涡轮叶片扇段本体(94)包括一个空腔(112)，所述涡轮喷嘴组件的隔热屏第一和第二开口(170、172)中的至少一个与所述涡轮喷嘴组件的涡轮叶片扇段空腔流体连通。
20.根据权利要求16所述的燃气轮机(10)，其中，流经所述涡轮喷嘴组件隔热屏(160)排出的所述冷却空气是压缩机排出空气。
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