CN1918373A - 径流式涡轮机及其喷嘴的冷却方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于以较简单的结构有效冷却在涡轮机结构要素中达到特别高温度的涡轮机喷嘴。本发明的径流式涡轮机，在覆盖涡轮机喷嘴(2)及径流式涡轮机叶轮(3)及形成燃烧气(10→11→12→13)的流道(15、16)的涡轮壳体(5)的外侧，形成设有作为燃烧前的压缩空气(20→21)的流道(24)的涡轮机外壳(7)的双层壳体结构。将流经与大气之间具有气密性的压缩空气流道的燃烧前的压缩空气(21)，通过贯穿涡轮壳体的两壁面的通孔(51)猛吹向涡轮喷嘴。这样，在冷却涡轮喷嘴的同时，使在该喷嘴冷却中所使用的压缩空气向涡轮机叶轮流入的结果，将向涡轮机喷入的压缩空气(20)的全部用作驱动涡轮机叶轮的机械功。

Description

径流式涡轮机及其喷嘴的冷却方法
技术领域
本发明涉及冷却结构得到改进的径流式涡轮机及其涡轮喷嘴的冷却方法。
背景技术
最近，在驱动发电机的燃气轮机中，研究出使用了径流式涡轮机的功率为数十至数百KW的燃气轮机发电设备。在这样的燃气轮机发电设备中，作为提高发电效率的方法之一，可以列举提高涡轮入口温度这种方法。但是，若使涡轮入口温度升高，尤其是使涡轮喷嘴等达到高温，则有可能导致这些材料变为熔融等的状态。作为其对策之一，有使用比涡轮入口部的燃气温度低的高压的空气来冷却涡轮喷嘴，使其金属温度降低的方法。采用了这种冷却方法的结构例子，公开在日本实开昭62-135802号公报中。在该现有技术中，将冷却径流式涡轮机的冷却空气进行分支，使其一个分支在穿过喷嘴导叶的内部之后向外部排放，使其另一个分支从燃气流道的上游对喷嘴进行喷吹以冷却喷嘴。
在上述现有技术中，冷却径流式涡轮机的喷嘴的一个分支的冷却空气，在穿过喷嘴导叶的内部之后向外部排放，仅该部分在供给能量上产生浪费，使效率降低。
另外，尽管冷却空气的流道复杂，但朝向喷嘴的冷却孔只能设置在流道壁面的一侧，喷嘴的温度分布出现不均，有产生热变形的可能性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现以下任一项的径流式涡轮机发电设备。首先可以列举，利用冷却涡轮喷嘴导叶后的空气，提高涡轮机的效率。其次是均匀地冷却涡轮喷嘴，以防止其产生热变形。再有，提供一种有效地冷却涡轮喷嘴的简单结构。
在本发明的最佳实施例中，其结构做成使冷却了径流式涡轮机的涡轮喷嘴的冷却气体的实质上的全部流入到涡轮机的燃气流道中。
在本发明的最佳实施例中，本发明的径流式涡轮机，具备：在从燃烧器连接到涡轮壳体的上述燃气流道的外侧与大气之间实质上形成了气密的气体流道，从外部向该气体流道内喷入气体的气体喷入孔，将喷入到上述气体流道内的气体的一部分导入到上述燃烧器内的喷出孔，将喷入到上述气体流道内的气体的另一部分喷出到上述燃气流道中的喷嘴附近的壳体通孔。
在本发明的这些最佳实施例中，在径流式涡轮机的构成要素中，特别是在冷却成为高温的涡轮喷嘴的同时，还将该冷却使用了的冷却气体的实质上的全部用作驱动涡轮机叶轮的机械功。
本发明的其它目的与特征通过以下对实施例的说明将更加清楚。
附图说明
图1表示的是本发明的实施例1的径流式涡轮机发电设备的涡轮部分的冷却结构，图1(A)为正剖视图，图1(B)为侧剖视图。
图2是表示本发明的实施例2的冷却结构的主要部位的侧剖视图。
图3是表示本发明的实施例3的冷却结构的主要部位的侧剖视图。
图4是表示本发明的实施例4的冷却结构的主要部位的侧剖视图。
具体实施方式
实施例1
下面，参照附图，详细说明本发明的实施例。
图1表示的是本发明的实施例1的径流式涡轮机的结构。在径流式涡轮机中，燃烧气体10-14，尤其是以标号13表示的部分，从半径方向的外侧向内侧通过涡轮喷嘴2，喷射到转子的涡轮机叶轮3上。这样，其结构使叶轮3旋转，燃烧气体14向旋转轴方向流出。
在本实施例中，涡轮机采用双层壳体结构。首先，燃烧气体10-14通过的涡轮机的燃气流道15、16，通过由涡轮机涡形管4、涡轮壳体5及扩散器6覆盖来形成。
其次，这些涡轮机涡形管4、涡轮壳体5及扩散器6的外侧以一定间隔被涡轮机外壳7覆盖。该涡轮机外壳7与燃烧器外筒8连接，形成与外部气体保持气密的压缩空气流道24。从涡轮机外壳7的压缩空气喷入孔71将压缩孔气20喷入到该压缩空气流道24中。压缩空气20成为流经由涡轮壳体5和涡轮机外壳7构成的双层壳体之间的压缩空气流道24的压缩空气21，其大部分成为向燃烧器衬套9喷射的压缩空气22。
燃烧器衬套9通过燃料31与压缩空气22的燃烧反应向涡轮机涡形管4喷射高温高压的燃烧气体10。该燃烧气体10通过燃气流道15、16成为燃烧气体11、12及13，向径流式涡轮机叶轮3喷射并使其旋转。
此处，在燃烧气体流道16的涡轮喷嘴2正前的位置，在涡轮壳体5上设有喷嘴冷却用的多个壳体通孔51。因此，压缩空气21的一部分成为压缩空气23从这些通孔51向燃气流道16的喷嘴2的前缘喷射。该喷嘴冷却用压缩空气23与燃烧气体13相比为低温，能有效地冷却喷嘴2。
下面，对本实施例的作用进行详细说明。
在此，以压缩空气20为例来说明的工作气体，只要是具有预定压力，并能在燃烧器衬套9中与燃料一起进行燃烧反应的气体，也可以是其它气体。该压缩空气20由压缩机等加压，根据情况可由再生器升温后，送入到涡轮机外壳7内的压缩空气流道24中。设其质量流量为G0、压力为P0、温度为T0。该压缩空气20成为压缩空气21，由通过涡轮壳体5的外周的压缩空气流道24导入到燃烧器外筒8中。在这一过程中，压缩空气21的一部分通过设置在涡轮壳体5上的通孔51，作为喷嘴冷却用压缩空气23向涡轮壳体5的内部分流。设该分流了的冷却用压缩空气23的质量流量为ΔG、压力为P0、温度为T0。由于燃烧器为回流式，因而，冷却用压缩空气23经分流后的压缩空气22被导入到燃烧器外筒8，并从外筒8流入到燃烧器衬套9中。流入到燃烧器衬套9中的压缩空气22的质量流量为G0-ΔG，压力为P1，温度为T0。在燃烧器衬套9中，通过使质量流量α的燃料31与上述压缩空气22混合燃烧，便生成高温的燃烧气体10(质量流量为G0-ΔG+α，压力为P1，温度为T0)，并从燃烧器衬套9向涡轮机涡形管4喷出。此处，P0＞P1，但压力差P0-P1是由于从涡轮机外壳7内的压缩空气流道24到燃烧器衬套9的压力损失所致。
已喷出的燃烧气体10在成为通过涡轮机涡形管4的燃烧气体11、12后，到达涡轮喷嘴圆形叶栅2。
在涡轮喷嘴圆形叶栅2的入口处，高温的燃烧气体11、12(质量流量为G0-ΔG+α，压力为P1，温度为T1)与从压缩空气流道24通过涡轮壳体5的冷却用通孔51流进来的冷却用压缩空气23(质量流量为ΔG、压力为P0、温度为T0)合流。因此，从涡轮喷嘴圆形叶栅2的入口向径流式涡轮机叶轮3喷射的燃烧气体13为燃烧气体10和压缩空气23之和。
另外，如图1(B)所示，冷却用通孔51在涡轮喷嘴圆形叶栅2的前缘部附近的位置设置有朝向燃烧气体流动方向的倾斜角。因此，通过将温度较低的压缩空气23直接喷吹到高温的喷嘴导叶2，则可以有效地冷却喷嘴导叶2，同时还可以将作为燃烧气体13整体的温度降低值ΔT减小，从而可抑制涡轮机效率的降低。
根据本实施例，流入到涡轮喷嘴圆形叶栅2的质量流量为G0-ΔG+α+ΔG＝G0+α，可以将从压缩空气喷入孔71喷入的全部流量用来使涡轮机叶轮3旋转。因此，在喷入的质量流量为G0的压缩空气20中，不给予驱动径流式涡轮机叶轮3作机械功的流量是不存在，可以提高能效。另外，冷却用壳体通孔51设置在夹住燃烧气体13的流道的涡轮壳体5的两壁，通过从两侧冷却喷嘴导叶2，因而难于产生喷嘴导叶2在流道方向的温度分布不均匀，可抑制热变形。
喷嘴冷却后的高温气体13(质量流量为G0+α，压力为P1，温度为T1-ΔT)，通过涡轮喷嘴圆形叶栅2而膨胀并予以加速，对径流式涡轮机叶轮3赋予能量并将其驱动，作为燃烧气体14向旋转轴方向流出。这里，在径流式涡轮机叶轮3的旋转轴与发电机连接的情况下，该径流式涡轮机叶轮3的轴驱动力直接与发电输出连接。
从径流式涡轮机叶轮向旋转轴方向流出去的气体14，由扩散部6减速并使压力恢复，并将其导入到消声器或再生器等。
在一般的径流式涡轮机中，利用涡轮机使从燃烧器衬套9喷出的燃烧气体10进行绝热膨胀时，涡轮壳体5及扩散器6的金属温度变为高温。但是，在本实施例中，通过由外壳7形成压缩空气流道24使其覆盖壳体5和扩散器6，则可以用温度更低的压缩空气21的环境气体包围住壳体5和扩散器6，从而使其有效地冷却。
若将本实施例与上述现有技术进行比较，本实施例可以将直接用作驱动径流式涡轮机叶轮3的机械功的涡轮机冷却后的高温气体13的质量流量，只增加喷嘴冷却用的压缩空气23的质量流量ΔG相应的部分。换言之，通过将喷入到涡轮机中的压缩空气20的质量流量G0的实际的全部流量，用作驱动喷嘴冷却后的径流式涡轮机叶轮3的机械功，则可以提高涡轮机的效率。
图2是表示本发明的实施例2的冷却结构的重要部位的侧剖视图。与图1不同之点在于壳体通孔的布置。其它方面与图1相同，省略了图示及说明。
在涡轮壳体5的两壁，在燃烧气体13的流动方向上以一定间隔配置多个通孔51，以强化冷却喷嘴导叶2的前缘部分。
图3是表示本发明的实施例3的冷却结构的重要部位的侧剖视图。在该图中，与图1不同之点在于壳体通孔的布置。其它方面与图1相同，省略了图示及说明。
在该实施例中，以薄膜冷却涡轮喷嘴圆形叶栅的喷嘴导叶2的整个外周为目的，如图所示，在形成燃烧气体流道的壳体5的两壁面和喷嘴导叶2的外周相接的部分设有许多冷却用的壳体通孔51。这些壳体通孔51，由于可减小对燃烧气体13的阻力，所以使其向燃烧气体13的下游侧倾斜。
图4是表示本发明的实施例4的冷却结构的重要部位的侧剖视图。在该图中，与图1不同之点在于壳体通孔的布置。其它方面与图1相同，省略了图示及说明。
在该实施例中，在喷嘴导叶2的内部设有一个或多个通孔201，使其从夹住燃烧气体13的流道的压缩空气流道24的一侧，经壳体5的壁面的壳体通孔51、喷嘴导叶的壁厚部分的喷嘴通孔201及另一侧的壳体5的壁面的壳体通孔51通向压缩空气流道24的另一侧。另外，还设有从这些喷嘴通孔201的喷嘴导叶2的壁厚部分通向喷嘴导叶2的表面的泄漏孔202。这样，将其做成从通孔51、201通过泄漏孔202，将压缩空气导向喷嘴导叶2的外周壁，从而从喷嘴导叶2的内外两面促进冷却的结构。
再有，作为本发明的径流式涡轮机的喷嘴的冷却结构的其它实施例，可以采用图1、图2、图3及图4的任何组合。即使是在这些任一组合中，也可以将喷入到涡轮机中的压缩空气20的质量流量的实际的全部流量，用于在喷嘴冷却后为使涡轮机叶轮3旋转所作的机械功上，可以提高涡轮机的能效。
如在背景技术部分中所述，最近，在驱动发电机的燃气轮机中研究出使用了径流式涡轮机的从数十至数百KW的燃气轮机发电设备。本发明是在这样的燃气轮机发电设备中，提出了为提高能效、提高发电效率的有效且比较简单的结构，并期待将其实用化。

Claims (20)

1.一种径流式涡轮机，具备：形成将由燃烧器生成的燃烧气体引导到喷嘴的燃气流道的涡形管，将该燃烧气体向旋转轴的半径方向内侧的径流式叶轮喷射的喷嘴，覆盖该喷嘴及上述叶轮并形成上述燃气流道的壳体，其特征在于，
还具备：与大气之间实质上形成了气密的气体流道，从外部向该气体流道内喷入气体的气体喷入孔，将喷入到上述气体流道内的气体的一部分导入到上述燃烧器内的喷出孔，使喷入到上述气体流道内的气体的另一部分喷向上述燃气流道中的上述喷嘴附近的通孔。
2.根据权利要求1所述的径流式涡轮机，其特征在于：
上述气体流道，为使其覆盖从上述燃烧器连接到上述壳体的上述燃气流道的外侧而形成。
3.根据权利要求1所述的径流式涡轮机，其特征在于：
上述气体流道，为使其覆盖从上述燃烧器连接到上述壳体的上述燃气流道的外侧而形成，上述通孔形成在上述壳体的壁上，以使其连通上述气体流道与上述燃气流道的喷嘴的上游之间。
4.根据权利要求1所述的径流式涡轮机，其特征在于：
上述通孔形成在夹持上述燃气流道的壳体两壁上，以使其从上述气体流道穿过该壳体的两壁而与上述燃气流道相通。
5.根据权利要求1所述的径流式涡轮机，其特征在于：沿着上述燃气流道的流动方向并排设有多个上述通孔。
6.根据权利要求1所述的径流式涡轮机，其特征在于：
上述喷嘴具有在以涡轮旋转轴为中心的圆周上排列设有多个导叶的圆形叶栅，上述通孔沿着上述圆形叶栅的各导叶的表面分别包含多个壳体通孔。
7.根据权利要求1所述的径流式涡轮机，其特征在于：
上述通孔沿上述燃气流道的流动方向倾斜并包含贯穿上述壳体壁面的通孔。
8.根据权利要求1所述的径流式涡轮机，其特征在于：
上述喷嘴具有在以涡轮旋转轴为中心的圆周上排列设有多个导叶的圆形叶栅，上述通孔包含沿上述圆形叶栅的各导叶的表面部分，并向上述燃气流道的流动方向倾斜的多个壳体通孔。
9.根据权利要求1所述的径流式涡轮机，其特征在于：
还设有通孔和泄漏孔，上述通孔从夹持上述燃气流道的上述气体流道的一侧，通过上述壳体壁、上述喷嘴导叶的壁厚部分及另一侧的上述壳体壁，通向上述气体流道的另一侧；上述泄漏孔从该通孔的上述喷嘴导叶的壁厚部分通向喷嘴的表面。
10.一种径流式涡轮机，具备：将压缩空气和燃料混合并使其燃烧而生成燃烧气体的燃烧器衬套，形成将由该燃烧器衬套生成的燃烧气体供给涡轮喷嘴的燃气流道的涡轮机涡形管，使该燃烧气体向旋转轴的半径方向内侧加速并供给径流式涡轮机叶轮的涡轮喷嘴，覆盖上述涡轮喷嘴及上述径流式涡轮机叶轮的涡轮壳体，其特征在于，
还具备：与大气之间实质上形成了气密的气体流道，从外部向该气体流道内喷入气体的气体喷入孔，将喷入到上述气体流道内的气体的一部分导入到上述燃烧器衬套内的喷出孔，将喷入到上述气体流道内的气体的另一部分喷向上述燃气流道中的上述喷嘴附近的通孔。
11.根据权利要求10所述的径流式涡轮机，其特征在于：
上述气体流道由涡轮机外壳构成，以使其覆盖从上述燃烧器连接到上述壳体的上述燃气流道的外侧并对大气保持气密性。
12.根据权利要求10所述的径流式涡轮机，其特征在于：
上述气体流道，为使其覆盖从上述燃烧器连接到上述壳体的上述燃气流道的外侧而形成，上述通孔形成在上述壳体的壁上，以使其连通上述气体流道与上述燃气流道的喷嘴的上游之间。
13.根据权利要求10所述的径流式涡轮机，其特征在于：
上述通孔形成在夹持上述燃气流道的涡轮壳体两壁上，以使其从上述气体流道穿过该涡轮壳体的两壁而与上述燃气流道相通。
14.根据权利要求10所述的径流式涡轮机，其特征在于：沿着上述燃气流道的流动方向并排设有多个上述通孔。
15.根据权利要求10所述的径流式涡轮机，其特征在于：上述涡轮喷嘴具有在以涡轮旋转轴为中心的圆周上排列设有多个导叶的圆形叶栅，上述通孔包含沿着上述圆形叶栅的各导叶的表面部分排列的多个涡轮壳体通孔。
16.根据权利要求10所述的径流式涡轮机，其特征在于：上述通孔沿上述燃气流道的流动方向倾斜并包含贯穿上述涡轮壳体壁面的通孔。
17.根据权利要求10所述的径流式涡轮机，其特征在于：
上述涡轮喷嘴具有在以涡轮旋转轴为中心的圆周上排列设有多个导叶的圆形叶栅，上述通孔包含沿上述圆形叶栅的各导叶的表面部分，并向上述燃气流道的流动方向倾斜的多个涡轮壳体通孔。
18.根据权利要求10所述的径流式涡轮机，其特征在于：
还设有通孔和泄漏孔，上述通孔从夹持上述燃气流道的上述气体流道的一侧，通过上述壳体壁、上述喷嘴导叶的壁厚部分及另一侧的上述壳体壁，通向上述气体流道的另一侧；上述泄漏孔从该通孔的上述喷嘴导叶的壁厚部分通向喷嘴的表面。
19.一种径流式涡轮机的喷嘴冷却方法，具备：将来自燃烧器的燃烧气体通过包含涡形管的燃气流道导入喷嘴的步骤和将该燃烧气体从上述喷嘴向半径方向内侧的径流式叶轮喷射的步骤，其特征在于，
还具有以下步骤：在上述燃气流道的外侧将气体从外部喷入到与大气实质上形成气密的气体流道内的步骤，将喷入到该气体流道内的气体的一部分导入上述燃烧器内的步骤，将喷入上述气体流道内的气体的另一部分向上述燃气流道中的上述喷嘴附近喷出的步骤。
20.根据权利要求19所述的径流式涡轮机的冷却方法，其特征在于：向上述燃气流道中的上述喷嘴附近喷出的步骤包含沿着形成上述喷嘴导叶的表面喷出上述气体的另一部分的步骤。
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