TW575711B - Cooling system for gas turbine stator nozzles - Google Patents

Description

575711 A7 B7 五、發明説明（1 ) 本發明有關一種燃氧輪機定子噴嘴之冷卻系統。 習知情形中，燃氧輪機係爲一壓縮機以及具有一或多個 階級的一輪機所組成之機器，其中這些組件由一旋轉軸彼 此連接，且其中一燃燒室設置於壓縮機與輪機之間。 這些機器中，得自外部環境的空氣係供應至壓縮機，藉 以將壓縮機加壓。 經壓縮的空氣係通過一系列的預混合室，各預混合室終 止於一收斂部中，一噴射器將燃料供應入各預混合室，燃 料與空氣相混合以形成一可供燃燒之空氣-燃料混合物。 在燃料室内部接收燃料，並由適當火星塞將燃料點燃以 產生燃燒，其設計可增加溫度及壓力並因而增加氣體的焓。 同時，壓縮機供應經壓縮的空氣並使其通過燃燒器及燃 燒室的襯套，故可使用該經壓縮的空氣來供應燃燒。 隨後，經由適當的管件，高溫及高壓的氣體抵達輪機的 不同階級，而將氣體的焓轉換成使用者可使用的機械能。 此處亦已知，爲了從一特定的燃氧輪機獲得最大性能， 需要盡量高的氣體溫度；然而，使用輪機所能獲得的最大 溫度値係受限於所使用材料的阻抗。 爲了更瞭解本發明所解決的技術問題，下文簡單描述根 據習知技藝的一種燃氧輪機之一高壓階級的一定子。 在燃燒室下游處，輪機具有一高壓定子及一轉子，其中 使用該定子將經燃燒的氣體流以適當條件饋送至轉子的攝 入部，並特定言之，將其對應地傳送到轉子葉片的輪葉， 藉此防止氣體流直接碰到葉片的背脊或凸形表面及前腹或 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 575711 A7 B7 五、發明説明（2 凹形表面。 定子係由一系列的定子葉片所組成，在各對的定子葉片 之間設置有一對應的噴嘴。 此組足子葉片爲一環狀並往外連接至輪機外殼且往内連 接至一對應的支撑部。 因此可注意到，定子的第一項技術問題（特別是對於高壓 階級）爲··定子係承受定子輪葉中膨脹的流體之壓力降低所 造成的高壓負載。

此外，疋子係承受得自燃燒室之熱氣體流、及導入輪機 =用於冷卻受到最大熱性應力的部份之冷空氣流所造成之 南的溫度梯度。 裝 /由於這些高溫，輪機的高壓階級中所使用之定子葉片必 須加以冷卻，因此具有一個對應設有孔之表面，孔係用於 在定子葉片本身内循環空氣。 訂

然而’本文中應注意，由於不斷需要提高燃氧輪機的性 能，3要將輪機引擎内部的所有流動均加以最佳化。 特定言之’因爲已如上述將得自壓縮階級的线進行處 理而顯著增加熱力學循環，對於燃燒功能而非冷卻功能盡 量使用此空氣將是有利的方式，尚且，最重要的熱區中更 需要如此。 因此本文的項重要的技術問題在於：在各區中正確 地計量此空氣，其中考量到依據運作條件、輪機引擎及其 元件的磨損或髒污程度及時間、以及暫態運作狀態期間其 組件的尺寸變化而改變所需要的空氣量之情形。 -5 -

575711 A7 五 發明説明（3 受到特別熱性應力之元件係爲定子噴嘴，其設計必須符 合所需要的流體力學需求，以使機器獲得高程度的流體力 學效率。 此設計亦必須符合熱性需求，藉以首先將金屬溫度限制 在一特定値以下，此特定値取決於所使用的材料（可爲9〇〇 °c )，再者並限制材料中所出現的溫度梯度。 爲了幫助瞭解本發明的特徵，現在特別參照圖1，圖i代 表一輪葉2 0的縱剖視圖，輪葉2 〇屬於一種根據習知技藝的 燃氧輪機之一噴嘴。 輪葉20具有一凹形或前腹表面21以及一相對的凸形或背 脊表面22 ’凹形或前腹表面21及凸形或背脊表面22係合作 界定輪葉2 0的外形。 亦提供圖中位於輪葉2 0表面上的適當點上之複數個冷卻 孔2 3。 這些孔或槽實際上可提供冷卻喷嘴本身的端點部份之功 能。 在輪葉20内邵，亦出現小盒24及25(亦即穿孔狀板元件） 以將熱X換係數增大至目前應用可接受的數値（3〇〇〇瓦特/ 平方公尺K)。 實際上，噴嘴的此部份輪葉必須保持限定的溫度，但同 時必須限制得自壓縮機的較冷空氣之消耗（譬如必須爲5至 10%)，藉此不會損及整體機器的性能水準。 在輪葉20的出口邊緣26上，亦出現一冷卻孔27，此冷卻 孔27如圖1所示具有一攝入段28及一出口段29。 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 575711 A7 B7

五、發明説明（4 ) 因此，習知技藝具有輪葉2 〇出口邊緣的冷卻孔附近之材 料厚度過大之問題。 "圖1中此材料30及30,量一般將使其内部溫度梯度（當難以 消除時）成爲極高値，但亦可能增加局部熱交換係數。 但應汪意，當孔的攝入段在出口邊緣上放大時，消除了 具有高溫度梯度的材料，但同時亦降低冷卻空氣的速度， 並因而降低了發生在輪葉2〇的孔或槽中之熱交換係數，並 瞭解必須對於冷卻空氣的相同流率作出此比較。 因此顯示出：對於噴嘴材料的物理性質而言，將具有因 金屬溫度過高所產生之危險。 因此，本發明之目的係提供一種燃氧輪機定子噴嘴之冷 卻系統，故可能對於這些噴嘴的輪葉溫度獲得最佳的控制。 本發明足另一目的係提供一種燃氧輪機定子噴嘴之冷卻 系統，故可能消除輪葉内之不良的溫度梯度。 系統，故可能減小輪葉的出口邊緣的冷卻孔 大厚度。 本發明之另一目的係提供一種燃氧輪機定子噴嘴之冷卻 附近之材料的

··冷卻孔相對於該輪葉 段，其形狀可使得冷卻 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公著) 575711 五、發明説明（5 孔具有可在對於該輪葉呈徑向的一方向中改變的一剖面。 據本發月之項較佳實施例，沿著輪葉徑向之輪葉的 出口邊緣的冷卻孔之攝人段高度（圖4⑽η)係小於出口段 的相對高度（圖3的H〇ut)。 —根據本發明之_項較佳實施例，在該輪葉内出現有起伏 疋件以增加該輪葉的熱交換係數。 根據本發明的系統係沿著整個冷卻孔具有高的熱交換係 數，並且該輪葉的金屬内部並無溫度梯度。 根據本發明，噴嘴的冷卻系統具有用於沿著孔本身的壁 生成紊流之複數個元件，藉以永遠確保高的熱交換値。 此外，噴嘴的冷卻系統具有局限於該孔的嘴口之一低的 負載知失，譬如藉以避免此區中之調整空氣總壓力的浪費 部份，使得冷卻流體留有更大能量來克服冷卻孔以及用於 生成紊流的元件之負載損失。 取後應注意，該孔的幾何形狀譬如係利於在鑄造該輪葉 時攝入熔融合金之用。 本發明的其他特徵係界定於本申請案之其他申請專利範 圍中。 可由下文對於非限制性範例所提供的一項典型實施例的 描述並參照圖式更清楚地得知本發明之特徵及優點，其中： 圖1以縱剖面示意顯示一輪葉，此輪葉係屬於一種根據習 知技藝之燃氧輪機的一噴嘴； 圖2則另以縱剖面顯示一輪葉，此輪葉係屬於一種根據本 發明之燃氧輪機的一喷嘴； -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) B7 五、發明説明（6 二以徑向剖面顯示一種根據本發明之燃氧輪機的一噴嘴 I冷卻孔的輸出段；及 、圖4、以;L向剖面顯不一種根據本發明之燃氧輪機的一喷嘴 之冷卻孔的輸入段。 文中佺向特別代表與在機器中膨脹的氣體流呈現 垂直之一方向。 WW刀^形中，氣體流的方向亦爲機器主軸線的方向。 特別參圖2，此圖以縱剖面顯示概標爲i 〇之一輪葉， 此輪葉係屬於一種根據本發明之燃氧輪機的一噴嘴。 輪葉1〇具有特別設計的形狀以對於輪機所處理之氣體提 么、所而要的文氣動力性質，並具有一凹形或背脊表面1 ^、 及二相對的凸形或前腹表面12，凹形或背脊表面u與凸形 或前腹表面12係合作界定輪葉1〇的外形。 亦提供複數個冷卻孔13，冷卻孔13出現在輪葉1〇表面的 適當點上。 在輪葉1 0内部亦出現小盒丨4及i 5 (亦即穿孔狀板元件）， 藉以將熱交換係數增加至目前應用可接受的數値。 本發明特別重視輪葉1 〇的輸出邊緣i 6，在輸出邊緣丨6内 設置一冷卻孔17，冷卻孔17具有比習知技藝更爲放大的一 攝入段18。 圖2亦顯示位於輪葉丨〇變細部份中之冷卻孔丨7的輸出段 19 〇 因此，藉由此構造，可獲得輪葉10的冷卻孔17之一放大 的攝入段1 8。 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公爱) 575711 A7 ____ B7 _ 五、發明説明（7 ) 爲了消除此缺點，通常具有固定剖面之冷卻孔可具有可 在徑向改變的一高度。 實際上’若圖式平面中之冷卻孔的攝入部（圖2的區18)較 寬’與平面本身呈直角之尺寸（機器的徑向方向）可比習知 應用更小。 貝際上’輪葉1 〇的出口邊緣1 6之冷卻孔1 7的攝入段1 8所 具有的尺寸（圖4的Hin)係比出口段1 9的對應尺寸（圖3的 Hout)更小。 若根據本發明的噴嘴之冷卻系統其特徵亦爲：在輪葉的 出口邊緣附近（圖1的區29及圖2的區19)冷卻孔具有相同尺 寸則將產生純立體形式，並具有圖3至4所示的攝入段18 及出口段1 9。 藉由此幾何形狀，可能沿著整個冷卻孔丨7具有高的熱交 換係數，藉以消除輪葉金屬内的溫度梯度。 、利用用於沿著孔本身的壁生成紊流之元件亦可進一步改 良熱交換，藉以永遠確保具有高的熱交換係數値。 本發明的另一優點係爲局限於孔的嘴口之降低的負載損 ^故可把不會浪費此區中調整空氣的總壓力之一部份， 精此使得冷卻流體留有更多能量來克服冷卻孔及用於生成 资流的元件之負載損失。 本發月的另-優點係發生於铸造輪葉時，其中所描述的 幾何形狀係在槽的嘴口區中形成一種漏斗部，以利攝入熔 融合金。 本發明已具有滿意之理論及實驗性結果，故此系統可使 I紙張尺度適用巾g g家料(CNS) A4規格(21G x 297公爱) —--- 575711 A7 B7 五、發明説明（8 用於可廣泛取得之新的燃氧輪機。 上文描述清楚顯示根據本發明之燃氧輪機定子噴嘴之冷 卻系統的特徵及優點。 現在描述下列結論及觀察結果，以更清楚且 該等優點。 所提出的解決方案之目的係爲減小輪葉之出口邊緣的冷 卻孔附近之材料的大厚度。 因此，本發明可消除該等材料的大厚度區， 對應的溫度梯度。 ^ 如此將可產生令局限於孔17嘴 一 17角口的負載損失降低之上述 有显結果，猎以避免浪費此特別 力的一部份。 t别重要£中調整空氣的總壓 孔17的幾何形狀譬如可在轉造輪葉1〇時利於攝 同時亦消除 金 入熔融合 最後，身爲本發明主體之燃氧輪機定子嘴嘴之 =種其他變化’而不脫離發明概念中所固有：原理及 亦顯然可得知，本發明㈣際實施例t 任付;姐 rj t ^ 依'☆求使用 等的組件來 任订材料、尺寸及形式，並可以其他技術性相 取代此等組件本身。 本發明的範圍係由申請專利範圍所界定。 -11 -

Claims (1)

1. 575711 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍

   裝 1· 一種燃氧輪機定子噴嘴之冷卻系統，其可施用於各輪葉 (10)，孩輪葉（10)係屬於一燃氧輪機的一喷嘴，其中該 等輪葉（ίο)各具有一凹形表面（11)及一相對的凸形表面 (12) ’孩等凹形表面（11)與凸形表面合作以界定 該輪葉（10)的外形，且其中該輪葉（1〇)的表面具有位於 孩輪葉（1 0 )表面本身的適當點上之複數個冷卻孔（i 3 )， 其特徵爲該冷卻孔（1 7)相對於該輪葉（1〇)的出口邊緣 (16)具有一攝入段（18)及一出口段（19)，該等攝入段 (1 8)及出口段（丨9)的形狀可使得該冷卻孔（丨7)具有一 可在一徑向方向中改變的剖面。 2 ·如申請專利範圍第1項之噴嘴之冷卻系統，其特徵爲沿 著孩輪葉（10)的一徑向方向之該輪葉（10)的出口邊緣 (16)的冷卻孔（17)的攝入段（18)的高度係小於該出口 段（1 9)的相對高度。 3. 如申請專利範圍第丨或2項之噴嘴之冷卻系統，其特徵爲 在該輪葉（ίο)内部出現有穿孔狀板元件（14，15)，藉 以增加該輪葉（1 0 )的熱交換係數。

   4. 如申請專利範圍第丨或2項之噴嘴之冷卻系統，其特徵爲 沿著該整個冷卻孔（17)具有高的熱交換係數，且該片 (10)金屬内並無溫度梯度。 5·如申請專利範圍第丨或2項之喷嘴之冷卻系統，其特徵爲 具有複數個用於沿著該等孔本身的壁生成紊流之元件， 藉以永遠確保具有一高的熱交換係數値。 6·如申請專利範圍第1或2項之噴嘴之冷卻系統，其特徵爲 -12- 575711 A8 B8 C8 申請專利範圍 以避Π # (17)嘴口上之減小的負载損失，譬如藉 ^費此區中調整空氣的總壓力之—部份，而使得 心部泥體留有更大的能量來克服該等冷卻孔及該等用 於生成紊流的元件之負載損失。 如申請專利範圍第丨或2項之噴嘴之冷卻⑽，其特徵爲 i (17)的幾何形狀在铸造該輪葉（1〇)期間可利於攝入 *亥溶融合金。 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)