燃氣輪機熱負荷結構件的冷卻方法、實施該方法的裝置以及熱負荷葉片的結構設置的製作方法
2023-05-08 02:36:01 1
專利名稱:燃氣輪機熱負荷結構件的冷卻方法、實施該方法的裝置以及熱負荷葉片的結構設置的製作方法
本發明涉及到一種燃氣輪機熱負荷結構件的冷卻方法，實施該方法的裝置以及熱負荷葉片的結構設置，其中，冷卻空氣流流經葉片的內壁，然後通過邊界層區內葉片殼體上的小通口流出。
在穩定狀態的和陸地、海上以及空中運載工具上作為驅動裝置安裝的燃氣輪機中經常發生的問題是，一些確定的結構件如渦輪葉片和燃燒室，由於高溫燃氣流而承受高熱負荷。比如在一種飛機驅動裝置中渦輪轉子葉片和定子葉片被熱氣流經過，在起飛時的溫度例如可能達到1380℃，在巡航飛行時也要達到1170℃。在這一溫度下葉片必須進行冷卻，這樣它們才不會因熱負荷受損壞或者甚至破壞。為此目的，例如用高壓壓縮機產生一種壓力為29巴或者11巴其溫度在起飛時為585℃，巡航飛時為470℃的冷卻空氣，並藉助一種特殊的插入件導入渦輪葉片。
本發明的任務在於，提出一種方法和一種裝置，藉助它們對燃氣輪機熱負荷結構件的冷卻有特殊的提高作用，而又不需要由特別能量驅動的冷卻設備。
本發明對這一任務的解決方案是，使冷卻空氣在節流件間的孔板式進口結構的節流件區內，以切線方向流入一個由圓筒形渦流腔並帶兩個端部設置的節流件所構成的渦流管內，然後分成兩部分冷卻空氣流，其中一部分冷卻空氣流在流過孔板進口結構的節流件後，相對於流入渦流管冷卻空氣的溫度降溫並送向要冷卻的壁表面，同時另外一部分冷卻空氣流就排出該結構件區。這些要冷卻的結構件可能是燃燒室和/或葉片。通過一個節流件流出的變熱的部分冷卻空氣流可以引入主燃氣流。這樣，葉片的工作壽命就會增加，燃氣輪機的運行開支就會下降。通過這一解決方案，主燃氣流的溫度，例如在飛機驅動裝置中就會提高，因而驅動裝置的效率得以改善。兩者決一的方案是，要麼提高燃燒室的溫度並以此提高燃氣輪機的效率，或者將葉片設置得和燃燒室噴嘴更近，以達到燃氣輪機的小型和輕型;或者採用較便宜的材料製造葉片以節省成本。
還有可能的方案是，採用一個帶擴壓器的渦流管，它的特點是，從兩端部外流出的空氣比輸入渦流管的空氣較冷。這種渦流管的長度和擴壓器擴張角的大小都取決於給定的壓力差、燃氣通過量、流經燃氣的溫度和希望的溫度降的大小。在有擴壓器的渦流管情況，冷卻空氣同樣以切線方向輸入渦流管的圓筒形段中，此後一部分冷卻空氣流流經擴壓器，其餘部分冷卻空氣流流過一個隔板式節流件。這降溫變冷的部分冷卻空氣流就可結合起來並送向要冷卻的壁表面。
本發明其他的特徵將在從屬的權利要求
中進行描述，並藉助附圖中描述的實施例加以詳細敘述。它表明圖1 一個冷卻葉片裝置的簡略視圖圖2和3 兩個葉片的簡化側視剖面圖圖4 另一種葉片的簡化側視剖面圖圖5 另一種用來冷卻燃氣輪機熱負荷構件的渦流管實施例圖6a和6b 按照圖5渦流管的渦流腔殼體之俯視和側視圖在圖1中簡圖式的描繪了一個冷卻葉片(1)的裝置。從一個冷卻空氣源4，例如一個壓縮機，通過主氣流通道13，並藉助一個冷卻通道12將冷卻空氣以切線方向吹入渦流管5的孔板6區域的管道18中。該管道18構成一個渦流腔17。經過主氣流通道13可以流過例如壓縮機的空氣，它在飛機驅動裝置中起到冷卻空氣流3的作用。在孔板6區域以切線方向定位的流入噴嘴7，使一股螺旋空氣流輸入渦流管5的管道18中。該渦流管除了孔板6以外還有一個噴嘴狀節流件11，該節流件是在與孔板6相對管道區的端部配置的。在渦流管5中所產生的螺旋形空氣流是由一個核心和一個外圍區組成的，此時，和從噴嘴7輸入的冷卻空氣的進口溫度相比，中心處的溫度稍低而外圍區的溫度稍高。這種較冷的氣體就通過緊靠流入噴嘴7的孔板6離開渦流管5。在冷空氣出口8處安置了一個管道19，該管道19藉助連接管道20和每個葉片相連。熱空氣出口10是在噴嘴狀節流件11處構成的，並且，例如藉助一個管道21和主氣流通道13相連接。
作為葉片一般可以應用於諸如高壓、中壓和低壓範圍的燃氣輪機(圖2和圖3)。這些葉片由一個空心體構成，其中構成一個具有許多氣流折回區的迷宮式冷卻通道9。在葉片外殼22所示部分和端蓋23上設置一些通口14，通過它們來自葉片空腔中的冷卻空氣可以流出去。最好，這些通口14置於葉片的凸緣區域內，同時，流出的冷卻空氣的壓力如此選定，即在每個葉片1的外表面上構成一種臨界層流動。
可能的是，對於一級驅動裝置的轉子和/或定子的葉片總要設置一個渦流管5。由此，一級驅動裝置的轉子和/或定子總有一定數量的葉片與渦流管5的冷卻空氣出口相連接。在較大的驅動裝置中這樣設置是合適的，即一級驅動裝置的轉子和/或定子的每個葉片1配置一個渦流管，這樣一個渦流管5的冷卻空氣出口8僅與一個葉片1相連接。
還有可能的是，在每個葉片1中設置一個渦流管5，它由通過冷卻空氣通道12輸送的來自冷卻空氣流3供給冷卻空氣。還在這種實施結構中，流過孔板6後繼續變冷的空氣進入葉片1的冷卻通道9，並冷卻葉片殼體22。這些往外流的冷卻空氣經過通口14流出葉片1，然後可以與諸如燃氣氣流混合。而通過節流側熱空氣出口10流出的熱空氣就排出，並同樣可以與諸如燃氣氣流相混合。
正如圖4所描述的，一個渦流管5可以在一個插入件15中構成，該插入件15置於一個葉片1裡。由冷卻空氣出口8流出的冷卻空氣導入冷卻通道9中。由熱空氣出口10流出的熱空氣6輸入到主燃氣流通道13的流動主燃氣流16中。
還可以用類似的方式藉助一個或數個渦流管5將一個雙壁環形燃燒室進行冷卻。在這種情況下，冷卻空氣流引入環形燃燒室的環形通道內，可以通過分隔板將環形通道分成特殊的冷卻通道。對每個渦流管5所必需的壓縮空氣，不是從冷卻環形燃燒室所需的冷卻空氣中抽取就是按冷卻葉片1所描述的那樣提供。
按照本發明的另外一種結構方案，對於前面所描述的應用實例也可以採用渦流管25，此時，通過一個擴壓器33使熱空氣出口10在冷空氣出口8a中變化。在圖5至圖6b中所簡單描述的渦流管25具有的優點是，由渦流管25端部外流出的空氣較輸入渦流管25的空氣更冷一些。渦流管25的長度和擴壓器擴張角取決於給定的壓力差、燃氣通過量、流入燃氣的溫度和希望的溫度降。圖5中所描述的渦流管25有一個渦流腔殼體24，其中構成一個渦流腔27。該渦流腔27，以與渦流腔殼體24相切而構成的流入噴嘴7連通。渦流腔27還有兩個與渦流腔殼體24的中心軸28同軸定位的氣流出口29和30。氣流出口29形成擴壓器33的一個孔板式流入截面51，此時擴壓器33的進口直徑也就是氣流出口29，是小於渦流腔27的直徑。還有，只要出於使用目的，將氣流出口29的直徑設計成與渦流腔27直徑相等也是可能的。在這種情況下氣流出口29就不構成孔板式進口截面了。擴壓器33具有一個螺紋端頭41，該螺紋端頭擰入渦流腔殼體24中。擴壓器33的擴張度可以按比例1∶10設計。在擴壓器33的端部36設置一個帶外螺紋37的法蘭盤31，在法蘭盤31中還要設置一個擴孔38，以放置孔板6。孔板6和擴孔38配合安置，並用一個法蘭盤39使孔板6保持在擴孔38中，法蘭盤39擰緊在法蘭盤31上。在法蘭盤39上設置一個管接頭作40為冷空氣出口8a。通過帶管接頭40的法蘭盤39和孔板6構成的孔式節流件49可以設置成另外型式。可能的方案是，只設置一個孔板6或者只設置一個帶法蘭盤39和管接頭40的管入口53。氣流出口30構成了節流件48的孔板進口截面50，該節流件是由一個噴嘴32形成的。噴嘴體26擰入渦流腔殼體24的孔47中。通過氣流出口30流過的部分空氣流藉助噴嘴32的通道34流向冷空氣出口8。噴嘴錐角35例如可設置成3°和5°。
權利要求
1.冷卻燃氣輪機熱負荷結構件的方法，其中冷卻空氣流經結構件的熱負荷壁面，其特徵在於，冷卻空氣在節流件間的孔板式進口結構內以切線方向流入一個由圓筒形渦流腔並帶兩個端部設置的節流件所構成的渦流管內，並且分成兩部分冷卻空氣流，其中一部分冷卻空氣流在流過帶孔板式進口結構的節流件後，相對於流入渦流管冷卻空氣的溫度來說降溫變冷送向要冷卻的壁面，另一部分冷卻空氣就排出該結構件區。
2.按照權利要求
1的方法，其特徵在於，這另一部分冷卻空氣流流過一個噴嘴結構式的節流件，並相對於流入渦流管冷卻空氣的溫度加熱升溫和流出渦流管。
3.按照權利要求
1的方法，其特徵在於，這另一部分冷卻空氣流通過一個擴壓器結構式的節流件，以相對於流入渦流管冷卻空氣的溫度相同或者降低了的溫度流出渦流管。
4.按照權利要求
3的方法，其特徵在於，這另一部分冷卻空氣流通過一個具有孔板進口結構和/或節流出口結構的擴壓器流出渦流管。
5.按照權利要求
1、3和4的方法，其特徵在於，由渦流管流出的部分冷卻空氣流結合成一般冷卻空氣流送向要冷卻的壁面。
6.按照權利要求
2的方法，其特徵在於，經過節流件而流出的加熱了的部分冷卻空氣流與冷卻空氣混合或者排入主燃氣流。
7.按照權利要求
1，3到5之一的燃氣輪機熱負荷葉片的冷卻方法，其中將冷卻空氣引向葉片並流過葉片殼體內壁上的通道，並且通過邊界層區域內的小通口流出，其特徵在於，由渦流管流出的冷卻了的部分冷卻空氣流或冷卻空氣流，通過一級燃氣渦輪轉子和/或定子的葉片進行輸送。
8.按照權利要求
7的方法，其特徵在於，一級燃氣渦輪的轉子和/或定子中總有一定數量的葉片被渦輪流管中冷卻了的部分冷卻空氣流或冷卻空氣流所流經。
9.按照權利要求
7的方法，其特徵在於，一級燃氣渦輪轉子和/或定子的每個葉片被渦流管中冷卻了的部分冷卻空氣流或冷卻空氣流所流過。
10.按照權利要求
9的方法，其特徵在於，在一級燃氣渦輪轉子和/或定子的每個葉片中安置一個渦輪管，並輸入冷卻空氣，同時，由渦流管流出的冷卻了的部分冷卻空氣流或冷卻空氣流流經該葉片。
11.按照權利要求
1到10的方法，其特徵在於，作為輸入到渦流管的冷卻空氣可採用壓縮機空氣或貯氣罐空氣。
12.利用按照權利要求
1、3到11的方法，對雙壁結構環形燃燒室進行冷卻，其特徵在於，由渦流管流出的部分冷卻空氣流或冷卻空氣流被引入環形燃燒室的環形通道，在流過環形燃燒室的內壁後排出或混入通過環形燃燒室而加熱的空氣流。
13.按照權利要求
1到11之一方法的實施裝置，其特徵在於，冷卻空氣源(4)和一個渦流管(5)相連接，其中，在一個孔板式節流件(48)之前設置了切線定位的冷卻空氣流入噴嘴(7)，在孔板節流件(48)之後，冷空氣出口(8)和熱負荷結構件的冷卻通道(9)相連接，而噴嘴式節流件(11)的熱空氣出口(10)和冷卻空氣通道(12)或燃燒室後邊的主燃氣流通道(13)相連接。
14.按照權利要求
3至12之一方法的實施裝置，其特徵在於，冷卻空氣源(4)和在渦流管渦流腔殼體(24)上切向安置的流入噴嘴(7)相連接，渦流腔殼體(24)的渦流腔(27)具有兩個與其中軸線(28)同軸安置的氣流道出口(29，30)，其中，一個通口與一孔板式節流件(48)相配置，而另一個通口與一構成擴壓器33的節流件相配置。
15.按照權利要求
13和14的裝置，其特徵在於，該孔板式節流件(48)結構設計成孔板(6)或帶孔板進口(50)的噴嘴(32)。
16.按權利要求
14的裝置，其特徵在於，擴壓器(33)具有一個孔板式進口(51)。
17.按權利要求
14或16的裝置，其特徵在於，在擴壓器(33)的出口端部(36)處安置了一個孔板式節流件(49)。
18.按權利要求
17的裝置，其特徵在於，節流件(49)結構設置成帶一個或多個通口(52)的孔板(6)和/或管入口(53)，該管入口的管段(40)具有一個比擴壓器(33)的出口截面縮小的橫截面，並該管段置於蓋住擴壓器(33)端部(36)的法蘭盤(39)上。
19.按權利要求
14的裝置，其特徵在於，在孔板節流件(49)之後設置的冷空氣出口(8a)和孔板節流件(48)的冷空氣出口(8)連接到一個冷卻空氣混合出口(43)。
20.按權利要求
13至19的裝置，其特徵在於，總有一給定數量的，帶有一級燃氣渦輪轉子和/或定子冷卻通道(9)的葉片(1)與渦流管(5)的冷空氣出口(8)或冷卻空氣混合出口(43)相連接。
21.按權利要求
13至19的裝置，其特徵在於，一級燃氣渦輪轉子和/或定子具有冷卻通道(9)的每個葉片(1)與渦流管(5)的冷空氣出口(8)或者冷卻空氣混合出口(43)相連接。
22.用於燃氣輪機的葉片在運行時承受熱負荷並通過葉片內設置的冷卻通道用冷卻空氣進行冷卻，該冷卻空氣通過葉片壁上的小通口流出，其特徵在於，在葉片(1)中安置一個渦流管(5，25)，在渦流管的一孔板式節流件區內切向安置的流入噴嘴(7)與一個冷卻空氣通道(12)相連接，通道(12)的冷卻空氣中有一部分冷卻空氣流流經孔板式節流件(48)後進一步冷卻輸入到葉片(1)中的冷卻通道(9)，而其餘的部分冷卻空氣流，通過一個噴嘴式節流件(11)的熱空氣出口(10)使得熱空氣流出並排走。
23.用於一種燃氣輪機的葉片，其在燃氣輪機運行時承受熱負荷並可藉助葉片內構成的冷卻通道用冷卻空氣進行冷卻，冷卻空氣通過葉片壁上的通口流出，其特徵在於，在葉片(1)中安置一個帶渦流腔殼體(24)的渦流管(25)，在殼體(24)上切向安置流入噴嘴(7)，該噴嘴(7)和一冷卻空氣通道(6)相連接，渦流腔殼體(24)的渦流腔(27)具有兩個和中軸線(28)同軸的氣流出口(29，30)，其中一個出口與擴壓器相連，而另一個出口與孔板節流件(48)相連接。
24.按照權利要求
23的葉片，其特徵在於，在擴壓器(33)處設置一個孔板式流入截面(51)和/或在出口端部(36)處安置另一個孔板節流件(49)。
25.按照權利要求
22至24的葉片，其特徵在於，渦流管(5，25)設置在一個插入件(15)中，該插入件可拆卸地安置於一個葉片(1)裡。
專利摘要
冷卻燃氣輪機熱負荷結構件的方法，實施該方法的裝置以及熱負荷葉片的結構設置。其中冷卻空氣流經葉片內壁，然後通過邊界層範圍內葉片殼體上的小通口流出。冷卻空氣在孔板區域以切線方向流入帶一個孔板和一個節流件的渦流管內。流過孔板變冷的冷卻空氣流被引入葉片，然後流過葉片殼體的內壁而從每個葉片的邊界層區域流開。通過節流件流出的加熱了的空氣流從葉片區域排出。這種空氣流可以混入冷卻空氣或者排入主燃氣流。
文檔編號F25B9/04GK87101766SQ87101766
公開日1987年10月7日 申請日期1987年2月4日
發明者沃特·希伯特森 申請人:沃特·希伯特森導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan