轉子冷卻迴路的製作方法
2023-04-24 09:01:41
專利名稱：轉子冷卻迴路的製作方法
技術領域：
本發明涉及轉子冷卻，並且更具體而言，涉及一種包括結合的壓縮機冷卻和渦輪 冷卻從而增加效率和總功率輸出的轉子冷卻迴路。
背景技術：
在燃氣輪機中，機組轉子(unit rotor)在其滿負荷運行期間經受高於材料承受能 力的溫度。由此，轉子部件遭受對系統的性能有害的低循環疲勞(LCF)、脆化以及蠕變問題。 機組轉子葉輪需要主動吹掃系統以在滿負荷運行期間冷卻葉輪。轉子吹掃在啟動和停機期 間還保持一致的葉輪溫度以實現良好的葉輪間特性。典型地，機組轉子接收通過壓縮機排出殼體(CDC)和內管的已冷卻的冷卻空氣 (CCA)。該流被導引自壓縮機腔的後端起向下通過間隔件中的空氣管而進入機組轉子的中 心管線(centerline)。冷卻流在孔區段(bore section)處以向前用於壓縮機轉子冷卻且 向後用於渦輪轉子冷卻的方式被分開。通過設計特徵(例如，計量槽)在凸緣或槽口接合 (rabbet joint)處控制進入各迴路的流量。參見圖1。該冷卻方案使用過量的CCA，這影響機器的總效率和最終功率輸出。此外，更大量 的冷卻流需要更大尺寸的熱交換器，這也導致系統的總方案的效率損失。將期望通過修改CCA轉子冷卻方案來改進整個系統的效率和功率輸出。
發明內容
在一個示例性的實施例中，提供一種冷卻迴路以用於冷卻具有壓縮機轉子和渦輪 轉子的轉子。該冷卻迴路包括已冷卻的冷卻空氣源。第一冷卻通路通過壓縮機轉子的轉子 葉輪中的開口所限定。第一冷卻通路引導已冷卻的冷卻空氣越過轉子葉輪並進入壓縮機轉 子的孔區段。與第一冷卻通路處於串聯的第二冷卻通路引導已冷卻的冷卻空氣越過渦輪轉 子的轉子葉輪。在另一個示例性的實施例中，一種冷卻轉子的方法包括步驟沿著通過壓縮機轉 子的轉子葉輪中的開口所限定的第一冷卻通路而引導已冷卻的冷卻空氣，已冷卻的冷卻空 氣被引導越過轉子葉輪並進入壓縮機轉子的孔區段；以及沿著與第一冷卻通路處於串聯的 第二冷卻通路引導來自第一冷卻通路的已冷卻的冷卻空氣，已冷卻的冷卻空氣被引導越過 渦輪的轉子葉輪。在又另一個示例性的實施例中，冷卻迴路包括通過壓縮機轉子的第一冷卻通路， 該第一冷卻通路與通過渦輪轉子的第二冷卻通路處於串聯，以使得一定量的冷卻空氣用於 既冷卻壓縮機轉子又冷卻渦輪轉子。
圖1是燃氣輪機中的傳統的冷卻迴路的截面圖；以及圖2示出了所描述的實施例的冷卻迴路。
部件清單
12壓縮機轉子
13壓縮機級
14渦輪轉子
15壓縮機級
16已冷卻的冷卻空氣源
18第一冷卻通路
20轉子葉輪
22孔區段
24第二冷卻通路
25 慣性帶(inertia belt)
26刷式密封件
27葉輪片
具體實施例方式圖2是包括所描述的實施例的冷卻迴路的燃氣輪機的截面圖。燃氣輪機中的機組 轉子包括壓縮機轉子12和渦輪轉子14。冷卻迴路包括已冷卻的冷卻空氣源16，其被傳送 通過壓縮機排出殼體(CDC)，經由機組轉子上遊的熱交換器。冷卻迴路包括通過壓縮機轉子12的轉子葉輪20中的開口所限定的第一冷卻通路 18。第一冷卻通路18引導已冷卻的冷卻空氣越過轉子葉輪20並進入壓縮機轉子12的孔 區段22。第二冷卻通路24限定成與第一冷卻通路18串聯。第二冷卻通路24引導已冷卻 的冷卻空氣越過渦輪轉子14的轉子葉輪20。少量的壓縮機排出流(將用於轉子冷卻)被傳送到轉子通過CDC抽取埠到熱交 換器滑道(skid)並被冷卻。該流用作已冷卻的冷卻空氣(CCA)並用於轉子冷卻。在熱交 換器中從該冷卻流抽取的熱量用於改進蒸汽輪機的效率。具體而言，第一冷卻通路18中的冷卻流被引導通過慣性帶25中的多個軸向孔洞 以用於壓縮機轉子冷卻。在一個示例性的實施例中，慣性帶包括二十四個軸向孔洞。剩餘 的CCA流被引導越過高壓充填(HPP)刷式密封件26、越過HPP密封件的旁通孔洞、以及18 級壓縮機後緣。使用計量迴路等在壓縮機凸緣處使壓縮機轉子慣性帶25中的冷卻流分開 以用於邊緣冷卻、孔冷卻以及前級冷卻。壓縮機葉輪的孔區段中的高性能葉輪片27有助於 保持流壓力並使流旋動到轉子速度。來自壓縮機級的流被聚集並在孔區段22中的機組轉 子的中心管線處結合，並且向後被導引朝向第二冷卻通路24以用於冷卻渦輪轉子14。壓縮機級13和15變換為實心孔(solid bore)並通過單獨的平行流動通路冷卻 迴路而冷卻。CCA系統在啟動期間具有在熱交換器周圍的旁路(由閥等控制)，以在轉子葉輪中 實現更好的葉輪間特性和改進的LCF及斷裂壽命。將冷卻流迴路結合成第一和第二串聯冷卻迴路的作用是增加系統的總效率並縮 小熱交換器尺寸。因此，結合的轉子冷卻流通過首先冷卻壓縮機轉子並且使用相同的流來冷卻渦輪轉子而執行雙重用途。新型冷卻方案保持了系統的外部控制並且將轉子冷卻所需 的CCA的總量減少了 35%。該設計不但降低了熱交換器滑道的成本，而且如理論計算所確 定的將系統的淨綜合效率提高了 0. 138%。 雖然已結合目前認為是最實用且最優選的實施例描述了本發明，但應理解的是， 本發明不局限於所公開的實施例，相反地，意在涵蓋包括在所附權利要求的精神和範圍內 的各種改型和等同布置。
權利要求
一種包括壓縮機轉子和渦輪轉子的轉子中的冷卻迴路，所述冷卻迴路包括已冷卻的冷卻空氣源(16)；通過所述壓縮機轉子(12)的轉子葉輪(20)中的開口所限定的第一冷卻通路(18)，所述第一冷卻通路引導所述已冷卻的冷卻空氣越過所述轉子葉輪並進入所述壓縮機轉子的孔區段(22)；以及與所述第一冷卻通路處於串聯的第二冷卻通路(24)，所述第二冷卻通路引導所述已冷卻的冷卻空氣越過所述渦輪轉子(14)的轉子葉輪。
2.根據權利要求1所述的冷卻迴路，其特徵在於，所述第一冷卻通路(18)由形成在壓 縮機轉子葉輪(20)的慣性帶(25)中的軸向孔洞所限定。
3.根據權利要求2所述的冷卻迴路，其特徵在於，所述第一冷卻通路(18)引導所述已 冷卻的冷卻空氣越過高壓充填刷式密封件(26)，通過所述高壓充填刷式密封件中的旁通孔 洞，並且越過18級壓縮機葉輪的後緣。
4.根據權利要求1所述的冷卻迴路，其特徵在於，所述第一冷卻通路(18)包括所述壓 縮機轉子葉輪(20)中的多個計量迴路，所述計量迴路在壓縮機凸緣處分配所述已冷卻的 冷卻流以用於邊緣冷卻、孔冷卻以及前級冷卻。
5.根據權利要求1所述的冷卻迴路，其特徵在於，所述冷卻迴路還包括所述壓縮機孔 區段(22)中的葉輪片(27)，所述葉輪片保持流壓力並使所述已冷卻的冷卻流旋動到轉子 速度。
6.一種冷卻包括壓縮機轉子和渦輪轉子的轉子的方法，所述方法包括沿著通過所述壓縮機轉子(12)的轉子葉輪(20)中的開口所限定的第一冷卻通路(18) 引導已冷卻的冷卻空氣，所述已冷卻的冷卻空氣被引導越過所述轉子葉輪並進入所述壓縮 機轉子的孔區段(22)；以及沿著與所述第一冷卻通路處於串聯的第二冷卻通路(24)引導來自所述第一冷卻通路 的所述已冷卻的冷卻空氣，所述已冷卻的冷卻空氣被引導越過渦輪的轉子葉輪。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述第一冷卻通路(18)引導所述已冷卻 的冷卻空氣越過高壓充填刷式密封件(26)，通過所述高壓充填刷式密封件中的旁通孔洞， 並且越過18級壓縮機葉輪的後緣。
8.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述第一冷卻通路(18)包括所述壓縮機 轉子葉輪(20)中的多個計量迴路，所述方法還通過所述計量迴路在壓縮機凸緣處分配所 述已冷卻的冷卻空氣流以用於邊緣冷卻、孔冷卻以及前級冷卻。
9.一種包括壓縮機轉子(12)和渦輪轉子(14)的轉子中的冷卻迴路，所述冷卻迴路包 括通過所述壓縮機轉子的第一冷卻通路(18)，所述第一冷卻通路(18)與通過所述渦輪轉 子的第二冷卻通路(24)處於串聯，以使得一定量的冷卻空氣用於既冷卻所述壓縮機轉子 又冷卻所述渦輪轉子。
10.根據權利要求9所述的冷卻迴路，其特徵在於，所述冷卻空氣通過壓縮機排出殼體 輸送到所述第一冷卻通路(18)，所述第一冷卻通路被限定成引導所述冷卻空氣向後越過所 述壓縮機渦輪的轉子葉輪(20)進入所述壓縮機轉子的孔區段(22)並且然後前行到所述第 二冷卻通路(24)。全文摘要
本發明涉及轉子冷卻迴路，具體而言，冷卻迴路用作在具有壓縮機轉子(12)和渦輪轉子(14)的轉子中提供冷卻空氣。冷卻迴路包括通過壓縮機轉子的第一冷卻通路(18)，該第一冷卻通路(18)與通過渦輪轉子的第二冷卻通路(24)處於串聯，以使得一定量的冷卻空氣用於既冷卻壓縮機轉子又冷卻渦輪轉子。該結構使得能夠降低對冷卻空氣的需要，從而提高動力裝置效率。
文檔編號F01D5/08GK101943167SQ20101000527
公開日2011年1月12日 申請日期2010年1月8日 優先權日2009年1月9日
發明者F·J·卡薩諾瓦, R·C·沃爾克, R·F·古塔, R·米納克什, T·S·德賽 申請人:通用電氣公司