用於燃氣輪機中冷卻系統的渦輪流噴嘴的製作方法

2023-06-05 23:35:26 2

專利名稱:用於燃氣輪機中冷卻系統的渦輪流噴嘴的製作方法
本發明涉及燃氣輪機中的空氣冷卻系統，尤其涉及空氣冷卻系統中的渦流噴咀裝置，它引導來自氣輪機噴咀導葉的冷卻空氣切向對準氣輪機葉輪。
熱燃氣輪機採用一個或多個燃燒室，燃料空氣混合物在其中燃燒，產生熱燃氣源。熱燃氣從燃燒室被導入一個或多個燃氣輪機葉輪，在那裡，使熱燃氣流到燃氣輪機葉片之間或安裝於每個燃氣輪機葉輪上的沿圓周排列的葉片之間。這些渦輪葉片或葉片對衝擊的熱燃氣起反作用，將燃氣中的能量轉換成燃氣輪機葉輪的旋轉運動。在某些情況下，燃氣輪機葉輪和壓氣機共同安裝在一根軸上，旋轉著的燃氣輪機葉輪其時也驅動壓氣機，壓氣機為發動機中燃料燃燒提供空氣。因為發動機利用了流經其間的大量高熱燃氣，使許多暴露於熱燃氣中的部件和發動機結構達到極高的溫度。在某些情況下，這些另部件的溫度高到某種可能損害結構的程度。在這種情況下，可從壓氣機中引出冷卻空氣，用來冷卻所提到的部件和結構。這種冷卻空氣也許有一相當大的速度分量，因此，對於衝擊到以極高轉速運動或旋轉的發動機的部件上的冷卻空氣的方向，必須予以適當關注。此外，使用了大量的冷卻空氣，而它在發動機中以有利的方式最終排出是人們所希望的。
本發明的目的是引導一定量的冷卻空氣，流經熱燃氣輪機的噴咀導向葉片，沿一條適當的流動路經，切向靠近一對燃氣輪機葉輪中的前的一個，順著前一葉輪的旋轉方向，作為一股噴射空氣流排出。
本發明的另一目的是在噴射空氣流方面提供一個改進了的渦流噴咀，以便對噴射空氣流施加旋轉作用，使氣流順著葉輪轉向，對準靠近葉輪的切線方向。
本發明的再一個目的是要規定流經發動機進入群流的所述噴射空氣流的最終配置。
流經處於熱燃氣輪機中葉輪間的噴咀導葉的冷卻空氣經適當的導管被引至面對葉輪的側壁的孔內。一空氣噴流順燃氣輪機葉輪的旋轉方向從孔中噴出。一種特別適用的渦流噴咀配置於所述孔中。冷卻空氣流入所述孔內，並流經渦流噴咀。在穿過噴咀的空氣流道的矩形區的氣流控制導葉對流動的空氣流施加一個旋轉作用力，因此，它作為一股順著葉輪旋轉方向、靠近前一級葉輪、被切向引導的空氣噴流從噴咀流出。從噴咀流出的冷卻空氣噴流靠近前一級葉輪對準共同的區域，那裡氣輪機葉輪的渦輪葉片或葉片被固定於葉輪圓盤上。當供應的空氣作為冷卻目的被利用後，使其沿著發動機中某一預定的路徑流動，跟流經發動機的空氣群流混合以提高其效率。
如果將下面的敘述和附圖聯繫起來，那麼本發明會被更充分的理解。
圖1是熱燃氣輪機的局部縱剖視圖;
圖2是本發明的渦流噴咀的對切剖視圖;
圖3是圖2渦流噴咀的表示其次裝關係的圖解;
為了敘述本發明，在圖1中僅圖示了燃氣輪機的有關細節。在圖1中，熱燃氣輪機10包括剛性鑄件11，它並且被用作發動機的機架。發動機10包括一空氣壓縮機(未示出)，它給燃燒室12供應空氣。適當量的燃料輸入燃燒室12，在那裡和來自壓氣機的空氣混合，點燃並燃燒。在某種典型的熱燃氣輪機中，將諸如燃燒室12的許多燃燒室圍繞著發動機10的中心線沿圓周安裝成一排。來自燃燒室12的熱燃氣進入一環形通道或腔道13，腔道13引導在氣輪機圓盤15上沿圓周安裝成一排的氣輪機渦輪葉片或葉片14之間的熱燃氣。氣輪機渦輪葉片和葉片跟氣輪機圓盤或轉子組合在一起被稱作氣輪機葉輪，在熱燃氣輪機中可以採用一個或多個氣輪機葉輪。
如圖1所示，採用了3個軸向間隔的氣輪機葉輪16、16′和16″，每個葉輪的渦輪葉片和葉片14，14′和14″延伸到環形通道13，這樣來自燃燒室12的燃氣流在其中連續地衝擊每個葉輪上的葉片14、14′和14″，將旋轉能量傳給葉輪。葉片14的反作用引起了熱燃氣流方向變化，並使剛通過葉片14間的熱燃氣流產生某種旋轉速度分量。然而，如果在葉輪間熱燃氣基本上按軸流型流動，並且被引導以最佳狀況和方向來衝擊葉片14，那麼從熱燃氣流到葉片14的能量交換是最大的。
因此，為了將熱燃氣流以最佳狀態和方向導入葉片14，在氣道13的熱燃氣流中安裝了一環形排列的噴咀或導葉17，如圖示那樣，採用了3排噴咀導葉17，17′和17″，每排鄰近3個葉輪16，16′和16″中的每個葉輪，因此，譬如說葉輪16，它是燃燒室12和葉片排17′之間的前導葉輪，或者說葉片16是葉片排17′的前導葉輪。噴咀導葉17是按氣道13中熱燃氣流的方向定位的，並且承受著極高的溫度，該溫度能引起葉片翹曲或別的結構變形或損壞。因此，就希望有一些冷卻葉片的裝置。在圖1中，空氣的供應取自壓氣機，它先於進入燃燒室12之前，並被引入一環室或壓力通風系統18中，它同心地圍繞鄰近第二級葉片16′的一排導葉17′。導葉17可以是空心的(如虛線所示)或具有垂直的空氣通道，通過該通道和壓力通風系統保持空氣流動關係。為了使導葉17′冷卻，來自壓力通風系統18的冷卻空氣通過導葉使其成為徑向向內流動。和這種冷卻方案有關聯的一種重要因素是需要一些裝置來有效地利用現有冷卻空氣的最大冷卻能力，同時需要一些裝置最好以有利或有益的方式來最終配置發動機中的冷卻空氣。圖1表示了適於這些目的某種發動機結構。
在圖1中，表示了第1和第2級燃氣輪機葉輪16和16′。介於每對葉輪之間的是間隔葉輪7、8和9(未示出)。譬如說，在圖1中間隔葉輪7介於相鄰葉輪16和16′之間。介於一系列氣輪機葉輪，諸如葉輪16和16′之間的還有噴咀結構19。噴咀結構19包括一系列圓周扇形體，它們共同組成一個360°環狀結構。每個圓周扇形體由一個或多個導葉17′組成，它們和氣道13的壁20和21整體澆注而成。氣輪機葉輪之間的區域或空間指的是葉輪空間，並且一般來說包括噴咀導葉環形結構19下流的空間。空氣接頭22懸掛在壁21的下邊，並連於一個或多個噴咀裝置的出口端，每一扇形體可包括一個或多個空氣接頭。
來自壓力通風系統18的冷卻氣流經導葉17′進入接頭22。一敞口的剛性端接的導管或螺紋接頭23一端跟接頭22保持空氣流通關係，而另一開口端沿軸向伸向前一級葉輪16。自螺紋接頭23噴出的空氣流對著葉輪16上葉片14固定於葉輪圓盤15處的共同區域。因此，有許多分散的空氣接頭、螺紋連頭、渦流導流盤在裝配後的外壁扇形體21下邊的徑向內部空間內排列成360°弧形。然而，在圖1和圖3所示的該發動機中，有一環形空氣集流器腔室，被稱作渦輪導流盤，它被同心地配置在噴咀導葉裝置19的壁21下邊，並且可以是噴咀導葉裝置19的整體部分。因此噴咀導葉裝置19的每一圓周部分有其自己的渦流導流盤部分。當採用這種渦輪導流盤24時，螺紋接頭23可使靠近葉輪16的端部，端接於腔室24的直立側壁26中的孔內，如圖所示。來自導葉17′的冷卻空氣然後流入接頭22，經螺紋接頭23和孔25，對著葉輪16，通常被導入葉片14連接於葉輪圓盤15的區域。正是這個區域，燃氣輪機葉輪的溫度控制變得極其重要，因而一種冷卻裝置是顯然有益的。
業已發現，從孔25或螺紋接頭23被噴出的冷卻空氣噴注或氣流，應當具有最佳的方向性。如果來自孔25的速度較高的冷卻空氣噴注垂直對著汽輪機葉輪圓盤15，那末，由於葉輪的旋轉方向和來自孔25的空氣流方向彼此成直角，使冷卻空氣噴注相對於葉輪16線速度的相對速度非常高，因而此種方案不利於最大限度的冷卻。
業已發現，如果由孔25噴出的冷卻空氣流和前一級葉輪16的旋轉方向正好相切，那麼，葉輪圓盤15的冷卻比較有效。因此需要某種空氣流控制裝置來為來自孔25的冷卻空氣產生一種確定的旋轉動量。業已發現，一種裝有葉片的特殊噴咀，也就是渦流噴咀，可裝於孔25內，儘管用於產生旋轉動力的軸向距離非常短，它仍會提供必要的旋轉動量。
根據本發明的實踐，在圖2中表示了一種渦流噴咀27。現在參看圖2，渦流噴咀27包括一短的薄壁圓柱體28，後者具有一對平行而對應的表面29和30，分別代表進口面和出口面。圓柱體28還包括一貫穿其間的連續空氣通道32。通道32通常由其中的一對連續的通道31和33構成，它們在圓柱體內彼此交切。第一通道31其斷面是圓柱形的，稱為入口通道31，其中心線和圓柱體28的平面29相垂直。另一通道33稱為出口通道33，其斷面為矩形，並且其中心線跟圓柱體28的平面30構成約小於45°的角度。通道32是貫穿圓柱體28的連續的但有角度的通道。通道31和33各自的中心線在圓柱體28內彼此相交，並形成了通道31由其圓柱形斷面圓滑地過渡到通道33的矩形斷面的區域。
僅靠形成角度的通道32是不足以提供這種所要求的空氣旋轉動量的，因為圓柱體28的長度比較短。通常為了有效地使空氣產生所希望的旋轉，該旋轉力應在相當長的氣流長度上作用於氣流。已經發現，在圓柱體28的矩形通道33內附加一定量的彎轉導葉可提供所需要的旋轉動量增量，在圖2中表示了許多這種彎轉導葉34。導葉34是比較薄的弧形而又平行的構件，它懸掛於形成通道32的圓柱體28的壁上，並從那裡延伸，特別是懸掛於形成矩形通道33的圓柱體28的壁上，並從那裡延伸。
業已發現，通過鑄造工藝，而後將導葉34鑄在適當的位置來製造渦流噴咀是有利的。正如圖示那樣，導葉34明顯伸入通道32及其中的空氣流。導葉裝置的大部分屬於通道32的矩形區段33。可以認為每一導葉具有3個區段，第一軸向區段35，平行於通道33的中心線，並從圓柱體28的平面30延伸到通道31和33的交會點。在該點，有一圓弧區段36，向極短的第二軸向區段37作圓滑過渡，區段37伸入圓柱形通道31，和其中心線平行。導葉片34提供了非常有效的空氣流控制裝置以及一確定和有效的旋轉力量來使流經通道32的空氣流旋轉，因而使它按所希望的方向離開噴咀27。
從圖2的觀察中可以理解，如果沒有旋轉導葉34，那麼流經圓柱體28內的通道32的高速空氣流的主體部分會沿軸向噴出，因為在平面30內的孔33的相當部分面積是正對著平面29內的孔32的。弧形的或帶角度的通道33的壁不僅會把相當的切向分量加於空氣流。導葉片34，如圖所示，起初矯正而後使圓柱體28內的空氣流旋轉，它們的弧形表面為控制從圓柱體28的平面30內的矩形孔33中噴出的氣流提供了一種手段。
由於順著氣輪機葉輪的旋轉方向，以切向方式把冷卻空氣導向葉輪，空氣流相對於氣輪機葉輪的相對速度減小，從而使氣輪機的運轉溫度較低。
圖3表示了本發明的渦流噴咀27在熱燃氣輪機內的裝配。在圖3中，噴咀導葉裝置19包含空心導葉17′，它適於使來自圖1壓力通風系統18的冷卻空氣通過導葉17′。再參看圖1和圖3，冷卻空氣從接頭22流經剛性固定螺紋接頭23，並通過本發明的渦流噴咀27，靠近前一級葉輪16的旋轉圓盤15切向流出。冷卻空氣從該處沿葉輪圓盤15及葉片14與壁21的一端之間徑向向外逸出，進入通道13內的熱燃氣中，而有利地成為通過發動機10的空氣群流部分。
把渦流噴咀27裝入發動機10的一種方法示於圖2和圖3中，該方法包括在渦輪導流盤24的側壁26內的孔25中形成一階梯孔38，並與孔25偏心。然後噴咀27被壓入階梯孔38內直至其端面30根渦輪導流盤24的側壁26的外表齊平為止。此時，孔25內的螺紋接頭23的端面將和渦流噴咀27的階梯孔40接合。此後，渦流噴咀27可以通過各種方法機械地被保持在階梯孔38內，例如通過打銷釘或鉚邊44的方法。按照在發動機10中順序的裝配，必須採取一些措施，其目的在於使渦流噴咀27被正確的定心，並且使噴咀27的通道31內的導葉34以適當的角度引導空氣流切向靠近葉輪圓盤15。達到正確定心的一種措施，包括擴一階梯孔40，相對於圓柱體28或噴咀27的外徑成偏心關係。當噴咀27被插入渦輪導流盤24的階梯孔38時，噴咀27的入口端面29會鄰接螺紋接頭23的伸出端。螺紋接頭23屆時突入渦輪導流盤24的階梯孔38內，並且，如果偏心距是正確的話，階梯孔40會和螺紋接頭接合，從而使噴咀27裝入渦輪導流盤24內。當噴咀27被插入孔25的階梯38孔內時。應在其中轉動，直到通道32的階梯孔40自身正確地定心、與螺紋接頭23的端部接合為止，所有部件都有必要正確定心。
這樣，本發明為熱燃氣輪機的葉輪提供了一股確定的被切嚮導向的冷卻氣流，該氣流來自噴咀導葉冷卻系統。
在圖示和敘述了本發動的優選實施方案之後，對於那些熟知本技術的人來說，在不背離由附加的權利要求
書所規定的本發明範圍的情況下，可以作出各種變化和修改是顯而易見的事。
權利要求
1.一種改進型燃氣輪機，包括一個外殼、許多安裝在殼體內能旋轉的軸向間隔的氣輪機葉輪，葉輪具有安裝於其上的徑向向外伸展的葉片；一種包括空氣翼型導葉的靜止的環形構件安裝在氣輪機葉輪之間；所述裝有葉片的氣輪機葉輪和所述靜止環形構件構成了熱燃氣流道；在熱燃氣流道和靜止構件的外壁之間形成了一環形壓力通風系統，一渦輪導流盤從靜止構件的內壁處懸掛下來；為了將環形壓力通風系統的冷卻空氣導致渦流導流盤，一些空氣通道至少要經過若干空氣翼型導葉；其特徵在於從環形構件內壁處懸掛下來許多空氣接頭，每一空氣接頭至少和一空氣翼型導葉保持流體連通；在渦輪導流盤中至少制出一個孔口，面對上流的前一級氣輪機葉輪；在渦輪導流盤中制出一擴大的階梯孔，和各自的孔偏心；渦流噴咀被插入上述擴大的階梯孔中，所述渦流式噴咀包括一偏心渦流式噴咀階梯孔；一螺紋接頭藉助於渦輪導流盤中制出的孔連接於空氣接頭和渦流式噴咀階梯孔之間，從而將冷卻空氣從環形壓力通風系統經各空氣翼型導葉輪送到各空氣接頭，並經各螺紋接頭輸送到面對上流的前一級葉輪的各渦流式噴咀。
2.按照權利要求
1所述的改進了的燃氣輪機，其特徵在於，所述渦流式噴咀包括一個制有偏心的渦流式噴咀階梯孔的圓柱體;一個穿過上述圓柱體的空氣通道包括一個所述渦流式噴咀階梯孔同心的通道入口和一個和所述通道入口連保持續的但相對於所述通道入口和渦流式噴咀階梯孔偏心的通道出口。
3.按照權利要求
2所述的改進了的燃氣輪機，其特徵在於，還包括設置於通道出口處的渦流式噴咀導葉，因此，渦流式噴咀相對於渦輪導流盤孔是偏心的，並且所述通道出口相對於渦流式噴咀階梯是偏心的，從而使冷卻空氣流經渦流式噴咀時產生旋轉，並對準前一級氣輪機葉輪的切線方向。
4.權利要求
1所述的改進，其特徵在於，所述渦流噴咀鑲套包括具有平行的對應入口和出口平面的正圓柱體，所述入口平面具有一圓柱形通道，通道穿過入口平面而成為圓柱體，所述出口平面具有一通道，通道穿過入口平面而成為圓柱體，和伸向入口平面的上述圓柱體交切，在上述出口方面的上述通道其斷面為矩形，所述入口平面具有穿過該入口平面的呈圓柱體的渦流式噴咀階梯孔所述階梯孔相對於所述正圓柱體的外徑是偏心的，所述螺紋接頭通過安裝在所述孔內的噴咀件插入所述階梯孔內。
5.按照權利要求
4所述的改進，其特徵在於，在所述入口平面內的孔是圓柱形孔，而在所述出口平面內的孔是一矩形孔，所述圓柱形通道垂直穿過上述入口平面，所述矩形通道以相對於所述出口平面成某一銳角穿過所述出口平面，並且和所述圓柱體內的上述圓柱形通道交切，形成一穿過所述圓柱體的連續的斜角通道。
6.用於熱燃氣輪機中氣輪機葉輪冷卻系統的渦流噴咀，其特徵在於包括下列組件。(a)具有一對平行的對應平面的正圓柱體構件，對應平面由一入口平面和一出口平面組成;(b)所述圓柱體具有一穿過其間的斜角空氣流道，從所述入口平面開始穿過該入口平面，而後穿過所述圓柱體通道和所述出口平面;(c)所述空氣流道包括一個軸向伸出的圓柱形通道，通過上述入口平面而成為所述圓柱體，一個斜角伸出的矩形通道，通過所述出口平面成為所述圓柱體，和所述圓柱形通道相交切，於是形成一穿過上述圓柱體的斜角空氣流道;(d)在所述矩形通道內的多個空氣流導葉件，引導空氣流流經上述斜角空氣流道，而在所述圓柱體外，在其矩形孔口處，相對於所述出口平面構成約小於45°的角度;(e)上述圓柱形通道在鄰近所述入口平面處的通道內具有一階梯孔。
專利摘要
來自熱燃氣輪機的氣輪機噴嘴導葉的冷卻空氣，從導葉處通過一空氣接頭被集流在一起。一導管將接頭和鄰近氣輪機葉輪的端頭連接在一起。因此，空氣流經導葉和導管從其端部以對準氣輪機葉輪的噴流形式被排出，裝有導葉的渦流噴嘴被插入導管內，靠近氣輪機葉輪，以便把旋轉動量輸給從螺紋接頭處排出的空氣流。排出的空氣流然後順著葉輪的旋轉方向切向對準或靠近氣輪機葉輪。
文檔編號F02C7/18GK87101971SQ87101971
公開日1987年11月11日 申請日期1987年3月19日
發明者小理察·布雷德福·胡克, 理察·丹尼爾·蒙塔尼爾 申請人:通用電氣公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan