专利名称：燃气轮机及从燃气轮机排放气体的方法
技术领域：
本发明涉及一种燃气轮机及其气体排放方法，通过向活动叶片与固定叶片之间提供来自压缩机的排放气体而进行密封，同时冷却活动叶片。
背景技术：
在燃气轮机厂，来自压缩机的压缩空气供给燃烧器，在燃烧器中和燃料一起燃烧产生高温气体，高温气体传送给燃气轮机以驱动燃气轮机。在通常的结构中，一部分压缩空气同时作为排放气体传送给冷却装置，冷却以后排放气体供给燃气轮机侧的固定叶片和活动叶片，从而冷却和密封活动叶片和固定叶片，这种现有技术中，向第一级涡轮的固定叶片和活动叶片提供排放气体的燃气轮机的结构将在下面参考图3进行描述。该图是一个局部轴截面视图，表示通到燃气轮机的第一级设备的排气流管道，可以理解有一个压缩机在图中未示出，它与燃气轮机同轴，超出了图纸的最左边。
在该图中，附图标记1表示多个第一级活动叶片，附图标记2表示多个第一级固定叶片。多个第一级活动叶片1环绕在转子盘3的周围，转子盘3与压缩机同轴，这个第一级转子盘3通过接收来自压缩机的燃气推力而旋转。再者，多个第一级固定叶片2环绕在涡轮外壳近侧，从而与第一级转子盘3同轴。因此，第一级设备4包括，第一级活动叶片1，第一级转子盘3，第一级固定叶片2。
再者，附图标记5在图中表示排放气体室，在上述排放气流被冷却后，排放气体室吸入来自上述冷却器的排放气流f1，几乎所有被吸入排放气体室5的排放气流f1通过第一级转子盘3上的冷却气流管道3a，传送给第一级活动叶片，从而起到从内部冷却第一级活动叶片1的作用。
即，冷却气流管道3a是一个近似“L”形的气流管道，位于第一级转子盘主体3b(与第一级固定叶片2相对的表面)上游表面和通过螺栓固定在上游表面上的气流管道隔壁3c之间；冷却气流f2沿第一级转子盘3的旋转轴的方向从排放气体室5排出的排放气流f1中被吸入后，冷却气流f2沿中心的旋转轴的径向排出。
气流管道隔壁3c是一个管状部件，它将来自排放气体室5的排放气流f1隔成两个分流，一个是上述的冷却气流f2，一个是密封气流f3；迷宫式密封件6形成在其外圆周表面上，位于气流管道隔壁3c与借助第一级固定叶片2的内护罩2a内圆周侧支撑的隔壁2a1之间。
一部分排放气流f1被分出来，形成上述密封气流f3，然后供到第一级活动叶片1和第一级固定叶片2之间；迷宫式密封件6起着密封间隙c的作用。
不过，这种现有技术中的燃气轮机存在下述问题。
即，由排放气体室5提供的排放气流f1在作为中心的旋转轴的圆周方向上几乎不具有任何旋转速度分量，因为它在这种状态下进入冷却气流管道3a中的盘孔3a1(多个穿孔，以便从旋转轴发散)，这样，就产生了驱动能量损失的问题。
也就是说，虽然每个冷却气流管道3a和主旋转体的第一级转子盘3一起高速旋转，但由于在这种高速旋转状态中，在第一级转子盘3的圆周方向上几乎没有任何高旋转速度分量的冷却气流f2流进并通过第一级转子盘3，相应地，这个冷却气流f2产生不适宜的制动力，限制了第一级转子盘3的旋转操作；再有，旋转包括第一级转子盘3在内的旋转体所需的驱动能量不适宜的增加了。由于这种驱动能量必然导致与燃气轮机相连的发电机(图中未示出)发电能力的减弱，因而希望用一切可能的办法消除旋转能量的损失。
发明内容
本发明是在考虑了上述问题而作出的，其目的是提供一种燃气轮机及其气体的排放方法，它能防止由于气体排入转子盘而引起的驱动能量损失。
本发明用如下方法解决上述问题。
即，本发明第一方面中所述的燃气轮机包括多个固定叶片，它们以环绕方式布置在涡轮外壳的近侧；多个活动叶片，以环绕方式布置在临近固定叶片的转子盘的近侧；一个回旋流产生部分，在赋予排放气体以沿与转子盘同向转动的回旋流后，将输入的排放气体供向转子盘；密封气体供给气流管道，它绕过回旋流产生部分将一部分排放气体供给到固定叶片和活动叶片间的间隙。
如上所述，根据本发明第一方面的燃气轮机，排放气流在通过回旋流产生部分而赋予回旋流后向转子盘供给，从而有可能大大降低它们(转子盘和排放气流)两者之间在转子盘旋转方向上的旋转速度差。再者，用于在固定叶片和活动叶片间密封的排放气流在密封气体供给气流管道中流动，从而不会干扰回旋流产生部分中的上述回旋流。
再者，本发明第二方面所述的燃气轮机，回旋流产生部分包括多个TOBI喷嘴(Tangential OnBoard Injection Nozzle)，当绕作为中心的转子盘旋转轴线在径向由外侧向内侧弯转时，该喷嘴减小气流管道横截面积；形成的密封气体供给气流管道从TOBI喷嘴之间穿过。
如上所述，根据本发明第二方面所述的燃气轮机，能够可靠地赋予流向转子盘的气流一个回旋作用。再者，能够向固定叶片和活动叶片之间的间隙供给起密封作用的排放气流，而不干扰回旋流。
根据本发明第三方面所述的气体排放方法，用于燃气轮机中，这种燃气轮机包括，多个固定叶片，环绕在涡轮外壳的近侧；多个活动叶片，环绕在临近固定叶片的转子盘的近侧；在这种方法中，排放气体在赋予与转子盘同向旋转的回旋流后，供给转子盘；一部分排放气体绕过回旋流供给到固定叶片和活动叶片之间。
如上所述，根据本发明第三方面的气体排放方法，由于排放气流在赋予一个回旋流后供给转子盘，因而能大大减小它们之间在转子盘旋转方向上的速度差。而且，用于密封固定叶片和活动叶片间的排放气流不会干扰回旋流。
图1是一局部截面图，表示本发明燃气轮机最佳实施例中引入的第一级设备的排放气流管道。
图2是截取图1中箭头A-A所示平面的结构的截面图，表示燃气轮机这一部分的某些基本元件。
图3是类似图1的局部截面图，表示传统燃气轮机中引入的第一级设备的排放气流管道。
具体实施例方式
虽然本发明的燃气轮机以及本发明的气体排放方法的最佳实施例将在下文参考图1和图2进行描述，但是，本发明不仅限于这些实施例。图1是局部截面图，表示本发明燃气轮机最佳实施例中引入的第一级设备的气体排放气流管道。图2是图1中箭头A-A所示平面结构的截面图，表示燃气轮机这一部分的某些基本元件。
再者，在下面的解释中，排放气流方向的上游侧(图1中左侧)称为“上游侧”，反过来，排放气流方向的下游侧(图1中右侧)称为“下游侧”。再有，包括第一级转子盘13的主旋转部件的旋转轴的方向(图1中从左到右的方向)称为“轴向”。
如图1所示，本发明最佳实施例的燃气轮机包括第一级设备10，它包括多个第一级固定叶片11，环绕在涡轮外壳的近侧，第一级转子盘13，与第一级固定叶片11相邻，多个第一级活动叶片12环绕在第一级转子盘13的外围。可以理解，具有和第一级设备10相同结构的第二级设备和第三级设备(两者在图中都未示出)安置于其下游侧，三个设备同轴安置并相互接触，从而每级的固定叶片和活动叶片沿轴向相互交替。
第一级活动叶片12以多个环绕第一级转子盘13周围设置，通过接收来自图中未示出的燃烧器的燃烧气体来旋转驱动第一级转子盘13。再者，第一级固定叶片11以多个以环绕方式设置在涡轮外壳的内部，从而与第一级转子盘13同轴。
包括第一级转子盘13的每级的转子盘相互轴向叠置，从而形成单一转子，通过连接转子元件18与其上游侧的压缩机的转子(两者在图中均未示出)同轴连接。
附图标记15表示排放气体室，排放气体室用于吸入通过图中未示出的冷却器冷却后被压缩机接收的排放气体，排放气体室15是一个环形空间，该环形空间形成在固定到第一级固定叶片11内护罩11a内侧的第一隔壁16与配设在第一隔壁16内侧的第二隔壁17之间。
多个排放气体引入孔16a绕转子盘旋转轴形成在第一隔壁16上，来自冷却器的排放气体F1通过这些排放气体引入孔16a引入排放气体室15。
第二隔壁17是一个管状元件，围绕第一级转子盘13和连接转子18的外围同轴设置，在第一隔壁16内侧保持固定状态。再者，于第二隔壁17的内周面上在沿其横向(它的轴向)的中心位置处，固定着一个喷嘴环19(在下文将详细解释)，其中形成有多个TOBI喷嘴19a。第一密封部分20固定到第二隔壁17的内圆周表面，比喷嘴环19的位置位于更上游侧(也可使用刷式密封或迷宫式密封)。再者，在上游侧形成有喷嘴21，将排放气体室15中的一部分排放气体F1喷向连接转子18的外圆周表面。另一方面，一对第二密封部分22固定在第二隔壁17的内圆周表面，比喷嘴环19的位置位于更下游侧(也可使用刷式密封或迷宫式密封)。
第一密封部分20和喷嘴21构成一个密封机构，可防止来自压缩机的高温气体进入，并用于通过喷嘴21排出的密封气流F2阻止高温空气进入。一部分密封气流F2流到第一密封部分20的下游侧，从而形成朝向第一级活动叶片12和第一级固定叶片11间的间隙C的密封气流F3。
几乎所有进入排放气体室15的排放气体F1，通过第一级转子盘13上形成的冷却气流管道13a传送到第一级活动叶片12，并用于从内部冷却这些第一级活动叶片12。
冷却气流管道13a是一个近似“L”形的气流管道，它形成在第一级转子盘主体13b的上游侧表面(位于其与第一级固定叶片11相对一侧的表面)与通过螺栓固定到上游侧表面上的气流管道隔壁13c之间。来自排放气体室15的排放气体F1通过TOBI喷嘴19a引入冷却气流管道13a，从而构成已经呈旋流状态的冷却气流F4，这个冷却气流F4在仍保持旋旋状态的同时沿第一级转子盘13的旋转轴方向流动，随后它的流动方向折转而朝向相对于作为中心的旋转轴的径向。
气流管道隔壁13c是一个环形元件，它在密封空气流F3和冷却气流F4之间起分隔作用，上述第二密封部分22设置在其外圆周表面和第二隔壁17的内圆周表面之间。流过第二密封部分22的密封气流F3，在沿气流管道隔壁13c的外圆周表面流动后供给到第一级活动叶片12和第一级固定叶片11之间，并用以密封叶片12和11间的间隙C。
本发明最佳实施例的燃气轮机特征特别体现在，吸入排放气体室15的排放气流f1引入冷却气流管道13a，密封气流F3供给到第一级固定叶片11和第一级活动叶片12间的间隙C中，从而避免处于涡流状态的冷却气流F4。
换言之，如图2所示，喷嘴环19在垂直于轴向的横截面看时形成为环形，并且，以其轴心(换言之，第一级转子盘13的旋转轴线)作为中心，多个TOBI喷嘴19a以近似相等的角间距形成其上，气流管道的横截面面积弯曲的同时沿径向从外向内逐渐变小。在已经从喷嘴环19外围(换言之，从排放气体室15)进入TOBI喷嘴19a并已经朝向其中心沿着径向通过的排放气流F1已从喷嘴环19的内圆周侧排放出来时，它成为回旋流(冷却气流F4)，沿着与第一级转子盘13相同的转动方向旋转，因为它的方向已经通过沿TOBI喷嘴19a的弯曲形状被引导而逐渐变化。
已经以此方式使之涡旋的冷却气流F4，在保持涡旋状态的同时进入冷却气流管道13a上形成的多个盘孔13a1(参见图1，以旋转轴线为中心以辐射方式延伸的穿孔)，此时盘孔13a1以高速与作为旋转体的第一级转子盘13一起旋转，但是，由于进入这些孔13a1的冷却气流F4是以相同方式和在相同方向上高速旋转的，因此，就能够大大减小在第一级转子盘13的旋转方向上它们之间的相对速度差，从而，冷却气流F4不会以任何方式对第一级转子盘13的驱动施加任何制动作用。
冷却气流F4通过盘孔13a1以后，流进第一级活动叶片12上形成的气流管道，其进而从其内部冷却第一级活动叶片12。
另一方面，由于密封气流F3朝向间隙C流过图1和图2所示的密封气体供给气流管道19b，因而不会干扰冷却气流F4或干扰它的旋流状态。
密封气体供给气流管道19b是多个旁路气流管道，在其轴向上从其上游侧朝向其下游侧穿过喷嘴环19，这些管道从多个TOBI喷嘴19a之间穿过。已经通过第一密封部分20从喷嘴21流到密封环19上游侧表面的密封气流F3，通过密封气体供给气流管道19b流到密封环19的下游侧。这时，密封气流F3通过，而不妨碍流过TOBI喷嘴19a的冷却气流F4。再者，密封气流F3通过第二密封部分22后，沿气流管道隔壁13c的壁表面流动，最后，经由第一级活动叶片12的内护罩12a与第一级固定叶片11内部护罩11a间的间隙，流出进入燃烧气体气流管道，以便通过防止在该燃烧气体气流管道中经由间隙C流出到外边的燃烧气体的泄漏来提供一个密封作用。
上述本发明最佳实施例的燃气轮机采用所示的结构，包括多个TOBI喷嘴19a，其将已经吸入排放气体室15的排放气流F1在其赋予沿与第一级转子盘13同向旋转的回旋流后供给到第一级转子盘13；还包括旁通TOBI喷嘴1 9a的密封气体供给气流管道1 9b，它将一部分排放气流F1供给到第一级固定叶片11和第一级活动叶片12间的间隙C。按照这种结构，流向第一级转子盘13的冷却空气流F4，在借助通过TOBI喷嘴19a被赋予回旋流后，供给到第一级转子盘13，因此，可防止第一级转子盘13的驱动能量损失。再者，由于这种结构安排，使在第一级固定叶片11与第一级活动叶片12之间实现密封的密封气流流过密封气体供给气流管道19b，从而不会干扰流过TOBI喷嘴19a的冷却气流F4的回旋状态。因此，能够防止由于供向第一级转子盘13的排放气体造成的任何驱动能量的损失。
采用这种方式，不会发生驱动能量损失，因此，能够防止与燃气轮机相连的发电机(图中未示出)的产生功率损耗的危险。
本发明，特别是如下述权利要求中所述，具有如下好处。
即，第一方面所述燃气轮机的结构包括，一个回旋流产生部分，在赋予排放气体与转子盘同向旋转的回旋流后，将已输入的排放气体供向转子盘；一个密封气体供给气流管道，它把一部分排放气体供给到固定叶片和活动叶片间的间隙，而绕过回旋流产生部分。由于这种结构，供给转子盘的排放气体通过回旋流产生部分时被赋予一个回旋流，因此，能够防止任何转子盘驱动能量的损失。再者，在固定叶片和活动叶片之间密封的排放气流在密封气体供给气流管道中流动，因此不会干扰流过回旋流产生部分的排放气体的旋转状态。因此，能够减少由于向第一级转子盘排放气体而引起的驱动能量的损失。
再者，如第二方面中所述的燃气轮机中，除了上述权利要求1中所述的结构，采用了下述结构，其中回旋流产生部分包括多个TOBI喷嘴，当绕作为中心的转子盘旋转轴线在径向上从外向内弯时减小了气流管道横截面面积，形成的密封气体供给气流管道在TOBI喷嘴之间穿过。按照这种结构，能够可靠地对流向转子盘的气流产生回旋作用。再者，能够向固定叶片和活动叶片之间的间隙提供起密封作用的排放气体，而不干扰这个回旋流。
再有，本发明第三方面中所述的燃气轮机的气体排放方法中，排放气体在被赋予与转子盘同向旋转的回旋流后被供向转子盘，并且，一部分排放气体绕过回旋流，供给到固定叶片和活动叶片间的间隙。按照这种气体排放方法，由于排放气流在赋予回旋流后供给转子盘，所以能减少转子盘驱动能量的损失。再者，密封固定叶片和活动叶片间的排放气流不干扰上述回旋流。因此，能够减少由于向第一级转子盘排放气体而产生的驱动能量的损失。
应该理解，虽然本发明按照最佳实施例并参考附图做了说明，但这些实施例和附图所述的各种具体特征并不限制本发明，任何实施例细节的变化和删改，都包括在所附权利要求的保护范围中。
权利要求
1.一种燃气轮机，包括多个固定叶片，以环绕方式布置在涡轮壳体的近侧；多个活动叶片，以环绕方式布置在邻近上述固定叶片的转子盘的近侧；一个回旋流产生部分，将已经输入的排放气体在其被赋予沿与所述转子盘旋转方向相同方向旋转的回旋流后供给转子盘；一个密封气体供给气流管道，其绕过所述回旋流产生部分将上述排放气体的一部分供给到固定叶片和活动叶片之间的间隙。
2.如权利要求1所述的燃气轮机，其中所述回旋流产生部分包括围绕作为中心的转子盘的旋转轴线的多个TOBI喷嘴，其在径向上从外侧向内侧弯曲时气流管道横截面面积减少；并且，所述密封气体供给气流管道形成得在所述TOBI喷嘴之间穿过。
3.一种燃气轮机的气体排放方法，燃气轮机包括呈环形布置在涡轮壳体近侧的多个固定叶片，以及呈环形布置在邻近上述固定叶片的转子盘近侧的多个活动叶片，其中，气体在被赋予沿与转子盘转向相同方向旋转的回旋流后供给到所述转子盘；一部分排放气体绕过上述回旋流后供给到所述固定叶片和所述活动叶片之间的间隙。
全文摘要
为了提供一种燃气轮机和一种可防止由于气体排放到转子盘而引起驱动能量损失的气体排放方法，排放气体通过构成气流管道的多个TOBI喷嘴，赋予与第一级转子盘相同转向的回旋流，并供给到第一级转子盘，其中一部分排放气流被旁路，供给到第一级固定叶片和第一级活动叶片之间。
文档编号F01D5/02GK1474037SQ03142760
公开日2004年2月11日 申请日期2003年5月28日 优先权日2002年5月30日
发明者由里雅则, 文森特·劳雷罗, 查尔斯·埃利斯, 野口满弘, 藤井庆太, 劳雷罗, 埃利斯, 太, 弘 申请人:三菱重工株式会社