冷却燃气涡轮机的方法和实施所述方法的燃气涡轮机与流程

本发明涉及燃气涡轮机的技术。其指的是一种用于冷却根据权利要求1的前序部分的燃气涡轮机的方法。

其还涉及用于实施这种方法的燃气涡轮机。

背景技术：

在燃气涡轮机(GT)中，涡轮的叶片一(旋转叶片的第一排)的条件所施加的物理限制要求空气处于超出热气体路径压力的压力下。当前的技术方案是从压缩机抽取高压空气，并用外部冷却器将其冷却，从而确保空气温度足以在大量负载的叶片枞树型部(叶根)处维持转子的寿命，同时维持超过热气体条件的足够大的压力。由于相关联的成本/维护，额外的冷却器对于要求简单循环操作的用户而言是一种阻碍。

GT发动机的涡轮部分的叶片一处的压力和温度限定用于确保所需的金属温度的冷却系统的物理极限。需要大的压力差来驱动涡轮处的转子的冷却，以便避免热气体吸入，同时提供叶片枞树形部冷却。高压空气的温度通常高于低压空气。为了满足转子的温度要求，该空气穿过冷却器以降低温度，并维持所需的高压，并且随后被用于冷却转子。

因此，需要一种冷却方案，它一方面消除对冷却器的需求，并且另一方面提供足够温度的空气，以冷却转子同时维持叶片/导叶和涡轮导叶承载件(TVC)的冷却要求。

在过去，已提出(US3,742,706)包括双源涡轮冷却气流的用于燃气涡轮发动机的涡轮叶片装置，其中引导一部分高压压缩机排气气流以冷却涡轮叶片的最关键的温度区域，并且引导一部分低压压缩机级间空气流以冷却相同涡轮叶片的更次要的温度区域。

本专利关注通过仅针对叶片选择性地使用压缩机冷却空气来优化燃气涡轮发动机的效率。详细描述了前缘和冷却边缘处的冷却要求如何存在差异，并且所述专利关注一种能够实现针对前缘和冷却边缘对每排叶片使用两个源的实施例。

因而，本专利要求每个叶片被构造成接收冷却空气的两个源。

另一方面，本专利不将热气体路径的冷却作为整体讨论。并且不讨论热气体路径外侧的叶片的冷却。

技术实现要素：

本发明的目标是提供一种冷却燃气涡轮机的方法，其优化热气体路径、尤其是叶片和导叶的冷却，以及转子和所述叶片到转子的附接件的冷却。

本发明的另一个目标是提供一种实施所述方法的燃气涡轮机。

这些和其它目标由根据权利要求1的方法和根据权利要求9的燃气涡轮机实现。

提供根据本发明的方法以便冷却燃气涡轮机，所述燃气涡轮机包括涡轮，其中围绕机器轴线旋转的转子承载多个旋转叶片，叶片借助于叶根安装在所述转子上，并延伸成叶片的翼型部进入所述燃气涡轮机的热气体路径，其中所述转子被承载多个静止导叶的涡轮导叶承载件同心地环绕，由此所述旋转叶片和所述静止导叶沿轴向方向布置成交替的排。

其特征在于，为所述涡轮提供第一冷却系统和第二冷却系统，由此所述第一冷却系统使用第一压力和第一温度的冷却空气，并且所述第二冷却系统使用实质上小于所述第一压力和第一温度的第二压力和第二温度的冷却空气，且由此所述第一冷却系统被用于冷却所述旋转叶片的翼型部以及所述涡轮导叶承载件和所述静止导叶，且由此所述第二冷却系统被用于冷却所述转子和在至少一排所述旋转叶片中的所述旋转叶片的所述叶根。

根据本创造性方法的实施例，第一排旋转叶片的所述叶根由所述第二冷却系统冷却。

具体地，至少第一排和第二排旋转叶片的所述叶根由所述第二冷却系统冷却。

根据本创造性方法的另一实施例，在所述转子上相对于所述静止导叶设置导叶热屏蔽件，并且所述导叶热屏蔽件中的至少一些由所述第二冷却系统冷却。

根据本创造性方法的又一实施例，所述燃气涡轮机包括带有多个压缩机级的压缩机，该压缩机压缩用于燃烧过程的空气和用于冷却所述燃气涡轮机的零件的空气，并且所述第一冷却系统的冷却空气在所述压缩机的出口处分流，同时所述第二冷却系统的冷却空气在所述压缩机的中间压缩机级处分流。

具体地，所述燃气涡轮机的所述转子驱动所述压缩机，并且将用于所述第一冷却系统和第二冷却系统的所述分流的冷却空气从所述压缩机到所述涡轮沿轴向方向引导通过所述转子。

更具体地，将用于所述第一冷却系统和第二冷却系统的所述被分流的冷却空气在单独的低压冷却空气通道和高压冷却空气通道中引导通过所述转子，由此所述低压冷却空气通道比所述高压冷却空气通道沿径向方向更靠近所述机器轴线地延伸。

还更加具体地，所述第二冷却系统的冷却空气在用于冷却所述叶根之前经受旋流作用(swirling action)。

根据本发明的燃气涡轮机包括涡轮和多级压缩机，它们具有围绕机器轴线旋转的共用转子。

其特征在于，第一冷却空气通道和第二冷却空气通道从所述压缩机到所述涡轮延伸穿过所述转子，由此所述第一冷却空气通道从所述压缩机的中间压缩机级延伸到所述涡轮，同时所述第二冷却空气通道从所述压缩机的出口延伸到所述涡轮。

根据创造性燃气涡轮机的实施例，所述转子在所述涡轮内承载多个旋转叶片，叶片借助于叶根安装在所述转子上，并且延伸，且叶片的翼型部进入所述燃气涡轮机的热气体路径，由此所述转子由承载多个静止导叶的涡轮导叶承载件同心地环绕，由此所述旋转叶片和所述静止导叶沿轴向方向布置成交替的排，并且由此所述第一冷却空气通道连接到至少一排所述旋转叶片的所述旋转叶片的所述叶根，同时所述第二冷却空气通道连接到所述至少一排所述旋转叶片的翼型部。

具体地，所述第一冷却空气通道沿径向方向比所述高压冷却空气通道更靠近所述机器轴线地延伸。

具体地，预旋流器设置在所述第二冷却空气通道中，其中所述第二冷却空气通道进入所述涡轮。

具体地，至少两排所述旋转叶片的所述叶根借助于所述第一冷却空气通道的单独分支连接到所述第一冷却空气通道。

具体地，所述第一冷却空气通道连接到第一排所述旋转叶片的所述旋转叶片的所述叶根，所述第二冷却空气通道连接到所述第一排的所述旋转叶片的翼型部，并且在所述涡轮的入口处在所述转子上设置热屏蔽件，所述热屏蔽件中的每一个具有两个单独的流动路径，它们将所述第一冷却空气通道和第二冷却空气通道分别连接到所述涡轮的所述第一排旋转叶片的叶根和翼型部。

此外，所述第一冷却空气通道和所述压缩机的所述中间压缩机级之间可以设置辐流式涡轮机。

附图说明

现在将借助于不同的实施例并且参考附图更详细地解释本发明。

图1示出带有旋转叶片排和静止导叶排的燃气涡轮机的一部分，旋转叶片和静止导叶暴露于来自相邻燃烧器的热气体，并由根据本发明的实施例的冷却方案冷却；

图2示出根据本发明的实施例由不同压力和温度的两个单独的冷却空气流所冷却的单个旋转叶片；

图3示出根据本发明的实施例从压缩机到涡轮的分开的冷却空气供应的视图；

图4示出-类似于图3-根据本发明的另一实施例的针对低温、低压流利用辐流式涡轮机(图4b)的从压缩机到涡轮的分开的冷却空气供应的视图；

图5示出根据本发明的又一实施例借助于所述叶片上游的特殊热屏蔽件向第一排旋转叶片供应两种冷却空气；

图6以透视图(图6a和6c)示出根据图5的热屏蔽件的设计，以及所述热屏蔽件内的两个单独的冷却空气路径(图6b)。

具体实施方式

如图1中所示，本申请关注燃气涡轮机发动机10的涡轮部段15(由壳体14围封)内的冷却。冷却分成两个不同的系统A和B：高压冷却系统A用于馈给叶片16和导叶17以及涡轮导叶承载件(TVC)13。低压冷却系统B通过高压密封件与高压冷却系统A隔开，并且热气体路径通过涡轮部段15。

低压冷却系统B关注冷却转子11和叶片枞树形部(图2中的叶根37)。转子11和转子枞树形部37要求低温空气但不要求高压空气。与此不同，叶片16和导叶17，即它们的翼型部36(图2)，要求高压空气但对空气的温度不像转子11那样敏感。该系统能够实现针对叶片16的大量负载的枞树形部37的显著地更加有利的运行条件。

因此，相应的冷却构思采用主要的高压空气系统(A)来冷却叶片16(翼型部36)和涡轮导叶承载件13，并且包含次级的隔开的冷却系统(B)，其沿转子芯(11)将温度和压力更低的空气泵送至涡轮叶片枞树形部(37)和导叶热屏蔽件(例如，图3中的34a)。

图2图示两个系统如何在旋转叶片17的叶片水平处分开的详细视图。一个系统关注叶片翼型部36，其中更高温度的高压冷却空气HCA被引入叶片17的平台下方，并且进入翼型部36并作为泄漏空气LA离开叶片，并且用于薄膜冷却(高压)，同时第二系统关照转子11和转子枞树形部(叶根37)内的温度，并通过低压冷却空气通道18接收低温的低压冷却空气LCA，所述低压冷却空气LCA通过冷却空气出口19离开。

图3图示所提出的冷却方案的一个实施例：在更前的压缩机级之一处从燃气涡轮机10a的压缩机20a中抽出低压和低温下的空气，随后所述低压和低温下的空气在低压冷却空气通道21a中穿过转子11a，由于半径的变化使温度降低，并且在经过预旋流器23a之后通过分支24a和25a朝向转子涡轮15a和旋转叶片17a(第一排)和26a(第二排)的转子涡轮枞树形部引导所述低压和低温下的空气。此外，第二排导叶的热屏蔽件34a由该空气冷却。

该冷却方案使得枞树形部能够在大量负载的运行条件下保全。在压缩机端部(20a)处，部分(高压)空气被引导通过在径向方向上比低压冷却空气通道21a距离机器轴线35更远的高压冷却空气通道22a，朝向第一排的叶片17a(叶片一)，并且能够被采用来防止热气体吸入，或者被调节到足够的大小以完全完成冷却叶片一(其翼型部)的所关注的任务。

图4a图示类似于图3的燃气涡轮机10b中的流动构造，通过辐流式涡轮机38(图4b)从压缩机20b的端部取得空气，以冷却转子鼓筒(rotor drum)(11b)以及第一排叶片17b与第二排叶片26b的涡轮枞树形部。

半径的改变和辐流式涡轮机38降低了空气的流体温度和压力，所述空气冷却转子鼓筒(11b)，并且随后在进入分支24b和25b之前穿过预旋流器23b，并冷却叶片枞树形部。第二流动路径(高压冷却空气通道22b)取得空气，并在导叶一16b和叶片一17b处防止热气体吸入，从而为该位置中的密封给予一些冗余度。这种次级流动能够被调节成完全完成冷却叶片一17b的所关注的任务。

图5图示带有压缩机20c和涡轮部段15c的燃气涡轮机10c，其带有类似于图3的冷却方案，但是包括设置在涡轮15c的第一叶片之前的转子热屏蔽件28。高压冷却空气在压缩机20c的端部处被抽出，并且通过转子11c处的高压冷却空气通道22c供应到热屏蔽件28。低压冷却空气从更前的压缩机级通过低压冷却空气通道21c和转子腔27a、b流动到热屏蔽件28。能够以减轻重量的先进材料铸成的热屏蔽件28为高压和低压冷却空气流提供单独的流动路径(图6b中的31、32)，使得能够单独地冷却第一叶片的枞树形部或叶根37以及翼型部36。

图6a和6c提供对这种热屏蔽件28的可行构造之一的更详细的观察。热屏蔽件28以类似于叶片固定的方式经由枞树形部30附接到转子(图5中的11c)。在枞树形部30上方，带有斜面33的三角形主体29包含分别用于高压和低压冷却空气的两个孔或流动路径31、32。枞树形部30轴向地分成两个部分30a和30b，它们由间隙分开。通过该间隙，低压冷却空气进入流动路径32。流动路径31的入口在枞树形部30的第一部分30a上。

因此，热屏蔽件28内有两个内部流动路径31、32是可用的，一个(32)用于低压低温空气，且第二孔(31)引导用于叶片(翼型部)冷却的高压高温空气。尽管仅示出转子热屏蔽件的一个节段，但是所述热屏蔽件能够包括一件式的多个节段。

本技术方案的特性特征和优点是：

采用两个压力源，以将热气体路径(具体地是叶片和导叶)的冷却与转子以及所述叶片和导叶到转子的附接(枞树形部)的冷却要求分开；

附接区域、枞树形部的寿命高度依赖于叶片的温度和负载；在枞树形部处实现降低的温度，以便更大的寿命值和更强健的产品，所述产品能够在更宽范围的运行构造下运行；

该技术方案能够在不要求外部冷却器的情况下实现转子冷却。

附图标记列表

10、10a-c 燃气涡轮机

11、11a-c 转子

12 燃烧器

13、13a、13b 涡轮导叶承载件(TVC)

14 壳体

15、15a-c 涡轮

16、16a、16b (第一)导叶

17、17a-c (第一)叶片

18 低压(LP)冷却空气通道

19 冷却空气出口

20a-c 压缩机

21a-c 低压(LP)冷却空气通道

22a-c 高压(HP)冷却空气通道

23a、b 预旋流器

24a、b 分支

25a、b 分支

26a、b (第二)叶片

27a、b 腔

28 热屏蔽件

29 主体

30 枞树形部

30a、b 枞树形部部段

31、32 流动路径(孔)

33 斜面

34a、b 导叶热屏蔽件

35 机器轴线

36 翼型部

37 叶根(例如，枞树形部)

38 辐流式涡轮机

A、B 冷却系统

LA 泄漏空气

HCA 高压冷却空气

LCA 低压冷却空气