具有冷却空气传送系统的燃气涡轮的制作方法

专利名称：具有冷却空气传送系统的燃气涡轮的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有冷却空气传送系统的燃气涡轮，所述冷却空气传送系统用于冷却移动叶片的空气。
背景技术：
图10是显示燃气涡轮总结构的概念性视图，图11是冷却空气传送系统及其在已知型号燃气涡轮环境下的视图。
如图10中所示，在燃气涡轮中，由压缩机51压缩的空气给送到燃烧室52中，在将燃料与压缩空气混合之后由燃烧室产生燃烧气体，并且所述燃烧气体给送入涡轮53中以旋转涡轮53，通过涡轮53的旋转从动力产生器(power generator)54获得动力。由于所产生的燃烧气体的温度很高，因此必须冷却移动叶片和固定叶片。为此，一般地，部分冷却空气从设置在压缩机51的排出侧上以存储空气的室抽出，并通过冷却空气传送系统供应到移动叶片。
将参照图11说明一种使用冷却空气的冷却空气传送系统的实例，其中所述冷却空气用于燃气涡轮中的移动叶片和固定叶片。参照图11，第一阶段移动叶片33布置在围绕第一阶段转子盘(rotor disk)34的圆周中，所述第一阶段转子盘34与压缩机51同轴。第一阶段移动叶片33受到来自燃烧室52的燃烧气体F2的压力，从而旋转第一阶段转子盘34。相似地，第一阶段固定叶片32布置在靠近室42的圆周中，从而与第一阶段转子盘34同轴。第一阶段固定叶片32、第一阶段移动叶片33和第一阶段转子盘34构成第一阶段单元31。第二阶段单元和第三阶段单元(未显示)也同轴地连接到第一阶段单元31的下游侧上。冷却空气传送系统设置在第一阶段单元31的上游，以将用于移动叶片的冷却空气F1从相邻室42给送入第一阶段转子盘34。
冷却空气传送系统包括TOBI(切线机载喷嘴(tangential onboardinjection))喷嘴45和密封盘46。密封盘46同轴地连接到第一阶段转子盘34上，并与其同步旋转。密封盘46包括由通孔形成的密封盘冷却管道47，所述密封盘冷却管道47均匀地隔开在围绕转子41的轴线的圆周中。密封盘冷却管道47用于将从室42抽出的冷却空气F1引导至第一阶段单元31。数个密封盘冷却管道47被布置为使得通过连接它们的中心所获得的圆形形成其圆心定在转子41的轴线上的节距圆。
从压缩机51排出的空气存储在室42中，并且从室42抽出的冷却空气F1的一部分临时地给送入出气室(bleeding chamber)43。出气室43是被转子41和隔离部分(partition)48所包围的环形空间，用于将冷却空气F1均匀地供应到冷却空气传送系统。冷却空气F1通过出气室43从室42给送到冷却空气传送系统。冷却空气通过冷却空气入口44、TOBI喷嘴45和设置在密封盘46中的密封盘冷却管道47供应到第一阶段转子盘34和第一阶段移动叶片33。冷却空气F1也供应到设置在第一阶段单元31下游的第二阶段单元和第三阶段单元(未显示)，从而冷却这些单元中的移动叶片。
尽管出气室43和TOBI喷嘴45是固定的，但密封盘46和第一阶段转子盘34围绕转子41的轴线同步旋转。通常，当从固定TOBI喷嘴45喷出的冷却空气F1被导入旋转中的密封盘46的密封盘冷却管道47中时，产生能量损失。即，冷却空气F1在流过每一密封盘冷却管道47时具有沿密封盘46的圆周方向的速度分量，但所述冷却空气F1在从出气室43供应到密封盘冷却管道47之前的瞬间不具有该圆周速度分量。因此，如果当冷却空气F1传送到密封盘冷却管道47时，冷却空气F1和密封盘46之间存在速度差，那么特定的能量损失(称为泵送损失)在传送期间被引起。泵送损失主要转化为热量。即，当产生巨大泵送损失时，冷却空气F1在引入密封盘46的密封盘冷却管道47中时所述冷却空气F1的温度增加，这就减弱了冷却移动叶片的效果。相反，当泵送损失小时，可限制温度上升，改善了对于移动叶片的冷却效果，并且燃气涡轮的总效率得到提高。因此，最小化泵送损失很重要。为了该目的，需要在冷却空气F1给送入密封盘冷却管道47时给予所述冷却空气F1密封盘46的圆周方向上的速度分量。TOBI喷嘴45用于将圆周速度分量给予冷却空气F1以旋动冷却空气F1，由此减少泵送损失。
TOBI喷嘴45传统地构成喷嘴环，所述喷嘴环中具有多个装有叶片的喷嘴。TOBI喷嘴45通过将冷却空气在密封盘46的旋转方向上排出而旋动冷却空气，从而减少泵送损失并提高燃气涡轮的总效率。日本未审查专利申请公开Nos.2004-100686和2004-003494披露了使用已知的叶片型TOBI喷嘴的冷却空气传送系统的实例。日本未审查专利申请公开No.2004-003494的图2披露了具有叶片型TOBI喷嘴的喷嘴环的实例。
日本未审查专利申请公开文献No.2004-003493披露了管型TOBI喷嘴，所述管型TOBI喷嘴将冷却空气供应到轴流压缩机中的止推平衡盘。
然而，叶片型TOBI喷嘴具有复杂的结构，并且其制造成本高昂。另外，由于TOBI喷嘴被安装在用作狭窄环形空间的出气室43内，因此对于叶片型TOBI喷嘴的安装存在限制，其中所述出气室43被设置在室42内并被隔离部分48和转子41包围。另一方面，日本未审查专利申请公开文献No.2004-003493中所披露的管型TOBI喷嘴不能形成有效的回旋流，并且增加了泵送损失。

发明内容
为了克服上述问题，本发明提供了一种装备有结构简单的紧凑而且低成本的冷却空气传送系统的燃气涡轮。
根据本发明的一方面的燃气涡轮包括冷却空气传送系统，所述冷却空气传送系统将从压缩机排出的空气的一部分抽到室，并将空气的一部分作为冷却空气传送到转子盘。所述冷却空气传送系统包括多个管喷嘴，所述多个管喷嘴独立地、成圆形地布置在所述室内以围绕转子并喷出冷却空气；和具有密封盘冷却管道的密封盘，所述密封盘冷却管道成圆形地围绕所述转子的轴线布置从而接收从所述管喷嘴喷出的冷却空气。每一个所述管喷嘴被布置成使所述管喷嘴的轴线沿所述密封盘的旋转方向以倾斜角度与所述转子的轴线始终相交。
在此情况下，由于采用结构比叶片型TOBI喷嘴更简单的TOBI喷嘴，因此系统的成本减少。另外，由于可容易地旋动冷却空气，因此减少了泵送损失并且提高了燃气涡轮的总效率。
优选地，所述管喷嘴的轴线和与所述管喷嘴相对的密封盘的表面的交点设置在所述密封盘冷却管道的节距圆上，所述节距圆设置在所述密封盘上从而圆心定在所述转子的轴线上，并且所述管喷嘴的出口端和交点之间的距离被确定成不减缓所述冷却空气的喷射流。
在此情况下，由于未减缓从管喷嘴喷出的冷却空气，因此泵送损失减小。
优选地，所述管喷嘴的内径由所述冷却空气的压力和温度确定。所述冷却空气的压力由在所述管喷嘴中引起的压力损失、以及由所述冷却空气的圆周速度分量和所述密封盘的圆周速度之间的相对速度差确定。所述冷却空气的温度由冷却空气温度变化所确定，所述冷却空气温度变化由对应于所述管喷嘴中的冷却空气的膨胀比的温度减小量和对应于相对速度差的冷却空气温度变化量确定。
在此情况下，由于可选择最优的喷嘴内径，因此提高了燃气涡轮的总效率。
优选地，所述管喷嘴的出口端和所述交点之间的距离小于或等于所述管喷嘴的内径的10倍。
在此情况下，冷却空气到达密封盘冷却管道而不降低其中心速度。因此，冷却空气流可平稳地在密封盘冷却管道中传送，这就减少了泵送损失。
优选地，所述管喷嘴包括可拆卸的喷嘴体和喷嘴顶端。
在此情况下，由于喷嘴体和喷嘴顶端可容易地进行拆卸，因此可实现容易的维修。


图1是装有根据本发明的第一实施例的冷却空气传送系统的燃气涡轮的结构视图；图2是沿图1中的线II-II截取的横截面视图，显示了第一实施例中的管喷嘴的布置实例；图3是第一实施例中的密封盘的主视图；图4A是冷却空气传送系统的透视图，显示了部件之间的三维立体关系，图4B是沿图4A中的线IVB-IVB截取的横截面视图，图4C是沿图4B中的线IVC-IVC截取的横截面视图；图5A是解释性视图，显示了冷却空气的圆周速度分量和密封盘的圆周速度分量之间的关系，图5B是图表，显示了由于传送所引起的冷却空气的温度变化和相对速度差(Vt-Ut)之间的关系，图5C是图表，显示了冷却空气传送损失和相对速度差(Vt-Ut)之间的关系；图6是图表，显示了冷却空气的速度比(V/Vm)和比例L/D之间的关系；图7A和7B是第一实施例中的管喷嘴的结构视图；图8是图表，显示了冷却空气的压力的改变；图9是流程图，显示了计算冷却空气的压力的过程；图10是概念性视图，显示了燃气涡轮的总体结构；图11是冷却空气传送系统并被已知型号的燃气涡轮所环绕的结构性视图。
具体实施例方式
尽管将参照

本发明的实施例，但应当理解为，实施例仅是示范性的而并不限制本发明的范围。与相关技术中的那些部件相似的部件用相同的附图标记标识，并且省略其说明。
首先，以下将说明包括根据本发明的冷却空气传送系统的燃气涡轮。在本发明的背景技术的说明中已给出了的包括压缩机、燃烧室和涡轮的燃气涡轮的概念，因此，省略其说明。参照图1，作为本发明的核心的冷却空气传送系统1包括多个管喷嘴11组2，所述多个管喷嘴11设置在室42内的隔离部分48的内表面上，所述室42存储从压缩机排出的空气；和密封盘3，所述密封盘3设置在管喷嘴组2的上游并靠近所述管喷嘴组2，并且所述密封盘3具有密封盘冷却管道4。管喷嘴组2用于从室42抽出部分空气，并将冷却空气F1供应到密封盘3的密封盘冷却管道4。组2中的管喷嘴11被安装到设置在室42内的隔离部分48上，并且独立地布置在围绕转子41的圆周中，因而构成管型TOBI喷嘴单元。
密封管冷却管道4靠近与管喷嘴组2相邻的密封盘3的外围设置，从而延伸穿过密封盘3并平行于转子轴线41a，并且所述密封管冷却管道4平均地成圆形隔开。密封盘冷却管道4接收从管喷嘴11喷出的冷却空气F1，并且将冷却空气F1供应到设置在所述密封盘冷却管道4下游的第一转子盘34。冷却空气F1在从设置在移动叶片顶端的冷却孔最终喷入燃烧气体之前冷却移动叶片。
图2显示了管喷嘴组2包括八个管喷嘴11的实例(沿图1中的线II-II截取的横截面)。为了将冷却空气均匀地供应到密封盘3的密封盘冷却管道4，最好是将从四个到三十二个的多个管喷嘴11均匀地间隔在围绕转子轴线41a的圆周中。当管喷嘴11的数量为三个或更少时，难以均匀地分布冷却空气。相反，当管喷嘴11的数量超过三十二个时，难以确保足够的安装空间，并且这样增加了成本。在图2中，圆周A3代表通过连接喷嘴体12的中心点(图4A中的点A)而形成的喷嘴体中心节距圆，所述喷嘴体12的中心点限定管喷嘴11。即，多个管喷嘴11成圆形独立地布置在喷嘴体中心节距圆A3上。图3是密封盘3的一种实施例的主视图(图1中沿线II-II截取的横截面视图)。密封盘冷却管道节距圆A2通过连接密封盘冷却管道4的中心点而形成。
图4A三维地显示了管喷嘴11和密封盘冷却管道4之间的位置关系。密封盘3与转子41(图1和3)同步地旋转。尽管多个管喷嘴11布置在喷嘴体中心节距圆A3上，但为了简单的说明，图4A中仅显示了一个管喷嘴11。图4B和4C分别是侧视图(沿图4A中的线IVB-IVB截取的横截面视图)和俯视图(沿图4B中的线IVC-IVC截取的横截面视图)，显示了管喷嘴11和密封盘冷却管道4之间的关系。在图4A中，点0代表密封盘3的密封盘旋转表面3a上的转子中心点，X轴代表穿过点0从而垂直于转子轴线41a的轴线，Y轴代表与转子轴线41a重合的水平轴线，Z轴代表穿过点0从而与Y轴直角相交的水平轴线。另外，点A代表管喷嘴11的喷嘴体12的中心点(图7A和7B)，点B代表管喷嘴轴线A1(从管喷嘴11的出口处的轴线中心延伸的线)与密封盘冷却节距圆A2的交点，点C代表从点A平行于Y轴垂直落下与X轴的交点，点D代表从点B平行于Z轴垂直落下与X轴的交点。
安装在隔离部分48上的管喷嘴11是固定的。另一方面，相邻的密封盘3和下游的第一旋转盘34与转子41同步地旋转。因此，为了冷却空气F1从管喷嘴11平稳地流入密封盘冷却管道4，必须旋动冷却空气F1。在背景技术的说明中已给出的叶片型TOBI喷嘴中，多个叶片成圆形地布置在喷嘴环内，冷却空气沿喷嘴环内的圆周方向被叶片旋动，从而被供应到相邻的密封盘冷却管道中。然而，管型TOBI喷嘴不具有如此复杂的叶片结构。
当使用在日本未实审专利申请公开No.2004-003493中所披露的管型TOBI喷嘴时，冷却空气从管喷嘴喷出的方向(管喷嘴轴线)平行于转子轴线。即，冷却空气沿着包含点A的平面喷射，所述平面(下文中称为喷嘴喷气平面)平行于转子轴线41a并垂直于包含旋子轴线41a和点A的平面。当由喷射的冷却空气所形成的管喷嘴轴线A1沿着该平面投影在喷嘴喷气平面上时，它始终与作为投影平面的喷嘴喷气平面上的转子轴线41a平行。如果管喷嘴如日本未审专利申请公开No.2004-003493中那样进行定位，管喷嘴轴线A1和转子轴线41a之间的倾斜角(图4C中的角α)需要大到一定程度，从而获得旋动气流。然而，当倾斜角度太大时，从管喷嘴11喷射的冷却空气的方向向密封盘冷却管道节距圆A2外侧偏离。虽然通过朝向转子轴线41a降低管喷嘴11的安装位置以一定程度地增大倾斜角度从而避免向外偏离，但由于在管喷嘴11和转子41的外表面之间没有足够的空间，因此安装位置下降的空间受到限制，并且倾斜角度也被限制。因此，用此方法不能获得有效的旋动气流。
相反，在根据本发明的管型TOBI喷嘴中，为了旋动冷却空气F1，管喷嘴11与密封盘3相距一定距离进行布置，以便管喷嘴轴线A1相对于转子轴线41a沿密封盘3的旋转方向以预定角度倾斜。更具体地，管喷嘴11需要被布置为，当管喷嘴轴线A1投影到喷嘴喷气平面上时，投影平面上的管喷嘴轴线(称为投影管喷嘴轴线A11)始终沿密封盘3的旋转方向以预定角度与同一投影平面上的转子轴线41a相交。在图4A中，密封盘3的旋转方向指当从管喷嘴11侧观察密封盘旋转表面3a时的顺时针方向。图4B和4C显示了一种情况，在该情况中管喷嘴轴线A1投射到平行于转子轴线41a并与喷嘴喷气平面正交的平面上。在图4B和4C中，管喷嘴轴线A1对应于投影的管喷嘴轴线A11。
将参照图4B和4C详细地说明用于产生旋动气流的结构。管喷嘴11布置在相邻的密封盘3的上游并与密封盘3的旋转表面3a相距预定距离。冷却空气F1沿着管喷嘴轴线A1(被投影的管喷嘴轴线A11)从管喷嘴11朝密封盘3上的密封盘冷却管道节距圆A2进行喷射。即，管喷嘴11的安装角被确定为使管喷嘴轴线A1(被投影的管喷嘴轴线A11)沿密封盘3的旋转方向从转子轴线41a以预定角度倾斜。结果，管喷嘴轴线A1在密封盘冷却管道节距圆A2上的点B处与密封盘旋转表面3a相交。即，安装角由角β(节面角)和角α(旋涡角)表示，其中所述角β形成在图4B中的管喷嘴轴线A1(被投影的管喷嘴轴线A11)和转子轴线41a之间，而所述角α形成在图4C中的管喷嘴轴线A1(被投影的管喷嘴轴线A11)和转子轴线41a之间。管喷嘴11的安装角度被确定为，使角α(旋涡角)和角β(节面角)都相对于转子轴线41a形成预定角度。当管喷嘴11如日本未审专利申请公开文献No.2004-003493那样进行布置时，图4B中的角β为0，管喷嘴轴线A1(被投影的管喷嘴轴线A11)平行于转子轴线41a。
当在管喷嘴轴线A1(被投影的喷嘴轴线A11)和密封盘旋转表面3a之间形成的角分别地被指定为图4B和4C中的δ和γ时，通过将管喷嘴11安装为角α和角β大而角δ和角γ小，而使从管喷嘴11喷射的冷却空气F1可更平稳地旋动。然而，由于管喷嘴11直接地布置在转子41的外表面上方，其安装空间被限制。因此，如果安装角度太大，管喷嘴轴线A1与转子41发生干涉，这就干扰了从管喷嘴11喷射的冷却空气F1。在正常的情况下，角α被设定在45°到90°的范围以内，更优选地设定在50°到80°的范围以内，而角β被设定在0°到45°的范围以内，更优选地被设定在10°到40°的范围内。通过如此设定安装角度，转子圆周方向上的速度分量被赋予从管喷嘴11喷射的冷却空气F1。结果，冷却空气F1被有效地旋动，并可很容易地传送入密封盘冷却管道4。这就减少了由于传送引起的压力损失。
参照图5A到5C，将详细说明假设当冷却空气F1在密封盘冷却管道4中传送时，冷却空气F1和密封盘3之间的相对速度差、压力损失与冷却空气温度变化之间的关系。如图5A中所示，从管喷嘴11喷射的冷却空气F1沿着管喷嘴轴线A1流动，并到达密封盘旋转表面3a上的点B处。冷却空气F1沿管喷嘴轴线A1的方向以流动速度(V)到达点B，并且具有圆周速度分量(Vt)和轴向速度分量(VA)。当点B处的密封盘3的圆周速度被指定为Ut时，冷却空气F1的圆周速度Ut和圆周速度分量Vt之间的相对速度差(Vt-Ut)最好较小，以便冷却空气F1平稳地传送到密封盘冷却管道4中。
在图5B的图表中，水平轴代表相对速度差(Vt-Ut)，竖直轴表示根据相对速度差(Vt-Ut)的冷却空气的温度变化。该图通过实验获得。当相对速度差(Vt-Ut)为0时，冷却空气的温度没有由于传送而改变。当相对速度差增加到正数侧时，冷却空气的温度变化增加到负数侧。即，冷却空气的温度在传送之后相对地降低。相反，当相对速度差(Vt-Ut)增加到负数侧时，冷却空气的温度变化增加到正数侧，与上述相反，并且冷却空气的温度在传送之后升高。
在图5B中，当竖直轴表示泵送损失、以代替上述冷却空气的温度变化时，可了解泵送损失和相对速度差(Vt-Ut)之间的关系。即，当相对速度差(Vt-Ut)增加到正数侧时，泵送损失增加到负数侧，并且涡轮的效率提高。相反，当相对速度差(Vt-Ut)增加到负数侧时，泵送损失增加到正数侧，涡轮的效率下降。
在图5C中，水平轴表示相对速度差(Vt-Ut)，而竖直轴表示根据相对速度差(Vt-Ut)的冷却空气传送损失。由于相对速度差(Vt-Ut)所引起的压力损失和由于例如当冷却空气流入密封盘冷却管道4中时所产生的压缩气流所引起的压力损失，产生了冷却空气传送损失。通过实验计算冷却空气传送损失。如图5C中所示，当相对速度差(Vt-Ut)为0时冷却空气传送损失最小，当相对速度差增加到正数侧时所述冷却空气传送增加，当相对速度差增加到负数侧时所述冷却空气传送增加。
现在将从自管喷嘴11喷射的冷却空气F1的减速(damping)的观点来说明管喷嘴11和密封盘冷却管道4之间的位置关系。
通常，从管喷嘴11的出口端11a喷射的冷却空气喷射流依据从出口端11a的距离而趋向于被减速并且其流动速度趋向于减小。因此，最好是将管喷嘴11和密封盘冷却管道4布置在一定距离以内，以便喷射流几乎不被减速。当图4A中的管喷嘴出口端11a和点B之间的距离太长时，来自管喷嘴11的冷却空气喷射流在到达点B之前被极大地减速，在冷却空气F1管喷嘴轴线A1的方向上的流动速度V降低。当流动速度V降低时，相对速度差降低，或者偏离到负数侧。特别是，当相对速度差偏离到负数侧时，从冷却空气的温度变化和冷却空气的传送损失以及泵送损失的观点看存在不利的影响。然而，即使当相对速度差偏离到负数侧时，与其中难以放置叶片型TOBI喷嘴的传统燃气涡轮相比，可有效地提高燃气涡轮的效率。
图6显示了冷却空气喷射流根据距管喷嘴出口端11a的距离的减速的程度。在图6中，水平线代表管喷嘴出口端11a和点B之间的距离L与管喷嘴11的内径D的比(L/D)，而竖直轴代表冷却空气喷射流的最大喷出速度(Vm)和冷却空气流动速度(V)的比(V/Vm)。最大冷却空气喷出速度(Vm)指冷却空气F1从管喷嘴出口端11a喷射之后瞬间冷却空气F1的流动速度。如图6中所示，当比L/D是10或更少时，冷却空气F1的中心速度几乎不降低。相反，当比L/D超过10时，中心速度显著降低。即，当比L/D是10或者更少时，冷却空气F1的喷射流的减速比的降低不产生问题。相反，当比L/D超过10时，喷射流的减速比的降低具有不利影响。当假设冷却空气F1的喷射流未在一定范围内减速从而使冷却空气F1的中心速度不降低时，最好是将距管喷嘴出口端11a的距离L确定为少于或等于喷嘴内径D的10倍，在所述范围内喷射流不减速。将参照图4A说明长度L和内径D之间的关系。当管喷嘴出口端11a的中心点被标识为图4A中的E时，管喷嘴轴线A1上的B和E两点之间的距离等于上述距离L。通过将点B和点E之间的长度L设定为喷嘴内径D的10倍，可减少冷却空气F1的喷射流的减速。
现在将说明管喷嘴11的结构。如图7A和7B中所示，管喷嘴11包括喷嘴体12、喷嘴顶端13、喷嘴凸缘14和安装螺栓15。利用安装螺栓15将喷嘴凸缘14安装在隔离部分48的内表面上并进而将管喷嘴11固定到隔离部分48上。螺栓固定允许独立地连接或拆卸喷嘴，并且不必一起替换所有喷嘴，不像带叶片的密封盘的密封环。因此，可实现方便的维修。喷嘴体12由一个弯曲件形成，因为所述喷嘴体12需要容纳来自设置在隔离部分48内的冷却空气进口44的冷却空气F1，并将冷却空气F1的方向立即转为朝向密封盘旋转表面3a。为此，比起由典型的弯曲管所形成的管喷嘴，可实现更小的弯曲半径和更紧凑的喷嘴。当冷却空气F1从室42被导入管喷嘴11时，所述冷却空气F1被迅速压缩，因此，容易地干扰冷却空气F1的流动。为了最小化该干扰，空气存储空间16设置在喷嘴体12内。空气流保留在空气存储空间16内达一段时间，这就吸收了空气流的扰动。喷嘴顶端13通过螺钉结构紧固到喷嘴体12上。利用该结构，当喷嘴顶端13损坏时或者当喷嘴顶端13由于操作条件的改变而被具有不同规格的喷嘴顶端所替换时，可容易地执行这种替换。此外，喷嘴顶端13的内直径从空气存储空间16朝喷嘴顶端出口端13a逐渐地减小，并且喷嘴顶端13具有环形横截面，所述环形横截面包括靠近出口端13a的直线部分。在此情况下，可预期在管喷嘴11内调整空气的效果，并且空气流在管喷嘴出口端11a处极少地受到干扰。上述喷嘴内径D等于喷嘴顶端出口端13a处的孔的内径d。
以下将说明在本发明的冷却空气传送系统1中冷却空气从管喷嘴的入口到移动叶片的顶端的压力变化。参照图1，在固定叶片(第一阶段固定叶片32)的入口处的燃烧气体的压力和在管喷嘴11的入口处(在冷却空气进口44处)的压力略微地低于或等于室空气压力，并且可以认为，室空气压力、固定叶片的入口处的燃烧气体的压力和管喷嘴的入口处的压力大致相等。燃烧气体部分是例如穿过第一阶段固定叶片32的燃烧气体流动的区域，其中在所述燃烧气体部分中冷却空气从移动叶片的顶端喷出。由于通过通道的压力损失，第一移动叶片处的燃烧气体的压力P5下降到室压力(管喷嘴入口压力P1)以下。为了使移动叶片冷却经过冷却空气传送系统1的空气以有效地冷却移动叶片并在喷入燃烧气体的同时确保其所要求的量，移动叶片顶端压力P4需要恒定地高于移动叶片燃烧气体部分压力P5。当移动叶片顶端压力P4低于移动叶片燃烧气体部分压力P5时，高温燃烧气体回流入移动叶片，这就会损坏移动叶片。尽管以上已将第一阶段单元31作为实例说明，但这种说明也可应用于设置在第一阶段单元31下游的第二阶段单元和第三阶段单元(两者均未显示)。
图8详细地显示了移动叶片冷却空气系统中冷却空气的经过点和冷却空气的压力变化。在图8中，水平轴上的PP1到PP5代表冷却空气在管喷嘴11的入口和移动叶片燃烧气体部分之间的经过点。更具体地，PP1代表管喷嘴11的入口，PP2代表管喷嘴11的出口，PP3代表密封盘冷却管道4的内部，PP4代表移动叶片的顶端，而PP5代表移动叶片燃烧气体部分。竖直轴代表冷却空气的压力。竖直轴上的P1到P5分别地代表在经过点PP1到PP5处的压力。
在以下条件下观察压力变化，所述条件为确定应用到移动叶片的冷却空气的所需要的量，以及确定管喷嘴11的布置(即，喷嘴的数量)情况每一管喷嘴出口端11a(点E)和密封盘冷却管道节距圆A2上的点B之间的距离L，即管喷嘴11和密封盘冷却管道4的相对位置。通过确定在这些条件下的喷嘴内径D，可计算从经过点PP1到经过点PP4的压力变化。即，可认为当传送到密封盘冷却管道4的冷却空气F1通过密封盘冷却管道内部PP3流向下游并然后到达移动叶片顶端PP4时压力损失大致不变，除非冷却空气的量发生改变。相反，即使确定冷却空气的量时，在冷却空气F1经过管喷嘴入口PP1和管喷嘴出口PP2并到达密封盘冷却管道内部PP3时，压力损失根据所使用管喷嘴的喷嘴内径D而变化。
更具体地，管喷嘴出口压力P2和喷嘴膨胀比(管喷嘴入口压力P1与管喷嘴出口压力P2之比)由喷嘴内径D确定。另外，确定管喷嘴11中的压力损失。在管喷嘴11中膨胀的冷却空气F1从管喷嘴出口端11a喷出，到达密封盘冷却管道节距圆A2上的点B，然后在密封盘冷却管道内部PP3流动。在此情况下，为了避免冷却空气的喷射流的减速的影响，根据图6确定比L/D是否为10或更少。当冷却空气F1在密封盘冷却管道内部PP3内流动时，产生冷却空气传送损失。冷却空气传送损失包括由于密封盘3的圆周速度Ut和冷却空气F1的圆周速度分量Vt之间的相对速度差(Vt-Ut)所引起的压力损失，并包括由于例如在密封盘冷却管道4的入口处的压缩所引起的压力损失。当假定管喷嘴11中的压力损失表示为ΔP1而冷却空气传送损失表示为ΔP2时，P2＝P1-ΔP1而p3＝P2-ΔP2。结果，确定了在密封盘冷却管道内部PP3内的压力P3和移动叶片顶端压力P4。当移动叶片顶端压力P4和转动燃烧气体部分压力P5之间的差超过允许值(α1)时，移动叶片冷却空气不断地喷入燃烧气体中，并且确保了对于移动叶片的正常冷却。
给送到管喷嘴11的冷却空气F1的温度T1大致等于室空气温度。当确定管喷嘴11处的膨胀比时，可根据由在管喷嘴11内部的冷却空气的减压所引起的膨胀而计算管喷嘴出口端11a处的温度减少量ΔT1，并且可确定在管喷嘴出口端11a处的冷却空气温度T2。即，T2＝T1-ΔT1。另外，当冷却空气F1从管喷嘴11传送到密封盘冷却管道4时，根据如图5B中所示的相对速度差(Vt-Ut)获得冷却空气温度变化ΔT2。因此，经由密封盘冷却管道4流入移动叶片的冷却空气F1的温度T3表达为T1-ΔT1+ΔT2。为了有效地冷却移动叶片，必须保持冷却空气温度T3低于或者等于比移动叶片燃烧气体部分中的燃烧气体的温度低预定值(α 2)的温度。
将参照图9详细地说明用于计算冷却空气在经过点PP1到PP5处的压力的步骤。
首先，确定管喷嘴11的喷嘴内径D(步骤S1)，并计算管喷嘴出口压力P2和喷嘴膨胀比(步骤S2)。然后，如上所述，从冷却空气的喷射流的减速的观点，参照图6确定比L/D是否为10或者更少(步骤S3)。当比L/D高于10时，确定冷却空气喷射流的减速过量，再次执行步骤S1以设定喷嘴内径D。当比L/D为10或更少时，确定冷却空气喷射流不减速，并计算对应于预定比L/D的在管喷嘴出口端11a处的最大冷却空气喷出速度Vm和冷却空气F1的流动速度V(步骤S4)。从以上值Vm和V获得冷却空气F1的圆周速度分量Vt。随后，计算相对速度差(Vt-Ut)(步骤S6)，并且根据图5C获得对应于相对速度差(Vt-Ut)的冷却空气传送损失ΔP2(步骤S7)。当确定冷却空气传送损失ΔP2时，计算密封盘管道内部压力P3和在密封盘冷却管道4中传送的冷却空气F1的移动叶片顶端压力P4(步骤S8和步骤S9)。然后，比较移动叶片顶端压力P4和移动叶片燃烧气体部分压力P5以确定是否满足条件p4≥P5+α1(步骤10)。当P4＜P5+α1时，燃烧气体回流到移动叶片，因此再次执行步骤S1以设定喷嘴内径D。当P4≥P5+α1时，移动叶片P4高于移动叶片燃烧气体部分压力P5，燃烧气体将不回流。在此情况下，确定设定的喷嘴内径D是合适的，以及冷却空气流在经过点PP1到PP4的压力P1到P4是合适的。
当如上所述合适地确定冷却空气流的压力变化时，管喷嘴内温度减少ΔT1，管喷嘴出口处的冷却空气温度T2，根据管喷嘴内的膨胀比计算移动叶片入口处的冷却空气温度T3，并且确定移动叶片燃烧气体温度T4和移动叶片中的冷却空气温度T4之间的差是否大于或等于预定值(α2)。
通过上述步骤，可使冷却空气传送系统的规格最优。这就提高了燃气涡轮的总效率。
权利要求
1.一种包括冷却空气传送系统的燃气涡轮，所述冷却空气传送系统将从压缩机排出的空气的一部分抽到室，并将空气的一部分作为冷却空气传送到转子盘，其中所述冷却空气传送系统包括多个管喷嘴，所述多个管喷嘴独立地、成圆形地布置在所述室内以围绕转子并喷出冷却空气；和具有密封盘冷却管道的密封盘，所述密封盘冷却管道成圆形地围绕所述转子的轴线布置，从而接收从所述管喷嘴喷出的冷却空气，并且其中每一个所述管喷嘴被布置成使所述管喷嘴的轴线沿所述密封盘的旋转方向以倾斜角度与所述转子的轴线始终相交。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮，其中所述管喷嘴的轴线和与所述管喷嘴相对的密封盘的表面的交点设置在所述密封盘冷却管道的节距圆上，所述节距圆设置在所述密封盘上从而其圆心定在所述转子的轴线上，并且所述管喷嘴的出口端和所述交点之间的距离被确定为不减缓所述冷却空气的喷射流。
3.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮，其中所述管喷嘴的内径由所述冷却空气的压力和温度确定，其中所述冷却空气的压力由冷却空气传送损失确定，所述冷却空气传送损失由在所述管喷嘴中引起的压力损失以及所述冷却空气的圆周速度分量和所述密封盘的圆周速度之间的相对速度差进行确定，并且其中所述冷却空气的温度由冷却空气温度变化所确定，所述冷却空气温度变化由对应于所述管喷嘴中的冷却空气的膨胀比和相对速度差的温度减小量进行确定。
4.根据权利要求3所述的燃气涡轮，其中所述管喷嘴的出口端和所述交点之间的距离小于或等于所述管喷嘴的内径的10倍。
5.根据权利要求1到4中的任意一项所述的燃气涡轮，其中所述管喷嘴包括可拆卸的喷嘴体和喷嘴顶端。
全文摘要
一种包括冷却空气传送系统的燃气涡轮。冷却空气传送系统将从压缩机排出的空气的一部分抽到室，并将空气的一部分作为冷却空气传送到转子盘。所述冷却空气传送系统包括多个管喷嘴，所述多个管喷嘴独立地、成圆形地布置在所述室内以围绕转子；和具有密封盘冷却管道的密封盘，所述密封盘冷却管道成圆形地围绕所述转子的轴线的圆周布置从而接收从所述管喷嘴喷出的冷却空气。冷却空气传送系统旋动从管喷嘴喷出的冷却空气。
文档编号F02C7/18GK101067381SQ20061016422
公开日2007年11月7日 申请日期2006年12月5日 优先权日2006年5月3日
发明者高冈良昌, 荒木胜人, 文森特·拉尔洛, 片冈正人, 正田淳一郎, 石坂浩一, 萩直树 申请人:三菱重工业株式会社