用于燃气涡轮的流体冷却的转子的制作方法

本公开涉及燃气涡轮的技术领域。其主要涉及一种用于燃气涡轮的转子，其中，转子包括在转子轴线中彼此前后布置的多个转子盘。本公开更具体地涉及包括冷却系统的转子。

背景技术：

用于燃气涡轮的转子通常包括多个盘，这些盘通过螺栓连接接合在一起或者它们被焊接在一起。为了避免在运行期间过热且因此避免所造成的转子的使用寿命的降低，转子被主动地冷却。在该情况中，在用于通过螺栓相连接的转子和用于焊接的转子的冷却方法之间存在差异。用于螺栓连接的转子的冷却方法仅可在有限的程度上被使用在焊接的转子的情况中，因为在焊接的转子的情况中转子盘与螺栓连接的转子相比更坚固并且将更难以实现经由孔的内部冷却。此外，焊接的转子具有更大的热惯性。

传统地，用于燃气涡轮的转子利用从燃气涡轮的压缩机或从外部冷却源所供应的空气流来冷却。现有的解决方案需要利用二次空气流(saf)冷却。由于若干原因，利用来自燃气涡轮的二次空气流冷却是不利的。首先，该解决方案不是闭环系统(不是压力无关)，并且其次其使用来自压缩机的有价值的冷却空气，这降低了总效率。

文件us8820091说明了一种使用外部冷却源的用于燃气涡轮的转子的冷却系统。冷却流体空气喷射系统包括外部冷却流体源、至少一个转子冷却管，其用于将冷却流体从该源喷射到转子室中。然而，该闭环系统仅冷却转子的外表面。在该示例中，没有流体进入涡轮的旋转系统中。

对于焊接转子，已知带有在转子内和外的冷却通路和冷却室的各种冷却装置。例如，文件ep0984138公开了一种用于燃气涡轮、特别是用于压缩机的的转子，其表面受冷却流冲击。冷却流经由空气通路穿过定子叶片并且穿过在其叶片尖端中的开口被直接引导至转子表面。文件ep1705339公开了一种用于燃气涡轮的转子，其带有径向延伸的冷却空气通路，它们具有椭圆形横截面。

考虑现有解决方案，特别是对于焊接的燃气涡轮转子的冷却系统仍然需要高效的冷却系统。

技术实现要素：

因此，本公开的主要目的是提供一种用于燃气涡轮的转子，其避免已知转子的缺点并且尤其实现高效的冷却。

根据本发明的一实施例，提供一种用于燃气涡轮的转子，其包括在转子轴线中彼此前后布置且彼此相连接的多个转子盘。盘的几何形状导致在相应相邻的盘之间形成腔，并且转子从压缩机部分延伸到涡轮部分且具有在压缩机部分与涡轮部分之间的中央部分，其中，第一涡轮盘、最末压缩机盘和中央部分包围中央腔。转子包括至少部分地延伸穿过转子的冷却系统，其包括构造成接收冷却流体的至少一个入口管、构造成将冷却流体引导到转子外的至少一个出口管以及置于至少一个入口管与至少一个出口管之间的至少一个中央冷却区段，其中，中央冷却区段至少部分地延伸穿过第一涡轮盘和/或最末压缩机盘。

根据本发明的另一实施例，至少两个转子盘被焊接在一起或者所有盘被焊接在一起，也就是说转子是被焊接的转子。压缩机部分和涡轮部分中的每个包括至少两个转子盘。此外，中央部分包括转子鼓。

根据又一实施例，入口管和/或出口管可沿着转子的中心轴线定位，或者它们可偏离转子的中心轴线定位。

根据本发明的另一实施例，入口管延伸穿过涡轮部分或压缩机部分，并且出口管延伸穿过压缩机部分或涡轮部分。

根据又一实施例，入口管的至少一部分定位在出口管内。

根据另一实施例，冷却系统可包括在盘之间的腔中的一些，优选地第一涡轮腔和最末压缩机腔。

根据又一实施例，中央冷却区段包括延伸穿过中央部分的至少一个中央管，例如中央管可至少两次延伸穿过第一涡轮盘、最末压缩机盘和转子鼓，或者中央管可仅延伸通过转子鼓的上半部或下半部。

根据另一实施例，中央管延伸穿过中央腔。

根据又一优选实施例，中央冷却部分包括冷却环，冷却环至少部分地定位在转子盘外，并且优选地，冷却环周向地围绕转子鼓。

根据另一实施例，冷却系统关于中心转子轴线对称。例如，冷却系统可具有围绕转子的中心轴线对称地分布的六个相同的系统。

在优选实施例中，冷却流体是液体，而冷却流体的较大的热容量尤其对于焊接的转子是有益的。

最后，另一实施例还包括一种燃气涡轮，其包括根据本发明的转子。

附图说明

本发明、其性质以及其优点将在下面借助于附图更详细地来说明。其中：

图1示出了根据本发明的燃气涡轮的一半的横截面图。

图2示出了根据本发明的转子的横截面。

图3至图13示出了根据本发明的转子的不同实施例的横截面。

附图标记清单

1燃气涡轮

2压缩机区段

3燃烧区段

4涡轮区段

5中央区段

6涡轮导叶

7涡轮叶片

8压缩机导叶

9压缩机叶片

10转子

11压缩机部分

12中央部分

13涡轮部分

14涡轮盘

15涡轮盘

16第一涡轮盘

17最末压缩机盘

18压缩机盘

19压缩机盘

20压缩机盘

21压缩机盘

22压缩机盘

23第一涡轮腔

24最末压缩机腔

25中央腔

26转子鼓

30入口管

31出口管

32中央冷却区段

34中央管

35冷却环

36延伸管。

具体实施方式

相同的或功能相同的元件下面设有相同的附图标记。示例不构成对这样的组件的任何发明限制。

在图1中示出了根据本发明的燃气涡轮1的横截面(上半部)的示意图。燃气涡轮1包括压缩机区段2、包含一个或更多个燃烧器的燃烧区段3和涡轮区段4。压缩机区段2引入且加压被导引至燃烧区段3的入口空气，但是其也被用于冷却燃气涡轮1的不同部分、例如涡轮区段4的部分。如在图1中所示，燃气涡轮1具有可围绕其中心轴线5旋转的转子10。转子10居中布置在多个涡轮定子导叶6和压缩机定子导叶8被适配至的壳体中。与此对应，转子10装配有多个转子叶片7、9，其中转子叶片和定子叶片成对地形成燃气涡轮1的级。

图2更详细地示出了转子10。在根据本发明的该实施例中，转子10包括在转子轴线5中彼此前后布置且彼此相连接的多个转子盘14-22。在该优选实施例中，盘被焊接在一起，也就是说转子10是被焊接的转子。通常，转子盘也可螺栓连接在一起。转子10从压缩机部分11延伸至涡轮部分13并且具有在压缩机部分11与涡轮部分13之间的中央部分12。在图2的示例中，涡轮部分13包括涡轮盘14、15和16，而压缩机部分包括压缩机盘17-22，并且中央部分包括转子鼓26。盘的几何形状导致在相应相邻的盘之间形成腔。例如，涡轮盘15和16在它们之间形成腔23，而压缩机盘17和18形成腔24。第一涡轮盘16、最末压缩机盘17和中央部分12的转子鼓26包围中央腔25。定位在涡轮的中间(燃烧部分3)的盘16、17和26在运行期间尤其被加热，所以要特别注意冷却燃气涡轮的这些盘。

图3示出了包括根据本发明的冷却系统的转子10。根据本发明的冷却系统至少部分地延伸穿过转子10。冷却系统包括：至少一个入口管30，其构造成接收冷却流体，例如水或其它类型的液体或气态流体；至少一个出口管31，其构造成将冷却流体引导到转子10外；以及置于至少一个入口管30与至少一个出口管31之间的至少一个中央冷却区段32。根据本发明，中央冷却区段32至少部分地延伸穿过第一涡轮盘16和最末压缩机盘17。在图3的示例中，存在一个入口管30和一个出口管31，它们两者沿着转子中心轴线5延伸。图3还示出了转子10和入口管30的截切面a-a。在入口管30与出口管31之间，存在两个中央管34，其从入口管30输出处分支并且会合至输出管31的输入处。这两个分支在转子鼓26的相对侧上行进。通常，可存在更多分支，例如围绕中心轴线5在周缘分布的六个对称分支。在图3中示出的箭头指示冷却流体流的方向。在该实施例中，流体从热区段(涡轮)流动至冷区段(压缩机)。有利地，冷却的次要效果是加热压缩机区段，其产生横跨转子更均匀的温度分布。

图4示出了根据本发明的转子10的另一实施例。在该示例中，入口冷却管30和出口管31偏离中心轴线5定位。在其它方面，该结构类似于图3，除了这里存在分离的管34，并且不存在从一个入口管30分支。图4还示出了转子10的截切面b-b，和围绕中心轴线5在周缘分布的六个入口管30的示例。

图5示出了根据本发明的转子10的又一实施例。在该示例中，入口管30和出口管都从并且穿过压缩机部分延伸，该压缩机部分是在操作期间涡轮的冷却器部分。中央冷却区段32在此包括中央管34，其从入口管30延伸穿过盘16、17和26并且返回至定位在入口管30之外的出口管31。图5还示出了转子10和定位在出口管31内的六个入口管30的截切面b-b。再次，该示例示出了六个相同的在周缘分布的冷却系统。

图6示出了根据本发明的转子10的另一实施例。在该示例中，冷却系统包括入口管30，它沿着轴线5延伸直到第一涡轮腔23，其也形成冷却系统的一部分。第一涡轮腔23和最末压缩机腔24与延伸穿过转子鼓26的一个或更多个管34相连接。在图6的示例中，它们与六个对称分布的直管34相连接，如还在截切面b-b上所示。在运行期间，腔23和24充满冷却流体。

图7示出了根据本发明的转子10的又一实施例，其中仅示出了中央部分。在该实施例中，冷却系统包括沿着中心轴线5延伸的入口管30，并且然后该管垂直地延伸，或者其可相对于中心轴线5以一角度(未示出)延伸。管30分支离开中心轴线直到冷却环板35的输入侧。冷却环板至少部分地定位在转子鼓26外。冷却环板26的输出侧被连接至出口管31。在如在图7中所示的一个优选实施例中，冷却环板35完全在周缘围绕转子鼓26。

图8示出了根据本发明的转子10的另一实施例，其中仅示出了转子10的中央部分。在该实施例中，冷却系统包括沿着轴线5延伸的入口管30，并且其分支离开中心轴线直到定位在转子鼓26外的冷却环板35。在进入冷却环之前，管30分支至在涡轮的叶片附近延伸的延伸管36。以该方式，叶片也可被有效地冷却。冷却环的输入侧也被用作输出。箭头示出冷却流体的方向。

图9示出了根据本发明的转子10的另一实施例。在该示例中，第一涡轮腔23是包括冷却环35和入口管30和出口管31的冷却系统的一部分。在该示例中，输出管31和入口管30沿着中心轴线5定位，但是它们不在彼此内，并且入口管30穿过腔23。通常，转子腔可以具有比在图9中所示更小的尺寸。

图10、图11和图12示出了根据本发明的转子10的附加的实施例。在这些示例中，输入管30或输出管31延伸穿过中央腔25。

图13是根据本发明的转子10的又一实施例，其中，冷却系统包括输入管30、输出管31和冷却环35。

除了所示的示例之外，冷却供给和回流也可具有不同于所示出的组合。

提出本发明的实施例集中于冷却转子盘、转子鼓并且某种程度延伸至燃气涡轮中的枞树冷却。流体介质应在转子内(通过管道、腔)被传输以在转子上执行所需的冷却。外部泵或集成的径向泵可在转子中传输流体。用于流体的介质可从环境空气变动至冷却流体或油。优选的解决方案可以是周缘的盖板，其附连在充满冷却流体的转子鼓之上。该冷却结构可被用于集中于优化的冷却、增强性能(不需要昂贵的冷却空气)和更少的saf。

应当显而易见的是，上述仅涉及本申请的优选的实施例，并且其中可由本领域技术人员做出许多改变和修改，而不偏离如由权利要求所限定的本发明的普遍的精神和范围。