一种燃气轮机转子冷却空气盘腔供气系统的制作方法

1.本发明涉及燃气轮机制造技术领域，尤其是涉及一种燃气轮机转子冷却空气盘腔供气系统。


背景技术：

2.典型的燃气轮机转子冷却空气供气结构，是在第一级轮盘左侧悬挂一段薄壁筒状空气分离器结构，该结构仅在右端一侧与第一级轮盘采用螺栓连接固定，其左端为自由端，其外圆面设计有密封齿结构（斜齿或直齿），配合外部缸体上的浮动环或高低齿密封环结构，实现对冷却空气的分隔作用，其中一股冷却空气作为第一级静叶与第一级动叶之间的盘腔密封空气，防止燃气倒灌进入盘腔；另一股冷却空气用于对轮盘和动叶片的降温冷却。
3.专利公开号cn1952354a，公开了一种空气分离器的安装结构以及包括该结构的燃气轮机，燃气轮机在热起动运行时空气分离器产生急剧温度变化的情况下，防止了空气分离器与轮盘接触面之间的空气泄漏，并能防止空气分离器的振动。
4.专利公开号cn 103206270 a，公开了一种冷却燃气轮机涡轮盘及动叶片的方法，实现了将压气机抽出的高温高压空气经中间冷却器后被封严结构分隔成两股气流，一股为冷却气流，另一股为密封气流。保证了一级涡轮盘和一级涡轮动叶片所需的冷却空气流量，并降低一级涡轮动叶片的热应力。
5.上述方案虽然利用空气分离器有效形成密封气流对冷却气流进行分离，但依然存在以下几个不足和弊端：一是，空气分离器悬挂于第一级轮盘一侧，导致轮盘两侧受力均匀性较差，高速旋转下存在隐患；并且，用于悬挂空气分离器的轮盘，需设计配合端面并有连接孔结构，导致轮盘结构设计较为复杂；二是，空气分离器左端为自由端，在高速旋转时的离心力作用下，易发生振动并与延长式密封环产生碰磨；三是，轮盘上用于向第一级动叶片提供冷却空气的径向孔，受限于空气分离器与轮盘连接面的径向位置，一般设计为细长的直孔，空气流动阻力增大，增大了轮盘对冷却空气的泵功；且细长孔加工难度大。
6.因此，需要新的冷却装置改善上述问题。


技术实现要素：

7.针对背景技术中提到的现有技术中存在需要额外悬挂空气分离器进行工作而导致轮盘两侧受力不均出现振动和转-静碰磨问题，或是为平衡空气分离器重新设计轮盘使其结构复杂程度明显提高的问题，本发明提供了一种燃气轮机转子冷却空气盘腔供气系统，通过拉长密封环轴向长度，并以其为核心设计多通路冷却系统，摒弃了传统的空气分离器及连接螺栓等结构，在未增加系统零件的前提下，反而减少了零件种类和数量，简化了系统结构，并能从根本上解决了长悬臂的空气分离器在运行中的振动和转-静碰磨问题。
8.本发明的第二发明目的是减少冷却空气在转-静密封结构处的泄漏，提高密封效果。
9.本发明的第三发明目的是提升转-转密封室内冷却气流的流动均匀性，以此优化向动叶片供气一致性。
10.本发明的第四发明目的是降低冷却气流进入动叶片时的流动阻力。
11.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种燃气轮机转子冷却空气盘腔供气系统，包括冷却腔室和动叶组件，所述冷却腔室和动叶组件设置有密封组件，所述密封组件包括由冷却腔室延伸至动叶组件的多通路冷却系统。进入转子冷却气腔中的冷却空气，在多通路冷却系统的分配下按照密封和冷却两种需求被分为两股气流穿过密封组件与动叶组件，其中用于密封的空气流量应在满足要求的条件下尽可能少，而保证更多的冷却空气用于轮盘和动叶片的冷却。这是由于进入动叶片的冷气流程更长，且在叶片内部复杂冷却通道充分换热后从叶片表面气孔汇入主流，整体流阻较大。本专利的多通路冷却系统具有更大流阻，更好的密封效果，能够严格控制密封气的流量，既能避免额外悬挂空气分离器导致轮盘受力不均而出现振动或应力集中等问题，同时对密封组件与动叶组件进行冷却，在不增加零部件数量的前提下，通过优化流道设计，从结构上降低了盘腔供气系统设计的复杂性，简化了第一级轮盘结构，并提高其自身对称性，从而提高了轮盘高速旋转时的安全性，使得冷却空气均匀通过密封组件进入动叶组件完成冷却工作，有效提升了燃气轮机的受力均匀性和工作稳定性。
12.进一步的，所述密封组件包括静止环与设置于静止环内侧的延长式密封环，所述静止环与延长式密封环之间设置有转-静密封结构，所述转-静密封结构中设置有阶梯式浮动环，所述延长式密封环对应阶梯式浮动环呈阶梯分布设置有若干密封齿。静止环与延长式密封环之间的转-静密封结构迫使空气在通过阶梯式浮动环时既沿轴向流动又沿径向流动，延长了空气流动路径，并增大了流动阻力，从而实现了更为理想的密封效果，减少了这部分转子冷却空气的泄漏。从而解决了本发明的第二发明目的。
13.作为优选，所述动叶组件包括一级轮盘，所述多通路冷却系统包括有转-转密封腔，所述转-转密封腔由延长式密封环与一级轮盘合围形成。传统设计中空气分离器与轴之间狭长环形腔室内冷却空气的周向速度较大，气流搅动较强，流场均匀性差，进入冷气孔的供气一致性不理想。延长式密封环与一级轮盘之间形成的转-转密封腔室空间较传统狭长过孔更大，使得流场更为平稳，实现了冷却空气在腔室内的相对静止，保证了冷却空气更均匀、稳定的进入每一个气孔中。
14.作为优选，所述动叶组件包括有设置于一级轮盘外缘的动叶片，所述多通路冷却系统包括有转-静盘腔，所述转-静盘腔由静止环、动叶组件和阶梯式浮动环合围而成。由多通路冷却系统引导的冷却气体一部分通过延长式密封环中间的主气道进入转-转密封腔，进入转-转密封腔的冷却空气一路通过一级轮盘上的捷径孔进入动叶片供气腔对动叶片进行有效冷却，另一路通过一级轮盘上的轮盘气孔进入后一级冷却空气密封腔进行后续部件冷却；另一部分通过转-静密封结构进入转-静盘腔，完成对内侧冷却气流的密封，同时对密封组件进行冷却，多通路冷却系统结构紧凑，且各气路分工明确，由此实现冷却气流的密封性和供应一致性。
15.进一步的，所述密封组件和动叶组件之间设置有同步环，所述同步环设置于一级
轮盘与延长式密封环之间，所述同步环分隔转静-密封腔与转-转密封腔。通过同步环实现了延长式密封环与一级轮盘之间的密封，同步环随着延长式密封环和轮盘同速旋转，实现了转-转密封冷却腔，密封效果更理想。
16.进一步的，所述延长式密封环包括上部凸肩和下部凸肩；所述一级轮盘包括有轮盘上凸肩和轮盘下凸肩；所述同步环沿轴向的一端插合连接上部凸肩，另一端插合连接轮盘上凸肩，所述下部凸肩与轮盘下凸肩抵接密封。同步环与轮盘之间的进行搭接和密封，实现了对盘腔良好的密封作用，并且较大体积的空腔，使冷却空气在腔室内部处于相对静止状态，提高了冷却空气向第一级动叶和下一级盘腔供气的均匀性和稳定性，实现了第三发明目的；另外，延长式密封环上的气孔直径、周向分布数量可根据不同功率燃气轮机对不同冷却气体流量需求不同而调整，能够适应各种功率燃气轮机的使用需要。
17.作为优选，动叶组件包括有设置于轮盘与动叶片之间的叶片供气腔，所述转-转密封腔与叶片供气腔之间连接设置有捷径孔，所述捷径孔倾斜贯穿设置于一级轮盘上。延长式密封环与第一级轮盘采用同步环搭接处距离轮盘榫槽位置更近，因此相比传统设计而言，轮盘上向第一级动叶供气的捷径孔长度大大缩短，减小了冷却气体在孔中的流动阻力和轮盘对冷却气体的泵功；同时捷径孔较传统通气孔长度缩短能够大大降低加工难度。该方案实现了本技术的第四发明目的。
18.作为优选，所述阶梯式浮动环与密封齿配合的一侧的设置有蜂窝密封结构。静止环右侧的蜂窝密封结构与动叶片形成密封，阻止了燃气向盘腔倒灌，实现了对盘腔内各零件的保护作用。
19.因此，本发明具有如下有益效果：（1）通过拉长密封环轴向长度，并以其为核心设计多通路冷却系统，摒弃了传统的空气分离器及连接螺栓等结构，在未增加系统零件的前提下，反而减少了零件种类和数量，简化了系统结构，并能从根本上解决了长悬臂的空气分离器在运行中的振动和转-静碰磨问题；（2）转-静密封结构迫使空气在通过阶梯式浮动环时既沿轴向流动又沿径向流动，延长了空气流动路径，并增大了流动阻力，从而实现了更为理想的密封效果，减少了这部分冷却空气的泄漏；（3）同步环与轮盘之间进行搭接和密封，实现了对盘腔良好的密封作用，并且较大体积的空腔，使冷却空气在腔室内部处于相对静止状态，提高了冷却空气向第一级动叶和下一级盘腔供气的均匀性和稳定性；（4）延长式密封环与第一级轮盘采用同步环搭接处距离轮盘榫槽位置更近，轮盘上向第一级动叶供气的捷径孔长度大大缩短，减小了冷却气体在孔中的流动阻力和轮盘对冷却气体的泵功；同时捷径孔较传统通气孔长度缩短能够大大降低加工难度。
附图说明
20.图1是本发明的纵剖面图；图2是图1中多通路冷却系统的剖面放大图。
21.1-多通路冷却系统，10-冷却气腔，20-转-转密封腔，30-叶片供气腔，40-后一级冷却空气密封腔，50-转-静盘腔；100-延长式密封环，101-通气孔，102-台阶状结构，103-密封齿，104-环沟槽，105-同步环，106-下部凸肩，107-上部凸肩；200-转-静密封结构，201-静止环，202-阶梯式浮动环，203-蜂窝密封结构；
300-一级轮盘，301-捷径孔，302-轮盘气孔，303-轮盘上凸肩，304-轮盘沟槽，305-轮盘下凸肩；400-动叶片。
具体实施方式
22.下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
23.实施例1如图1，2所示，一种燃气轮机转子冷却空气盘腔供气系统，进入转子冷却气腔10中的冷却空气，一部分通过延长式密封环100中间的主气道101进入转-转密封腔20；进入转-转密封腔20的冷却空气一路通过一级轮盘300上的通气孔301进入动叶片供气腔30，另一路通过一级轮盘300上的通气孔302进入后一级冷却空气密封腔40；另一部分通过转-静密封结构200进入转-静盘腔50。
24.所述延长式密封环100，是指安装在一级轮盘300前端的随转子转动的环形零件，中部设置有主气道101，顶部设置4个台阶状结构102，每个台阶102上有若干密封齿103，延长式密封环100的后端面设置有环沟槽104。
25.所述转-静密封结构200，是指延长式密封环100上的密封齿103与静止环201上装配的带蜂窝密封的浮动环202组成的封气结构。
26.所述转-转密封腔20，是指由转动延长式密封环100、延长式密封环下部凸肩106与一级轮盘300，轮盘下凸肩305、轮盘上凸肩303、一级轮盘上的轮盘沟槽304和延长式密封环上的环沟槽104中放置的同步环105合围起来的腔室。
27.所述转-静盘腔50，是指由静止环201、轮盘上凸肩303、同步环105、动叶片400、以及静止环201上的蜂窝密封结构203所围成的腔室。
28.所述的同步环105，为环形薄板结构，整圈设计为多段，用于延长式密封环100和第一级轮盘300之间转-转密封腔20的密封。
29.所述下部凸肩106与轮盘下凸肩305的端面完全贴紧形成完全密封并传递转子扭矩。
30.所述浮动环202，整圈设计为多段，与密封齿103配合一侧设计有蜂窝密封结构，可在静止环201的槽中一定范围内上下浮动。
31.本实施例中，所述冷却腔室和动叶组件设置有密封组件，所述密封组件包括由冷却腔室延伸至动叶组件的多通路冷却系统1。进入转子冷却气腔中的冷却空气，在多通路冷却系统的分配下按照密封和冷却两种需求被分为两股气流穿过密封组件与动叶组件，其中用于密封的空气流量应在满足要求的条件下尽可能少，而保证更多的冷却空气用于轮盘和动叶片的冷却。这是由于进入动叶片的冷气流程更长，且在叶片内部复杂冷却通道充分换热后从叶片表面气孔汇入主流，整体流阻较大。本专利的多通路冷却系统具有更大流阻，更好的密封效果，能够严格控制密封气的流量，既能避免额外悬挂空气分离器导致轮盘受力不均而出现振动或应力集中等问题，同时对密封组件与动叶组件进行冷却，在不增加零部件数量的前提下，通过优化流道设计，从结构上降低了盘腔供气系统设计的复杂性，简化了第一级轮盘结构，并提高其自身对称性，从而提高了轮盘高速旋转时的安全性，使得冷却空气均匀通过密封组件进入动叶组件完成冷却工作，有效提升了燃气轮机的受力均匀性和工
作稳定性。静止环与延长式密封环之间的转-静密封结构迫使空气在通过阶梯式浮动环时既沿轴向流动又沿径向流动，延长了空气流动路径，并增大了流动阻力，从而实现了更为理想的密封效果，减少了这部分冷却空气的泄漏。
32.传统设计中空气分离器与轴之间狭长环形腔室内冷却空气的周向速度较大，气流搅动较强，流场均匀性差，进入冷气孔的供气一致性不理想。延长式密封环与一级轮盘之间形成的转-转密封腔室空间较传统狭长腔室更大，使得流场更为平稳，实现了冷却空气在腔室内的相对静止，保证了冷却空气更均匀、稳定的进入每一个气孔中。
33.由多通路冷却系统引导的冷却气体一部分通过延长式密封环中间的主气道进入转-转密封腔，进入转-转密封腔的冷却空气一路通过一级轮盘上的捷径孔进入动叶片供气腔对动叶片进行有效冷却，另一路通过一级轮盘上的轮盘气孔进入后一级冷却空气密封腔进行后续部件冷却；另一部分通过转-静密封结构进入转-静盘腔，完成对内侧冷却气流的密封，同时对密封组件进行冷却，多通路冷却系统结构紧凑，且各气路分工明确，由此实现冷却气流的密封性和供应一致性。
34.通过同步环实现了延长式密封环与一级轮盘之间的密封，同步环随着延长式密封环和轮盘同速旋转，实现了转-转密封冷却腔，密封效果更理想。同步环与轮盘之间进行搭接和密封，实现了对盘腔良好的密封作用，并且较大体积的空腔，使冷却空气在腔室内部处于相对静止状态，提高了冷却空气向第一级动叶和下一级盘腔供气的均匀性和稳定性。
35.特别地，延长式密封环与第一级轮盘采用同步环搭接处距离轮盘榫槽位置更近，因此相比传统设计而言，轮盘上向第一级动叶供气的捷径孔长度大大缩短，减小了冷却气体在孔中的流动阻力和轮盘对冷却气体的泵功；同时捷径孔较传统通气孔长度缩短能够大大降低加工难度。静止环右侧的蜂窝密封结构与动叶片形成密封，阻止了燃气向盘腔倒灌，实现了对盘腔内各零件的保护作用。
36.本实施例中，延长式密封环上的气孔直径、周向分布数量可根据不同功率燃气轮机对不同冷却气体流量需求不同而调整，能够适应各种功率燃气轮机的使用需要。而延长式密封环上的台阶状密封的级数与密封齿分布均可按照实际燃气轮机的密封需求进行个性化设计。