专利名称：燃气透平冷却系统的制作方法
本申请是申请日为1991年11月19日申请号为07/794，032的专利申请的部分继续申请，该申请的公开内容作为基准结合在本申请内。
本发明涉及一种燃气透平的冷却系统，尤其涉及一种复合循环透平的整体蒸汽/空气冷却系统及操作该系统的方法。
冷却燃气透平叶片和喷咀的传统方法是自处在相当大的压力下的空气源提取空气，例如自燃气透平压气机的中间级和最后级提取空气。通常采用一连串内通道来获得为冷却透平叶片所需的大量气流。反之，对于喷咀，则通过外部管道来供给和控制冷却空气。这些冷却空气流回路绕过将热量供给热力循环的燃烧室。这样，被分流的冷却剂空气并不从燃烧室直接吸收能量，因而经透平并不完全膨胀。这种方案表现出对透平功率输出有寄生损失，并降低了性能效率。
在再热燃气透平中的蒸汽冷却，有人早已讨论过了，例如参看Rice的美国专利US-4，314，442和4，565，490。电力研究院(Electric Power Research Institute)标题为“未来燃气透平发展选择限定研究”(“Future Gas Turbine Development Options Definition study”编号为RP2620-1的1987年6月的一个报造中，也早已讨论过蒸汽冷却。这一报告根据热力循环分析的观点叙述了预期的蒸汽冷却性能改善。在该报告的上、下文中，提供蒸汽冷却必要的条件包括一个压力极高的压力源，即处于1840磅/吋2绝对压力的量级，因为那时认为要克服回路摩擦损失以及跟所提出的封闭冷却回路结构有关的逆转和离心力，这样高的压力是需要的。
在复合循环运转时，可方便地利用不同的压力与温度级的蒸汽。可用蒸汽来代替燃气透平中的冷却空气，它是一种更好的冷却介质。此外，由于从空气转变为蒸汽冷却，跟冷却介质空气有关的热效率的下降问题到了改善。在采用蒸汽冷却时，还能提高燃气透平中的燃烧温度。
正和在上述我的先前申请中所提出的，在燃气透平中蒸汽和空气冷却是结合的，其中由蒸汽提供主冷却，而在偏离设计工况，如起动时，则由空气提供冷却。这就是说，燃气透平在正常工况下采用蒸汽冷却，而在偏离设计的工况下，例如，在起动或蒸汽供给发生意外故障期间采用空气作为辅助冷却。按照那个发明，将现存的空气冷却燃气透平由空气冷却运转改变为蒸汽冷却运转。这样，尤其是在第一和第二级透平叶片及第二级喷咀中，冷却剂流量的分配需要作必要修改以适应蒸汽冷却。
尤其是第二级喷咀叶片和第一级透平叶片是利用蒸汽冷却的热效率特殊设计的。在第二级喷咀中，一对导管或管子自连于供复合循环运转用的适当蒸汽源的岐管处延伸，并穿过喷咀叶片及连于喷咀叶片的导流盘。该导流盘的内表面和间隔装置的外表面以通常的方式密封，该间隔装置被支承在装着第一和第二透平叶片的叶轮之间，且与其一起转动。该间隔装置跟第一和第二级透平叶轮一起限定了一对腔。流经喷咀叶片和导流盘的冷却蒸汽跟这二腔及进气口连通，以便如下所述流经第一与第二级透平叶片。
此外，单个衬套包封每一个穿过喷咀叶片的管子。每一衬套设有若干小孔，以便使输至蒸汽输送管子与衬套之间的空气向外流入在衬套和喷咀壁之间形成的腔内。这些空气冷却喷咀叶片，并经其后缘中的一连串小孔自该叶片排出，而后进入导流盘内的腔，沿两相反的轴向方向排入经透平的燃气流内。输送蒸汽的管子在其外表面上有肋片，以改善管内蒸汽与在衬套内流动的空气之间的传热。衬套的外表面设有肋片，最好是螺旋状的，以便将气流导至后缘及流导盘。在运转中，蒸汽与空气之间的传热降低了蒸汽的温度，并提高了空气的温度。然而，空气流在流经衬套内的小孔时膨胀和冷却，以便冷却冲击喷咀叶片的内表面。
蒸汽流经该管子和导流盘，并流经导流盘与间隔装置之间的密封结构。该密封结构最好是迷宫式的，具有多个凸出的齿。按照那个发明，喷咀围绕间隔装置的封密面沿圆周间隔排列。蒸汽自导流盘、在迷宫密封结构的相邻齿之间流出，以便流经间隔装置内的这些喷咀。将这些喷咀的形状制成能加速蒸汽流入间隔装置相反两侧的腔内。
第一和第二级透平的蒸汽冷却剂另外自邻近透平轴的部位输入到第一与第二级透平叶轮之间的区域。在间隔装置上设有一些通道，使蒸汽能进入所述腔内。这样，这股内蒸汽流借助于离心力径向向外流动，跟自喷咀级的管子和间隔装置喷咀输至所述腔的蒸汽混合。这股混合的蒸汽流径并冷却蒸汽第一与第二级透平叶片。
按照在我的先前申请中所公开的本发明的另一个方面，每个第一级透平叶片包括一螺旋形冷却结构，后者包括4个冷却回路接近叶片前、后缘的2个径向向外单路通道，2个中间三通、前后回路。螺旋通道的进口经过装有透平叶片的座。对于前后中间回路，各自的进口位于叶片的根部，这样，蒸汽流通过这些通道，首先径向向外流到叶尖部，然后径向向内流到叶根部，最后径向向外流到叶尖部，从透平叶片的顶部的大致中间处排出。因此，这股蒸汽自前、后缘附近沿相反的轴向方向按螺旋型流至透平叶片的中部。这样，这股已从叶片吸取了很多热量的蒸汽自具有最低金属温度的叶片部位有利地排出。
该前缘回路使蒸汽在叶根部的进口与叶尖部的出口之间、并经通向叶片前缘上的凹口的许多径向间隔的小孔流动。该凹口沿叶片的滞止区或中线区配置，在运转期间，该区的叶片温度最高。该凹口包含一种多孔材料，诸如高密度金属丝织网，因此，蒸汽自第一前缘回路经这些小孔流入该凹口，经该金属丝网实现汽化冷却。后缘回路使蒸汽自叶根附近的进口流至叶尖部附近出口，并流经沿叶片后缘径向间隔的一系列小孔。
此外，在每一叶片的压力侧，设有一连串沿叶片径向间隔的泄出膜冷却孔，并最好跟前中间回路的第一通道连通，以便沿叶片的压力面供给膜冷蒸汽。提供膜冷是由于蒸汽具有优良的辐射性质，例如吸收率和辐射率，它吸收许多辐射能，并以低强度辐射这一能量。在叶片的负压侧，也设有一连串沿叶片径向间隔的泄出膜冷却孔，最好跟后中间回路的最后通道连通。这些泄出膜冷却孔的位置定在叶片负压侧的前后缘之间是出于使边界层沿这一区域变薄。边界层提高了另件的对流热负荷。由于借助于薄膜冷却减薄了边界层，降低了另件的对流热负荷。
第一第二级透平叶片设有若干径向直通通道，使冷却蒸汽径向向外流至叶顶。第一透平级在叶片叶尖附近有一护罩，用于收集冷却蒸汽。
如前所述，空气冷却系统与蒸汽冷却系统结合成一体。为了做到这一点，在第一级叶轮的内圆周上设有一旋转喷咀环。固定的和可卸的阀构件安装在轴周围。该阀通常是关闭的，以防止压力空气自压气机径向向外流入叶轮与间隔装置之间的空间内以及腔内。在起动或偏离设计工况运转期间，例如，当蒸汽压力设有或丧失时，电磁阀被驱动，从而开启该阀，以使压力空气进入这些区域而流经第一与第二级透平叶片的进口进行冷却。在起动后或当空气冷却普遍不需要时，该电磁阀关闭该阀以防止空气进入这些空间。
本发明提供使燃气透平的蒸汽冷却和现存空气冷却结构结合成一体的装置及方法，从而能实现空气冷却、蒸汽冷却之间的过渡，空气/蒸汽冷却的结合，从而使燃气透平的所有运转工况均处于获得充份热力效应和循环效率的状态。因此，可以避免热力损失，或使其降至最小，同时，蒸汽冷却对于高的机器输出功率允许达到较高的燃烧温度。此外，由于在燃烧过程中提供较多的空气和蒸汽，燃烧室的排放控制获得了改善而不影响透平的其它运转成份。再者，例如，由于透平叶轮围周的冷却空气流而导致叶轮上产生温度梯度的结果，使透平转子叶轮的热疲劳循环降低。由于用蒸汽代替冷却空气，温度梯度降低了，透平转子叶轮的期望寿命延长了。
本发明提供一种在我的先前申请中提出的将第一与第二级透平叶片及第二级喷咀的蒸汽冷却部件跟目前的燃气透平结构中现存的空气冷却回路结合成一体的系统。而且，该系统对透平的所有运转工况，将空气和蒸汽冷却结合在一起，例如，在起动期间可获得蒸汽时，提供自空气冷却至蒸汽冷却的平滑过渡，在正常运转期间提供蒸汽冷却，同时可选择提供附加空气，而在非正常运转期间，例如检测到透平叶片部件特别热时由空气冷却提供额外冷却。因此，本发明为燃气透平提供一种结合成一体的蒸汽/空气冷却系统，使其具有更好的循环效率，更高的燃烧温度，增强了透平冷却以及在燃烧排放控制与提高透平转子叶轮低循环疲劳寿命方面的适应性。
在本发明的一个优选实施例中，为燃气透平提供一种结合成一体的蒸汽/空气冷却系统，包括一对轴向间隔可转动的透平级，每一级具有若干透平叶片，配置于流过透平的燃气流内;至少一定量的透平叶片各有至少一条内通道;一个在两透平级间的喷咀级，并包括若干喷咀叶片，配置于流经透平的燃气流内;至少一定量的喷咀叶片各有至少一条内通道。设置将冷却空气输给该内通道以空气冷却透平的装置以及将蒸汽输给该内通道以蒸汽冷却该透平的装置。冷却空气供应装置和蒸汽供应装置是可以配合的，以便实现以空气冷却透平和以蒸汽冷却透平之间的过渡。
在本发明的另一优先实施例中，在一种燃气透平叶中，具有一对轴向间隔、可转动的透平级，每一级具有若干透平叶片，配置于流经透平的燃气流中，至少一定量的透平叶片各具有至少一条内通道;一个在两透平级之间的喷咀级，包括若干喷咀叶片，配置于流经透平的燃气流中，至少一定量的喷咀叶片各具有至少一条内通道，一种操作燃气透平冷却系统的方法，包括在透平起动期间最初将冷却空气供给透平叶片的内通道以空气冷却透平、随后在透平起动后的正常运转期间将蒸汽供给透平叶片的内通道以蒸汽冷却透平的一些步骤，以及使冷却空气供给装置和蒸汽供给装置配合以实现空气冷却透平和蒸汽冷却透平之间的过渡。
因此，本发明的主要目的是提供一种新颖并改善的燃气透平蒸汽/空气冷却系统。
在参照下面的说明书和附加的权利要求书及附图后，本发明的这些和其它目的与优点将会变得更加明显。
图1是经透平轴的局部纵剖视图，简略表示透平级蒸汽/空气冷却系统的部件;
图2是经透平轴的放大了的局部纵剖视图，表示第一和第二透平级及第二喷咀级;
图3是分解部件的轴测图，表示在第二级喷咀的喷咀叶片中的冷却通道;
图4是一张局部放大的横剖视图，表示第二级喷咀的导流盘和间隔装置的密封面之间的密封装置，同时表示自固定导流盘经间隔装置流入腔室的蒸汽流;
图5是按本发明制造的透平叶片的轴测图;
图6为叶片的横剖视图，表示各种蒸汽流冷却通道;
图7-10是透平冷却系统各种操作步骤简略框图;
图11为一局部纵剖视图，表示叶轮空间腔的旁通空气回路。
现在详细参照本发明的实施例，其例子表示在附图中。
为了清晰起见，下面将对在我的先前申请中大抵提到的透平的喷咀和透平级首先进行领述，随后叙述本发明的复合蒸汽/空气冷却系统及其操作。
参照图1和2，它们表示，均以10标注的复合循环燃气透平的剖面，包括第一和第二透平级12和14以及第二喷咀级16。如图所示，第一和第二透平级各包括若干叶片18和20，它们分别装于座22和24上，座22和24又装于透平叶轮26和28上。间隔装置30轴向配置于叶轮26和28上，并固定于其上与其一起转动，它包括一密封表面32，用以密封构成第二喷咀级16部分的固定导流盘34的内表面。导流盘34的内面跟间隔装置30的外表面32最好构成迷宫式密封。第二喷咀级16包括若干轴向延伸的固定叶征46，它们彼此沿围周间隔，并自导流盘34径向向外延伸至透平支承构架36。以点划线38简略表示透平轴。可以理解，来自透平燃烧室T.C.(图1)的燃气大体轴向流动，例如在图2中自左向右流动，流经用于驱动第一透平级的第一级喷咀39，这些燃气然后流经用于驱动第二透平级的第二级固定喷咀。
为了把蒸汽和空气冷却回路结合在一个燃气透平中，蒸汽从复合循环透平的蒸汽供应源ST(图1)，流经一岐管40，岐管有一对支管42连于管子44a和44b，管子44a和44b穿过导流盘34，并沿导流盘的内表面在导流盘34和间隔装置30的邻接密封面处排出。该蒸汽流然后经间隔装置的密封面32、间隔装置30的喷咀48和50流入位于间隔装置30轴向相反两侧的内腔52和54内。腔52和54中的蒸汤跟靠近透平叶片18和20根部的座的进口相连通，供给透平叶片以冷却空气。该蒸汽分别自叶片18和20的顶部排出，分别流入护罩56和58内。
蒸汽还从靠近轴38的部位引入腔52和54内。例如蒸汽经轴向延伸的流道60引入间隔装置30跟涡轮26和28之间的空间内，并经通道62引入腔52和54内。这种混合的蒸汽流然后流经透平叶片，以便使它冷却。两股蒸汽流在腔52和54内的混合减小了或消除了腔内不希望有的涡流环量单元，这种涡流环量单元之在其它场合下是可能发生的。
正是在我的先前申请中所描述的，并在其图3中表示的，在叶片46内的每一管子44a和44b被包封在沿叶片46全长分别和管44a和44b同时扩张延伸的衬套62a和62b内。每一衬套62a和62b包围着各自的管子44a和44b以形成在它和被包围的管子之间的空气通道。空气经在透平构架内形成的空气腔66被引入到通道62a和62b内。每一衬套62a和62b设有若干极小孔67，因此，在通道64a和64b内的压力空气能经这些小孔膨胀，流入在衬套和叶片46内壁之间形成的各自的腔68a和68b内。管子44a和44b在其外表面上装有肋片，它们使通道64a和64b中的冷却空气流分别形成紊流。这种围绕肋片的紊流提高了管子44a和44b管壁的对流换热能力。其次，这些肋片提高了自管壁至空气的对流传热。因此，流经管子44a和44b的蒸汽温度降低了，而空气将这些热能带至衬套壁。通道64a和64b中的冷却空气经这些冲击孔67膨胀而进入腔68a和68b，以形成若干冷却空气喷咀，去冲击叶片46的内壁。
在衬套62a和62b上分别设有空气分流管72a和72b。最好这些分流管是螺旋或螺线形的以便按径向向内螺线流的方向引导空气流，从而增强喷咀叶片46内壁的传热。如图示那样，沿每一叶片46的后缘设有若干径向间隔小孔74，跟腔68连通，使冷空气通入燃气流。腔68a和68b经通气口间隙76也跟导流盘34的内腔连通。导流盘34内腔经轴向通孔78a跟流经透平的燃气流连通。
第一级透平叶片18安装在座22上。每一透平叶片18有一螺旋形冷却结构，最好包括4个分立的冷却回路，自叶根附近延伸至叶顶。前缘回路包括径向直的单通道80，在其根部附近跟进口连通，以便接收来自腔52的蒸汽。通道80在其顶部附近有一出口，使来自该叶片的蒸汽流入护罩56内。设有一单通道后缘回路，并包括一通道82，在其根部附近跟一进口连通，以接收来自腔52的蒸汽。通道82径向向外穿过叶片，穿过叶顶部的出口，使蒸汽流入护罩56内。后缘通道82还跟若干径向间隔的通道84连通，通道84通向在叶片18的后缘处的小孔104。这两个中间回路各自包括前后三通回路。前回路包括通道86，后者跟叶根部附近进口连通，以接收来自腔52的蒸汽。蒸汽自叶根部沿通道86流向叶尖部，经第二通道88径向向内返回，并经通道90再流向叶尖部。后三通回路同样包括一通道92，后者在叶根部附近有一进口，该进口眼腔52连通，使蒸汽经通道92径向向外流向叶尖部，经通道49返回叶根部，并经通道96再流向叶顶部，然后流入固定的护罩56内。该前后多通道中间回路是这样配置的，使每一回路中的最后通道基本上处于叶片叶型的中间或中途，如图5所示，即通至通道90和96。这些通道按这样方式配置的，使最后的通道处于具有最低金属温度的叶型区。
蒸汽冷却配置在叶型的滞止点或滞止区附近是有意义的。叶型的滞止区或中线区，就是根本上沿叶型前缘的中部的区域。冷却该滞止区是重要的，因为其温度可达到叶片的溶化温度。为消除这一严重的热状态，例如在铸造时，在叶片的前缘处制有一凹口98。凹口98包含多孔材料100，例如高密度金属丝织网。凹口98跟单路前缘通道80是直接连通的，以便向凹口供以蒸汽，并经网格材料沿叶片型的相反侧流出。这样，对叶片前缘实行排出冷却。
沿计片的负压和压力侧，提供薄膜冷却。尤其是在叶型的压力侧设置一些沿叶片长度间隔的冷却通道102，它们和前中间回路的第一通道86连通。第一通道86用作沿压力侧薄膜冷却剂的冷却源，因为沿叶型压力侧的前部辐射热缋度是最严重的。在负压例，一系列通道106跟后冷却回路的最后通道96连通，以便沿负压侧形成薄膜冷却。通道106基本上沿边界层原的叶型部位配置，以增强该部的对流热负荷。因此，薄膜冷却沿大量传热原先被边界层阻挡的叶型那部分增强了传热比例。
参照图1，它表示了在不供应蒸汽的起动或停机或偏离设计工况的期间的空气冷却透平的系统。该空气冷却系统包括一个通道，经导管150跟透平压气机连通，使空气流近透平轴并流过旋转喷咀环120。还设有一非旋转环形阀件121，可由电磁线圈S移动，以限定正常的闭合气隙122。可由一套装于第一和第二级透平叶片的叶尖附近的用于传感叶片金属温度的高温计124(图2)对电磁线圈S提供操作。该高温计为已知的结构，它们发出电信号，传给模拟处理机，经放大并控制电磁线圈S。因此，当某一叶片温度高于某一预定温度时，高温计传感该温度，并操作电磁线圈S去打开气隙122，使空气沿轴流动，并经气隙122径向向外流入叶轮和间隔装置之间的空间内。该空气然后径向向外流入腔52和54内，以便如前所述流入第一级透平叶片的螺旋形通道内和流入第二级透平叶片的径向直通道内。
现在参照图1，它公开了透平空气和蒸汽冷却源和控制系统。该空气冷却系统包括压气机C的中间压力排出口140，后者经导管142跟三通控制阀44连通，以便将冷却空气输入在管子44周围的腔66内，流入导流盘34及在叶轮空间146内流动的燃气流内。从压气机C的高压输出口148也提供冷却空气，以便经转子38附近的导管150流动。当操作电磁线圈S来开启气隙122时，冷却空气流经间隔装置30相反两侧的腔，流经间隔装置的通道62，进入腔52和54，并进入第一和第二级透平叶片的通道。护罩152集中这些空气，并引导它们经导管154流入热交换器166，以便经导管168返回到燃烧室控制器170或压气机排出口172。在这些导管内设置适当的控制阀，以便按特殊装置的燃烧排放要求选通回路。
就蒸汽供应回路来说，自蒸汽源ST经热交换器174供给蒸汽，以便经计量装置176、流量计178、导管180和182及跟管子44a和44b连通的岐管184(图2)将冷却空气供给第二级喷咀的冷却管44a和44b。蒸汽流经这些管子，冷却第二级喷咀叶片，并进入腔52和54，以便在离心力作用下经第一和第二级透平叶片内的通道径向向外流动。这些蒸汽经导管154从透平叶片的通道排入热交换器166。也从导管190供给蒸汽，当阀192开启时，经槽60将蒸汽输入位于间隔装置30相反两侧的空间内，并输入腔52和54内，以便跟由第二级喷咀叶片处进入那些腔的蒸汽混合。来自二个蒸汽通路的蒸汽的混合促进了蒸汽流进入第一和第二级叶片，而在所述空腔内没有不希望有的涡流循环单元。透平叶片叶顶附近的护罩56和58收集这些蒸汽，以便经导管154流经热交换器166。
现在特别就图1和图7-10叙述该冷却系统的操作，其中蒸汽冷却管路用实线表示，空气冷却系统用虚线/点划线表示，透平燃气流用点划线表示。在透平起动期间，蒸汽对于燃气透平循环是无用的。因此，操作空气冷却回路来冷却透平叶片。参照图1、2和7，来自中间压力出口140的冷却空气流经导管142和180，并流入第二级喷咀叶片46以通过前述的传热机冷却该喷咀壁。该冷却空气自导流盘排出，进入涡轮空间146，并跟流经该涡轮的燃气流混合。为了冷却该透平叶片，操作电磁线圈S开启气隙122。自高压压力源148排出的空气经导管150流过开启的阀122进入位于间隔装置30相反两侧的区域，并经通道62进入腔52和54，以便流经透平叶片的各通道来冷却叶片18和20。护罩56和58收集这些空气，以便经导管154通至热交换器166，而后经导管168返回到燃烧控制器170或压气机排出口172。高压旁路排气管200向热交换器166的管子供以空气，以冷却来自透平叶片的空气，并加热该旁路空气流。这样，该热交换器用作交流换器，而旁路空气流在压气机排气口或燃烧控制器170处返回到燃气循环。因为旁路空气流的返回对于空气排出点是封闭的，该旁通回路构成第一封闭空气回路。来自热交换器166外壳的被冷却空气可流经导管202和180，并经导管182进入岐管40，以便如前所述冷却第二级喷咀叶片。在起动运转时这就构成了第二封闭空气回路。
为了从空气冷却过渡到蒸冷却，参照图1和8，蒸汽在输汽管中被预热到至少过热50°F(10℃)。设置带有高压热蒸汽汽水阀的加热泄水管连接件，以加热蒸汽供应管。在其是，允许蒸汽源流经计量装置176，止供应回阀206和加热泄水阀208，流至热蒸汽汽水阀210。截流阀192是关闭的。在燃气透平停机时，加热泄水阀208也保持开启，而截流阀192则关闭。
正如想到的，在起动工况时透平叶片是以来自高压压缩源的排出流来冷却，此时电磁阀S开启。喷咀冷却空气流经控制阀44，进入喷咀叶片，并排入燃气流。当蒸汽流量计176的温度和压力处于某一预定值时，蒸汽供给燃气透平。尤其是，阀208关闭，而阀192开启。电磁阀S关闭，以截断经气隙122至透平叶片的空气流。因此，在正常运转时，如前所述，蒸汽自蒸汽源ST流入内外回路。
尤其是，在正常蒸汽运转中，蒸汽自蒸汽源ST经导管180(图1，和9)流入内回路中的岐管40，以便跟经导管190和涡轮腔52和54中的通道供给的蒸汽混合。该混合蒸汽自透平叶片经导管154流至热交换器166。同时，高压排出空气经导管200分流，并重新操作电磁阀S来关闭气隙122。该分流出来的空气跟来自透平叶片的蒸汽成热交换关系流动，以加热空气并冷却蒸汽，从而该热交换器166用作交流换热器。该分流的空气然后流至燃烧控制器或压气机排气口，取决于燃烧排放的要求。流经热交换器166的蒸汽然后能引向燃烧控制器170或压气机排气口172，两种情况都得流经导管201。在另一种情况下，蒸汽在封闭回路中经调节器207、三通阀209，热交换器174和止回阀211可流至流量计176，以完成蒸汽外回路。
此外，在正常操作期间，蒸汽自蒸汽源ST经带有通向喷咀叶片内冷却流的三通阀的导管180流至腔66，然后进入流经透平的燃气。
万一透平或冷却回路出现故障，导致燃气温度增加超过规定极限或冷却流量减少，则高温计124传感第一和第二透平叶片增高的温度。通过适当的联接，该高温计控制电磁阀S的开度。结果，当透平叶片达到高温时，该电磁阀开启，自压气机排出的空气流入叶轮空腔52和54内，跟用于冷却透平叶片的蒸汽流混合。在图10中表示了该系统。
在现有的透平结构中，压缩空气被专门用来冷却热燃气通道部分，在透平叶片冷却的情况下，来自高压源的空气在流到透平叶片之前，被强制径向向内流向叶轮空腔213内。相信这些腔内的喷流量影响到叶轮的温度梯度。由于这一情况，透平材料是经受热疲劳的。这毕竟可引起转子的低的循环疲劳(LCF)寿命。为了克服这个问题，避免空气喷流达到透平叶轮。因此，在压气机叶轮和间隔件交界处，设置一旁道，以便自叶轮空腔处分流该空气流。这表示在图11中。在这一图中还表示了旋转喷咀环214和固定旁道管215之间的连接关系。来自高压源的空气经导管217流过一90°弯头。一些空气漏入固定环的腔219内，流经一密封装置，并经小孔221膨胀。这便形成了围绕旋转喷咀环214的再循环区，因而构成了自旋转环至固定环过渡段的有效密封。在正常运转下蒸汽冷却期间，电磁阀S是关闭的。排出的空气流至交流换热器166，以便在返回燃气透平循环之前自蒸汽处吸收热量。这就完成了空气封密循环，具有减轻由于高压空气冷却引起的透平转子低循环疲劳(LCF)寿命问题的好处。
虽然连同目前认为是最实用和优先的实施例一起叙述了本发明，然而应当明白，本发胆并非限于所公开的实施例，而却却相反，是要覆盖包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等同结构。
权利要求
1.一种结合成一体的燃气透平蒸汽/空气冷却系统，包括一对轴向间隔的可转动的透平级，每一级具有若干透平叶片，配置于流径所述透平的燃气流内；至少一定量的透平叶片，每一叶片具有至一个内通道；一个位于所述透平级之间的喷咀级，包括若干喷咀叶片，配置于流经所述透平的燃气流内；至少一定量的所述喷咀叶片，每一叶片具有至少一个内通道；将冷却空气供给所述内通道以空气冷却所述透平的装置；将蒸汽供给所述内通道以蒸汽冷却所述透平的装置；协调所述冷却空气供给装置和蒸汽供给装置以实现空气冷却所述透平和蒸汽冷却所述透平之间的过渡的装置。
2.一个按权利要求1所述的冷却系统，其特征在于所述至少一定量的喷咀级叶片具有两条内通道，在蒸汽冷却透平期间，所述冷却空气供给装置将冷却空气供给所述两内通道之一，所述蒸汽供给将蒸汽供给所述两内通道中的另一条，从而实现透平混合的蒸汽和空气冷却。
3.一种按权利要求1所述的冷却系统，其中包括一根透平轴;一个在所述透平级之间并与其一起转动的间隔装置;在所述轴周围、装有所述透平叶片的叶轮，所述叶轮轴向间隔并处在所述间隔装置的轴向相反两侧以限定处于所述间隔装置轴向相反相侧的腔，所述冷却空气供给装置包括一个靠近所述轴的冷却空气进口，用于将冷却空气供给所述腔;一个在开启和关闭位置之间移动的阀，有选择地控制自所述冷却空气供给装置流经所述冷却空气进口的空气流;一个热交换器，在透平蒸汽冷却期间可操作来将蒸汽自所述透平叶片通道输到所述热交换器的装置;所述冷却空气供给装置包括一条空气旁通回路，当所述阀处于关闭位置时，用以将空气自所述冷却空气供给装置导至所述热交换器，该热交换器跟输到那里的蒸汽保持热交换关系以加热空气;用于将受热空气输入透平的燃气流内的装置。
4.一种按权利要求3所述的冷却系统，其特征在于所述透平包括一个具有一燃烧室控制器的燃烧室和一个具有一排气口的压气机，所述受热空气输送装置适于将受热空气输至所述燃烧室控制器和压气机排气口之中的一个。
5.一种按权利要求1所述的冷却装置，其特征在于包括一透平轴;一个位于所述透平级之间并与其一起转动的间隔装置;在所述轴周围、装有所述透平叶片的叶轮，所述叶轮轴面间隔并处在所述间隔装置的轴向相反两侧以限定在所述间隔装置轴向相反两侧的腔;所述蒸汽供给装置包括一根岐管，它围绕所述喷咀叶片的径向最外部分，跟所述喷咀叶片内通道连通，在透平蒸汽冷却期间将蒸汽输至喷咀叶片内通道;一条靠近所述轴、将蒸汽输至所述腔的腔道，所述腔跟所述透平叶片通道连通，从而自所述腔道和所述喷咀叶片输至所述腔的冷却蒸汽流至所述透平叶片。
6.一种按权利要求1所述的冷却系统，其特征在于包括一透平轴，所述冷却空气供给装置包括一个靠近所述轴的冷却空气进口，用于将冷却空气输至所述透平叶片的内通道;一个有选择地控制流经所述空气进口的空气流的阀;一个传感透平叶片温度的传感器，以及应答传感某一预定叶片温度的所述传感器以开启所述阀让冷却空气流经所述冷却空气进口的装置。
7.一种按权利要求1所述的冷却装置，其特征在于包括一根透平轴;一个介于所述透平级之间并与一起转动的间隔装置;在所述轴周围、装有所述透平叶片的叶轮，所述叶轮轴向间隔并处于所述间隔装置的轴向相反两侧以限定处于所述间隔装置轴向相反两侧的腔;所述蒸汽供给装置包括第一和第二蒸汽供给回路，所述第一回路包括一蒸汽源，一条靠近所述轴并跟所述蒸汽源连通、将蒸汽供给所述腔的腔道，及所述透平叶片的内通道;所述第二蒸汽供给回路包括所述蒸汽源，一根围绕所述喷咀叶片、将蒸汽自所述蒸汽源输给所述喷咀叶片内通道的歧管，连通所述喷咀叶征内通道和所述腔、使来自所述腔内第一回路的蒸汽跟所述腔内第二回路的蒸汽混合的装置，从而所述第一和第二回路的混合蒸汽流经所述透平的内通道。
8.在具有一对轴向间隔的可转动的透平级中，每一级具有若干透平叶片，配置于流经所述透平的燃气流内，至少一定量的所述透平叶片各具有至少一条内通道;一个位于所述透平级之间的喷咀级，并包括若干喷咀叶片，配置于流经所述透平的燃气流内，至少一定量的所述喷咀叶片具有至少一条内通道，一种操作燃气透平冷却系统的方法，包括如下步骤在透平起动期间，将冷却空气最初所述透平叶片内通道的空气冷却所述透平;在透平起动后的正常运转期间，随后将蒸汽输给所述透平叶片内通道以蒸汽冷却所述透平;协调所述冷却空气供给装置和所述蒸汽供给装置以实现空气冷却透平和蒸汽冷却透平之间的过渡。
9.一种按权利要求8所述的方法，包括在透平正常运转期间单独用蒸汽冷却来冷却所述透平。
10.一种按权利要求8所述的方法，其特征在于包括在正常运转期间将冷却所述透平的蒸汽经一热交换器排出;所述透平具有一压气机，自所述压气机将冷却空气供给热交换器，热交换器跟来自透平叶片的排出蒸汽保持热交换关系以加热空气;并自热交换器将空气导入透平燃气流内。
全文摘要
蒸汽/空气复合冷却燃气透平包括第一和第二透平级和第二喷嘴级。起动时，冷却空气经第二级喷嘴径向向内输送。流入透平燃气流，并跟自高压压气机出口径向向外流动的冷却空气混合。该混合流经叶片径向向外流动。正常运转时，蒸汽经第二喷嘴径向向内流动，在叶轮和间隔装置之间径向向外流动。经喷嘴级的部分蒸汽跟径向向外流动的蒸汽混合，以冷却透平叶片。剩余部分蒸汽流入透平燃气流内。混合蒸汽/空气冷却，对于透平叶片非正常高温是有效的。
文档编号F01D5/18GK1073502SQ9211336
公开日1993年6月23日 申请日期1992年11月19日 优先权日1991年11月19日
发明者F·J·库尼亚 申请人:通用电气公司