专利名称:燃气轮机热负荷结构件的冷却方法、实施该方法的装置以及热负荷叶片的结构设置的制作方法
本发明涉及到一种燃气轮机热负荷结构件的冷却方法，实施该方法的装置以及热负荷叶片的结构设置，其中，冷却空气流流经叶片的内壁，然后通过边界层区内叶片壳体上的小通口流出。
在稳定状态的和陆地、海上以及空中运载工具上作为驱动装置安装的燃气轮机中经常发生的问题是，一些确定的结构件如涡轮叶片和燃烧室，由于高温燃气流而承受高热负荷。比如在一种飞机驱动装置中涡轮转子叶片和定子叶片被热气流经过，在起飞时的温度例如可能达到1380℃，在巡航飞行时也要达到1170℃。在这一温度下叶片必须进行冷却，这样它们才不会因热负荷受损坏或者甚至破坏。为此目的，例如用高压压缩机产生一种压力为29巴或者11巴其温度在起飞时为585℃，巡航飞时为470℃的冷却空气，并借助一种特殊的插入件导入涡轮叶片。
本发明的任务在于，提出一种方法和一种装置，借助它们对燃气轮机热负荷结构件的冷却有特殊的提高作用，而又不需要由特别能量驱动的冷却设备。
本发明对这一任务的解决方案是，使冷却空气在节流件间的孔板式进口结构的节流件区内，以切线方向流入一个由圆筒形涡流腔并带两个端部设置的节流件所构成的涡流管内，然后分成两部分冷却空气流，其中一部分冷却空气流在流过孔板进口结构的节流件后，相对于流入涡流管冷却空气的温度降温并送向要冷却的壁表面，同时另外一部分冷却空气流就排出该结构件区。这些要冷却的结构件可能是燃烧室和/或叶片。通过一个节流件流出的变热的部分冷却空气流可以引入主燃气流。这样，叶片的工作寿命就会增加，燃气轮机的运行开支就会下降。通过这一解决方案，主燃气流的温度，例如在飞机驱动装置中就会提高，因而驱动装置的效率得以改善。两者决一的方案是，要么提高燃烧室的温度并以此提高燃气轮机的效率，或者将叶片设置得和燃烧室喷嘴更近，以达到燃气轮机的小型和轻型;或者采用较便宜的材料制造叶片以节省成本。
还有可能的方案是，采用一个带扩压器的涡流管，它的特点是，从两端部外流出的空气比输入涡流管的空气较冷。这种涡流管的长度和扩压器扩张角的大小都取决于给定的压力差、燃气通过量、流经燃气的温度和希望的温度降的大小。在有扩压器的涡流管情况，冷却空气同样以切线方向输入涡流管的圆筒形段中，此后一部分冷却空气流流经扩压器，其余部分冷却空气流流过一个隔板式节流件。这降温变冷的部分冷却空气流就可结合起来并送向要冷却的壁表面。
本发明其他的特征将在从属的权利要求
中进行描述，并借助附图中描述的实施例加以详细叙述。它表明图1 一个冷却叶片装置的简略视图图2和3 两个叶片的简化侧视剖面图图4 另一种叶片的简化侧视剖面图图5 另一种用来冷却燃气轮机热负荷构件的涡流管实施例图6a和6b 按照图5涡流管的涡流腔壳体之俯视和侧视图在图1中简图式的描绘了一个冷却叶片(1)的装置。从一个冷却空气源4，例如一个压缩机，通过主气流通道13，并借助一个冷却通道12将冷却空气以切线方向吹入涡流管5的孔板6区域的管道18中。该管道18构成一个涡流腔17。经过主气流通道13可以流过例如压缩机的空气，它在飞机驱动装置中起到冷却空气流3的作用。在孔板6区域以切线方向定位的流入喷嘴7，使一股螺旋空气流输入涡流管5的管道18中。该涡流管除了孔板6以外还有一个喷嘴状节流件11，该节流件是在与孔板6相对管道区的端部配置的。在涡流管5中所产生的螺旋形空气流是由一个核心和一个外围区组成的，此时，和从喷嘴7输入的冷却空气的进口温度相比，中心处的温度稍低而外围区的温度稍高。这种较冷的气体就通过紧靠流入喷嘴7的孔板6离开涡流管5。在冷空气出口8处安置了一个管道19，该管道19借助连接管道20和每个叶片相连。热空气出口10是在喷嘴状节流件11处构成的，并且，例如借助一个管道21和主气流通道13相连接。
作为叶片一般可以应用于诸如高压、中压和低压范围的燃气轮机(图2和图3)。这些叶片由一个空心体构成，其中构成一个具有许多气流折回区的迷宫式冷却通道9。在叶片外壳22所示部分和端盖23上设置一些通口14，通过它们来自叶片空腔中的冷却空气可以流出去。最好，这些通口14置于叶片的凸缘区域内，同时，流出的冷却空气的压力如此选定，即在每个叶片1的外表面上构成一种临界层流动。
可能的是，对于一级驱动装置的转子和/或定子的叶片总要设置一个涡流管5。由此，一级驱动装置的转子和/或定子总有一定数量的叶片与涡流管5的冷却空气出口相连接。在较大的驱动装置中这样设置是合适的，即一级驱动装置的转子和/或定子的每个叶片1配置一个涡流管，这样一个涡流管5的冷却空气出口8仅与一个叶片1相连接。
还有可能的是，在每个叶片1中设置一个涡流管5，它由通过冷却空气通道12输送的来自冷却空气流3供给冷却空气。还在这种实施结构中，流过孔板6后继续变冷的空气进入叶片1的冷却通道9，并冷却叶片壳体22。这些往外流的冷却空气经过通口14流出叶片1，然后可以与诸如燃气气流混合。而通过节流侧热空气出口10流出的热空气就排出，并同样可以与诸如燃气气流相混合。
正如图4所描述的，一个涡流管5可以在一个插入件15中构成，该插入件15置于一个叶片1里。由冷却空气出口8流出的冷却空气导入冷却通道9中。由热空气出口10流出的热空气6输入到主燃气流通道13的流动主燃气流16中。
还可以用类似的方式借助一个或数个涡流管5将一个双壁环形燃烧室进行冷却。在这种情况下，冷却空气流引入环形燃烧室的环形通道内，可以通过分隔板将环形通道分成特殊的冷却通道。对每个涡流管5所必需的压缩空气，不是从冷却环形燃烧室所需的冷却空气中抽取就是按冷却叶片1所描述的那样提供。
按照本发明的另外一种结构方案，对于前面所描述的应用实例也可以采用涡流管25，此时，通过一个扩压器33使热空气出口10在冷空气出口8a中变化。在图5至图6b中所简单描述的涡流管25具有的优点是，由涡流管25端部外流出的空气较输入涡流管25的空气更冷一些。涡流管25的长度和扩压器扩张角取决于给定的压力差、燃气通过量、流入燃气的温度和希望的温度降。图5中所描述的涡流管25有一个涡流腔壳体24，其中构成一个涡流腔27。该涡流腔27，以与涡流腔壳体24相切而构成的流入喷嘴7连通。涡流腔27还有两个与涡流腔壳体24的中心轴28同轴定位的气流出口29和30。气流出口29形成扩压器33的一个孔板式流入截面51，此时扩压器33的进口直径也就是气流出口29，是小于涡流腔27的直径。还有，只要出于使用目的，将气流出口29的直径设计成与涡流腔27直径相等也是可能的。在这种情况下气流出口29就不构成孔板式进口截面了。扩压器33具有一个螺纹端头41，该螺纹端头拧入涡流腔壳体24中。扩压器33的扩张度可以按比例1∶10设计。在扩压器33的端部36设置一个带外螺纹37的法兰盘31，在法兰盘31中还要设置一个扩孔38，以放置孔板6。孔板6和扩孔38配合安置，并用一个法兰盘39使孔板6保持在扩孔38中，法兰盘39拧紧在法兰盘31上。在法兰盘39上设置一个管接头作40为冷空气出口8a。通过带管接头40的法兰盘39和孔板6构成的孔式节流件49可以设置成另外型式。可能的方案是，只设置一个孔板6或者只设置一个带法兰盘39和管接头40的管入口53。气流出口30构成了节流件48的孔板进口截面50，该节流件是由一个喷嘴32形成的。喷嘴体26拧入涡流腔壳体24的孔47中。通过气流出口30流过的部分空气流借助喷嘴32的通道34流向冷空气出口8。喷嘴锥角35例如可设置成3°和5°。
权利要求
1.冷却燃气轮机热负荷结构件的方法，其中冷却空气流经结构件的热负荷壁面，其特征在于，冷却空气在节流件间的孔板式进口结构内以切线方向流入一个由圆筒形涡流腔并带两个端部设置的节流件所构成的涡流管内，并且分成两部分冷却空气流，其中一部分冷却空气流在流过带孔板式进口结构的节流件后，相对于流入涡流管冷却空气的温度来说降温变冷送向要冷却的壁面，另一部分冷却空气就排出该结构件区。
2.按照权利要求
1的方法，其特征在于，这另一部分冷却空气流流过一个喷嘴结构式的节流件，并相对于流入涡流管冷却空气的温度加热升温和流出涡流管。
3.按照权利要求
1的方法，其特征在于，这另一部分冷却空气流通过一个扩压器结构式的节流件，以相对于流入涡流管冷却空气的温度相同或者降低了的温度流出涡流管。
4.按照权利要求
3的方法，其特征在于，这另一部分冷却空气流通过一个具有孔板进口结构和/或节流出口结构的扩压器流出涡流管。
5.按照权利要求
1、3和4的方法，其特征在于，由涡流管流出的部分冷却空气流结合成一般冷却空气流送向要冷却的壁面。
6.按照权利要求
2的方法，其特征在于，经过节流件而流出的加热了的部分冷却空气流与冷却空气混合或者排入主燃气流。
7.按照权利要求
1，3到5之一的燃气轮机热负荷叶片的冷却方法，其中将冷却空气引向叶片并流过叶片壳体内壁上的通道，并且通过边界层区域内的小通口流出，其特征在于，由涡流管流出的冷却了的部分冷却空气流或冷却空气流，通过一级燃气涡轮转子和/或定子的叶片进行输送。
8.按照权利要求
7的方法，其特征在于，一级燃气涡轮的转子和/或定子中总有一定数量的叶片被涡轮流管中冷却了的部分冷却空气流或冷却空气流所流经。
9.按照权利要求
7的方法，其特征在于，一级燃气涡轮转子和/或定子的每个叶片被涡流管中冷却了的部分冷却空气流或冷却空气流所流过。
10.按照权利要求
9的方法，其特征在于，在一级燃气涡轮转子和/或定子的每个叶片中安置一个涡轮管，并输入冷却空气，同时，由涡流管流出的冷却了的部分冷却空气流或冷却空气流流经该叶片。
11.按照权利要求
1到10的方法，其特征在于，作为输入到涡流管的冷却空气可采用压缩机空气或贮气罐空气。
12.利用按照权利要求
1、3到11的方法，对双壁结构环形燃烧室进行冷却，其特征在于，由涡流管流出的部分冷却空气流或冷却空气流被引入环形燃烧室的环形通道，在流过环形燃烧室的内壁后排出或混入通过环形燃烧室而加热的空气流。
13.按照权利要求
1到11之一方法的实施装置，其特征在于，冷却空气源(4)和一个涡流管(5)相连接，其中，在一个孔板式节流件(48)之前设置了切线定位的冷却空气流入喷嘴(7)，在孔板节流件(48)之后，冷空气出口(8)和热负荷结构件的冷却通道(9)相连接，而喷嘴式节流件(11)的热空气出口(10)和冷却空气通道(12)或燃烧室后边的主燃气流通道(13)相连接。
14.按照权利要求
3至12之一方法的实施装置，其特征在于，冷却空气源(4)和在涡流管涡流腔壳体(24)上切向安置的流入喷嘴(7)相连接，涡流腔壳体(24)的涡流腔(27)具有两个与其中轴线(28)同轴安置的气流道出口(29，30)，其中，一个通口与一孔板式节流件(48)相配置，而另一个通口与一构成扩压器33的节流件相配置。
15.按照权利要求
13和14的装置，其特征在于，该孔板式节流件(48)结构设计成孔板(6)或带孔板进口(50)的喷嘴(32)。
16.按权利要求
14的装置，其特征在于，扩压器(33)具有一个孔板式进口(51)。
17.按权利要求
14或16的装置，其特征在于，在扩压器(33)的出口端部(36)处安置了一个孔板式节流件(49)。
18.按权利要求
17的装置，其特征在于，节流件(49)结构设置成带一个或多个通口(52)的孔板(6)和/或管入口(53)，该管入口的管段(40)具有一个比扩压器(33)的出口截面缩小的横截面，并该管段置于盖住扩压器(33)端部(36)的法兰盘(39)上。
19.按权利要求
14的装置，其特征在于，在孔板节流件(49)之后设置的冷空气出口(8a)和孔板节流件(48)的冷空气出口(8)连接到一个冷却空气混合出口(43)。
20.按权利要求
13至19的装置，其特征在于，总有一给定数量的，带有一级燃气涡轮转子和/或定子冷却通道(9)的叶片(1)与涡流管(5)的冷空气出口(8)或冷却空气混合出口(43)相连接。
21.按权利要求
13至19的装置，其特征在于，一级燃气涡轮转子和/或定子具有冷却通道(9)的每个叶片(1)与涡流管(5)的冷空气出口(8)或者冷却空气混合出口(43)相连接。
22.用于燃气轮机的叶片在运行时承受热负荷并通过叶片内设置的冷却通道用冷却空气进行冷却，该冷却空气通过叶片壁上的小通口流出，其特征在于，在叶片(1)中安置一个涡流管(5，25)，在涡流管的一孔板式节流件区内切向安置的流入喷嘴(7)与一个冷却空气通道(12)相连接，通道(12)的冷却空气中有一部分冷却空气流流经孔板式节流件(48)后进一步冷却输入到叶片(1)中的冷却通道(9)，而其余的部分冷却空气流，通过一个喷嘴式节流件(11)的热空气出口(10)使得热空气流出并排走。
23.用于一种燃气轮机的叶片，其在燃气轮机运行时承受热负荷并可借助叶片内构成的冷却通道用冷却空气进行冷却，冷却空气通过叶片壁上的通口流出，其特征在于，在叶片(1)中安置一个带涡流腔壳体(24)的涡流管(25)，在壳体(24)上切向安置流入喷嘴(7)，该喷嘴(7)和一冷却空气通道(6)相连接，涡流腔壳体(24)的涡流腔(27)具有两个和中轴线(28)同轴的气流出口(29，30)，其中一个出口与扩压器相连，而另一个出口与孔板节流件(48)相连接。
24.按照权利要求
23的叶片，其特征在于，在扩压器(33)处设置一个孔板式流入截面(51)和/或在出口端部(36)处安置另一个孔板节流件(49)。
25.按照权利要求
22至24的叶片，其特征在于，涡流管(5，25)设置在一个插入件(15)中，该插入件可拆卸地安置于一个叶片(1)里。
专利摘要
冷却燃气轮机热负荷结构件的方法，实施该方法的装置以及热负荷叶片的结构设置。其中冷却空气流经叶片内壁，然后通过边界层范围内叶片壳体上的小通口流出。冷却空气在孔板区域以切线方向流入带一个孔板和一个节流件的涡流管内。流过孔板变冷的冷却空气流被引入叶片，然后流过叶片壳体的内壁而从每个叶片的边界层区域流开。通过节流件流出的加热了的空气流从叶片区域排出。这种空气流可以混入冷却空气或者排入主燃气流。
文档编号F25B9/04GK87101766SQ87101766
公开日1987年10月7日 申请日期1987年2月4日
发明者沃特·希伯特森 申请人:沃特·希伯特森导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan