[发明专利]一种燃气轮机的透平机

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机的透平机，尤其是一种具有等中径燃气通道、四级透平叶片的燃气轮机透平机，该透平机在燃气轮机中，能够高效、安全地将燃气的热能转化为转子的机械能。

背景技术

现代发电用大功率燃气轮机以燃用气体燃料为主，其透平系统普遍采用带冷却多级透平方案，即高温燃气从燃烧室出口通过带冷却结构的导向静叶栅，导入第一级动叶片释放一部分能量做功。在第一级动叶片后设置类似的静叶栅和动叶栅结构，逐级将高温燃气的热能转化成机械能。

根据整机对透平做功能力的要求，对透平级的分配进行热力计算，不同的透平级分配形式，对透平的气动性能有较大的影响。高温燃气进入燃气通道内，对静叶和动叶均有一定的热侵蚀，仅依赖于材料的耐热和耐腐蚀能力，已不能达到安全要求，因此需要采用带冷却结构的透平工作叶片。随着不同级的能量吸收，其温度逐渐降低，因此叶片的冷却结构也逐渐趋于简单。

发电用燃气轮机对透平系统的要求是高透平进口温度、高热转换效率、长时间稳定运行，一个例子是作为现代燃气轮机电站主力设备的F级燃气轮机透平第一级动叶进口燃气温度达到1300℃、透平等熵效率90%以上、检修间隔＞8000小时。

目前传统的透平系统，在产品开发和运行中存在以下问题：①F级中低热值的燃气轮机，采用3级透平方案，随着对透平功率的增加，透平所需要的燃气流量增大，透平出口面积将增大，叶片通道的扩张角将增大很多，透平的气动性能较差。②透平转子上动叶轮盘与中间盘结构紧凑，受通道高温燃气的影响，在各级轮盘和中间盘间合理布局冷却孔的分布，便于转子及其组件的冷却效果控制，随着透平功率和透平级数增加，转子涡轮盘内径变化较大，连接各级涡轮盘较为复杂。③透平第一级工作环境最为恶劣，第一级透平静叶直接与燃烧室出口相连，叶片的上下端壁和叶身承受最恶劣的热冲击和热腐蚀，其冷却难度相对较大。透平第一级动叶在长期的运行中存在叶片下缘板和叶型尾缘上端部分失效的事故案例，复杂的内冷结构导致冷气进入叶片后流动阻力较大，最终导致叶片尾缘处冷却效果较差，甚至存在失效现象。

燃气轮机的发展已经对透平系统的性能提出进一步的要求，即透平进口燃气温度达到1500℃以上、第一级动叶入口温度达到1400℃以上、透平效率高达91%。所述的传统的透平通流形式和叶片冷却系统控制技术存在的问题将更加尖锐，甚至完全不能满足所述进一步发展的要求。

发明内容

为了解决上述现有技术中透平的效率问题，本发明提出一种具有等中径燃气通道、四级透平叶片的燃气轮机透平机，本发明重新设计了透平系统的通流结构，采用四级透平方案合理重新分配各级焓降，采用等中径设计方法有效的控制了子午型面的过渡，透平叶片的叶身型线采用全新设计，各级叶片冲角控制在10°之内，整体满足高热转换效率的要求。

本发明所提出一种燃气轮机透平机包括：机壳10，透平机入口24，透平机出口25，一个透平转子22，四级静叶11、13、15和17，以及四级动叶12、14、16和18，其中：

所述透平机入口24位于所述透平机的一端，作为高温燃气的入口；

所述透平机出口25位于所述透平机的另一端，作为高温燃气的出口；

所述四级静叶11、13、15和17的静叶片依次安装在固定的机壳10上，所述四级动叶12、14、16和18的动叶片依次安装在透平转子22的同一侧并带动所述透平转子22一起旋转；

所述四级静叶11、13、15和17和四级动叶12、14、16和18在所述透平转子22的轴线方向上依次交替排列，并在内部形成燃气通道；

所述透平转子22、四级静叶、四级动叶均处于所述机壳10所形成的空间中；

其中，每一级静叶均包括多个静叶片，所述多个静叶片沿圆周方向互相独立的固定在机壳10上，每个静叶片的外形为沿圆周方向扭转的流线形；

第一级静叶11、第二级静叶13和第三级静叶15均采用双通道双套层结构，第四级静叶17为空腔冷却结构；

所述机壳10上沿轴向设有若干个冷却空气通道，所述冷却空气通道与各级静叶的内部通道以及燃气通道相通，低温空气经由所述机壳10上的冷却空气通道流入各级静叶的内部通道，最终流入燃气通道，并冷却沿程部件；

所述透平机的每一级动叶均包括多个动叶片，所述多个动叶片沿圆周方向互相独立的安装在透平转子22的相应级的动叶轮盘上；