[发明专利]透平机转子的冷却

说明书

                    参考政府合同

本发明的开发得到美国能源部DE-AC21-93MC30247号合同的部分支持。因此，美国政府在本发明中可拥有一定的权利。

                    发明的背景

本发明涉及用于透平机的转子。更具体地，本发明涉及这样一种燃气透平机转子，它具有经过改进的允许采用闭合冷却空气回路的冷却空气系统。

燃气透平机的透平段包括一个包含一组其上固定有叶片的轮盘构成的转子。来自燃烧段的热燃气流过这些叶片，从而将转动功率传递给转子轴。为了能从燃气透平机提供最大的功率输出，希望能在尽可能高的燃气温度下工作。为了避免使受到较高应力的叶片根部以及固定有叶片的轮盘部分暴露在高温燃气下，传统的做法是安装起缓冲作用的侧板，以将叶片根部和轮盘表面与高温燃气完全隔离开，即如例如美国专利No.3,945,758(Lee)和No.4,113,406(Lee等人)所示。但是无论如何，在高燃气温度下操作要求对叶片和轮盘进行冷却。

传统情况下，这种冷却是通过对从压缩机排放的空气的冷却空气进行喷吹来实现的。此冷却空气的一部分通过叶片和轮盘之间的通道导入。另一部分通过固定透平轮叶流入在相邻轮盘的表面之间形成的室。在冷却了轮盘、叶片、轮叶之后，加热后的冷却空气一般被排放到流过透平段的热燃气之中。但是，尽管冷却空气最终与热燃气混合在透平机内膨胀，但是由于它旁路通过燃烧过程，因此由压缩的冷却空气膨胀所回收的功远少于由压缩的在燃烧器内受热的空气的膨胀所回收的功。事实上，由于压降和机械效率造成的损失，结果是从冷却空气中回收的功少于压缩机中压缩该空气所需要的功。另外，将冷却空气排放到热燃气流中，由于冷空气与热燃气混合，会造成空气动力学损失。

尽管使用了冷却空气，但在传统情况下，轮盘在操作过程中依然非常热，以至于需要用具有超高温强度的昂贵的合金制造，例如镍基合金，而不是用不太昂贵的低合金钢。

因此，人们需要提供一种用于燃气透平机转子的冷却系统，避免将用后的冷却空气排入流过透平的热燃气流，并且能为转子提供有效的冷却，从而有可能使用较廉价的材料制造轮盘。

                    发明概要

因此，本发明总的目的是为燃气透平机转子提供一种冷却系统，它不需要将用后的冷却空气排放到通过透平机的热燃气流中且能为转子提供有效的冷却。

简而言之，此目的以及本发明的其它目的是以一由有工作流体流过的转子构成的透平机来实现的。该转子包括(ⅰ)暴露于工作流体的多个叶片(ⅱ)固定有叶片的一第一部件，该第一部件在其相反的两侧有第一和第二表面，(ⅲ)一第一冷却流体流动通道，其具有接受冷却流体的入口和在冷却流体流过第一冷却流体流动通道之后将该冷却流体从其中排出的出口，(ⅳ)邻接第一表面绕转子周向上延伸的一第一密封圈，该第一密封圈具有第一冷却流体导向装置，用于将冷却流体导引至第一冷却流体流动通道入口以便从其中流过，和(ⅴ)邻接第二表面绕转子周向上延伸的第二密封圈，该第二密封圈具有第二冷却流体导向装置，用于将自第一冷却流体流动通道出口排出的冷却流体导引离开第一部件。

根据本发明的优选实施例，该透平机还包括一用于加热工作流体的燃烧器，和一第三冷却流体导向装置，用于将从第二冷却流体导向装置排出的冷却流体导向该燃烧器。

                附图的简要说明

图1是根据本发明的燃气透平机的示意图；

图2是图1中所示通过燃气透平机的透平转子的纵剖面图；

图3是图2中所示透平转子于第二排附近的放大图；

图4是图3所示下游密封圈截面图形式的立体图；

图5是图3所示上游密封圈截面图形式的立体图。

优选实施例的说明

参见附图，图1所示为一燃气透平机的示意图。该燃气透平机的主要元件是压缩机段1、燃烧段2、透平段3和位于中心延伸通过上述三段的转子4。压缩机段1一般包括其内封装有交替布置的多排固定轮叶和旋转叶片的气缸。燃烧段2包括一大体圆柱状的外壳9，其构成环绕一部分转子4的燃烧室14。多个燃烧器15处于燃烧室14内，并联接至透平段3。燃料10可以是液体或气体形式，例如蒸馏油或天然气，通过燃料喷嘴进入各个燃烧器15并在其中燃烧，从而形成热压缩燃气12，进而该气体构成透平段3的工作流体。

透平段3一般包括一个包围一个内缸体的外缸体。内缸体围绕多排固定轮叶和多排旋转叶片。固定轮叶固定在内缸体上，而旋转叶片固定在构成转子的透平段的一部分的轮盘上。