具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统和具有其的燃气轮机

1.本发明涉及燃气轮机制造技术领域，具体而言，涉及一种具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统和具有所述具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统的燃气轮机。


背景技术：

2.燃气轮机主要应用于发电和船舶领域，在以可再生能源为主体的电网系统中，发电燃气轮机需要具有快速启动、快速变负荷的能力，而在船舶领域，船用燃气轮机的工况经常发生改变，以满足不同的速度需求。
3.燃气轮机的预旋喷嘴系统通过静盘上的喷嘴向动叶提供冷却气流，喷嘴将冷却气流引导至静盘与动盘之间的预旋腔，动盘上的接受孔进一步将冷却气流引导至动叶，以对动叶进行冷却，保证燃气轮机的使用寿命和可靠性。为了提高燃气轮机的效率，透平入口的温度越来越高，导致动叶的冷却气流供给更为重要。
4.相关技术中的燃气轮机的预旋喷嘴的气源来自于高压压气机，以f级燃气轮机为例，从高压压气机抽取的空气的温度通常在300-400℃，与高压透平动叶表面的温差在900摄氏度左右，虽然远低于动叶表面温度，但依然具有较高的温度，对动叶表面的冷却效果有限。


技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统，该具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统能够降低冷却气流温度，减少冷却气体用量，具有冷却效果好、提高燃气轮机运行效率等优点。
6.本发明还提出一种具有所述燃气轮机的燃气轮机。
7.为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出一种具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统，所述具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统包括：机匣；转盘，所述转盘可转动地设在所述机匣内且所述转盘的外周面与所述机匣的内周面间隔开，所述转盘内设有动叶进气腔，所述转盘上设有转盘接受孔，所述转盘接受孔与所述动叶进气腔连通；静盘，所述静盘设在所述机匣内且所述静盘的外周面与所述机匣的内周面间隔开，所述转盘与所述机匣之间以及所述静盘与所述机匣之间形成有主流道，所述转盘和所述静盘之间形成有盘腔和预旋腔，所述预旋腔在所述机匣的径向上位于所述盘腔的内侧，所述转盘接受孔与所述预旋腔连通，所述静盘上设有与所述预旋腔连通的喷嘴；导风叶片，所述导风叶片设在所述喷嘴内；冷却管路，所述冷却管路穿设在所述导风叶片内；冷却介质驱动装置，所述冷却介质驱动装置与所述冷却管路相连且驱动所述冷却管路内的冷却介质流动；动叶，所述动叶设在所述转盘的外周面且与所述机匣间隔设置，所述动叶的至少一部分伸入所述动叶进气腔；静叶，所述静叶设在所述静盘的外周面且与所述机匣的内周面相连。
8.根据本发明实施例的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统，能够降低冷却气流温度，减少冷却气体用量，具有冷却效果好、提高燃气轮机运行效率等优点。
9.另外，根据本发明上述实施例的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统还可以具有如下附加的技术特征：
10.根据本发明的一个实施例，所述导风叶片上设有多个间隔设置的过孔，所述冷却管路穿过多个所述过孔。
11.根据本发明的一个实施例，所述过孔沿所述机匣的径向延伸。
12.根据本发明的一个实施例，所述过孔为两个且分别为第一过孔和第二过孔，所述冷却管路具有第一冷却段、第二冷却段和连接段，所述第一冷却段配合在所述第一过孔内且所述第二冷却段配合在所述第二过孔内，所述连接段分别与所述第一冷却段和所述第二冷却段相连。
13.根据本发明的一个实施例，所述冷却介质驱动装置设在机匣外，所述冷却管路伸出所述机匣与所述冷却介质驱动装置相连。
14.根据本发明的一个实施例，所述导风叶片具有平行于转动轴线的迎风凸弧面、导风凸面和导风凹面，所述导风凸面和所述导风凹面分别由所述迎风凸弧面的两边沿向远离所述迎风凸弧面的方向弧形延伸且相互逐渐靠近。
15.根据本发明的一个实施例，所述第一过孔较所述第二过孔邻近所述迎风凸弧面，所述第一冷却段与所述冷却管路的进口连通，所述第二冷却段与所述冷却管路的出口连通。
16.根据本发明的一个实施例，所述转盘上设有转盘外密封沿和转盘内密封沿，所述静盘上设有静盘外密封沿和静盘内密封沿，所述转盘外密封沿和所述静盘外密封沿之间具有外密封间隙，所述外密封间隙分别与所述主流道和所述盘腔连通，所述转盘内密封沿和所述静盘内密封沿之间具有内密封间隙，所述内密封间隙分别与所述盘腔和所述预旋腔连通。
17.根据本发明的一个实施例，所述动叶、所述静叶和所述导风叶片均为多个且沿所述机匣的周向间隔设置。
18.根据本发明的第二方面的实施例提出一种燃气轮机，所述燃气轮机包括根据本发明的第一方面的实施例所述的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统。
19.根据本发明实施例的燃气轮机，通过利用根据本发明的第一方面的实施例所述的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统，具有冷却效果好、运行效率高等优点。
20.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
21.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
22.图1是根据本发明实施例的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统的局部结构示意图。
23.图2是根据本发明实施例的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统的导风叶片的结构示意图。
24.图3是根据本发明实施例的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统的导风叶片的结构
示意图。
25.附图标记：具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统1、机匣10、主流道11、盘腔12、预旋腔13、转盘20、转盘接受孔21、动叶进气腔22、转盘外密封沿23、转盘内密封沿24、静盘30、喷嘴31、静盘外密封沿34、静盘内密封沿35、导风叶片40、第一过孔41、第二过孔42、迎风凸弧面46、导风凸面47、导风凹面48、冷却管路50、动叶60、静叶70。
具体实施方式
26.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
27.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.下面参考附图描述根据本发明实施例的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统1。
30.如图1-图3所示，根据本发明实施例的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统1包括机匣10、转盘20、静盘30、导风叶片40、冷却管路50、冷却介质驱动装置、动叶60和静叶70。
31.转盘20可转动地设在机匣10内且转盘20的外周面与机匣10的内周面间隔开，转盘20内设有动叶进气腔22，转盘20上设有转盘接受孔21，转盘接受孔21与动叶进气腔22连通。静盘30设在机匣10内且静盘30的外周面与机匣10的内周面间隔开，转盘20与机匣10之间以及静盘30与机匣10之间形成有主流道11，转盘20和静盘30之间形成有盘腔12和预旋腔13，预旋腔13在机匣10的径向上位于盘腔12的内侧，转盘接受孔21与预旋腔13连通，静盘30上设有与预旋腔13连通的喷嘴31。导风叶片40设在喷嘴31内。冷却管路50穿设在导风叶片40内。所述冷却介质驱动装置与冷却管路50相连且驱动冷却管路50内的冷却介质流动。动叶60设在转盘20的外周面且与机匣10间隔设置，动叶60的至少一部分伸入动叶进气腔22。静叶70设在静盘30的外周面且与机匣10的内周面相连。
32.具体而言，机匣10的径向即内外方向如图中的箭头a所示，机匣10的轴向如图中的箭头b所示。
33.这里需要理解的是，图1仅示出了透平轮缘密封间隙被动调整结构1在机匣10周向上一个截面的示意图，机匣10、转盘20、静盘30均为经过此截面的回转体。
34.根据本发明实施例的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统1，通过设置喷嘴31、转盘
接受孔21和动叶进气腔22，可以利用喷嘴31向预旋腔13供给冷却气流，并通过转盘接受孔21和动叶进气腔22将预旋腔13内的冷却气流引导至动叶60，对动叶60进行冷却。
35.并且，通过设置导风叶片40、冷却管路50、冷却介质驱动装置，将冷却管路50穿设在导风叶片40内，利用所述冷却介质驱动装置驱动冷却管路50内的冷却介质流动。这样可以利用冷却管路50对导风叶片40进行降温，在喷嘴31内的气流经过导风叶片40时，对经过的气流进行降温，使喷出喷嘴31的冷却气流与动叶60表面具有更大的温差，提高对动叶60的冷却效果。
36.此外，通过对导风叶片40进行冷却降低喷嘴31喷出的冷却气体温度，可以降低对动叶60进行冷却所需的冷却气体的流量，从而减少从压气机抽气带来的流量损失，提高燃气轮机的运行效率。
37.因此，根据本发明实施例的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统1能够降低冷却气流温度，减少冷却气体用量，具有冷却效果好、提高燃气轮机运行效率等优点。
38.下面参考附图描述根据本发明具体实施例的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统1。
39.在本发明的一些具体实施例中，如图1-图3所示，根据本发明实施例的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统1包括机匣10、转盘20、静盘30、导风叶片40、冷却管路50、动叶60和静叶70。
40.具体地，如图1-图3所示，导风叶片40上设有多个间隔设置的过孔，冷却管路50穿过多个所述过孔。这样可以提高冷却管路50与导风叶片40之间的接触面积，提高冷却管路50对导风叶片40的冷却效果，从而进一步提高对经过导风叶片40的冷却气体的冷却效果。
41.更为具体地，如图1和图2所示，所述过孔沿机匣10的径向延伸。这样可以便于所述过孔的设置，而且可以避免干扰导风叶片40的导风效果。
42.可选地，如图1-图3所示，所述过孔为两个且分别为第一过孔41和第二过孔42，冷却管路50具有第一冷却段、第二冷却段和连接段，所述第一冷却段配合在第一过孔41内且所述第二冷却段配合在第二过孔42内，所述连接段分别与所述第一冷却段和所述第二冷却段相连。换言之，冷却管路50可以构造为u型管。这样可以便于冷却管路50的设置。
43.在另一些实施例中，所述第一冷却段和所述第二冷却段还可以通过储气腔连通。
44.进一步地，如图1所示，所述冷却介质驱动装置设在机匣10外，冷却管路50伸出机匣10与所述冷却介质驱动装置相连。这样可以避免机匣10内的高温环境影响所述冷却介质驱动装置的运行。
45.有利地，如图3所示，导风叶片40具有平行于转动轴线的迎风凸弧面46、导风凸面47和导风凹面48，导风凸面47和导风凹面48分别由迎风凸弧面46的两边沿向远离迎风凸弧面46的方向弧形延伸且相互逐渐靠近。具体而言，导风叶片40在垂直于转动轴线的截面可以为勾玉形。这样可以提高导风叶片40对气流的引导效果。
46.更为有利地，如图3所示，第一过孔41较第二过孔42邻近迎风凸弧面46，所述第一冷却段与冷却管路50的进口连通，所述第二冷却段与冷却管路50的出口连通。这样可以使冷却介质先经过导风叶片40的迎风部分，再经过导风叶片40的导风部分，从而进一步提高对冷却气流的冷却效果。
47.图1示出了根据本发明一些示例的可调出口角度的叶型预旋喷嘴系统1。如图1所
示，转盘20上设有转盘外密封沿23和转盘内密封沿24，静盘30上设有静盘外密封沿34和静盘内密封沿35，转盘外密封沿23和静盘外密封沿34之间具有外密封间隙，所述外密封间隙分别与主流道11和盘腔12连通，转盘内密封沿24和静盘内密封沿35之间具有内密封间隙，所述内密封间隙分别与盘腔12和预旋腔13连通。这样可以在保证转盘20能够转动的情况下减少主流道11内的高温燃气入侵盘腔12和预旋腔13。
48.具体地，动叶60、静叶70和导风叶片40均为多个且沿机匣10的周向间隔设置。这样可以提高对气流的引导效果。
49.本领域的技术人员可以理解的是，调节叶片40的弯曲方向与转盘的转动方向有关，本领域的技术人员可以根据实际需要进行设置。
50.具体而言，根据燃烧室出口的温度，确定导风叶片40上游的温度，基于公式计算变负荷过程中动叶60冷却所需要的最少焓降。测量对压气机抽气管路中的冷气温度与冷却介质通道入口的温度，基于公式获得喷嘴31内射流与被冷却导风叶片40的换热系数，从而得到冷气入口温度、喷嘴入口温度与喷嘴出口温度之间的函数关系。在此基础上，得到满足冷却要求的最小冷气量。减小喷嘴31上游抽气管路的阀门开度，在满足冷却需求的前提下减少冷气用量，提高燃气轮机效率。经过计算分析，若能将预旋射流的温度降低20k，则可以降低约3.8％的冷气量，若能将预旋射流的温度降低50k，则可降低约7.8％的冷气量。
51.下面描述根据本发明实施例的燃气轮机。根据本发明实施例的燃气轮机包括根据本发明上述实施例的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统1。
52.根据本发明实施例的燃气轮机，通过利用根据本发明上述实施例的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统1，具有冷却效果好等优点。
53.根据本发明实施例的燃气轮机的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
54.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
55.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统，其特征在于，包括：机匣；转盘，所述转盘可转动地设在所述机匣内且所述转盘的外周面与所述机匣的内周面间隔开，所述转盘内设有动叶进气腔，所述转盘上设有转盘接受孔，所述转盘接受孔与所述动叶进气腔连通；静盘，所述静盘设在所述机匣内且所述静盘的外周面与所述机匣的内周面间隔开，所述转盘与所述机匣之间以及所述静盘与所述机匣之间形成有主流道，所述转盘和所述静盘之间形成有盘腔和预旋腔，所述预旋腔在所述机匣的径向上位于所述盘腔的内侧，所述转盘接受孔与所述预旋腔连通，所述静盘上设有与所述预旋腔连通的喷嘴；导风叶片，所述导风叶片设在所述喷嘴内；冷却管路，所述冷却管路穿设在所述导风叶片内；冷却介质驱动装置，所述冷却介质驱动装置与所述冷却管路相连且驱动所述冷却管路内的冷却介质流动；动叶，所述动叶设在所述转盘的外周面且与所述机匣间隔设置，所述动叶的至少一部分伸入所述动叶进气腔；静叶，所述静叶设在所述静盘的外周面且与所述机匣的内周面相连。2.根据权利要求1所述的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统，其特征在于，所述导风叶片上设有多个间隔设置的过孔，所述冷却管路穿过多个所述过孔。3.根据权利要求2所述的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统，其特征在于，所述过孔沿所述机匣的径向延伸。4.根据权利要求2所述的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统，其特征在于，所述过孔为两个且分别为第一过孔和第二过孔，所述冷却管路具有第一冷却段、第二冷却段和连接段，所述第一冷却段配合在所述第一过孔内且所述第二冷却段配合在所述第二过孔内，所述连接段分别与所述第一冷却段和所述第二冷却段相连。5.根据权利要求1所述的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统，其特征在于，所述冷却介质驱动装置设在机匣外，所述冷却管路伸出所述机匣与所述冷却介质驱动装置相连。6.根据权利要求4所述的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统，其特征在于，所述导风叶片具有平行于转动轴线的迎风凸弧面、导风凸面和导风凹面，所述导风凸面和所述导风凹面分别由所述迎风凸弧面的两边沿向远离所述迎风凸弧面的方向弧形延伸且相互逐渐靠近。7.根据权利要求6所述的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统，其特征在于，所述第一过孔较所述第二过孔邻近所述迎风凸弧面，所述第一冷却段与所述冷却管路的进口连通，所述第二冷却段与所述冷却管路的出口连通。8.根据权利要求1所述的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统，其特征在于，所述转盘上设有转盘外密封沿和转盘内密封沿，所述静盘上设有静盘外密封沿和静盘内密封沿，所述转盘外密封沿和所述静盘外密封沿之间具有外密封间隙，所述外密封间隙分别与所述主流道和所述盘腔连通，所述转盘内密封沿和所述静盘内密封沿之间具有内密封间隙，所述内密封间隙分别与所述盘腔和所述预旋腔连通。9.根据权利要求1所述的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统，其特征在于，所述动叶、
所述静叶和所述导风叶片均为多个且沿所述机匣的周向间隔设置。10.一种燃气轮机，其特征在于，包括根据权利要求1-9中任一项所述的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统。

技术总结
本发明公开了一种具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统和具有其的燃气轮机，具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统包括：机匣；转盘，转盘内设有动叶进气腔，转盘上设有转盘接受孔，转盘接受孔与动叶进气腔连通；静盘，转盘与机匣之间以及静盘与机匣之间形成有主流道，转盘和静盘之间形成有盘腔和预旋腔，转盘接受孔与预旋腔连通，静盘上设有与预旋腔连通的喷嘴；导风叶片，导风叶片设在喷嘴内；冷却管路，冷却管路穿设在导风叶片内；冷却介质驱动装置，冷却介质驱动装置驱动冷却管路内的冷却介质循环流动；动叶；静叶。根据本发明实施例的具有冷却管路的叶型预旋喷嘴系统能够降低冷却气流温度，减少冷却气体用量，具有冷却效果好、提高燃气轮机运行效率等优点。机运行效率等优点。机运行效率等优点。


技术研发人员：胡博 任晓栋 李雪松 顾春伟
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2023.03.24
技术公布日：2023/7/4