專利名稱：燃氣輪機及從燃氣輪機排放氣體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃氣輪機及其氣體排放方法，通過向活動葉片與固定葉片之間提供來自壓縮機的排放氣體而進行密封，同時冷卻活動葉片。
背景技術(shù)：
在燃氣輪機廠，來自壓縮機的壓縮空氣供給燃燒器，在燃燒器中和燃料一起燃燒產(chǎn)生高溫氣體，高溫氣體傳送給燃氣輪機以驅(qū)動燃氣輪機。在通常的結(jié)構(gòu)中，一部分壓縮空氣同時作為排放氣體傳送給冷卻裝置，冷卻以后排放氣體供給燃氣輪機側(cè)的固定葉片和活動葉片，從而冷卻和密封活動葉片和固定葉片，這種現(xiàn)有技術(shù)中，向第一級渦輪的固定葉片和活動葉片提供排放氣體的燃氣輪機的結(jié)構(gòu)將在下面參考圖3進行描述。該圖是一個局部軸截面視圖，表示通到燃氣輪機的第一級設(shè)備的排氣流管道，可以理解有一個壓縮機在圖中未示出，它與燃氣輪機同軸，超出了圖紙的最左邊。
在該圖中，附圖標記1表示多個第一級活動葉片，附圖標記2表示多個第一級固定葉片。多個第一級活動葉片1環(huán)繞在轉(zhuǎn)子盤3的周圍，轉(zhuǎn)子盤3與壓縮機同軸，這個第一級轉(zhuǎn)子盤3通過接收來自壓縮機的燃氣推力而旋轉(zhuǎn)。再者，多個第一級固定葉片2環(huán)繞在渦輪外殼近側(cè)，從而與第一級轉(zhuǎn)子盤3同軸。因此，第一級設(shè)備4包括，第一級活動葉片1，第一級轉(zhuǎn)子盤3，第一級固定葉片2。
再者，附圖標記5在圖中表示排放氣體室，在上述排放氣流被冷卻后，排放氣體室吸入來自上述冷卻器的排放氣流f1，幾乎所有被吸入排放氣體室5的排放氣流f1通過第一級轉(zhuǎn)子盤3上的冷卻氣流管道3a，傳送給第一級活動葉片，從而起到從內(nèi)部冷卻第一級活動葉片1的作用。
即，冷卻氣流管道3a是一個近似“L”形的氣流管道，位于第一級轉(zhuǎn)子盤主體3b(與第一級固定葉片2相對的表面)上游表面和通過螺栓固定在上游表面上的氣流管道隔壁3c之間；冷卻氣流f2沿第一級轉(zhuǎn)子盤3的旋轉(zhuǎn)軸的方向從排放氣體室5排出的排放氣流f1中被吸入后，冷卻氣流f2沿中心的旋轉(zhuǎn)軸的徑向排出。
氣流管道隔壁3c是一個管狀部件，它將來自排放氣體室5的排放氣流f1隔成兩個分流，一個是上述的冷卻氣流f2，一個是密封氣流f3；迷宮式密封件6形成在其外圓周表面上，位于氣流管道隔壁3c與借助第一級固定葉片2的內(nèi)護罩2a內(nèi)圓周側(cè)支撐的隔壁2a1之間。
一部分排放氣流f1被分出來，形成上述密封氣流f3，然后供到第一級活動葉片1和第一級固定葉片2之間；迷宮式密封件6起著密封間隙c的作用。
不過，這種現(xiàn)有技術(shù)中的燃氣輪機存在下述問題。
即，由排放氣體室5提供的排放氣流f1在作為中心的旋轉(zhuǎn)軸的圓周方向上幾乎不具有任何旋轉(zhuǎn)速度分量，因為它在這種狀態(tài)下進入冷卻氣流管道3a中的盤孔3a1(多個穿孔，以便從旋轉(zhuǎn)軸發(fā)散)，這樣，就產(chǎn)生了驅(qū)動能量損失的問題。
也就是說，雖然每個冷卻氣流管道3a和主旋轉(zhuǎn)體的第一級轉(zhuǎn)子盤3一起高速旋轉(zhuǎn)，但由于在這種高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)中，在第一級轉(zhuǎn)子盤3的圓周方向上幾乎沒有任何高旋轉(zhuǎn)速度分量的冷卻氣流f2流進并通過第一級轉(zhuǎn)子盤3，相應(yīng)地，這個冷卻氣流f2產(chǎn)生不適宜的制動力，限制了第一級轉(zhuǎn)子盤3的旋轉(zhuǎn)操作；再有，旋轉(zhuǎn)包括第一級轉(zhuǎn)子盤3在內(nèi)的旋轉(zhuǎn)體所需的驅(qū)動能量不適宜的增加了。由于這種驅(qū)動能量必然導(dǎo)致與燃氣輪機相連的發(fā)電機(圖中未示出)發(fā)電能力的減弱，因而希望用一切可能的辦法消除旋轉(zhuǎn)能量的損失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是在考慮了上述問題而作出的，其目的是提供一種燃氣輪機及其氣體的排放方法，它能防止由于氣體排入轉(zhuǎn)子盤而引起的驅(qū)動能量損失。
本發(fā)明用如下方法解決上述問題。
即，本發(fā)明第一方面中所述的燃氣輪機包括多個固定葉片，它們以環(huán)繞方式布置在渦輪外殼的近側(cè)；多個活動葉片，以環(huán)繞方式布置在臨近固定葉片的轉(zhuǎn)子盤的近側(cè)；一個回旋流產(chǎn)生部分，在賦予排放氣體以沿與轉(zhuǎn)子盤同向轉(zhuǎn)動的回旋流后，將輸入的排放氣體供向轉(zhuǎn)子盤；密封氣體供給氣流管道，它繞過回旋流產(chǎn)生部分將一部分排放氣體供給到固定葉片和活動葉片間的間隙。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明第一方面的燃氣輪機，排放氣流在通過回旋流產(chǎn)生部分而賦予回旋流后向轉(zhuǎn)子盤供給，從而有可能大大降低它們(轉(zhuǎn)子盤和排放氣流)兩者之間在轉(zhuǎn)子盤旋轉(zhuǎn)方向上的旋轉(zhuǎn)速度差。再者，用于在固定葉片和活動葉片間密封的排放氣流在密封氣體供給氣流管道中流動，從而不會干擾回旋流產(chǎn)生部分中的上述回旋流。
再者，本發(fā)明第二方面所述的燃氣輪機，回旋流產(chǎn)生部分包括多個TOBI噴嘴(Tangential OnBoard Injection Nozzle)，當繞作為中心的轉(zhuǎn)子盤旋轉(zhuǎn)軸線在徑向由外側(cè)向內(nèi)側(cè)彎轉(zhuǎn)時，該噴嘴減小氣流管道橫截面積；形成的密封氣體供給氣流管道從TOBI噴嘴之間穿過。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明第二方面所述的燃氣輪機，能夠可靠地賦予流向轉(zhuǎn)子盤的氣流一個回旋作用。再者，能夠向固定葉片和活動葉片之間的間隙供給起密封作用的排放氣流，而不干擾回旋流。
根據(jù)本發(fā)明第三方面所述的氣體排放方法，用于燃氣輪機中，這種燃氣輪機包括，多個固定葉片，環(huán)繞在渦輪外殼的近側(cè)；多個活動葉片，環(huán)繞在臨近固定葉片的轉(zhuǎn)子盤的近側(cè)；在這種方法中，排放氣體在賦予與轉(zhuǎn)子盤同向旋轉(zhuǎn)的回旋流后，供給轉(zhuǎn)子盤；一部分排放氣體繞過回旋流供給到固定葉片和活動葉片之間。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明第三方面的氣體排放方法，由于排放氣流在賦予一個回旋流后供給轉(zhuǎn)子盤，因而能大大減小它們之間在轉(zhuǎn)子盤旋轉(zhuǎn)方向上的速度差。而且，用于密封固定葉片和活動葉片間的排放氣流不會干擾回旋流。


圖1是一局部截面圖，表示本發(fā)明燃氣輪機最佳實施例中引入的第一級設(shè)備的排放氣流管道。
圖2是截取圖1中箭頭A-A所示平面的結(jié)構(gòu)的截面圖，表示燃氣輪機這一部分的某些基本元件。
圖3是類似圖1的局部截面圖，表示傳統(tǒng)燃氣輪機中引入的第一級設(shè)備的排放氣流管道。
具體實施例方式
雖然本發(fā)明的燃氣輪機以及本發(fā)明的氣體排放方法的最佳實施例將在下文參考圖1和圖2進行描述，但是，本發(fā)明不僅限于這些實施例。圖1是局部截面圖，表示本發(fā)明燃氣輪機最佳實施例中引入的第一級設(shè)備的氣體排放氣流管道。圖2是圖1中箭頭A-A所示平面結(jié)構(gòu)的截面圖，表示燃氣輪機這一部分的某些基本元件。
再者，在下面的解釋中，排放氣流方向的上游側(cè)(圖1中左側(cè))稱為“上游側(cè)”，反過來，排放氣流方向的下游側(cè)(圖1中右側(cè))稱為“下游側(cè)”。再有，包括第一級轉(zhuǎn)子盤13的主旋轉(zhuǎn)部件的旋轉(zhuǎn)軸的方向(圖1中從左到右的方向)稱為“軸向”。
如圖1所示，本發(fā)明最佳實施例的燃氣輪機包括第一級設(shè)備10，它包括多個第一級固定葉片11，環(huán)繞在渦輪外殼的近側(cè)，第一級轉(zhuǎn)子盤13，與第一級固定葉片11相鄰，多個第一級活動葉片12環(huán)繞在第一級轉(zhuǎn)子盤13的外圍。可以理解，具有和第一級設(shè)備10相同結(jié)構(gòu)的第二級設(shè)備和第三級設(shè)備(兩者在圖中都未示出)安置于其下游側(cè)，三個設(shè)備同軸安置并相互接觸，從而每級的固定葉片和活動葉片沿軸向相互交替。
第一級活動葉片12以多個環(huán)繞第一級轉(zhuǎn)子盤13周圍設(shè)置，通過接收來自圖中未示出的燃燒器的燃燒氣體來旋轉(zhuǎn)驅(qū)動第一級轉(zhuǎn)子盤13。再者，第一級固定葉片11以多個以環(huán)繞方式設(shè)置在渦輪外殼的內(nèi)部，從而與第一級轉(zhuǎn)子盤13同軸。
包括第一級轉(zhuǎn)子盤13的每級的轉(zhuǎn)子盤相互軸向疊置，從而形成單一轉(zhuǎn)子，通過連接轉(zhuǎn)子元件18與其上游側(cè)的壓縮機的轉(zhuǎn)子(兩者在圖中均未示出)同軸連接。
附圖標記15表示排放氣體室，排放氣體室用于吸入通過圖中未示出的冷卻器冷卻后被壓縮機接收的排放氣體，排放氣體室15是一個環(huán)形空間，該環(huán)形空間形成在固定到第一級固定葉片11內(nèi)護罩11a內(nèi)側(cè)的第一隔壁16與配設(shè)在第一隔壁16內(nèi)側(cè)的第二隔壁17之間。
多個排放氣體引入孔16a繞轉(zhuǎn)子盤旋轉(zhuǎn)軸形成在第一隔壁16上，來自冷卻器的排放氣體F1通過這些排放氣體引入孔16a引入排放氣體室15。
第二隔壁17是一個管狀元件，圍繞第一級轉(zhuǎn)子盤13和連接轉(zhuǎn)子18的外圍同軸設(shè)置，在第一隔壁16內(nèi)側(cè)保持固定狀態(tài)。再者，于第二隔壁17的內(nèi)周面上在沿其橫向(它的軸向)的中心位置處，固定著一個噴嘴環(huán)19(在下文將詳細解釋)，其中形成有多個TOBI噴嘴19a。第一密封部分20固定到第二隔壁17的內(nèi)圓周表面，比噴嘴環(huán)19的位置位于更上游側(cè)(也可使用刷式密封或迷宮式密封)。再者，在上游側(cè)形成有噴嘴21，將排放氣體室15中的一部分排放氣體F1噴向連接轉(zhuǎn)子18的外圓周表面。另一方面，一對第二密封部分22固定在第二隔壁17的內(nèi)圓周表面，比噴嘴環(huán)19的位置位于更下游側(cè)(也可使用刷式密封或迷宮式密封)。
第一密封部分20和噴嘴21構(gòu)成一個密封機構(gòu)，可防止來自壓縮機的高溫氣體進入，并用于通過噴嘴21排出的密封氣流F2阻止高溫空氣進入。一部分密封氣流F2流到第一密封部分20的下游側(cè)，從而形成朝向第一級活動葉片12和第一級固定葉片11間的間隙C的密封氣流F3。
幾乎所有進入排放氣體室15的排放氣體F1，通過第一級轉(zhuǎn)子盤13上形成的冷卻氣流管道13a傳送到第一級活動葉片12，并用于從內(nèi)部冷卻這些第一級活動葉片12。
冷卻氣流管道13a是一個近似“L”形的氣流管道，它形成在第一級轉(zhuǎn)子盤主體13b的上游側(cè)表面(位于其與第一級固定葉片11相對一側(cè)的表面)與通過螺栓固定到上游側(cè)表面上的氣流管道隔壁13c之間。來自排放氣體室15的排放氣體F1通過TOBI噴嘴19a引入冷卻氣流管道13a，從而構(gòu)成已經(jīng)呈旋流狀態(tài)的冷卻氣流F4，這個冷卻氣流F4在仍保持旋旋狀態(tài)的同時沿第一級轉(zhuǎn)子盤13的旋轉(zhuǎn)軸方向流動，隨后它的流動方向折轉(zhuǎn)而朝向相對于作為中心的旋轉(zhuǎn)軸的徑向。
氣流管道隔壁13c是一個環(huán)形元件，它在密封空氣流F3和冷卻氣流F4之間起分隔作用，上述第二密封部分22設(shè)置在其外圓周表面和第二隔壁17的內(nèi)圓周表面之間。流過第二密封部分22的密封氣流F3，在沿氣流管道隔壁13c的外圓周表面流動后供給到第一級活動葉片12和第一級固定葉片11之間，并用以密封葉片12和11間的間隙C。
本發(fā)明最佳實施例的燃氣輪機特征特別體現(xiàn)在，吸入排放氣體室15的排放氣流f1引入冷卻氣流管道13a，密封氣流F3供給到第一級固定葉片11和第一級活動葉片12間的間隙C中，從而避免處于渦流狀態(tài)的冷卻氣流F4。
換言之，如圖2所示，噴嘴環(huán)19在垂直于軸向的橫截面看時形成為環(huán)形，并且，以其軸心(換言之，第一級轉(zhuǎn)子盤13的旋轉(zhuǎn)軸線)作為中心，多個TOBI噴嘴19a以近似相等的角間距形成其上，氣流管道的橫截面面積彎曲的同時沿徑向從外向內(nèi)逐漸變小。在已經(jīng)從噴嘴環(huán)19外圍(換言之，從排放氣體室15)進入TOBI噴嘴19a并已經(jīng)朝向其中心沿著徑向通過的排放氣流F1已從噴嘴環(huán)19的內(nèi)圓周側(cè)排放出來時，它成為回旋流(冷卻氣流F4)，沿著與第一級轉(zhuǎn)子盤13相同的轉(zhuǎn)動方向旋轉(zhuǎn)，因為它的方向已經(jīng)通過沿TOBI噴嘴19a的彎曲形狀被引導(dǎo)而逐漸變化。
已經(jīng)以此方式使之渦旋的冷卻氣流F4，在保持渦旋狀態(tài)的同時進入冷卻氣流管道13a上形成的多個盤孔13a1(參見圖1，以旋轉(zhuǎn)軸線為中心以輻射方式延伸的穿孔)，此時盤孔13a1以高速與作為旋轉(zhuǎn)體的第一級轉(zhuǎn)子盤13一起旋轉(zhuǎn)，但是，由于進入這些孔13a1的冷卻氣流F4是以相同方式和在相同方向上高速旋轉(zhuǎn)的，因此，就能夠大大減小在第一級轉(zhuǎn)子盤13的旋轉(zhuǎn)方向上它們之間的相對速度差，從而，冷卻氣流F4不會以任何方式對第一級轉(zhuǎn)子盤13的驅(qū)動施加任何制動作用。
冷卻氣流F4通過盤孔13a1以后，流進第一級活動葉片12上形成的氣流管道，其進而從其內(nèi)部冷卻第一級活動葉片12。
另一方面，由于密封氣流F3朝向間隙C流過圖1和圖2所示的密封氣體供給氣流管道19b，因而不會干擾冷卻氣流F4或干擾它的旋流狀態(tài)。
密封氣體供給氣流管道19b是多個旁路氣流管道，在其軸向上從其上游側(cè)朝向其下游側(cè)穿過噴嘴環(huán)19，這些管道從多個TOBI噴嘴19a之間穿過。已經(jīng)通過第一密封部分20從噴嘴21流到密封環(huán)19上游側(cè)表面的密封氣流F3，通過密封氣體供給氣流管道19b流到密封環(huán)19的下游側(cè)。這時，密封氣流F3通過，而不妨礙流過TOBI噴嘴19a的冷卻氣流F4。再者，密封氣流F3通過第二密封部分22后，沿氣流管道隔壁13c的壁表面流動，最后，經(jīng)由第一級活動葉片12的內(nèi)護罩12a與第一級固定葉片11內(nèi)部護罩11a間的間隙，流出進入燃燒氣體氣流管道，以便通過防止在該燃燒氣體氣流管道中經(jīng)由間隙C流出到外邊的燃燒氣體的泄漏來提供一個密封作用。
上述本發(fā)明最佳實施例的燃氣輪機采用所示的結(jié)構(gòu)，包括多個TOBI噴嘴19a，其將已經(jīng)吸入排放氣體室15的排放氣流F1在其賦予沿與第一級轉(zhuǎn)子盤13同向旋轉(zhuǎn)的回旋流后供給到第一級轉(zhuǎn)子盤13；還包括旁通TOBI噴嘴1 9a的密封氣體供給氣流管道1 9b，它將一部分排放氣流F1供給到第一級固定葉片11和第一級活動葉片12間的間隙C。按照這種結(jié)構(gòu)，流向第一級轉(zhuǎn)子盤13的冷卻空氣流F4，在借助通過TOBI噴嘴19a被賦予回旋流后，供給到第一級轉(zhuǎn)子盤13，因此，可防止第一級轉(zhuǎn)子盤13的驅(qū)動能量損失。再者，由于這種結(jié)構(gòu)安排，使在第一級固定葉片11與第一級活動葉片12之間實現(xiàn)密封的密封氣流流過密封氣體供給氣流管道19b，從而不會干擾流過TOBI噴嘴19a的冷卻氣流F4的回旋狀態(tài)。因此，能夠防止由于供向第一級轉(zhuǎn)子盤13的排放氣體造成的任何驅(qū)動能量的損失。
采用這種方式，不會發(fā)生驅(qū)動能量損失，因此，能夠防止與燃氣輪機相連的發(fā)電機(圖中未示出)的產(chǎn)生功率損耗的危險。
本發(fā)明，特別是如下述權(quán)利要求中所述，具有如下好處。
即，第一方面所述燃氣輪機的結(jié)構(gòu)包括，一個回旋流產(chǎn)生部分，在賦予排放氣體與轉(zhuǎn)子盤同向旋轉(zhuǎn)的回旋流后，將已輸入的排放氣體供向轉(zhuǎn)子盤；一個密封氣體供給氣流管道，它把一部分排放氣體供給到固定葉片和活動葉片間的間隙，而繞過回旋流產(chǎn)生部分。由于這種結(jié)構(gòu)，供給轉(zhuǎn)子盤的排放氣體通過回旋流產(chǎn)生部分時被賦予一個回旋流，因此，能夠防止任何轉(zhuǎn)子盤驅(qū)動能量的損失。再者，在固定葉片和活動葉片之間密封的排放氣流在密封氣體供給氣流管道中流動，因此不會干擾流過回旋流產(chǎn)生部分的排放氣體的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此，能夠減少由于向第一級轉(zhuǎn)子盤排放氣體而引起的驅(qū)動能量的損失。
再者，如第二方面中所述的燃氣輪機中，除了上述權(quán)利要求1中所述的結(jié)構(gòu)，采用了下述結(jié)構(gòu)，其中回旋流產(chǎn)生部分包括多個TOBI噴嘴，當繞作為中心的轉(zhuǎn)子盤旋轉(zhuǎn)軸線在徑向上從外向內(nèi)彎時減小了氣流管道橫截面面積，形成的密封氣體供給氣流管道在TOBI噴嘴之間穿過。按照這種結(jié)構(gòu)，能夠可靠地對流向轉(zhuǎn)子盤的氣流產(chǎn)生回旋作用。再者，能夠向固定葉片和活動葉片之間的間隙提供起密封作用的排放氣體，而不干擾這個回旋流。
再有，本發(fā)明第三方面中所述的燃氣輪機的氣體排放方法中，排放氣體在被賦予與轉(zhuǎn)子盤同向旋轉(zhuǎn)的回旋流后被供向轉(zhuǎn)子盤，并且，一部分排放氣體繞過回旋流，供給到固定葉片和活動葉片間的間隙。按照這種氣體排放方法，由于排放氣流在賦予回旋流后供給轉(zhuǎn)子盤，所以能減少轉(zhuǎn)子盤驅(qū)動能量的損失。再者，密封固定葉片和活動葉片間的排放氣流不干擾上述回旋流。因此，能夠減少由于向第一級轉(zhuǎn)子盤排放氣體而產(chǎn)生的驅(qū)動能量的損失。
應(yīng)該理解，雖然本發(fā)明按照最佳實施例并參考附圖做了說明，但這些實施例和附圖所述的各種具體特征并不限制本發(fā)明，任何實施例細節(jié)的變化和刪改，都包括在所附權(quán)利要求的保護范圍中。
權(quán)利要求
1.一種燃氣輪機，包括多個固定葉片，以環(huán)繞方式布置在渦輪殼體的近側(cè)；多個活動葉片，以環(huán)繞方式布置在鄰近上述固定葉片的轉(zhuǎn)子盤的近側(cè)；一個回旋流產(chǎn)生部分，將已經(jīng)輸入的排放氣體在其被賦予沿與所述轉(zhuǎn)子盤旋轉(zhuǎn)方向相同方向旋轉(zhuǎn)的回旋流后供給轉(zhuǎn)子盤；一個密封氣體供給氣流管道，其繞過所述回旋流產(chǎn)生部分將上述排放氣體的一部分供給到固定葉片和活動葉片之間的間隙。
2.如權(quán)利要求1所述的燃氣輪機，其中所述回旋流產(chǎn)生部分包括圍繞作為中心的轉(zhuǎn)子盤的旋轉(zhuǎn)軸線的多個TOBI噴嘴，其在徑向上從外側(cè)向內(nèi)側(cè)彎曲時氣流管道橫截面面積減少；并且，所述密封氣體供給氣流管道形成得在所述TOBI噴嘴之間穿過。
3.一種燃氣輪機的氣體排放方法，燃氣輪機包括呈環(huán)形布置在渦輪殼體近側(cè)的多個固定葉片，以及呈環(huán)形布置在鄰近上述固定葉片的轉(zhuǎn)子盤近側(cè)的多個活動葉片，其中，氣體在被賦予沿與轉(zhuǎn)子盤轉(zhuǎn)向相同方向旋轉(zhuǎn)的回旋流后供給到所述轉(zhuǎn)子盤；一部分排放氣體繞過上述回旋流后供給到所述固定葉片和所述活動葉片之間的間隙。
全文摘要
為了提供一種燃氣輪機和一種可防止由于氣體排放到轉(zhuǎn)子盤而引起驅(qū)動能量損失的氣體排放方法，排放氣體通過構(gòu)成氣流管道的多個TOBI噴嘴，賦予與第一級轉(zhuǎn)子盤相同轉(zhuǎn)向的回旋流，并供給到第一級轉(zhuǎn)子盤，其中一部分排放氣流被旁路，供給到第一級固定葉片和第一級活動葉片之間。
文檔編號F01D5/02GK1474037SQ03142760
公開日2004年2月11日 申請日期2003年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月30日
發(fā)明者由里雅則, 文森特·勞雷羅, 查爾斯·埃利斯, 野口滿弘, 藤井慶太, 勞雷羅, 埃利斯, 太, 弘 申請人:三菱重工株式會社