一种燃气轮机热端冷却结构及具有其的燃气轮机制造技术

本发明专利技术涉及一种燃气轮机热端冷却结构及具有其的燃气轮机，在环形弯管上设置环形冷却盖板，冷却盖板的背面设置肋板通道，由环形弯管上的冷却气流孔导入的冷却气流冲击在冷却盖板的背面，对冷却盖板进行快速冷却，同时也降低了冷却盖板正面附近区域的燃气温度；然后冷却气流向下游流动，对燃气涡轮导向器的安装边进行冷却。由于冷却盖板背面的肋板通道产生近似稳压腔的作用，可以使冷却气流掺混均匀，在导向器安装边的表面上形成一层冷却气膜，大大地改善了冷却效果。冷却气流继续向下游流动，对燃气涡轮导向器的外流道表面也形成了保护作用。通过采用该结构，可以起到明显改善涡轮冷却效果，延长涡轮，尤其是燃气涡轮导向器使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种燃气轮机热端冷却结构及具有其的燃气轮机
本专利技术涉及燃气轮机高温部件涡轮冷却领域，更具体地说，是采用新型结构，改进发动机热端二次空气系统流路形式。通过采用该结构，可以起到明显改善涡轮冷却效果，显著降低涡轮气动损失的目的，延长涡轮，尤其是燃气涡轮导向器使用寿命，从而提高涡轮性能，提升发动机竞争力。
技术介绍
现代燃气轮机，为了提高其性能，增大发动机推力，提高发动机效率，涡轮前温度不断提升。一般认为，涡轮前温度每提高55℃，发动机推力大约可以增加10％。目前，先进的发动机，其涡轮前温度甚至可以达到2000K，已经远远超过目前所有合金的熔点。日益提高的涡轮前温度使得发动机中涡轮等高温部件不得不承受更大的热负荷和动力负荷，导致其工作环境严重恶化，其后果便是发动机可靠性降低，寿命变短。据统计，发动机的故障，60％以上出现在高温部件中，且近年来有不断上升的趋势。究其原因，一个重要的原因是缺乏对高温部件进行有效的冷却。在发动机高温部件端，受涡轮前超高温度影响最大的是燃气涡轮导向器。从燃烧室流出的高温高压燃气将会直接冲击在燃气涡轮导向器表面，导致其热载荷急剧增大，工作环境极其恶劣；同时，受燃气涡轮导向器进出口及通道内压力的影响，燃气涡轮导向器将会受到较大的轴向载荷，这股推动力需要经过燃气涡轮导向器安装边向发动机安装节传递。因此，为了保证发动机的安全运行，确保燃气涡轮导向器的可靠工作显得尤为重要。在现有的发动机中，通常的做法是，在燃烧室内环布置周向的冷却气膜孔，从而达到保护导向器安装边的目的。但是这种方法，冷却气流直接射入主流中并与主流掺混，不仅冷却效果较差，而且对主流带来较大的扰动，影响了涡轮的气动性能；此外，在设计冷却气膜孔时，冷却气膜孔太少，冷却效果不明显；冷却气膜孔过密，虽然可以提高冷却效果，但是提高了加工难度，同时降低燃烧室内环的强度。为了解决这一问题，改进冷却效果，进一步提高发动机性能，亟需一种更加可靠的冷却方式。
技术实现思路
针对现有技术的缺点和不足，本专利技术旨在提供一种燃气轮机热端冷却结构及具有其的燃气轮机，用于燃气轮机高温部件，尤其是燃气涡轮导向器安装边的冷却布局方式，通过采用该新型冷却结构，优化二次空气系统流路，改进冷却效果，降低气动损失，从而提高发动机性能。为实现该目标，本专利技术采用的技术方案为：一种燃气轮机热端冷却结构，包括燃气涡轮导向器、环形弯管和冷却盖板，所述燃气涡轮导向器设置在燃气轮机燃烧室的出口处，其特征在于，所述环形弯管的外环侧面设置有第一台阶部和第二台阶部，所述第一台阶部的外径大于第二台阶部的外径，且所述第一台阶部靠近所述环形弯管的顶部设置，所述第二台阶部靠近所述环形弯管的底部设置，所述冷却盖板整体呈环形，所述环形冷却盖板固定且密封地套设在所述环形弯管的第一台阶部上，其中，所述环形冷却盖板的厚度和所述第一台阶部的厚度基本相当，所述环形冷却盖板固定在所述第一台阶部之后，所述环形冷却盖板的外表面和所述环形弯管的气动外表面之间光滑平顺过渡，所述环形冷却盖板的背面与所述环形弯管的第二台阶部之间形成安装所述燃气涡轮导向器安装边的卡槽，所述卡槽的宽度与所述燃气涡轮导向器安装边的厚度基本相当，所述燃气涡轮导向器的安装边固定且密封地套设在所述环形弯管的第二台阶部上，所述环形冷却盖板的背面设置有周向均布的肋板，相邻肋板之间形成沿周向均布的肋板通道，所述环形弯管的第二台阶部上沿其周向均匀布置若干个冷却气流孔，所述冷却气流孔的半径高度大于所述燃气涡轮导向器的安装边的半径高度，以确保由所述冷却气流孔导入的冷却气流不被燃气涡轮导向器的安装边挡住，由所述冷却气流孔导入的冷却气流射流冲击在所述环形冷却盖板的背面，对所述环形冷却盖板进行快速冷却，同时降低了所述环形冷却盖板正面附近区域的燃气温度，之后冷却气流向下游流动，在所述燃气涡轮导向器的安装边的外表面形成一层冷却气膜并对其进行冷却，冷却气流继续向下游流动，对所述燃气涡轮导向器的外流道表面进行冷却。本专利技术的燃气轮机热端冷却结构，其工作原理为：在燃气轮机运行过程中，来自燃烧室的高温燃气流入燃气涡轮导向器，导致燃气涡轮导向器的工作环境温度非常高，进而产生较大的热负荷。本专利技术通过在所述环形弯管的第一台阶部上设置所述环形冷却盖板，并在所述环形冷却盖板的背面设置肋板通道，通过来自空气系统的冷却气流通过所述环形弯管的第二台阶部上的冷却气流孔射流冲击在环形冷却盖板的背面(包括肋板表面与肋板通道表面)，对环形冷却盖板进行快速冷却，确保环形冷却盖板的安全工作，同时也降低了环形冷却盖板正面附近区域的燃气温度；然后冷却气流向下游流动，对燃气涡轮导向器的安装边进行冷却。由于环形冷却盖板背面的肋板通道产生近似稳压腔的作用，可以使冷却气流掺混均匀，在燃气涡轮导向器安装边的表面上形成一层冷却气膜，大大地改善了冷却效果。冷却气流继续向下游流动，对燃气涡轮导向器的外流道表面也形成了保护作用，由于主流燃气已经经过一次冷却(冷却盖板正面的冷却)，因此燃气温度有所降低。此时冷却气膜进一步形成二次保护，确保燃气涡轮导向器的外流道的安全工作。较优地，所述环形冷却盖板背面的肋板，其周向数量不小于3个。可选择地，所述肋板为直肋板、倾斜肋板、翼型肋板或者其他形式。较优地，所述环形冷却盖板的正面高半径处设计为光滑平面，且该光滑平面与背面的肋板表面应满足一定的平行度要求，以保证冷却盖板的装配。较优地，所述环形冷却盖板的正面较低半径处设计为引导斜面，并与所述环形冷却盖板的正面高半径处的光滑平面光顺转接，以避免产生激波或者膨胀波等气动结构，增加气动损失。较优地，所述环形冷却盖板的正面，应保证表面粗糙度要求，以减小气流的摩擦热效应。较优地，所述环形冷却盖板通过焊接的方式固定在所述环形弯管的第一台阶部上。较优地，在选用焊接方式固定时，所述环形冷却盖板的厚度略小于所述环形弯管的第一台阶部的宽度，且焊接完后应对焊接位置进行打磨，防止存在局部凸起。可选择地，也可采用螺栓连接的方式将所述环形冷却盖板安装固定在所述环形弯管的第一台阶部上。较优地，在采用螺栓连接方式时，所述环形冷却盖板的厚度与所述环形弯管上用于安装冷却盖板的第一台阶部的宽度相等。较优地，采用螺栓连接方式时，应将螺栓孔设计在所述环形冷却盖板的背面，以避免螺栓凸起结构处于主流道内，增加气动损失。较优地，所述卡槽的宽度略大于所述燃气涡轮导向器安装边的厚度，以确保可以将所述燃气涡轮导向器安装边固定在所述环形冷却盖板与环形弯管的第二台阶部组成的卡槽内，不会由于过定位对装配产生干涉。较优地，燃气涡轮导向器的安装边与所述环形冷却盖板的背面、所述环形弯管的第二台阶部的配合端面之间满足一定的平面度和平行度要求，以确保本专利技术的最佳使用效果。较优地，所述环形弯管上的冷却气流孔数量不少于3个。根据本专利技术的另一方面，本专利技术还提供了一种具有上述热端冷却结构的燃气轮机。本专利技术的燃气轮机热端冷却结构及具有其的燃气轮机，改进了燃气轮机中燃气涡轮导向器的冷却方式，与现有技术相比，至少具有以下显著的技术效果：1)由于冷却气流孔喷入的冷却气流不直接射入燃气涡轮的高温主流中，因此可以减少冷却气流与高温主流的气动掺混损失；2)冷却气流通过环形弯管上的冷却气流孔，对环形冷却盖板的背面进行冲击冷却，可以大幅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃气轮机热端冷却结构，包括燃气涡轮导向器、环形弯管和冷却盖板，所述燃气涡轮导向器设置在燃气轮机燃烧室的出口处，其特征在于，所述环形弯管的外环侧面设置有第一台阶部和第二台阶部，所述第一台阶部的外径大于第二台阶部的外径，且所述第一台阶部靠近所述环形弯管的顶部设置，所述第二台阶部靠近所述环形弯管的底部设置，所述冷却盖板整体呈环形，所述环形冷却盖板固定且密封地套设在所述环形弯管的第一台阶部上，其中，所述环形冷却盖板的厚度和所述第一台阶部的厚度基本相当，所述环形冷却盖板固定在所述第一台阶部之后，所述环形冷却盖板的外表面和所述环形弯管的气动外表面之间光滑平顺过渡，所述环形冷却盖板的背面与所述环形弯管的第二台阶部之间形成安装所述燃气涡轮导向器安装边的卡槽，所述卡槽的宽度与所述燃气涡轮导向器安装边的厚度基本相当，所述燃气涡轮导向器的安装边固定且密封地套设在所述环形弯管的第二台阶部上，所述环形冷却盖板的背面设置有周向均布的肋板，相邻肋板之间形成沿周向均布的肋板通道，所述环形弯管的第二台阶部上沿其周向均匀布置若干个冷却气流孔，所述冷却气流孔的半径高度大于所述燃气涡轮导向器的安装边的半径高度，由所述冷却气流孔导入的冷却气流射流冲击在所述环形冷却盖板的背面，对所述环形冷却盖板进行快速冷却，同时降低了所述环形冷却盖板正面附近区域的燃气温度，之后冷却气流向下游流动，在所述燃气涡轮导向器的安装边的外表面形成一层冷却气膜并对其进行冷却，冷却气流继续向下游流动，对所述燃气涡轮导向器的外流道表面进行冷却。...

【技术特征摘要】
1.一种燃气轮机热端冷却结构，包括燃气涡轮导向器、环形弯管和冷却盖板，所述燃气涡轮导向器设置在燃气轮机燃烧室的出口处，其特征在于，所述环形弯管的外环侧面设置有第一台阶部和第二台阶部，所述第一台阶部的外径大于第二台阶部的外径，且所述第一台阶部靠近所述环形弯管的顶部设置，所述第二台阶部靠近所述环形弯管的底部设置，所述冷却盖板整体呈环形，所述环形冷却盖板固定且密封地套设在所述环形弯管的第一台阶部上，其中，所述环形冷却盖板的厚度和所述第一台阶部的厚度基本相当，所述环形冷却盖板固定在所述第一台阶部之后，所述环形冷却盖板的外表面和所述环形弯管的气动外表面之间光滑平顺过渡，所述环形冷却盖板的背面与所述环形弯管的第二台阶部之间形成安装所述燃气涡轮导向器安装边的卡槽，所述卡槽的宽度与所述燃气涡轮导向器安装边的厚度基本相当，所述燃气涡轮导向器的安装边固定且密封地套设在所述环形弯管的第二台阶部上，所述环形冷却盖板的背面设置有周向均布的肋板，相邻肋板之间形成沿周向均布的肋板通道，所述环形弯管的第二台阶部上沿其周向均匀布置若干个冷却气流孔，所述冷却气流孔的半径高度大于所述燃气涡轮导向器的安装边的半径高度，由所述冷却气流孔导入的冷却气流射流冲击在所述环形冷却盖板的背面，对所述环形冷却盖板进行快速冷却，同时降低了所述环形冷却盖板正面附近区域的燃气温度，之后冷却气流向下游流动，在所述燃气涡轮导向器的安装边的外表面形成一层冷却气膜并对其进行冷却，冷却气流继续向下游流动，对所述燃气涡轮导向器的外流道表面进行冷却。2.根据上述权利要求所述的燃气...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘军，柳光，杜强，王沛，刘红蕊，徐庆宗，杨晓洁，胡春艳，高金海，胡嘉麟，郭宝亭，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11