[发明专利]闭路冷却叶片涡轮机

说明书

本申请是申请号为00126100.2、申请日为2000年8月31日、发明名称为“闭路冷却叶片涡轮机”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及闭路冷却叶片涡轮机，通过在涡轮机活动叶片内供应致冷剂并加以循环和收集，从而改善了燃气轮机设备的性能。

背景技术

传统的涡轮机活动叶片冷却系统一般是闭路叶片冷却系统，其用于加热或冷却一个作为活动叶片固定构件的轮子，首先通过将从多级压缩机的选择的一级抽取的空气引至作为多级涡轮组的转子，缓和轮子中产生的温度梯度，然后通过在活动叶片内供应及循环空气而冷却并降低活动叶片金属的温度，在冷却后将空气排放进涡轮机原来的气体流路中。

但是，近来为了节约能源和环境保护，已经要求在燃气轮机设备中达到系统的高效率。作为实现高效率的手段，使用了一种闭路叶片冷却系统，在该系统的结构中，在活动叶片冷却之后，冷却介质(下文中称为致冷剂)被全部收集而不象原来那样作为废气排入涡轮机气体流路中，并且通过返回管路在压缩机和燃烧室之间返回。

因此，不仅以压缩机抽取致冷剂的损耗得到补偿，而且涡轮机冷却吸收的热能也在燃烧前加至气体中，因而实现了一种得到高效率改进的结构。

例如，在日本专利申请公开文本第7-189740号和日本专利申请公开文本第9-242563号中描述了这样的闭路叶片冷却系统或涡轮机。

同时，在这种闭路叶片冷却系统中，从静止侧供应的致冷剂一般通过单一的供应通路送至转子，第一级活动叶片(位于燃气轮机主气上游侧的活动叶片)的致冷剂和第二级活动叶片(设在第一级活动叶片下游侧的活动叶片)的致冷剂没有区别，而且当在冷却每个活动叶片之后从转子在静止侧收集时，是通过单一的收集通路收集的，第一级活动叶片的致冷剂和第二级活动叶片的致冷剂没有区别。因此，致冷剂送向第一级活动叶片和第二级活动叶片的分支点，以及从第一级活动叶片收集的致冷剂和从第二级活动叶片收集的致冷剂的合流部位都位于转子内。在转子中分支点和合流部位之间，安装着第一级活动叶片的致冷剂供应流路和致冷剂收集流路，以及第二级活动叶片的致冷剂供应流路和致冷剂收集流路，这些流路具有多条平行的致冷剂供应流路和多条平行的致冷剂收集流路，它们连接于在每级的活动叶片中的各致冷剂流路。

但是，在传统的闭路叶片冷却涡轮机中存在以下问题。

由于穿过第二级活动叶片的主气在第一级活动叶片中并不作动，在第二级活动叶片中的主气温度低于第一级活动叶片中的主气温度。当在燃烧室出口处的主气温度在1500℃的水平上时，在第一级活动叶片和第二级活动叶片之间的主气的温度差高于200℃。即使取决于材料特性，例如，材料种类、单晶体、多晶体等，第一级活动叶片的允许的金属温度高于第二级活动叶片的允许的金属温度，也不可能借助材料来补偿主气温度的高于200℃的温差，因此，第一级活动叶片要比第二级活动叶片以较高的流动速率供应致冷剂来冷却。

如上所述，在转子内部安装着第一级活动叶片的致冷剂流路(致冷剂供应流路和致冷剂收集流路)和第二级活动叶片的致冷剂流路(致冷剂供应流路和致冷剂收集流路)。在这种情形中，假定在活动叶片和转子中，第一级活动叶片的致冷剂流路的流动阻力和第二级活动叶片的致冷剂流路的流动阻力彼此相等，相同量的致冷剂分别流过第一级活动叶片和第二级活动叶片。

但是，如上所述，这样做在所需流动速率不同的第一级活动叶片和第二级活动叶片中就不能分配适当的致冷剂流动速率。也就是说，如果必须量的致冷剂送至第一级活动叶片，那么，过量的致冷剂就会流过第二级活动叶片，涡轮机的热效率就会降低。反之，如果必须量的致冷剂送至第二级活动叶片，那么，第一级活动叶片的致冷剂就会不足，第一级活动叶片将超过允许的金属温度。

在上面描述的基础上，即使在转子和活动叶片中的每一个中的致冷剂供应流路的横截面积和阻力在设计阶段被估计到，每条致冷剂流路在此基础上进行设计和制造，使每级的活动叶片中以适当的流动速率流动，对于每个产品来说，并且在组装和制造之后也容易引起实际变化，当第一级活动叶片和第二级活动叶片中的每一个的温度与设计值产生偏差时，必须根据第一级活动叶片和第二级活动叶片中的每一个的金属温度来调节所供应的致冷剂的流动速率分配。