[发明专利]一种考虑进口热斑的燃气透平导向器

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机透平导向器技术领域，是一种考虑进口热斑的燃气透平导向器，可提高燃气透平进口温度或降低透平叶片冷却所需冷气量，适用于燃气轮机中空气冷却的多级轴流透平。

背景技术

燃气轮机的透平叶片长期工作在极高的温度环境中，通常需要透平冷却技术的帮助来降低合金叶片的工作温度以保证叶片的长寿命要求。尤其是重型燃机，用于透平冷却的空气量很大，一定程度上降低了燃气轮机的效率。因此减少冷却空气的使用同时保证叶片的可靠性是透平冷却技术的主要目标。对于多级透平而言，各级中的动静叶片个数一般在几十至上百个，而叶片冷却设计是以叶片排整体的温度以及流动特性为依据进行统一的冷却设计，即全周每个导向器叶片和每个动叶片的冷却设计是完全一致的，冷气量也是完全一致的。工程上，不可能为叶片排中的每一个叶片单独设计冷却结构和单独提供冷气。对于透平级中的动叶片，采用统一的冷却设计没有问题，因为动叶的旋转使得每一个叶片的时均热负荷是一致的。而对于透平级中的导向器叶片，由于进口热斑(燃烧室出口温度场的不均匀)的存在，全周每个导向器叶片的热负荷并不完全一致，有时甚至差别很大，因此导向器叶片按照统一的冷却设计必然会导致各叶片的实际热负荷与设计所用冷气量的不对应。重要的是，为了保证叶片的可靠性，导向器叶片统一的冷却设计必须按照热斑核心的最高温度值进行，而热斑核心的最高温度通常比平均温度高15％-20％，由于全周每个导向器叶片并非均对应热斑最高温度，因此必然导致大部分叶片冷气量的浪费。

热斑对透平级叶片传热的影响是非定常的，目前有关热斑非定常流动机理的研究已经比较系统和完善，尤其是热斑与导向器之间周向位置关系(clocking)的研究表明，通过调节热斑的周向位置可以使导向器叶片避开热斑最高温度区的冲击，但对于透平级而言，要么静叶热负荷高，要么动叶热负荷高，二者之间较难平衡。同时，热斑与导向器之间的数比关系决定了热斑与导向器之间能否通过周向位置变动调节动静叶片的热负荷大小。只有在热斑与导向器数比为1∶1时，无论如何调整热斑与导向器的周向位置，全周每个导向器叶片的热负荷均完全一致。但在真实透平中，热斑与导向器个数比并非总是精确的1∶1。在不是一一对应的情况下，如何保证全周每个导向器叶片的热负荷一致对于统一冷却设计和减少透平叶片的冷气量有重要意义。

与动叶类似，如果将透平导向器叶片进行旋转显然能够得到完全一致的时均热负荷。然而目前燃气透平中的导向器均为静止设计，如果允许其旋转可能带来如下问题：第一，导向器叶片的冷气进气方式和内部冷却结构改变；第二，导向器进口冲角变化，须对气动设计做相应调整；第三，旋转导致叶片热负荷的周期变化，可能导致叶片热疲劳寿命降低；第四，如何实现低速旋转以及结构设计问题。

尽管实现导向器的低速旋转设计存在一系列问题，但允许导向器旋转所带来的优点仍然是不容忽视的。本发明主要强调了导向器旋转设计所体现的优势以及这一设计概念。

发明内容

本发明公开一种考虑进口热斑的燃气透平导向器，可使导向器叶片避开热斑最高温度区，全周每个导向器叶片的热负荷一致，并大量减少透平叶片的冷气量。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种考虑进口热斑的燃气透平导向器，包括导向器轮盘；其导向器的筒状导向器轮盘，环套于燃气透平的转动轴外圆，两者之间有空隙，空隙内均布有多个行星齿轮；在导向器轮盘内壁面设有内齿，转动轴外圆壁上，与导向器轮盘相对处设有外齿，行星齿轮同时分别与内齿、外齿动连接；

导向器与转子同方向或反方向做低速旋转；

导向器转速介于转子转速的1/50-1/10之间。

所述的燃气透平导向器，其在多级轴流透平中，各级透平导向器分别与透平转子同向或反向低速旋转。

所述的燃气透平导向器，其所述导向器的转速介于转子转速的1/50-1/10之间，其高低的选择以对导向器进口冲角影响较小为依据，并由导向器进口速度的大小和导向器所处的半径决定。

所述的燃气透平导向器，其所述导向器与转子同方向或反方向旋转，其转速的变化是通过行星齿轮的结构变化来实现的，即通过调整行星齿轮减速比调整导向器叶片转速。

所述的燃气透平导向器，其所述导向器与转子同方向或反方向旋转，其转动方向的变化是以多级行星齿轮来实现的，若导向器转动方向与转子转动方向相反，则导向器输出功；若导向器转动方向与转子转动方向相同，则导向器消耗功。