一种燃气轮机用闭式重复冷却流体网络与闭合回路终端结构

摘要

本发明公开了一种燃气轮机用闭式重复冷却流体网络与闭合回路终端结构，闭式重复冷却流体网络具体指结构上贯穿压气机与涡轮部件，具有自发动力与自适应调节功能的热端部件冷却气路集成系统，由若干条典型循环冷却闭合回路串并联构成的冷却系统流体网络，其中典型循环冷却闭合回路主要包括：转子内部冷却闭合回路、涡轮导叶冷却闭合回路与机匣冷却闭合回路。通过典型循环冷却闭合回路与典型循环冷却闭合回路终端结构可以实现被抽引的压缩气体在完成热端部件冷却后不经气膜孔排入主流，全部压缩气体回流至压气机，减小消耗大量压缩气体导致的效率损失与性能降低。

说明书

技术领域

本发明提出了一种燃气轮机用闭式重复冷却流体网络与闭合回路终端结构，应用于重型燃气轮机核心机的内冷空气系统(二次空气系统)，属于燃气轮机冷却技术领域。

背景技术

传统燃气轮机技术发展具有一定的局限性，努力提高涡轮进口温度的前提是不断提高的冷却能力与水平，设计新型冷却结构，开发新材料，但这些都无法避免一个客观问题，需要从压气机抽取(耗费)大量的高压气体对热端部件进行冷却，这又会消耗掉大部分通过提高涡轮进口温度带来的效益增幅，实质上是在效率的提升上形成了一种平衡与取舍。目前使用的先进燃气轮机从压气机抽取的冷却空气量已经超过高压压气机进口流量的18％，英国Rolls-Royce公司牵头，欧盟9家燃气轮机及航空发动机企业及5所高校在1995-2009年联合开展了ICAS-GT、ICAS-GT 2计划与MAGPI计划，其目的是减少冷却空气的使用量、降低燃油消耗率。美国机械工程师协会(ASME)与美国航空航天学会(AIAA)每年都会针对空气系统问题进行专题研讨。然而，诸多改型与设计(如轮缘密封设计、盘腔设计、预旋喷嘴设计、减涡器设计)并没有从原理上提出创新，没有打破传统空气系统的局限性，本发明更多地是倾向于一个被动设计与改型。

发明内容

本发明的目的在于设计一种应用于重型燃气轮机内部闭式的、冷却流体可重复的、冷却流体可回收的全新冷却模式，并基于闭式重复冷却流体网络设计理论提出对应的典型循环冷却闭合回路终端结构，可以突破重型燃气轮机热端部件的传统冷却方式，降低对封严冷却流体来流品质的要求，减小从高压压气机抽引流量，提升整机效率；此外，通过重复冷却系统设计减少传统空气系统调节阀的使用与控制的复杂程度，通过布置结构简单的闭式冷却回路使冷却系统层次清晰，“点对点”式开展冷却过程，减小冷却系统气路复杂性，提高发动机冷却系统可靠性，便于气路故障诊断于监测；基于冷却回路与重复冷却流体网络的自我调节功能，提高对发动机不同运行工况与载荷的适应能力，系统根据外界工况自我调节并完成引气-冷却-回流-排气-再次引气的一系列动作，降低对FADEC系统与人工操作的依赖。

本发明的目的是这样实现的：

本发明采用的技术方案为一种燃气轮机用内部闭式重复冷却流体网络与闭合回路终端结构。

冷却流体网络主要由三部分构成转子内部循环冷却闭合回路、涡轮导叶循环冷却闭合回路与机匣循环冷却闭合回路。它们基本的结构组成为引气结构、引气管线、热端冷却循环管线、回流管线和排气结构。引气结构采用管式减涡管的结构，为防止气流以自由涡形式发展导致较大压降，添加了一个径向管，使气流沿旋转管径向内流，能有效减小压降。添加旋转管后，在保证管内流动没有达到音速时，气流损失主要为气流进出管时产生。减涡管固定在定位环上。通过定位环将压气机盘腔分为两个腔室，以遏制强自由涡的形成。

对于闭式重复冷却网络，其主要特征包括：结构上贯穿压气机与涡轮部件，具有自发动力与自适应调节功能的热端部件冷却气路集成系统，并由若干条冷却回路串并联组成的冷却系统流体网络，冷却流体是可重复、可循环的。典型冷却回路包括：转子内部冷却闭合回路、涡轮导叶冷却闭合回路与机匣冷却闭合回路。闭式重复冷却流体网络系统可作为内冷空气系统或二次空气系统的子系统，主要承担空气系统中热端部件冷却的功能。典型循环冷却回路是闭式重复冷却流体网络系统的重要组成部分，每一条完整的自循环冷却回路都包含某一级压气机引气位置与引气结构、引气管线、热端部件冷却管线、回流管线与压气机某一级位置处排气结构。典型循环冷却回路终端结构主要包括压气机引气位置与引气结构与压气机某一级位置处排气结构。

本发明的优势在于：

通过闭式重复冷却流体网络系统与循环冷却闭合回路实现被抽引的压缩气体完成热端部件冷却任务后不经由气膜孔或间隙排入涡轮主流通道，全部压缩气体经回流气路回流至压气机某一级，经由循环冷却闭合回路的排气结构排入压气机主流通道，减小压缩气体消耗，减小压气机大量抽气造成的整机效率下降，突破高效航空发动机技术瓶颈。

传统二次空气系统利用压差驱动从压气机引气(抽气)行为完成对热端部件的冷却，并通过气膜孔或轮缘间隙等方式排入涡轮主流通道。闭式重复冷却流体系统冷却回路具有自发动力，具体是指利用压差驱动实现压气机引气(抽气)行为，同时完成该部分压缩气体在压差作用下完成热端部件冷却，并经由回流管线回流到压气机主流通道，压缩气体在整个近似封闭的冷却回路中不需要外界提供动力。除此之外，冷却回路与重复冷却系统具有自我调节功能，具体是指可以适应发动机不同运行工况与载荷，自我调节并完成引气-冷却-回流-排气-再次引气的一系列动作，大大降低了传统空气系统对调节阀与阀门精确控制要求。

另外，重复冷却流体系统可以避免传统航空发动机二次空气系统内部多条气路的分流与汇流现象(尤其是旋转分/汇流区域)，不仅降低了对封严冷却来流的需求，还可以避免不同支路流体分流与汇流过程中造成的气动效率损失，并且针对热端部件所需冷却位置与运行工况进行对应的冷却回路设计，每一条冷却回路独立，结构简单，故障诊断容易且具有极高的可靠性。

附图说明

图1重型燃气轮机内部闭式重复冷却流体网络与典型循环冷却闭合回路；

图2重型燃气轮机典型冷却循环闭合回路引气结构；

图3重型燃气轮机典型冷却循环闭合回路排气结构；

具体实施方式

本发明从设计层面上解决空气系统的原生问题，基于自发动力与自我调节思路设计全新闭式重复冷却流体网络，突破传统热端部件冷却方式，减小从高压压气机抽引气体流量，提升整机效率。依据闭式冷却回路设计原理与方法开展内部闭式重复冷却网络设计，建立热端部件温度与引气参数的关联机制，设计冷却回路的引气与排气终端结构，最终形成完整的“引气-冷却-回流-排气-再次引气”的闭环气路系统。

下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：

结合图1，本发明提出的闭式重复冷却流体网络贯穿整个核心机是具有自发动力与自适应调节功能的热端部件冷却气路集成系统，并由若干条循环冷却闭合回路串并联组成的冷却系统流体网络，典型循环冷却闭合回路包括：转子内部循环冷却闭合回路1、涡轮导叶循环冷却闭合回路2与机匣循环冷却闭合回路3。

完整的转子内部循环冷却闭式回路1包含压气机引气位置处的转子内部循环冷却闭式回路引气结构4、转子内部循环冷却闭式回路引气管线(气路)5、转子内部循环冷却闭式回路冷却管线(气路)6、转子内部循环冷却闭式回路回流管线(气路)7与压气机某一级位置处转子内部循环冷却闭式回路排气结构8。整个循环冷却闭式回路1布置在压气机转子9与涡轮转子10内部，转子内部循环冷却闭式回路引气结构4与转子内部循环冷却闭式回路排气结构8都在压气机转子9一侧。低温压缩冷气经由循环冷却闭式回路冷却管线(气路)6进入涡轮动叶11完成冷却后经由转子内部循环冷却闭式回路回流管线(气路)7回流至压气机转子9，经由子内部循环冷却闭式回路排气结构8排入压气机主流通道，在主流通道继续压缩后，再次由转子内部循环冷却闭式回路引气结构4引气，进而重复“引气-冷却-回流-排气-再次引气”动作，构成近似封闭的循环气路。

完整的涡轮导叶循环冷却闭合回路2包含某一级压气机引气位置处的导叶循环冷却闭合回路引气结构12、导叶循环冷却闭合回路引气管线(气路)13、导叶循环冷却闭合回路热端部件冷却管线(气路)14、导叶循环冷却闭合回路回流管线(气路)15与压气机某一级位置处导叶循环冷却闭合回路排气结构16。导叶循环冷却闭合回路引气结构12与导叶循环冷却闭合回路排气结构16都布置在压气机机匣17上，低温压缩冷气经由导叶循环冷却闭合回路热端部件冷却管线(气路)14进入涡轮导叶18完成冷却后经由导叶循环冷却闭合回路回流管线(气路)15回流至压气机转子9，经由导叶循环冷却闭合回路排气结构16排入压气机主流通道，在主流通道继续压缩后，再次由导叶循环冷却闭合回路引气结构12引气，进而重复“引气-冷却-回流-排气-再次引气”动作，构成近似封闭的循环气路。

机匣循环冷却闭合回路3包含某一级压气机引气位置处的机匣循环冷却闭合回路引气结构19、机匣循环冷却闭合回路引气管线(气路)20、机匣循环冷却闭合回路热端部件冷却管线(气路)21、机匣循环冷却闭合回路回流管线(气路)22与压气机某一级位置处机匣循环冷却闭合回路排气结构23。

结合图2给出了典型循环冷却闭合回路的压气机引气终端结构。引气结构是整个冷却回路的发起端，是重复冷却系统与主流相互作用最复杂的区域，发明人基于局部流场解析设计引气结构，基于热端部件冷却需求与热力参数计算获得压气机侧引气结构位置，提出具有较小引气压力损失的引气结构。压气机侧典型循环冷却闭合回路的引气结构包括转子内部循环冷却闭式回路引气结构4与导叶循环冷却闭合回路引气结构12。

结合图3给出了典型冷却自循环回路的压气机排气终端结构。排气结构是整个冷却回路的终端，排气结构同样位于压气机侧，经过热端部件冷却的循环回路中气体由排气结构排入压气机主流道，与主流混合后，再次经过气体压缩。发明人基于局部流场解析，设计并优化排气结构，确定排气结构位置，设计气流入射主流的气流角，减小排气造成的主流气动效率损失。排气结构位于引气结构的前若干级，具体排气位置需要基于热端部件冷却需求与热力学参数计算确定，由于引/排气结构全部布置在压气机内部，带有重复冷却系统封闭冷却回路与引/排气装置的压气机特性耦合计算是设计的前提。图3给出了位于压气机静叶尾缘的排气结构，排气孔孔型为圆形。