用于透平喷嘴部件的侧壁对流冷却的方法和装置 【技术领域】
本发明总体上涉及透平，特别是涉及介于透平喷嘴部件的密封槽和热气通道之间侧壁的配合表面的对流冷却。
背景技术
至少一些已知的工业透平中，通过使冷却介质穿过形成为外带一部分的每个喷嘴部件的一个空腔，并穿过一个或多个用来冷却喷嘴的喷嘴叶片，并使其进入对应于内带部分中的一个空腔，从而使一个或更多个喷嘴级冷却。在一些喷嘴部件中，冷却介质接着流动穿过内带部分，并又穿过一个或多个喷嘴叶片，然后被排出。在其它的喷嘴部件中，冷却介质流动仅仅穿过每个喷嘴部件一次。每个喷嘴部件包括内带部分和外带部分以及一个或多个喷嘴叶片，并且尤其由铸造制成。
带部分的配合表面包括密封槽，密封槽用于容纳在相邻的带部分之间延伸的密封条。用于冷却一部分带部分的冲击空气由于密封槽的原因，不会到达介于密封槽和热气流之间的区域。在这个区域就会促进金属温度升高，而由于高热应力就会促进金属腐蚀和破裂。在一些已知的透平喷嘴中，冷却孔将冷却空气从透平腔室供给到配合表面。但是，这种配置需要冷却流流量的显著提高，并且会降低透平效率、提高加热速率。
【发明内容】
一方面，提供了一种透平喷嘴部件。该燃气透平喷嘴包括一个外带部分、一个内带部分、至少一个喷嘴叶片，该喷嘴叶片在所述内带部分和外带部分之间延伸，和至少一个冷却通道，该冷却通道轴向地至少部分地穿过所述外带部分和内带部分中的至少一个而延伸。所述至少一个喷嘴叶片，所述内带部分和所述外带部分形成一个用于流动热气流的流动通道。每个冷却通道包括至少一个进气口，每个所述进气口与流动的燃烧热气流相隔离。
另一方面，提供一种透平喷嘴部件，该透平喷嘴部件包括一个具有一外表面、一内表面和第一和第二配合侧表面的外带部分，一个具有一外表面、一内表面和第一和第二配合侧表面地内带部分，至少一个喷嘴叶片，该喷嘴叶片在所述内带部分的外表面和外带部分的内表面之间延伸，和至少一个冷却通道，该冷却通道轴向地至少部分地穿过所述外带部分和内带部分中的至少一个而延伸。所述至少一个喷嘴叶片，所述内带部分外表面和所述外带部分的内表面形成一个用于流动燃烧热气流的流动通道。每个冷却通道包括至少一个进气口，每个所述进气口与流动的燃烧热气流相隔离。
另一方面，提供一种冷却燃气透平喷嘴部件的内带部分和外带部分之间配合侧表面的方法。喷嘴部件包括一个外带部分、一个内带部分和至少一个喷嘴叶片，该喷嘴叶片在所述内带部分和外带部分之间延伸。所述至少一个喷嘴叶片，所述内带部分和所述外带部分形成一个用于流动燃烧热气的流动通道。该方法包括使一冷却介质流动穿过至少一个冷却通道，该冷却通道轴向地至少部分地穿过所述外带部分和内带部分中的至少一个而延伸。每个冷却通道包括至少一个进气口，每个进气口与流动的燃烧热气流相隔离。
另一方面，提供一种燃气透平装置。该燃气透平包括多个喷嘴级，所述喷嘴级包括多个喷嘴部件。每个喷嘴部件包括一个外带部分、一个内带部分、至少一个喷嘴叶片，该喷嘴叶片在所述内带部分和外带部分之间延伸，和至少一个冷却通道，该冷却通道轴向地至少部分地穿过所述外带部分和内带部分中的至少一个而延伸。所述至少一个喷嘴叶片，所述内带部分和所述外带部分形成一个用于流动热气的流动通道。每个冷却通道包括至少一个进气口，每个所述进气口与流动的燃烧热气流相隔离。
【附图说明】
图1是包括一个燃气透平的燃气透平系统侧剖视图。
图2是图1中所示出的透平喷嘴部件的透视简图。
图3是图2中所示出的透平喷嘴部件的内带部分截面简图。
图4是根据本发明的一种实施方式的透平喷嘴部件的透视简图，其中一些零件已经去除。
图5是图4中所示出的透平喷嘴部件的内带部分截面简图。
图6是根据本发明的另一种实施方式的透平喷嘴部件的内带部分截面简图。
图7是根据本发明的另一种实施方式的透平喷嘴部件的内带部分截面简图。
图8是根据本发明的另一种实施方式的透平喷嘴部件的内带部分截面简图。
【具体实施方式】
下面详细描述透平喷嘴，其中介于密封槽和热气通道之间的带部件的配合表面由喷嘴带部件中与之平行的流动空气利用对流进行冷却。在已知的透平喷嘴中，由于密封槽的原因，冲击冷却不会到达密封槽和热气流之间的区域。在这一区域中的金属温度就会升高，而由于高热应力就会促进金属腐蚀和破裂。在一些已知的透平喷嘴中，冷却孔将冷却空气从透平翼内腔供给到配合表面。但是，这样的配置需要冷却流量的显著增加，却降低透平效率，增加加热速率。下面所要描述的透平喷嘴应用了温度较低的空气，例如，压缩机排放的空气或从上游冲击区域向后排放的冲击空气，所述空气供给平行于配合表面而延伸的冷却通道，穿过喷嘴上部的和/或下部的带部分，从而利用对流冷却介于密封槽和热气通道之间的带部件的配合表面。
参照附图，图1是包括一个燃气透平20的一个燃气透平系统10。燃气透平20包括一个压缩机部分22，一个包括多个燃烧桶26的燃烧室部分24和一个利用透平轴29连接到压缩机部分22的透平部分28。多个透平叶片30连接到透平轴29上。在透平叶片30之间放置了多个不旋转的包括多个透平喷嘴32的透平喷嘴级31。透平喷嘴32与包围透平叶片30和喷嘴32的一个外壳或罩34相连接。热气流被导向穿过喷嘴32而冲击叶片30，从而使得叶片30围绕透平轴29旋转。
运转过程中，环境空气被引导进入压缩机部分22，在那里环境空气被压缩到其压力高于环境空气的压力。压缩后的空气被引导进入燃烧室部分24，在那里压缩空气和燃料合成，从而产生相对的高压、高速气体。透平部分28被构形成提取从燃烧室部分24流出的高压、高速气体所产生的能量。燃烧的燃料混合物产生所期望形式的能量，例如，电能、热能和机械能。在一种实施方式中，燃烧的燃料混合物产生以千瓦时(kWh)计量的电能。但是，本发明不限于产生电能，并且包括其它形式的能量，例如机械能和热能。燃气透平系统10一般通过由与燃气透平系统10相连接的自动化和/或电子控制系统(未示出)所产生的各种控制参数来进行控制。
图2是一种透平喷嘴部件40的透视简图，图3是透平喷嘴部件40的截面简图。参照图2和图3，在一种示例性的实施方式中，喷嘴部件40包括一个外带部分42，一个内带部分44和在内带部分42和外带部分44之间延伸的一个喷嘴叶片46。在可选择的实施方式中，喷嘴部件包括多个喷嘴叶片46。多个喷嘴部件40围绕透平轴周向地布置，并固定到透平罩上形成一个喷嘴级。
外带部分42包括一个外表面48，一个内表面50，第一和第二配合侧表面52和54，一个下游边56和一个上游边58。内带部分44包括一个外表面60，一个内表面62，第一和第二配合侧表面64和66，一个下游边68和一个上游边70。喷嘴叶片46在外带部分42的内表面50和内带部分44的外表面60之间延伸。喷嘴叶片46和外带部分42的内表面50以及内带部分44的外表面60则形成了一个用于燃烧热气流的气流通道72。热气流穿过气流通道72而流动，使得透平的转子叶片30(图1中示出)工作，从而使转子转动。
配合表面52，54，64和66包括周向延伸进入配合表面的密封槽74。密封槽74的尺寸为可以容纳密封条76。密封条76防止空气泄漏进入气流通道72。如图3所示，一块冲击板78与内带部分44的内表面62贴近放置。冲击冷却空气通过冲击板78而冷却内表面62。由于密封槽74的位置，冲击冷却空气不能用于冷却配合表面52，54，64和66的部分79，这一部分79位于密封槽74和热气流通道72之间。
再参照图4-6，为了冷却配合表面52，54，64和66的部分79，一个对流冷却通道80轴向地穿过外带部分42和/或内带部分44而延伸，并与配合表面52，54，64和66平行。对流冷却通道80位于密封槽74和热气流通道72之间。冷却通道80包括至少一个进气口82(示出2个)。冷却通道80的每个进气口82与热气流通道72相隔离，这样热气流就不会进入冷却通道80。进气口82允许低温空气进入并流过冷却通道80，从而向与冷却通道80相邻的金属(包括配合表面的部分79)提供对流冷却。低温空气可以是压缩机排出的空气和/或从上游冲击区域向后冲击的气流。有至少一个出气口允许冷却空气流出冷却通道80。出气口84向热气流通道72打开，从而允许失去效能的冷却空气排入气流通道72。一个出气口86向下游冲击区域开放，从而允许失去效能的冷却空气用作下游冲击冷却空气。一个出气口88允许失去效能的冷却空气排向配合表面区域，用于净化热气流的部件配合表面。图5中示出的示例性实施方式包括出气口84，86和88。但是，在可选择的实施方式中，冷却通道80可以包括出气口84，86和88的任意一个或任意组合。另外，在可选择的实施方式中，冷却通道80可以包括一个或多个每种出气口84，86和88。
在图5中，冷却通道80示出为具有长椭圆形横截面。但是，在图6示出的可替换实施方式中，冷却通道80可以具有一个圆形横截面，并且在图7示出的另一个可替换实施方式中，有两个平行的冷却通道80。另外，如图5所示，湍流发生器90延伸进入冷却通道80，从而增强湍流，加强冷却效果。在该示例性实施方式中，湍流发生器90包括肋91，这些肋91在冷却通道80的内表面92延伸，并相对于穿过通道80的冷却空气流成大约45到90度角而排列。在可替换的实施方式中，湍流发生器90包括冷却通道80内侧的任意合适的阻挡物，用于增强穿过通道80的湍流。
冷却通道80可以铸造或机加工成内带部分44或外带部分42中的内腔。而且，在如图8所示的实施方式中，冷却通道80可以通过利用一块金属板96来覆盖介于密封槽74和热气流通道72之间带部分44中的切口区域94来成形。特别是，金属板96将切口区域94的一部分密封起来，因此形成冷却通道80。
上面所述的透平喷嘴部件40通过使冷却空气穿过冷却通道80，利用对流冷却使得介于密封槽74和热气流通道72之间区域中的配合表面冷却。压缩机排放的气体和/或从上游冲击区域向后冲击的空气用于供给冷却通道80，而不需要提高穿过透平的所需冷却空气。对流冷却降低了金属温度，由于热应力下降也就减少了破裂。
虽然以各种具体实施方式的形式对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员能够认识到，在权利要求的精神和范围内，可以对本发明进行改进。