一种转子系统及燃气轮机的制作方法

本发明属于热机领域，具体涉及一种转子系统及燃气轮机。


背景技术：

燃气轮机主要由压气机、燃烧室和涡轮三大部件组成，并配以进气、排气、控制、传动和其他辅助系统，它以空气为介质，是一种将燃料燃烧产生的热能转换成机械功对外输出的回转式动力机械。其工作过程如下：靠涡轮驱动而旋转的压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩升压，压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合燃烧，成为高温燃气后流入涡轮中膨胀做功，做功后的燃气压力降至大气压力最终排入大气。燃烧加热升温后形成的高温燃气，其做功能力大大提高，使涡轮的出功明显大于压气机耗功，有较多富余的功对外输出以驱动负载。已有研究表明，燃气轮机的热效率和功率输出随涡轮进口温度的提高而增加，一般涡轮进口温度每提高40℃，燃气轮机输出功率可提高10％，热效率可提高1.5％[1]。然而涡轮进口温度的提高受制于直接暴露于高温燃气中涡轮叶片材料的耐受温度，以及涡轮叶片的冷却降温效果，大幅提高涡轮进口温度可能导致涡轮叶片结构强度降低，进而造成叶片变形或烧蚀故障。因此，涡轮叶片在一定程度上直接决定了燃气轮机的性能水平，如何在满足燃气轮机长寿命安全运行的前提下提高涡轮进口温度，是研发高性能燃气轮机的关键性技术难题。
[0001]
李笑堂,侯凌云,杨敏,等.现代燃气轮机技术[m].北京:航空工业出版社,2006:23-24.


技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种转子系统及燃气轮机，能够增强涡轮的冷却降温效果，进而可进一步提高涡轮进口温度，以提高燃气轮机的效率。本发明采用如下技术方案：第一方面，本发明实施例提供一种转子系统，包括转轴，轴向上依次安装于转轴的压气机和涡轮，以及位于转轴轴向一端的内空气轴承，其中，涡轮具有中空结构，并且包括相连接的涡轮内腔和涡轮气膜孔；转轴对应涡轮位置处具有轴连通孔，并且至少轴向一端具有轴内轴承腔，轴内轴承腔与轴连通孔通过轴内气路连通，轴连通孔通过涡轮的涡轮连通孔与涡轮内腔连通；内空气轴承延伸至轴内轴承腔内的部分与轴内轴承腔周向内壁之间形成气体轴承的气膜间隙，内空气轴承具有与轴内轴承腔连通的供气通道。进一步地，内空气轴承具有径向延伸且周向排布的多个第一气孔，第一气孔的进气口与气源连接，第一气孔的出气口朝向轴内轴承腔的周向内壁。进一步地，各第一气孔在轴向上的位置位于轴内轴承腔的外部开口与供气通道的出气口之间。进一步地，供气通道对应其出气口具有直径增大的扩口，第一气孔对应扩口开设。
进一步地，内空气轴承延伸至轴内轴承腔内的部分包括沿周向设置的内轴承环，第一气孔的一部分设置于内轴承环。进一步地，转轴对应内空气轴承的一端具有头锥，内空气轴承具有头锥供气孔。进一步地，头锥轴向远离内空气轴承的一侧设置有第二推力轴承。进一步地，通过供气通道提供的气体压力大于涡轮的涡轮前压力。进一步地，供气通道的进气口与压气机的排气端连接。进一步地，涡轮中的至少部分叶片包括多个涡轮气膜孔，涡轮气膜孔位于涡轮的叶片前缘、叶片后缘和/或叶顶。进一步地,位于叶片前缘的涡轮气膜孔呈阵列排布。进一步地,位于叶顶的涡轮气膜孔复用为涡轮处轴承喷孔。第二方面，本发明实施例提供一种燃气轮机，包括如上所述的转子系统，以及燃烧室，燃烧室的入口端与压气机的排气端连通，燃烧室的出口端设有导叶组件，导叶组件位于涡轮前。进一步地，涡轮还包括涡轮推力喷孔，涡轮推力喷孔的出气口朝向导叶组件的第一支座壁面。进一步地，燃气轮机还包括第二轴承座，内空气轴承通过阻尼组件安装于第二轴承座。根据本发明实施例的转子系统，在应用于燃气轮机时，通过设置具有中空结构的涡轮，在燃气轮机运行过程中在涡轮外壁面形成冷却气膜，对涡轮进行保护，从而可以进一步提高涡轮前燃气温度，以提高燃气轮机的效率。并且，通过在转轴内设置轴内轴承腔和轴连通孔，以及设置具有供气通道的内空气轴承，能够在实现转轴支撑的同时，为涡轮提供压力气，并通过空气轴承的气膜实现轴内轴承腔的端部气封，从而保证涡轮的供气稳定性，以使涡轮外壁面形成稳定的冷却气膜，保证冷却效果。
附图说明
通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征，附图并未按照实际的比例绘制。图1为根据本发明一个实施例的转子系统的结构示意图；图2为图1中涡轮的局部放大示意图；图3为图1中转轴的放大示意图；图4为图1中内空气轴承的一个实施例的结构示意图；图5为图1中内空气轴承的另一个实施例的结构示意图；图6为图1中内空气轴承的又一个实施例的结构示意图；图7为根据本发明另一个实施例的转子系统的结构示意图；图8为根据本发明又一个实施例的转子系统的结构示意图；图9为根据本发明再一个实施例的转子系统的结构示意图；图10为根据本发明实施例的转子系统中涡轮的一个实施例的结构示意图；图11为根据本发明实施例的转子系统中涡轮的另一个实施例的结构示意图；
图12为图11的b-b截面图；图13为根据本发明实施例的涡轮的流场的第一角度示意图；图14为根据本发明实施例的涡轮的流场的第二角度示意图；图15为根据本发明实施例的涡轮的温度场的示意图；图16为根据本发明一个实施例的燃气轮机的结构示意图；图17为图16中涡轮处局部放大示意图；图18为图16中内空气轴承处的一个实施例的局部放大示意图；图19为图16中内空气轴承处的另一个实施例的局部放大示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。燃气轮机的效率与涡轮前温度正相关。但是，当涡轮前温度过高，超过了涡轮材料的耐热极限时，涡轮无法正常持续的工作，因此，人们致力于开发具有更高耐热温度的材料，但是开发进度较为缓慢，并且新材料价格高，导致燃气轮机成本的大幅提高。发明人发现可以通过气膜冷却或液膜冷却的方式保护涡轮，以提高涡轮在更高的涡轮前温度下保持材料稳定性。但是仅利用涡轮的转动的离心力来提高冷却气压力往往低于或略微大于涡轮前的静压，这样不会形成有效的冷却气膜。而采用液膜冷却对冷却液的要求很高，例如去离子水，并且需要持续消耗冷却液，难以重复利用，导致成本的提高。因此，亟需一种转子系统，当其应用于燃气轮机，能够提高涡轮的冷却效果，进而可以通过提高涡轮前温度实现效率的提升，并且要保证冷却的持续并易于实现，以及控制制造和改造成本。为实现上述目的，如图1所示，图1为根据本发明一个实施例的转子系统的结构示意图。本发明提供一种转子系统，包括转轴100，轴向上依次安装于转轴100的压气机200和涡轮300，以及位于转轴100轴向一端的内空气轴承510。其中，压气机200可以是轴流式压气机、离心式压气机或斜流式压气机。在一些实施例中，压气机200可以包括压气机叶轮和扩压器。压气机200的进气端与外部环境连通以用于吸气，吸入的气体(例如空气)经过压气机200压缩后通过压气机200的排气端进入燃烧室中。涡轮300可以是轴流式涡轮。在其他实施例中，涡轮300也可以是离心式涡轮。涡轮300的材质可以是耐高温材料，例如镍或镍合金。涡轮300一般与燃烧室400的排气端相连，以接收来自于燃烧室400的高温燃气并利用高温燃气做功。具体地，如图2所示，图2为图1中涡轮的局部放大示意图，涡轮300具有中空结构，并且包括相连接的涡轮内腔320和涡轮气膜孔302。图1和图2示例性地示出涡轮300为中空涡轮，具体包括涡轮壳体310，涡轮内腔320由涡轮壳体310围绕形成，涡轮气膜孔302开设于
涡轮壳体310并连通涡轮内腔320。中空的涡轮300可以由两片或更多片的壳体件固定连接(例如焊接)而成。在其他实施例中，涡轮内腔320还可以是连通通道以为涡轮气膜孔302供气。在另一些实施例中，涡轮内腔320中可以设置挡板、挡柱或迷宫结构以增加涡轮内冷却效果，以进一步提高涡轮300的整体冷却效果。转轴100的材质可以是钢，也可以是其他合适金属、合金或复合材质。转轴100通过轴承支撑于燃气轮机的壳体或轴承座。该轴承优选为空气轴承，也可以是磁轴承或气磁混合轴承等其他非接触轴承。具体地，如图3所示，图3为图1中转轴的放大示意图，转轴100对应涡轮300位置处具有轴连通孔150，以通过转轴100内部经由轴连通孔150为涡轮300提供冷却气。并且，转轴100的至少轴向一端具有轴内轴承腔120，图3示出为轴内轴承腔120位于对应压气机200的一端，在其他实施例中轴内轴承腔120还可以位于与压气机200相对的另一端。轴内轴承腔120与轴连通孔150通过轴内气路140连通，轴连通孔150通过涡轮300的涡轮连通孔301与涡轮内腔320连通。这样，来自于外部的冷却气先进入到轴内轴承腔120，再经过轴内气路140和轴连通孔150进入到涡轮内腔320中，再通过涡轮气膜孔302喷出，以在涡轮300外壁面形成冷却气膜。相对于转轴100，内空气轴承510为定子部件，内空气轴承510例如可以安装于燃气轮机的壳体或轴承座内。内空气轴承510至少部分延伸至轴内轴承腔120内，内空气轴承510延伸至轴内轴承腔120内的部分与轴内轴承腔120周向内壁之间形成气体轴承的气膜间隙。内空气轴承510支撑转轴100转动，并且内空气轴承510位于转轴100一端以至少部分封闭轴内轴承腔120的开口，剩余间隙通过内空气轴承510运行过程中形成的气膜进行气封。内空气轴承510具有与轴内轴承腔120连通的供气通道511，以向轴内轴承腔120提供涡轮冷却气。根据本发明实施例的转子系统，当其应用于燃气轮机，通过设置具有中空结构的涡轮300，在转子系统应用于燃气轮机时，燃气轮机运行过程中在涡轮300外壁面形成冷却气膜，对涡轮300进行保护，从而可以进一步提高涡轮前燃气温度，以提高燃气轮机的效率。并且，通过在转轴100内设置轴内轴承腔120和轴连通孔301，以及设置具有供气通道511的内空气轴承510，能够在实现转轴100支撑的同时，为涡轮300供压力气，并通过内空气轴承510的气膜实现轴内轴承腔120的端部气封，从而保证涡轮300的供气稳定性，以使涡轮300外壁面形成稳定的冷却气膜，保证冷却效果。进一步地，通过供气通道511提供的气体压力大于涡轮300的涡轮前压力，这样能够保证冷却气能够顶住涡轮前压力通过涡轮气膜孔302喷出，以形成冷却气膜。具体地，供气通道511的进气口与压气机200的排气端连接，压气机200的排气端压力大于涡轮300的涡轮前压力。进一步地，如图4所示，图4为图1中内空气轴承的一个实施例的结构示意图，内空气轴承510具有径向延伸且周向排布的多个第一气孔512，第一气孔512的进气口与气源连接，第一气孔512的出气口朝向轴内轴承腔120的周向内壁。气源可以是外部气源，例如气泵。气源还可以是压气机200，例如第一气孔512的进气口与压气机200的排气端连通。图4中示出第一气孔512的进气口连接至供气通道511，供气通道511与气源连接，在其他可选的实施例中，第一气孔512的进气口也可以通过其他通道与气源连接。
具体地，各第一气孔512在轴向上的位置位于轴内轴承腔120的外部开口与供气通道511的出气口之间，以使得供气通道511的出气口处于轴内轴承腔120内部并可通过各第一气孔512实现气封。应用该转子系统的燃气轮机运行过程中，第一气孔512朝向轴内轴承腔120的周向壁面喷气以形成气膜，该气膜支撑转轴100旋转并且在转轴100与内空气轴承510之间形成气封，使得由内空气轴承510的供气通道511向轴内轴承腔120提供的涡轮冷却气尽量不泄漏，以保证冷却效果。在一些可选的实施例中，第一气孔512是阶梯孔，阶梯孔的孔径大端朝向内空气轴承510，阶梯孔可使进入的气流速度进一步增大，以进一步增强气膜强度。在一些可选的实施例中，第一气孔512沿轴向呈两圈以上设置，以增加出气量，保证气膜强度，增加内空气轴承510稳定性。在一些可选的实施例中，如图5所示，图5为图1中内空气轴承的另一个实施例的结构示意图，供气通道511对应其出气口具有直径增大的扩口513，第一气孔512对应扩口513开设。设置相比原供气通道511直径更大的扩口513，便于机械加工工具(例如勾刀)深入扩口513内加工第一气孔512的孔径大端，然后可以通过如激光打孔的方式加工出第一气孔512的孔径小端。在另一些可选的实施例中，如图6所示，图6为图1中内空气轴承的又一个实施例的结构示意图，内空气轴承510延伸至轴内轴承腔120内的部分包括沿周向设置的内轴承环512。内轴承环512呈环管状，其可过盈配合地套设于内空气轴承510的本体上。第一气孔512的一部分设置于内轴承环512，即沿内轴承环512的周向开设第一气孔512的一部分，第一气孔512的另一部分设置于内空气轴承510的本体上，两部分相连接并共同组成第一气孔512。如图6所示示例，在第一气孔512为阶梯孔时，第一气孔512的孔径小端设置于内轴承环512。本实施例的设置方式，能够便于加工第一气孔512，尤其是加工为阶梯孔的第一气孔512，加工方式例如可以为采用勾刀加工出内轴承环512的孔径大端，再通过激光加工出孔径小端。进一步地，如图7所示，图7为根据本发明另一个实施例的转子系统的结构示意图，转子系统还包括设置于压气机200与涡轮300之间的第一径向轴承520和第一推力轴承530。第一径向轴承520为套设于转轴100外周面的外置空气轴承。本文中所称空气轴承的气膜介质可以是单一成分气、环境空气体或其他混合成分气体。第一径向轴承520的数量可以为2个以上，2个以上的第一径向轴承520可以分设在第一推力轴承530轴向两侧。转轴100上设置有推力盘130，第一推力轴承530设置于推力盘130轴向两侧。在一些可选的实施例中，如图8所示，图8为根据本发明又一个实施例的转子系统的结构示意图，转轴100对应内空气轴承510的一端具有头锥160。头锥160可以一体成型于转轴100，也可以是通过如焊接、连接件连接的方式固定安装在转轴100上。头锥160轴向上朝向内空气轴承510的端部具有推力面。内空气轴承510具有头锥供气孔515，头锥供气孔515的进气端可以与供气通道511连通，头锥供气孔515的出气口朝向头锥160的推力面。头锥供气孔515喷出的压力气能够给予头锥160轴向推力，利于转子系统轴向上的力平衡。在其他实施例中，头锥供气孔515的进气端也可以通过其他通道接入气源。进一步地，如图9所示，图9为根据本发明再一个实施例的转子系统的结构示意图，头锥160轴向远离内空气轴承510的一侧设置有第二推力轴承540。第二推力轴承540可以根
据头锥160的表面形式设置为垂直的或倾斜的。第二推力轴承540能够进一步有利于转子系统轴向上的力平衡。在本实施例中，当头锥160和第二推力轴承540能够满足轴向推力需求时，可以去除推力盘130和第一推力轴承530，以缩短转轴100的长度，减小转轴100的重量，有利于提高转子系统的转动性能。进一步地，如图10所示，图10为根据本发明实施例的转子系统中涡轮的一个实施例的结构示意图，涡轮300中的至少部分叶片包括多个涡轮气膜孔302。涡轮气膜孔302位于涡轮300的叶片前缘和叶顶。位于叶片前缘的多个涡轮气膜孔302可以沿涡轮300的径向排布。涡轮气膜孔302位于不同位置，以满足各位置的冷却需求，以及对冷却气膜形成的精细控制。具体的，如图11和图12所示，图11为根据本发明实施例的转子系统中涡轮的另一个实施例的结构示意图，图12为图11的b-b截面图，位于叶片前缘的涡轮气膜孔302呈阵列排布，以应对不同区域和方向的冷却需求，并有利于气流引流。进一步的，如图11所示，位于叶顶的涡轮气膜孔302可以复用为涡轮处轴承喷孔。一方面，位于叶顶的涡轮气膜孔302用于叶顶处的冷却，另一方面，具有涡轮气膜孔302的叶顶与外部壳体之间可以形成径向气体推力，从叶顶的涡轮气膜孔302喷出的压力气能够在一定程度上径向支撑涡轮300，利于提高转子系统的转动稳定性。进一步的，如图11所示，涡轮气膜孔302还可以位于涡轮300的叶片后缘，从后缘的出气有利于气流引流。进一步如图13和图14，图13为根据本发明实施例的涡轮的流场的第一角度示意图，图14为根据本发明实施例的涡轮的流场的第二角度示意图，其中示出了涡轮气膜孔302在具有涡轮前压力的情况下喷气流场的示意图，喷气能够在涡轮300的叶片表面形成冷却气膜，并且冷却气贴着叶片表面向叶片后缘流动引流。进一步如图15所示，图15为根据本发明实施例的涡轮的温度场的示意图，左侧刻度尺为温度标尺，颜色越浅表示温度越高，从图中可见，本发明实施例提供的转子系统，能够有效降低涡轮300叶片温度，从而在更高的涡轮进口温度下保证材料性能，提高效率的同时满足燃气轮机长寿命安全运行的前提。如图16所示，图16为根据本发明一个实施例的燃气轮机的结构示意图，本发明还提供一种燃气轮机，包括前述任一实施例的转子系统，以及燃烧室400。其中，燃烧室400可以是环形燃烧室、单筒燃烧室、环管燃烧室等。燃烧室400可以绕转轴100设置，并且燃烧室400的入口端与压气机200的排气端连通，燃烧室400的出口端设有导叶组件700，导叶组件700位于涡轮300前。根据本发明实施例的燃气轮机，通过设置具有中空结构的涡轮300，在燃气轮机运行过程中在涡轮300外壁面形成冷却气膜，对涡轮300进行保护，从而可以进一步提高涡轮前燃气温度，以提高燃气轮机的效率。并且，通过在转轴100内设置轴内轴承腔120和轴连通孔301，以及设置具有供气通道511的内空气轴承510，能够在实现转轴100支撑的同时，为涡轮300供压力气，并通过内空气轴承510的气膜实现轴内轴承腔120的端部气封，从而保证涡轮300的供气稳定性，以使涡轮300外壁面形成稳定的冷却气膜，保证冷却效果。进一步的，燃气轮机还包括第一轴承座600，第一径向轴承520和第一推力轴承530可以安装于第一轴承座600内。
进一步的，如图17所示，图17为图16中涡轮处局部放大示意图，燃气轮机还包括导叶组件700，导叶组件700包括第一支座710、第二支座730和位于两个支座之间的具有轴向气道的叶片组720。涡轮300还包括涡轮推力喷孔305，涡轮推力喷孔305的出气口朝向导叶组件700的第一支座710壁面，涡轮推力喷孔305喷出的压力气能够形成轴向推力，利于燃气轮机的转子系统的轴向平衡。进一步地，涡轮推力喷孔305两侧可以设置有封气孔306，封气孔306的直径小于涡轮推力喷孔305的直径，封气孔306喷出的压力气能够形成气帘密封，以尽量封住涡轮推力喷孔305的喷气以提高推力。进一步的，如图18和图19所示，图18为图16中内空气轴承处的一个实施例的局部放大示意图，图19为图16中内空气轴承处的另一个实施例的局部放大示意图，燃气轮机还包括第二轴承座800，内空气轴承510通过阻尼组件830安装于第二轴承座800，其中阻尼组件830可以是复用为密封件的弹性件(例如密封圈)，阻尼组件830能够提供气封的同时补偿内空气轴承510的各向跳动。图18和图19分别示出了不同第二轴承座800的设置形式。第二轴承座800上设置有通道810以为供气通道511供气。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。依照本发明如上文所述的实施例，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。