CN101208497B - 用于燃气轮机的隔热板和透平导向叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种尤其用于燃气轮机装置的流体壳体，其具有至少一个导向叶片以及至少一个隔热元件。按本发明用于热燃气流通的流体壳体具有围成一流动路径的壁结构(102，113，107)，至少一个集成在壁结构上用于在流动路径中导流的导向叶片(103)，其中，所述导向叶片(103)具有带有平台表面(108，110)的叶片平台(107，109)，所述平台表面构成流动路径的一壁段，所述流体壳体还具有一个设置在壁结构的支承结构(102)上的隔热板，其带有与叶片平台(107，109)之间构成间隙并直接前置在所述叶片平台上游的隔热元件。所述隔热元件具有一背向支承结构(102)的、形成流动路径一壁段的热燃气表面(114)。导向叶片(103)和隔热元件(113)是这样彼此相对设置的，即，热燃气侧的隔热表面(114，214，314，414)相对于流动路径较平台表面(108，110，208，308，408)更靠里或者热燃气侧的隔热表面(114，214，314，414)至少与平台表面(108，110，208，308，408)平齐。

Description

用于燃气轮机的隔热板和透平导向叶片

本发明涉及一种流体壳体，其具有围成流动路径的壁结构，具有至少一个集成在壁结构上用于在流动路径中导流的导向叶片以及设置在壁结构上的隔热板。本发明尤其涉及一种用于燃气轮机装置的流体壳体。此外，本发明还涉及一种用于流体壳体的导向叶片和隔热元件。

用于热燃气流通的流体壳体通常包括带有支承结构的壁结构和朝向壳体内部位于支承结构之前的隔热板。隔热板应防止支承结构过度受热以及腐蚀和/或氧化。在这种流体壳体内也常常设置用于导流的导向叶片。例如可以在燃气轮机装置中将燃烧室和在流动方向上连接在下游的透平部分看作流体壳体。在此，在从燃烧室到透平部分的过渡区域设置用于引导热燃气流的导向叶片。

为了允许暴露在热燃气中的流体壳体元件热膨胀，这些元件之间常常留有间隙地相邻。为了防止热燃气进入间隙，可通过这些间隙将冷却空气送入流动路径内。在此，流出的冷却空气的压力应高于朝向冷却空气间隙流动的热燃气的压力。

这种冷却空气间隙例如位于燃气轮机装置中燃气轮机装置的燃烧室及其透平部分之间的过渡区域，更准确地说是位于设置在燃烧室和透平部分之间区域的燃烧室隔热元件和在流动方向上与隔热元件相邻的透平部分的导向叶片之间。

当在这些冷却空气间隙的区域内形成阻塞点时，将会造成热燃气在这些阻塞点的区域内逆通常的流动方向流动。此外，由于阻塞产生阻塞压力在某些情况下会高于从隔热元件和导向叶片之间的冷却空气间隙流出的冷却空气的压力。因为冷却空气优先从热燃气压力低的区域中的间隙流出，所以，当某个位置发生阻塞时就会降低该处的冷却。因此会导致提高热负荷。此外，也可能发生的是，热燃气在阻塞点的压力是如此之大，以至于热燃气能克服冷却空气流进入间隙，从而导致邻近壁结构的腐蚀增大。其结果便是鉴于燃气轮机装置的检测或检查更经常地更换部件和/或焊接修理。

为了避免上述问题点，通常提高冷却空气的供给。然而，这种方法会导致燃气轮机装置效率降低并导致有害排出物的增加。

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于热燃气流通的流体壳体，尤其是用于燃气轮机装置的流体壳体，在按本发明的流体壳体中可以在不增大冷却空气供给时相对现有技术降低流体壳体在隔热元件和与之相邻的导向叶片之间区域的热负荷。本发明所要解决的另一技术问题是提供一种可有利地用于流体壳体构造的壳体部件。

第一个技术问题通过一种用于热燃气流动的流体壳体解决，其具有围成一流动路径的壁结构，至少一个集成在壁结构上用于在流动路径中导流的导向叶片，该导向叶片具有带有前缘的叶片，其中，所述导向叶片具有带有平台表面的叶片平台，所述叶片平台形成流动路径的一壁段并具有一在朝所述隔热元件方向前置于所述前缘的表面区域，所述表面区域形成流动路径的一壁段，以及一个设置在壁结构的支承结构上的隔热板，该隔热板带有与叶片平台之间构成间隙并且直接前置在所述叶片平台上游的隔热元件，所述隔热元件具有一背向于支承结构的、形成流动路径一壁段的热燃气侧的隔热表面，其中，所述导向叶片和所述隔热元件这样地彼此相对设置，即，所述热燃气侧的隔热表面设置成至少与所述平台表面平齐，所述隔热元件部分搭接在所述叶片平台上，并且所述叶片平台的棱边具有一横向于流动方向延伸的凹槽，并且所述隔热元件在其朝向叶片平台的一侧具有一与所述热燃气表面齐平并突入所述叶片平台的凹槽的桥形接片；第二个技术问题通过一种用于燃气轮机装置的的导向叶片解决，该导向叶片具有一前缘和在流入方向上前置于所述前缘的表面区域，所述在流入方向上前置于所述前缘的表面区域在流入侧具有带有横向于流入方向延伸的凹槽的棱边段；或通过一种用于燃气轮机装置的隔热元件解决，其具有一面向热燃气的热燃气表面和一桥形接片，所述桥形接片设置在所述隔热元件于流出方向一侧的棱边上并且具有与所述热燃气表面齐平的桥接片表面，所述桥形接片具有至少一个槽和/或所述桥形接片是分段的。

一种用于热燃气流通的流体壳体，尤其是作为可用于燃气轮机装置的流体壳体设计的流体壳体，其包括围成一流动路径的壁结构，至少一个集成在壁结构上用于在流动路径中导流的导向叶片以及一布置在壁结构的支承结构上的隔热板。

导向叶片配设有也称作叶根或叶片顶部的叶片平台。叶片平台具有构成流动路径一壁段的平台表面。为了在流动的热燃气前保护叶片以及叶片平台，叶片及叶片平台可具有绝热的以及抗腐蚀和/或抗氧化的涂层。

隔热板包括一与叶片平台之间形成间隙并且直接前置在所述叶片平台上游的隔热元件，该元件具有背向壁结构的热燃气侧的隔热表面，所述隔热表面构成流动路径的一壁段。隔热元件通常由金属制成并且可具有绝热的以及抗腐蚀和/或抗氧化的涂层。

在按本发明的流体壳体中，导向叶片和隔热元件这样地相对彼此设置，即，热燃气侧的隔热表面相对于流动路径较平台表面更靠里或者热燃气侧的隔热板表面至少与平台表面齐平。通过这种方法，热燃气侧的隔热表面(接下来称作热燃气表面)和平台表面为热燃气形成一个没有阻塞点的导引面，所述导引面在隔热板表面和平台表面齐平对齐时没有梯度。

由于所述对齐可以有效地避免导向叶片前的阻塞点，因此，在这些区域不会产生热燃气压力的升高。因此也允许在不提高冷却空气用量的情况下避免间隙区域的过热及其腐蚀和/或氧化的增加。总的来说，由此可以延长零部件的寿命并且降低检测或检查的费用。

在按本发明的流体壳体的一个有益的设计中，导向叶片具有一个前缘并且叶片平台具有一个在朝隔热元件方向置于前缘之前的表面区域。所述前置的表面区域形成流动路径的一壁段。所述表面区域尤其可以这样设计，即，其与隔热元件的热燃气表面平齐的对齐。此外，当该表面区域具有朝向隔热元件的小曲率半径的棱边时，前置表面部分的导引热燃气通过的表面可以尤其靠近冷却空气孔并从而尤其靠近隔热元件的导引热燃气通过的表面，因此不会产生梯度。

在流体壳体的一个尤其有利的设计中是这样设计的，即，在加载流动的热燃气时导向叶片的纵向膨胀不被阻碍。此外，隔热元件的材料参数(Materialparameter)是这样选择的，即，隔热元件在加载流动的热燃气时，其热燃气表面在叶片纵向膨胀时跟随叶片平台的表面变形。

典型地，与导向叶片相邻的隔热元件在中间区域与流体壳体的支承结构拧紧。通过适当的选择材料参数可以实现隔热元件的各边缘相对于拧紧的中间区域规定地弯曲。隔热元件尤其可以这样固定在支承结构上，即，在隔热元件朝向叶片平台的部分和至少在冷却状态，也就是说在没有加载热燃气的状态时的隔热元件的支承结构之间留有间隙。当热燃气流过流体壳体时，导向叶片在纵向膨胀，因此叶片平台的表面和隔热元件的表面在没有其它措施的情况下不再平齐。然而，通过适当的选择隔热元件的材料参数可以实现隔热元件在加载热燃气时的弯曲这样进行，即，隔热元件朝向导向叶片的部分和支承结构之间的间隙缩小或完全封闭。换句话说，在加载热燃气时，热燃气表面朝向叶片的部分向支承结构运动，并且从而在导向叶片纵向膨胀时跟随叶片平台的表面。

在按本发明的另一有利的设计中，隔热元件具有一个朝向叶片平台的、由热燃气表面朝支承结构方向弯曲的周边，在该周边上设置有冷却空气孔。所述冷却空气孔可以用于有针对性地调节流出的冷却空气量。冷却空气流的优化可以通过冷却空气孔不同的分布实现。各冷却空气孔尤其可以布置在热燃气表面附近。各冷却空气孔导致尤其有利的冷却空气流并且在某些情况下甚至可用于在叶片平台表面的区域产生冷却空气薄膜(Kühlluftfilm)。

当隔热元件部分搭接在叶片平台上时尤其有利。通过这种方法可以避免热燃气进入叶片平台和隔热元件之间的间隙并从而特别有效地防止热燃气侵入间隙区域。此外，可以减少为阻止热燃气进入间隙所需要的冷却空气用量。

搭接例如可由此实现，即，叶片平台的棱边具有一横向于流动方向延伸的凹槽并且隔热元件在其朝向叶片平台的侧面具有一与其热燃气表面齐平并且突入叶片平台的凹槽的桥形接片。在这种情况下，桥形接片可以这样紧密地贴靠在凹槽中，即，在桥形接片和凹槽底部之间的冷却空气间隙几乎完全封闭。当桥形接片具有一个槽，优选甚至多个槽时是尤其有利的。这些槽在间隙封闭时也使冷却空气能够流出。可选地，冷却空气的流出也可以由此保证，即，桥形接片分段地设计。

所述流体壳体可以特别有利地应用在燃气轮机装置中。

一种按本发明的尤其可作为用于燃气轮机装置导向叶片设计的导向叶片，具有一前缘和一在流入方向上(也就是说从该方向进行流入)位于前缘之前的表面区域。表面区域在流入侧可具有一段小曲率半径的棱边。此外，在该段棱边上可存在一横向于流入方向延伸的凹槽。这种类型的导向叶片可以用于构建按本发明的流体壳体。

一种按本发明的尤其可设计用于燃气轮机装置的隔热元件，具有一面向热燃气的热燃气表面和一桥形接片。桥形接片在位于流出方向(也就是与流入方向相反的方向)的棱边上具有一与热气表面平齐的桥形接片表面。所述桥形接片表面尤其可具有一个或多个槽或分段地设计。这种类型的隔热元件可以用于构建按本发明的流体壳体。

在隔热元件一非常有利的设计中，其材料参数是这样选择的，即，隔热元件在加载热燃气时进行规定的、与其在热燃气路径中安装位置处的几何结构情况相协调的变形。这种类型的隔热元件可使其热燃气表面这样地跟随例如一个在加载热燃气时纵向膨胀的导向叶片，即，热燃气表面在叶片纵向膨胀时继续几乎完全与叶片平台的一个表面平齐地对齐。

当在流出侧的、从热燃气表面弯折的周边上设置冷却空气孔时，可通过隔热元件在朝例如一个相邻的导向叶片方向进行规定的冷却空气供给。当冷却空气孔设置在热燃气表面附近是尤其有利的，因为必要时可以通过一相邻的元件的表面，例如通过一个相邻的导向叶片的叶片平台的表面形成冷却空气薄膜。

接下来借助附图说明实施例，得出本发明其它的特征，特性和优点。

图1表示现有技术中的流体壳体的部分剖切图。

图2表示按本发明流体壳体的第一实施例。

图3表示按本发明流体壳体的第二实施例。

图4表示按本发明流体壳体的第三实施例。

图5表示按本发明流体壳体的第四实施例。

图6表示按本发明隔热元件的第一实施例。

图7表示按本发明隔热元件的第二实施例。

图8表示图6所示隔热元件的一种可选的变形。

为了明确本发明相对现有技术的优点，接下来首先借助附图1说明按现有技术的流体壳体。

图1示出了燃气轮机装置的局部剖视图，其在剖开的侧视图中示出了燃烧室1的一段以及第一透平导向叶片3。该透平导向叶片3包括一个叶片5和两个叶片平台，也就是叶根7和叶片顶部9。燃气轮机装置的燃烧室1和透平部分的壁共同形成用于热的燃烧废气的流体壳体。

在燃烧室1上示出了支承结构2以及固定在其上面的金属隔热元件13。隔热元件13和叶片平台(Schaufelplattform)7，9都具有面对流动热燃气的热燃气表面8，10，14。所述热燃气表面配设有绝热的涂层以及设置于绝热涂层之下的防腐蚀和防氧化涂层。

在隔热元件13和叶片平台7，9之间存在冷却空气间隙15，为了阻止热燃气进入间隙15，通过所述冷却空气间隙将空气送入流动壳体的内部。所述间隙用于允许隔热元件13之间的因受热导致的相对运动。

如图1所示，在间隙15的区域内，在隔热元件13和叶片平台7，9两者的导引热燃气通过的表面之间存在梯度。在该梯度附近可造成流动热燃气的阻塞，有时甚至能使热燃气的流动方向局部倒转。因此，梯度造成了阻塞点以及与阻塞点相关的前述问题。

图2表示按本发明的流体壳体的第一实施例。流体壳体是燃气轮机装置的一部分并且一方面由燃烧室的壁，另一方面由燃气轮机装置的透平部分形成。与图1相同，图2示出了流动壳体的局部剖切图，其中示出了燃烧室101和透平部分的第一导向叶片103之间的过渡。导向叶片103包括叶片105以及两个叶片平台，也就是叶根107和叶片顶部109。与按现有技术的叶片平台不同的是，导向叶片103的叶片平台107，109具有部分111，112，所述部分在流动方向上位于叶片105的前缘之前。所述部分111，112的表面108，110形成叶片平台107，109热燃气通过的表面，所述表面很大程度地平行于热燃气的流动方向R在流动路径上延伸。叶片平台107，109在前缘具有较图1所示叶片平台曲率半径更小的倒角边棱119，121。在所述边棱形成叶片平台107，109的基本上直角的弯折。

燃气轮机燃烧室101的金属隔热元件113和透平导向叶片105的叶片平台107，109是这样彼此相对布置的，即，隔热元件113的热燃气表面114与平行于流动方向延伸的叶片平台107，109的热燃气表面108，110平齐。通过这种方式，在燃烧室101和透平导向叶片103之间的过渡区域就不存在梯度，因此可以避免阻塞点。存在于隔热元件113和叶片平台107，109之间的间隙为防止热燃气进入所需冷却空气用量可相对于现有技术更小。

图3示出了按本发明的流体壳体的第二实施例。除支承结构202之外，从图中还可看到燃气轮机装置的透平导向叶片203以及与透平导向叶片203直接相邻的燃烧室201的隔热元件213。透平导向叶片203的叶根207和叶片205具有与图1所示透平导向叶片3相同的形状。然而，金属隔热元件213的热燃气表面214较在图1所示的隔热元件13中离支承结构202更远。此外，隔热元件213具有搭接区域216，所述隔热元件通过所述搭接区域与叶根207部分搭接。因此，搭接区域216的形状如此地与叶根的形状相适应，以便实现从隔热元件213的热燃气表面214至叶根207的热燃气表面208基本上连续的、平齐的过渡。

搭接区域216具有面对叶根207的周边部段217。该周边部段朝支承结构202的方向延伸并且与叶根207的轮廓相适应。在周边部段207上存在冷却空气孔218，通过所述孔，冷却空气可进入隔热元件213和叶根207之间的间隙215。

图4示出了按本发明的隔热元件的第三实施例。由图可知，透平导向叶片303带有叶片305和叶根307以及燃烧室的支承结构302以及固定在其上面的金属隔热元件313。隔热元件313与图2所示的隔热元件113的区别在于，所述隔热元件313在流出侧具有一几乎直角地朝支承结构302方向弯折的周边317以及设置在其中的冷却空气孔318。图7部分地示出了该隔热元件的透视图。

在弯折的周边317和支承结构302之间保留有间隙321，所述间隙允许周边部段317朝支承结构302的方向移动。此外，支承结构302这样设计，即，它不阻碍导向叶片305加载热燃气时的纵向膨胀。由于这样的纵向膨胀，叶片305的叶根307朝向支承结构302运动。

隔热元件313的材料参数(Materialparameter)是这样选择的，即，从固定部分322看，位于导向叶片一侧的部分323在与热燃气相接触时由于在支承结构302和隔热元件313之间流动的冷却空气产生变形，该变形使导向叶片一侧的部分323向支承结构302方向弯曲。当隔热元件在燃气轮机装置运行中加载热燃气时，间隙321因此关闭。通过这种方法部分324可以跟随叶根307的运动并且由此尽可能地避免在隔热元件313或叶根307的热燃气通过的表面314，308之间形成梯度。

通过这种方法也可以实现，即，可以使隔热元件313和叶根307之间的间隙305在流体壳体运行时保持最小，因此，间隙通过相对较少的阻隔空气进行阻隔。

图5示出了图4所示实施例的变形。在此，由图也可知，透平导向叶片403带有叶片405和叶根407以及燃烧室的支承结构402带有一固定在支承结构402上的金属隔热元件413。

与图4所示不同的是，隔热元件413具有桥形接片424，所述桥形接片在朝叶根407的方向越过弯折的周边417突出。桥形接片424的热燃气一侧的表面齐平地连接在隔热元件413的热燃气一侧的表面414。

透平导向叶片405的叶根407在燃烧室一侧具有一部段，在该部段的上部成形有一凹槽420。该凹槽420形成用于容纳桥形接片424的凹槽，所述容纳凹槽是这样设计的，即，设置在容纳凹槽420中的桥形接片424的表面与叶根407的表面408齐平。

直接在桥形接片424的下面在隔热元件413的周边417上设置冷却空气孔418，通过该孔，冷却空气朝叶根407的方向被吹入。如借助图4说明的实施例中一样，隔热元件413在固定部分432和周边部段417之间带有一个在燃气轮机装置运行时闭合的间隙421地设置在支承结构402上。由于隔热元件413在叶片一侧的部分423向支承结构402运动，位于凹槽420和桥形接片424之间的冷却空气间隙415几乎完全封闭，因此冷却空气的用量可以减小到最低。在理想的情况下，冷却空气间隙415甚至为零间隙。

图6示出了图5所示隔热元件413的变形。为了在间隙闭合时也可控制冷却空气流出，在隔热元件413a的桥形接片424a的背向热燃气侧的一侧存在槽425。

与图5所示的隔热元件413a另一区别在于，图6所示的隔热元件413a中在周边417a上的冷却空气孔418a不是设置在桥接片424a附近，而是设置在与支承结构相对的棱边419上。然而可选地，冷却空气孔418a也可以如图5中所示设置。

与图6所示带有槽425的实施例变形不同，也可以使用其中桥形接片被分段的变形。桥形接片的分段也实现了冷却空气流出的控制。图8示出了带有分段的桥形接片424b的隔热元件。

通过合适地选择冷却空气孔在借助图2-8说明的隔热元件的周边上的分布以及其尺寸，可以有针对性地调节排出的冷却空气量。从而可能通过冷却空气流与各叶片平台形状的适配进行优化。为提高透平导向叶片和隔热元件耐腐蚀和/或抗氧化的耐热性和耐久性，可以在所有的实施例中设置如借助于图1所示的隔热元件和借助于图1所示透平导向叶片所说明的涂层。

Claims (11)

1.一种用于热燃气流动的流体壳体，具有

-围成一流动路径的壁结构(402，413，407)，

-至少一个集成在壁结构上用于在流动路径中导流的导向叶片(403)，该导向叶片(403)具有带有前缘(106)的叶片(405)，其中，所述导向叶片(403)具有带有平台表面(408)的叶片平台(407)，所述叶片平台形成流动路径的一壁段并具有一在朝所述隔热元件(413)方向前置于所述前缘(106)的表面区域(112)，所述表面区域形成流动路径的一壁段，以及

-一个设置在壁结构的支承结构(402)上的隔热板，该隔热板带有与叶片平台(407)之间构成间隙(415)并且直接前置在所述叶片平台上游的隔热元件(413)，所述隔热元件具有一背向于支承结构(402)的、形成流动路径一壁段的热燃气侧的隔热表面(414)，其中，

所述导向叶片(403)和所述隔热元件(413)这样地彼此相对设置，即，所述热燃气侧的隔热表面(414)设置成至少与所述平台表面(408)平齐，其特征在于，

-所述隔热元件(413)部分搭接在所述叶片平台(407)上，并且

-所述叶片平台(407)的棱边具有一横向于流动方向延伸的凹槽(420)，并且所述隔热元件(413)在其朝向叶片平台(407)的一例具有一与所述热燃气表面(414)齐平并突入所述叶片平台的凹槽(420)的桥形接片(424)。

2.按权利要求1所述的流体壳体，其特征在于，所述导向叶片(403)在加载流动的热燃气时的纵向膨胀不被阻碍，并且通过选择所述隔热元件(413)的材料参数使所述隔热元件(413)在加载流动的热燃气时如此变形，即，所述热燃气表面(414)在所述导向叶片(403)纵向膨胀时跟随所述叶片平台(407)的平台表面(408)变形。

3.按权利要求2所述的流体壳体，其特征在于，所述隔热元件(413)这样地固定在所述支承结构(402)上，即，至少在隔热元件(413)没有加载流动的热燃气情况下，在所述隔热元件(413)朝向所述叶片平台(407)的部分(423)和所述支承结构(402)之间留有间隙(421)。

4.按权利要求1至3之一所述的流体壳体，其特征在于，所述桥形接片配设有至少一个槽。

5.按权利要求1至3之一所述的流体壳体，其特征在于，所述桥形接片是分段的。

6.一种带有按权利要求1至5之一所述流体壳体的燃气轮机装置。

7.一种导向叶片(403)，具有一前缘(106)和在流入方向上前置于所述前缘(106)的表面区域(111，112)，其特征在于，所述在流入方向上前置于所述前缘(106)的表面区域(112)在流入侧具有带有横向于流入方向延伸的凹槽(420)的棱边段。

8.按权利要求7所述的导向叶片(403)，其特征在于，该导向叶片(403)是用于燃气轮机装置的导向叶片。

9.一种隔热元件(413)，具有一面向热燃气的热燃气表面(414)和一桥形接片(424)，所述桥形接片设置在所述隔热元件(413)于流出方向一侧的棱边上并且具有与所述热燃气表面齐平的桥接片表面，其特征在于，所述桥形接片(424a)具有至少一个槽(425)和/或所述桥形接片(424b)是分段的。

10.按权利要求9所述的隔热元件(413)，其特征在于，所述隔热元件的材料参数这样地选择，即，所述隔热元件在加载热燃气时进行一种规定的、与其在热燃气路径中安装位置处的几何结构情况相协调的变形。

11.按权利要求9或10所述的隔热元件(413)，其特征在于，该隔热元件(413)是用于燃气轮机装置的隔热元件。

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