CN101910586B - 用于燃气涡轮机的压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在热方面使固定的燃气涡轮机(12)的压缩机(10)的壳体(32)配合其转子(24)的措施，其中从压缩机空气流(18)中分离出用于冷却燃气涡轮机结构部件的部分流(42)。通过将分隔元件(46)巧妙地布置在环形地包围流动路径(14)的集流室(44)中来显著地限制或者说甚至避免在压缩机(10)中分离的部分流(42)与壳体(22)的内侧(54)的接触，从而防止在冷起动时燃气涡轮机(12)或者说壳体(32)的提前加热。

Description

用于燃气涡轮机的压缩机

技术领域

本发明涉及一种用于燃气涡轮机的轴流式压缩机，其具有横截面环形的用于在其中有待压缩的介质的流动路径，其中所述流动路径在径向外面由横截面环形的外壁限制，并且具有压缩机壳体，所述压缩机壳体包围所述外壁从而形成至少一个布置在压缩机壳体和外壁之间的集流室，并且具有至少一个在外壁中的用于将在流动路径中流动的介质的一部分分离到集流室中的获取口以及至少一个布置在壳体中的用于从壳体中排出介质的分离的部分的开口。

背景技术

已知燃气涡轮机具有在涡轮机或者燃烧室中的用热气加载的结构部件，所述结构部件借助于冷却空气进行冷却。对所述结构部件进行冷却，从而使得所述结构部件持久地经受住热气的热的温度。作为冷却空气，使用已知的压缩机空气，所述压缩机空气可以在压缩机的不同的位置从压缩机主流中获取。为此，图3以纵剖图示出了燃气涡轮机12的压缩机10中的在壳体侧的冷却空气获取情况。通过一系列辐射状布置的获取口40从在环形的流动路径14中流动的空气18中获取压缩的空气42，所述获取口布置在在外面限制流动路径14的外壁26中。所有获取口40通入环形室44中，该环形室布置在外壁26外部并且在环形室中收集分离的空气。所述室44本身在径向外部由压缩机10的壳体32包围并且由此得到限制。在壳体32中，在圆周上分布了少量较大的开口64，例如三个或者四个开口，从所述开口中可以排出压缩的空气的输入环形室44的部分42，从而通过其它在燃气涡轮机外部延伸的没有进一步示出的管道输入涡轮机或者燃烧室，在那里按规定使用分离的空气用于冷却用热气加载的结构部件。

在压缩机10的环形的流动路径14中，分别交替地在叶片环中布置导向叶片20和转子叶片22，所述导向叶片20固定在壳体侧也就是说不可相对旋转地固定在外壁26上，并且所述转子叶片22固定在环形的流动路径14的内壁24上，也就是说与转子不可相对旋转地固定在该转子24上。转子叶片22的尖端在形成缝隙36的情况下对置于流动路径14的外壁，同样无围带的导向叶片20的尖端对置于流动路径14的内壁24。为了在每个工作阶段将转子24和定子之间的所述缝隙保持得尽可能小，需要在热方面尽可能好地平衡转子24和定子。

由系统引起所述转子由于其高质量并且由于较小的内部通流而在热方面比壳体慢，并且相应较慢地膨胀。尤其在短暂的工作条件下例如在冷起动或者切断燃气涡轮机时出现的径向和轴向伸长必须在设计必要的径向和轴向缝隙时加以考虑。这总得对必须的结构空间、对装置的鲁棒性以及尤其对燃气涡轮机效率产生不利的影响。

除此以外，由US 5,203,162公开了一种用于飞机燃气涡轮机的具有空气获取功能的轴流式压缩机。在布置在壳体中的空气获取口前面有两个径向堆叠的环形室，所述环形室通过共同的分隔壁相互分开。在此，内部的环形室的内部的界限壁由形成压缩机的流动路径的环形壁形成。在此，不仅在环形壁中而且在分隔壁中设置开口，通过所述开口能够流出从压缩机中分离的部分流。在此，所述环形壁和分隔壁的开口轴向相互错开地布置，从而拦截并且转向由主流携带的例如通过压缩机转子叶片在壳体上的摩擦产生的颗粒，因为要避免其碰撞到较薄的外面的壳体壁上。

此外，由US 5,160,241公开了一种具有多个获取口的压缩机，其中从压缩机主流中分离的空气流通过环形室传输。为了避免沿着圆周不同的热载荷，在每个获取口上设置集流室侧的导向板，所述导向板扇形地沿着周向延伸。在此，导向板分别只是局部地设置在获取口的范围中。借助于导向板避免流入集流室中的空气会沿着壳体的内表面流动，由此能够减少壳体的不同的热载荷。

此外，由US 4,303,371公开了一种涡轮机的导向环段，该导向环段能够借助于布置在其中的u形的板进行冲击冷却。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种用于燃气涡轮机的压缩机或者说提供一种具有改善的效率的燃气涡轮机。

该任务的解决方案提出，在集流室中设置分隔元件，该分隔元件将集流室分成径向内部的部分室和径向外部的部分室。

本发明基于这样的认识，即到现在为止在集流室中也就是说在获取室中非常快地出现高导热系数，该导热系数导致快速的加热并且由此导致壳体壁的由热引起的快速膨胀，与之相反，到现在为止明显更慢地进行转子的加热。

这在具有用于壳体和转子的压缩机入口侧的轴向轴承的燃气涡轮机中导致壳体和转子的所有轴向的伸长都涉及这一点。在冷起动的情况下，壳体在压缩机范围内加热太快也会导致壳体在涡轮机单元的范围内的移动。然而因为转子由于其热方面的惰性而加热得比壳体慢，所以其轴向的移动由于在涡轮机单元的范围中的热伸长而比在涡轮机壳体中的程度小。与涡轮机单元的沿着机器轴线延伸的沿热气的流动方向锥形扩张的热气通道相关联，这会导致涡轮机转子叶片上的径向缝隙通过壳体而收缩，方法是在壳体和转子的加热阶段中将涡轮机壳体相对于涡轮机侧的转子段朝着涡轮机出口的方向进行轴向移动，然而该移动在转子的加热和伸长结束之后又要补偿。为了在很大程度上考虑所述收缩，所以将涡轮机单元中的、也就是在涡轮机转子叶片和对置于其尖端的固定的导向环之间的径向缝隙构造得比较大。

现在用本发明提出，通过将集流室分成径向内部的部分室和径向外部的部分室能够在冷起动时影响壳体在压缩机范围内的加热速度。通过避免获取的部分流沿着壳体内侧的强制对流，可以显著减少介质和壳体壁之间在那里的导热系数。不再直接对流地被分离的并且大多数非常热的部分流流过所述壳体的内侧。更确切地说，在壳体内侧和获取的空气之间存在最大部分的优选完全封闭的室、也就是径向外部的部分室，在该室中还只能出现自由的对流。就此而言，外面的部分室作为内部的部分室和壳体之间的隔离空腔。因此，所述分隔元件是用于壳体的隔离元件，从而相对于没有分隔元件的集流室显著减少流入内部的部分室中的介质的热量进入壳体中。

能够如此减少尤其在集流室中流动的介质和壳体之间的导热系数，从而在冷起动时所述压缩机的壳体加热得比没有分隔元件的时候更慢。由此，能够补偿转子和定子的热性能。该补偿使得转子和定子的加热能够同时并且以相同的程度进行。

通过按本发明的分隔元件防止从压缩机的主流中分离的部分的大部分沿着壳体的内侧流动。由此延缓壳体的加热以及其沿轴向的伸长，这对壳体和转子的热性能或者说热伸长进行了补偿。如此能够显著减少由伸长引起的轴向的壳体移动和由伸长引起的轴向的转子移动之间的时间间隔。

通过本发明的应用能够在冷起动期间减少涡轮机壳体和涡轮机侧的转子段、也就是尤其涡轮机转子叶片的前面所述的在此期间的轴向的相对移动，因为现在尤其与转子类似缓慢地加热压缩机壳体，并且相应地在时间上相互调整转子和定子的由热引起的伸长。由此能够将涡轮机径向缝隙(冷缝隙)设计得较小，这在稳定的运行中减少径向缝隙损失并且因此显著提高燃气涡轮机的效率。

同样，由此能够缩小在压缩机叶片的自由端部和对置于其的壁之间的缝隙(冷缝隙)的根据结构设置的尺寸，这在压缩机或者说燃气涡轮机的稳定运行中有利地影响到效率。

为了从壳体或者说集流室中排出介质的分离的部分，所述分隔元件具有较大的排出口，该排出口通过通道与布置在壳体中的开口连接。由此可以从集流室或者说壳体中导出介质的在内部的部分室中流动的部分。在此，沿周向看所述外面的部分室通过所述通道中断，该通道将布置在壳体中的开口与布置在分隔元件中的排出口相连接。沿周向看，该中断也只能部分地分开外面的部分室。

在从属权利要求中说明了有利的设计方案。

沿压缩机的轴向看，所述集流室适宜地由两个侧壁限制，所述侧壁分别从壳体延伸到外壁。在此，每个侧壁能够部分地或者完全地由壳体或者说由外壁的突起部分形成，在此，所述壳体和所述外壁的突起部分能够根据槽和榫的类型相互过渡。总之，集流室由此径向外部由壳体限制、径向内部由流动路径的外壁限制并且在两侧由两个侧壁限制。由此获得关于压缩机的机器轴线横截面为环形的集流室。

当分隔元件为板状的并且所述两个侧壁分别具有相互对置的并且板状的分隔元件嵌入其中的槽时，可以特别简单地将集流室分成径向内部的部分室和径向外部的部分室。由于通常既存的将壳体分成下面的和上面的半壳体，可以将也是半件构造的分隔元件为了装配目的推入每个半壳体的两个槽中并且固定在中间点上。分隔元件优选可热运动地位于两个环绕的槽中。由此避免分隔元件中的应力。在此，分隔元件可以由两个分别180°大的板材段形成。然而也可以使用更多个板材段，当然更多个板材段关于机器轴线具有小于180°的弧度延伸。

所述分隔元件优选相对于外壁的外侧布置得更靠近壳体的内侧。原则上，从流动路径中获取的介质的整个分离的部分只是在内部的部分室中流动。因此，内部的部分室的横向于周向看的横截面应该显著大于外部的部分室的横截面，因为通过内部的部分室来引导整个需要用于冷却的冷却空气质量流。通过内部的部分室的合适的尺寸设计、也就是其横截面的合适的尺寸能够实现损失较少地引导分离的冷却空气流。

根据本发明的另一种优选的设计方案，所述分隔元件可以具有均匀分布的、比排出口的横截面小的开口。由此防止在壳体中由于分隔元件的隔离而引起局部太高的热应力。此外，通过所述开口的布置能够根据开口大小的数目和开口沿着圆周的分布灵活地调节获取的部分流和壳体之间的导热系数。通过在分隔元件中使用开口，可以将分离的空气的其它部分从内部的部分室转移到外部的部分室中，从而在外部的部分室中出现由自由的对流和强制的对流形成的混合。就此而言，能够如此调节所述导热系数，从而避免在壳体材料中太高的热应力。然而，由具有较小横截面的开口不能实现以整个分离的空气流通流外部的部分室，并且也应该按规定避免这种通流。

为了尽可能均匀地从流动路径中将介质的分离的部分获取到集流室中，所述外壁具有大量辐射状布置的获取口。尤其由此能够沿周向看将均匀分离的介质输入集流室。

优选所述集流室只覆盖压缩机的流动路径的轴向的部分段。因此，不是整个环形的流动路径沿着其延伸方向都具有将其包围的集流室，而是只具有轴向的部分段。特别优选所述轴向的部分段设置在轴流式压缩机的后面的压缩机级中。由于在压缩介质时上升的介质温度，本发明尤其能够优选地用在压缩机的这样的轴向的部分段中，在这样的轴向的部分段中，介质温度是特别高的。这在设置在压缩机出口侧的后面的压缩机级中就是这种情况。尤其在该轴向的部分段中由于在冷起动时分离的介质和壳体温度的较高的温度差，有利地在热方面相对于分离的介质隔离所述壳体。

所述压缩机适宜地可以具有多个轴向相互隔开的集流室，所述集流室分别环形地包围流动路径。在此，按本发明的分隔元件可以相应地布置在一个集流室中、多个集流室中或者所有集流室中。

由此，本发明的使用不仅限制在后面的压缩机级上，而且本发明也可以用在中间的压缩机级中，然而也可以用在前面的压缩机级中，只要这是有用的。

附图说明

其它结构上的特征和优点在下面的附图描述中进行说明。其中：

图1是燃气涡轮机的按本发明的压缩机的纵剖面的截取部分，

图2是按图1的压缩机的横截面的截取部分，以及

图3是燃气涡轮机的由现有技术公开的压缩机的纵剖面的截取部分。

具体实施方式

图1以纵剖面示出了燃气涡轮机12的压缩机10的按本发明的输出端的部分段。与图3中在现有技术中值得赞赏的压缩机10类似，该压缩机包括流动路径14，该流动路径沿着机器轴线16延伸。该流动路径14沿横截面看(参照图2)是环形的。在流动路径14中，沿着机器轴线16前后相互交替地分别在叶片环中布置导向叶片20以及转子叶片22。所述流动路径14在径向内部由燃气涡轮机12的转子24的表面23限制，该表面由相互抵靠的转子盘27的侧面形成。在径向外部，所述流动路径14由横截面环形的外壁26限制。该外壁26是环形地包围转子24的导向叶片外圈28的一部分，在该导向叶片外圈中压缩机导向叶片20推入没有示出的圆周钩卡机构中。所述导向叶片外圈28除了其基本上柱形的延伸外还包括两个环绕的突起30。所述导向叶片外圈28由环形的壳体32包围，并且在此通过两个相互轴向隔开的径向向内延伸的突起34与导向叶片外圈28的径向向外延伸的突起30进行连接。所述突起30、34分别成对地形成侧壁35。由此，沿轴向在两个侧壁35之间并且沿径向在壳体32和外壁26之间布置了集流室44，该集流室的横截面是环形的并且与机器轴线16同心地包围压缩机10的流动路径14。代替由导向叶片外圈28和壳体32构成的两部件的结构，也可以设置一体的结构。在这种情况下，该集流室布置在组合的导向叶片外圈壳体的壁中。

在导向叶片外圈28的外壁26中辐射状布置地设置了多个获取口40(图2)，在这些获取口中在图1的纵剖面中只示出了一个获取口。通过获取口40能够按照箭头42分离在流动路径14中有待压缩的介质18也就是空气的一部分。

在集流室44中布置了分隔元件46。该分隔元件46将集流室44分成布置在径向内部的部分室48以及布置在径向外部的部分室50。在此，径向外部和径向内部分别与机器轴线16相关。所述两个侧壁35分别设有整体环形的相互对置的槽52。所述分隔元件46能够为了进行装配而推入相互对置的槽52中并且可热运动地支承在其中。

在此，分隔元件46和壳体32的内侧54之间的径向距离显著小于分隔元件46和外壁26的外侧56、也就是导向叶片外圈28的外侧56之间的径向距离。根据图2，所述分隔元件46具有较大的排出口60，该排出口通过通道62与布置在壳体32中的开口64连接。由此，能够通过通道62从壳体32或者说从集流室44中排出介质18的在内部的部分室48中流动的被分离的部分42，从而将其从那里出发通过没有进一步示出的管道导向燃气涡轮机12的涡轮机的结构部件，所述结构部件为了实现特别长的使用寿命必须在燃气涡轮机12的运行期间持续地进行冷却。

通过在压缩机10的集流室44中安置分隔元件46，一方面防止整个分离的部分流42沿着壳体32的内侧54扫过以及在此将由其携带的热量特别快地输入壳体32的材料中。另一方面避免通过获取口40径向向外流的空气直接碰撞到壳体32的内侧54以及由此特别快地加热壳体。总之，由此避免在冷起动时壳体32比布置在燃气涡轮机12内部的转子24加热得更快。由此，能够相对于转子24的热性能补偿壳体32的热性能，从而能够在所述轴向的区段的范围内近似同步地加热两个组件24、32。在导向叶片20的尖端和转子表面23之间的以及在转子叶片22的尖端和外壁26之间的由结构引起的缝隙能够由此设计得更小，这在稳定地运行燃气涡轮机12时显著减少缝隙损失。同时，通过定子和转子24的经过平衡的热性能减少在涡轮机单元中在短暂运行时出现的径向缝隙损失。通过减少流动损失或者说缝隙损失能够总得提高燃气涡轮机的效率。

根据按本发明的分隔元件46的设计并且根据壳体32的内侧54和导向叶片外圈28的外侧56之间所选择的距离，可以要求在外面的部分室50中的自由对流现在相对于转子24太缓慢地加热压缩机10的壳体32。对于这种情况，可以设置在分隔元件46中均匀分布的较小的开口，使得分离的空气42的至少一小部分还能输入外面的部分室50或者说能够沿着壳体32的内侧54扫过，从而防止-相对于转子24-太缓慢地加热壳体32。

原则上，所述压缩机10不仅可以具有所述一个示出的集流室44，而且可以具有多个轴向相互相邻的集流室用于获取具有不同压力和温度的冷却空气。根据要求可以仅仅在一个集流室44中、在多个所述集流室中或者在所有集流室中分别布置分隔元件46，从而显著限制分离的流体与壳体32的内侧54的接触，并且由此延缓冷却空气到壳体32的热传递。

根据方案可以通过分隔元件46密封地隔开外面的部分室50与内部的部分室48。然而因为外面的部分室50仅仅用作隔离室或者说用于延缓壳体32的加热，所以不强制要求绝对密封的隔离。

总之，本发明涉及一种用于将固定的燃气涡轮机12的压缩机10的壳体32与其转子24进行热匹配的措施，其中从压缩机空气流18中分离用于冷却燃气涡轮机结构部件的部分流42。通过将分隔元件46巧妙地布置在环形地包围流动路径14的集流室44中，显著地限制或者说甚至避免在压缩机10中分离的部分流42与壳体22的内侧54的接触，从而防止在压缩机10冷起动时提早加热燃气涡轮机12或者说壳体32。

Claims (9)

1.用于燃气涡轮机(12)的压缩机(10)，该压缩机具有横截面环形的用于在其中有待压缩的介质(18)的流动路径(14)，其中所述流动路径(14)在径向外面由横截面环形的外壁(26)限制；并且该压缩机具有压缩机壳体(32)，所述压缩机壳体包围所述外壁(26)从而形成至少一个布置在所述压缩机壳体和所述外壁之间的集流室(44)；并且所述压缩机具有至少一个在所述外壁(26)中的用于将在流动路径(14)中流动的介质(18)的一部分(42)分离到集流室(44)中的获取口(40)和至少一个布置在壳体(32)中的用于从壳体(32)中排出介质(18)的分离的部分(42)的开口(64)；其中在所述集流室(44)中设置将集流室(44)分成径向内部的部分室(48)和径向外部的部分室(50)的分隔元件(46)，从而相对于没有分隔元件(46)的集流室(44)显著减少在内部的部分室(48)中流动的介质(18)的热量进入壳体(32)中，其中所述分隔元件(46)具有至少一个排出口(60)，该排出口通过通道(62)与布置在壳体(32)中的用于从壳体(32)中排出介质(18)的分离的部分(42)的开口(64)连接，其特征在于，所述外部的部分室(50)构造成封闭的室，该室用作内部的部分室(48)和壳体(32)之间的隔离空腔。

2.按权利要求1所述的压缩机(10)，其中，沿压缩机(10)的轴向看，所述集流室(44)由两个侧壁(35)限制，所述侧壁分别从壳体(32)延伸到外壁(26)。

3.按权利要求2所述的压缩机(10)，其中，所述分隔元件(46)是板状的，并且所述两个侧壁(35)分别具有槽(52)，所述槽相互对置并且板状的分隔元件(46)插入所述槽中。

4.按权利要求1、2或3所述的压缩机(10)，其中，所述分隔元件(46)相对于外壁(26)的外侧(56)布置得更靠近壳体(32)的内侧(54)。

5.按上述权利要求中任一项所述的压缩机(10)，该压缩机在其外壁(26)中具有大量辐射状布置的获取口(40)。

6.按上述权利要求中任一项所述的压缩机(10)，其中，所述集流室(44)只覆盖压缩机(10)的流动路径(14)的轴向的部分段。

7.按权利要求6所述的压缩机(10)，其中，所述轴向的部分段关于介质(18)设置在后面的压缩机级中。

8.按上述权利要求中任一项所述的压缩机(10)，具有多个集流室，其中仅仅在一个集流室(44)中、在多个集流室中或者在所有集流室中分别布置分隔元件(46)。

9.具有按上述权利要求中任一项所述的压缩机(10)的固定的能够轴向通流的燃气涡轮机(12)。

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