CN102016234A - 燃气轮机的导向叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃气轮机(10)、特别是用于具有二次燃烧的燃气轮机(10)的低压涡轮机(18)的导向叶片(20)，其具有在内台架(23)和外台架(21)之间的径向方向上延伸的翼型(22)，并且冷却通道(30、31、32)在所述导向叶片(20)内部行进，冷却介质(特别是冷却空气)可以流过所述冷却通道(30、31、32)以用于冷却所述导向叶片(20)。在所述导向叶片中，就所采用的铸造方法获得了理想的使用寿命和冷却，因为所述翼型(22)在径向方向具有在所述翼型(22)的高度(h)上变化的叶片材料的横截面积。

Description

燃气轮机的导向叶片
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域。其涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的燃气轮机的导向叶片。其还涉及一种装备有这样的导向叶片的燃气轮机。
背景技术
具有二次燃烧的燃气轮机是已知的并且在工业操作中已经被证明是成功的。例如，可以从Joos，F.等在1998年于斯德哥尔摩的IGTI/ASME98-GT-220中发表的论文“用于ABB GT24/GT26燃气轮机系列的二次燃烧系统的现场试验”中了解到所述燃气轮机，在专家界内作为GT24/26而已知。图1显示了这样的燃气轮机的基本结构，本申请中的图1是其图1的复制。此外，这样的燃气轮机在EP-B1-0 620 362中是显而易见的。
图1显示了具有二次燃烧的燃气轮机10，其中沿轴线19设置压缩机11、第一燃烧室14、高压涡轮机(HPT)15、第二燃烧室17和低压涡轮机(LPT)18。压缩机11和两个涡轮机15、18围绕轴线19转动的转子的一部分。压缩机11吸入空气并且压缩空气。压缩空气流入增压室内并且从增压室进入到预混燃烧器内，在预混燃烧器处，所述空气与至少一种燃料混合，至少一种燃料是通过燃料源12供给的。所述预混燃烧器基本上从EP-A1-0 321 809或者EP-A2-0 704 657中是显而易见的。
压缩空气流入到预混燃烧器中，如上所述，在预混燃烧器中与至少一种燃料混合。所述燃料/空气的混合物然后流入到第一燃烧室14中，所述混合物进入第一燃烧室14以用于燃烧，同时形成稳定的火焰锋。因此，所提供的热气在邻接的高压涡轮机15中局部地膨胀以实施作业，并且然后流入第二燃烧室17内，在所述第二燃烧室17中实现进一步的燃料供给16。由于在高压涡轮机15中局部地膨胀的热气仍然具有高温，所以在燃烧室17中发生基于自燃的燃烧。在第二燃烧室17中被再加热的热气然后在多级低压涡轮机18中膨胀。
低压涡轮机18包括在流动方向上一个在另一个后面地交替设置的许多移动叶片和导向叶片。第三导向叶片列的导向叶片在流动方向上设有图1中的标记20’。
在新一代燃气轮机中存在很高的热气温度，所以必须按可持续的方式来冷却涡轮机的导向叶片和移动叶片。为此，从燃气轮机的压缩机中分流出气态冷却介质(例如，压缩空气)或者提供蒸汽。在所有情况下，冷却介质通过形成在叶片中的冷却通道(并且经常按蜿蜒形延伸)和/或通过叶片上不同地点处的合适的开口(孔、狭缝)被向外导向，以便特别是在叶片的外侧上形成冷却膜(薄膜冷却)。在公开文件US-A-5,813,835中显示了所述冷却叶片的一实例。
从图1中已知的燃气轮机中的导向叶片20’被设计成冷却式叶片，所述冷却式叶片在内部具有沿径向方向延伸的冷却通道，例如，如在公开文件WO-A1-2006029983中已知的。借助于高技术的铸造方法来生产所述导向叶片，其中铸造材料被从铸模的两侧(内台架和外台架)供给。由于翼型比较薄的壁并且由于在铸造过程期间用于冷却空气所生产的通道和开口，所以获得的使用寿命、冷却空气消耗量和冷却效果极大地取决于在铸造过程期间可以达到的精度。这特别是当所述叶片还具有显著的空间弯曲度时的情况下。
发明内容
本发明设想了对于所述问题的补救方法。此处，本发明将提供一种改进措施。本发明的目的是提供一种导向叶片，其能够使使用寿命和冷却最大化，同时考虑到铸造条件。
通过权利要求1的所有特征的全部内容来获得所述目的。翼型具有叶片的材料在径向方向上在翼型的高度上变化的横截面积对于本发明是必不可少的。结果，可以按所要求的方式就所采用的铸造技术来影响叶片的冷却性能和使用寿命。在该情况下，叶片材料的横截面积意味着叶片的整个横截面积和冷却通道的横截面积之间的差值。
根据本发明的一个结构，叶片材料的横截面积通过的最小值与翼型的高度有关。
特别是，叶片材料的最小横截面积位于翼型总高度的20％到40％之间的范围内。
本发明的导向叶片的另一结构是以其具有空间弯曲形状为特征，在翼型的内部，在径向方向上延伸的许多冷却通道沿热气流的方向以一个在另一个后面的方式设置并且通过设置在翼型或者冷却通道的端部处的偏转区彼此连接，冷却介质在交替方向上一个接一个地流过冷却通道，并且冷却通道在径向方向上遵随翼型的空间弯曲度。
燃气轮机优选装备有根据本发明的导向叶片，所述导向叶片被设置在燃气轮机的涡轮机中。
特别是，所述燃气轮机是一种具有二次燃烧(sequential combustion)的燃气轮机，其具有带下游高压涡轮机的第一燃烧室和带下游低压涡轮机的第二燃烧室，所述导向叶片被设置在低压涡轮机中。(在这方面，参见以上已经论述的图1。)
低压涡轮机优选在流动方向上具有一个在另一个后面的多列导向叶片，根据本发明的导向叶片被设置在中间导向叶片列中。
附图说明
以下将参考结合附图的示例性实施例来对本发明进行更详细的描述。对于直接理解本发明可有可无的所有构件已经被省略了。相同的构件在不同图中具有相同的附图标记。介质的流动方向通过箭头来表示。
在图中：
图1显示了根据现有技术的具有二次燃烧的燃气轮机的基本结构，
图2按吸入侧的侧视图显示了根据本发明的优选的示例性实施例的具有根据图1的二次燃烧的燃气轮机的低压涡轮机中的导向叶片，以及
图3显示了通过根据图2的导向叶片的纵剖面。
具体实施方式
在图2中按外部侧视图显示了根据本发明的优选的示例性实施例的燃气轮机的低压涡轮机中的导向叶片，该燃气轮机具有根据图1的二次燃烧。导向叶片20包括空间上高度弯曲的翼型22，所述翼型22在内台架23和外台架21之间在纵向方向(燃气轮机的径向方向)上延伸并且在热气流动方向29上从前边缘27直到后边缘28。在两个边缘27和28之间，翼型22被压力侧(在图2中，在背离观察者的侧面)和吸入侧26限定在外侧上。导向叶片20借助于形成在外台架的顶侧上的钩状安装构件24和25被安装在涡轮机外壳上，然而其以密封方式利用内台架23支靠着转子。
图3中示出了导向叶片20的内部结构：在纵向方向上穿过翼型的三个冷却通道30、31和32以一个在另一个后面的方式设置在热气流动方向29上，并且通过设置在翼型端部处的偏转部位以这样的方式相互连接，即，冷却介质在交替方向上一个接一个地流过冷却通道30、31、32，所述冷却通道30、31和32跟随翼型的空间弯曲度。
带有其内部冷却通道30、31、32的翼型22被壁33、36限定在外侧，而冷却通道30、31、32被壁34和35彼此分开。由翼型的横截面和冷却通道30、31、32的横截面之间的差值来获得壁33、…、36在径向方向(即，在翼型22的高度h的方向)上的总横截面积。在面积方面的该差值是叶片材料的整体横截面积。因为在导向叶片20的铸造期间，铸造材料分别从两侧(即，从内台架23和外台架21)流入到铸模内，所以如果在叶片的设计中，叶片材料的横截面积在高度h上按该横截面积(特别是，通过最小值)变化，对铸造部件的成功和精度是有益的。横截面积的该最小值优选处于翼型22的高度h的20％到40％的范围内，或者处于0.2h到0.4h的范围内，如在图3中通过虚线的界限来表示的。
通过该设计来影响关于横截面积、壁厚、弦长和冷却通道的横截面的翼型的形式。利用这些参数在翼型高度上的相应分布，作为关于叶片的使用寿命的基础的技术要求，实现了可达到的冷却和冷却空气的消费量。
通过叶片材料沿翼型的优化分布，在叶片的铸造期间使孔隙度的出现最小化，这是使得提高效率(特别是就涉及冷却而言)的因素，以在制造期间增加使用寿命并降低成本。
根据本发明的导向叶片可以方便地用于具有二次燃烧的燃气轮机中，特别是确切地说，用于低压涡轮机的中间导向叶片列中，其被布置在第二燃烧室的下游。
附图标记列表
10            燃气轮机
11            压缩机
12、16        燃料供给
13            EV燃烧器、预混燃烧器
14、17        燃烧室
15            高压涡轮机
18            低压涡轮机
19            轴线
20、20’      导向叶片
21            外台架(遮板)
22            翼型
23            内台架
24、25        安装构件(钩状的)
26            吸入侧
27            前边缘
28            后边缘
29            热气流
30、31、32    冷却通道
33、…、36    壁(翼型)
h             高度(翼型)

Claims (8)

1.一种用于燃气轮机(10)的导向叶片(20)，该导向叶片(20)具有在内台架(23)和外台架(21)之间在径向方向上延伸的翼型(22)，并且冷却通道(30、31、32)在该翼型(22)的内部延伸，用于冷却该导向叶片(20)的冷却介质通过该冷却通道(30、31、32)流动，其特征在于，该翼型(22)在径向方向具有该叶片材料的横截面积，并且该叶片材料的该横截面积在该翼型(22)的高度(h)上变化。
2.如权利要求1所述的导向叶片，其特征在于，该叶片材料的横截面积经过的最小值与该翼型(22)的高度(h)有关。
3.如权利要求2所述的导向叶片，其特征在于，该叶片材料的该最小横截面积处于该翼型(22)的总高度(h)的20％到40％之间的范围内。
4.如权利要求1所述的导向叶片，其特征在于，该冷却介质是空气和/或蒸汽。
5.如权利要求1到4之一所述的导向叶片，其特征在于，其具有空间弯曲形状，在该翼型(22)的内部，在径向方向上延伸的三个冷却通道(30、31、32)沿热气流(29)的方向被一个在另一个后面地设置并且通过设置在该翼型(22)的端部处的偏转区彼此连接，该冷却介质在交替方向上一个接一个地流过该冷却通道(30、31、32)，并且该冷却通道(30、31、32)在径向方向上遵随该翼型(22)的空间弯曲度。
6.一种具有根据权利要求1到5之一所述的导向叶片的燃气轮机(10)，其特征在于，该导向叶片(20)被设置在该燃气轮机(10)的涡轮机(15、18)中。
7.如权利要求6所述的燃气轮机，其特征在于，该燃气轮机(10)是具有二次燃烧的燃气轮机，其具有带下游高压涡轮机(15)的第一燃烧室(14)和带下游低压涡轮机(18)的第二燃烧室(17)，并且该导向叶片(20)被设置在该低压涡轮机(18)中。
8.如权利要求7所述的燃气轮机，其特征在于，该低压涡轮机在流动方向上具有一个在另一个后面的多列导向叶片，并且该导向叶片(20)被设置在中间导向叶片列中。
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