CN102066840A

CN102066840A - 热屏装置

Info

Publication number: CN102066840A
Application number: CN2009801223061A
Authority: CN
Inventors: 马库斯·泽霍斯特; 詹斯·克莱因菲尔德
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2011-05-18
Also published as: WO2009150105A3; DE102008028025B4; DE102008028025A1; WO2009150105A2; EP2310748A2; EP2310748B1; RU2508507C2; RU2011100155A

Abstract

本发明涉及一种热屏装置(1)，该热屏装置由支承结构(2)和固定在该支承结构上的热屏(3)，该热屏带有抵靠在该支承结构上的环绕侧壁(4)，其中，所述侧壁至少部分区域具有凹槽(7)以及朝向该支承结构(2)的内部空间(10)以及由凹槽(7)和侧壁(4)限定的凹槽边棱(16)，其中，该凹槽(7)包括具有至少两条相对置的边棱(8)的密封件(6)，其中，该密封件这样地夹紧在所述凹槽(7)内，使得所述至少两条边棱(8)在该热屏(3)安装在该支承结构(2)上时向所述凹槽边棱(16)弯曲，从而确保密封件(6)展开所述支承结构(2)上，由此即使在运行时也能保证密封功能。本发明还涉及一种带有根据本发明的热屏装置的燃烧室以及燃气轮机。

Description

热屏装置

本发明涉及一种热屏装置，该热屏装置包括支承结构和固定于该支承结构上的热屏，该热屏带有贴靠在该支承结构上的环形侧壁，其中，所述侧壁至少局部具有凹槽。热屏还带有朝向该支承结构的内部空间以及由凹槽和侧壁限定的凹槽边棱。本发明还涉及一种具有热屏装置的燃烧室以及一种带有这种燃烧室的燃气轮机。

由于在热燃气通道或其它热燃气空间内存在的高温，热燃气通道的内壁需要被尽可能耐高温地设计。为此，提供耐高温的材料、例如陶瓷。陶瓷材料的缺点不但在于其强烈的脆性，而且在于其不利的导热性能。作为陶瓷材料的替代，为热屏提供铁、镍或铬基的耐高温的金属合金。但是，由于耐高温的金属合金的使用温度明显低于热燃气温度，需要冷却热燃气通道内的金属热屏。

US 6470685B2公开了一种热屏装置，该热屏装置带有第一热屏和与该第一热屏相邻、留有间隙地布置的第二热屏。各热屏布置在支承结构上，因此分别限定出一个内部空间。在热屏的热壁侧布置多个突伸入所述内部空间内的杆，所述杆使得热屏能够从内部空间更好地冷却。热屏的侧壁由一个附加元件延长，也就是说，所述侧壁直接安放在支承结构上。为了使空气能够从内部空间流出，在所述侧壁中设有冷却孔。

GB 2298266A公开了一种热屏装置，该热屏装置带有在端部区域搭接的热屏。这些热屏因此构成了要相对于热燃气进行保护的壁的完全覆盖。各个热屏的至少一个侧壁以至少一个接触点直接安放在支承结构上。为了使空气可以流出，在热屏的热侧以及侧壁内都设有冷却孔。

EP 1507116A1具有一种热屏装置，该热屏装置包括多个留有间隙地并排布置在支承结构上的热屏，其中，一个或每个热屏安装在支承结构上，从而形成一个内部空间。冷却介质通过输入通道流入所述内部空间。为了承受热膨胀并克服在燃烧室内产生的机械载荷地固定热屏，侧壁并不直接安放在支承结构上，而是通过各自的密封件与支承结构相连。密封元件直接连接在侧壁上，也就是说，密封元件直接延长了侧壁。被这样地延长了的侧壁安放在支承结构上。在此，密封元件既实现了对冷却介质的密封功能又实现了对热屏装置的机械缓冲功能。为使冷却介质从内部空间流出，设置有汇入所述间隙中的冷却介质流出通道。

总之，已知的热屏基于这样的原理，在安装热屏时，热屏壁直接抵靠在支承结构上。为冷却热屏而设有从热屏内部空间通到燃烧室内的冷却孔。为了相对于热燃气密封相邻的热屏装置的间隙，冷却介质完全地或部分地由冷却孔导入所述间隙中。

所述热屏装置的共同点是采用压缩空气作为燃烧室及其外衬的冷却介质。冷却介质进入所述燃烧室内，并不参与燃烧。业已公知，使用冷却介质会在效率方面造成不利的影响并由于所需设定的火焰温度较高而产生较高的排放值。因此，热屏装置的目标在于，使冷却介质消耗保持尽可能少。

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种在冷却效率方面得到改进的热屏装置，该热屏装置的特征在于效率的提高。所述热屏装置应可以应用在燃气轮机的燃烧室内。

根据本发明，这一技术问题通过一种如下所述的热屏装置加以解决，该热屏装置包括支承结构以及固定在该支承结构上的热屏，该热屏带有抵靠在支承结构上的环形侧壁，其中，所述侧壁至少局部具有凹槽以及该热屏带有朝向支承结构的内部空间和由凹槽和侧壁限定的凹槽边棱，其中，凹槽包括带有至少两个相对置的边棱的密封件，其中，密封件这样地夹紧在凹槽中，使得至少两个对置的边棱在热屏安装在支承结构上时弯曲到凹槽边棱内，从而保证密封件展开在支承结构上，由此即使在运行时也能保证密封功能。

本发明基于这样的考虑：上面讨论的热屏在燃烧所需的高温下产生由热引起的拱起，使得热屏的角部压在支承结构上。热屏的热侧中心拱起。热屏构成侧壁的、安放在支承结构上的各侧同样从支承结构拱起，并具体这样地拱起，使得侧面中心与支承结构现在由一个由热引起的间隙隔开。热屏的在冷却状态下紧密地安放在支承结构上的各侧现在具有一个间隙。该间隙在200mm的典型棱边长度时通常可以为直至2.0mm。不过，由于这种由热引起的间隙产生不受控制的、增加的冷却介质流出，而这导致在多个彼此相邻地布置的热屏的情况下，在这些热屏之间的间隙相对于热燃气进入间隙内不充分地热阻隔。这因而导致与冷却目的以及间隙的阻隔目的原本所需相比明显增加的冷却介质消耗。不过，增加的冷却介质消耗导致更低的效率。目前，对这种效率损失进行补偿，通常是提高火焰温度并因此提高热燃气温度，从而不利地承受升高的NO_x排放。

基于这种认识，通过根据本发明的热屏装置避免不希望的冷却介质损失并从而避免不希望的效率损失。为此，将密封件安装在凹槽内。密封件被夹紧，使得两个边棱指向支承结构之外。在密封件上安装热屏时，所述边棱被压在凹槽边棱内，也就是朝热屏的侧壁弯曲。密封功能在某种程度上讲通过将密封件夹紧在凹槽边棱内而得以保证，因为凹槽边棱将密封件保持在其希望的位置。由于这样夹紧的密封件的形状，该密封件被展开到整个支承结构上。通过这种展开使得密封件最优地压在支承结构上，也就是被压在抵靠在支承结构的、侧壁的整个长度上。由热引起的间隙被最佳地封闭。预应力抑制热拱起，就好像在出现温度梯度的情况下密封件未加载预应力那样。热屏在运行状态下拱起。在此状态下，基本上仅四个热屏角部还与支承结构保持接触。这导致，密封件在临界运行状态下可以说被压在所述凹槽棱边内，也就是保留在其之前希望的位置。这因而保证了密封件在所有运行状态下的正确安放，因此分别确保了密封件的功能。因此，密封件可以最优地实现其功能，因为所述密封件总是处于其希望的位置上。

在此，冷却介质基本上普遍提供为全部或部分从布置在燃烧室之后的压缩机中抽取的冷却空气。由于节约了冷却介质，为燃烧提供了更多的压缩空气，这在容积流量方面起到积极的作用。过量的冷却介质因此导致更低的效率。过高的冷却介质量还导致燃烧室内不利的温度。这通过提高的火焰设定补偿，而这会导致提高的NO_x有害物质排放。现在，通过本发明避免了迄今为止用于冷却热屏装置以及阻隔相邻热屏装置之间的间隙的的冷却介质的过量。

密封件优选完全嵌在凹槽内。因此，密封被特别防滑地夹紧。

在优选的构造中，密封件是弹性的弯曲条。所述弯曲条能特别好地夹紧并设于凹槽内，并且易于制造。作为替代，所述条也可以是软管状的。

密封件优选由金属或金属合金制成。所述金属或金属合金是尤其耐热以及耐温度变化的。

在优选的构造中，凹槽环绕地布置在整个侧壁上。作为替代，凹槽局部布置在整个侧壁上。这可以按照热屏的类型以及按照制造因素来决定。

密封件优选由于夹紧而具有一个弯曲半径。

下面示例地结合附图详细地说明本发明。

在附图中简化且未按比例地示出：

图1以侧视图示出了热屏装置；

图2以剖面图示出了带有凹槽而未带有密封件的热屏装置；

图3示出了带有凹槽的热屏剖开的俯视图；

图3a以示意侧视图示出了带有(平的)密封件的剖开的热屏装置；

图3b以示意侧视图示出了带有(凸的)密封件的剖开的热屏装置；

图3c以示意侧视图示出了带有(凹的)密封件的剖开的热屏装置；

图4以示意图示出了运行时在热屏及密封件上的作用力。

在所有附图中，为相同的部件设有相同的附图标记。

燃气轮机具有接在其上游、用于燃烧空气的压缩机、接在中间的燃烧室以及用于驱动压缩机和未详细示出的发电机或做功机械的透平。

大部分空气通过一个或多个压缩级的叶片组被压缩，所述空气接着在燃烧室中与气态或/和液态燃料相混合、点燃并燃烧。此外，可以使用空气或其它冷却介质来冷却。由此产生在后接的透平部分膨胀的热燃气，从而将热能转化为机械能。在此，燃烧室包括支承结构，所述热屏装置固定在所述支承结构上。

在图1中示出了按现有技术的热屏装置1热变形情况下的一个例子。热屏装置1具有支承结构2以及带有热侧5的热屏3。侧壁4相对于热侧5倾斜。热屏装置1形成内部空间10，从支承结构2的侧面通过供给通道15向该内部空间供给冷却介质14，优选是从压缩机中抽取的冷却空气。在高热负荷下，如尤其是在用于燃气轮机的燃烧室内所产生的那样，在热侧5以及在各侧4出现由热引起的拱起12。因此，在热屏3中在支承结构2和侧壁4之间出现由热引起的间隙13。冷却介质14通过所述间隙无阻碍地泄漏到燃烧室内。

图2示出了支承结构2上的热屏装置1，带有凹槽7和凹槽边棱。凹槽7在此可以环形地布置在侧壁4内或局部地布置。

图3示出了剖开的、带有凹槽7的热屏的俯视图。在此，凹槽7以局部地布置。凹槽边棱16由凹槽7和侧壁4限定。在热负荷下，热屏角部22保留在支承结构2上，而侧壁4的中间部分这样地拱起，使得所述侧壁露出可使冷却介质14漏出的间隙13。

图3a示出了剖开的、带有(平的支承结构)密封件6的热屏装置的示意侧视图。在此，设有带有凹槽边棱16的凹槽7。密封件具有边棱8(端部)。具有边棱8的密封件6安放在凹槽16内。为使密封件6分别安放在各侧壁4的中心部分，密封件6这样地成型，使得密封件6的边棱8向上伸到凹槽边棱16中。现在，如果在密封件6上安装热屏3，那么边棱8就被压到凹槽边棱16内，也就是说，朝侧壁4弯曲。因此，密封件6被夹紧在凹槽7内。由于这种夹紧而使密封件6具有弯曲半径20。

为了实现这种夹紧，在平的(图3a)或凸的(图3b)的密封面的情况下，密封件6的弯曲半径20小于密封面的半径。在凹的(图3c)的密封面的情况下，密封件6的弯曲半径20大于密封面的半径。因此，由于密封件6的形状而使密封件展开在支承结构2上。由于这种展开而使密封件6在凹槽7的整个长度内被压紧在支承结构2上。

在运行时，热屏3拱起。在此状态下，基本上仅在热屏角部22处还与支承结构2相接触。

在密封件这样夹紧的情况下，由热引起的间隙14被最优地封闭。由于预应力，密封件6在运行时、也就是在施加以温度时不拱起，这就好像是未夹紧的构件所出现的那样。因为热屏3在任何运行状态下都在热屏角部22处与支承结构2的接触，所以这保证了在任何运行状态下都能正确安放。因此，密封件6总是保留在其预定的、所希望的位置上并因而可以最优地实现其密封功能。

密封件6可以例如由薄的弯曲金属条或薄的弯曲金属软管制成。

图4示出了运行时在热屏1和密封件6上的作用力。力F作用在热屏角部22上并将热屏角部压在支承结构2上。密封件6展开在支承结构2上。预应力的施加使密封件6在所有运行条件下都处于固定的、所希望的位置上。

Claims

1.一种热屏装置(1)，该热屏装置包括支承结构(2)和固定在该支承结构上的热屏(3)，该热屏带有抵靠在该支承结构(2)上的环形侧壁(4)，其中，所述侧壁(4)至少局部具有凹槽(7)以及所述热屏带有朝向所述支承结构(2)的内部空间(10)和由所述凹槽(7)和所述侧壁(4)限定的凹槽边棱(16)，其特征在于，所述凹槽(7)包括具有至少两条相对置的边棱(8)的密封件(6)，其中，所述密封件(6)这样地夹紧在所述凹槽(7)内，使得所述至少两条边棱(8)在所述热屏(3)安装在所述支承结构(2)上时被弯曲到所述凹槽边棱(16)中，使得确保所述密封件(6)在所述支承结构(2)上展开，由此即使在运行时也能保证密封功能。

2.根据权利要求1所述的热屏装置(1)，其特征在于，所述密封件(6)完全嵌入所述凹槽(7)内。

3.根据权利要求1或2所述的热屏装置(1)，其特征在于，所述密封件(6)是弹性的弯曲条。

4.根据上述权利要求中任一项所述的热屏装置(1)，其特征在于，所述密封件(6)由金属或金属合金制成。

5.根据上述权利要求中任一项所述的热屏装置(1)，其特征在于，所述凹槽(7)环绕地布置在整个侧壁(4)上。

6.根据权利要求1至4之一所述的热屏装置(1)，其特征在于，所述凹槽(7)局部地布置在整个侧壁(4)上。

7.根据上述权利要求中任一项所述的热屏装置(1)，其特征在于，所述密封件(6)由于夹紧具有弯曲半径(20)。

8.根据权利要求7所述的热屏装置(1)，其特征在于，在平的或凸的密封面的情况下，所述密封件(6)的弯曲半径(20)小于所述密封面的半径。

9.根据权利要求7所述的热屏装置(1)，其特征在于，在凹的密封面的情况下，所述密封件(6)的弯曲半径(20)大于所述密封面的半径。

10.一种带有支承结构(2)的燃烧室(4)，该燃烧室具有根据上述权利要求中任一项所述的热屏装置(1)。

11.一种燃气轮机(1)，该燃气轮机带有根据权利要求10所述的燃烧室(4)。