CN102197195B - 具有冷却嵌件的燃气涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种燃气涡轮机（1），具有许多总是组成工作叶片行的、设置在涡轮机轴（8）上的工作叶片（12），并且具有许多总是组成导向叶片行的、利用导向叶片支架（16）固定在涡轮机外壳上的导向叶片（14），其中导向叶片支架（16）具有许多冷却空气孔，在保持尽可能最大的运行安全性的条件下要使该燃气涡轮机具有特别高的效率。为此在冷却空气孔里面加入一个冷却嵌件（22）。

Description

具有冷却嵌件的燃气涡轮机

本发明涉及一种燃气涡轮机，具有许多总是组成工作叶片行的、设置在涡轮机轴上的工作叶片并且具有许多总是组成导向叶片行的、利用导向叶片支架固定在涡轮机外壳上的导向叶片，其中导向叶片支架具有许多冷却空气孔。

在许多领域使用发电机或工作机用来驱动装置。在此，燃料的能函（Energieinhalt）用于产生涡轮机轴的旋转运动。为此使燃料在燃烧室里面燃烧，其中由空气压缩机输送被压缩的空气。在此在燃烧室里面通过燃烧所述燃料产生的、处于高压和高温下的工作介质通过后置于燃烧室的涡轮机单元导引，在那里工作介质高效作功地膨胀。

为了产生涡轮机轴的旋转运动，在这个涡轮机轴上设置许多通常以叶片组或叶片行所组成的工作叶片，它们通过来自工作介质的脉冲传递来驱动涡轮机轴。为了在涡轮机单元里面对于工作介质进行流体输送，还通常在相邻的工作叶片行之间设置与涡轮机外壳连接的并且组成导向叶片行的导向叶片。

燃气涡轮机的燃烧室也可以构成为所谓的环形燃烧室，其中许多在周向方向上围绕涡轮机轴设置的燃烧器通入到公共的、由耐高温的包绕壁包围的燃烧室。为此使燃烧室在其总体上由环形结构构成。除了唯一的燃烧室，也可以设有许多燃烧室。

通常直接在燃烧室上连接涡轮机单元的第一导向叶片行，它与在工作介质流动方向上看去紧接着的工作叶片行一起形成涡轮机单元的第一涡轮机级，对于该第一涡轮机级通常后置另一涡轮机级。

在此导向叶片分别通过也称为平台（Plattform）的叶片根固定在涡轮机单元的导向叶片支架上。在此导向叶片支架为了固定导向叶片的平台包括绝缘段。在两个相邻导向叶片行的导向叶片的沿着燃气涡轮机的轴向相互间隔地设置的平台之间分别在涡轮机单元的导向叶片支架上设置一导向环。这种导向环通过径向间隙与从属的工作叶片行的固定在涡轮机轴上的相同轴向位置处的工作叶片的叶片尖间隔距离。由此使导向叶片的平台和其必要时在燃气涡轮机周向方向上扇形地构成的导向环形成许多表示工作介质流动通道外边界的涡轮机单元壁体部件。

在此如同例如由US 3,864,056已知的那样，上述的导向环可以被冷却地构成。按照US 3,864,056，导向环段与导向叶片支架钩联。在其壁体里面设有用于将冷却空气输送到导向环的穿孔形式的输入装置。在穿孔里面旋入预紧的套，该套使导向环段顶压着钩子，其中在套内部流动的冷却空气通过开孔可以进入到导向环段的冷气体侧的返回室中，并且在那里继续用于冷却导向环段。GB 1 524 956示出对此可选择的对于导向环段的固定和冷却。

此外也可以在导向叶片支架里面设有孔，穿过该孔导引测量杆，通过该测量杆获得导向环段与导向叶片尖之间的径向间隙。在此由US 2006/0140754 A1已知冷却的测量杆。

在设计这种燃气涡轮机时，附加地对于可实现的功率通常以特别高的效率作为设计目的。在此，效率的提高由于热动力学的原因原则上能够通过提高出口温度来实现，工作介质以该出口温度从燃烧室流出，并且流入到涡轮机单元里面。因此对于这种燃气涡轮机致力于并且也实现约1200℃至1500℃的温度。

但是在工作介质的这种高温的情况下，使遭受该工作介质的组件和零件处于高热负荷下。因此尤其燃气涡轮机的导向叶片支架通常由铸钢制成，因为铸钢适合于抵抗燃气涡轮机内部的高温。此外一般在导向叶片支架里面设有冷却空气孔，穿过它们使冷却空气从燃气涡轮机外部部位流到内部，同时冷却导向叶片支架。在此一般在涡轮机外壳与导向叶片支架之间设有多个具有不同温度和压力的冷却空气容器。

因此可能需要充分冷却导向叶片支架，因为太高的温度和相关的太高的温度差在不同的运行状态导致导向叶片支架的热变形，在燃气涡轮机的结构中必需要考虑这种热变形。在此必需相应较大地选择尤其是工作叶片与内壁之间的径向间隙的间隙尺寸，用于补偿由于导向叶片支架变形所产生的变化，并由此防止损伤燃气涡轮机。但是加大间隙会导致燃气涡轮机效率降低。相应地为了减小导向叶片支架的变形总是要充分地进行冷却。

另一方面对于导向叶片支架所进行的强烈冷却也意味着对于流到燃气涡轮机内部中的冷却空气的高消耗。冷却空气降低燃气涡轮机内部的温度并因此同样可能降低燃气涡轮机的效率。

因此本发明的目的是，提供一种燃气涡轮机，它在保持尽可能最大的运行安全性的条件下具有特别高的效率。

按照本发明这个目的由此得以实现，在至少一个冷却空气孔里面为了其壁体冷却而加入冷却嵌件（Kühleinsatz）。

在此本发明源自这种思考：通过提高燃气涡轮机内部的温度可以实现特别高的效率。这可以通过减少冷却空气消耗、即减少加入到燃气涡轮机内部的冷却空气量得以实现。但是减少冷却空气量会导致导向叶片支架温度的提高，由此其冷却空气孔流过更少的空气，并且相应地由导向叶片支架排出更少的热量。但是这可能导致导向叶片支架的变形，这必需在构造燃气涡轮机时考虑。因此要使现有的冷却空气特别有效地用于冷却，即，要以尽可能少的冷却空气量排出尽可能多的热量。旋流的流动比层流的流动能够更好地传递热量，因此出于这种认识有意义的是，在冷却空气孔里面为了有效地冷却壁体产生旋流的流动。这可以通过在冷却空气孔里面装入冷却嵌件来实现。有效的壁体冷却会补偿减小的导向叶片支架冷却，这种减小的导向叶片支架冷却可能在冷却空气孔里面由于减少的冷却空气流量而产生。

所述冷却嵌件管状地构成并且配有设置在其孔壁里面的、窗口形的壁孔。由此能够使穿过冷却嵌件流动的冷却空气还可以与导向叶片支架的冷却空气孔壁体相接触，用于从其中提取热能。

按照一种特别优选的方案，所述壁孔是大面积的，并且该壁孔通过板条（Steg）相互分开，由此可以使冷却空气大面积地与冷却空气孔壁体相接触。

在有利的方案中，所述各冷却嵌件包括至少一个扰流器。该扰流器是小的凸起，即，一般施加的表面干扰，它们能够使层流流动转成旋流流动。它们例如可以由板条形成或者以加高的钢丝、薄板角或类似结构构成。即使流体已经在冷却空气孔里面旋流，这些扰流器仍然负责更好地热传递，并由此总体上以减少的冷却空气消耗更好地冷却导向叶片支架。

有利地也可将所述冷却嵌件构造为撞击冷却嵌件（Prallkühleinsatz），例如当所述壁孔设置为栅格式分布的撞击冷却孔（Prallkühlöffnungen）时。通过所述冷却嵌件流动的冷却空气可以通过该撞击冷却孔射流方式地逸出，并且在这种情况下横向地撞到导向叶片支架的冷却空气孔壁体上。由此实现对于该导向叶片支架的特别有效的冷却。

有利地使所述各冷却嵌件包括螺纹形式的结构。通过螺纹结构可以迫使流体在冷却空气孔内部旋转，这一方面负责使流体进行旋流，另一方面使冷却空气在冷却空气孔里面更长时间地滞留。由此同样保证更好地从导向叶片支架的材料将热量传递到通流的冷却空气。

有利地使所述各冷却嵌件由与导向叶片支架相同的材料制成。由此可以避免由于选择不同的冷却嵌件和导向叶片支架材料而引起的可能的复杂性，例如不同的热膨胀，并且总体上能够实现相对更简单的结构。

通过将冷却嵌件加入到导向叶片支架的冷却空气孔里面，就改变了这些冷却空气孔的冷却特性。为了达到相同的冷却效果，只需加入更少量的冷却空气。因此有利地要使到冷却空气孔的冷却空气输入管道匹配于各冷却嵌件的冷却特性。这意味着，加入的冷却空气的温度和压力在通过冷却嵌件冷却方面最优化成新的、改变的特性。

有利地在燃气和蒸汽涡轮机设备中使用这种燃气涡轮机。

与本发明相关的优点尤其在于，通过在导向叶片支架的冷却空气孔里面加入冷却嵌件，由于更好地冷却同时以更少的冷却空气量实现总体上更好的燃气涡轮机效率。此外能够特别简单地加入这种嵌件，并且也可以相应地相对简单地以再装备（Nachrüstung）的形式在较老的燃气涡轮机中使用。此外所述冷却嵌件能够灵活地适配于冷却和冷却空气消耗方面的各种要求。

借助于附图详细描述本发明的实施例。附图中：

图1示出燃气涡轮机的半截面图，

图2示出冷却嵌件下半部的半截面图，

图3示出冷却嵌件的俯视图。

相同的部件在所有的附图中配有相同的附图标记。

按照图1的燃气涡轮机1具有用于燃烧空气的压缩机2、燃烧室4以及用于驱动压缩机2和未示出的发电机或工作机的涡轮机单元6。为此使涡轮机单元6和压缩机2设置在公共的、也称为涡轮机转子的涡轮机轴8上，发电机或工作机也与涡轮机轴连接，并且涡轮机轴围绕其中心轴线9可旋转地支承。以环形燃烧室形式构成的燃烧室4配备许多燃烧器10，用于燃烧液体的或气体的燃料。

所述涡轮机单元6具有许多与涡轮机轴8连接的、旋转的工作叶片12。工作叶片12轮缘形地（kranzförmig）设置在涡轮机轴8上并由此形成许多工作叶片行。此外涡轮机单元6包括许多静止的导向叶片14，它们同样轮缘形地在形成导向叶片行的情况下固定在涡轮机单元6的导向叶片支架16上。在此导向叶片支架12用于通过传递流过涡轮机单元6的工作介质M的脉冲来驱动涡轮机轴8。而导向叶片14用于分别在两个在工作介质M的流动方向上看去相互衔接的工作叶片行或工作叶片轮缘之间导引工作介质M的流。在此由导向叶片14或导向叶片行的轮缘和由工作叶片12或工作叶片行的轮缘组成的相互衔接的组对也称为涡轮机级。

每个导向叶片14具有平台18，它作为壁体部件用于使各导向叶片14固定在涡轮机单元6导向叶片支架16上。在此平台18是相对强烈地承受热负荷的零部件，它形成了热燃气通道的外边界，该热燃气通道用于所述流过涡轮机单元6的工作介质M。每个工作叶片12以类似的方式通过也称为叶片根（Schaufelfuß）的平台19固定在涡轮机轴8上。

在两个相邻导向叶片行的导向叶片14的相互间隔设置的平台18之间分别在涡轮机单元6的导向叶片支架16上设置一导向环21。在此每个导向环21的外表面同样遭受所述流过涡轮机单元6的热工作介质M，并且在径向上与同其对置的工作叶片12的外端部通过一种间隙而间隔距离。在此设置在相邻导向叶片行之间的导向环21尤其作为盖部件，它保护导向叶片支架中的内部外壳16或其它的外壳置入部件免受由于流过涡轮机6的热工作介质M的过热负荷。

在本实施例中燃烧室4由所谓的环形燃烧室（Ringbrennkammer）构成，其中许多在周向方向上围绕涡轮机轴8设置的燃烧器10通到公共的燃烧室里面。为此使燃烧室4在其总体上由环形结构构成，它围绕涡轮机轴8定位。

因为导向叶片支架16也通过工作介质M的高温来加热，所以在导向叶片支架16里面掏制出冷却空气孔，穿过它们使不同温度和不同压力的冷却空气从导向叶片支架16区域外部的不同室通过导向叶片支架16导引到燃气涡轮机1的内部中。这种冷却空气负责冷却导向叶片支架16，由此减小导向叶片支架16的热变形。

但是因为大量冷却空气降低涡轮机1内部的温度并由此降低效率，所以要使所使用的冷却空气量保持尽可能地少。但是为了保证充分地冷却导向叶片支架16，在冷却空气孔里面安装了冷却嵌件22。如果所述冷却嵌件22构造为撞击冷却嵌件，其外径略微小于冷却空气孔的直径。

在图2中示出这种冷却嵌件22半体的横截面。该冷却嵌件22具有基本圆柱形的形状，用于可以安装在现有的冷却空气孔里面。通过这种方式也可以使现有的燃气涡轮机在后配备这种冷却嵌件22。此外它可以管状地、即沿着其轴向延伸部进行通流。在此所述冷却嵌件22在一侧上包括用于固定的法兰23。

所述冷却嵌件22在其横截面中圆形的管壁上具有许多窗口形的壁孔25，它们不仅沿着其轴向延伸部分布，而且分布在周向上。壁孔是相对大面积的并且通过板条26相互分开。这种冷却嵌件22与撞击冷却嵌件不同，具有对应于冷却空气孔直径的外径。

在冷却嵌件22的周向方向上延伸的板条26由扰流器24构成，在该扰流器上使空气流中断并且将层流转换成旋流。在此也能够实现其它形状和布置的扰流器。旋流的流体在壁孔25部位中与导向叶片支架的冷却空气孔壁体相接触，用于冷却该孔壁。由此保证更好地将导向叶片支架16材料的热量传递到冷却空气上。所述板条26和/或扰流器24也可以以螺纹的形式设置，由此还使得冷却空气也得到附加的涡旋，由此加大在冷却空气孔里面的滞留时间和旋流。

图3再一次以俯视图示出冷却空气嵌件22。在这里可以看到用于固定在导向叶片支架16的冷却空气孔里面的法兰23。因为通过冷却嵌件22改善由导向叶片支架16材料到冷却空气开孔里面的冷却空气的热量传递，因此还要使输入到导向叶片支架16里面的冷却空气匹配于新的冷却空气特性。由此保证相对更好且更有效地对于导向叶片支架16进行冷却，同时保持更少的冷却空气消耗。由此总体上能够提高燃气涡轮机1的效率。

Claims (8)

1.燃气涡轮机（1），具有许多总是组成工作叶片行的、设置在涡轮机轴（8）上的工作叶片（12）并且具有许多总是组成导向叶片行的、利用导向叶片支架（16）固定在涡轮机外壳上的导向叶片（14），其中导向叶片支架（16）具有许多冷却空气孔，其特征在于，在至少一个冷却空气孔里面为了该冷却空气孔的壁体冷却而装入冷却嵌件（22），该冷却嵌件管状地构成并且配有设置在该冷却嵌件的管壁里面的壁孔（25）。

2.如权利要求1所述的燃气涡轮机（1），其中，所述壁孔通过板条（26）相互分开。

3.如权利要求1或2所述的燃气涡轮机（1），其中，所述各冷却嵌件（22）包括至少一个扰流器（24）。

4.如权利要求1或2所述的燃气涡轮机（1），其中，所述壁孔构成为撞击冷却孔。

5.如权利要求1或2所述的燃气涡轮机（1），其中，所述各冷却嵌件（22）包括螺纹形式的结构。

6.如权利要求1或2所述的燃气涡轮机（1），其中，所述各冷却嵌件（22）由与导向叶片支架（16）相同的材料制成。

7.如权利要求1或2所述的燃气涡轮机（1），其中，被引导到冷却空气孔的冷却空气输入管道匹配于各冷却嵌件（22）的冷却特性。

8.燃气和蒸汽涡轮机设备，具有如权利要求1至7中任一项所述的燃气涡轮机（1）。

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