CN102216568B - 用于燃气轮机的轴向段的导向叶片支架 - Google Patents

Abstract

特别是用于燃气轮机(101)的导向叶片支架(1)，所述导向叶片支架由多个轴向段(24)组成，在保持运行安全性的情况下，允许技术上更简单的结构以及与在导向叶片支架上存在的温度曲线更灵活地匹配。为此，至少一个轴向段(24)设计为网栅结构(26)。

Description

用于燃气轮机的轴向段的导向叶片支架

本发明涉及一种特别是用于燃气轮机的、由多个轴向段组成的导向叶片支架。

燃气轮机在众多领域被用于驱动发电机或做功机械。在此，燃料的能含量/内能用于产生涡轮机轴的旋转运动。为此，燃料在燃烧室内进行燃烧，其中，由空气压缩机压缩的空气被输入。在此，在燃烧室内通过燃料燃烧产生的、处于高压和高温下的工作介质被引导通过接在燃烧室后面的涡轮单元，在这里工作介质以做功的方式降低压力。

为了产生涡轮机轴的旋转运动，在此，在该涡轮机轴上设置多个通常组成叶片组或叶片排的涡轮叶片，该涡轮叶片通过来自工作介质的脉冲传输来驱动涡轮机轴。为了对于在涡轮单元内的工作介质进行导流，此外通常在相邻的涡轮叶片排之间设置与涡轮壳体连接的并组成导向叶片排的导向叶片。

燃气轮机的燃烧室可以构成为所谓的环形燃烧室，其中多个沿周向围绕涡轮机轴设置的燃烧器通入到一共同的、由耐高温的包围壁包围的燃烧腔室内。为此，燃烧室在其总体上构成为环形结构。除了唯一的燃烧室外，也可以设置多个燃烧室。

通常，涡轮单元的第一导向叶片排直接连接到燃烧室上，该第一导向叶片排与沿工作介质的流动方向观察紧接在后面的涡轮叶片排共同形成涡轮单元的第一涡轮机级，接着在该涡轮机级的后面通常设置其它涡轮机级。

在此，导向叶片分别通过还称为平台的叶根部固定在涡轮单元的导向叶片支架上。在这种情况下，用于固定导向叶片平台的导向叶片支架可以包括绝缘段。在两个相邻的导向叶片排的导向叶片的、沿燃气轮机的轴向方向彼此间隔开地设置的平台之间，在涡轮单元的导向叶片支架上分别设置一导向环。这种类型的导向环通过径向间隙与所属涡轮叶片排的、固定在涡轮机轴上相同的轴向位置上的涡轮叶片的叶尖间隔开。因此导向叶片的平台和本身必要时沿燃气轮机的周向分段地构成的导向环形成涡轮单元的多个壁部件，该壁部件作为用于工作介质的流动通道的外部界定结构。

在这种类型的燃气轮机的设计方案中，除了能达到的功率之外，通常特别高的效率是设计目标。在此，效率的提高出于热力学的原因原则上通过提高排出温度来实现，工作介质以该排出温度从燃烧室排出并且流入到涡轮单元内。因此，力求并达到约1200℃至1500℃的温度用于这种类型的燃气轮机。

但在工作介质的这样高的温度下，承受这种温度的元件和部件承受高的热负荷。因此，特别是燃气轮机的导向叶片支架通常由铸钢制成。这种导向叶片支架适合于承受住燃气轮机内部的高温，并因此可以确保燃气轮机更加安全的运行。

在此，根据燃气轮机的设计目标，燃气轮机的导向叶片或者固定在共同的导向叶片支架上，或者为每个涡轮机级设置单独的轴向段、例如在GB1051244A中那样。但在任何情况下，至少在大型燃气轮机的情况下形成一个或多个非常大的铸件，该铸件需要相当高的成本和技术上复杂的结构。此外，不是整个涡轮导向叶片支架都要承受极高的温度，该温度要求一种耐高热的铸钢，而是存在一种温度曲线，该温度曲线具有带高温的较小的区域以及带低温的较大的靠后的区域。

因此，本发明的目的在于，提供一种导向叶片支架，该导向叶片支架在保持运行安全性的情况下，允许技术上更加简单的结构以及与在导向叶片支架上存在的温度曲线更加灵活的匹配。

所述目的根据本发明通过下述方式来实现，即至少一个轴向段设计为网栅管结构。

在此，本发明基于这种构思，即特别是可以通过导向叶片支架的各个轴向段的不同材料来实现：在导向叶片支架的区域中更灵活地匹配于在燃气轮机内部的温度曲线。在此，特别是在环形段以及导向叶片的卡接的区域内出现高温，因为这些部件引起在其固定的区域内的局部的热导入。此外，导向叶片支架最前面的区域承受比较高的压缩机温度。在这些部位上，从热学角度来说需要价值较高的材料。但这种材料的耐热性并不需要用于涡轮机支架的大部分区域。这些区域可以由更加适合的且低成本的材料制成。此外，为了降低导向叶片支架的重量并可以使燃气轮机的结构更加简单，轴向段在低温区域内此外无需实心构成。因此这些轴向段应构成为具有多个管、棒、杆、梁、型材或类似构件的网栅结构，也就是说，构成为相互连接的以网栅管结构的方式设置的支柱。

在有利的设计方案中，所述各个网栅结构在其内侧和/或外侧上具有板罩(Blechverkleidung)。因此能实现导向叶片支架特别简单的结构。具有被板覆盖的网栅管结构的设计方案可以通过更简单的结构来替代导向叶片支架的此前作为铸件设置的部段，而在此不会危及燃气轮机的运行安全性。同时因此需要更少量的材料。

有利地，所述各个板罩具有冷却空气孔。次级空气通过这些孔进入，由此确保了特别简单的和可靠的对于导向叶片支架的由板制成的内侧面所进行的冷却。此外，这些孔与在铸件中所需的冷却空气孔相比能更简单地制成，由此在相同的截面或流动阻力的情况下，还可以通过扩大孔的数量实现在后面的环形段上的更精细的分布。

在另一种有利的设计方案中，所述各个轴向段和/或必要时所述各个板罩的材料与在运行中规定的局部的热的和机械的负荷相匹配。通过这种匹配确保了，分别用于铸件和/或板罩的材料与各个局部的温度状况和力状况精确协调。利用特别高的温度所加载的区域应由特别高值的和耐热的材料制成，而在导向叶片支架的较凉的区域内，则可以使用比较适合的材料。

有利地，多个轴向段相互焊接。通过各个轴向段、也就是各个网栅管结构和作为铸件制成的轴向段的焊接，确保了形状稳定的和安全的连接结构。

在另一种有利的设计方案中，所有轴向段设计为网栅管结构。为了实现导向叶片支架的特别简单的结构形式，因此整个导向叶片支架可以构成为网栅管结构，其中，需要时在内侧上使用按段不同的板罩。由此能实现导向叶片支架进而燃气轮机的更加简单的结构。

有利地，燃气轮机包括这种类型的导向叶片支架，以及燃气和蒸汽轮机设备包括具有这种类型的导向叶片支架的燃气轮机。

与本发明相关的优点特别是在于，通过将导向叶片支架的轴向段设计为网栅管结构，能实现导向叶片支架进而整个燃气轮机的在技术上明显更加简单的、更轻的和成本更低的结构形式。特别是在加载较低温度的区域内，可以使用更加适合的材料，而成本昂贵的高温材料则限制在燃气轮机的前面的热区域上。此外，由铸件制成的其余轴向段较小，由此能实现导向叶片支架和整个燃气轮机的更加简单的结构形式。

因为网栅管结构的导热性与实心的铸件相比差，所以此外沿轴向方向特别是从在压缩机出口上的热区域到后面较凉区域内发生较少的热传导，由此实现了导向叶片支架的改善的冷却，并由此实现了轴向和可能径向的较小的热膨胀。因此这种设计方案对于要进一步研发的导向叶片支架表现出很大的潜力，因为可以更灵活地应付热和机械要求。在涡轮机导向叶片支架的前部区域中，对于遵守到导向叶片和涡轮叶片的间隙存在极高的要求，以确保涡轮机效率。利用通过网栅管结构的分段，与此前相比能以好得多的程度来调节热膨胀特性，进而缩小必要的最小间隙。

下面借助附图对本发明的实施例进行详细说明。其中示出了：

图1示出由多个轴向段组成的导向叶片支架的上半部分的半剖面图；以及

图2示出燃气轮机的半剖面图。

相同的部件在两个附图中具有相同附图标记。

图1详细示出导向叶片支架1的半剖面图。在固定式燃气轮机上，导向叶片支架1通常以锥形或柱形的方式形成并由两个段、一个上段和一个下段组成，这两个段例如通过法兰相互连接。在此，仅示出上段的剖面。

所示的导向叶片支架1包括多个轴向段24，该轴向段为了形成固定的结构相互焊接。为能实现导向叶片支架1的更简单且更轻的结构，该结构此外能灵活地匹配于在燃气轮机101内部的温度状况，导向叶片支架1的多个轴向段24设计成网栅结构26、也称为网格构造。网栅结构26在其内侧上分别具有板罩28。网栅结构的支柱可以利用不同的型材构成，例如圆形、四边形或此外设计成空心体或以实心的构型方式。

其余轴向段24设计成铸件30。在此，铸件30和板罩28的材料在燃气轮机内部在其各自区域中分别匹配于热状况。替代所示附图，导向叶片支架1的整体结构也可以由网格段组成。

根据图2的燃气轮机101具有用于燃烧用空气的压缩机102、燃烧室104以及用于驱动压缩机102和未示出的发电机或做功机械的涡轮单元106。为此，涡轮单元106和压缩机102设置在共同的、还称为涡轮机转子的涡轮机轴108上，发电机或做功机械也与该涡轮机轴连接，并且该涡轮机轴能围绕其中心轴线109旋转地进行支承。以环形燃烧室的方式形成的燃烧室104装配有多个用于燃烧液态或气态的燃料的燃烧器110。

涡轮单元106具有多个与涡轮机轴108连接的、能旋转的涡轮叶片112。涡轮叶片112环状地设置在涡轮机轴108上并因此形成多个涡轮叶片排。此外，涡轮单元106包括多个固定的导向叶片114，该导向叶片在形成导向叶片排的情况下同样环状地固定在涡轮单元106的导向叶片支架1上。在此，涡轮叶片112用于通过穿过涡轮单元106流动的工作介质M的脉冲传递来驱动涡轮机轴108。相反，导向叶片114用于对于在每两个沿工作介质M的流动方向观察相互跟随的涡轮叶片排或涡轮叶片轮缘之间的工作介质M进行导流。在此，由导向叶片114或一导向叶片排的轮缘和由涡轮叶片112或一涡轮叶片排的轮缘组成的相互跟随的对也称为涡轮机级。

每个导向叶片114具有一平台118，该平台作为壁部件被设置用于将相应的导向叶片114固定在涡轮单元106的导向叶片支架1上。在此，平台118是较强地受到热负荷的部件，该部件形成了穿过涡轮单元106流动的工作介质M用的热气通道的外部的界定结构。每个涡轮叶片112以类似方式通过还称为叶片根部的平台119固定在涡轮机轴108上。

在两个相邻的导向叶片排的导向叶片114的彼此间隔开设置的平台118之间，在涡轮单元106的导向叶片支架1上分别设置一导向环121。在此，每个导向环121的外表面同样承受穿过涡轮单元106流动的热工作介质M并沿径向通过间隙和与其对置的涡轮叶片112的外端间隔开。在此，设置在相邻导向叶片排之间的导向环121特别是作为覆盖件使用，该覆盖件使得在导向叶片支架1中的内部壳体或其它壳体内装件避免受到穿过涡轮单元106流动的热工作介质M的热超负荷。

燃烧室104在该实施例中构成为所谓的环形燃烧室，其中多个沿周向围绕涡轮机轴108设置的燃烧器110通入到一共同的燃烧腔室内。为此，燃烧室104在其总体上作为围绕涡轮机轴108定位的环形结构而构成。

通过使用上述设计方案的导向叶片支架1，确保了材料与燃气轮机101内部的温度状况的最佳协调。靠近压缩机的、以相应较高的温度加载的部件、即图2中左侧最远的轴向段24与在气体通道中接在后面的区域相比由更耐高温的材料制成。此外通过所述网栅结构确保了各个铸件30彼此之间的良好热绝缘，由此可以使热变形最小化。

Claims (7)

1.用于燃气轮机（101）的导向叶片支架（1），所述导向叶片支架由多个轴向段（24）组成，其中，全部轴向段（24）设计成网栅管结构（26），其中各个所述轴向段（24）的材料与在运行中规定的局部的热负荷以及机械负荷相匹配。

2.按权利要求1所述的导向叶片支架（1），其中，各个所述网栅管结构（26）在其内侧和/或外侧上具有一板罩（28）。

3.按权利要求2所述的导向叶片支架（1），其中，各个所述板罩（28）中具有冷却空气孔。

4.按权利要求1至3之一所述的导向叶片支架（1），其中，多个轴向段（24）相互焊接。

5.按权利要求2或3所述的导向叶片支架（1），其中，各个所述板罩（28）的材料与在运行中规定的局部的热负荷以及机械负荷相匹配。

6.具有按权利要求1至5之一所述的导向叶片支架（1）的燃气轮机（101）。

7.具有按权利要求6所述的燃气轮机（101）的燃气轮机设备或者蒸汽轮机设备。