CN102216570B - 燃气涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种燃气涡轮机（1），具有许多相互间同轴设置的、基本上空心锥形或柱形地构成的零部件以及导向叶片支架（16），该燃气涡轮机要以尽可能高的运行安全性和使用寿命实现特别高的效率。为此使所述零部件或导向叶片支架中的至少一个导向叶片在停机状态具有基本上为椭圆形的横截面轮廓。

Description

燃气涡轮机

本发明涉及一种燃气涡轮机，具有基本上空心锥形或柱形地构成的、沿着设备轴线延伸的导向叶片支架以及环形热气路径的在周向方向和/或轴向方向上分成环扇段（Ringsegment）的、基本上空心锥形或空心柱形地构成的外壁，该外壁的环扇段利用许多钩连部件固定在导向叶片支架的内侧面上。

燃气涡轮机在许多领域中用于驱动发电机或工作机。在此，燃料的能函用于产生涡轮机轴的旋转运动。为此在燃烧室里面燃烧燃料，其中输送由空气压缩机压缩的空气。在燃烧室里面通过燃烧燃料所产生的、处于高压下和高温下的工作介质在这种情况下导引通过后置于燃烧室的涡轮机单元，在那里工作介质膨胀作功。

为了产生涡轮机轴的旋转运动，在此在该涡轮机轴上设置许多一般组成叶片组或叶片列的工作叶片，它们通过来自工作介质的脉冲传递（Impulsübertrag）而驱动涡轮机轴。为了工作介质的流体导引，一般还在相邻的工作叶片列之间设置与涡轮机外壳连接的、组成导向叶片列的导向叶片。它们固定在通常为空心柱形或空心锥形的导向叶片支架上。

在设计这种燃气涡轮机时，附加地对于可达到的功率一般将特别高的效率作为设计目的。在此由于热动力学的原因，效率的提高原则上能够通过提高出口温度来实现，工作介质以该温度从燃烧室排出并流入到涡轮机单元中。在此对于这种燃气涡轮机致力于并也达到大约1200℃至1500℃的温度。

但是在工作介质的这种高温下，处于这个温度下的部件和零部件遭受高的热负荷。因此热气通道一般通过所谓的环扇段包裹，它们形成热气通道外壁的轴向段。它们一般通过固定部件固定在导向叶片支架上，由此使环扇段整体在周向方向上也如同导向叶片支架那样形成一种空心锥形或空心柱形的结构。

燃气涡轮机的零部件可能由于在不同运行状态中的不同热膨胀而发生变形，这对于在工作叶片与热气通道外壁之间的径向间隙的尺寸具有直接影响。这个径向间隙在启动和运行涡轮机时与在规则运行中相比不同地设计尺寸。在燃气涡轮机的结构中，总是这样设计零部件的尺寸、例如导向叶片支架或外壁的尺寸，使径向间隙保持足够地大，以便在所有运行状态中不损伤燃气涡轮机。但是相应地相对较大的径向间隙的设计会明显地影响效率。

为了解决这个问题，JP 2005-042612建议，可冷却地构成导向叶片支架，由此要避免热引起的变形。按照JP 54-081409要通过更多的燃气膨胀室来解决这个问题，这导致上部和下部外壳部件的相对刚性。

因此本发明的目的是，给出一种燃气涡轮机，它以尽可能最高的运行安全性和使用寿命来实现特别高的效率。

这个目的按照本发明如此得以实现：使上述燃气涡轮机的所述环扇段中的至少一个环扇段的钩连部件（Verhakungselement）在几何形状上这样地匹配，在停机状态中在垂直于设备轴线的截面中使得对于热气路径进行限定的外壁具有一种基本上为椭圆形的横截面轮廓。

在此本发明源自这种思考，通过减小燃气涡轮机的规则运行中、即例如满载运行中的径向间隙就能够实现特别高的效率。目前尤其因为涡轮机在不同的运行状态中不同地变形，因此需要相对较大地设计径向间隙。在此尤其是出现了燃气涡轮机的柱形或锥形地成形的零部件的椭圆化，这必需在设计径向间隙时予以考虑。为了能够减小在燃气涡轮机结构中的径向间隙，因此要使在燃气涡轮机运行中的椭圆化保持尽可能微小。这一点应该通过在停机状态、即在冷却到室温的燃气涡轮机中的空心圆锥形或圆柱形地构成的燃气涡轮机零部件的相应地匹配的横截面轮廓来实现。这种横截面轮廓应该这样构成，使在装配燃气涡轮机以后，在室温下存在的横截面轮廓通过在运行状态中产生的热变形导致一种圆形的横截面轮廓。这一点由此实现，使所述环扇段中的至少一个环扇段的钩连部件在几何形状上这样匹配，使得在停机状态中在垂直于设备轴线的横截面中，使限定热气通道的外壁具有一种基本上为椭圆形的横截面轮廓。因此应该不象在现有技术JP2005-042612和JP 54-081409中那样抑制热伸展。

因此相应地能够相对简单地制成上述的环扇段，利用该环扇段在工作叶片外部包裹热气通道。所述环扇段在工作叶片的轴向部段中在周向方向上形成热气通道的外壁，因此它们共同地形成了燃气涡轮机的紧挨着所述工作叶片的空心锥形或柱形的零部件。因此在停机状态中，形成了热气通道外壁的环扇段的垂直于设备轴线的横截面具有所述的椭圆形的横截面轮廓。

在这种情况下，在工作叶片的轴向部段中形成热气通道外壁的环扇段一般在导向叶片支架中通过钩连部件实现钩连。因为导向叶片支架是一种相对庞大的零部件，它在运行中具有相对剧烈的变形，所以由所有环扇段所形成的横截面轮廓在运行状态中经常通过环扇段在导向叶片支架中的固定或夹紧以及其在运行中的变形来确定。因此不必一定将由环扇段组成的外壁本身的冷轮廓加工成椭圆形状，因为本来就出现由在钩连部件上的接触位置所被迫产生的变形。因此可以如此实现导向叶片支架的椭圆化的补偿，有利地只使环扇段的各个钩连部件这样匹配，使所述外壁具有基本上椭圆形的横截面轮廓。因为这些环扇段是可更换的维修部件，因此一方面能够实现现有燃气涡轮机的改装，另一方面补偿导向叶片支架中的加工误差，并且特别简单地适配于变化的运行方式，包括变化的其它的用于减小径向间隙的措施。

在有利的改进方案中，在加工空心锥形或空心柱形地构成的燃气涡轮机零部件时，分别这样选择所述椭圆形的横截面轮廓的主轴和副轴的长度，使各零部件通过其在运行状态中的热变形具有一种基本上为圆形的横截面轮廓。这一点例如可以通过采用对于在运行中所预料的以90度错置的椭圆形式来实现。因此这样选择这个零部件的椭圆形状，使运行状态中的变形正好这样得到补偿，使得在运行中产生圆形的横截面，并由此在燃气涡轮机的整个周边上存在相同的径向间隙，即，径向间隙在周边上不再具有变化。由此已经可以在结构上相应狭窄地设计径向间隙的尺寸，这导致更高的燃气涡轮机效率。

有利的是，使钩连部件在其径向长度上匹配，和/或为了改变钩连部件的径向位置在导向叶片支架的相应的固定槽里设置附件（Beilagen）。由此使它们位于钩连部件的钩与固定槽之间，并由此沿着周向看去导致环扇段的不同径向位置。因此事实上或者可以在导向叶片支架中使沿着周向分布的环扇段配有不同长度的径向钩，或者使环扇段的钩连部件沿着周向是一致的，其中为了改变环扇段的径向位置沿着周向对于相应的钩使用不同厚度的附件。

通过所述的空心锥形或空心圆柱形的燃气涡轮机零部件在停机状态中的椭圆形结构，可以对于运行状态实现一种基本上为圆形的形状，此外还可以在设计燃气涡轮机的径向间隙和结构时考虑现在在停机状态中呈现的椭圆形形状。能够解决这个问题，有利地使配备所述的近似椭圆地（gegenoval）加工的零部件的燃气涡轮机具有涡轮机轴的支承装置，该支承装置这样设计，使涡轮机轴沿着涡轮机轴线可以移动。由此可以在冷的运行状态中使涡轮机轴在热气流方向上移动，由此在空心锥形的外壁形状中通过在热气流方向上加大半径而在冷的停机状态产生径向间隙的加大，并由此在冷的状态（例如在燃气涡轮机启动时）使还存在的近似椭圆形式（Gegenovalisierung）对于在热的状态可达到的径向间隙没有限制。由此可以达到更高的涡轮机效率。

有利地在一种燃气和蒸汽涡轮机设备中使用这种燃气涡轮机。

通过本发明实现的优点尤其在于，通过有针对性地构成燃气涡轮机的空心锥形或空心柱形的零部件，使它们在停机状态中具有一种基本上为椭圆形的横截面轮廓，由此通过减小径向间隙实现特别高的燃气涡轮机效率。通过椭圆形的加工，其中使在冷状态中采用的椭圆形式相对于在运行中产生的椭圆形式以90度进行旋转，由此减小或避免了目前的例如环形热气通道的外壁或者导向叶片支架的内壁在运行状态中的椭圆变形。通过在周向上的径向间隙的均匀化，就减小了通流损失，并由此改进了设备的效率。附加地能够减小新结构中的冷间隙，因为在产生间隙时不必再提前考虑椭圆化的量值。

借助于附图详细地解释本发明。附图中：

图1示出一种燃气涡轮机的半截面图，

图2示出按照现有技术的燃气涡轮机的导向叶片支架的横截面图，

图3示出具有采用椭圆形状的燃气涡轮机的导向叶片支架在停机状态中的横截面图。

相同的部件在所有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。为此将涡轮机单元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，并且它围绕其涡轮机轴线9可旋转地支承。以环燃烧室形式构成的燃烧室4配备许多用于燃烧液体的或气体的燃料的燃烧器10。

所述涡轮机单元6具有许多与涡轮机轴8连接的、可旋转的工作叶片12。该工作叶片12轮缘形地设置在涡轮机轴8上并因此形成许多工作叶片列。此外涡轮机单元6包括许多固定的导向叶片14，它们同样轮缘形地在形成导向叶片列的条件下固定在涡轮机单元6的导向叶片支架16上。在此工作叶片12用于通过脉冲传递流过涡轮机单元6的工作介质M来驱动涡轮机轴。而导向叶片14与此相反用于在两个在工作介质M的流动方向上看去相互衔接的工作叶片列或工作叶片轮缘之间流体地导引工作介质M。在此相互衔接的由导向叶片14的轮缘或导向叶片列并且由工作叶片12的轮缘或工作叶片列组成的组对也被称为涡轮机级。

每个导向叶片14具有一平台18，它作为壁部件用于将各导向叶片14固定在涡轮机单元6的导向叶片支架16上。在此该平台18是相对剧烈地热加载的零部件，它形成用于流过涡轮机单元6的工作介质M的热气通道外部限定部。每个工作叶片12以类似的方式通过也称为叶片根部的平台19固定在涡轮机轴8上。

在两个相邻的导向叶片列的导向叶片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上设置了环扇段21。在此，每个环扇段21的内表面同样遭受流过涡轮机单元6的热工作介质M，并因此作为其外壁向外形成环形的热气路径的边界。在径向上，所述外壁与同它相对置的工作叶片12的外端部通过径向间隙间隔距离。在此，设置在相邻的导向叶片列之间的环扇段21尤其作为遮盖部件，它们保护导向叶片支架16或其它的外壳置入部件免受流过涡轮机6的热工作介质M的热过负荷。

所述燃烧室4在本实施例中由所谓的环燃烧室构成，其中许多在周向方向上围绕涡轮机轴8设置的燃烧器10通到公共的燃烧室空间中。为此使燃烧室在其总体上由环形结构构成，它围绕着涡轮机轴8进行定位。

图2和图3以垂直于涡轮机轴线9的横截面图简示出燃气涡轮机1的导向叶片支架16，在左侧为停机状态，即冷的燃气涡轮机1的情况下，在右侧为运行状态，即位于运行温度时。因此在停机状态中，导向叶片支架16具有对应于燃气涡轮机环境温度的材料温度。与此相比，运行温度高得多，超过100℃。在此导向叶片支架16由上扇段24和下扇段26组成。这两个扇段24,26通过法兰28相互连接，并且在其连接位置处分别形成连接接口30。

由于燃气涡轮机1的高运行温度，在运行状态中-如同图2右侧所示-按照现有技术这样产生导向叶片支架16的变形，使得各上部件和下部件24,26的顶点32之间的距离变大。在此导向叶片支架16的横截面变形成竖立的椭圆。为了比较，以虚线示出了圆形的轮廓。

现在这种变形可以通过有针对性地在冷的停机状态中采用导向叶片支架16横截面的椭圆形的结构得到补偿，如同在图3中所示的那样。在停机状态中，上扇段和下扇段24,26的顶点32之间的距离缩短，由此使停机状态中的横截面模仿成平放的椭圆，如同在图3中左侧所示的那样。然后通过热引起的在顶点32之间的距离在运行状态中的伸展和加大，如右侧所示，就得到导向叶片支架16的基本上圆形的形状，如同在图3右侧所示的那样。

为了在停机状态中不会产生由于采用的椭圆而在径向间隙方面的限制，使涡轮机轴8可以沿着涡轮机轴线9移动。在冷状态中，如果也出现热气通道的椭圆形状，则可以使涡轮机轴8在热气流方向上移动。由此通过热气通道的锥形状产生径向间隙的加大。如果在运行状态中由于热变形产生圆形横截面，则使涡轮机轴8在相反方向上移动，用于使径向间隙最佳化。

也可以选择通过相应地采用的椭圆这样构成环扇段21，使热气通道在运行中得到圆形的横截面。为此可以使得用于将环扇段21固定在导向叶片支架16上的钩连部件长度不同，即，对于不同周向位置来说长度不同，或者在钩与固定槽之间在导向叶片支架16上装入附件，它们利用相同长度的钩连部件来影响相关环扇段21的径向位置。因此，环形热气通道的由环扇段21形成的径向外壁的垂直于设备轴线的横截面轮廓尽可能通过导向叶片支架16的由环扇段钩连部件转送的变形来确定。因此在图2和图3中，代替导向叶片支架16，也可以理解为燃气涡轮机热气通道的无法兰的外壁。

通过燃气涡轮机的导向叶片支架16或由环扇段组成的热气通道外壁的这种椭圆形形状可以避免在运行状态中的椭圆化。由此在燃气涡轮机1的结构中使径向间隙设计得相应更小，这总体上不影响运行安全性地导致燃气涡轮机1的高得多的效率。

Claims (5)

1.燃气涡轮机（1），具有基本上空心锥形或空心柱形地构成的、沿着设备轴线延伸的导向叶片支架（16）以及环形热气路径的在周向方向和/或轴向方向分成环扇段（21）的、基本上空心锥形或空心柱形地构成的外壁，该外壁的环扇段（21）利用多个钩连部件固定在导向叶片支架（16）的内侧面上，其特征在于，使至少一个环扇段（21）的钩连部件在几何形状上这样地匹配，使得在停机状态中在垂直于设备轴线的截面中，对于热气路径进行限定的所述外壁具有一种基本上椭圆形的横截面轮廓。

2.如权利要求1所述的燃气涡轮机（1），其中，分别这样选择所述椭圆形的横截面轮廓的主轴和副轴的长度，使外壁在运行状态产生热变形以后具有一种基本上圆形的横截面轮廓。

3.如权利要求1或2所述的燃气涡轮机（1），其中，使钩连部件在其径向长度上匹配，和/或对于钩连部件的不同径向位置在导向叶片支架（16）的固定槽里设置附件。

4.如权利要求1或2所述的燃气涡轮机（1），该燃气涡轮机包括涡轮机轴（8），该涡轮机轴具有许多组成工作叶片列的、环绕地设置的工作叶片（12）以及涡轮机轴（8）的支承装置，它这样设计，使涡轮机轴（8）沿着涡轮机轴线（9）能够移动。

5.具有如权利要求1至4中任一项所述的燃气涡轮机（1）的燃气和蒸汽涡轮机设备。

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