CN102282340A - 具有分段的导向叶片外圈的涡轮机导向叶片系统 - Google Patents

Abstract

一种涡轮导向叶片外圈(1)，尤其是用于燃气轮机(101)的涡轮导向叶片外圈，具有多个导向叶片排和一个导向叶片外圈(1)，所述涡轮导向叶片外圈应该在保持特别高的效率的情况下实现导向叶片的特别简单的更换，并且因此设计用于特别短的维修持续时间。为此，所述导向叶片外圈(1)具有多个部段(24、26)，其中部段(24、26)在所述导向叶片外圈(1)的整个径向延长上延伸，并且其余的部段(26)的连接是可拆卸的，并且其中所述涡轮导向叶片外圈(1)沿着其轴向延伸具有至少两个带有不同数量的部段(24、26)的相互连接的部分(23、25)。

Description

具有分段的导向叶片外圈的涡轮机导向叶片系统

技术领域

本发明涉及一种涡轮导向叶片外圈，尤其是用于固定式燃气轮机的涡轮导向叶片外圈。

背景技术

燃气轮机应用于多个领域，以用于驱动发电机或作功机械。在此，利用燃料的内能来产生涡轮轴的旋转运动。为此，燃料在燃烧室内燃烧，其中压缩空气由空气压缩机提供。在此，在燃烧室内通过燃料的燃烧产生的处于高压和高温下的工质经由连接在燃烧室下游的涡轮单元引导，在所述涡轮处工质膨胀作功。

在此，为了产生涡轮轴的旋转运动，在该涡轮轴上设置有多个通常组装成叶片组或叶片列的导向叶片，所述导向叶片通过来自工质的脉冲传输来驱动涡轮轴。此外，为了引流工质，通常在相邻的导向叶片排之间设置有与涡轮壳体连接的组装成导向叶片排的导向叶片。这些导向叶片通过叶片根部固定在通常为空心圆柱形或空心圆锥形的导向叶片外圈上，并且在它们的面向涡轮轴线的一侧上通过叶片顶部固定在相应的导向叶片排的共同的内环上。在固定式燃气轮机中，该内环通常由通过法兰相互连接的上半部和下半部组成。

在这种燃气轮机的设计中，除了可达到的功率外，特别高的效率通常也是设计目的。在此，效率的提高能够基于热力学原因原则上通过出口温度的提高来实现，借助所述出口温度的提高，工质从燃烧室流出并且流入涡轮单元。在此，对于这种燃气轮机力求并且达到大致1200℃至1500℃的温度。

但是，工质的这样的高温远高于例如在燃烧室的流出区域内使用的部件材料的熔点温度，使得用于确保燃气轮机的所需的功能的重要部件必须被强烈冷却并且借助复杂的涂层系统保护。在此，个别情况下可能的是，尽管使用这些用于叶片的冷却和涂层的高度改进的且多次试验过的工艺，但是仍需要导向叶片的过早的更换，因为叶片功能例如由于涂层的部分损失或冷却空气孔的堵塞而受到不允许的影响。在大型的固定式燃气轮机中，这样更换措施在最好的情况下能够持续几天，但是平均大约两周，以至于因此造成燃气轮机或者燃气和蒸汽轮机发电站的运行的不希望的且昂贵的中断，在所述燃气和蒸汽轮机发电站中使用燃气轮机。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种涡轮导向叶片外圈，尤其是用于燃气轮机的涡轮导向叶片外圈，所述涡轮导向叶片外圈在保持特别高的效率的情况下实现各个导向叶片的特别简单的更换，并且因此设计用于特别短的维修持续时间。

根据本发明，该目的通过根据权利要求1的特征设计的涡轮导向叶片外圈得以实现。

在此，本发明基于的考虑是，当能够简化导向叶片的装配和拆卸时，通过导向叶片的特别简单的更换可以缩短维修持续时间。目前，因为由于在新型的固定式环形燃烧室机器中的结构情况，必须掀开涡轮，以便能够接近其导向叶片。在此，导向叶片位于导向叶片外圈的内部，所述导向叶片外圈在固定式燃气轮机中由上部的和下部的实心铸件组成，并且因此也必须被拆卸以用于更换导向叶片。因此，为了避免掀开和取下导向叶片外圈的上部的铸件，导向叶片外圈应该至少在一个部分内多次分段。通过在该部分内使用两个以上的部段，这些部段小于其余的部段。因此可能的是，仅通过取下各个部段触及围绕这些部段的区域。为了在此也确保导向叶片的可触及性，部段在此应该在导向叶片外圈的整个径向延长上延伸，并且相应的部段与其余的导向叶片外圈的连接是可拆卸的。因此，为了维修或更换第一涡轮级的单个导向叶片，不再必须取下导向叶片外圈的上部的铸件，而是仅松开相应的部段与导向叶片外圈的其余的部分和与在圆周方向上相邻的部段的连接，从而因为相关的部段在导向叶片外圈的整个径向延长上延伸，所以在取出相应的部段后可以直接触及径向地更向内设置的导向叶片，并且因此可以更换这些导向叶片。

在燃气轮机中的最高的温度存在于燃烧室的出口处。因此，第一涡轮级的导向叶片，即最靠近燃烧室的导向叶片，暴露在这些最高的温度下，并且受到最大的磨损。相应地，尤其是在该涡轮导向叶片中，预料到由于通过冷却空气孔的阻塞(例如由于向内氧化的冷却空气孔)造成的损坏而导致的过早的更换。因此，为了特别是也简化这些导向叶片中各个的更换，有利的是，导向叶片外圈在最靠近燃汽轮机的燃烧室的导向叶片排的部分内多次分段。换言之，涡轮导向叶片外圈的流入侧的部分应该比涡轮导向叶片外圈的其余部分具有更多的部段。

为了实现导向叶片排的所有导向叶片的可触及性，应该设有许多部段，使得每个部段可由一个，在最差情况下可由两个装配工人操作。因此，通过仅取出有关的导向叶片的径向外部的相应的部段，能够在每个圆周方向部分中进行导向叶片的更换。在此有意义的是，分段的精确的几何构造应该适应于机器的操作。

在另一个有利的实施方式中，在圆周方向相邻的部段之间的相应的连接为螺旋连接和/或槽榫连接。通过螺钉，部段相互间的和/或与其余导向叶片外圈的特别简单的可拆些的连接是可能的。但是由于部段围绕整个圆周的圆形的构造，如同槽榫连接的钩连也是可能的，其中各个部段仅相互旋拧并且只是与其余的导向叶片外圈钩连。以这种方式可以特别简单地拆卸和装配各个部段。

为了进一步简化由于导向叶片外圈的分段，现在可达到的导向叶片的拆卸，有意义的是，应该设有燃汽轮机的导向叶片固定，使得确保任意地位于圆周上的部段的无阻碍的拆卸，以致与待替代的叶片的位置无关地仅必须拆卸径向地更向外设置的有关部段。为此，在有利的实施方式中，相应的导向叶片排的导向叶片与其余的部分的部段中的一个可拆卸地连接。因此，在取出有关的部段后，能够通过松开与该部分的部段的连接拆卸导向叶片。因此，设置在流入侧的部分内的部段不用于固定导向叶片，而是仅用于形成或保持燃汽轮机的完整性，并且需要时用于分隔用于冷却空气的具有不同的压力和/或温度的空间。

为了在燃汽轮机中在相应的导向叶片的叶片根部侧和叶片顶部侧上实现导向叶片的简单的拆卸，有利的是，相应的导向叶片排的导向叶片在其面向涡轮轴线的一侧沿径向方向与内环可拆卸地连接。因此，可以径向取出导向叶片。因此，这允许特别简单的更换。

通过将导向叶片的在内环上的固定设计为简单的插塞连接，可以特别简单地更换导向叶片。为此有利的是，相应的导向叶片包括可沿径向方向插入内环的槽内的凸榫。因此，为了更换相应的导向叶片，简单地松开导向叶片与其余的导向叶片排在叶片根部侧的连接，并且通过松开插塞连接，沿径向方向从涡轮中抽出相应的导向叶片。在此，由于导向叶片在叶片根部侧固定在导向叶片外圈上，即便在工作期间也确保足够的固定。

在到目前为止的结构形式中，导向叶片排的导向叶片通过与销的固定连接固定在内环上，使得为了拆除，必须取出整个内环，并且紧接着能够拆除导向叶片。因此，在例如如同导向叶片的与内环的简单的插塞连接的可拆卸的连接中，内环应该与燃烧室毂固定，即与同燃烧室且因此同燃汽轮机的固定的部分连接的构件固定。为此有利的是，内环与燃烧室毂连接。这例如能够通过借助焊接、夹紧或类似方式的固定来实现；在燃气涡轮的新型结构中，内环也能够直接作为燃烧室毂的组成部分制成。

在各个导向叶片之间，在迄今为止的结构形式中的叶片根部和叶片顶部上设有槽，在所述槽内且在导向叶片之间沿圆周方向设置有密封片。但是，如果个别地取出导向叶片，那么位于导向叶片根部和导向叶片顶部的槽内的密封片阻塞导向叶片，并且因此可能妨碍拆卸。因此，应该改变密封片的固定，使得可以取出密封片，并且因此简化各个导向叶片的拆除。为此有利的是，在叶片根部和/或叶片顶部的分别面向相邻的导向叶片的一侧上设置有阶梯式边缘，在所述阶梯式边缘内密封片借助于夹紧元件固定。因此在取出导向叶片前，能够松开夹紧元件并且拆除密封片，使得可以特别简单地拆卸导向叶片。

在有利的实施方式中，在燃气轮机中使用这样的涡轮导向叶片外圈。为了实现导向叶片的特别简单的可触及性以用于更换各个导向叶片，在此有利的是，燃气轮机的外壳体包括检修孔，穿过所述检修孔装配人员可以简单地接近导向叶片外圈的部段。

有利的是，燃气和蒸汽轮机发电站包括这种燃气轮机。

借助本发明实现的优点尤其在于，由于导向叶片外圈在流入侧的部分内和至少一个其余的部分内的不同的分段，在从剩下的导向叶片外圈中拆除有关的流入侧的部段后，可松开由流入侧的部段包围的并且在此由其余的部分支撑的那些导向叶片。因此，可以特别简单地更换导向叶片排的导向叶片，因为在这样的更换中，不必将涡轮的外壳体和涡轮导向叶片外圈的上铸件半部从剩下的燃气轮机上取下。因此，实施导向叶片的更换的装配工人能够在导向叶片的外壳体封闭时在燃气轮机内进行更换，这能够显著降低用于更换导向叶片的耗费，并且能够明显缩短燃气轮机的所需的停机时间。此外，尤其是直接连接在燃烧室上的第一导向叶片级的这种简化的更换实现了结合燃气轮机的效率提高的出口温度的提高，因为由于导向叶片的简化的更换可能性，仅必须略微考虑到其耐用性。在此，在工作是可设想变化的更换方案。此外由于简化的更换，这样的结构在研发中实现了导向叶片的例如具有新式的涂层或新的冷却方案的新的样机的相对快速的试验。

附图说明

本发明的实施例借助于附图详细阐述。在附图中示出：

图1示出具有钩连的部段的导向叶片系统的纵剖视图；

图2示出具有旋拧的部段的导向叶片系统的纵剖视图；

图3示出通过垂直于涡轮轴线的部段的横截面；

图4示出环形燃烧室的燃烧室毂；

图5示出如现有技术的导向叶片的叶片顶部侧的固定；

图6示出导向叶片的借助插塞连接的叶片顶部侧的固定；

图7示出具有作为组成部分的内环的燃烧室毂；

图8示出通过如现有技术的垂直于涡轮轴线的具有固定在槽内的密封元件的两个相邻的导向叶片的横截面；

图9示出通过垂直于涡轮轴线的具有借助夹紧元件固定的密封元件的两个相邻的导向叶片的横截面；以及

图10示出通过燃气轮机的半个截面图。

具体实施方式

在所有图中，相同的构件配有相同的附图标记。

图1部分地示出涡轮导向叶片外圈1，也可以仅称为导向叶片外圈，其位于沿热气方向紧接着燃烧室2的头两个导向叶片排的区域内。在此，图示示出通过成型为锥形的导向叶片外圈的上半部4的半个剖视图，以及第一涡轮级的和第二涡轮级的分别设置在导向叶片环的顶内的导向叶片6和导向叶片8。

在此，导向叶片6、8分别包括叶片根部10、12以及叶片顶部14、16，通过所述叶片根部和叶片顶部实现了导向叶片在其余的构件上的固定。在此，第一和第二涡轮级的导向叶片6、8借助它们的叶片根部10、12固定在导向叶片外圈1上，以及它们相应的叶片顶部14、16固定在内环18、20上。在此，内环20和导向叶片外圈1包括多个冷却系统22，所述冷却系统提供朝导向叶片外圈1、导向叶片6、8和内环22的冷却空气供给，以便足够地冷却由于高的热气温度的这些构件。

在此，最高的温度出现在燃烧室2的出口处，因此，第一导向叶片排的导向叶片6暴露在最高的温度下。因此，尽管使用所有冷却措施，但是也不能够排除导向叶片6的损坏，并且因此也不能够排除导向叶片6需要过早的更换。现在，为了实现导向叶片6的特别简单的更换，导向叶片外圈1在第一导向叶片排的区域多次分段。

导向叶片外圈1在流入侧的部分23内包括多个(在这里为12个，参见图3)部段24，并且在其余的部分25内包括仅分段为两个半部26导向叶片外圈1。所有部段24、26可拆卸地相互连接。在图1中，在此通过借助于在部段24和部段26中设置的槽28和凸榫30形成的钩连来实现在流入侧的部分23的部段24和其余的部分25的部段26之间的连接。部段24与燃烧室壁32设有同样的连接，以便将径向地更向外的空间与导向叶片6隔开，并且实现在燃烧室2和其余的部段26之间的用于燃气轮机的稳定性和强度所需的连接。

对于其余的导向叶片外圈，可以理解为横截面为环形的导向叶片外圈的上半部和下半部，如其在固定地装入的燃汽轮机中已知。在该情况下，在导向叶片外圈1的其余的部分25内设有两个部段26。就这点而言，总是分多部分地设有比其余的部段26更多的用于圆周的部段24。

由于钩连，可松开相应的部段24与其余的部段26的连接，并且可径向地取出部段24。因此，第一涡轮级的导向叶片6在不完全掀起整个涡轮的情况下可从外部触及。第一涡轮级的导向叶片6通过叶片根部10借助于紧固装置34可拆卸地固定在其余的部段26上。在取出部段24后，可松开该连接，并且可径向地取出导向叶片6。在此，第一涡轮级的导向叶片6的叶片顶部14包括插入内环18的槽38内的凸榫36。因此，在内环18上的固定仅设计为插塞连接，使得在松开紧固装置34后可简单地向外取出导向叶片6。

图2同样示出如在图1中的导向叶片系统1，但是在这里部段24在其余的部段26上的可拆卸的连接通过螺钉40实现。在此，部段24与燃烧室壁32的通过槽28和凸榫30的钩连保持不变。借助螺钉40的这样的连接根据在导向叶片外圈1内的强度需要或几何结构的需要能够是值得期望的。

现在，图3示出在部段24高度上的通过导向叶片外圈1的垂直于涡轮轴线截面。在所示示例中，总共设有12个部段24，所述部段通过法兰52例如借助于螺旋连接而连接。因此，即便如在图1中所示，在各个部段24仅通过钩连与其余的部段26连接时，也确保导向叶片外圈1的多次分段的部分23的固定的保持。但是，也能够以其它方式进行分段，并且相应地适应于机器的操作。

图4示出燃气轮机的燃烧室毂54。该毂包括槽56，在所述槽内插入图1和2中所示的内环18。此外设有槽58，在所述槽内设有用于密封在第一涡轮级的导向叶片6的叶片根部14和燃烧室毂54之间的中间空间的密封片。

图5详细地示出导向叶片根部14在燃气轮机的燃烧室毂54上的已知的固定。在此，叶片根部14包括插入内环18的槽38内的凸榫36。在那里，第一涡轮级的导向叶片6借助于销60固定。然后将内环18插入燃烧室毂54的槽56内。导向叶片根部14同时包括用于容纳密封片64的槽62，所述密封片同样也位于燃烧室毂54的槽58内。

因为销60平行于涡轮轴线延伸，所以对于拆卸第一涡轮级的导向叶片6而言，到目前为止都必须完全地拆除内环18。只有在取出内环后才能够取出销60并且拆掉导向叶片6。因此，现在如在图6中所示，进行导向叶片6与燃烧室毂54的连接：

导向叶片根部14的凸榫36现在不再通过销与内环18在其槽38内连接，而是只是插在内环18上。替代地，内环18借助于销66或螺钉固定在燃烧室毂54上。因此也能够单独地取出导向叶片6，而不拆卸内环18。在此，仍然通过紧固装置34确保导向叶片6的固定的保持，如在图1和2中所示。

在这样的实施形式中也可能的是，将内环18直接制成为燃烧室毂54的组成部分。因此，不再需要单独的部件。这样的设计在图7中示出。

图8示出垂直于涡轮轴线的通过第一涡轮级的两个相邻的导向叶片6的截面，如通常根据现有技术。在此，在叶片根部10和叶片顶部14内且在朝向分别相邻的导向叶片6的面上设置有槽68，在所述槽内插入密封片70，所述密封片封闭叶片根部10或叶片顶部14之间的间隙。但是，这些密封片70能够在径向地取出各个导向叶片6时成为阻碍。

相应地，首先松开多个导向叶片6并且将其沿圆周方向移动，使得一个导向叶片6脱离与密封片70的接合并且能够径向地拆掉。

为了避免这些，如在图9中所示，槽68通过阶梯式边缘73替代。那么，密封片70插入阶梯式边缘内，并且通过夹紧元件74固定在那里。那么，为了取出单个的导向叶片6，首先松开夹紧装置74，并且取出密封片70。然后能够径向地取出导向叶片6。因此，各个导向叶片的更换明显变得容易。

有利的是，在这里所述的这种导向叶片系统1应用于燃气轮机101中。

燃气轮机101，如在图10中所示，具有用于助燃空气的压缩机102、燃烧室2以及涡轮单元106，该涡轮单元用于驱动压缩机102和未示出的发电机或作功机械。为此，涡轮单元106和压缩机102设置在共同的、也称为涡轮转子的涡轮轴108上，发电机或作功机械也与所述涡轮轴连接，并且所述涡轮轴可围绕其涡轮轴线109旋转地安装。构成为环形燃烧室形式的燃烧室2配备有用于燃烧液态的或气态的燃料的多个喷嘴110。

涡轮单元106具有与涡轮轴108连接的可旋转的多个动叶片112。动叶片112环状地设置在涡轮轴108上，并且因此形成多个动叶片列。此外，涡轮单元106包括多个固定的导向叶片6、8、114，所述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的导向叶片外圈1上。

在此，动叶片112用于通过流过涡轮单元106的工质M的脉冲传输来驱动涡轮轴108。相反，导向叶片6、8、114用于工质M在沿工质M的流动方向观察两个连续动叶片列或动叶片环之间的流动引导。在此，由一圈导向叶片114或导向叶片排以及由一圈动叶片112或动叶片列组成的连续的对也称为涡轮级。

每个导向叶片114具有叶片根部118，为了将相应的导向叶片114固定在涡轮单元106的导向叶片外圈1上，所述叶片根部作为壁元件设置。每个动叶片112类似地通过叶片根部119固定在涡轮轴108上。

在两个相邻的导向叶片排的导向叶片114的相互间隔地设置的平台118之间，分别有一个环形段121设置在涡轮单元106的导向叶片外圈1上。在此，每个环形段212的外表面在径向方向上与位于环形段对面的动叶片112的外端通过间隙隔开。在此，设置在相邻的导向叶片排之间的环形段121尤其用作遮盖元件，所述遮盖元件保护在导向叶片外圈1内的内壳体或其他壳体装入件免受由于流过涡轮106的热的工质M导致的热过载。

在该实施例中，燃烧室2设计为所谓的环形燃烧室，其中在圆周方向上围绕涡轮轴108设置的多个喷嘴110通入共同的燃烧室腔内。为此，燃烧室2在其整体上设计为围绕涡轮轴108定位的环状结构。

通过在这样的涡轮中使用上述实施方式的涡轮导向叶片外圈1，能够达到在燃气轮机101具有高的效率的同时由于各个导向叶片6简单得多的可更换性显著地简化了的维修。

Claims (12)

1.一种涡轮导向叶片外圈(1)，尤其是用于燃气轮机(101)的涡轮导向叶片外圈，包括多个部段(24、26)，其中部段(24)在所述导向叶片外圈(1)的整个径向延长上延伸，并且所述相应的部段(24)与相邻的部段(24、26)的连接是可拆卸的，其特征在于，所述涡轮导向叶片外圈(1)沿着其轴向延伸包括至少两个相互连接的部分(23、25)，所述部分具有不同数量的部段(24、26)。

2.如权利要求1所述的涡轮导向叶片外圈(1)，所述涡轮导向叶片外圈具有流入侧的部分(23)和至少一个其余的部分(25)，其中所述流入侧的部分(23)比所述至少一个其余的部分(25)具有更多数量的部段(24)。

3.如权利要求1或2所述的涡轮导向叶片外圈(1)，其中在轴向相邻的部段(24、26)之间的连接为螺旋连接和/或槽榫连接。

4.如权利要求2至3中任一项所述的涡轮导向叶片外圈(1)，其中所述至少一个其余的部分(25)在其面向所述流入侧的部分(23)的一侧上具有径向向内突出的突起，使得该突起在径向方向上由所述流入侧的部分(23)的所述部段(24)包围。

5.一种具有如权利要求1至4中任一项所述的涡轮导向叶片外圈(1)的燃气轮机，具有一排导向叶片(6)，所述导向叶片可拆卸地固定在所述至少一个其余的部分(25)的所述部段(26)上。

6.如权利要求5所述的具有如权利要求4所述的涡轮导向叶片外圈的燃气轮机，其中所述导向叶片(6)固定在所述突起上。

7.如权利要求5或6所述的燃气轮机，其中相应的导向叶片排的导向叶片(6)在其面向涡轮轴线(109)的一侧上与内环(20)可拆卸地连接。

8.如权利要求7所述的燃气轮机，其中所述相应的导向叶片(6)包括凸榫(36)，所述凸榫能够沿径向方向插入所述内环(20)的槽(38)内。

9.如权利要求7或8中任一项所述的燃气轮机，其中所述内环(18)与燃烧室毂(54)连接。

10.如权利要求5至9中任一项所述的燃气轮机，其中在所述流入侧的部分(23)内设有的所述部段(24)与燃烧室壁(32)连接。

11.如权利要求5至10中任一项所述的燃气轮机，其中在所述相应的导向叶片排的相邻的导向叶片(6)之间设有密封片(70)，其中在叶片根部(10)和/或叶片顶部(14)的面向所述分别相邻的导向叶片(6)的侧面上设置有阶梯式边缘(72)，在所述阶梯式边缘内借助于夹紧元件(74)固定所述密封片(70)。

12.如权利要求5至11中任一项所述的燃气轮机(101)，其中在所述燃气轮机(101)的外壳体内设置有维修孔。

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