CN102365426B - 具有可轴向移动的导向叶片支架的轴流式涡轮机 - Google Patents

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Abstract

一种轴流式涡轮机，具有动叶栅；壳体(2)，动叶栅安装在所述壳体中；以及包围动叶栅的且集成在壳体(2)的内侧(3)中的导向叶片支架(19)，并且在形成径向间隙(12)的情况下，导向叶片支架(10)设置成直接相邻于叶尖(8)，其中导向叶片支架(10)平行于轴流式涡轮机(1)的轴线可移动地支承在所述壳体(2)中，并且所述轴流式涡轮机具有调节环(16)，所述调节环支承在壳体(2)和导向叶片支架(10)上且支承在接触面上，并且可围绕轴流式涡轮机(1)的轴线转动，其中，调节环(16)的和壳体(2)的和/或导向叶片支架(10)的接触面相对于与轴流式涡轮机(1)的轴线垂直的平面调整成，使得当调节环(16)围绕轴流式涡轮机(1)的轴线转动时，导向叶片支架(10)可通过调节环(16)轴向移动。

Description

具有可轴向移动的导向叶片支架的轴流式涡轮机
技术领域
本发明涉及一种具有可轴向移动的导向叶片支架的轴流式涡轮机。
背景技术
在轴流式涡轮机中，在动叶片和壳体之间的径向间隙导致在热效率方面的显著的损失。为了获得尽可能高的效率，希望的是在轴流式涡轮机中的所有工作点上保持径向间隙尽可能地小。轴流式涡轮机例如是燃气轮机。在燃气轮机起动和停止时，径向间隙随着时间而改变。此外，径向间隙在燃气轮机从部分负荷运转转换为满负荷运转时改变。传统的是，燃气轮机设计成，使得对于径向间隙调节为最小的工作情况，径向间隙的尺寸确定为足够地大，以至于在动叶片和壳体之间几乎不发生接触。这导致在燃气轮机持续工作时，必须为所述工作状态提供不必要地大的径向间隙，因此伴随显著的效率损失。
径向间隙的随时间的改变是燃气轮机的各个组件，特别是转子、动叶片和壳体的不同的热惯性特性的结果。此外，径向间隙的随时间的改变导致特别是动叶片的离心拉伸、转子的横向收缩、在转子的轴向轴承中的可能的空隙，特别是结合在燃气轮机的相应的运行条件下轴向推力的反向、壳体的由于与安装有关的预应力和壳体的不均匀加热而可能发生的椭圆化。
因此已知的是，移动导向叶片支架，以便调节径向间隙的间隙宽度。已公布的专利申请DE 1 426 818例如公开了一种用于沿径向方向移动导向叶片支架的调节机构。对此，八个沿纵向方向延伸的I形部分支架分布在轴流式涡轮机的圆周上，导向叶片支架的内端形状接合地卡在所述I形部分支架上。部分支架的和导向叶片支架的法兰的彼此接触的面构成为锯齿形，以便所有部分支架的同步的纵向移动转化为导向叶片支架的径向移动。在这种情况下不利的是，一方面所有部分支架总是同步地移动，以便避免导向叶片支架相对于机器轴线的倾斜。另一方面，导向叶片支架必须在圆周上部分地构成，其中，各个导向叶片支架部分以形成间隙的方式相对置，以便可径向移动。因此，在导向叶片支架之间的间隙的密封是非常昂贵的。
此外，例如在DE 10 2007 003 028 A1中已知，轴向地移动燃气轮机的与动叶片叶尖相对置的壳环。为了轴向移动壳环，所述壳环在壳侧构成为圆锥形。围绕壳环的联结环在内侧同样构成为圆锥形的。在两个锥形面之间设有圆柱形的滚动体，所述滚动体相对于轴向方向倾斜地定向。通过联结环相对于壳环的相对转动可调节在动叶片的和壳环的叶尖之间的径向间隙。在这种情况下，以相对厚的壁厚构成的联结环根据弹性变形使得以相对薄的壁厚构成的壳环变形，以至于通过转动与壳环的直径相匹配，并且因此可调节在壳环和动叶片环之间的间隙。在此不利的是，壳环弹性变形。由于相互具有一定距离分布的滚动体，在圆周上均匀的间隙调节也仅是受限制的。
此外，为了径向间隙调节，在EP 1 249 577 A1中已知涡轮机的导向部件借助于液压活塞的轴向移动。
发明内容
本发明的目的是，提供一种具有高的热效率的轴流式涡轮机，所述轴流式涡轮机的用于径向间隙调节的装置是相对简单、可靠且精确的。
根据本发明的轴流式涡轮机具有：动叶栅，所述动叶栅由分别具有径向外部的、露出的且倾斜于轴流式涡轮机的轴线延伸的叶尖的动叶片形成；壳体，动叶栅安装在所述壳体中，并且所述壳体的内侧限定轴流式涡轮机的主流动通道；以及包围动叶栅的且集成在壳体的内侧中的具有径向内部的环形内侧的导向叶片支架，借助所述环形内侧，主流动通道在壳体的内侧上延续，并且在构成在叶尖的包络线和环形内侧之间的径向间隙的情况下，所述导向叶片支架设置成直接相邻于叶尖，其中，环形内侧基本上与叶尖平行地延伸，并且导向叶片支架平行于轴流式涡轮机的轴线可移动地支承在壳体中，并且轴流式涡轮机具有调节环，所述调节环支承在壳体和导向叶片支架上且支承在接触面上，并且可围绕轴流式涡轮机的轴线转动，其中，调节环的和壳体的和/或导向叶片支架的接触面相对于与轴流式涡轮机的轴线垂直的平面略微调整成，使得当调节环围绕轴流式涡轮机的轴线转动时，导向叶片支架可通过调节环轴向移动。
如果轴流式涡轮机例如是轴流式压缩机，那么临界的工作状态与在热启动时的径向间隙有关。如果轴流式涡轮机例如是轴流式涡轮，那么临界的工作状态与在冷启动时的径向间隙有关。直到壳体的构件在启动后相应地完全变暖，并且热膨胀到更大的直径，才存在动叶片的叶尖扫在壳体上的危险。临界的工作阶段约为5到10分钟，在所述工作阶段中期望小的径向间隙。根据本发明可轴向移动地设置在轴流式涡轮机中的导向叶片支架提供了补救措施，所述导向叶片支架可借助于调节环轴向移动。由于环形内侧和叶尖倾斜于轴流式涡轮机的轴线设置，通过导向叶片支架的相应的轴向移动可产生径向间隙的改变。因此，通过适宜地操作调节环，径向间隙的尺寸暂时与轴流式涡轮机的相应地存在的工作状态相匹配，其中，总是力求尽可能小的径向间隙。因此，在轴流式涡轮机的所有工作状态下，热效率高。
在设计根据本发明的轴流式涡轮机的径向间隙时，可省去考虑在冷启动时的“窄点”标准。此外，根据本发明的轴流式涡轮机可附加地具有用于在轴流式涡轮机工作时调节径向间隙的已知的装置，以至于传统的装置和调节环的根据本发明的操纵可同时并行操作，以用于适当地轴向移动导向叶片支架。在渡过轴流式涡轮机的启动阶段后，在构件完全变暖后，通过调节环的相应的操作将导向叶片支架带到它的原有的初始位置上。仅在临界的工作阶段期间，导向叶片支架例如可相应地移动。
导向叶片支架具有径向向外延伸的、环绕的导向叶片支架腹板，所述导向叶片支架腹板具有向外开口的环形槽，径向向内延伸的、环绕的壳体腹板接合到所述环形槽中，其中，在导向叶片支架腹板和壳体腹板之间的环形槽中设置有调节环。调节环优选紧贴在环形槽的底部上，因此，调节环在转动时由环形槽径向支承。优选的是，在调节环和壳体腹板之间设有固定环，所述固定环固定在壳体腹板上，并且与调节环相互作用，以用于轴向移动导向叶片支架。
固定环在它的朝向调节环的一侧上具有第一锯齿形轮廓，并且调节环在它的朝向固定环的一侧上优选具有第二锯齿形轮廓，其中，锯齿形轮廓相互接合，并且可相互滑动，使得当调节环轴向转动时，导向叶片支架被轴向移动。由于两个环的锯齿形轮廓导致在壳体腹板和导向叶片支架腹板之间获得可轴向改变的尺寸。因此通过操作调节环，导向叶片支架可轴向移动。
固定环优选形状接合地固定在壳体腹板上。固定环的形状接合的固定例如可通过径向延伸的槽实现，所述槽设置在壳体腹板中，并且接合到固定环的相应地匹配地构成的凸起部中。因此，固定环在圆周方向上固定在壳体腹板上。
调节环优选借助设置在所述锯齿形轮廓之间的滚动轴承支承在固定环上。滚动轴承的转动轴线位于涡轮机的径向方向上。由于滚动轴承，在操作调节环时在锯齿形轮廓上的摩擦和磨损最小化，因此调节环和固定环具有长的使用寿命。
在环形槽中优选设有预紧装置，所述预紧装置支承在壳体上，并且与调节环反作用地作用在导向叶片支架腹板上，以至于通过预紧装置，导向叶片支架腹板总是压紧在调节环上。因此，可由预紧装置实现由于相应的复位力导致的导向叶片支架的复位运动，因此，导向叶片支架可由调节环可靠地轴向来回移动。预紧装置优选是螺旋弹簧。
与主流动方向相反，环形内侧优选逐渐变细，并且优选在上游侧调节环设置在壳体腹板上。因此，在导向叶片支架沿主移动方向移动时，由调节环在主流动方向上施加压力。在下游侧预紧装置优选设置在壳体腹板上。为了调节调节环，优选设有调节杆和/或液压柱塞。
附图说明
下面借助于所附示意图阐述根据本发明的一个优选的实施形式。附图中示出：
图1在下部区域中示出通过根据本发明的导向叶片支架的纵剖视图，并且在上部区域中示出通过根据本发明的导向叶片支架的径向剖视图；以及
图2示出通过传统的轴流式涡轮机的纵剖视图。
具体实施方式
在图2中示出传统的轴流式涡轮机101。轴流式涡轮机101具有带有内侧3的壳体2，借助所述内侧限定主流动通道4。在主流动通道4中设置有动叶片环，所述动叶片环由多个设置成在圆周上分布的动叶片5形成。动叶片5的每个在上游具有前边缘6，并且在下游具有后边缘7。动叶片5径向向外由叶尖8限定。在图2中，主流动通道4从左向右沿主流动方向通流，其中，主流动通道4沿主流动方向扩宽。因此，壳体2的内侧3设置为相对于轴流式涡轮机101的轴线22倾斜。
在壳体2中，在叶尖8的区域中径向地设有导向叶片支架10。导向叶片支架10具有朝向轴流式涡轮机101的轴线22的环形内侧11，所述环形内侧与叶尖8平行地延伸。在环形内侧11和叶尖8之间构成径向间隙12。导向叶片支架10具有径向向外延伸的导向叶片支架腹板13，所述导向叶片支架腹板具有向外开口的、环绕的环形槽9。在壳体2上设有径向向内延伸和环绕的壳体腹板14，所述壳体腹板接合到所述环形槽9中。导向叶片支架10借助固定机构固定在壳体腹板14上，以至于所述导向叶片支架10是固定的。
在图1中示出根据本发明的轴流式涡轮机的剖面。根据本发明的轴流式涡轮机与如在图2中示出的传统的轴流式涡轮机101的区别在于，导向叶片支架10设置成可在壳体腹板14上轴向移动。此外，与传统的轴流式涡轮机101相反，在根据本发明的轴流式涡轮机1中，环形槽9轴向更宽地构成，其中，在环形槽9中且在壳体腹板14的上游附加地设置有固定环15和调节环16。所述固定环15和调节环16并排地设置在环形槽9中，其中，固定环15和调节环16在它们的内直径上沿径向方向支承在环形槽9的底部上。
固定环15在它的朝向调节环16的、构成环形的一侧上具有第一锯齿形轮廓17，所述锯齿形轮廓的边缘径向延伸。在调节环16的朝向固定环15的、构成环形的一侧内第二锯齿形轮廓18构成为与第一锯齿形轮廓17的对应部。调节环16在它的与第二锯齿形轮廓18相背离的一侧上具有平坦的环形面，所述环形面平坦地紧贴在环形槽9的侧壁上。固定环15在它的与锯齿形轮廓17相背离的一侧上具有平坦的环形面，所述环形面平面地紧贴在壳体腹板14上，其中，凸起部21从所述环形面伸出，所述凸起部接合到在壳体腹板14中设有的槽20中。槽20和凸起部21形成在圆周方向上的形状接合的连接，以至于固定环15由凸起部21在圆周方向上固定在壳体腹板14上。
调节环16可相对于固定环15转动地支承在环形槽9中。在调节环16在环形槽9中相对于固定环15沿由在图1中示出的箭头23表示的方向转动时，第二锯齿形轮廓18相对于第一锯齿形轮廓17移动。由于锯齿形轮廓17和18的斜置的侧面，在调节环16转动时，获得固定环15相对于调节环16改变的轴向位置。由于固定环15沿主流动方向轴向支承在壳体腹板14上，因此通过锯齿形轮廓17和18的相互位移，调节环16由固定环15与主流动方向相反地轴向移动。由于调节环16轴向支承在导向叶片支架腹板13上且支承在环形槽9中，导向叶片支架10在壳体2中与主流动方向相反地轴向移动。因此径向间隙12变大。
与之相反，如果调节环16反向于在图1中示出的箭头23移动，那么锯齿形轮廓17、18处于更强地接合，因此，固定环17和调节环18的轴向尺寸变小。在壳体腹板14的与固定环15相背离的一侧上，两个螺旋弹簧19安装在环形槽9中，所述螺旋弹簧支承在导向叶片支架腹板13和壳体腹板14上。因此，由螺旋弹簧19施加在导向叶片支架13上的压力沿主流动方向作用。所述压力用作为导向叶片支架10的复位力，以至于当固定环15连同调节环16的轴向延伸由于调节环16的转动而减小时，导向叶片支架13可跟随调节环16。因此，导向叶片支架10沿主流动方向移动，并且径向间隙12变小。
环形槽9的底部构成为与轴流式涡轮机1的轴线平行的，并且壳体腹板14的径向内部的边缘紧贴在环形槽9的底部上，以至于当导向叶片支架10由于调节调节环16而导致轴向来回移动时，导向叶片支架10径向支承在壳体腹板14上。

Claims (12)

1.一种轴流式涡轮机，具有：动叶栅，所述动叶栅由分别具有径向外部的、露出的且倾斜于所述轴流式涡轮机(1)的轴线延伸的叶尖(8)的动叶片(5)形成；壳体(2)，所述动叶栅安装在所述壳体中，并且所述壳体利用其内侧(3)限定所述轴流式涡轮机(1)的主流动通道(4)；以及包围所述动叶栅的且集成在所述壳体(2)的所述内侧(3)中的具有径向内部的环形内侧(11)的导向叶片支架(10)，借助所述环形内侧，所述主流动通道(4)在所述壳体(2)的所述内侧(3)上延续，并且在构成在所述叶尖(8)的包络线和所述环形内侧(11)之间的径向间隙(12)的情况下，所述导向叶片支架(10)设置成直接相邻于所述叶尖(8)，
其中，所述环形内侧(11)基本上与所述叶尖(8)平行地延伸，并且所述导向叶片支架(10)平行于所述轴流式涡轮机(1)的轴线能移动地支承在所述壳体(2)中；
其特征在于，
设有调节环(16)，所述调节环借助于接触面支撑在所述壳体(2)和所述导向叶片支架(10)上，并且能够围绕所述轴流式涡轮机(1)的轴线转动，
其中，所述调节环(16)的接触面和所述壳体(2)的接触面和/或所述导向叶片支架(10)的接触面相对于与所述轴流式涡轮机(1)的轴线垂直的平面略微调整成，使得当所述调节环(16)围绕所述轴流式涡轮机(1)的轴线转动时，所述导向叶片支架(10)能够通过所述调节环(16)轴向移动。
2.根据权利要求1所述的轴流式涡轮机，其中，所述导向叶片支架(10)具有径向向外延伸的、环绕的导向叶片支架腹板(13)，所述导向叶片支架腹板具有向外开口的环形槽(9)，径向向内延伸的、环绕的壳体腹板(14)接合到所述环形槽中，其中，在所述环形槽(9)中在所述导向叶片支架腹板(13)和所述壳体腹板(14)之间设置有所述调节环(16)。
3.根据权利要求2所述的轴流式涡轮机，其中，所述调节环(16)紧贴在所述环形槽(9)的底部上，因此，所述调节环(16)在转动时由所述环形槽(9)径向支承。
4.根据权利要求2或3所述的轴流式涡轮机，其中，在所述调节环(16)和所述壳体腹板(14)之间设有固定环(15)，所述固定环固定在所述壳体腹板(14)上，并且与所述调节环(16)相互作用，以用于轴向移动所述导向叶片支架(10)。
5.根据权利要求4所述的轴流式涡轮机，其中，所述固定环(15)在它的朝向所述调节环(16)的一侧上具有第一锯齿形轮廓(17)，并且所述调节环(16)在它的朝向所述固定环(15)的一侧上具有第二锯齿形轮廓(18)，其中，所述锯齿形轮廓(17、18)相互接合，并且能够相互滑动，使得当所述调节环(16)轴向转动时，所述导向叶片支架(10)被轴向移动。
6.根据权利要求5所述的轴流式涡轮机，其中，所述固定环(15)形状接合(20、21)地固定在所述壳体腹板(14)上。
7.根据权利要求5或6所述的轴流式涡轮机，其中，所述调节环(16)借助设置在所述锯齿形轮廓(17、18)之间的滚动轴承支承在所述固定环(15)上。
8.根据权利要求2、3、5和6之一所述的轴流式涡轮机，其中，在所述环形槽(9)中设有预紧装置，所述预紧装置支撑在所述壳体(2)上，并且与所述调节环(16)反作用地作用在所述导向叶片支架腹板(13)上，以至于通过所述预紧装置，所述导向叶片支架腹板(13)总是压紧在所述调节环(16)上。
9.根据权利要求8所述的轴流式涡轮机，其中，所述预紧装置是螺旋弹簧(19)。
10.根据权利要求2、3、5、6和9之一所述的轴流式涡轮机，其中，与主流动方向相反，所述环形内侧(11)逐渐变细，并且在上游侧所述调节环(16)设置在所述壳体腹板(14)上。
11.根据权利要求8所述的轴流式涡轮机，其中，在下游侧所述预紧装置设置在所述壳体腹板(14)上。
12.根据权利要求1、2、3、5、6、9和11之一所述的轴流式涡轮机，其中，为了调节所述调节环(16)，设有调节杆和/或液压柱塞。
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