CN102459823B - 燃气轮机、蒸汽轮机或压缩机的壳体的部件与涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种壳体(11)的部件(14)，尤其是燃气轮机(1)、蒸汽轮机或压缩机的壳体(11)的部件，所述部件由整块材料构成。此外，涉及一种包括上面类型的部件的涡轮机。为了提高效率，而不增加制造成本，本发明提出，所述部件(14)包括空腔(15)，空腔沿燃气轮机(1)、蒸汽轮机或压缩机的旋转轴线(2)的圆周延伸，所述空腔(15)包括径向外壁(17)和径向内壁(18)、用于将冷却介质(20)供应到空腔(15)中的入口孔(19)、用于将冷却介质(20)从空腔(15)排出的出口孔(21)，径向内壁(18)设置有用于支撑至少翼片(10)或朝向转子叶片(7)的转子密封件(13)或用于这些翼片(10)或密封件(13)的承载件的机构。

Description

燃气轮机、蒸汽轮机或压缩机的壳体的部件与涡轮机

技术领域

本发明涉及壳体的部件，尤其是用于燃气轮机、蒸汽轮机或压缩机的壳体的部件，该部件由整块材料构成，其中，该部件包括空腔，所述空腔沿着燃气轮机、蒸汽轮机或压缩机的旋转轴线的圆周延伸，该空腔包括径向外壁和径向内壁、用于将冷却介质供应到空腔中的入口孔、用于将冷却介质从空腔中排出的出口孔，该径向内壁设置有用于支撑至少翼片或朝向转子叶片的转子密封件或用于这些翼片或密封件的承载件的机构。此外，本发明涉及一种涡轮机或压缩机，尤其是燃气轮机，该燃气轮机包括壳体，该壳体包括至少一个前面提到的部件。

背景技术

尤其是燃气轮机、蒸汽轮机或压缩机的旋转式设备通常以其动力输出量或吸入量、效率和制造成本来评估。在燃气轮机中，价格与动力输出量的比对于消费者而言是重要的经济指标。考虑到平均使用寿命和对于整个使用寿命期间预测的燃料价格，简单的数学计算允许进行第一次预估，该第一次预估协助购买者做决定。从供应者的方面来看，考虑到用于提高效率的大多数技术措施，低的制造成本和高的效率是相互矛盾的。

在DE3941174A1中公开了一种效率提高的可行方案。该公开文本的教导是，关于效率的有利效果可以由径向转子间隙的降低来获得，径向转子间隙的降低可通过利用从压缩机或燃气轮机中排出的冷空气冷却内壳体来实现，所述内壳体安装在的外壳体中。内壳体的冷却降低了该部件的热膨胀，并且该收缩降低了在静止密封件和旋转叶片或者静止叶片和旋转密封件之间的径向间隙。因此，由在燃气轮机的热气体路径中的第二气流引起的损失降低，并且效率或总动力输出量增加。

然而，这样的解决方案是昂贵的。取决于燃料价格，带有低效率的更廉价的机器可更好地投入市场。

发明内容

因此，本发明的目的是，提高一种开头所提到的类型的机器的效率，而不显著提高制造成本。

另一个目的是，简化带有高效率的开头所提到的类型的机器来增强可利用性。

公开了一种壳体的部件，尤其是用于涡轮机的，优选燃气轮机、蒸汽轮机或压缩机的壳体的部件，该部件由整块材料构成，其中，该部件包括空腔，所述空腔沿着燃气轮机、蒸汽轮机或压缩机的旋转轴线的圆周延伸，该空腔包括径向外壁和径向内壁、用于将冷却介质供应到空腔中的入口孔、用于将冷却介质从空腔中排出的出口孔，该径向内壁设置有用于支撑至少翼片或朝向转子叶片的密封件或用于这些翼片或密封件的承载件的机构，所述空腔包括在所述空腔的一个轴向侧上的开放端部，在该处所述径向内壁和所述径向外壁不由所述部件的整块材料连接，其中，所述径向内壁或所述径向外壁设置有用于安装覆盖件的机构，所述机构密封所述空腔的所述开放端部。

根据本发明，径向内壁被认为是壳体部件的独立部分，与径向外壁相比，该径向内壁沿着相对于旋转轴线明显更小的平均半径延伸。这些壁在其尺寸的第二个维度中实际上遵循与旋转轴线有关的圆周路径。术语“轴向”、“径向”、“圆周”总是参照旋转轴线。

根据本发明，通过降低部件的数量来降低制造成本，因为壳体构造为整块材料。有利的不仅是必要储存容量的减小，还有在设计和制造以及装配的复杂性方面的降低。尤其在旋转式设备领域中，为了在考虑到启动和停机的短暂状态的情况下避免在移动的和静止的部件之间的任何接触，必须谨慎地调整转子间隙。不同壳体部件相对彼此的常规连接和支撑也是一项精密的任务，该任务显著地提高了成本。

根据本发明，通过降低的叶片尖端间隙提高总的能量输出量和效率，因为壳体的内部件具有降低了的温度，进而具有与转子膨胀相关的尤其在径向方向上降低了的热膨胀。

本发明的优选的实施方式设置有空腔的开放端部，该开放端部位于空腔的一个轴向侧上，径向内壁和径向外壁在该处不由部件的整块式的材料连接。这样的设计造成了径向内壁的基本上自由的端部，并且使承载静止部件的径向内壁的大的径向移动成为可能，所述静止部件朝向旋转部件，与旋转部件共同形成转子密封。

此外，可通过将用于支撑翼片或径向内壁的密封件的机构定位在接近于空腔的开放端部的轴向一半来提高转子密封件的静止部件相对于旋转部件的径向位移的可能性。此外，这个影响可随着径向内壁在机器的轴向方向上延伸得更长而提高。出于相同的原因，在相应最大尺寸处，空腔的轴向长度与径向长度的比大于2.5。

当双重的壳体设计成具有内部的热壳体和外部的冷壳体时，通常避免了在壳体在径向方向上分离时的高应力问题，由此提出的设计方案优选具有在几何形状上最优化的比例，该比例适于满足机械完整性。该优化目标可通过径向内壁设置有相比径向外壁更小的径向厚度来实现。优选地，在最薄的壁厚度的相应位置处，径向内壁与径向外壁的径向厚度的比在0.3至0.8之间。

为了获得合理的冷却介质消耗量，并且为了将冷却效果限制在如下区域，在所述区域，降低了的热膨胀改变径向间隙，有利的是，径向内壁或径向外壁设置有用于安装覆盖件的机构，该覆盖件密封空腔的开放端部。这个覆盖件应安装到径向壁中的仅一处，因为期望改变径向间隙的移动可通过其它方式来阻止。

为了由本发明获得最高的经济效益，合理的是，将所述部件作为铸件制造。

优选的是，该部件构造为壳体圆周部段的部件。

本发明的优选应用领域是将该部件合并到燃气轮机中。优选地，根据本发明的两个所述部件一起安装在水平的分割平面中，该分割平面紧邻于或一致于或/且平行于燃气轮机的旋转轴线。然而，根据本发明的该部件也可构造为不带有壳体的水平的分割平面的桶式部件，该桶式部件提高了机械整体性，但可能具有在装配和设计方面的缺点。当壳体完成时，整合在根据本发明的部件中的空腔优选在空腔的轴向平面中在整个圆周上延伸，以用于获得在整个圆周上期望的均匀地间隙控制。

优选地，为了获得所期望的冷却效果，冷却介质是由来自燃气轮机的压缩机的排气以足够质量流构成的空气。

在供应冷却介质的管路中的控制阀可设置为用于调节空腔的冷却和由此造成的间隙降低，该间隙降低尤其在短暂运行期间是显著有利的。

另一优选实施方式设置有到至少一个翼片内通道的管道，该管道连接到空腔出口，用于通过冷却介质冷却翼片。因为在现代的高温且高效率的燃气轮机中，至少在动力涡轮机的在燃烧室后面的第一级中的燃气轮机热气体路径中的冷却部件是相当普遍的，所以通过使用冷却介质或者说来自压缩机排气的空气降低径向间隙，不显著提高燃气轮机的冷却空气消耗量。根据这种实施方式，全部的冷却空气量也可用于冷却在热气体路径中的这些部件。

带有类似优点地，翼片通道可连接到冷却介质供应装置或转子的接收装置，所述冷却介质供应装置朝待冷却的旋转部件的方向喷射冷却介质，所述接收装置利用通道系统将同样的冷却介质供应给在热气体路径中的转子部件。在热气体路径中的翼片和部件优选为转子叶片，其可设置有如下整体，在该处，表面与这些部件中的冷却通道连接，用于一定量的冷却介质的排气，并且为了提高燃气轮机的最大热气体温度，在热气体路径中的这些部件的表面上形成冷却膜。连续冷却或从空腔开始以及以在热气体通道中的部件继续，引起了非常高的冷却效率或低的冷却空气消耗量，连续冷却或从空腔开始实现燃气轮机的径向间隙控制。

附图说明

参考下面结合附图实施本发明的当前最佳方式的说明，本发明的上述特性和其它特征及优点以及实现它们的方法变得更清楚，并且发明本身得到更好的理解，其中：

图1示出在沿燃气轮机的旋转轴线的方向上的纵向剖视图；并且

图2示出在图1中以罗马数字II标出的细节。

具体实施方式

图1示出穿过沿着旋转轴线2的燃气轮机1的部分剖视图，其描述了燃烧室3的出口和动力涡轮机4的第一级。图2示出了涡轮机壳体11的细节，这些细节对于本发明而言是重要的。

转子5沿旋转轴线2延伸，该转子包括转子盘6，转子叶片7安装到这些转子盘上。为热燃烧气体8的过程气体沿着装备有引导翼片10和转子叶片7的热气体路径流过燃气轮机1。热燃烧气体8可局部达到高达2000℃的温度，该温度可能超过位于热气体路径9中的组件的材料性质。引导翼片10是静止的，并且直接或间接地安装到壳体11上。多个引导翼片10和多个转子叶片7的对形成涡轮机级12，所述引导翼片和转子叶片各自构造成环绕的翼片排或叶片排

翼片及叶片在其分别安装到壳体或转子的相对的端部处设置有转子密封件13，以用于避免热燃烧气体从旁路经过相应的翼片或叶片。这些转子密封件13是迷宫式的，并且允许静止的和旋转的部件由于径向间隙而相对移动。根据本发明，燃气轮机1的效率随着在转子密封件13中的径向间隙的受控制的降低而升高。

壳体11包括部件14，该部件设置有空腔15，该空腔沿着旋转轴线2的圆周延伸。图片仅示出了部件14，该部件实际上与壳体11的另一个部件14在有关本发明的特征方面是相同的，其中，两个部件14在水平的分割平面16中联接在一起，该分割平面沿着旋转轴线2延伸。

空腔15包括径向外壁17和径向内壁18，该径向内壁18比径向外壁17更薄。两个径向的壁沿圆周延伸。此外，空腔15设置有用于将冷却介质20供应到空腔15中的入口孔19和用于将冷却介质20排出的出口孔21。部件14连同径向外壁17和径向内壁18一起由整块材料形成，并且通过铸造制成。空腔15包括轴向的开放端部22，并且径向内壁18与径向外壁17在开放端部22处不由部件14的整块材料连接。在开放端部处的断开造成了准自由端部，该端部允许径向内壁18的足够的灵活性。开放端部22由覆盖件23密封，该覆盖件安装到径向内壁18或径向外壁17中的一个上；在这个示例中，封闭了径向内壁18。覆盖件23基本上是环，该环出于安装目的可设置有在水平分割平面16中的分割缝。覆盖件23允许径向内壁18和径向外壁17的由于与其中仅一个的刚性连接而引起的相对移动。当将冷却介质20通过入口孔19供应到空腔15中时，尤其是径向内壁18的热膨胀降低，这引起在旋转轴线2的方向上的收缩。在转子密封件13中的间隙减小，这引起更低的泄漏，并且提高了动力涡轮机4的效率。

为了增强间隙降低的效果，在最薄壁的相应位置处，径向内壁18的和径向外壁17的径向厚度的比是0.65。此外，在相应的最大尺寸处，空腔15的轴向长度与径向距离的比大于2.5，在这里是3.1。径向内壁18支撑转子密封件13，该转子密封件密封通向动力涡轮机4的第一级的转子叶片7的径向缝隙。该转子密封件13安装到径向内壁18的自由端部24上。通常，用于支撑这些转子密封件13或翼片10的机构位于径向内壁18的优选接近于空腔的开放端部22的轴向一半。

通常从燃气轮机1的未描述的压缩机级中抽出的冷却介质20通过出口离开空腔15，并且进入动力涡轮机4的第二级的翼片10。较小一部分通过第二出口孔25离开空腔15，并且为了冷却目的而直接喷射到在第一级的转子叶片7前面的热气体路径9中。通到引导翼片10的内通道26中的部分冷却介质20的冷却引导翼片10，并且随后被引导到供应装置27。供应装置将冷却介质20的流28供应到设置在下游转子叶片7的转子盘6上的接受孔29中。冷却介质20通过另一个通道系统冷却转子叶片7，并且最终穿过在叶片表面中的孔喷射到热气体路径9中。所喷射的冷却介质20在转子叶片7的表面上形成冷却层。

Claims (15)

1.燃气轮机(1)、蒸汽轮机或压缩机的壳体(11)的部件(14)，所述部件由整块材料构成，其中，所述部件(14)包括空腔(15)，所述空腔(15)沿所述燃气轮机(1)、蒸汽轮机或压缩机的旋转轴线(2)的圆周延伸，所述空腔(15)包括径向外壁(17)和径向内壁(18)、用于将冷却介质(20)供应到所述空腔(15)中的入口孔(19)、用于将所述冷却介质(20)从所述空腔(15)排出的出口孔(21)，所述径向内壁(18)设置有用于支撑至少翼片(10)或朝向转子叶片(7)的转子密封件(13)或用于这些翼片(10)或转子密封件(13)的承载件的机构，

其特征在于，所述空腔(15)包括在所述空腔(15)的一个轴向侧上的开放端部(22)，在该处所述径向内壁(18)和所述径向外壁(17)不由所述部件(14)的整块材料连接，其中，所述径向内壁(18)或所述径向外壁(17)设置有用于安装覆盖件(23)的机构，所述机构密封所述空腔(15)的所述开放端部(22)。

2.根据权利要求1所述的部件(14)，其中，用于支撑的机构位于所述径向内壁(18)的轴向一半，所述径向内壁的该轴向一半相比于所述径向内壁(18)的另一轴向一半更接近所述开放端部(22)。

3.根据前述权利要求1或2所述的部件(14)，其中，所述径向内壁(18)具有比所述径向外壁(17)更小的径向厚度。

4.根据权利要求3所述的部件(14)，其中，在最薄的壁厚度的相应位置处，所述径向内壁(18)与所述径向外壁(17)的径向厚度的比在0.3至0.8之间。

5.根据前述权利要求1或2所述的部件(14)，其中，在相应最大尺寸处，所述空腔(15)的轴向长度与径向距离的比大于2.5。

6.根据前述权利要求1或2所述的部件(14)，其中，所述部件(14)是铸件。

7.涡轮机，包括壳体(11)，所述壳体包括至少一个根据前述权利要求1至6中任一项所述的部件(14)。

8.根据权利要求7所述的涡轮机，其中，所述涡轮机是燃气轮机(1)。

9.根据权利要求7或8所述的涡轮机，其中，用于支撑至少一个翼片(10)或朝向转子叶片(7)的转子密封件(13)的机构支撑动力涡轮机(4)的第一级的至少一个翼片(10)或朝向转子叶片(7)的转子密封件(13)。

10.根据权利要求7或8所述的涡轮机，其中，所述壳体(11)设置有分割平面(16)。

11.根据权利要求7或8所述的涡轮机，其中，所述空腔(15)在整个圆周上延伸。

12.根据权利要求7或8所述的涡轮机，其中，所述冷却介质(20)作为来自燃气轮机(1)的压缩机的排气的空气。

13.根据权利要求7或8所述的涡轮机，其中，通向翼片(10)的至少一个内通道(26)的管道连接到所述空腔(15)的出口孔(21)上，以用于通过所述冷却介质(20)来冷却所述翼片(10)。

14.根据权利要求13所述的涡轮机，其中，所述翼片(10)的所述至少一个内通道(26)连接到冷却介质供应装置(27)上，所述冷却介质供应装置将所述冷却介质(20)喷射到设置在转子(5)处的接收装置(29)中，所述冷却介质(20)被供应到转子冷却通道系统中。

15.根据前述权利要求14所述的涡轮机，其中，所述翼片(10)和/或所述转子冷却通道系统设置有孔，所述冷却介质(20)通过所述孔喷射到所述涡轮机的热气体路径(9)中，以用于在所述翼片(10)或所述转子(5)的部件上构建冷却膜层。