CN102575526A - 燃气涡轮机喷嘴设置和燃气涡轮机 - Google Patents

Abstract

提供燃气涡轮机喷嘴设置。该燃气涡轮机喷嘴设置具有限定从中通过的热燃烧气体的流动方向的轴向方向（A）以及径向方向（R），该喷嘴设置包括承载环（37）和喷嘴段，每个喷嘴段具有外平台（25）和从所述外平台径向向内延伸的至少一个导向叶瓣（17），所述外平台形成用于所述热燃烧气体的流动通道的外壁段。所述外平台（25）各自连接到承载环（37）。此外，承载环（37）具有面向轴向的承载环表面（49）并且每个外平台（25）具有面向轴向的平台表面（43），其中承载环表面（49）形成第一密封表面（49）并且平台表面（43）形成第二密封表面（43）。承载环表面（49）和平台表面（43）在一平面（B）内对齐且在其之间具有径向间隙（67）。每个外平台（25）包括径向外表面，该径向外表面具有冲击板（75）以便允许冲击冷却该径向外表面。提供面向轴向的扁平板条密封件（71），该密封件是冲击板（75）的一部分，该板条密封件（71）具有邻抵所述第一和第二密封表面（43、49）二者的板条密封件密封表面从而叠覆间隙（67）。

Description

燃气涡轮机喷嘴设置和燃气涡轮机

技术领域

本发明涉及燃气涡轮机喷嘴设置、燃气涡轮机和用于密封涡轮机喷嘴的径向外平台和承载所述径向外平台的承载环之间的渗漏路径的密封元件。

背景技术

通常，燃气涡轮发动机包括用于压缩空气的压缩机、用于使得压缩空气与燃料混合并点燃混合物的燃烧室以及用于产生动力的涡轮叶片组件。涡轮叶片组件通常包括涡轮叶片构成的多个环，在所述环之间设置有包括多个导向叶瓣的喷嘴设置。

喷嘴设置通常包括外承载环或支撑环、内承载环或支撑环以及多个喷嘴段，每个喷嘴段通常包括径向外平台、径向内平台和从径向外平台延伸到径向内平台的至少一个叶瓣。喷嘴设置形成用于来自燃烧室的热且腐蚀性燃烧气体的环形流动路径。

燃烧室通常在可能超过1350℃的高温下运转。典型的涡轮机燃烧室构造将涡轮叶瓣和叶片设置暴露于这样的高温。因此，涡轮叶瓣和叶片必须由能够承受这种高温的材料制成。此外，涡轮叶瓣和叶片通常包含冷却系统以用于延长叶瓣和叶片的寿命并且用于减小由于过高温度导致失效的可能性。

为了防止喷嘴段的平台（其形成用于热且腐蚀性燃烧气体的流动路径的壁）由于热燃烧气体而受到损坏，使用压缩机空气来冷却平台。不过，用于冷却平台的压缩机空气的压力高于在喷嘴设置下游流动的燃烧气体的压力。此外，用于冷却平台，具体地冷却其下游端的冷却空气将被排入热燃烧气体的流动路径内。因此，进入流动路径的空气流动需要被约束到最小以便维持整体涡轮机效率。为了将压缩机空气流动约束到热燃烧气体的流动路径内，在喷嘴段的径向外平台和外承载环之间提供密封件。此外，在喷嘴段的径向内平台和内承载环之间提供密封件，这主要是为了防止热燃烧气体进入平台和承载环之间的间隙。这种密封件的示例公开于US 2008/0101927 A1、US 6,641,144、US 6,572,331、US 6,637,753、US 6,637,751、US 2005/0244267 A1、EP 1 323 890 B1、EP 1 323 896 B1、EP 1 323 898 B1、US 6,752,331和US 2003/012398 A1。

EP 1 247 942 B1还公开了用于密封涡轮机机械的部件之间的气体路径渗漏间隙的密封元件。该密封元件由多个元件构成，所述元件由具有陶瓷材料的板材金属制成。US 2005/0095123 A1公开了在涡轮机机器的两个纵向相邻元件之间的分段式密封件。

已知的密封装置实际上需要复杂的紧固器件将它们安装在喷嘴设置上。所有已知的密封设置实际上还具有如下共同点，即由于复杂性原因，它们的构造、组装和制造成本相对较高。

发明内容

关于上述现有技术，本发明的第一目标是提供有利的燃气涡轮机喷嘴设置和有利的燃气涡轮机。本发明的第二目标是提供在燃气涡轮机喷嘴设置中使用的有利的密封元件。

通过如权利要求1所主张的燃气涡轮机喷嘴设置以及通过权利要求8所主张的燃气涡轮机来实现第一目标。通过如权利要求9所主张的密封元件来实现第二目标。从属权利要求涵盖了本发明的进一步改进。

本发明的燃气涡轮机喷嘴设置具有限定从中通过的热燃烧气体的流动方向的轴向方向以及径向方向，所述燃气涡轮机喷嘴设置包括承载环和喷嘴段，每个喷嘴段具有外平台和从所述外平台径向向内延伸的至少一个导向叶瓣，所述外平台形成用于热燃烧气体的流动通道的外壁段。外平台各自连接到承载环，所述承载环具有面向轴向的承载环表面。此外，每个外平台具有面向轴向的平台表面。承载环表面形成第一密封表面并且平台表面形成第二密封表面。承载环表面和平台表面在一平面内彼此对齐并且被定位成彼此间存在径向间隙。每个外平台包括径向外表面且具有冲击板以用于允许对径向外表面的冲击冷却。提供包括面向轴向的板条密封件的密封元件，其与冲击板结合，板条密封件邻抵于第一和第二密封表面二者以便叠覆所述间隙。

通过使得板条密封件与冲击板相结合，可能的是在较不复杂且较少成本的情况下密封喷嘴和承载环之间的潜在空气渗漏路径。具体而言，可能的是通过密封件的冲击板部分固定板条密封件，对此已经存在适当的固定结构。因此，不必要为密封所述渗漏路径的板条密封件提供特殊的且可能复杂的固定结构。

优选地，板条密封件抵靠第一和第二密封表面弹簧偏压，以使得一方面能够确保良好的密封性能且另一方面能够实现通过夹持进行固定。

冲击板和板条密封件均可以由通过至少一个连接元件连接的板材金属形成。这允许简单且轻质的构造。至少所述连接元件具体地可以由弹性板材金属制成以便产生将板条密封件密封表面弹簧偏压于第一和第二密封表面的弹簧力。在这种构造的特殊实施方式中，冲击板和板条密封件均由单个板材金属元件的不同板材金属区段形成，并且通过所述板材金属元件的至少一个中间弯曲板材金属区段形成连接元件。在替代性实施方式中，冲击板和板条密封件均由不同板材金属板形成，并且通过连接板材金属板以形成冲击板的至少一个铰链元件来形成连接元件。

冲击板可以形成围绕外平台的径向外表面的圆筒形盖的圆筒区段，这允许通过多个单独密封/冲击板设置来完全覆盖径向外表面。

本发明的燃气涡轮机包括至少一个本发明的燃气涡轮机喷嘴设置。

此外，提供密封元件以用于密封涡轮机喷嘴的径向外平台和承载所述径向外平台的承载环之间的渗漏路径，其中承载环具有面向轴向的承载环表面，并且径向外平台具有面向轴向的平台表面，承载环表面形成第一密封表面并且平台表面形成第二密封表面，第一和第二密封表面在一平面内对齐且其间具有径向间隙。密封元件包括板条密封件和冲击板以用于允许冲击冷却径向外平台的径向外表面。这种密封元件适于形成本发明的燃气涡轮机喷嘴设置并且因此能够被用于实现已经关于本发明喷嘴设置所描述的优点。

冲击板和板条密封件均可以由板材金属形成并且通过至少一个连接元件连接。在此方面，板条密封件和冲击板均可以通过单个板材金属元件的不同板材金属区段形成。之后，可以通过所述板材金属元件的至少一个中间弯曲板材金属区段来形成连接元件。可替代地，冲击板和板条密封件均可以由不同板材金属板形成。之后，可以通过连接板材金属板以形成冲击板和板条密封件的至少一个铰链元件来形成连接元件。

具体而言，所述至少一个连接元件可以由弹性板材金属制成以便产生弹簧力从而允许板条密封件弹簧偏压于第一和第二密封表面。

为了允许容易地组装燃气涡轮机喷嘴中的径向外平台的径向外表面的圆筒形盖，冲击板部分可以形成圆筒形桶的圆筒形区段。

结合附图从优选实施例的下述描述中将显而易见到本发明的其他特征、性质和优点。

附图说明

图1以高度示意性的视图示出了燃气涡轮发动机。

图2示出了燃气涡轮发动机的涡轮机入口的示例。

图3示出了没有本发明密封元件的喷嘴设置的截面。

图4示出了具有本发明密封元件的图3的截面。

图5示出了本发明密封元件的立体图。

具体实施方式

图1以高度示意性的视图示出了燃气涡轮发动机1，其包括压缩机区段3、燃烧室区段5和涡轮区段7。转子9延伸通过所有区段并且在压缩机区段3中承载压缩机叶片11构成的环并且在涡轮区段7中承载涡轮叶片13构成的环。在压缩机叶片11的相邻环之间并且在涡轮叶片13的相邻环之间，压缩机叶瓣15构成的环和涡轮叶瓣17构成的环分别从燃气涡轮发动机1的壳体19朝向转子9径向向内延伸。转子9绕其旋转轴线X旋转。

在燃气涡轮发动机1运转期间，空气通过压缩机区段3的空气入口21进入。空气被压缩并且被旋转压缩机叶片11导向燃烧室区段5。在燃烧室区段5中，空气与气态或液态燃料混合并且混合物燃烧。由于燃烧燃料/空气混合物所导致的热的加压燃烧气体被供给到涡轮区段7。在其通过涡轮区段7的路线上，热的加压气体在膨胀和冷却时将动量传递到涡轮叶片13，从而将旋转运动施加到驱动压缩机和耗能器（例如用于产生电力的发电机或工业机器）的转子9。涡轮叶瓣17构成的环用作喷嘴来引导热的加压燃烧气体从而优化向涡轮叶片13的动量传递。最终，膨胀且冷却的燃烧气体通过排气装置23离开涡轮区段7。

在图2中更具体地示出了涡轮区段7的进口。该图示出了涡轮叶片13构成的第一环和涡轮叶瓣17构成的第一环。涡轮叶瓣17在径向外平台25和径向内平台27之间延伸，径向外平台25和径向内平台27与相邻涡轮机部件31、33和涡轮叶片13的平台一同形成用于热加压燃烧气体的流动路径的壁。图中还示出了涡轮叶瓣和叶片构成的环的轴向方向A和径向方向R。燃烧气体沿图2中由箭头35标出的方向（即基本沿轴向方向A）流动通过流动路径。外平台和内平台25、27与其间延伸的涡轮叶瓣17一同形成喷嘴段，所述涡轮叶瓣17被外平台25和内平台27分别连接的外承载环和内承载环保持就位。外承载环、内承载环和喷嘴段一同形成涡轮机的喷嘴设置。

注意到，虽然本实施例的每个单个导向叶瓣17均与外平台25和内平台27一同形成喷嘴段，不过喷嘴段的其他形式是可能的。在示例性替代喷嘴段中，外平台和内平台可以比所述实施例中延伸经过更大的环段以使得它们可以具有在其间延伸的多个叶瓣，例如两个或三个叶瓣。不过，与延伸经过较大环段的平台相比，延伸经过较小环段且仅具有在其间延伸的一个叶瓣的平台是有利的，因为在燃气涡轮机运转期间的热膨胀导致较小的内应力。此外，在任何情况下内承载环均不是必要的。

图3示出了喷嘴设置的截面，其不具有本发明的密封元件71以便示出从压缩机空气贮存器47到流动路径的渗漏路径，该流动路径由承载环37和径向外平台25之间存在的喷嘴设置形成。

外承载环37包括具有凸起45的环区段41，所述凸起45从环区段41朝向外平台25径向向内突出。外平台25包括轨29，该轨29从外平台25朝向承载环37的环区段41径向向外突出。肩部46形成在环区段41和凸起45之间且具有与外平台25的轨29的厚度d基本对应的长度l。从环区段41突出的凸起45和轨29用于例如借助于延伸通过凸起41和轨29的螺栓或螺钉将径向外平台25固定到承载环37，这是本领域所已知的。

当外平台25被固定到承载环37时，在环区段37的肩部46和轨29之间保持间隙67。此外，余隙67保持在轨29和凸起41之间以便允许二者响应不同的热膨胀而相对彼此运动。此外，与压缩机出口流动连接的压缩机空气贮存器47将压缩机空气传输到导向叶瓣17的一个或更多个内部通路以用于冷却所述导向叶瓣。此外，压缩机空气被用于通过使用冲击板（图3中未示出）来冲击冷却外平台25（更精确地，外平台25的径向外表面26），其中该冲击板在上游被固定到外平台25的径向外表面26。在这种构造中，间隙63和余隙67形成渗漏路径，压缩机空气能够通过该渗漏路径沿箭头65的方向从压缩机空气贮存器47流动到喷嘴的流动路径内。

可以存在沿通过喷嘴的流动路径的流动方向位于上游的相邻涡轮机部件31。不过，渗漏路径仍可以如图3所示存在，因为间隙34也将存在于径向外平台25和相邻涡轮机部件31之间以便允许不同的热膨胀。因此，渗漏路径将仅仅被延伸但不因相邻涡轮机部件31的存在而闭合。

图4示出了图3所示的本发明的喷嘴设置的截面，其具有本发明的密封元件71。

外平台25的轨29包括面向喷嘴段的轴向方向A的平台表面43（如图3所示）。类似地，承载环37的环区段41中的肩部46包括也沿喷嘴段的轴向方向A的承载环表面49（见图3）。承载环表面49和平台表面43分别形成第一和第二密封表面。这些第一和第二密封表面43、49在平面B中对齐。平面B可以是垂直于轴线A的平面。

本发明的密封元件70在图5中以立体图被示出。其包括板条密封件71和上文提到的冲击板75。注意到，图中没有示出冲击板75中存在的形成冲击射流的孔。冲击板75和板条密封件71均由板材金属制成并且通过至少一个连接元件彼此连接，该连接元件在本实施例中由两个由弹性弯曲板材金属制成的铰链区段73构成。由于铰链区段73是弹性的，所以可以抵靠密封表面43、49弹簧偏压板条密封件71。注意到，可以选择铰链区段73的厚度、宽度和数量以便设定施加于板条密封件71和冲击板75的所需弹簧力并且减小施加于板条密封件71和冲击板75的热应力。

能够由单个板材金属件来形成板条密封件71、冲击板75和铰链（例如通过适当地切割并弯曲该板材金属件）从而实现通过铰链区段73来结合板条密封件71和冲击板75以形成密封元件70。例如可以通过已知的压缩方法由金属板材形成板条密封件71、冲击板75和铰链区段73。

可替代地，能够通过使得板条密封件71、冲击板75和铰链区段73中的至少两个由不同金属件制成且之后将其结合来形成密封元件70，从而实现通过铰链区段73来结合板条密封件71和冲击板75以形成密封元件70。能够通过各种手段，例如焊接、软焊、螺栓连接、铆接等，来实现不同金属件的结合。

密封元件70的冲击板区段75被形成为圆筒形桶段。因此，其能够被安装成围绕并覆盖喷嘴设置的外平台25的外表面。

利用本发明密封元件70的设计，即使没有抵靠密封表面43、49弹簧偏压板条密封件71，空气贮存器47中的加压压缩机空气也朝向密封表面43、49推动板条密封件71以便提供紧密密封。因此，减少了新鲜空气的消耗并且燃气涡轮机能够以更高效率运转。

Claims (14)

1.一种燃气涡轮机喷嘴设置，其具有限定从中通过的热燃烧气体的流动方向的轴向方向（A）以及径向方向（R），该喷嘴设置包括承载环（37）和喷嘴段，每个喷嘴段具有外平台（25）和从所述外平台径向向内延伸的至少一个导向叶瓣（17），所述外平台形成用于所述热燃烧气体的流动通道的外壁段，其中

-所述外平台（25）各自连接到所述承载环（37）；

-所述承载环（37）具有面向轴向的承载环表面（49）；以及

-每个外平台（25）具有面向轴向的平台表面（43）；

其中

-所述承载环表面（49）形成第一密封表面（49）并且所述平台表面（43）形成第二密封表面（43），所述承载环表面（49）和所述平台表面（43）相对彼此在一平面（B）内对齐并且被定位成彼此间具有径向间隙（67）；

-每个外平台（25）包括径向外表面，该径向外表面具有冲击板（75）以便允许冲击冷却所述径向外表面；以及

-提供密封元件（70），该密封元件包括与所述冲击板（75）结合的面向轴向的板条密封件（71），所述板条密封件（71）邻抵所述第一和第二密封表面（43、49）二者从而叠覆所述间隙（67）。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮机喷嘴设置，其中

所述板条密封件（71）弹簧偏压于所述第一和第二密封表面（43、49）。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的燃气涡轮机喷嘴设置，其中

所述冲击板（75）和板条密封件（71）二者均由板材金属形成并且通过至少一个连接元件（73）连接。

4.根据权利要求3所述的燃气涡轮机喷嘴设置，其中

所述冲击板（75）和所述板条密封件（71）均由单个板材金属元件的不同板材金属区段形成，并且所述连接元件（73）由所述板材金属元件的至少一个中间弯曲板材金属区段形成。

5.根据权利要求3所述的燃气涡轮机喷嘴设置，其中

所述冲击板（75）和所述板条密封件（71）均由不同板材金属板形成，并且所述密封元件（70）由使得所述板材金属板互连从而形成所述冲击板（75）和板条密封件（71）的至少一个铰链元件（73）形成。

6.根据权利要求2和权利要求3-5中任一项所述的燃气涡轮机喷嘴设置，特征在于

至少所述连接元件（73）由弹性板材金属制成，以便产生抵靠所述第一和第二密封表面（43、49）弹簧偏压所述板条密封件（71）的弹簧力。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的燃气涡轮机喷嘴设置，特征在于

所述冲击板（75）形成围绕所述外平台（25）的所述径向外表面（26）的圆筒形盖的圆筒区段。

8.一种包括至少一个根据权利要求1-7中任一项所述的燃气涡轮机喷嘴设置的燃气涡轮机。

9.一种密封元件（70），其用于密封涡轮机喷嘴的径向外平台（25）和用于承载所述径向外平台（25）的承载环（37）之间的渗漏路径，其中所述承载环（37）具有面向轴向的承载环表面（49）并且所述径向外平台（25）具有面向轴向的平台表面（43），所述承载环表面（49）形成第一密封表面（49）并且所述平台表面（43）形成第二密封表面（43），所述第一和第二密封表面（43、49）在一平面（B）内对齐且在其之间具有径向间隙（67），其中

所述密封元件包括板条密封件（71）和冲击板（75）以便允许冲击冷却所述径向外平台（25）的径向外表面（26）。

10.根据权利要求9所述的密封元件（70），其中所述冲击板（75）和板条密封件（71）均由板材金属形成并且通过至少一个连接元件（73）连接。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的密封元件（70），其中

所述板条密封件（71）和冲击板（75）均由单个板材金属元件的不同板材金属区段形成，并且所述连接元件（73）由所述板材金属元件的至少一个中间弯曲板材金属区段形成。

12.根据权利要求9或权利要求10所述的密封元件（70），其中

所述冲击板（75）和板条密封件（71）均由不同板材金属板形成，并且所述连接元件由使得形成所述冲击板（75）和板条密封件（71）的所述板材金属板互连的至少一个铰链元件（73）形成。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的密封元件（70），其中

至少所述连接元件（73）由弹性板材金属制成，以便产生用于弹簧偏压所述板条密封件（71）的弹簧力。

14.根据权利要求9-13中任一项所述的密封元件（70），其中

所述冲击板（75）形成圆筒形桶的圆筒区段。

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