CN102852565B - 涡轮机静叶 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮机静叶。更具体而言，本发明涉及用于涡轮机(7)的定子(9)，定子(9)包括至少两个周向相邻的静叶(1)，其中，静叶(1)各自包括翼型件(2)和在翼型件(2)的内端处的内径平台(3)以及内径平台空腔(13)，其中内径平台空腔(13)特别地由内径平台(3)的至少一个侧壁(15)定界。当在周向相邻静叶(1)的面对的侧壁(15)之间的间隙被用来形成中间空腔(22)时，实现了定子(9)的改进的密封且因此相应涡轮机(7)的提高的效率。本发明还涉及包括这种定子(9)的涡轮机(7)以及这种定子(9)的这种静叶(1)。

Description

涡轮机静叶

技术领域

本发明涉及用于涡轮机特别地用于燃气涡轮机的定子。本发明进一步涉及包括这种定子的涡轮机以及这种定子的静叶(vane)。

背景技术

定子是涡轮机的基本部件，其中，定子包括静叶，静叶将涡轮机的驱动流体引导至涡轮机的转子的叶片上，从而导致叶片并因而转子的旋转。转子的旋转轴线限定轴向方向。径向方向和周向方向各自相对于轴向方向而限定。定子的静叶被布置成行，其中，每一行通常包括周向相邻的静叶。所述静叶通常包括翼型件，翼型件被布置在静叶的内径平台上和翼型件的内端处，其中术语“内”相对于径向方向而限定。

在燃气涡轮机的情况下，驱动流体为膨胀气体，其中膨胀通过所述气体的燃烧来实现。因此，定子的静叶暴露于高温，这导致静叶的高热动应力。为了减小所述应力，静叶通常包括通道系统，通道系统用于用冷却气体冷却静叶，从而也使用所述冷却气体来冷却内径平台，也就是说，通道系统连接到内径平台的空腔，其中所述内径平台空腔特别地由对应内径平台的侧壁定界。术语“侧壁”因而相对于周向方向而限定，其中内径平台的侧壁各自面向周向相邻的静叶的内径平台的侧壁。考虑到定子的静叶的布置，这导致在面对的侧壁之间的间隙。

发明内容

本发明解决了为上述类型的定子提供改进的或至少备选的实施例的问题，该实施例特别地通过改进的密封来表征。

根据本发明，该问题由独立权利要求解决。根据本发明的定子的优选实施例可见于从属权利要求中。

本发明基于通过使用定子的周向相邻静叶的内径平台的侧壁之间的间隙而在所述侧壁之间形成中间空腔的一般思想，其中静叶的内径平台被布置在对应静叶的翼型件的内端处，并且内径平台的侧壁面向周向相邻静叶的内径平台的侧壁，其中侧壁为对应内径平台的内径平台空腔定界。此外，静叶各自包括用于用冷却气体冷却相应的静叶的通道系统，其中内径平台空腔连接到通道系统且因此由所述冷却气体冷却，并且中间空腔特别地借助于侧壁而与相应的内径平台空腔流体分离。因此，在周向相邻的内径平台之间的中间空腔特别地中断或至少减少涡轮机的驱动流体泄漏到侧壁之间的间隙中。周向方向是相对于定子组装到其中的对应涡轮机的转子的旋转轴线而言。径向方向可以分别相对于该旋转轴线而限定。

根据本发明的一般思想，一实施例包括在两个周向相邻静叶的面对的侧壁之间的间隙。现在，该间隙被至少一个密封板封闭以形成中间空腔。所述中间空腔因此在周向方向上由侧壁定界并由一个或多个密封板封闭。中间空腔因此与对应内径平台的内径平台空腔分离并因而流体隔离。密封板的这种布置特别地导致了中间空腔的改进密封。

根据一优选实施例，包括形成中间空腔的侧壁的内径平台中的至少一个包括在中间空腔的区域中的至少一个凹槽。凹槽因而构造在中间空腔周围，即凹槽封闭中间空腔。在提供若干凹槽的情况下，这些凹槽优选地被布置在中间空腔周围，并且特别地以均匀或连续的方式分布。凹槽因此被构造为围绕中间空腔延伸的凹槽区段。所述一个或多个凹槽还适于接纳封闭中间空腔的至少一个密封板。密封板因此布置在所述凹槽内，其中凹槽且因此密封板围绕中间空腔延伸。因此，一个或多个凹槽可构造在相应内径平台的侧壁内。在一优选实施例中，两个平台各自包括形成中间空腔的一个侧壁，其中，所述侧壁各自包括用于接纳至少一个密封板的凹槽。所述内径平台的凹槽因此包括互补的布置和/或形状。也就是说，特别地，相应内径平台的凹槽可被类似地成形及构造并被布置成彼此直接相对。这些凹槽也可不同地被构造，并且通过密封板的布置而可以确保封闭的密封。在每个内径平台中均设有若干凹槽的情况下，即在存在凹槽区段的情况下，相邻平台中的区段可被布置成面向彼此，也就是说，内径平台的凹槽区段特别地以相同方式布置。凹槽区段也可相对于彼此移位，也就是说，它们可以不同方式布置。在后一种情况下，优选实施例是在中间空腔区域的任何部分周围提供至少一个凹槽区段的实施例。应当提及的是，也可能将密封板布置成使得它们重叠。这种重叠可借助于布置在其中一个内径平台的一个或多个凹槽内的面对的密封板和/或相邻的密封板两者来实现。

应当理解，密封板包括与相应凹槽互补的形状和布置。也就是说，密封板特别地被构造成配合并填充对应的一个或多个凹槽。涡轮机内的相应情况因而需要密封板的相应性质，例如耐热性。因此，金属和合金是密封板的优选材料。

根据另一优选实施例，一个或多个密封板形成中间空腔的周边密封。也就是说，特别地，一个或多个密封板环绕中间空腔，从而完全或至少基本上沿相应方向密封中间空腔。中间空腔的完全或至少基本上密封因而由侧壁和一个或多个密封板来提供，其中，一个或多个密封板接触对应内径平台，特别是在一个或多个凹槽的区域中。

根据一特别优选的实施例，两个面对的侧壁各自包括凹槽，其中，所述凹槽以对称方式被类似地成形及布置在相应侧壁内。在该实施例中，两个密封板被布置在这些凹槽内。其中一个密封板被布置在相应内径平台的底侧，其中底侧与翼型件相对。所述密封板在相应密封板的端部处彼此接触。后一密封板被布置在剩余凹槽区域内，即，特别地，所述密封板从中间空腔的后侧延伸至其与翼型件相邻的顶侧，并且继续至中间空腔的前侧，以借助于相应密封板的端部而接触第一密封板。前侧和后侧因而相对于涡轮机的驱动流体的流动方向而限定。在这个意义上，前侧为上游侧，而后侧为下游侧。

根据另一实施例，中间空腔的周边密封包括至少一个开口。所述开口因而可以借助于在相应的一个或多个密封板内的切口和/或在相应的一个或多个密封板内的中断部来实现。开口因而优选地被布置在中间空腔的底侧，即，开口被构造在与翼型件相对的密封的一侧内。此外，所述开口优选地被布置在中间空腔的前侧，即，在中间空腔的上游侧。开口现在特别地充当加压气体的入口。也就是说，中间空腔借助于经由所述开口泵入中间空腔中的加压气体而被加压。中间空腔的加压特别地旨在通过阻止涡轮机的驱动流体进入中间空腔中而改善中间空腔的密封。

根据一优选实施例，所述开口与相应静叶的通道系统流体分离。换而言之，中间空腔的开口借助于内径平台空腔与用于冷却静叶的通道系统且特别地内径平台流体隔离。也就是说，中间空腔的开口与内径平台空腔流体断开，从而在两个所述空腔之间保持分离。因此，原料气和冷却气体可流过涡轮机的不同气体供应装置，并且还可以是不同的。

在又一实施例中，静叶包括外径平台，其中外径平台被布置在静叶的翼型件的外端，其中外端是指径向方向。也就是说，外径平台被布置在与连接到内径平台的端部相对的翼型件的端部处。外径平台还包括连接到通道系统的外径平台空腔。此外，外径平台优选地包括冷却气体入口，用于将冷却气体引入外径平台空腔中。因而，使用所述冷却气体来冷却外径平台和内径平台。因此，通道系统特别地借助于至少一个通道而延伸通过翼型件，其中所述通道优选地从外径平台延伸至内径平台且/或反之亦然。因此，所述冷却气体也冷却翼型件。因此，构造被简化，以便一方面提供用于对中间空腔加压的加压气体，另一方面提供用于冷却外径平台、翼型件和内径平台的冷却气体。

应当提及的是，中间空腔的开口可具有任意尺寸和形状。然而，诸如圆形形状的对称形状是优选的，其中所述圆形开口优选地被布置在中间空腔的前侧并因而静叶的上游侧，并且与翼型件相对，即，开口被布置在中间空腔的底侧内。开口的尺寸因此不超过在相应区域中的中间空腔的宽度，以便维持中间空腔和相邻内径平台空腔之间的流体分离。

根据又一实施例，内径平台的凹槽包括至少一个中断部，其中，中断部被布置在中间空腔的开口处。所述中断部因此与所述开口对准或对准为面向所述开口，并且优选地被布置在对应内径平台的底侧。在若干凹槽的情况下，这些凹槽优选地以对称方式被布置成面向且/或封闭所述开口。在形成中间空腔的两个内径平台内的凹槽的情况下，所述凹槽还包括与开口对准或面向开口的对称布置的中断部。

为了确保在静叶和静叶支座之间的合理密封，静叶包括在内径平台的底板处的密封件。所述密封件因此被布置在与翼型件相对的内径平台的一侧，并且径向向内伸出。这种密封件的一个示例是环形密封件，特别是Del Matto密封件，如例如在US 4,050,702中公开的那样，该专利的公开内容在此以引用方式并入本公开中。

根据又一实施例，内径平台包括至少一个气体出口，其中所述气体出口特别地被布置在内径平台的顶板内。气体出口因此特别地被布置在面向翼型件的内径平台的一侧。所述气体出口因此穿透内径平台的相应壁，以为来自内径平台空腔的冷却气体提供出口。气体出口因此优选地被布置在内径平台的下游侧，并且因此也可布置在内径平台的前侧内或前侧处。

由于静叶和内径平台是本发明的重要部分，因而应当理解，在根据本发明的定子中使用的单个静叶也落入本发明的范围内。

应当理解，中间空腔的思想也可以在包括内径平台和内径平台空腔的静叶与不带内径平台空腔的静叶之间以及在包括内径平台和内径平台空腔的静叶与不带内径平台的静叶之间实现。它们的组合也适于中间空腔的实施。这些变型因此也属于本发明的范围。

根据本发明的另一方面，涡轮机特别是燃气涡轮机包括根据本发明的定子。所述涡轮机特别地通过特别借助于改善的定子密封的提高的效率来表征。

应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，上述特征和下面将要提及的特征不仅在给定组合中适用，而且在其它组合中以及分离时适用。

当结合附图时，根据本发明的某些优选实施例的以下描述，本发明的上述及其它的目的、特征和优点将变得更加显而易见。

附图说明

参考在附图中示意性地描绘的实施例描述了本发明，并且在下文中将参照附图更详细地描述本发明。

附图示意性地显示了：

图1是静叶内平台的透视图；

图2是涡轮机的纵截面图；以及

图3是静叶内平台的横截面图。

标号列表：

1  静叶

2  翼型件(airfoil)

3  内径平台

4  顶板

5  描绘径向方向的箭头

6  转子

7  涡轮机

8  描绘轴向方向的箭头

9  定子

10  底板

11  描绘驱动流体方向的箭头

12  孔

13  内径平台空腔

14  后壁

15  侧壁

16  描绘周向方向的箭头

17  气体出口

18  凹槽

19  中断部

20  密封板

21  密封板

22  中间空腔

23  开口

24  Del Matto密封件

25  密封部

26  迷宫(Labyrinth)密封

27  翅片(fin)

28  叶片

29  外径平台

30  外径空腔

31  冷却气体供应装置

32  气体入口。

具体实施方式

参照图1至图3，静叶1包括翼型件2和平台3，其中平台3在其顶板4上和翼型件2的内端处承载翼型件2。因此，术语“顶”是相对于由箭头5描绘的径向方向而言，径向方向又是相对于由箭头8所示的涡轮机7的转子6的旋转的轴向方向而言，其中涡轮机7包括定子9，定子9包括所示静叶1。

如图1所示，顶板4具有平坦部分，然后朝内径平台3的底板10弯曲并在内径平台3的上游侧以锐角接触底板10，其中，上游侧或前侧相对于由箭头11描绘且流过涡轮机7的驱动流体的流动方向而限定。翼型件2包括布置在沿翼型件2径向延伸的行中的孔12。这些孔充当用于借助于通道系统的通道流过翼型件2的冷却气体的出口。通道系统连接到内径平台3的内径平台空腔13，其中所述内径平台空腔13由内径平台3的顶板4、底板10、后壁14和侧壁15形成。因此，后壁14是在内径平台3的下游侧的壁。侧壁15在轴向方向和径向方向上延伸且在周向方向上为内径平台空腔13定界，周向方向由箭头16给定且相对于由箭头8给定的涡轮机7的旋转轴线而限定。内径平台3的顶板4包括气体出口17，气体出口17在顶板4上沿行分布且连接到内径平台空腔13。在内径平台3的前面区域内存在另外的孔12，其连接到内径平台空腔13且也充当冷却气体的出口。在内径平台3的前面区域内的另外的孔12面向轴向方向或流动方向。

静叶1的侧壁15包括凹槽18。所述凹槽18开始于内径平台3的前侧，并且沿着且特别地顺着顶板4的轮廓延伸。凹槽18沿后壁14继续延伸且顺着在内径平台3的顶板4和后壁14之间的弯曲过渡部的轮廓延伸。凹槽18沿着带有直角过渡部的内径平台3的底板10继续，并且在与内径平台3的前侧隔开的位置停止。也就是说，凹槽18包括中断部19，其在内径平台3的底板10区域内且在前侧并因而上游侧上。第一密封板20被布置在沿顶板4和后壁14的区域中延伸的凹槽18内。所述密封板20因此包括与凹槽18的该区域互补的形状。密封板20因此被成形为带有在顶板4和后壁14之间的过渡区域中的弯曲过渡部。第二密封板21被布置在沿底板10延伸的凹槽18的区域内，其中所述密封板21在凹槽18的直角过渡区域中且因此在内径平台3的下游侧接触第一密封板20。第二密封板21包括平坦的形状并填充整个剩余凹槽18区域，即特别地，其延伸至中断部19的边缘。密封板20、21两者因此远离侧壁18并因此朝着周向相邻静叶1的内径平台3的侧壁18伸出。这些板20、21因此适于被布置在相邻内径平台3的面对的侧壁15的凹槽内。面对的内径平台3的凹槽18具有与相对的凹槽18互补的形态，即特别地互补的中断部，从而导致在面对的侧壁15之间形成中间空腔22。所述中间空腔22因此由周向相邻静叶1的面对的侧壁15并由密封板20、21定界，如图3所示。密封板20、21因此形成中间空腔22的周边密封。对应凹槽18的相应中断部19还在周边密封内提供了开口23，所述开口被布置在空腔的底侧即与翼型件3相对的一侧上且在静叶1的上游侧。中断部19的对准和对称布置因此导致开口23的对称的且特别地矩形或圆形的形状。

所示静叶1还包括Del Matto密封件24，Del Matto密封件24在底板的中心区域内连接到内径平台3的底板10，并且径向向内即在箭头5的相反方向上伸出。静叶还包括密封部25，密封部25也连接到底板10且径向向内伸出，但布置在内径平台3的下游侧。所述密封部25包括阶梯形状且适于与涡轮机7的转子6的下游相邻叶片28的翅片27形成迷宫密封26，如图2所示。图2还示出静叶1的外径平台29，外径平台29相对于由箭头5给定的径向方向布置在翼型件2的外端处。因此，内径平台3被布置在翼型件2的内端处，而外径平台29则被布置在翼型件2的外端处。外径平台29另外包括外径平台空腔30，外径平台空腔30借助于外径平台29的气体入口32连接到冷却气体供应装置31。

图3示出穿过涡轮机7的定子9的横截面图，其中截面穿过图2中的线E而截取。在中下区域中看到静叶1的内径平台空腔13。所述内径平台空腔13的侧壁15面向周向相邻的内径平台空腔13的侧壁15。中间空腔22被布置在中心内径平台空腔13的两侧，其中所述中间空腔22由相应的相邻内径平台3的侧壁15并由密封板20、21定界，密封板20、21布置在相应的相邻内径平台3的对称构造凹槽18内。

Claims (16)

1.一种用于涡轮机(7)的定子(9)，所述定子(9)包括静叶(1)的布置，其中，至少两个周向相邻的静叶(1)各自包括翼型件(2)、在所述翼型件(2)的内端处的内径平台(3)以及用于用冷却气体冷却相应静叶(1)的通道系统，其中：

    所述内径平台(3)包括内径平台空腔(13)，

    所述内径平台(3)包括为所述内径平台空腔(13)定界的至少一个周向布置的侧壁(15)，

    所述内径平台空腔(13)与所述通道系统连接，以向所述内径平台(3)供给冷却气体，

    至少一个密封板(20, 21)被布置在所述两个周向相邻静叶(1)的面对的侧壁(15)之间，以形成中间空腔(22)，

    对应的内径平台空腔(13)和所述中间空腔(22)是流体分离的。

2.根据权利要求1所述的定子，其特征在于：

    形成所述中间空腔(22)的所述静叶(1)中的至少一个的所述内径平台(3)包括布置在所述中间空腔(22)区域周围的至少一个凹槽(18)，其中，所述密封板(20, 21)中的至少一个被布置在所述凹槽(18)内。

3.根据权利要求1或2所述的定子，其特征在于：

    所述至少一个密封板(20, 21)形成封闭所述中间空腔(22)的周边密封。

4.根据权利要求3所述的定子，其特征在于：

    至少一个密封板(20, 21)被布置在所述中间空腔(22)的底侧，并且

    至少一个密封板(20, 21)被布置在所述中间空腔(22)的顶侧且接触布置在所述中间空腔(22)的底侧的所述密封板(20, 21)，并且

    至少一个密封板(20, 21)被布置在所述中间空腔(22)的后侧且接触布置在所述中间空腔(22)的顶侧的所述密封板(20, 21)以及布置在所述中间空腔(22)的底侧的所述密封板(20, 21)，

    其中，

    所述中间空腔(22)的底侧为在径向上离所述翼型件(2)最远的一侧，

    所述中间空腔(22)的顶侧与所述翼型件(2)相邻，

    所述中间空腔(22)的背侧在对应静叶(1)的下游侧。

5.根据权利要求3所述的定子，其特征在于：

    所述周边密封包括至少一个开口(23)，其中，所述开口(23)被布置在所述中间空腔(22)的底侧且充当气体入口。

6.根据权利要求5所述的定子，其特征在于：

    所述开口(23)与对应静叶(1)的所述通道系统流体分离。

7.根据权利要求5所述的定子，其特征在于：

    所述开口(23)包括对称的形状。

8. 根据权利要求7所述的定子，其特征在于：

    所述开口(23)包括圆形的形状。

9.根据权利要求2所述的定子，其特征在于：

    所述至少一个密封板(20, 21)形成封闭所述中间空腔(22)的周边密封，所述周边密封包括至少一个开口(23)，其中，所述开口(23)被布置在所述中间空腔(22)的底侧且充当气体入口；并且

    所述内径平台(3)的所述凹槽(18)包括至少一个中断部(19)，其中，所述中断部(19)与所述周边密封的所述开口(23)对准或形成所述开口(23)的边界的一部分。

10.根据权利要求1所述的定子，其特征在于：

    环形密封件被布置在所述内径平台(3)的底板(10)的下侧，其中，所述底板(10)在离所述翼型件(2)最远的所述内径平台空腔(13)的一侧。

11.根据权利要求1所述的定子，其特征在于：

    所述通道系统包括在所述翼型件(2)内延伸且连接到所述静叶(1)的外径平台(29)的外径平台空腔(30)的至少一个通道，其中，所述外径平台(29)被布置在所述翼型件(2)的径向外端。

12.根据权利要求1所述的定子，其特征在于：

    所述内径平台(3)包括被布置在面向所述翼型件(2)的所述内径平台(3)的一侧的至少一个气体出口(17)。

13. 根据权利要求1所述的定子，其特征在于：

    所述涡轮机(7)是燃气涡轮机。

14.一种涡轮机(7)，包括转子和至少一个根据权利要求1至13中的一项所述的定子(9)。

15. 根据权利要求14所述的涡轮机(7)，其特征在于：

    所述涡轮机(7)是燃气涡轮机。

16.一种静叶(1)，用于根据权利要求1至13中的一项所述的定子(9)和/或根据权利要求14至15中的一项所述的涡轮机(7)。