CN103244207A - 具有板框换热器的涡轮壳体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有板框换热器的涡轮壳体，并且该涡轮壳体包括主体部分和至少一个板。主体部分具有前端部分和后端部分。板定位在前端部分与后端部分之间。板是板框换热器的一部分，板框换热器是涡轮壳体的主体部分的一部分。

Description

具有板框换热器的涡轮壳体
技术领域
本发明所公开的主题涉及涡轮壳体，并且更具体地涉及具有板框换热器的涡轮壳体。
背景技术
燃气涡轮机通常包括压缩机、燃烧器、一个或多个燃料喷嘴、以及涡轮。空气通过进气部进入燃气涡轮机并且由压缩机进行压缩。压缩空气接着与由燃料喷嘴所供给的燃料混合。空气-燃料混合物以特定燃烧比供给至燃烧器。燃烧产生加压排放气体，所产生的加压排放气体驱动涡轮的叶片。
燃气涡轮机通常包括涡轮外部壳体和涡轮内部壳体。涡轮外部壳体和涡轮内部壳体在燃气涡轮机的操作期间相对于涡轮机转子沿径向方向膨胀和收缩。定位在旋转叶片的尖端与涡轮内部壳体之间的径向间隙影响燃气涡轮机的效率，其中较小的间隙可以改进效率。然而，较小的间隙还可能增加涡轮内部壳体与旋转叶片的尖端之间产生干扰状况的可能性。主动间隙控制是调节涡轮内部壳体的温度的方法，从而接着对旋转叶片的尖端与涡轮内部壳体之间的间隙进行控制。若干方法目前可用于提供涡轮内部壳体的主动间隙控制，然而这些方法中的一些具有缺陷。例如，在一种方法中，可以采用直接冲击冷却。然而，该方法在用于燃气涡轮机中时通常不是同样有效的。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种涡轮壳体，所述涡轮壳体包括：主体部分，所述主体部分具有前端部分和后端部分；至少一个板，所述至少一个板定位在所述前端部分与所述后端部分之间，所述至少一个板是板框换热器的一部分，所述板框换热器是所述涡轮壳体的所述主体部分的一部分。
进一步的，所述板框换热器包括中心件部分，所述中心件部分流体连接至所述至少一个板。
进一步的，所述板框换热器包括多个板，所述多个板流体连接至彼此以及所述中心件部分。
进一步的，所述中心件部分包括内部歧管装置，其中一系列通路设置成在所述中心件部分中通过所述内部歧管装置。
进一步的，当对比所述后端部分时，所述至少一个板定位成更靠近所述前端部分。
进一步的，所述板框换热器接收扩散流，所述扩散流是环境空气、蒸汽、处于液体状态的加压冷却剂、和来自涡轮机的压缩机的排出空气中的至少一种。
进一步的，所述扩散流包括大体沿周向的流动路径。
进一步的，所述至少一个板的外表面包括向外突出的延长表面以提供冷却。
进一步的，所述涡轮壳体是构造成用于燃气涡轮机的涡轮内部壳体。
根据本发明的另一个方面，提供一种具有涡轮内部壳体的燃气涡轮机，所述燃气涡轮机包括：主体部分，所述主体部分具有前端部分和后端部分；至少一个板，所述至少一个板定位在所述前端部分与所述后端部分之间，所述至少一个板是板框换热器的一部分，所述板框换热器是所述涡轮内部壳体的所述主体部分的一部分。
进一步的，所述板框换热器包括中心件部分，所述中心件部分流体连接至所述至少一个板。
进一步的，所述板框换热器包括多个板，所述多个板流体连接至彼此以及所述中心件部分。
进一步的，所述中心件部分包括内部歧管装置，其中一系列通路设置成在所述中心件部分中通过所述内部歧管装置。
进一步的，当对比所述后端部分时，所述至少一个板定位成更靠近所述前端部分。
进一步的，所述板框换热器接收扩散流，所述扩散流是环境空气、蒸汽、处于液体状态的加压冷却剂、和来自涡轮机的压缩机的排出空气中的至少一种。
进一步的，所述扩散流包括大体沿周向的流动路径。
进一步的，所述至少一个板的外表面包括向外突出的延长表面以提供冷却。
根据本发明的又一个方面，提供一种具有涡轮内部壳体的燃气涡轮机，所述燃气涡轮机包括：主体部分，所述主体部分具有前端部分和后端部分；以及板框换热器，所述板框换热器是所述涡轮内部壳体的所述主体部分的一部分，所述板框换热器包括：多个板，所述多个板定位在所述前端部分与所述后端部分之间，所述多个板彼此流体连接；以及中心件部分，所述中心件部分流体连接至所述多个板。
进一步的，所述中心件部分包括内部歧管装置，其中一系列通路设置成在所述中心件部分中通过所述内部歧管装置。
进一步的，所述板框换热器接收扩散流，所述扩散流是环境空气、蒸汽、处于液体状态的加压冷却剂、和来自涡轮机的压缩机的排出空气中的至少一种。
通过结合附图的以下描述，这些和其它的优点以及特征将变得更加显而易见。
附图说明
被认为是本发明的主题在权利要求书中特别指出并且明确要求保护。通过下文结合附图的详细描述，本发明的上述和其它的特征以及优点是显而易见的，在附图中：
图1是具有压缩机的示例性燃气涡轮机系统的示意图；
图2是图1中所示的涡轮的涡轮内部壳体的部段的透视图；
图3是图2中所示的涡轮内部壳体的部段的图示；
图4是图2中所示的涡轮内部壳体的部段的另一个图示；
图5是图2中所示的涡轮内部壳体的部段的又一个图示；以及
图6是图2中所示的涡轮内部壳体的部段的一部分的主视图。
参照附图并通过示例的详细描述解释了本发明的实施例以及优点和特征。
具体实施方式
图1示出了由附图标记10表示的示意示例性发电系统。发电系统10是燃气涡轮机系统，该燃气涡轮机系统具有压缩机20、燃烧器22、以及涡轮24。空气通过连接至压缩机20的进气部30进入发电系统10，并且由压缩机20进行压缩。压缩空气接着与由燃料喷嘴34所供给的燃料混合。燃料喷嘴34以特定燃烧比将空气-燃料混合物喷射至燃烧器22中。燃烧产生热加压空气排气，所产生的热加压空气排气对定位在涡轮24内的叶片(未示出)进行驱动。
图2是涡轮24(示于图1中)的涡轮内部壳体40的部段的图示。涡轮内部壳体40包括主体部分42，主体部分42具有前端部分44和后端部分46。在一个实施例中，涡轮内部壳体40包括大体周向构造并且划分为多个四分之一部段，其中多个四分之一部段中的一个四分之一部段示于图2中。尽管图2示出了涡轮内部壳体40的四分之一部段，但是应当理解，涡轮内部壳体40也可以以其它构造分段，例如半部部段。主体部分42可以由旨在用于温度相对较高的应用的材料构建而成。例如，在一个实施例中，涡轮内部壳体40由铬-钼-钒(“CrMoV”)钢构建而成。
在一个实施例中，涡轮内部壳体40的部段中的每一个部段都可以通过沿轴向定向的螺栓连接结合在一起。具体而言，板框换热器组件54的中心件52包括紧固件孔56，以用于接收例如螺栓(未示出)的紧固件。涡轮内部壳体40的主体部分42也可以包括一系列紧固件孔58，其中紧固件孔58中的每一个紧固件孔58都接收沿轴向定向的螺栓(未示出)。螺栓连接可以在操作期间提供用于涡轮内部壳体40的部段之间大体无泄漏接头的相对紧密的公差。尽管对螺栓连接进行讨论，但是应当理解，也可以使用能够形成用于大体无泄漏操作的相对紧密的公差的其它紧固方法来结合涡轮内部壳体40的部段。
至少一个板50定位在涡轮内部壳体40的前端部分44与后端部分46之间。在如图所示的示例性实施例中，示出全部四个板50以及中心件52，并且从前端部分44至后端部分46将四个板50标记为板A、板B、板C、和板D。板50以及中心件52是板框换热器54的一部分。具体而言，板框换热器54定位成邻近涡轮内部壳体40的前端部分44，使得当对比后端部分46时，板框换热器54定位成更靠近前端部分44。板框换热器54可以是使用用于在两种介质(例如气体或液体)之间传热的板的任何类型的换热器。板框换热器54是涡轮内部壳体40的主体部分42的一部分。在一个实施例中，高温钎焊、焊接、或者金属密封件(未示出)可以用于将板框换热器54的板50结合在一起。应当注意到，尽管图2示出了涡轮内部壳体40，但是应当理解，板框换热器54也可以在至少一些实施例中用于涡轮24(图1)的涡轮外部壳体(未示出)上。
头部端凸缘60定位在涡轮内部壳体40的前端部分44处。头部端凸缘60包括多个紧固件开口62，多个紧固件开口62均构造成用于通过其中接收紧固件64，以用于将板50、中心件52、以及头部端凸缘60联接在一起。具体而言，紧固件开口62可以与紧固件64螺纹接合。在如图2中所示的示例性实施例中，紧固件64是螺栓，然而也可以使用其它类型的紧固方法。板50还包括紧固件开口70以用于接收紧固件64，并且中心件52也包括紧固件开口72(示于图5中)以用于接收紧固件64。
现在同时参照图2至图3，头部端凸缘60的前面(forWard face)74包括冷却孔76以用于接收扩散或冷却流78。冷却流78例如可以是从大气引入的环境空气、蒸汽、处于液体状态的加压冷却剂、或者来自压缩机20(示于图1中)的排出空气。在一个实施例中，冷却流78通常包括高于大约205摄氏度(大约400°F)的温度。具有通常高于大约205摄氏度的冷却流将大大防止涡轮内部壳体40内产生相对大量的热应力。
冷却流78通过定位在头部端凸缘60中的冷却孔76供给至板框换热器54。即，头部端凸缘60用作歧管，以接收用于板框换热器54的冷却流78。尽管图3示出了冷却孔76，但是应当理解，也可以使用其它的方法来将冷却流78引入至板框换热器54(示于图2中)中。例如，在另一个实施例中，可以沿头部端凸缘60设置一系列通路(未示出)以用于引入冷却流78。
图4是涡轮内部壳体40的图示，其中省略了头部端凸缘60以显示板50中被指定为板A的一个板(板A也示于图2中)。参照图2至图4，冷却流78通过冷却孔76进入板框换热器54，并且接着沿大体周向方向在如图4中所示的方向D1上流动。即，冷却流78包括大体沿周向行进的流动路径。尽管图3至图4示出了相对简单的周向流动路径，但是应当理解，也可以沿板50的传热或外表面84加工或冲压特定特征(未示出)以产生更复杂的流动路径，其中包括但不限于百叶式表面、蛇形流动路径、人字形流动路径、针肋(pin-fin)表面、翅片表面等。
冷却流78接着进入定位在板A内的冷却孔80。现在参照图5，已省略板A以显示板B(示于图2中)。冷却流78沿与方向D1(示于图4中)大体相反的方向D2行进，并且进入定位在板B内的冷却孔82。因此，板50(例如，图4中的板A和图5中的板B)彼此流体连接。在一个实施例中，板50中的一个或多个板50可以包括沿板50的外表面84向外突出的延长表面(未示出)。例如，在一个实施例中，板50的外表面84可以包括翅片，所述翅片提供增强的冷却。此外，在另一个实施例中，代替沿板A和板B的外表面84(示于图4和图5中)定位的单一、统一的冷却孔80和82，板50可以包括允许冷却流78在板50之间流动的一系列通路。
现在参照图2以及图4至图5，板50中的每一个板50流体连接至彼此以及中心件52。具体而言，在图2以及图4至图5中所示的实施例中，冷却流78在板A、板B、以及中心件52之间流动。中心件52向板框换热器54提供周向支承。中心件52还包括内部歧管装置，内部歧管装置示于图6中。
图6是中心件52的外表面90的放大图主视图，其中已省略头部端凸缘60、板A、以及板B。如图6中可见，外表面90包括提供内部歧管装置的一系列通路92。冷却剂流78(示于图2至图5中)可以流过通路92，并且流向板C和板D(示于图2中)。
如图2至图6中所示的板框换热器54提供涡轮内部壳体40的主动间隙控制以及周向冷却。板框换热器54允许在板50的传热表面84受到污损或污染情况下的流通通道冷却，然而板框换热器54包括清洁和维护相对简单的板构造。也可以修改板50的几何形状以产生相对复杂的冷却流路径。此外，板框换热器54呈模块化设计，并且对现有的涡轮内部壳体的改型相对简单。
尽管已经仅结合数量有限的实施例对本发明进行了详细描述，但是应当易于理解，本发明并不限于这种所公开的实施例。相反，能够将本发明修改成结合到目前为止并未进行描述但是与本发明的精神和范围相当的任何数量的改型、变型、替代或等同布置。此外，尽管已经对本发明的各个实施例进行了描述，但是应当理解，本发明的各个方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明并不视为受到以上描述的限制，而是仅仅通过所附权利要求的范围进行限定。

Claims (20)

1.一种涡轮壳体，所述涡轮壳体包括：
主体部分，所述主体部分具有前端部分和后端部分；
至少一个板，所述至少一个板定位在所述前端部分与所述后端部分之间，所述至少一个板是板框换热器的一部分，所述板框换热器是所述涡轮壳体的所述主体部分的一部分。
2.根据权利要求1所述的涡轮壳体，其特征在于，所述板框换热器包括中心件部分，所述中心件部分流体连接至所述至少一个板。
3.根据权利要求2所述的涡轮壳体，其特征在于，所述板框换热器包括多个板，所述多个板流体连接至彼此以及所述中心件部分。
4.根据权利要求2所述的涡轮壳体，其特征在于，所述中心件部分包括内部歧管装置，其中一系列通路设置成在所述中心件部分中通过所述内部歧管装置。
5.根据权利要求1所述的涡轮壳体，其特征在于，当对比所述后端部分时，所述至少一个板定位成更靠近所述前端部分。
6.根据权利要求1所述的涡轮壳体，其特征在于，所述板框换热器接收扩散流，所述扩散流是环境空气、蒸汽、处于液体状态的加压冷却剂、和来自涡轮机的压缩机的排出空气中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的涡轮壳体，其特征在于，所述扩散流包括大体沿周向的流动路径。
8.根据权利要求1所述的涡轮壳体，其特征在于，所述至少一个板的外表面包括向外突出的延长表面以提供冷却。
9.根据权利要求1所述的涡轮壳体，其特征在于，所述涡轮壳体是构造成用于燃气涡轮机的涡轮内部壳体。
10.一种具有涡轮内部壳体的燃气涡轮机，所述燃气涡轮机包括：
主体部分，所述主体部分具有前端部分和后端部分；
至少一个板，所述至少一个板定位在所述前端部分与所述后端部分之间，所述至少一个板是板框换热器的一部分，所述板框换热器是所述涡轮内部壳体的所述主体部分的一部分。
11.根据权利要求10所述的涡轮壳体，其特征在于，所述板框换热器包括中心件部分，所述中心件部分流体连接至所述至少一个板。
12.根据权利要求11所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述板框换热器包括多个板，所述多个板流体连接至彼此以及所述中心件部分。
13.根据权利要求11所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述中心件部分包括内部歧管装置，其中一系列通路设置成在所述中心件部分中通过所述内部歧管装置。
14.根据权利要求10所述的燃气涡轮机，其特征在于，当对比所述后端部分时，所述至少一个板定位成更靠近所述前端部分。
15.根据权利要求10所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述板框换热器接收扩散流，所述扩散流是环境空气、蒸汽、处于液体状态的加压冷却剂、和来自涡轮机的压缩机的排出空气中的至少一种。
16.根据权利要求15所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述扩散流包括大体沿周向的流动路径。
17.根据权利要求10所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述至少一个板的外表面包括向外突出的延长表面以提供冷却。
18.一种具有涡轮内部壳体的燃气涡轮机，所述燃气涡轮机包括：
主体部分，所述主体部分具有前端部分和后端部分；以及
板框换热器，所述板框换热器是所述涡轮内部壳体的所述主体部分的一部分，所述板框换热器包括：
多个板，所述多个板定位在所述前端部分与所述后端部分之间，所述多个板彼此流体连接；以及
中心件部分，所述中心件部分流体连接至所述多个板。
19.根据权利要求18所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述中心件部分包括内部歧管装置，其中一系列通路设置成在所述中心件部分中通过所述内部歧管装置。
20.根据权利要求18所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述板框换热器接收扩散流，所述扩散流是环境空气、蒸汽、处于液体状态的加压冷却剂、和来自涡轮机的压缩机的排出空气中的至少一种。
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