CN103835811A - 用于闭合燃气涡轮热气通路部件的壁内的开口的插入元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于闭合燃气涡轮的热气通路部件(3)的壁内的开口(2)的插入元件(1)，该插入元件(1)包括：带有开口有边表面的板状主体，所述表面提供至少一个第一区域(4)，其突出超过所述表面的至少一个第二区域(5)，第二区域(5)以边框状围绕至少一个第一区域(4)，该至少一个第一区域(4)由在形状和尺寸上对应于所述开口(2)的周向边缘(6)包围，使得当至少一个第二区域(5)在背离热气通路(9)的后侧(8)直接或间接地接触热气通路部件(3)的壁时，周向边缘(6)和开口轮廓至少在一些区域中限定间隙(7)，并且板状主体提供至少第一功能层系统(10)，其提供由耐热材料制成的、限定表面(S)的第一区域(4)的至少一个层。

Description

用于闭合燃气涡轮热气通路部件的壁内的开口的插入元件
技术领域
本发明涉及用于闭合燃气涡轮热气通路部件的壁内的开口的插入元件和用于提高燃气涡轮工作性能的方法。
背景技术
为了增加现代燃气涡轮的效率和动力输出，燃烧温度已经恒定地升高。最近，NOX和CO2排放规则已变得更严格，维持低排放水平因此将是增大重要性的动因。这可通过减少燃烧过程中的未混合空气而实现。当减少燃料喷射位置下游的泻流冷却空气的量帮助减少排放时，热气通路壁的冷却对于确保特定的工作寿命十分重要。作为传统泻流冷却的替代，如US2012／0047908A1中所公开的，高效的近壁冷却方案可提供喷燃器(burner)结构的所需冷却。
带有上述双壁设计的燃烧室壁的燃烧室出现在EP0669500B1中。用于冷却目的的压缩燃烧进气流穿过围绕燃烧区的双壁设计燃烧室壁的封闭中间空间，双壁设计的燃烧室壁通过对流冷却而被冷却。同时，该方案减小散入热气通路中的冷却空气的量；可惜的是，这种近壁冷却系统的制造非常困难。一种方案可为双壁空心结构的铸造。然而，该制造方法的缺点在于其很高的复杂性导致了高废品率和因此高成本。此外，铸造方案遭受其固有的设计限制以及对于任何设计修改的非常长研制周期。另一问题是喷燃器布置特别是沿着环形燃烧器的环状前面板布置的预混喷燃烧的大尺寸和复杂性。通常为较小部件例如涡轮叶片和轮叶保留双壁空心结构的精确铸造，在此高价格更易被接受。
燃气涡轮工作性能的另一重要方面涉及工作灵活性。在此，主要限制是部分负荷或瞬时过程中的脉动水平，这必须小心控制。在燃气涡轮工作过程中，由于燃料例如气体或油的不当燃烧，具有严重压力波动的严重热声脉动可能在燃烧室中发生。这些脉动使得燃烧装置和涡轮的硬件遭受严重的机械振动，这可导致燃烧装置或涡轮的个别部件损坏。
为了吸收这种脉动，燃烧装置通常设有阻尼器(damper)，例如亥姆霍兹阻尼器。亥姆霍兹阻尼器包括共振室，其经由阻尼管连接到燃烧室的内部或围绕燃烧室的介质。
US2005／0229581公开了一种具有混合管的再热燃烧装置，混合管后为燃烧室；混合管在其前面板处具有设有孔且与该前面板平行的声屏(acoustic screen)、以及也设有孔的碰撞板。声屏和碰撞板限定了经由声屏的孔到燃烧室内部且经由碰撞板的孔到燃烧室外部的腔室。碰撞板与声屏之间的腔室限定了多个亥姆霍兹阻尼器，使得由于多个阻尼器与每个再热燃烧装置相关联而阻尼效果得以提高。然而，碰撞板和声屏之间的腔室内的空气流未被引导，因此冷却效果未得到优化；这使得燃烧室的不同部分以不同方式冷却且在不同温度下工作较为困难。此外，制造十分困难。
有效地减少热声脉动的另一方案涉及消声和EP2295864Al中公开的近壁冷却的组合。在此，用于燃气涡轮的燃烧装置包括具有第一和第二壁的部分。第一通道将第一和第二壁之间的区域连接到燃烧装置的内部，且第二通道将第一和第二壁之间的所述区域连接到燃烧装置的外部。在第一和第二壁之间，限定了多个腔室作为亥姆霍兹阻尼器，每个与一个第一通道和至少一个第二通道相连接。
在燃气涡轮原型的生产中，用多个喷燃器工作的环形燃烧器的前面板被制造为一个全尺寸部件。在钎焊包封前述亥姆霍兹阻尼器腔室的完整前面板夹层结构之后，前面板被手动焊接到环形燃烧室的主体。已发现程序更为复杂；此外，在燃气涡轮工作过程中，焊接区域将暴露于很高的温度下，使得该焊接点的期望寿命显得相当有限。此外，使用最好的工程操作和特别的注意以用于大型前面板原型结构的真空钎焊。在商业生产过程中，对更多数量的部件维持该制造质量水平将是非常困难的。
发明内容
本发明的一般目的在于提供允许在燃气涡轮中的可靠干预的一般概念，以提高工作性能，特别是改进燃气涡轮的热暴露部件的耐热性以达到更高处理温度。另一方面是为降低燃气涡轮中的声音脉动建立基础，优选地在发生最大振幅的热气通路内的位置。然而，由于上述位置不能预先准确定位的事实，这方面很难实现，使得在燃气涡轮的生产过程中不能提供合适的干预。因此，为了上述目的而采取的方法应当在已经存在的燃气涡轮上也是适用的。
该目的通过技术方案1中给出的装置实现。通过在子技术方案中以及特别是参考优选实施例在以下描述中所公开的特征，可以有利地修改本发明装置。用于提高燃气涡轮的工作性能的另一本发明方法在技术方案10中公开，其中使用了根据技术方案1的本发明装置。
本发明的一般思路保留制造燃气涡轮的普遍概念，其在该燃气涡轮投入工作前包括了用于冷却和阻尼目的的所有部件。更确切地，本发明跟从一般概念，其允许功能插入元件的可靠和模块化制造以及它们结合到燃气涡轮布置的预装配热气部件的结构。功能插入元件至少具有提高的耐热功能，优选地与冷却功能相结合。在更先进的方式中，多功能插入元件可与后面将更详细描述的阻尼功能相结合。
本发明的功能插入元件可以在与用于燃气涡轮的热气通路部件的制造相独立的过程中制造，并且用于将功能插入元件与燃气涡轮的热气通路部件相结合的结合概念允许安全工作、将来再调整以及甚至已经现有的燃气涡轮的改型，特别是在顺序工作的燃气涡轮布置的第二阶段中工作的喷燃器。
本发明涉及用于闭合燃气涡轮的热气通路部件的壁内的开口的功能插入元件，该功能插入元件包括带有开口有边表面的板状主体，其提供至少一个突出超过所述表面的至少一个第二区域的第一区域，第二区域以边框状围绕至少一个第一区域。至少一个第一区域由在形状和尺寸上对应于所述开口的周向边缘包围，使得当至少一个第二区域在背离热气通路的后侧处直接或间接地接触热气通路部件的壁时，周向边缘和开口轮廓至少在沿着周向边缘的一些区域中限定间隙。为了改进耐热性的目的，板状主体提供至少第一功能层系统，其提供优选地由热障涂层(TBC)制成的至少一个耐热材料层，该热障涂层限定表面的第一区域。
为了冷却目的，板状主体还提供至少第二功能层系统，其在背离第一区域的一侧直接或间接平坦地接触所述第一层系统并且包括用于冷却第一层系统的装置。
在优选实施例中提供耐热和冷却功能的本发明插入元件可插入到热气部件的壁的开口中，该开口是位于热气通路部件暴露于过量热的位置处的机加工孔。在热气通路部件的壁中制造的开口的形状和尺寸取决于局部条件，例如部件本身的几何形状和尺寸以及在燃气涡轮的工作过程中部件上的机械和热负荷。
为了有效冷却，插入元件的第二层系统包括由耐热材料制成的至少一个层，其提供至少一个冷却通道作为用于冷却第一层系统的装置。冷却通道可在至少一个层内被钻出，但是也被认为是在该至少一个层内的一个侧面开口槽口。为了气密地闭合槽口，该至少一个层在背离第二区域的一侧直接或间接地结合第一层系统。
在另一实施例中，第二层系统可包括由耐热材料制成的至少两个层，每个层提供至少一个通孔，其布置成使得该至少两个通孔流体连接，使得诸如空气的冷却介质流动通过每层的连接孔。
在本发明插入元件的又一优选实施例中，插入元件的耐热和冷却功能与用于脉动的消声的机构相结合，脉动在燃气涡轮的热气通路内发生。为此，插入元件提供了第三层系统，其在背离第一层系统的一侧直接或间接平坦地连接到所述第二层系统，并且包括具有通向热气通路的至少一个声音进入的用于消声的装置。在一个实施例中，用于消声的装置是由第三层系统内的至少一个腔限定的亥姆霍兹阻尼器，第三层系统具有通过至少一个中空通道到热气通路的直接进入，中空通道在表面的第一区域处具有通道开口且并入腔中。第三层系统可仅包括由耐热材料制成的一个单独层，其包括如前所述的至少一个腔，但是也可提供通过钎焊堆叠在一起的夹层状的多于一个层，以包封具有通向热气通路的直接进入的一个或多个声音敏感的腔或室以用于消声目的。
本发明插入元件的板状主体通过如前所述钎焊若干层系统而预装配成一个功能部件，每个层系统均由高温超合金材料制成。插入元件可具有任何几何形状，并且它可被定制以适于热气通路部件的特点位置和要求。每个层或层系统的耐热材料不必由与热气通路部件的主要结构相同的材料制成。还可以在若干层系统或层中使用不同的耐热材料。耐热材料的选择取决于可焊接性、与导热性相关的更佳材料性能、机械强度等。
基本上，插入元件可与例如提供由金属泡沫或陶瓷插入物制成的层的另外功能层系统相结合。
本发明插入元件的主要思路之一涉及元件的设计，使得插入元件可从热气通路部件的外侧插入，这意指从更冷的高压力侧进入热气通路部件的机加工孔口中。至此，通过使插入元件的包括至少第一和第二区域的表面面向开口，插入元件相对于热气通路部件的壁中的机加工开口在部件的外侧居中。该至少一个第一区域插入开口中，而插入元件的表面的至少一个第二区域与直接围绕开口的热气通路部件的外侧壁的区域直接或间接接触。压力梯度和插入元件的设计帮助将插入元件保持在期望位置，而高能焊缝将插入元件稳固并密封在热气通路部件的第二区域和壁的区域中。
插入元件基本上使得对现有燃气涡轮布置改型成为可能，该现有燃气涡轮布置呈现出过热和热声脉动的区域。在第一步骤中，为了提高这种燃气涡轮的工作性能，可在高热和／或高机械应力的位置处提供开口到所述热气通路部件的壁中。在优选方式中，可通过切割或钻孔来制造开口。随后，插入元件如前所述从所述热气通路部件的外侧插入到热气通路部件的壁内的开口中。最后，通过焊接或钎焊将插入元件固定并密封到热气通路部件的所述壁上。
附图说明
随后将基于示例性实施例结合附图来更详细地解释本发明。在附图中：
图1a至图1d表示用于插入热气通路部件壁的开口中的插入元件的透视图以及示意性纵剖视图；
图2a、b表示穿过燃烧室前面板的示意性纵剖视图，该前面板带有位于前面板开口中的被焊接插入元件；
图3表示穿过插入元件的示意性纵剖视图，该插入元件焊接在热气通路部件的壁上以闭合开口并提供冷却和阻尼功能。
标号列表
1：插入元件
2：开口
3：热气通路部件
4：第一区域
5：第二区域
6：周向边缘
7：间隙
8：前面板
9：热气通路
10：第一层系统
11：第二层系统
12：冷却通道
13：结合涂层
14：第三层系统
15：冷却通道
16：气室
17：腔、亥姆霍兹共振器
18：通道
19：冷却通道
20：冷却通道。
具体实施方式
图1表示热气通路部件3的壁的一部分的透视图，在热气通路部件3中例如通过钻孔而提供开口2，导致带有圆形开口轮廓的开口。假设图中热气通路部件3的可见表面面向完全由热气通路部件3围绕的热气通路9。
另外，插入元件1设置成具有在图1a中可见的表面S，其提供由周向边缘6包围的第一区域4、以及第二区域5。第一区域4相对于第二区域5升高距离d1，该距离d1优选地对应于热气通路部件3的开口2的深度d2，该深度d2为部件3至少在开口2的区域中的壁厚。
插入元件1的表面S的第二区域5以套圈状或边框状围绕第一区域，且适合于在图1a的透视图中不可见的部件3的外表面。
为了闭合热气通路部件3的开口2，插入元件1相对于开口2从部件3的外侧居中，使得第一区域4可移动进入开口2直到第一区域4与部件3的壁的内表面齐平，如在图1b中所示。在此情形下，插入元件1的第二区域5接触部件3的外表面。周向边缘6与开口2的内壁一起限定间隙7，如可由图1b得知的。间隙7的宽度尺寸可根据要求改变且其范围可从零到数毫米或厘米。
为了固定和密封目的，插入元件1在第二区域5的区域W中被焊接到热气通路部件3的壁的外表面。
图1c表示插入元件1的示意性纵剖视图，该插入元件1提供了具有表面S的板状体，表面S提供了第一和第二区域(4、5)。插入元件1的板状体提供了第一功能层系统10，其在图1c的情况中为耐热材料层，优选地为限定第一区域4的热障涂层(TBC)。TBC-层直接结合到另一耐热层I。因此，图1c中所示的插入元件1仅提供耐热功能。
图1d所示的实施例除耐热性能外还具有冷却功能。如在图1c所示实施例的情况下，TBC-层限定了第一功能层系统10。第二层系统11在背离第一区域4的后侧由耐热和抗氧化结合涂层13结合到第一层系统10。第二层系统10提供至少一个冷却通道12，冷却介质通过该冷却通道12，优选地冷却空气被供给至非常接近第一层系统11以用于冷却目的。为了在第二层系统11的后侧闭合开放的冷却通道12，在后侧上平坦地涂覆最后的耐热和抗氧化结合涂层13。
基本上，热气通路部件3壁内的开口2的数量、形状和尺寸可根据部件3的功能需要变化。在新设计的热气通路部件中，开口2可已经包含在铸模中，然而，为了现有燃气涡轮的改型目的，可以通过公知的技术在期望位置加工出开口，例如CNC铣削、激光或者水射流梭织和／或EBM。
插入元件1的设计必须适应热气通路部件3内的开口2的形状和尺寸，以确保插入元件1可以自锁定在开口2内。而且，插入元件1应当包括足够光滑的半径以避免任何开槽效应。为了最佳结合质量，可使用3D扫描方法以确保插入元件1在预加工开口中的最佳装配。在此情形中，将包括使用3D检查结果的结合表面小自适应加工操作。
图2a所示的实施例表示插入元件1的详细视图，插入元件1具有与热气流部件3的基座材料相同的厚度，从而允许插入元件1插入而与热气通路元件3的前侧和后侧齐平。插入元件3提供TBC层作为第一层系统10，其面向由热气通路部件3围绕的热气通路9。TBC层后为结合到TBC层后侧的第二层系统11，其具有用于冷却TBC层的冷却装置12。第二层系统11也被称为近壁冷却系统，以确保插入元件1被图2a中未示出的供给到插入元件1内的冷却介质有效地冷却。另外，在第二层系统11的后侧，提供充当消声系统的第三层系统14以抑制发生在热气通路9内的声音脉动。插入元件通过焊缝W气密地固定在热气通路元件3处。
图2b表示穿过插入元件1和燃气涡轮燃烧器的前面板结构8的示意性纵剖视图。由于热气通路9的压力p1与气室16区域的大于压力p1的压力p2之间的压力梯度，插入元件1被自锁定就位在前面板结构8壁内的开口2内。与图2a所示的实施例不同，插入元件1提供了未示出的多层结构的更厚板状主体，每层例如通过使用金属泡沫或其它合适材料的层来提供不同的技术功能，例如冷却、消声、耐热或吸收机械振动。
插入元件1从冷却器和高压力侧(p2)插入到前面板结构8的机加工孔口中。
图3表示穿过插入元件1的示意性纵剖视图，该插入元件1提供结合图2a简要描述的冷却和阻尼功能。图3示出在其面向热气通路9的内表面上涂覆有TBC层的热气通路部件3。热气通路部件3提供开口2，插入元件1已插入开口2内。图3仅仅表示插入元件1的一部分的纵剖视图。插入元件1通过焊缝W固定并密封在热气通路部件3的壁上。焊缝W在部件3与插入元件1之间延伸，其另外由穿过热气通路部件3的壁的冷却通道15冷却。
在热气通路部件3的外侧，气室16的气压环境为压力p2，压力p2通常高于热气通路9内的工作压力p1。该压力梯度确保来自气室16的冷却空气入流经过通道14进入热气通路9中。另外，压力梯度确保插入元件1被压靠在热气通路部件3的壁的后侧上，使得插入元件1通过闭合开口2而被自固定在热气通路部件3的外壁上。
另外，插入元件1如前所述提供由TBC材料制成的第一层系统10，该TBC材料提供了与热气通路部件3的内壁齐平的第一区域4。在第一层系统10的后侧，结合涂层13连接第二层系统11，该第二层系统11包括用于冷却直接暴露于热气的第一层系统11的冷却通道12。第三层系统14附连在第二层系统11的后侧。第三层系统14为了阻尼目的提供经由通道18具有至少声音进入的至少一个腔17，通道18在第一层系统11的第一区域4处开口。形成亥姆霍兹共振器的腔17和通道18在形状和尺寸上设计成使得脉动能量的最大值可被亥姆霍兹共振器吸收。为了避免热气到通道18中的任何吸入，腔17与供给通道19相结合，冷却空气通过通道19被供给到腔17中，用于通过通道18而吹出到热气通路9中。
提供另外的冷却通道20以将冷却空气从气室16供给到间隙7中。
如前文所述且从图3所示的实施例可见，插入元件1涂覆有用于热绝缘的热障涂层TBC。取决于焊接要求，插入元件1和热气通路部件3内壁的完整涂覆可以在结合之前或之后进行。当在将插入元件1插入开口2中之后进行涂覆时，为了保持插入元件1与热气通路部件3之间的小间隙7，在涂覆过程中可通过适当的掩模技术来维持间隙7。掩模材料可在涂覆之后通过传统方式的热处理而去除。

Claims (13)

1.一种插入元件(1)，用于闭合燃气涡轮的热气通路部件(3)的壁内的开口(2)，所述插入元件(1)包括：
带有开口有边表面(S)的板状主体，所述表面提供至少一个第一区域(4)，其突出超过所述表面的至少一个第二区域(5)，所述第二区域(5)以边框状围绕所述至少一个第一区域(4)，
所述至少一个第一区域(4)由在形状和尺寸上与所述开口(2)对应的周向边缘(6)包围，使得当所述至少一个第二区域(5)在背离所述热气通路(9)的后侧(8)直接或间接地接触所述热气通路部件(3)的壁时，所述周向边缘(6)和所述开口轮廓至少在一些区域中限定间隙(7)，并且
所述板状主体提供至少第一功能层系统(10)，其提供由耐热材料制成的、限定所述表面(S)的第一区域(4)的至少一个层。
2.根据权利要求1所述的插入元件(1)，其特征在于，所述至少一个耐热材料层由热障涂层(TBC)制成。
3.根据权利要求1或2所述的插入元件(1)，其特征在于，第二层系统(11)在背离所述第一区域(4)的一侧直接或间接平坦地接触所述第一层系统(10)，并且包括用于冷却所述第一层系统(10)的装置(12)。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的插入元件，其特征在于，所述第一层系统(10)由耐热和抗氧化结合涂层(13)固定到所述第二层系统(11)。
5.根据权利要求3或4所述的插入元件，其特征在于，所述第二层系统(11)包括至少一个由耐热材料制成的层，其提供至少一个冷却通道(12)作为用于冷却所述第一层系统(10)的装置。
6.根据权利要求5所述的插入元件，其特征在于，所述第二层系统(11)包括至少两个由耐热材料制成的层，每个层提供至少一个通孔，其布置成使得所述至少两个通孔流体连接。
7.根据权利要求3至6中的一项所述的插入元件，其特征在于，第三层系统(14)在背离所述第一层系统(10)的一侧直接或间接平坦地接触所述第二层系统(11)，并且包括具有至少一个通向所述热气通路(9)的声音进入的用于消声的装置。
8.根据权利要求7所述的插入元件，其特征在于，所述用于消声的装置是由第三层系统(14)内的至少一个腔(17)限定的亥姆霍兹阻尼器，所述第三层系统(14)具有通过至少一个中空通道(18)到所述热气通路(9)的直接进入，所述中空通道(18)在所述表面的第一区域(4)处具有通道开口且并入所述腔(17)中。
9.根据权利要求1至8中的一项所述的插入元件，其特征在于，所述板状主体的至少一个第一区域(4)相对于所述至少一个第二区域(5)形成和布置成使得当所述板状主体的至少一个第一区域(4)闭合所述热气通路部件(3)的开口(2)且所述至少一个第二区域(5)接触所述壁的后侧时，所述至少一个第一区域(4)与所述热气通路部件(3)的壁齐平接触。
10.根据权利要求1至9中的一项所述的插入元件，其特征在于，所述热气通路部件(3)是封闭燃烧器和／或热气通路的壁，所述热气通路邻接所述燃气涡轮的燃烧器。
11.根据权利要求1至10中的一项所述的插入元件，其特征在于，所述开口(2)是机加工孔口，其开口轮廓适合于所述板状主体的表面(S)的至少一个第一区域(4)的周向边缘(6)。
12.一种用于提高燃气涡轮的工作性能的方法，所述燃气涡轮具有环绕燃烧器和／或邻接所述燃烧器的热气通路的至少部分的热气通路部件(3)，所述方法包括：
在高热和／或高机械应力的位置处提供开口(2)到所述热气通路部件(3)的壁中，
从所述热气通路部件(3)的外侧将根据权利要求1至11中的一项所述的插入元件(1)插入到热气通路部件(3)的壁内的所述开口(2)中，以及
通过焊接和／或钎焊将所述插入元件(1)固定和密封到所述壁。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述热气通路部件(3)的生产过程中，通过模制或作为后加工的一部分而在所述热气通路部件(3)的壁上通过切割和／或钻孔过程来提供所述开口(2)。
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