CN105298562B - 用于燃气涡轮的排气衬套和具有这种排气衬套的燃气涡轮 - Google Patents

用于燃气涡轮的排气衬套和具有这种排气衬套的燃气涡轮 Download PDF

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Abstract

一种用于燃气涡轮的排气衬套(18)包括环形内壳(21)和环形外壳(19)，环形内壳(21)和环形外壳(19)围绕所述燃气涡轮的机器轴线同心地布置，以在它们之间限定环形排气通道，其中，所述内壳(21)和/或所述外壳(19)由多个衬套节段(22，23；26，27；28)组成，多个衬套节段附连到支承结构上。为了补偿热膨胀和抵抗动态负载，在一些固定点(29a‑c；30a‑c)处将所述衬套节段(22，23；26，27；28)固定到所述支承结构上，这些固定点分布在所述衬套节段(22，23；26，27；28)的区域上面，使得所述衬套节段(22，23；26，27；28)在整个发动机热循环中夹持到所述支承结构上，而不妨碍热膨胀。

Description

用于燃气涡轮的排气衬套和具有这种排气衬套的燃气涡轮
技术领域
本发明涉及燃气涡轮技术。本发明涉及用于燃气涡轮的排气衬套。
本发明进一步涉及具有这种排气衬套的燃气涡轮。
背景技术
文献EP 2 565 400 A2公开了一种用于燃气涡轮的气体导管，气体导管由同心内部壳体和外部壳体形成，外部壳体以一距离同心地包围内部壳体，而且排气通过外部壳体从燃气涡轮排到外部。内部壳体和外部壳体借助于多个径向支承支柱互连。支承支柱、外部壳体和内部壳体在各种情况下都配备有耐热衬垫，以免受热排气的影响。外部壳体和内部壳体的支承支柱的衬垫实现了易于接近性，而且大大降低了热应力，在各种情况下，衬垫分成多个单独的节段，节段紧固在支承结构上，使得单独的节段单独地热膨胀是可行的。
但是，为了固定节段，使用载梁。这些载梁和特定的“星形”内部/外部凸缘在稳态中暴露于高温和应力，并且因此无法满足支承结构的低循环疲劳(LCF)和蠕变的一些标准。
此外，连接螺栓暴露于主要气体流。螺栓和被连接部件的高温以及在瞬态和稳态中的温度梯度可导致螺栓材料蠕变，并且从而导致螺栓失去预拉力。
发明内容
本发明的目标是提供一种新型排气衬套设计，其避免了已知设计的缺点，而且补偿热膨胀和抵抗动态负载。
本发明的另一个目标是提供具有这种排气衬套的燃气涡轮。
这些和其它目标由根据本发明的排气衬套和燃气涡轮实现。
根据本发明的用于燃气涡轮的排气衬套包括环形内壳和环形外壳，内壳和外壳围绕所述燃气涡轮的机器轴线同心地布置，以在它们之间限定环形排气通道，其中，所述内壳和/或所述外壳由多个衬套节段组成，该多个衬套节段附连到支承结构上。
排气衬套的特征在于，所述衬套节段在一些固定点处固定到所述支承结构上，这些固定点分布在所述衬套节段的区域上面，使得所述衬套节段在整个发动机热循环中夹持到所述支承结构上，而不妨碍热膨胀。
根据有创造性的排气衬套的实施例，所有衬套节段包括中心固定点，其中，所述衬套节段固定在所述支承结构上，使得防止所述衬套节段沿轴向、径向和切向方向移动。
特别地，所述衬套节段在所述中心固定点处借助于固定螺栓固定，固定螺栓通过所述衬套节段的后侧处的保持器旋到固定销中，固定销固定在所述支承结构上。
更特别地，所述固定销借助于固定管固定在所述支承结构上，固定管在一端处固定在所述支承结构上，并且在另一端处接收所述固定销。
根据本发明的另一个实施例，所有衬套节段包括位于所述节段的轴向中心线上的沿轴向导引的固定点，其中，所述衬套节段固定在所述支承结构上，使得防止所述衬套节段沿切向方向移动。
特别地，所述衬套节段在所述沿轴向导引的固定点处借助于轴向导引销固定，轴向导引销固定到所述衬套节段的后侧处的保持器上，并且以滑动方式接合固定销，固定销固定在所述支承结构上。
更特别地，所述固定销借助于固定管固定在所述支承结构上，固定管在一端处固定在所述支承结构上，并且在另一端处接收所述固定销。
根据本发明的另一个实施例，所述排气衬套可在分隔线处分成两个部分，并且除了贴靠所述分隔线的所述内壳的那些分离线节段之外，所有所述衬套节段包括位于所述节段的四个边缘处的四个侧部固定点，其中，所述衬套节段固定在所述支承结构上，使得防止所述衬套节段沿径向方向移动，但允许有由轴向和切向分量构成的热膨胀。
特别地，所述衬套节段在所述侧部固定点处借助于固定螺栓固定，固定螺栓通过所述衬套节段的后侧处的保持器旋到固定销中，固定销固定在所述支承结构上，其中，所述保持器包括具有对于位置而言特定的定向和长度的伸长孔。
更特别地，所述固定销借助于固定管固定在所述支承结构上，固定管在一端处固定在所述支承结构上，并且在另一端处接收所述固定销。
根据本发明的另一个实施例，所述内壳和外壳借助于多个径向支柱连接，而且所述支柱中的各个包括径向肋，径向肋由具有前缘和后缘的前部支柱节段和后部支柱节段覆盖，前部支柱节段和后部支柱节段各自在沿着所述前缘和后缘分布的多个固定点处固定在所述径向肋上。
特别地，所述前部支柱节段和后部支柱节段中的各个具有三个固定点，该三个固定点包括中间固定点、毂侧固定点和末梢侧固定点。
更特别地，在前部支柱节段的中间固定点处，使用固定螺栓来沿径向、轴向和切向方向固定所述前部支柱节段，同时在毂侧固定点和末梢侧固定点处，允许有沿径向方向的热膨胀。
更特别地，在后部支柱节段的中间固定点处，使用轴向导引销来固定所述后部支柱节段，从而仅允许有沿轴向方向的热膨胀，同时在毂侧固定点和末梢侧固定点处，允许有沿径向和轴向方向的热膨胀。
根据本发明的燃气涡轮包括压缩机、至少一个燃烧器和一个涡轮和排气衬套，热排气通过排气衬套离开所述燃气涡轮。
燃气涡轮的特征在于，排气衬套是根据本发明的排气衬套。
附图说明
现在借助于不同的实施例和参照附图来更仔细地阐明本发明。
图1显示可使用本发明的排气衬套的GT24/26类型的燃气涡轮的部分截面；
图2在透视图中显示根据本发明的实施例的排气衬套的各种衬套节段(以及它们的固定点)；
图3显示根据图2的排气衬套的内部衬套节段的(在此示例中，六个)固定点；
图4显示根据图2的排气衬套的外部衬套节段的(在此示例中，六个)固定点；
图5和6显示图3的内部节段衬套的中心固定器件的构造，中心固定器件沿径向、轴向和切向(或周向)方向固定节段；
图7显示图3的内部节段衬套的位于四个边缘的固定器件的构造，该固定器件沿径向方向固定节段，但允许有沿联合的轴向和切向方向的热膨胀；
图8和9显示图3的内部节段衬套的沿轴向导引的固定器件的构造，沿轴向导引的固定器件沿切向(或周向)方向固定节段，但允许有沿径向和轴向方向的热膨胀；
图10显示用来支承根据图2的排气衬套的衬套节段的支承结构的上半部；
图11显示根据图2的排气衬套的支柱，以及其前部和后部衬套节段和它们的(在此情况下是，三个)固定点；
图12显示图11的后部衬套节段的中心固定器件的构造，中心固定器件沿周向方向固定节段，但允许有沿径向和轴向方向的热膨胀；
图13显示图11的前部衬套节段的中心固定器件的构造，中心固定器件沿周向、径向和轴向方向固定节段；以及
图14显示图11的前部衬套节段的毂和末梢固定器件的构造，毂和末梢固定器件沿周向和轴向方向固定节段，但允许有沿径向方向的热膨胀。
部件列表
10燃气涡轮(例如GT26)
11转子
12壳体
13压缩机
14、16燃烧器
15高压(HP)涡轮
17低压(LP)涡轮
18排气衬套
19外壳
20支柱
21内壳
22、23衬套节段(外壳)或外部衬套节段
24、25支柱节段
26、27衬套节段(内壳)或内部衬套节段
28分离线节段
29a-c固定点(连接部)(外部衬套节段)
30a-c固定点(连接部)(内部衬套节段)
31支承结构
32a-c开口
33a-c保持器
34a-c支承板
35a、35b固定螺栓
35c轴向导引销
36a-c固定销
37a-c固定管
38支承结构半部
39肋(支柱)
40-42固定点(前缘LE)
43-45固定点(后缘TE)
46固定销
47连接板
48固定螺栓
49固定销
50连接板
51固定螺栓
52固定销
53垫圈
54、54'伸长孔
A机器轴线。
具体实施方式
图1显示可使用本发明的排气衬套的GT24/26类型的燃气涡轮的部分截面。图1的燃气涡轮10是再热型，包括顺序燃烧。燃气涡轮10具有转子11，转子11被壳体12包围，并且围绕机器轴线A旋转。压缩机13压缩空气，压缩空气在第一燃烧器14中用来燃烧燃料，以便产生热气体。来自第一燃烧器14的仍然含氧的热气体驱动高压(HP)涡轮15，然后用来在第二燃烧器16中燃烧燃料。然后第二燃烧器16的经再热的热气体驱动低压(LP)涡轮17，并且最终通过排气衬套18离开燃气涡轮10。
排气衬套18包括(图2)呈围绕机器轴线A的同心构造的内壳21和外壳19，内壳21和外壳19通过多个径向支柱20连接，并且均等地分布在周边上面。
本发明现在涉及将各种气体衬套环带节段(图2中的22、23和26、27和28)和使流变直的支柱(图2中的24、25)附连到壳体及其支承结构上的原理(参见图10)。各种节段的固定器件的设计应补偿热膨胀，而且能够抵抗动态负载。
大体上，内壳19和外壳21的各种节段和支柱20通过受控制的冷螺栓预拉力来固定到支承结构上。根据本发明，在整个发动机热循环中夹持部件，但仍然允许部件经受不受妨碍的热增长。
如图2的实施例中显示的那样，存在十个支柱20。一个支柱定位在6点钟位置上。各个支柱20具有左侧外部衬套节段22和右侧外部衬套节段23、左侧内部衬套节段26和右侧内部衬套节段27，以及前部支柱节段24和后部支柱节段25。
各个衬套节段(内部和外部)与支承结构总共有六个固定点/连接部29a-c和30a-c(参见图3和4)，除了内壳21上的分离线节段28，分离线节段28相当狭小，而且没有供整套固定装置使用的空间，而是改为使用三个固定点。
衬套节段23、27和它们的六个固定点/连接部29a-c和30a-c利用以下节段固定原理和热膨胀能力来连接到支承结构(图10中的31)上：
1.中心固定部(固定点)29b或30b(参见图5和6)防止沿所有三个方向(x：轴向、R：径向且Φ：切向；参见图5和6中相应的符号)有移动。
2.侧部固定部29a、30a(参见图3、4和7)防止沿径向方向有移动，但允许节段23、27有由轴向和切向分量(x和Φ；图7(c))构成的热膨胀。由于单个节段上的温差(随着时间的推移，轴向平均值与切向平均值)不那么大，所以认为沿两个方向的热移动是同时进行的，而且线性地依赖于平均节段温度。节段保持器33a上的伸长孔(图7(c)中的54)实现移动自由，伸长孔具有对于位置而言特定的定向和长度。具有受控制的预拉力的螺栓连接件(固定螺栓35a)确保在整个热循环期间在节段和固定件之间有接触，从而产生对抗热增长/扩张的摩擦力。
3.轴向导引键(图3、8和9中的30c)防止沿切向方向(Φ)有移动。需要具有位于节段的中心线上的轴向导引销35c的导引件使节段在热循环期间保持处于对称位置，这对于在循环期间控制节段间间隙大小的差异是重要的。
在中心固定点29b、30b(1)处，在开口32b下方不远处将保持器33b焊接在节段27的后侧上(图5、6)。支承板34b加强保持器33b的基部。固定螺栓35b通过保持器33b和支承板34b中的膛孔旋到固定销36b中。固定销36b由固定管37b接收，并且焊接到固定管37b上，固定管37b固定在支承结构31上。可通过使固定销36b在焊接之前相对于固定管37b滑动，来调节固定销36b高度。图6显示沿着图5中的线A1-A1的截面。
在侧部固定点29a、30a(2)处，在开口32a的下方不远处将保持器33a焊接在节段27的后侧上(图7)。支承板34a加强保持器33a的基部。固定螺栓35a通过保持器33a和支承板34a中的伸长孔54膛孔旋到固定销36a中。固定销36a由固定管37a接收，并且焊接到固定管37a上，固定管37a固定在支承结构31上。可通过使固定销36a在焊接之前相对于固定管37a滑动，来调节固定销36a的高度。图7(b)和图7(c)显示沿着图7(a)中的线A2-A2和A3-A3的截面。
在轴向导引固定点29c、30c(3)处，在开口32c的下方不远处将保持器33c焊接在节段27的后侧上(图8和9)。支承板34c加强保持器33c的基部。轴向导引销35c以滑动方式接合固定销36c。固定销36c由固定管37c接收，并且焊接到固定管37c上，固定管37c固定在支承结构31上。可通过使固定销36c在焊接之前相对于固定管37c滑动，来调节固定销36c的高度。图9显示沿着图8中的线A4-A4的截面。
支柱20由前部(前缘LE)支柱节段24和后部(后缘TE)支柱节段25覆盖，前部支柱节段24和后部支柱节段25最终(在组装到支承结构中之后)在支柱的中间被焊接。节段24和25各自具有三个固定点40-42和43-45(图11)。支柱盖固定点全部都位于一个平面上。
关于热膨胀的固定原理如下：
1.将固定点置于气体通道中间的LE侧(支柱节段24)上，使支柱盖沿径向方向朝毂和末梢均等地膨胀。将固定螺栓51(图13)置于支柱20中间(固定点41)的LE(节段24)上，以防止有轴向、径向和切向移动(x、R和Φ)。图13(b)是沿着图13(a)中的线A5-A5的截面。固定螺栓51通过支柱节段24的连接板50中的膛孔旋到固定销52中，固定销52旋到支承结构31或38的肋39中，并且焊接到肋39上。
2. LE毂侧和末梢侧上的固定件(固定点40和42)允许有沿径向方向(R，螺栓预拉力引起摩擦)的热膨胀，但防止沿轴向和切向方向(x和Φ)有移动。图14中显示了该构造。在沿径向定向的节段上的伸长孔54'实现移动自由(图14(a))。固定螺栓48通过支柱节段24的连接板47中的伸长孔54'旋到固定销52中，固定销52旋到支承结构31或38的肋39中，并且焊接到肋39上。在所有情况下，对螺栓使用垫圈53。
3.固定销TE(节段25)中间(固定点44)匹配LE侧(节段24)上的固定点的径向位置，并且仅允许沿轴向方向有热移动。
4. TE(节段25)毂侧和末梢侧(固定点43和45)的固定销(图12中的46)允许沿径向和轴向方向(R和x)有热膨胀。固定销46旋到肋39中，并且焊接到肋39上。固定销46延伸通过支柱节段25的连接板47中的径向伸长孔54'。图12(b)是图12(a)的截面。

Claims (14)

1.一种用于燃气涡轮(10)的排气衬套(18)，其包括环形内壳(21)和环形外壳(19)，所述环形内壳(21)和所述环形外壳(19)围绕所述燃气涡轮(10)的机器轴线(A)同心地布置，以在它们之间限定环形排气通道，其中，所述内壳(21)和/或所述外壳(19)由多个衬套节段(22，23；26，27；28)组成，所述多个衬套节段(22，23；26，27；28)附连到支承结构(31，38)上，其特征在于，所述衬套节段(22，23；26，27；28)在一些固定点(29a-c；30a-c)处固定到所述支承结构(31，38)上，所述一些固定点(29a-c；30a-c)分布在所述衬套节段(22，23；26，27；28)的区域上面，使得所述衬套节段(22，23；26，27；28)在整个发动机热循环上夹持到所述支承结构(31，38)上，而不妨碍热膨胀，其中所述内壳(21)和外壳(19)借助于多个径向支柱(20)连接，并且所述支柱(20)中的各个包括径向肋(39)，所述径向肋(39)由具有前缘和后缘的前部支柱节段和后部支柱节段(24，25)覆盖，所述前部支柱节段和所述后部支柱节段(24，25)各自在沿着所述前缘和所述后缘分布的多个固定点(40-42；43-45)处固定在所述径向肋(39)上。
2.根据权利要求1所述的排气衬套，其特征在于，所有衬套节段(22，23；26，27；28)包括中心固定点(29b，30b)，其中，所述衬套节段(22，23；26，27；28)固定在所述支承结构(31，38)上，使得防止所述衬套节段(22，23；26，27；28)沿轴向、径向和切向方向(x，R，Φ)移动。
3.根据权利要求2所述的排气衬套，其特征在于，所述衬套节段(22，23；26，27；28)在所述中心固定点(29b，30b)处借助于固定螺栓(35b)固定，所述固定螺栓(35b)通过所述衬套节段(22，23；26，27；28)的后侧处的保持器(33b)旋到固定销(36b)中，所述固定销(36b)固定在所述支承结构(31，38)上。
4.根据权利要求3所述的排气衬套，其特征在于，所述固定销(36b)借助于固定管(37b)固定在所述支承结构(31，38)上，所述固定管(37b)在一端处固定在所述支承结构(31，38)上，并且在另一端处接收所述固定销(36b)。
5.根据权利要求2所述的排气衬套，其特征在于，所有衬套节段(22，23；26，27；28)包括位于所述节段的轴向中心线上的沿轴向导引的固定点(29c，30c)，其中，所述衬套节段(22，23；26，27；28)固定在所述支承结构(31，38)上，使得防止所述衬套节段(22，23；26，27；28)沿切向方向(Φ)移动。
6.根据权利要求5所述的排气衬套，其特征在于，所述衬套节段(22，23；26，27；28)在所述沿轴向导引的固定点(29c，30c)处借助于轴向导引销(35c)固定，所述轴向导引销(35c)固定到所述衬套节段(22，23；26，27；28)的后侧处的保持器(33c)上，并且以滑动方式接合固定销(36c)，所述固定销(36c)固定在所述支承结构(31，38)上。
7.根据权利要求6所述的排气衬套，其特征在于，所述固定销(36c)借助于固定管(37c)固定在所述支承结构(31，38)上，所述固定管(37c)在一端处固定在所述支承结构(31，38)上，并且在另一端处接收所述固定销(36c)。
8.根据权利要求2所述的排气衬套，其特征在于，所述排气衬套(18)可在分隔线处分成两个部分，而且除了贴靠所述分隔线的所述内壳(21)的那些分离线节段(28)之外，所有所述衬套节段(22，23；26，27；28)包括位于所述节段的四个边缘处的四个侧部固定点(29a，30a)，其中，所述衬套节段(22，23；26，27；28)固定在所述支承结构(31，38)上，使得防止所述衬套节段(22，23；26，27；28)沿径向方向(R)移动，但允许有由轴向和切向分量构成的热膨胀。
9.根据权利要求8所述的排气衬套，其特征在于，所述衬套节段(22，23；26，27；28)在所述侧部固定点(29a，30a)处借助于固定螺栓(35a)固定，所述固定螺栓(35a)通过所述衬套节段(22，23；26，27；28)的后侧处的保持器(33a)旋到固定销(36a)中，所述固定销(36a)固定在所述支承结构(31，38)上，其中，所述保持器(33a)包括具有对于位置而言特定的定向和长度的伸长孔(54)。
10.根据权利要求9所述的排气衬套，其特征在于，所述固定销(36a)借助于固定管(37a)固定在所述支承结构(31，38)上，所述固定管(37a)在一端处固定在所述支承结构(31，38)上，并且在另一端处接收所述固定销(36a)。
11.根据权利要求1所述的排气衬套，其特征在于，所述前部支柱节段和所述后部支柱节段(24，25)中的各个具有三个固定点(40-42；43-45)，所述三个固定点包括中间固定点(41，44)、毂侧固定点(42，45)和末梢侧固定点(40，43)。
12.根据权利要求11所述的排气衬套，其特征在于，在所述前部支柱节段(24)的中间固定点(41)处，使用固定螺栓(51)来沿径向、轴向和切向方向(x，R，Φ)固定所述前部支柱节段(24)，同时允许在所述毂侧固定点和末梢侧固定点(40，42)处有沿径向方向(R)的热膨胀。
13.根据权利要求11所述的排气衬套，其特征在于，在所述后部支柱节段(25)的中间固定点(44)处，使用固定件来固定所述后部支柱节段(42)，从而仅允许有沿轴向方向(x)的热膨胀，同时允许在所述毂侧固定点和所述末梢侧固定点(43，45)处有沿径向和轴向方向(x，R)的热膨胀。
14.一种燃气涡轮(10)，包括压缩机(13)、至少一个燃烧器(14，16)和一个涡轮(15，17)和排气衬套(18)，热排气通过排气衬套(18)离开所述燃气涡轮(10)，其特征在于，所述排气衬套(18)是根据权利要求1至13中的任一项所述的排气衬套。
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