CN105531545B - 燃气轮机燃烧室的楔形陶瓷热屏 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于具有支撑结构(24)的热屏的热屏元件(22)。所述热屏元件(22)包括可以暴露于热气体的热侧(26)，与所述热侧相对的冷侧(28)，和将所述热侧连接到所述冷侧的外周侧(30a，30b)。所述热屏元件(22)可以通过面向所述支撑结构(24)的冷侧(28)被连接到所述热屏的支撑结构(24)，并具有垂直于所述冷侧(28)延伸的高度(34，36)。所述热屏元件(22)使由热气体进入所引起的对燃烧室部件的破坏以特别有效的方式被避免。为此目的，所述热屏元件(22)的高度在升高方向(32)上增加，其中所述热屏元件(22)的升高部分在所述上升方向上延伸基本高达至少一个外周侧(30a，30b)或高达突起(38)，所述突起(38)延伸所述热侧(26)超出所述冷侧(28)的底部区域。

Description

燃气轮机燃烧室的楔形陶瓷热屏

技术领域

本发明涉及一种热屏，具体是用于给燃气轮机的燃烧室加衬。

背景技术

高温气体反应器，诸如在压力下操作的燃气轮机燃烧室的壁，必须通过用于其支撑结构的适当屏蔽被保护，以免受热气体攻击。该热屏包括支撑结构和热屏元件，所述热屏元件被平面布置并且附连到支撑结构，其保护支撑结构和燃烧室壁免受热气体影响。陶瓷材料是适用于热屏元件的材料。与金属材料相比，陶瓷材料具有耐高温性、耐腐蚀性和低导热性。然而，配备有热保护层的金属热屏元件同样是已知的。由于特定的材料热膨胀特性，以及通常在运行的情况下(静止时是环境温度，在满负荷下是最高温度)产生的温度差，热屏元件的与温度有关的膨胀必须得到保证，以便防止作为受阻的膨胀的结果产生的热应力，其可能会破坏部件。这可以通过使用多个小的、单独的热屏元件给壁加衬里来实现，将保护壁不受热气体攻击。必须在支撑结构和各个热屏元件之间提供膨胀间隙；出于安全原因，这种间隙必须永远不会被完全闭合，即使在操作过程中。在这种情况下，必须确保热气体不会经由膨胀间隙过度加热支撑壁结构。

由于在燃气轮机燃烧室中已知热屏元件的几何形状，该支撑结构(膨胀间隙)的未覆盖表面和支撑结构的突出边缘不能从燃烧室的热负荷中被最佳地保护。其结果是，在这些点支撑结构经受必须以很大的代价被修复的热过载。让这更困难的是，由于燃烧室部件经受公差，热膨胀所必需的间隙不能被最佳地设定。各部件的粗糙公差区在燃气轮机燃烧室内产生过大的膨胀间隙。这使得热气体有可能渗透到膨胀间隙并损坏金属部件。损坏的部件必须被替换，或者也可以磨出支撑结构的受损区域，并随后对受影响区域进行堆焊和再加工。另外，也可以使用陶瓷保护涂层涂敷热加载区域，或沉积高温合金到经受高热负载的部件上。

发明内容

本发明是基于具体说明热屏元件的目的，具有至少一个这样的热屏元件的热屏，燃烧室，具有至少一个这样的燃烧室的燃气轮机和用于使用热屏给燃烧室加衬里的方法，使用该方法可以特别有效地避免由于热气体进入对燃烧室的部件的损坏。

用于包括支撑结构的热屏的通用热屏元件具有可暴露于热气体的热侧，与热侧相对的冷侧以及外周侧。外周侧将热侧连接到冷侧。热屏元件可以使用面向支撑结构的冷侧附连到热屏的支撑结构，并具有垂直于冷侧的高度。

在序言中提到的那种类型的热屏元件的情况下，该目的按照本发明得以实现，因为在增加高度的方向上热屏元件的高度增加，其中热屏元件的增加高度的区域基本上在增加高度的方向上延伸远至至少一个外周侧或远至将热侧延伸超出冷侧的基部区域的突起。

根据本发明的热屏元件有利地改变在沿着热屏元件的热侧的方向上流动的热气体的流，以反抗热气体进入在增加高度的方向上邻接热屏元件的膨胀间隙。另外，取决于热屏元件的安装位置，热屏元件的增加高度的区域可以从辐射热中屏蔽邻接结构。换句话说，增加高度的区域的高度增加基本上在增加高度的方向上延伸远至至少一个外周侧或远至将热侧延伸超出冷侧的基部部区域的突起。增加高度的区域从而充当扰流板。

热屏元件的高度例如可以只从热屏元件的中部增加。例如，该高度可以连续或不连续增加。高度增加可以例如线性延伸远至外周侧或例如从基本线性高度增加连续过渡到将热侧延伸超出冷侧的基部区域的突起的基本水平轮廓。但是，高度增加也可以在突起的区域内连续，使得高度增加延伸远至外周侧，该外周侧以突起的端面邻接热侧。如果增加高度的方向被垂直于外周面定向，在增加高度方向上的外周侧的高度比在相反方向上的外周侧的高度大。

可以有利地规定，增加高度的区域至少沿着冷侧的整个基部区域延伸。

换言之，整个热屏元件可以基本上呈扰流板的形状。

优选地，在增加高度的区域内，热屏元件的高度在增加高度的方向上可以连续地，特别是线性地增加。

也可以有利地规定，增加高度的方向基本上垂直于热屏元件的外周侧被定向。

此外可以有利地规定，在增加高度的方向朝向其被定向的外周侧上，热屏元件包括基本上沿着外周侧的宽度延伸的突起，其具有为热侧的一部分的上侧和与该上侧相反的下侧。

突起也使得防止热气体渗透进入膨胀间隙或损坏相邻的结构成为可能。燃烧室支撑结构的突出边缘可以借助突起来保护。突起可以是恒定高度的，或作为斜坡的延续，可具有高达外周侧的上侧的增加高度。

热屏元件优选由陶瓷材料制成。

本发明的进一步的目的是详细说明在序言中提到的类型的热屏，通过该热屏能够特别有效地防止由于热气体进入对燃烧室部件造成损坏。

根据本发明，该目的是使用在序言中提到的类型的热屏实现的，因为热屏包括至少一个热屏元件。

可以有利地规定，热屏包括形成的至少一排热屏元件，其中热屏元件的增加高度的相应方向朝着所述排的共同端面被定向。

热屏优选在其边缘区域具有多排热屏元件，其可以具有根据本发明的扰流板形状。

本发明的另一有利实施例可以规定，端面比支撑结构的邻接端面的区域和/或比在其朝向端面定向的一侧上邻接端面的热屏元件更高。

这特别有利地改变了在沿着所述排的热屏元件的方向上流动的热气体的流动特性，使得热气体进入端面的邻接膨胀间隙可以特别有效地被避免。

为了更好地保护邻接结构，可有利地规定，热屏元件的突起伸出超过支撑结构的相应邻接区域和/或超过邻接的热屏元件的区域。优选的是，所述排是热屏的陶瓷的最后排。

该陶瓷的最后排界定通过在被覆盖的表面的一侧上的陶瓷热屏元件所覆盖的表面。邻接最后排的可例如是一排金属热屏元件或热屏的支撑结构的金属部件或燃烧室壁的金属部件。这些区域可以借助最后一排的创造性结构特别有效地被保护以防止热气体进入。

本发明的进一步的目的是详细说明在序言中提到的类型的燃烧室，通过该燃烧室能够特别有效地防止由于热气体进入对燃烧室部件造成的损坏。

为此目的，燃烧室所述的热屏。

有利的是，本发明产生于燃烧室，该燃烧室的燃烧室壁在其上游端包括其中创建有至少一个环形槽的环绕部件，其中向内界定燃烧室头部端的火焰底部被附接在槽内，并且热屏邻接向一侧界定槽的腹板，其具有环绕的最后排，同时留下膨胀间隙。

可以有利地规定，最后排的热屏元件的增加高度的方向朝着腹板被定向，并且朝着腹板被定向的最后排的端面比腹板的邻接区域更高。

在筒仓燃烧室的情况下，腹板也被称为F-环。热屏元件的扰流板形状对热气体再循环区具有积极的影响。这使得热气体更难以渗透进入到最后排和F-环之间的膨胀间隙，并且防止对支撑结构的可能损坏。此外，扰流板的形状可以防止F环受到辐射热。

有利地是，也可以规定，突起伸出越过在火焰底部和最后排之间延伸的腹板的区域。

本发明的进一步的目的是详细说明用于使用热屏给燃烧室加衬里的方法，其中热屏元件被附连成排，同时在热屏的设置在燃烧室的燃烧室壁上的支撑结构上的热屏元件之间留下膨胀间隙。

该方法使得特别有效地避免由于热气体进入对燃烧室部件的损坏成为可能。

为此目的，除了被设置在最后的一排，这些排之间的膨胀间隙与理想膨胀间隙宽度相匹配。于是，用于将被设置在最后的排的保留的空间的剩余宽度被确定；从该宽度，考虑到理想膨胀间隙宽度，将被设置在最后的排的热屏元件的理想宽度被确定。将被设置在最后的排的热屏元件按照热屏元件的理想宽度产生并被布置在该空间内。

不管部件的尺寸的实质公差值，该方法使得将膨胀间隙最小化到理想宽度成为可能。

为了使将被设置在最后的排的热屏元件匹配到理想宽度，例如可以缩短过长的热屏元件到相应的长度。根据本发明的方法使得补偿各个燃烧室部件的长度公差成为可能。因此，在燃烧室中各排之间的所需膨胀间隙可以减小到最小值，使得暴露的支撑结构的尺寸被有效地减小，并因而从热气体被屏蔽。

此外可以有利地规定，为将被设置在最后的排所保留的空间的宽度通过使用测量宽度的热屏元件临时给该空间加衬里来确定，并且邻接临时布置排的至少一个膨胀间隙的宽度在燃烧室操作期间被确定。

对于膨胀间隙的理想宽度，这使得在机器的操作期间为所需要的测量增加减小的值成为可能。

在具有至少一个燃烧室的燃气轮机的情况下，为了特别有效地避免由于热气体进入对部件的损坏，为了最小化膨胀间隙，可以通过所述的方法在支撑结构上设置热屏元件，并且在本发明的特别有利的实施方式中，可以另外或替代地使热屏如上所述被形成，以有效地减少到膨胀间隙内的热气体进入。

附图说明

参考附图，本发明的进一步有利的配置和优点形成本发明的示例性实施例的描述的主题，其中相同的附图标记涉及功能上相同的部件。在附图中：

图1示意性地示出了穿过根据现有技术的燃气轮机的纵剖面，

图2示意性地并以纵剖面示出了根据本发明的第一示例性实施例的热屏元件，

图3示意性地并以纵剖面示出了根据本发明的第二示例性实施例的燃烧室的一部分，以及

图4是在燃烧室头部端的F-环的区域中燃烧室的在图3中所圈的部分的细节图。

具体实施方式

图1示出了根据现有技术的燃气轮机1的示意性剖面图。在内部，燃气轮机1具有转子3，该转子具有被安装为使得其可绕旋转轴线2旋转的轴4，并且该转子也被称为涡轮转子。进气壳体6、压缩机8、具有至少一个燃烧室10的燃烧系统9、涡轮机14和排气壳体15沿转子3彼此跟随。燃烧室10分别包括燃烧器装置11和外壳12，为了保护其免受热气体，该外壳衬有热屏20。燃烧室10可以例如是环形燃烧室或管状燃烧室或筒仓燃烧室。

燃烧系统9与例如环形热气体管道连通。在此，多个串联连接的涡轮级形成涡轮14。每个涡轮级由叶片或轮叶环形成。如在工作介质的流动方向上所看到的，在热管道内，一排导向轮叶17跟随有一排转子叶片18。在这种情况下，导向轮叶17被固定到定子19的内壳，而一排转子叶片18例如通过涡轮盘被装配到转子3。发电机(未示出)例如被联接到转子3。

在燃气轮机操作时，压缩机8通过进气壳体6吸入空气并压缩空气。在压缩机8的涡轮侧端部提供的被压缩空气被传送到燃烧系统9，在那里被压缩空气与燃烧器装置11的区域内的燃料混合。混合物然后在燃烧系统9内在燃烧器装置11的帮助下燃烧，从而形成工作气流。从那里，工作气流沿热气体管道流过导向轮叶17和转子叶片18。工作气流在转子叶片18处膨胀，从而赋予其动量，使得转子叶片18驱动转子3，并且转子驱动联接到它的发电机(未示出)。

图2示意性地并以纵剖面示出了根据本发明的第一示例性实施例的热屏元件22。

热屏元件22可以被附连到支撑结构24，该支撑结构是热屏的一部分，例如借助于保持元件(未示出)，所述保持元件接合在热屏元件22上的相应接合装置(未示出)内。热屏元件22具有可以暴露于热气体的热侧26和与热侧相对的冷侧28。热屏元件22可以利用面向支撑结构24的冷侧28被附连到支撑结构24。热屏元件22还包括四个外周侧，其中两个相对的外周侧30a，30b在该视图中被示出。

外周侧将冷侧连接到热侧。根据本发明，热屏元件22具有扰流板形状。在示出的示例性实施例中，除了使热侧延伸超出冷侧28的基部区域的突起38之外，整个热屏元件被形成为增加高度的区域，使得热屏元件的高度在增加高度的方向32上沿着冷侧28的整个长度增加。热屏元件22因而基本上以扰流板的形状形成。热屏元件的高度34在增加高度的方向32朝向其被定向的至少一个外周侧30b的区域中，比在相反方向上的至少一个外周侧30a的区域内的热屏元件的高度36更大。

增加高度的方向32被定向为垂直于外周侧30b。增加高度的区域从而在增加高度的方向上延伸远至突起38，增加高度的区域由外周侧30a在相反方向上界定。

增加高度的方向32朝向其被定向的外周侧30b包括延伸超出外周侧30b的宽度的突起38。突起38具有上侧40，其是热侧的一部分，和与上侧相反的下侧42。热屏元件22优选由陶瓷材料制成。热屏元件的高度沿着热屏元件的整个宽度(在这种情况下宽度垂直于该图的平面延伸)在基本上沿着冷侧的整个长度的增加高度的方向32上连续并且线性增加，其中，在到突起的上侧的过渡中，高度增加连续过渡到突起的上侧的水平轮廓中。

图3以高度简化示意的方式，以纵剖面示出了本发明的燃烧室46的一部分。燃烧室46包括燃烧室壁48，该燃烧室壁界定流经燃烧室的热气体路径50并在其下游端具有燃烧室出口52(未更详细地示出)，该燃烧室出口可以被布置在燃气轮机的涡轮入口。在其上游端，燃烧室包括燃烧室头部端54，其中燃烧室头部端54包括燃烧器装置(未示出)。为了保护其免受热气体，燃烧室46衬有热屏56。热屏56包括支撑结构58和多个热屏元件60、73，多个热屏元件基本上平面地(areally)附连到支撑结构58而留下膨胀间隙61。

燃烧室壁48在其上游端包括环绕部件62，燃烧室的该区域在图4中被放大地示出。如图4所示，两个环形槽64，66在环绕部件62中被创建。火焰(flame)底部68，其向内界定燃烧室头部端54，被固定在槽64内。热屏使用环绕陶瓷最后排71邻接腹板(web)70，所述腹板将槽64界定到一侧，同时留下膨胀间隙61。最后排71的热屏元件根据本发明被形成，其中扰流板形状热屏元件的增加高度方向朝着腹板70被定向，并且朝向腹板70被定向的最后排71的端面74比腹板70的邻接区域更高。

朝向腹板被定向的热屏元件73的外周侧具有突起38，其中突起38突出超过在火焰底部68和最后排71之间延伸的腹板70的区域。

为了提供用于燃烧室壁48的额外热气体保护，热屏56的热屏元件可以通过如上所述的方法被铺设，例如排76可以用作将被设置在最后的排。

Claims (11)

1.一种热屏(20，56)，所述热屏具有支撑结构(24，58)和由陶瓷材料制成的多个热屏元件(22，60，73)，所述热屏元件包括能暴露于热气体的热侧(26)和与所述热侧(26)相对的冷侧(28)以及外周侧(30a，30b)，所述外周侧在每一情况下均将所述热侧(26)连接到所述冷侧(28)，其中所述热屏元件(22，60，73)实质上区域地附连到所述热屏(56)的所述支撑结构(24，58)，同时留下膨胀间隙(61)，其中所述冷侧(28)面向所述支撑结构(24，58)，并且具有垂直于所述冷侧的高度，其中热屏元件(22，73)的至少一排(71)的高度在增加高度的方向(32)上增加，其中所述热屏元件的增加高度的区域在所述增加高度的方向(32)上实质上延伸远至至少一个外周侧(30b)或远至突起(38)，所述突起使所述热侧(26)延伸超过所述冷侧(28)的基部区域，其中所述热屏元件(22，73)的相应的增加高度的方向(32)朝向所述排(71)的共同端面(74)被定向，其特征在于，所述排(71)是布置在上游的所述热屏(20，56)的最后一排，其中所述增加高度的方向(32)向上游被定向。

2.如权利要求1所述的热屏(20，56)，其特征在于，所述增加高度的区域至少在所述冷侧(28)的整个基部区域上延伸。

3.如权利要求1或2所述的热屏(20，56)，其特征在于，在所述增加高度的区域中，所述热屏元件(22，73)的高度在所述增加高度的方向(32)上连续，特别是线性地增加。

4.如权利要求1或2所述的热屏(20，56)，其特征在于，所述增加高度的方向(32)实质上垂直于外周侧(30b)被定向。

5.如权利要求4所述的热屏(20，56)，其特征在于，具有增加高度的所述热屏元件(22，73)包括，在所述增加高度的方向(32)朝向其被定向的外周侧(30b)上的突起(38)，所述突起实质上沿着所述外周侧(30b)的宽度延伸，所述突起(38)具有为所述热侧(26)的部分的上侧(40)和与所述上侧相对的下侧(42)。

6.如权利要求1、2或5所述的热屏(20，56)，其特征在于，热屏元件(22，73)的端面(74)比所述支撑结构(24，58)的邻接所述端面(74)的区域更高。

7.如权利要求6所述的热屏(20，56)，其特征在于，所述热屏元件的所述突起(38)突出超过所述支撑结构的相应邻接区域。

8.一种用于燃气轮机的燃烧室(10)，具有燃烧室壁(48)，所述燃烧室壁界定流经所述燃烧室(10)的热气体路径(50)，并且具有在其下游端的燃烧室出口(52)，所述燃烧室出口能被布置在所述燃气轮机的轮机入口处，并且具有在其上游端的燃烧室头部端(54)，其中所述燃烧室头部端包括燃烧器装置(11)，其特征在于，所述燃烧室(10)包括如权利要求1至7中的一项所述的热屏(20，58)。

9.如权利要求8所述的燃烧室(10)，其特征在于，所述燃烧室壁(48)包括在其上游端的环绕部件(62)，在所述环绕部件中创建有至少一个环形槽(64，66)，其中向内界定所述燃烧室头部端(54)的火焰底部(68)被附连在所述槽(64，66)内，并且所述热屏(20，56)借助环绕最后排(71)邻近腹板(70)，同时留下膨胀间隙(61)，所述腹板将所述槽(64)界定到一侧，其中所述最后排(71)的所述热屏元件(22，73)的相应的增加高度的方向(32)朝向所述腹板(70)被定向，并且朝向所述腹板(70)被定向的所述最后排(71)的端面(74)高于所述腹板(70)的邻接区域。

10.如权利要求9所述的燃烧室(10)，其特征在于，所述最后排(71)的所述热屏元件(22，73)如权利要求5所述被形成，其中所述突起(38)突出越过所述腹板(70)的在所述火焰底部(68)和所述最后排(71)之间延伸的区域。

11.一种用于利用热屏(20，56)给燃烧室(46)加衬里的方法，其中热屏元件(22，60)附连成排，同时在所述热屏(56)的在布置于所述燃烧室(46)的燃烧室壁(48)上的支撑结构(58)上的所述热屏元件(22，60)之间留下膨胀间隙(61)，

(a)其中，除了将被最后布置的排以外，这些排之间的所述膨胀间隙与理想的膨胀间隙宽度相匹配，

(b)并且为将被最后布置的排所留的空间的剩余宽度被确定，

(c)考虑到所述理想的膨胀间隙宽度，从该宽度，将被最后布置的排的热屏元件(60)的理想宽度被确定，

(d)并且将被最后布置的排的热屏元件(60)根据所述热屏元件(60)的理想宽度产生并且被布置在所述空间中，

其特征在于，为将被最后布置的排所留的空间的宽度通过利用测量宽度的热屏元件(60)临时给所述空间加衬里来确定，并且邻接临时布置排的至少一个膨胀间隙(61)的宽度在所述燃烧室(46)的操作期间被确定。