CN107003000B - 用于燃烧室的隔热罩的隔热元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃烧室(10)的隔热罩(24)的隔热元件(50)，其包括可暴露于热气体的热侧(32)、相反的冷侧(34)、和周边侧(36a，36b)；隔热元件(50)可被紧固到隔热罩(24)的支撑结构(26)。为了优化冷却空气的分布，在隔热元件(50)的冷侧(34)上设置两个桥形肋(54)，并且其被设计成突出到在支撑结构(26)中的紧固槽(44)中。

Description

用于燃烧室的隔热罩的隔热元件

技术领域

本发明涉及一种特别是布置在燃气轮机的燃烧室中的隔热罩，以及一种能够用作隔热罩的组成部分的隔热罩元件，以及一种燃烧室和一种包括该燃烧室的燃气轮机，其中该燃烧室至少在某些区域中覆盖有这种类型的隔热罩。

背景技术

在许多技术应用中，使用必须耐受1000至1600摄氏度的热气体的隔热罩。特别地，诸如在发电电厂和飞机发动机中使用的燃气涡轮机因此在燃烧室内具有大表面，这些大表面要借助于隔热罩而被屏蔽。由于热膨胀并且由于大尺寸，隔热罩必须由多个单独的、通常为陶瓷的隔热瓦片组成，这些隔热瓦片通过保持元件附接到支撑结构，彼此间隔开充分的间隙。该膨胀间隙提供了隔热瓦片，其也可以被称为隔热元件，具有用于热膨胀的充分空间。

根据其功能的需要，隔热元件具有可暴露于热气体的热侧，相反的(但不一定平行于热侧)冷侧，以及将该热侧连接到该冷侧的周边侧，其中隔热元件可以以冷侧面向隔热罩的支撑结构而附接到支撑结构。在本文中，所讨论的隔热元件通常具有平坦的平面形式。

冷侧可以是基本平坦的表面，当隔热元件附接到支撑结构时，该表面抵靠支撑结构。通用隔热罩的支撑结构例如可以径向向内包覆燃烧室的至少某些区域，并且可以被设计为燃烧室壁的组成部分。

隔热罩的支撑结构通常包含平行的附接槽。在本文中，相互邻近的隔热元件通过紧固在附接槽中的附接元件分别附接到支撑结构。

还已知的是，尽可能地防止热气体从燃烧空间进入隔热元件之间的间隙，特别是进入附接元件的区域中。为此，使用分布在附接槽上的冷却空气。

然而，冷却空气并不总是最佳地分布。特别地，具有较大开口横截面的附接槽以及隔热元件之间局部不同的间隙宽度在某些情况下导致：由于过量的冷却空气通过更大的间隙逸出，不能用冷却空气充分地冲洗所有间隙。结果，承受支撑结构或附接装置的过早损坏(其结果是较短的维护间隔)，或者增加冷却空气的量，这减少了(尽管轻微)燃气涡轮机的效率。

发明内容

因此，本发明的目的是进一步优化冷却空气到隔热元件之间的间隙的分布。

该目的通过如权利要求1所述的、根据本发明的隔热元件来实现。此外，权利要求8公开了根据本发明的隔热罩。

有利的实施例构成从属权利要求的主题。

通用隔热元件旨在于通用隔热罩的环境中使用，其中隔热罩具有多个隔热元件。隔热罩用作燃烧室、特别是燃气轮机的燃烧室中的热保护。

除了隔热元件之外，隔热罩包括支撑结构，其中通常具有至少两个平行且相互分离的附接槽。在本文中，附接槽沿纵向方向行进，这通常(但不一定)理解为直线。纵向方向可以同样地在平面中遵循弧形轮廓。也就是说，附接槽或者沿直线延伸，或者沿着具有弧形轮廓的支撑结构的曲率延伸。在本文中，附接槽具有基本上恒定的槽宽度并且有利地具有恒定的横截面，除了例如用于引入附接装置的开口之外。附接槽的构造应考虑预期的附接装置，使得附接装置可插入到附接槽中并保持在附接槽中。附接装置用于将通用隔热罩中的通用隔热元件附接到支撑结构。在本文中，隔热元件可释放地成行地附接到支撑结构，以便基本覆盖整个表面区域，同时在隔热元件之间留下膨胀间隙。

隔热元件具有面向燃烧室内部的热侧以及面向支撑结构的相反冷侧。在本文中，热侧通过周边侧与冷侧周边地连接，存在两个相反的第一周边侧以及与第一周边侧交替的两个相反的第二周边侧。这里，第二周边侧的取向对应于纵向方向。也就是说，这些侧平行于附接槽行进。

根据本发明，并且在引言中所提及类型的隔热元件的背景下，该目的通过在隔热元件的冷侧上布置两个腹板肋来实现。该两个肋彼此间隔开并且沿着冷侧在纵向方向上相互平行地延伸，并且平行于第二周边侧并且与第二周边侧隔开一定距离。因此，横向于纵向方向，至少在两个肋的两侧并且在两个肋之间存在冷侧的区域。以简单且特别有利的方式，肋以直线连接到冷侧。

根据本发明，还需要肋被布置成具有与附接槽相同的间距。在本文中，肋宽度必须至少略小于槽宽度。关于构造肋的间距和肋宽度，除了附接槽的标称间距和槽宽度之外，还有利地需要考虑工作温度，以及支撑结构的和隔热元件的不同热膨胀。

肋的这种创造性的构造使得能够将本发明的隔热元件安装在支撑结构上，其中，当隔热元件布置在支撑结构上时，两个肋突出到布置在支撑结构中的两个相互平行的附接槽中。

因此，隔热元件可以被布置成使得冷侧在支撑结构上，使得肋突出到支撑结构中的两个附接槽中。在本文中，肋填充附接槽中的体积的至少一部分。这减少了隔热元件的冷侧下方的附接槽的围绕突出到附接槽中的肋的自由横截面面积。减小的横截面改善了冷却空气的分布，因此抵消了冷却空气通过隔热元件之间的各个间隙的不均匀分布。这一方面改善了冷却效果，另一方面减少了冷却空气的消耗，否则冷却空气的消耗是必要的以确保即使在通风不良的位置也提供足够的冷却空气。

在本发明的隔热罩中使用单个本发明的隔热元件已经成比例地改善了冷却空气的分布。在这方面，无论隔热罩在多个隔热元件中是否包括一个或多个本发明的隔热元件，其中取决于安装选项有利地使用尽可能多的本发明的隔热元件，这是先验不重要的。

隔热元件可以一件式地或者多于一件地组装，并且可以由不同的材料构成。关于本发明实施例的使用，其中肋在后侧突出到附接槽中，然而特别有利的是，隔热元件由陶瓷材料制成并且与肋一起一体制成。这包括例如具有陶瓷材料的层压结构，这些陶瓷材料具有不同的性质并且彼此牢固地连接或相互过渡。

陶瓷隔热元件可以使用铸模制造，其中将硬化的生胚产物从模具中取出，然后在烧结过程中烧制。因此，为了添加肋，所需要的是适当成形的铸模。否则，生产方法可以匹配当前普通的方法。

此外，可以有利地提出，两个肋相对于隔热元件的中心平面对称地布置。这降低了热气体进入隔热元件周围的间隙中的风险，因为肋的对称布置或隔热元件的相关联的基本对称的构造导致冷却空气的均匀分布，并且避免局部供给不足的间隙区域。

肋的宽度例如可以选择为略微窄于附接槽的宽度。这允许隔热元件的简单安装并且在瓦片保持件之间填充尽可能多的体积。在这方面，如果肋的宽度是附接槽的宽度的至少75％则是有利的。特别有利的是槽宽度的90％的肋宽度。

还有利的是，考虑到附接槽中的位于隔热元件下方的用于冷却空气分配的装置和/或附接装置，在附接槽的底部与冷侧之间、或者在冷侧与附接装置之间的自由空间的75％由肋填充。这里，通过与肋宽度类似，肋的可用安装空间的90％的高度是特别有利的。

肋的横向于纵向方向的实施例是先验不重要的，如果肋在其顶侧上在横向于纵向方向的方向上以直线延伸，则构造是简单的且有利的。

与附接方式无关，在任何情况下有利的是，与在安装有隔热元件的情况下突出到附接槽中的肋部同排，在两个第一相反周边侧中的每一个上存在至少一个凹部。如果存在凹部，则其应当设计成具有至少从一个肋延伸到另一个肋的长度，使得与这些肋同排，可以在每个凹部中布置一个附接装置。然而，特别有利的是，在每侧上与每个肋同排地布置有凹部，在这方面，沿着第一周边侧的凹部的长度仅需要用于固定附接装置所需的长度。

本发明的该实施例涉及隔热元件的正方形基本形状，其中附接装置(优选地四个)与保持部分在相反的对中接合在至少一个凹部中。凹部例如可以是在平行于冷侧行进的周边侧上的槽。

因此，特别有利的是，在两个第一相反的周边侧上相反成对地布置四个凹部，其中在冷侧与凹部之间分别形成有保持杆，附接装置贴靠在该保持杆上，其中两个肋在纵向方向上在两侧上从一个凹部延伸到相反的凹部。

可以有利地提出，在每种情况下，在腹板肋的纵向方向上的每一侧布置有附接装置，该附接装置在相应的附接槽中布置有一个附接部分，并且在隔热元件的外周侧上与保持部分在凹部中接合，其中该肋至少部分地填充在附接槽中的两个附接装置之间的体积。

可以考虑各种附接方法以用于将隔热元件附接到支撑结构。在第一实施例中，可以规定，隔热元件旋拧到支撑结构上。附接装置可以是其头部抵靠放置在凹部中的支架的附接螺栓。为此，有利地在凹部与冷侧之间的第一周边侧中引入切口(例如附接孔或附接槽)，该切口将冷侧连接到凹部。螺栓柱可以在该切口中朝向支撑结构延伸。附接螺栓可以旋拧到布置在支撑结构中的附接装置中，该附接装置包括贝氏(Belleville)垫圈堆叠并且以弹性方式保持螺栓。这种类型的附接特别良好地适用于假体瓦片，其作为行的最后一个必须在垂直于支撑结构的安装运动中附接到支撑结构。

优选地，在第二附接方法中，瓦片保持件用作附接装置以用于附接本发明的隔热元件，其中这些保持件可被推入支撑结构中的附接槽中并以弹性夹紧的方式夹持隔热元件。这些瓦片保持件包括纵向基板，其加宽部分接合在附接槽的槽形加宽部分中。因此，基板不能从附接槽拉出并且可以沿着附接槽推动。在基板上布置有保持部分，该保持部分从附接槽伸出并且接合在隔热元件的周边表面中。瓦片保持件由金属材料制成并且以有弹性的方式将隔热元件保持就位。

附接槽用于通过平行于附接槽行进的安装运动附接隔热元件。这涉及隔热元件附接到瓦片保持件，该瓦片保持件被保持以便能够在附接槽中移动，并且在安装期间被向上推动抵靠行中的相应的最后一个瓦片。在本文中，隔热元件分别由相反成对布置的四个瓦片保持件所保持。为了防止隔热元件沿着槽的不受控制的位移，在隔热元件的端部位置中，两个瓦片保持件分别附加地固定在一侧。由于隔热元件行通常是圆周形的，因此在垂直于支撑结构的安装运动中附接在行中的所谓的假体瓦片在至少一个位置处被插入。例如，通过四个螺栓连接，这四个螺栓连接相反成对地布置并且旋拧到附接槽的底部中。

根据本发明设计的肋同样适合于作为示例提及的两种形式的附接装置——瓦片保持件或附接螺栓。

从冷侧突出的肋的凸起形式使得(如果它们不是半圆柱体的形式)它们具有至少一个顶侧和相应的在纵向方向上行进的相反的纵向面。关于顶侧的形状，在这种情况下特别有利的是，肋的端部被平坦化。因此，可以有利地适应在瓦片保持件的布置之后保持在附接槽中的自由空间。从第一周边侧开始，并且随着瓦片保持件的前进，肋沿对角线进入附接槽，使得在端部平坦化的肋的形状特别有利地填充存在于瓦片保持件之间的槽中的体积。

根据本发明设计的隔热罩的优点类似于关于根据本发明设计的隔热元件阐述的实施例和优点。隔热罩可以主要包括陶瓷隔热元件，并且主要具有(例如除了最后一行金属隔热元件之外)在每个隔热元件行下方平行布置的附接槽。例如，隔热罩的基本上所有的陶瓷隔热元件可以配备有根据本发明设计的肋。

本发明还涉及一种用于燃气轮机的燃烧室，为了防止热气体，该燃烧室至少在某些区域中覆盖有隔热罩，并且涉及具有至少一个这种燃烧室的燃气轮机。为此，根据前述实施例，燃烧室的隔热罩设置有根据本发明的或在这方面有利的至少一个隔热元件。

附图说明

附图通过示例示出了根据本发明的隔热罩或隔热元件的实施例。

图1示意性地示出了燃气涡轮机的纵截面；

图2示意性地示出了根据现有技术的隔热罩的一部分的纵截面；

图3类似于图2地示出了具有根据本发明的隔热元件的根据本发明的隔热罩的示例；

图4以透视图示出了图3的隔热元件。

具体实施方式

图1以示意性简化图示出了燃气涡轮机1的截面图。在其内部，燃气涡轮机1具有带有轴的转子3，该轴被安装成使得其可围绕旋转轴线2旋转并且也被称为涡轮转子。沿着转子3，依次存在进气壳体、压缩机8、具有一个或多个燃烧室10的燃烧系统9、涡轮14和排气壳体，每个燃烧室包括具有燃烧器的燃烧器装置、用于燃烧器的燃料供应系统(未示出)和外壳。燃烧室10例如可以是环形燃烧室。然而，本发明还可以涉及被设计为具有多个环形燃烧室的涡轮机的燃气轮机。本发明还可以涉及具有一个或多个罐型或筒型燃烧室的燃气轮机。罐型燃烧室例如可以以环形方式布置在涡轮机入口处。

当燃气轮机运转时，压缩机8吸入空气并压缩空气。在压缩机8的涡轮机侧端部处提供的压缩机空气L”沿着燃烧器增压室7被引导到燃烧系统9，在该处其在燃烧器装置的区域中被引入到燃烧器中，在该处其在燃烧器的出口区域中与燃料混合和/或富含燃料。混合物或压缩机空气和燃料通过燃烧器引入燃烧室10中，并且燃烧以在燃烧室的燃烧室外壳内的燃烧区域中形成热工作气流。从那里，工作气流沿热气管道流过导向叶片和转子叶片。

图2示出了现有技术中的隔热罩12在纵向截面中的一部分，该纵向截面穿过具有支撑结构26(可释放地附接到支撑结构26)的附接槽44和布置在支撑结构26上的多个隔热元件28，以便覆盖整个表面区域，同时留下膨胀间隙。隔热元件28由陶瓷材料构成。陶瓷隔热元件28各自具有可暴露于热气体的热侧32，相反的冷侧34和将热侧32连接到冷侧34的第一周边侧36a。隔热元件28附接到支撑结构26，使得冷侧34面向支撑结构26。两个袋状凹部38布置在第一相反周边侧36a中，这些凹部38设计成用于分别接合一个附接装置40。或者，凹部38可以被设计为沿着相应的第一周边侧36a平行于热侧32行进的狭槽。

在该示例性实施例中，瓦片保持件40用作弹性金属附接装置40。这些保持件40被布置使得附接部分42在附接槽44中并且与形成为接合装置的凹部38中的保持部分46接合，其中瓦片保持件40将陶瓷隔热元件28拉向支撑结构26并将它们保持在该位置。或者，也可以使用其他附接装置。例如，隔热元件28可以通过附接螺栓而附接到支撑结构。在这种情况下，附接螺栓使得其螺栓头部在凹部38中而抵靠保持杆30上的板，其中保持杆中的切口(未示出)延伸到冷侧，螺栓柱在该切口中从凹部行进到冷侧。附接螺栓例如可以分别被拧入布置在支撑结构中的Belleville垫圈组中，使得该附接方法还将陶瓷隔热元件28以弹性方式附接到支撑结构26。

在隔热罩12的操作期间，热侧32暴露于热气体，其中一些热气体进入周边侧36a之间的膨胀间隙。为了保护附接装置40和支撑结构26免受热气体侵入，冷却空气经由冷却空气管道被引入支撑结构26中并且阻挡膨胀间隙。冷却空气例如可以引入隔热元件28下方，使得冷却空气首先在隔热元件28下方展开并冷却支撑结构和附接装置40，然后经由膨胀间隙逸出。

图3现在示出了根据本发明的隔热罩24的示例性实施例，其具有根据本发明的示例性隔热元件50。选择该表示以匹配图2的表示，隔热罩24的和隔热元件50的基本构造与图2中的通用隔热罩12的和隔热元件28的基本构造匹配。因此，仅将在此讨论与本发明相关的差异。

如可以看到的，隔热元件50伸入附接槽44中。为此，隔热元件50在其冷侧34上在每个附接槽44的区域中具有肋54。该肋54被成形使得其与布置在隔热元件50下方的瓦片保持件40之间的自由空间减小到最小。因此，在对应于图2的一般现有技术中主要存在于冷侧34与瓦片保持件40之间的附接槽44中的自由体积由肋54填充。还可以看出，肋54的顶侧58朝向端部(即朝向第一周向侧36a)被平坦化，并且接近冷侧34。这是由于通常使用的瓦片保持件40的规则行进以及因此可用的安装空间。

图4现在示出了根据本发明的示例性实施例的隔热元件50的冷侧34的透视图。两个腹板肋54布置在冷侧34上。两个腹板肋54彼此间隔开，并且在彼此相反布置的两个周边侧36a的方向上沿着冷侧34彼此平行并且笔直地在纵向方向60上延伸，其中两个肋54以横向于其纵向方向60与另外两个周边侧36b相隔一段距离而沿着冷侧34延伸。

隔热元件50具有四个周边侧，其中两个第一周边侧36a各自具有两个凹部38，用于分别设置两个附接装置，其中两个肋54布置在冷侧34上，其纵向方向60基本上垂直于两个周边侧36a并且与另外两个第二周边侧36b以一段距离间隔开，并且该两个第二周边侧36b都在它们的纵向方向60上朝向两个相反的凹部38延伸。凹部38包括切口52，其从凹部38沿着周边侧36a到冷侧34行进。这些切口52例如允许冷却空气直接引导到接合在凹部38中的附接装置40上。

肋54之间的距离和肋54的宽度62被设计成使得在隔热元件50布置在支撑结构26上(参见图3)的情况下，两个肋54突出到布置在支撑结构26中的两个相互平行的附接槽44(参见图3)中。肋54至少部分地填充附接槽44中的两个附接装置40之间的体积。如果使用图2和图3所示的瓦片保持件40作为附接装置，在附接槽44中的两个附接装置40之间的体积可以最佳地填充有基本上与图4所示形状匹配的肋形状。肋54具有顶侧58和两个纵向面56，肋54朝向端部被平坦化。

陶瓷材料用于隔热元件50，此外，隔热元件50与肋54一体地制成。

为了保护附接槽44免受热气体侵入，这些肋44在隔热元件50下方与第二周边侧36b隔开一段距离。因此，两个肋54相对于隔热元件50的中心平面对称地布置，并且沿着冷侧34在纵向方向60上平行于第二周边侧36b并与第二周边侧36b隔开一段距离地行进。肋54还形成针对热气体经由周边侧36b穿过隔热元件50下方的屏障。

Claims (9)

1.一种燃烧室(10)的隔热罩(24)，所述隔热罩(24)具有支撑结构(26)和多个隔热元件(28，50)，所述支撑结构(26)包括至少两个附接槽(44)，所述至少两个附接槽具有槽宽度、在纵向方向(60)上彼此平行地延伸并且被间隔开，以用于附接所述隔热元件(50)，所述隔热元件(28，50)分别具有能够暴露于热气体的热侧(32)、相反的冷侧(34)、将所述热侧(32)连接到所述冷侧(34)的两个彼此相反的第一周边侧(36a)、以及在所述纵向方向(60)上延伸并将所述热侧(32)连接到所述冷侧(34)的两个彼此相反的第二周边侧(36b)，并且所述隔热元件(28，50)成行地被可分离地附接到所述支撑结构(26)，以便覆盖整个表面区域，同时在所述隔热元件(28，50)之间留下膨胀间隙，

其特征在于，在至少一个隔热元件(50)上，沿所述纵向方向(60)延伸并且彼此间隔开的两个腹板肋(54)被布置在所述冷侧(34)上，其中所述腹板肋(54)突出到所述附接槽(44)中；并且所述隔热元件(50)由陶瓷材料制成并且与所述腹板肋(54)一体地制成。

2.根据权利要求1所述的隔热罩(24)，其特征在于，两个所述腹板肋(54)相对于所述隔热元件(50)的中心平面对称地布置。

3.根据权利要求1或2所述的隔热罩(24)，其特征在于，所述腹板肋的宽度为所述槽宽度的至少75％。

4.根据权利要求3所述的隔热罩(24)，其特征在于，所述腹板肋的宽度为所述槽宽度的至少90％。

5.根据权利要求1或2所述的隔热罩(24)，其特征在于，两个所述第一周边侧(36a)各具有一个连续的或两个分开的凹部(38)，以用于布置两个附接装置(40)，所述附接装置与所述腹板肋(54)同排布置。

6.根据权利要求5所述的隔热罩(24)，其特征在于，分别在所述冷侧(34)与所述凹部(38)之间形成有用于安装所述附接装置(40)的保持杆(30)。

7.根据权利要求1或2所述的隔热罩(24)，其特征在于，所述腹板肋(54)各具有至少一个顶侧(58)和两个纵向面(56)，其中所述腹板肋(54)的端部被平坦化，使得所述顶侧(58)接近所述冷侧(34)。

8.根据权利要求1或2所述的隔热罩(24)，其特征在于，在每种情况下，一个附接装置(40)被布置在两侧上的所述腹板肋(54)的下方并与所述腹板肋同排，所述附接装置(40)在相应的附接槽(44)中布置有一个附接部分(42)并且与凹部(38)中的保持部分(46)接合，其中相应的腹板肋(54)至少部分地填充所述附接槽(44)中的在所述冷侧(34)与所述附接装置(40)之间的安装空间。

9.一种用于燃气轮机(1)的燃烧室(10)，所述燃烧室(10)至少在某些区域中覆盖有如权利要求1至8中任一项所述的隔热罩(24)。