CN109072712A - 用于通过空气射流来冷却涡轮壳体的装置 - Google Patents

用于通过空气射流来冷却涡轮壳体的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于通过空气射流来冷却涡轮壳体的装置(2)，该涡轮壳体优选是涡轮机的低压涡轮壳体，该装置包括加压空气供应箱体(3)和布置在箱体(3)的每一侧上的至少两个弯曲的冷却管(40)，该至少两个弯曲的冷却管围绕壳体的一部分布置并被布置成与壳体的一部分间隔开并且设置有空气喷射孔(41)，箱体具体包括底部(31)和两个纵向侧壁(32，33)，并且该底部穿有空气喷射孔。该装置的特征在于侧壁中的每个向外延伸有至少一个一体式的管状套管，冷却管与该至少一个一体式的管状套管连接，套管的底部与箱体的底部在套管与箱体连接在一起的位置处于同一水平面。

Description

用于通过空气射流来冷却涡轮壳体的装置
技术领域
本发明属于冷却涡轮壳体的领域。
本发明更具体地涉及一种用于通过空气射流来冷却涡轮壳体的装置，该涡轮优选是涡轮机的低压涡轮。
本发明还涉及一种设置有这种装置的涡轮机。
背景技术
如在所附的表示现有技术的图1和图2中可以看到的，涡轮机的低压涡轮由具有大致扩张的、基本上为截头圆锥形状的壳体C保护。该壳体采用冲击冷却技术来进行冷却。
壳体C设置有一个或多个加压空气供应箱体B，每个加压空气供应箱体B被连接到多个冷却管线R。
在这些图中所示的实施例中，壳体C配备有两个箱体B，这两个箱体彼此成大约180°定位(在图2中仅一个可见)。另外，每个箱体B设置有五条管线R，每条管线具有两个管T，每个管延伸过大约90°。
如所附的图4中的箱体B的下侧视图所示，管T和箱体B被穿有一系列小孔O，所述小孔O通向壳体的外表面。因此，流过这些孔O的加压空气提供了壳体C的冲击通风。
而且，如所附的图3和图4所示，每个管T通过圆柱形套接件D连接到箱体B。每个管T钎焊到套接件D中，每个套接件D钎焊到箱体B中。
然而，如图4所示，箱体B在其两端不具有任何孔O，套接件D在其两端也不具有任何孔。因此，在箱体B的每一侧，在箱体B的最后一个孔O和管T的第一个孔O之间具有区域Z1，在该区域中没有孔，因此没有空气射流，因此被相对定位的壳体的表层没有被冷却。
此外，管T在其大部分长度上具有基本上遵循壳体C的曲率的弯曲(拱形)形状。然而，为了确保管T在套接件D中的正确钎焊，管的端部在区域Z2上是直线的(参见图3)。
因此，管线R的管T与壳体C的表层(外表面)之间的空气间隙在壳体的整个圆周上是不恒定的，并且特别是管线远离壳体的表层移动，这对冷却具有负面影响。因此，已经发现的是，当套接件D变得更近时，管和壳体之间的期望的空气间隙E1可以采用越来越高的值E2或甚至E3。举例来说，对于3.5mm的空气间隙E1而言，E2和E3的值可分别达到4.8mm和8.5mm。
空气间隙也在箱体B的更靠近壳体C的表层的底部(空气间隙E4)和管T的处于被钎焊到套接件D的位置处的端部(空气间隙E3)之间发生变化。
然而，为了使通过空气射流的冲击冷却是有效的，该间隙不仅必须是恒定的，而且还必须是由壳体的规格确定的低值(通常约为2mm至3.5mm)。
总之，在每个箱体B的附近、在长度为大约25mm或50mm的两个区域Z1上观察到壳体C因此没有被冷却，并且在长度为大约60mm或120mm的两个区域Z2上的冷却不良。
这些未冷却或仅略微冷却的区域将因为围绕壳体C布置的箱体B的数量而增加，在一些实施例中壳体B的数量可以是四个。
最后，将冷却管线R装配和保持在壳体C上的操作可能会对套接件D和箱体B之间的钎焊或套接件D和管线R之间的钎焊产生很大的压力。因此存在所述管线被过早损坏的风险。
根据文献US 2014/109596，还已知一种用于通过空气射流来冷却涡轮壳体的装置，该装置包括空气供应箱体和至少一个冷却管线，该冷却管线包括布置在箱体的每侧上的两个管。
然而，该箱体的侧壁不通过与所述侧壁成一体的管状套管延伸，并且该管状套管布置成使得管状套管的底部与箱体的底部处于同一水平面。由此可以得出，一方面在壳体的外壁与箱体的底部之间的空气间隙与在壳体的外壁与冷却管之间的空气间隙不相同，而这不能保证最佳的冷却效果。
发明内容
因此，本发明的目的是解决现有技术的上述缺点。
因此，本发明的目的特别是提供一种用于通过空气射流来冷却涡轮壳体的装置，该装置确保壳体的均匀冷却，即，在冷却管线和壳体的外表面之间提供尽可能恒定的空气间隙。
本发明的另一个目的是提供一种装置，该装置能够冷却所述壳体的外表面(表层)的一部分，该被冷却的一部分大于现有技术的装置能够冷却的部分，从而增加了壳体的使用寿命。
最后，本发明的另一个目的是简化制造冷却管线的方法并获得具有更大机械强度的冷却装置。
为此，本发明涉及一种用于通过空气射流来冷却涡轮壳体的装置，该涡轮壳体优选地是涡轮机的低压涡轮壳体，该装置包括加压空气供应箱体和至少一个冷却管线，该至少一个冷却管线包括布置在所述箱体的每一侧上的两个冷却管，所述箱体包括底部、两个纵向侧壁、上游端壁和下游端壁以及上部壁，以及，箱体的所述底部穿有空气喷射孔，该空气喷射孔布置成通向所述壳体，所述冷却装置意在围绕所述壳体布置，每个冷却管是弯曲的，每个冷却管围绕壳体的一部分布置并被布置在距壳体的一定距离处并且设置有通向壳体的空气喷射孔。
根据本发明，所述侧壁中的每个通过与所述侧壁成一体的至少一个管状套管向外延伸，每个套管布置在所述侧壁上，使得套管的底部与箱体的所述底部在套管与箱体相连接的位置处于同一水平面，以及，每个套管被构造成并且尺寸被设计成使得冷却管中的一个可以连接到套管。
由于本发明的这些特征，壳体和箱体底部之间以及壳体和冷却管线的管之间的空气间隙几乎是恒定的，这确保了更好的冷却。此外，箱体与套管成一体的这一事实在结构上加强了组件。
根据本发明的单独或组合使用的其他有利和非限制性的特征：
-套管的底部在其长度的至少一部分上穿有空气喷射孔，该套管的底部上的空气喷射孔布置成通向意在被布置成由所述装置所围绕的壳体；
-在箱体的底部制成的空气喷射孔与在套管中制成的空气喷射孔和在冷却管中制成的空气喷射孔对齐；
-箱体的底部和套管在箱体的中间纵向轴线的每一侧上弯曲，以便遵循意在被布置成由所述冷却装置所围绕的壳体的轮廓的形状，并且如此使得一方面在所述壳体的外表面与箱体的底部之间以及另一方面在所述壳体的外表面与套管的底部之间具有恒定或基本恒定的空气间隙；
-每个套管具有与箱体的侧壁接合的接合区域，并且该接合区域从套管朝向箱体的侧壁扩张，并且在套管的圆周的除了套管的底部之外的部分上扩张；
-箱体的所述上部壁包括盖，所述盖被添加并被附接到所述箱体的侧壁和端壁；
-盖通过焊接或钎焊被附接到所述箱体的侧壁和端壁；
-冷却管线的管被引入到套管的自由端部并且通过钎焊被连接到所述自由端部。
本发明还涉及一种涡轮机，该涡轮机包括由壳体包围的涡轮，该涡轮特别是低压涡轮，该涡轮机包括如前所述的用于通过空气射流来冷却所述壳体的装置。
附图说明
从现将给出的描述并参考附图，本发明的其他特征和优点将显现出来，所述附图通过示例且非限制的方式示出了本发明的可能的实施例。
在这些附图中：
-图1是涡轮机的涡轮壳体的一部分的透视图，该涡轮壳体设置有根据现有技术的冷却管线，
-图2是根据现有技术的空气供应箱体和冷却管线的透视图，
-图3是根据现有技术的冷却管线的一部分和空气供应箱体的正视图，
-图4是根据现有技术的空气供应箱体的下侧和冷却管线的一部分的透视图，
-图5是根据本发明的冷却管线的一部分和空气供应箱体的透视正视图，
-图6是箱体的在图5中被标记为A的内部区域的详细视图，
-图7是与图5类似的视图，但是图7中示出了供应箱体的盖，
-图8是根据本发明的冷却管线的一部分和空气供应箱体的透视下视图，以及
-图9是图8的详细视图。
具体实施方式
如在图5中可以看出，根据本发明的冷却装置2使得能够冷却涡轮的壳体1。该壳体1具有扩张的形状，通常包括多个连续的截头圆锥部分。该壳体具有相对于涡轮中的气体流动方向的上游端部11和下游端部12。壳体的外表面(表层)被标记为13。
冷却装置2包括加压空气供应箱体3和至少一条冷却管线4。
每条管线4包括两个管40。
优选地，冷却装置2包括多条管线4，例如图5、图7和图8中有五条管线，该多条管线围绕壳体1分布在该壳体的上游和下游之间。
如先前对现有技术装置所描述的，壳体1可设置有两个冷却装置2，该两个冷却装置例如具有彼此成约180°定位的两个箱体3，冷却装置的冷却管线的管40在该箱体的每侧延伸过大约90°。壳体1还可以设置有四个冷却箱体3，冷却管线的管40因此延伸过较小的角度区域。
箱体3被连接到图中未示出的加压空气供应源。
如图5所示，该箱体3布置在壳体1的外表面13的外侧并与壳体的外表面隔开一段距离。该箱体3和管线4例如通过使用未在附图中示出的凸缘附接到壳体1。还可以设想其他的附接箱体的方法。
箱体3包括底部31、布置在底部31的每一侧上的两个纵向侧壁32、33，以及上游端壁35和下游端壁34。
所述上游壁35和下游壁34中的每个分别将底部31与两个纵向侧壁32、33的上游端部或下游端部连接。最后，箱体3由在图5中不可见的上部壁36封闭。
在图7所示的示例中，该上部壁36呈附加的盖的形式，该盖优选地通过焊接或钎焊被附接到侧壁32、33并且被附接到上游壁35和下游壁34。
然而，根据未在图中示出的另一个实施例，上部壁36可以与其他壁32、33、34和35形成一体件并因此与其他壁32、33、34和35成一体。在这种情况下，可以有利地通过铸造方法或通过直接制造(例如增材制造)获得箱体3。
底部31被设计成布置在距壳体1一短距离处，该底部具有扩张形状，并且该底部与壳体具有尽可能恒定的空气间隙。因此，底部31从上游向下游倾斜，以遵循壳体1的截头圆锥或基本截头圆锥的形状。
箱体3的底部31具有中间纵向轴线X-X’(仅在图7中示出)。
在附图所示的实施例中，并且如在图5和图7中更好地看到地，上游端壁35和下游端壁34彼此平行或彼此大致平行。由于底部31的倾斜，上游壁35与底部形成锐角，下游壁34与底部形成钝角。
如在图7中可以看出的，盖36包括上部壁361、三角形形状的并设置在上部壁361的每一侧上的两个纵向侧壁362、363，以及分别连接两个壁362、363的上游端壁365、下游端壁364。
侧壁中的一个(例如，壁362)穿有孔366，这使得能够将箱体3连接到加压空气供应源。
然而，可以设想其他形式的盖，而不脱离本发明的范围。与加压空气供应源的连接可以设置在箱体3的除了底部31之外的任何一侧。
根据本发明，箱体3的所述侧壁32、33中的每个通过与所述侧壁形成实体(即整体或一体件)的至少一个管状套管穿过所述侧壁向外延伸。
套管的数量与管线4的数量一样多。
在附图中所示的示例中存在五条管线4，因此在每个侧壁32、33上分别有布置在壁32上的从上游到下游被标记为321、322、323、324和325的五个套管被，以及被布置在壁33上的从上游到下游分别被标记为331、332、333、334和335的五个套管。
因此，套管与箱体3是一体的。这使得能够消除现有技术的冷却装置中的套接件和箱体之间存在的钎焊。因此，本发明的箱体3提供了管线组件的结构加强，因为已经消除了构成弱化点的箱体和套接件之间的钎焊。
设置有套管321至325和331至335的箱体3有利地通过铸造或通过诸如激光熔合的增材制造方法获得，因为这些制造方法非常适合于具有复杂几何形状的部件。
管线40装配在所述套管321至325和331至335中的每个中，并优选地通过钎焊附接到这些套管。所述套管的出口直径被相应地适配。
另外，每个套管布置在侧壁32、33上，使得其圆周的被称为“套管的底部”的部分(换言之，套管的下部，该套管的下部在冷却装置就位时意在面向壳体1的外表面13放置)在套管与箱体连接的位置与箱体的底部31处于同一水平面。
在图8的下侧视图中可以看到套管底部。这些套管底部关于套管321至325分别被标记为3210、3220、3230、3240和3250，以及关于套管331至335分别被标记为3310、3320、3330、3340和3350。
如图9中可见的，每个管40穿有多个空气喷射孔41。
从图8和图9中可以更好地看出，箱体3的底部31被穿有一系列冷却孔37，该一系列冷却孔有利地排成一行并且优选地在箱体底部的整个宽度L上排列。
“整个宽度L”表示从底部31与侧壁32连接的点(或者更确切地说是套管321至325中的一个)到底部31与壁33连接的点(或者更确切地说是套管331至335中的一个)。
管40布置成使得它们的冷却孔41与孔37对齐。
有利地，每个套管321至325和331至335也设置有与箱体的冷却孔37对齐的冷却孔38。这些孔38存在于套管的除了管40被安装和焊钳所处的管口之外的整个长度上。孔38沿着套管的底部3210至3250和3310至3350布置。
在箱体3的底部31上，存在与管线4一样多的冷却孔37的行。
而且，每个管40都是拱形的，即管的形状像圆弧，管的半径略大于壳体的管意在与其相对地定位的部分的半径。还优选地，箱体底部31在中间轴线X-X’的每一侧上弯曲，使得箱体底部的凹面朝向壳体1的表面定向，从而基本上遵循壳体1的形状，该箱体意在与该壳体1相对地定位。
换言之，并且如在图7中所看到的，底部31的位于中间轴线X-X’右侧和左侧的一侧低于沿所述轴线X-X’延伸的底部中心。
类似地，有利地，套管321至325和331至335是弯曲的，使得这些套管的对应于它们各自的底部(底部线)3210至3250和3310至3350的凹入部分朝向壳体的外表面13定向，以便基本上遵循与该套管相对地定位的壳体的形状。
这种结合了使每个套管321至325和331至335的底部与箱体3的底部31处于相同高度的事实的特殊布置使得壳体1能够被均匀冷却，因为底部31的多个空气喷射孔37和套管的喷射孔38位于距壳体1的外表面恒定或几乎恒定的距离(空气间隙E5)处。
还优选地，该空气间隙E5被计算为等于或基本等于管40(或其冷却孔41)与壳体1的外表面13之间存在的空气间隙E6。两个空气间隙之间的差异在于在套管的厚度。
优选地，空气间隙E5和E6介于2mm和4.5mm之间，优选地等于3.5mm。
而且，最后一个冷却孔38和第一个孔41之间的没有冷却孔的区域Z3的长度小于现有技术冷却装置的区域Z1(参见图4和图9)。因此壳体1的更大的部分被冷却。
最后，有利地，并且如在图5和图6中可以更好地看到的，每个套管321至325和331至335具有与箱体3的侧壁32、33接合的接合区域。该接合区域沿所述侧壁32、33的方向从套管(除了套管底部之外)向外扩张。套管321至325和331至335的接合区域分别标记为3211、3221、3231、3241、3251以及3311、3321、3331、3341和3351(附图标记3311仅在图8中可见)。
换言之，连接到侧壁32、33的扩张的接合区域的半径R2大于套管的在其连接到所述接合区域的位置处的口的半径R1(参见图6)。
这有助于大大减小箱体和各种管线的管之间的压力损失，因为接合区域的尺寸逐渐减小。
除了本发明的上述优点之外，将注意到，制造冷却装置的方法被简化，因为与现有技术装置相比，钎焊操作更少。
此外，该装置更加坚固，这也减少了维修和维护操作的持续时间和频率。
最后，壳体被更好地冷却，其使用寿命增加。

Claims (9)

1.一种用于通过空气射流来冷却涡轮壳体(1)的装置(2)，所述涡轮壳体优选地是涡轮机的低压涡轮壳体，所述装置包括加压空气供应箱体(3)和至少一个冷却管线(4)，所述至少一个冷却管线包括布置在所述箱体(3)的每一侧上的两个冷却管(40)，所述箱体(3)包括底部(31)、两个纵向侧壁(32，33)、上游端壁(35)和下游端壁(34)以及上部壁(36)，以及，所述箱体的所述底部(31)穿有空气喷射孔(37)，所述空气喷射孔布置成通向所述壳体，所述冷却装置(2)意在围绕所述壳体布置，每个冷却管(40)是弯曲的，每个冷却管围绕所述壳体的一部分布置并被布置在距所述壳体的一定距离处并且设置有通向所述壳体的空气喷射孔(41)，其特征在于，所述侧壁(32，33)中的每个通过与所述侧壁(32，33)成一体的至少一个管状套管(321，322，323，324，325，331，332，333，334，335)向外延伸，每个套管布置在所述侧壁(32，33)上，使得所述套管的底部(3210，3220，3230，3240，3250，3310，3320，3330，3340，3350)与所述箱体的所述底部(31)在所述套管与所述箱体相连接的位置处于同一水平面，以及，每个套管被构造成并且尺寸被设计成使得所述冷却管(40)中的一个能够连接到所述套管。
2.根据权利要求1所述的装置(2)，其特征在于，所述套管的底部(3210，3220，3230，3240，3250，3310，3320，3330，3340，3350)在所述套管的底部的长度的至少一部分上穿有空气喷射孔(38)，所述套管的底部上的空气喷射孔(38)布置成通向意在被布置成由所述装置(2)所围绕的所述壳体。
3.根据权利要求2所述的装置(2)，其特征在于，在所述箱体(3)的底部(31)制成的空气喷射孔(37)与在所述套管(321，322，323，324，325，331，332，333，334，335)中制成的空气喷射孔(38)和在所述冷却管(40)中制成的空气喷射孔(41)对齐。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置(2)，其特征在于，所述箱体(3)的底部(31)和所述套管(321，322，323，324，325，331，332，333，334，335)在所述箱体的中间纵向轴线(X-X’)的每一侧上弯曲，以便遵循意在被布置成由所述冷却装置所围绕的所述壳体的轮廓的形状，并且如此使得一方面在所述壳体(1)的外表面(13)与所述箱体(3)的底部(31)之间以及另一方面在所述壳体(1)的外表面(13)与所述套管的底部(3210，3220，3230，3240，3250，3310，3320，3330，3340，3350)之间具有恒定或基本恒定的空气间隙(E5)。
5.根据前述权利要求中的一项所述的装置(2)，其特征在于，每个套管(321，322，323，324，325，331，332，333，334，335)具有与所述箱体(3)的侧壁(32，33)接合的接合区域(3211，3221，3231，3241，3251，3311，3321，3331，3341，3351)，以及，所述接合区域从所述套管朝向所述箱体的侧壁(32，33)扩张，并且在所述套管的圆周的除了所述套管的底部(3210，3220，3230，3240，3250，3310，3320，3330，3340，3350)之外的部分上扩张。
6.根据前述权利要求中的一项所述的装置(2)，其特征在于，所述箱体(3)的所述上部壁(36)包括盖，所述盖被添加并被附接到所述箱体的侧壁(32，33)和端壁(34，35)上。
7.根据权利要求6所述的装置(2)，其特征在于，所述盖(36)通过焊接或钎焊被附接到所述箱体的侧壁(32，33)和端壁(34，35)。
8.根据前述权利要求中的一项所述的装置(2)，其特征在于，所述冷却管线(4)的管(40)被引入到所述套管(321，322，323，324，325，331，332，333，334，335)的自由端部并且通过钎焊被连接到所述自由端部。
9.一种涡轮机，包括由壳体(1)包围的涡轮，所述涡轮特别是低压涡轮，其特征在于，所述涡轮机包括前述权利要求中任一项所述的用于通过空气射流来冷却所述壳体的装置(2)。
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