CN109869197B - 燃气涡轮组件 - Google Patents

Abstract

一种燃气涡轮组件设有至少一个导叶载体(10；20)，其沿纵向轴线(A)延伸且包括至少一个环形座(27)，且其中至少一个调节环(28；128)收纳在环形座(27)中且包括至少一个间隙控制腔(29；140)，间隙控制腔(29；140)相对于纵向轴线(A)横向地延伸。

Description

燃气涡轮组件

相关申请的交叉引用

本申请请求享有2017年11月24日提交的欧洲专利申请第17203661.8号的优先权，其公开通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种燃气涡轮组件。具体而言，燃气涡轮组件是发电站的一部分。

背景技术

燃气涡轮组件一般包括压缩机、燃烧室和燃气涡轮。

具体而言，压缩机包括供有空气的入口，以及构造成用于压缩到来空气的多个旋转叶片。离开压缩机的压缩空气流入由外壳界定的仓室中，且从该处进入燃烧器中。在燃烧器内，压缩空气与至少一种燃料混合，且此得到的燃料和压缩空气混合物流入该混合物在其中燃烧的燃烧室中。得到的热气体离开燃烧室，且在涡轮中膨胀。在涡轮中，热气体膨胀移动连接至转子的旋转叶片。

压缩机和涡轮两者包括沿轴向介于旋转叶片之间的多个导叶。旋转叶片由围绕主轴线旋转的转子支撑，而燃气涡轮的导叶由燃气涡轮导叶载体支撑，且压缩机的导叶由压缩机导叶载体支撑。

如已知，在燃气涡轮组件中，需要旋转叶片末梢与相应的定子导叶载体之间的间隙，以便允许转子叶片末梢与定子导叶载体之间的相对移动。

然而，在燃气涡轮组件的操作期间，转子部分和定子部分由于它们由不同材料制成的事实且还由于它们暴露于尤其是在燃气涡轮中的不同温度梯度的事实而具有对温度变化的不同响应。

出于这些原因，旋转叶片末梢与定子导叶载体之间的间隙需要设计成使得它们在任何操作状态下保持。

换言之，在大多数操作条件下，叶片间隙大于所需的，以便确保安全操作，且避免旋转部分与静止部分之间的接触。

然而，经由所述间隙出现在叶片末梢与定子导叶载体之间的泄漏流引起效率方面的损失，因为所述流并未向燃气涡轮组件提供有用功。

因此，需要间隙的主动调节，以便找到平衡的解决方案，这避免接触，且同时最小化所述叶片与定子导叶载体之间的泄漏。

主动控制间隙解决方案的实例在文献US 2006/0225430或EP3023600中公开。

然而，这些解决方案不是足够高效的。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种燃气涡轮组件，其中避免或至少缓解所述缺陷。

具体而言，本发明的目的在于提供一种燃气涡轮组件，其设有高效主动控制间隙系统。

根据本发明，提供了一种燃气涡轮组件，其包括至少一个导叶载体，导叶载体沿纵向轴线延伸且设有至少一个环形座和至少一个调节环，调节环收纳在环形座中且设有至少一个间隙控制腔，间隙控制腔相对于纵向轴线横向地延伸。

以此方式，调节环可获得导叶载体的受控热性能，以便控制涡轮中或压缩机中的间隙。此外，间隙控制腔可定向成以便优化调节环的特定部分中的可用空间的占用，这可较好地影响导叶载体的热机械性能。因此，所述解决方案在设计空间方面带来了更大的灵活性和较大的好处。

最后，有利地，为了获得调节环的热膨胀，相比于为了在导叶载体中直接地获得相同热膨胀，需要显著更少的流体量。结果，调节环设计相对于试图在导叶载体上直接获得热膨胀的解决方案更有效且更可控。

根据本发明的优选实施例，间隙控制腔相对于纵向轴线沿径向延伸。

根据本发明的优选实施例，调节环包括沿周向方向分布的至少一组多个间隙控制腔。以此方式，间隙控制沿导叶载体的整个周向部分是主动的，且导叶载体的热机械性能的影响更有效。

根据本发明的优选实施例，多个间隙控制腔沿周向方向均匀地分布。以此方式，在导叶载体中获得了沿周向均匀的温度场。

根据本发明的优选实施例，间隙控制腔是调节环中制成的通孔。以此方式，可以以快速、简单且经济的方式来获得间隙控制腔，例如，通过钻取调节环。

根据本发明的优选实施例，调节环由联接在一起的至少两个部分制成。以此方式，调节环可有利地收纳在环形座中，而不需要导叶载体的任何拆卸。

根据本发明的优选实施例，间隙控制腔具有连接至控制流体源的至少一个入口。

以此方式，间隙控制腔供有控制流体。

根据本发明的优选实施例，间隙控制腔具有连接至相应排放导管的至少一个出口。

根据本发明的优选实施例，导叶载体包括排放导管的至少一部分；排放导管流入设有导叶的燃气涡轮组件的工作通道中。以此方式，工作通道中排出的控制流体可进一步向组件提供有用功。

根据本发明的优选实施例，燃气涡轮组件包括至少一个插入件，其布置在至少一个间隙控制腔内。以此方式，控制流体与调节环之间的热交换可受控制，以便优化热传递，且减少所需控制流体的量。

具体而言，根据本发明的优选实施例，插入件是中空的，且优选设有入口孔，且在其表面上设有多个出口孔。以此方式，允许控制流体穿过插入件，且获得控制腔的内壁上的冲击效果。结果，获得了热传递的进一步优化和所需控制流体量的减少。

根据本发明的优选实施例，调节环和导叶载体可由不同材料制成。

以此方式，调节环可由对于实现整个导叶载体过于昂贵的特定材料制成。

根据本发明的优选实施例，调节环的径向尺寸大于环形座处的导叶载体的径向尺寸。以此方式，调节环可更有效地控制导叶载体的径向膨胀。

根据本发明的优选实施例，调节环可由可释放联接元件联接至导叶载体。以此方式，调节环的替换更容易。

根据本发明的优选实施例，燃气涡轮组件包括压缩机、燃烧器和燃气涡轮；其中燃气涡轮包括导叶载体，且压缩机间隙控制腔连接至提取线，提取线构造成从压缩机提取空气，且将其供给至间隙控制腔。以此方式，调节环可用于控制涡轮间隙。

根据本公开内容的优选实施例，燃气涡轮组件包括压缩机、燃烧器和燃气涡轮；其中压缩机包括导叶载体，且压缩机间隙控制腔连接至另一个提取线，该提取线构造成从压缩机提取空气，优选借助于外部冷却器来冷却其且将其供给至间隙控制腔。以此方式，调节环可用于控制压缩机间隙。

附图说明

现在将参照附图来描述本发明，附图示出了一些非限制性实施例，在附图中：

-图1为根据本发明的燃气涡轮组件的侧向示意图，其中部分按截面且部分为了清楚起见而移除；

-图2为图1的组件的第一细节的截面侧向视图，其中部分按截面且部分为了清楚起见而移除；

-图3为图1的组件的第二细节的截面前视图，其中部分按截面且部分为了清楚起见而移除；

-图4为图1的组件的第三细节的侧向示意图，其中部分按截面且部分为了清楚起见而移除；

-图5为图4的第三细节的透视示意图，其中部分为了清楚起见而移除。

具体实施方式

在图1中，参考标号1指示了沿纵向轴线A延伸的用于发电站的燃气涡轮组件(为了简单起见，图1中仅示出了组件的一半，因为组件相对于轴线A是对称的)。

组件1包括燃烧器2、压缩机3和燃气涡轮5。

燃气涡轮5沿纵向轴线A延伸，且设有轴6(也沿轴线A延伸)，压缩机3还连接至轴6。

燃气涡轮5包括工作膨胀通道7，其中来自燃烧器2的热气体工作流体沿方向D流动。工作膨胀通道7具有在方向D上沿轴线A径向地增大的截面。

压缩机3包括工作压缩通道8，其中外部空气受压缩且沿方向D流动。工作压缩通道8的端部连接至燃烧器2。工作压缩通道8具有在方向D沿轴线A径向地减小的截面。

涡轮5包括外壳(附图中未示出)、围绕轴线A延伸且是静止的导叶载体10、至少紧固至导叶载体10且分成阵列的多个燃气涡轮定子导叶11，以及联接至轴6且相对于轴线A径向地布置的分成阵列的多个燃气涡轮转子叶片13。每个燃气涡轮转子叶片13设有联接至轴6的一端14，以及面对导叶载体10的自由端15。自由端15与导叶载体10之间的间隙限定涡轮间隙16(由图1中示意性地指示)。

沿工作膨胀通道7，转子燃气涡轮叶片13的径向阵列沿轴线A由定子燃气涡轮导叶11的径向阵列交错。

类似地，压缩机3包括围绕轴线A延伸且是静止的至少一个导叶载体20，至少紧固至导叶载体20且分成阵列的多个定子压缩机导叶21，以及联接至轴6且相对于轴线A沿径向布置的分成阵列的多个转子压缩机叶片23。每个转子压缩机叶片23设有联接至轴6的一端24和面对导叶载体20的自由端25。自由端25与导叶载体20之间的间隙限定压缩机间隙26(由图1中示意性地指示)。

沿工作压缩通道8，转子叶片23的径向阵列沿轴线A由定子导叶21的径向阵列交错。

参看图1和2中所示的非限制性实例，燃气涡轮5的导叶载体10包括至少一个环形座27。

燃气涡轮组件1包括收纳在涡轮导叶载体10的环形座27中的至少一个调节环28。

调节环28包括至少一个间隙控制腔29，其相对于纵向轴线A横向地延伸，以用于控制涡轮间隙16。换言之，间隙控制腔29的延伸轴线B相对于纵向轴线A是横向的。

间隙控制腔29的轴线B的角位置可取决于调节环28中的可用空间从径向变为轴向(排除沿轴向)。

在这里公开和示出的非限制性实例中，间隙控制腔29相对于纵向轴线A沿径向延伸(图2和3中所示的构造)。

根据未示出的变型，压缩机3的导叶载体20也可包括至少一个环形座，其中收纳设有至少一个间隙控制腔的至少一个调节环。类似于对于涡轮导叶载体所述的内容，收纳在压缩机导叶载体的座中的调节环的间隙控制腔相对于纵向轴线A横向地延伸，以用于控制压缩机间隙26。

在下文中，将仅详细描述图1、2和3中所示的实施例，其关于进入导叶载体10的至少一个环形座27的存在和收纳在环形座27中以用于控制涡轮间隙16的至少一个调节环28的存在。

显然，对于燃气涡轮5描述的特征可以适当地应用于压缩机3，且具体是应用于进入叶片载体20的至少一个环形座以及收纳在压缩机3的叶片载体20的环形座中以用于控制压缩机间隙26的至少一个环。

参看图1和2，环形座27对应于导叶载体10的至少一个轴向位置A1实现。

根据未示出的变型，导叶载体10可包括布置在相应的不同轴向位置处的一个以上的环形座。每个座构造成收纳至少一个相应的调节环。以此方式，影响导叶载体的不同区域中的导叶载体的热机械性能。

参看图3，调节环28包括多个间隙控制腔29，其沿周向方向均匀或非均匀分布。

以此方式，轴向位置A1处的导叶载体10的热机械性能由调节环28中的间隙控制腔29的存在而影响，且可适当地控制涡轮间隙16。

在这里公开和示出的非限制性实施例中，多个间隙控制腔29沿周向方向均匀地分布。间隙控制腔29的均匀分布产生更均匀的周向温度场。

优选地，间隙控制腔29是在调节环28中制成的通孔。换言之，间隙控制腔29是从在使用中面对外壳9(见图3)的调节环28的外表面18延伸至在使用中面对导叶载体10的环形座27的调节环28的内表面19的通道。

根据图5中所示且随后将详细描述的变型，间隙控制腔可为柱状盲孔。

优选地，调节环28分成两个半环12a、12b，其在分离平面S处连接至彼此(图3中指示)。

参看图3，每个间隙控制腔29具有连接至环形供给公共通道31的入口30，其在调节环中制成，且优选借助于多个导管来连接至控制流体源。

参看图1和2，多个间隙控制腔29中的至少一个还具有出口33，其连接至排放导管34。

在这里公开和示出的非限制性实例中，控制流体是由专用提取线36(图1中所示)从压缩机3提取的空气。

优选调节器37沿提取线36布置，调节器37构造成在将其供给至公共歧管之前调节控制流体的温度和/或压力和/或流速。

例如，调节器37可调节控制流体的温度和压力，以便具有如需要的温度和压力。

显然，涡轮间隙16可通过调整供给至间隙控制腔29的控制流体的温度、压力和流速来控制。

换言之，调节器37构造成基于组件参数调节控制流体的温度和/或压力和/或流速，以便将涡轮间隙16保持在期望的值。

例如，调节器37构造成基于诸如涡轮5的局部温度和/或间隙测量和/或负载条件和/或涡轮5的负载变化的速度和/或涡轮入口处的温度等来调节控制流体的温度和/或压力和/或流速。

根据图2中公开的非限制性实施例，连接至间隙控制腔29中的至少一个的出口33的排放导管34基本上沿轴向延伸，且流入工作膨胀通道7。根据未示出的变型，排放导管34并未沿轴向延伸，且相对于轴线A成角倾斜。

导叶载体10包括排放导管34的至少一部分。

在这里公开和示出的非限制性实例中，排放导管34在导叶载体10中完全实现，且从环形座27延伸至膨胀通道7。

具体而言，排放导管34经由排放端口38将控制流体排放到膨胀通道7中。

根据未示出的一个实施例，排放导管34的一部分也可在调节环28中实现。

由于排放导管34，膨胀通道7中排放的控制流体可在涡轮5中进一步提供有用功，以改善组件1的总体效率。

优选地，排放端口38在转子燃气涡轮叶片13的径向阵列与定子燃气涡轮导叶11的径向阵列之间布置在导叶载体10上。

根据未示出的变型，排放导管中的至少一个可将控制流体直接地或间接地排放入需要冷却的构件，如，导叶、定子平台(附图中未示出)、隔热板(附图中未示出)。以此方式，控制流体可用于节省专用冷却空气(大体上从压缩机提取)，因此改善组件1的总体效率。

根据未示出的另一个变型，至少一个排放导管可将控制流体直接地或间接地排放入需要吹扫空气的选择的定子腔(附图中未示出)，以用于防止来自膨胀通道7的热流体的进入。

优选地，调节环28和导叶载体10是由不同材料制成的单独的件。

例如，调节环可由对于实现整个导叶载体10过于昂贵的特定材料制成。例如，具有更好寿命的材料，如，调节环28，需要经得起更严重的负载循环，因为其暴露于交替的温度。

优选地，调节环28具有大于环形座27处(即，基本上在轴向位置A1)的导叶载体10的径向尺寸的径向尺寸。以此方式，调节环28具有高于导叶载体10的径向刚度的径向刚度。

另一方面，调节环28具有的热延迟低于导叶载体10的热延迟，以便能够更快地响应于间隙控制器。

优选地，调节环28和导叶载体10是利用耐久接头(即，焊接)或利用可释放接头(即，可释放联接元件，如，图2中所示的螺栓40)联接在一起的单独件。

具有可释放接头的联接允许调节环28的更容易替换。

参看图1-3，优选地，至少一个插入件41布置在间隙控制腔29的至少一部分内。

所述插入件41可定形为以便在间隙控制腔29内引导控制流体流，以允许入口30和出口33沿间隙控制腔29的轴线B的位置的设计自由。

所述插入件41还可加强间隙控制腔29中流动的控制流体与调节环28的材料之间的热传递，以便影响调节环28的温度，且因此影响导叶载体10的温度。实际上，插入件41允许在控制流体的中等流量下操作。

插入件41可为EP3023600中公开的插入件中的一个。

在这里公开和图2和3中所示的非限制性实例中，插入件41主要具有柱状中空管的形状，以便控制流体流可穿过插入件41，以便限制与调节环28的热传递，且在限定于插入件41与间隙控制腔29的相应内表面之间的间隙42中，以便保持最大热传递面积且增大流动速度。

优选地，限定在插入件41与间隙控制腔29的相应内表面之间的间隙42具有随间隙控制腔29的直径变化的厚度(旨在作为沿垂直于轴线B的方向的量度)。优选地，间隙控制腔29的直径与厚度之间的比例包括1:200到1:2之间。

在图4和5中，示出了调节环128的另一个实施例。具体而言，调节环128与图1-3的调节环28的差别在于具有不同的间隙控制腔140和不同的插入件141。

参看图4，间隙控制腔140是在调节环128中制成的盲孔，其具有连接至排放通道134的出口133和连接至环形供给公共通道131的入口133。

插入件141主要具有柱状中空本体的形状，其在其表面上设有多个孔142。

参看图5，插入件141设有柱状中空本体的底面143上的第一出口孔142a，以及在使用中面对间隙控制腔29的内表面的柱状中空本体的侧表面144上的多个第二出口孔142b。插入件141还设有在使用中面对环形供给公共通道31的顶部表面146上的主入口孔145(见图4)。

在使用中，控制流体流经由顶部表面146上的主孔145进入插入件141内，且经由多个第一出口孔142a和经由第二出口142b离开，以便冲击在间隙控制腔140的内表面上。

控制流体流还可在限定在插入件141与间隙控制腔140的相应内表面之间的基本上环形的间隙147中经过。

根据未示出的变型，插入件可在外表面上设有湍流器，以便在间隙内产生湍流。以此方式，改善了流速和热传递。

例如，所述湍流器可为从插入件的外表面突出的螺旋弯曲的肋。

根据未示出的变型，插入件设成(根据未示出的变型)，插入件不是柱状，且具有由锥状部分和柱状部分的组合限定的形状，以便间隙42的厚度T可沿插入件的长度改变。

根据这里未示出的变型，插入件设有构造成抵抗振动的阻尼装置。

根据未示出的变型，间隙控制腔还包括构造成收集灰尘的集尘器。

插入件41和141可通过将其拧入间隙控制腔29(在此情况下，插入件和间隙控制腔具有相应的螺纹部分)，或通过将其收缩至间隙控制腔29，或通过用间隙控制腔29填塞其，或通过利用锁定螺钉将其固定至间隙控制腔29，或通过将其焊接至间隙控制腔29，或通过将其压配合入间隙控制腔29来固定在相应的间隙控制腔29中。

最后，清楚的是，可对本文所述的组件进行改型和变型，而不会脱离如所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (13)

1.燃气涡轮组件，包括：

外壳；

至少一个导叶载体(10；20)，其沿纵向轴线(A)延伸且设有至少一个环形座(27)和至少一个调节环(28；128)，所述至少一个调节环(28；128)收纳在所述环形座(27)中且设有沿周向方向分布的多个间隙控制腔(29；140)，所述多个间隙控制腔(29；140)相对于所述纵向轴线(A)横向地延伸；

其中，各个间隙控制腔由下者限定：在所述调节环中制成的通孔，其从所述调节环的在使用中面对所述外壳的外表面延伸至所述调节环的在使用中面对所述导叶载体的环形座的内表面；或柱状盲孔，其从所述调节环的外表面延伸；其中，各个间隙控制腔具有连接至控制流体源的至少一个入口。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮组件，其中，所述间隙控制腔(29；140)相对于所述纵向轴线(A)沿径向延伸。

3.根据权利要求1所述的燃气涡轮组件，其中，所述多个间隙控制腔(29；140)沿周向方向均匀地分布。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃气涡轮组件，其中，所述调节环(28；128)由联接在一起的至少两个部分(12a、12b)制成。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的燃气涡轮组件，其中，所述间隙控制腔(29；140)具有连接至相应排放导管(34)的至少一个出口(33)。

6.根据权利要求5所述的燃气涡轮组件，其中，所述导叶载体(10；20)包括所述排放导管(34)的至少一部分；所述排放导管(34)流入设有导叶(11；21)的所述燃气涡轮组件的工作通道(7；8)中。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的燃气涡轮组件，包括至少一个插入件(41；141)，其布置在至少一个间隙控制腔(29；140)内。

8.根据权利要求7所述的燃气涡轮组件，其中，所述插入件(41；141)是中空的。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的燃气涡轮组件，其中，所述调节环(28；128)和所述导叶载体(10；20)由不同材料制成。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的燃气涡轮组件，其中，所述调节环(28；128)的径向尺寸大于所述环形座(27)处的所述导叶载体(10；20)的径向尺寸。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的燃气涡轮组件，其中，所述调节环(28；128)由可释放联接元件(40)联接至所述导叶载体(10；20)。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的燃气涡轮组件，包括压缩机(3)、燃烧器(4)和燃气涡轮(5)；其中所述燃气涡轮包括所述导叶载体(10)，且所述压缩机间隙控制腔(29；140)连接至提取线(36)，所述提取线(36)构造成从所述压缩机(3)提取空气且将其供给至所述间隙控制腔(29；140)。

13.根据权利要求8所述的燃气涡轮组件，其中，所述插入件(41；141)在其表面(143、144)上设有入口孔(145)和多个出口孔(142a、142b)。