CN110945211A - 用于提高燃气轮机的性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于提高燃气轮机(1)的性能的方法，其中在转子(2)未拆开的状态下切削加工环形地围绕转子(2)的毂(6)，并且更换设置在毂(6)上的热屏蔽元件。

Description

用于提高燃气轮机的性能的方法

技术领域

本发明涉及一种用于提高燃气轮机的性能的方法，该燃气轮机具有：燃烧室；转子，所述转子包括轴和轴向相邻地设置在轴上的多个涡轮机转子叶片排；以及毂，所述毂设置在涡轮机转子叶片排的上游并围绕轴延伸且构成漏斗状，在所述毂上轴向相邻地固定有多排热屏蔽元件，所述热屏蔽元件隔离地覆盖毂的径向向外指向的面的大部分并且限定燃烧室的边界的一部分，其中朝下游方向设置在最后一排的热屏蔽元件与径向向外凸出的、环绕地构成的毂突起部相邻地设置，并且经由在毂中构成的冷却空气孔冷却。

背景技术

开始提到的类型的燃气轮机在现有技术中已经是已知的。在此，示例性地参考西门子公司的燃气轮机类型SGT5-4000F。

为了提高这种燃气轮机的性能，还已知对燃气轮机的各个部件进行改型。这种改型旨在优化穿过涡轮机的热气流，减少燃气轮机运行所需的冷却流体质量流等。如果改型涉及到转子和/或毂的部件，那么通常必须拆除转子并完全将其拆开，以便可以在轴上、在保持在轴上的构件上或在毂上进行工作。然而，转子的这种拆开结合了非常高的耗费并且相应地是不希望的。

发明内容

从该现有技术出发，本发明的目的是提供一种开头提到的类型的方法，借助于该方法能够以相对低的耗费提高燃气轮机的性能。

为了实现所述目的，本发明提供了一种开头提到的类型的方法，该方法具有步骤：a)从燃气轮机中拆除转子连同围绕该转子的毂；b)将转子在未拆开的状态下水平支承，尤其支承在合适的支承座上；c)去除朝下游方向设置在最后一排的所有热屏蔽元件；d)机械加工，尤其完全去除毂突起部；e)加工现有的冷却空气孔中的至少一些和/或产生新的冷却空气孔，以及f)安装新的热屏蔽元件，其设计与在步骤c)中去除的热屏蔽元件的设计不同。

本发明基于如下基本思想，通过具有优化设计的热屏蔽元件更换朝下游方向上设置在最后一排的热屏蔽元件，即直接相邻于涡轮机定位的那些热屏蔽元件，以便以这种方式可以实现更好的绝热效果并且相应地减少所述热屏蔽元件排所需的冷却流体质量流。为了该目的，在第一步中，将转子连同围绕该转子的毂一起从燃气轮机上拆除，并将其在未拆开的状态下水平支承。为了支承，例如可以使用合适的支承座，转子设置在所述支承座上。在另一步骤中，在该状态下，将朝下游方向设置在最后一排的所有热屏蔽元件去除，从而邻接的毂突起部露出并且相应地易于接近。随后，在一个或多个机械加工步骤的范围内，在未拆开且被支承的状态下加工毂突起部，即减小其尺寸或将其完全去除，为此可以相对于转子事先固定毂。此外，对现有的冷却空气孔中的至少一些进行加工，其目的是减小设计用于冷却最后一排热屏蔽元件的冷却空气孔的总开口横截面积，以便减少在燃气轮机运行期间流过所述冷却空气孔的冷却流体的质量流，并相应地优化燃气轮机的性能。在加工范围内可以引入新的冷却空气孔，只要加工后冷却空气孔的总开口横截面积比加工前存在的冷却空气孔的总开口横截面积小。在随后的步骤中，安装新的热屏蔽元件，其设计与在步骤c)中去除的热屏蔽元件的设计不同，尤其如下地不同：随热屏蔽元件带来的隔热效果通过如下方式改进，即新的热屏蔽元件在燃气轮机运行期间承担去除的毂突起部的遮蔽功能。根据本发明的方法的特征不仅在于随之带来的燃气轮机的性能提高，而且还在于相对低的耗费。后者尤其归因于如下事实：在根据本发明的方法的范围内省去了转子的拆开。

在步骤c)中的机械加工优选包括车削过程。以这种方式可以快速地且毫无问题地根据要求改型或去除毂突起部。

根据本发明的方法的一个设计方案，为了实施车削过程，使用移动式车床，其具有相对于转子同心地设置和定向的环形托架，以及可沿着托架环绕地且沿着多个轴线运动的车刀。相应地，水平支承的且未拆开的转子的轴能够沿多个轴线现场加工。在此，车床的控制装置尤其设计用于补偿转子和托架的定向的径向和轴向偏差。

托架有利地构成和设置成，使得其主要支撑在地面上，例如支撑在车间地板上，而不支撑在要被加工的转子本身上，从而防止在加工毂期间转子由于车床的自重而负载。为此，车床的托架尤其经由支撑元件支撑在地面上。

为了减少冷却流体的质量流，在步骤e)中，优选将至少一个现有的尤其直径为4mm或更小的冷却空气孔填塞，以便完全或部分地将其封闭。然后可以再次钻出被填塞的冷却空气孔，以产生新的冷却空气孔，新的冷却空气孔的直径小于原始的或被填塞的现有冷却空气孔的直径。

替选地或附加地，在步骤e)中，至少一个现有的尤其直径大于4mm的冷却空气孔可以至少部分地以更大的直径钻出、设有螺纹并且紧接着借助螺纹塞封闭，其中螺纹塞设有贯通孔，其直径小于4mm，尤其在1.5mm至2.5mm的范围内。该方式适用于封闭或减小具有不容易被填塞的直径尺寸的现有的冷却空气孔，根据经验在直径大于4mm时是这种情况。

优选在钻出之前将蜡楔插入至少一个现有的冷却空气孔中。以这种方式可以防止在钻出期间切屑穿过冷却空气孔掉落到未拆开的转子的内部中，在那里所述切屑仅可困难地去除。

根据本发明的一个设计方案，在步骤e)中，利用预制的钻孔模板产生新的冷却空气孔。以该方式能够以简单的方式和方法确保孔的期望定位。

在步骤f)中新安装的热屏蔽元件优选在边缘侧上具有径向向内突出的、尤其环区段状的突起部，该突起部设置成指向下游方向并相应地承担之前被去除的毂凸肩的遮蔽功能。

附图说明

根据本发明的方法的其他特征和优点借助根据本发明的方法的下述实施方式在参考附图的情况下变得清楚。

其中，

图1示出燃气轮机的区域的示意性截面图；

图2示出在图1中用标记II表示的部分的放大的立体图；

图3示出在图1中所示的燃气轮机的毂的侧视图，其中出于阐述目的，沿下游方向设置在最后的热屏蔽元件排的热屏蔽元件被去除；

图4示出在图3中用标记IV表征的部分的放大图；

图5示出在图4中用标记V表征的部分的放大图，其示出毂的冷却空气孔图案的部分区域；

图6示出在加工毂期间在图1中所示的燃气轮机的转子的立体示意图，其中该转子处于拆卸和被支起的状态；

图7示出在根据图5实施加工之后类似于图4的视图；

图8示出在图7中用标记VIII表征的部分的放大图，其对应于在图5所示的部分并且设有新的冷却空气孔图案；

图9示出截面图，其示出在图7所示的冷却空气孔；以及

图10示出类似于图2的视图，其示出具有新安装的热屏蔽元件的相应区域，所述新安装的热屏蔽元件的设计与根据图2的热屏蔽元件的设计不同。

具体实施方式

在下文中，相同的附图标号表示相同或相似的构件。

燃气轮机1包括转子2，所述转子具有轴3，在所述轴上设置或固定有燃气轮机1的涡轮机区域的多个轴向相邻设置的涡轮机转子叶片排4和压缩机区域的多个相邻设置的压缩机转子叶片排5。此外，燃气轮机1包括围绕轴3延伸的且构成漏斗状的毂6，所述毂设置在涡轮机区域和压缩机区域之间，并且朝涡轮机转子叶片排4的方向进而朝下游方向在直径上逐渐减小。毂6在留有径向环形间隙的情况下相对于轴3同心地定向，并且位置固定地保持在燃气轮机1的壳体7上，使得其不随轴3旋转。在毂6的外侧上轴向相邻地固定有多个环形排的热屏蔽元件8a，8b，所述热屏蔽元件以绝缘方式覆盖毂6的径向向外指向的面并限定燃气轮机的燃烧室9的边界的内部部分，所述燃烧室围绕轴3环形地延伸。燃烧室9的径向外部的边界同样通过固定在燃烧室外壳上的未详细示出的热屏蔽元件产生。在当前情况下，朝下游方向设置在最后的热屏蔽元件排4的热屏蔽元件8b在其设计上与其余热屏蔽元件排的热屏蔽元件8a不同，并且与径向向外突出的环绕地构成的毂突起部10相邻地设置并借助轴向向外指向的突起部11覆盖该毂突起部。在燃气轮机1运行期间利用冷却空气冷却热屏蔽元件8，所述冷却空气经由设置在毂6中的冷却空气孔12馈入。为冷却热屏蔽元件8b而设有的冷却空气孔12在当前情况下，如图5所示，以规则矩阵均匀地彼此间隔开设置，并且分别相对于毂6的外表面垂直地延伸。

在燃气轮机1运行期间，在燃气轮机1的压缩机区域中被压缩的环境空气与燃料混合，所产生的燃料-空气混合物在燃烧室9中燃烧并被引导至燃气轮机1的涡轮机区域，在那里热气以流动有利的方式经由相应的导向叶片排13转向分别相邻的涡轮机转子叶片排4，使得转子2以已知的方式旋转地被驱动。在燃气轮机1的压缩机区域中产生的被压缩的空气流的一部分用于冷却热屏蔽元件。

为了提高燃气轮机1的性能，在根据本发明的实施方式的方法中执行以下步骤：

在第一步骤中，将转子2连同围绕其的毂6一起从燃气轮机1中拆除。接着将拆除的转子2在未拆开的状态下水平地支承，这如在图5中所示，利用相应的支承座14进行。

然后，在另一步骤中，至少将朝下游方向的最后设置的涡轮机转子叶片排4的所有热屏蔽元件8b去除，以便露出该区域中的毂6。

在随后的步骤中，在水平支承的转子2的区域中建造移动式车床15。该移动式车床包括相对于支起的转子2同心地设置并定向的环形托架16和可沿着托架16环绕地运动的车刀17，所述车刀可在X方向、Y方向和Z方向上进给。托架16经由可移出的缸18a支撑在毂6上。另外，在当前情况下，托架16经由两个支撑元件18支撑在地面19上。以这种方式防止毂6由于车床15的托架16的自重而负载。

现在，通过使用在图6中极其示意地示出的车床15，在车削加工范围内，完全机械地去除毂突起部11。在此，车床15的控制装置优选设计成，使得在加工中补偿毂突起部11和托架16的定向的径向和轴向偏差。在这种情况下，参考申请DE 102016219193.4，其内容在此完全并入。随后可以进行其他机械加工步骤。

在另一步骤中，加工现有的冷却空气孔12中的至少一些，并且在当前情况下也产生新的冷却空气孔。该加工步骤旨在减小用于冷却最后的涡轮机转子叶片排4的热屏蔽元件8b的冷却空气孔的总开口横截面积，以便减少在燃气轮机1运行期间流经所述冷却空气孔的冷却流体质量流，并相应地优化燃气轮机1的性能。在当前情况下，在该冷却空气孔加工范围内，现有的冷却空气孔12的至少一些直径为4mm或更小的冷却空气孔被填塞，以便将其完全封闭。这种被填塞的冷却空气孔可以借助图5和图8的比较看出。这涉及图5的那些在图8中不再存在的冷却空气孔12。此外，在冷却空气孔加工范围内钻出新的空气孔12a，其直径优选在1.5至2.5mm的范围内。新钻的冷却空气孔12a在其位置方面可以与被封闭的冷却空气孔12a完全地或部分地重合。换句话说，被填塞的冷却空气孔12于是至少部分地再次被钻出，其中新的冷却空气孔12a的直径比原来的被填塞的冷却空气孔12的直径小。替选地或附加地，现有的直径大于4mm且仅能困难地填塞的冷却空气孔12也可以至少部分地以更大的直径钻出、设有螺纹并且紧接着借助螺纹塞20封闭。当冷却空气孔12不应被完全封闭而是应仅变小时，螺纹塞20可以设有贯通孔21，其直径小于4mm并且尤其在1.5mm至2.5mm的范围内。在钻出冷却空气孔12之前，优选将所谓的蜡楔插入到冷却空气孔12中，以避免切屑穿过毂6朝轴3的方向掉落，所述切屑在钻孔加工后仅可困难地清除。此外，在冷却空气孔的加工范围内，如其在图8中所示，制造新的冷却空气孔12b，其关于径向方向倾斜地延伸穿过毂6。

在所有钻孔过程中，都可以使用钻孔模板，其预设要产生的钻孔的位置及其直径，即使这是可选的。由于钻孔模板在现有技术中原则上已知的，因此在此省去示例性钻孔模板的图示。

然后在另一步骤中，安装新的热屏蔽元件8c，其代替旧的热屏蔽元件8b，并且其设计不同于热屏蔽元件8b的设计。在当前情况下，新安装的热屏蔽元件8c在边缘侧具有径向向内突出的、环区段状构成的突起部22，所述突起部设置成指向下游方向并且承担被去除的毂突起部10的遮蔽功能。

在最后的步骤中，将利用根据本发明的方法改型的转子2再次安装到燃气轮机1中。

上述方法的一个主要优点在于，通过减小用于冷却最后的涡轮机转子叶片排的热屏蔽元件的冷却空气孔的总开口横截面积来优化燃气轮机1的性能，因为用于冷却所述热屏蔽元件所需的冷却空气更少。另一优点在于，不必为了执行上述方法而将转子拆开，这带来了相对低的耗费和成本。

尽管已经通过优选的实施例更详细地解释和描述了本发明的细节，但是本发明不局限于所公开的示例，并且本领域技术人员可以从中推出其他变型形式而不脱离本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于提高燃气轮机(1)的性能的方法，所述燃气轮机具有：燃烧室(9)；转子(2)，所述转子包括轴(3)和轴向相邻地设置在所述轴(3)上的多个涡轮机转子叶片排(4)；以及毂(6)，所述毂设置在所述涡轮机转子叶片排(4)的上游并围绕所述轴(3)延伸且构成漏斗状，在所述毂上轴向相邻地固定有多排热屏蔽元件(8a，b)，所述热屏蔽元件隔离地覆盖所述毂(6)的径向向外指向的面的大部分并且限定所述燃烧室(9)的边界的一部分，其中朝下游方向设置在最后一排的热屏蔽元件(8b)与径向向外凸出的、环绕地构成的毂突起部(10)相邻地设置，并且经由在所述毂(6)中构成的冷却空气孔(12)冷却，所述方法包括如下步骤：

a)从所述燃气轮机(1)中拆除所述转子(2)连同围绕该转子的毂(6)；

b)将所述转子(2)在未拆开的状态下水平支承，尤其支承在合适的支承座(14)上；

c)去除朝下游方向设置在最后一排的所有热屏蔽元件(8b)；

d)机械加工所述毂突起部(10)，尤其完全去除所述毂突起部；

e)加工现有的冷却空气孔(12)中的至少一些和/或产生新的冷却空气孔(12a，b)；以及

f)安装新的热屏蔽元件(8c)，所述新的热屏蔽元件的设计与在步骤c)中去除的热屏蔽元件(8b)的设计不同。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在步骤c)中的机械加工包括车削过程。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

为了实施所述车削过程，使用移动式车床(15)，其具有相对于转子(2)同心地设置和定向的环形的托架(16)以及能沿着所述托架(16)环绕地且沿着多个轴线运动的车刀(17)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述车床(15)的托架(16)经由支撑元件(18)支撑在地面上。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

在步骤e)中，将至少一个现有的尤其直径为4mm或更小的冷却空气孔(12)填塞。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

将至少一个被填塞的现有的冷却空气孔(12)再次钻出，以产生新的冷却空气孔(12a，b)，其中所述新的冷却空气孔(12a，b)的直径小于所述被填塞的现有的冷却空气孔(12)的直径。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

在步骤e)中，将至少一个现有的尤其直径大于4mm的冷却空气孔(12a，b)至少部分地以更大的直径钻出、设有螺纹并且紧接着借助螺纹塞(20)封闭，其中所述螺纹塞能够设有贯通孔(21)，所述贯通孔的直径小于4mm，并且尤其在1.5mm至2.5mm的范围内。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，

在钻出之前将蜡楔插入至少一个现有的所述冷却空气孔(21)中。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

在步骤e)中，利用预制的钻孔模板产生新的冷却空气孔(12a，b)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，

在步骤f)中新安装的所述热屏蔽元件(8c)在边缘侧上具有径向向内突出的、尤其环区段状的突起部(22)，所述突起部设置成指向下游方向。

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