CN113107678A - 燃气涡轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气涡轮。具体地，燃气涡轮（1）包括压缩机（2）、一个或多个燃烧器（3），以及涡轮（4）。在一个或多个燃烧器（3）与涡轮（4）之间提供过渡件（5）用于将在一个或多个燃烧器（3）中所生成的热气体（45）引导至涡轮（4）。过渡件（5）具有限定环形室（13）的内壳（8）和外壳（9）。内壳（8）具有带有冷却孔（20、23、28）的壁（18）。更靠近涡轮（4）的第一冷却孔（20）相比于距涡轮（4）更远的第二冷却孔（23）具有更大的角度（21），每个角度（21）由冷却孔的指向环形室（13）的纵向轴线（25）和垂直于壁（18）的轴线（27）限定。

Description

燃气涡轮

相关申请的交叉引用

本专利申请主张在2020年1月13日提交的欧洲专利申请号20425002.1的优先权，该欧洲专利申请的全部公开内容通过引用并入文中。

技术领域

本发明涉及一种燃气涡轮。具体地，本发明涉及热的燃气涡轮零件与更冷的燃气涡轮零件的连接，举例来说，例如过渡件至涡轮的连接。

背景技术

燃气涡轮包括用于压缩空气的压缩机、接收压缩空气以及还有燃料并且燃烧该燃料生成热气体的一个或多个燃烧器、在其中热气体膨胀以收集机械功的涡轮。在燃烧器和涡轮之间提供过渡件，该过渡件将热气体从燃烧器引导至涡轮。过渡件通常由于流动穿过它的热气体的高温而冷却；例如，过渡件具有一壁，该壁带有面向热气体的一个表面和背离热气体的相对表面，该壁由在朝向涡轮的方向上流过它的冷却空气流冷却。

由于冷却方案以及过渡件和涡轮之间的连接的结构，过渡件壁的面向涡轮的下游部分相比于过渡件壁的背离涡轮的上游部分可具有更低或更低很多的温度。这可能例如归因于热气体流从壁表面分离和/或在过渡件壁的端部处存在大型金属零件，该大型金属零件使热量散布在大的金属质量块（mass）上。

温差引起在壁中的应力以及机械疲劳，这可不利地影响和缩短构件的寿命且因此必须被消除。

发明内容

本发明的一个方面包括提供一种带有过渡件的燃气涡轮，该过渡件的面向涡轮的壁具有比在传统燃气涡轮中更柔和的热梯度。这有利地允许增加构件的寿命。

这些和另外的方面通过提供根据所附权利要求的燃气涡轮来实现。

附图说明

根据在附图中以非限制性实例的方式所例示的燃气涡轮的优选但非排它性实施例的描述，另外的特性和优点将是更明显的，附图中：

图1示意性地示出燃气涡轮；

图2示意性地示出图1的燃气涡轮的过渡件；

图3示意性地示出过渡件和涡轮之间的连接；

图4示意性地示出冷却孔；

图5示出在传统的过渡件的壁中和在本发明的过渡件中的温度过程（或进程，course）；

图6和7示出过渡件的内壳及其上的冷却孔分布。

具体实施方式

参看图，这些图示出燃气涡轮1；燃气涡轮1包括压缩机2、一个或多个燃烧器3（在图的实例中为两个），以及涡轮4。在燃烧器3和涡轮4之间提供过渡件5，用于将在燃烧器3中所生成的热气体流引导至涡轮4。

过渡件5（图2）具有内壳8和外壳9。内壳8包围（或环绕）转子11；转子11在图1中示出但为清楚起见在图2中未示出；图3示出转子盖12。外壳9包围内壳8，使得内壳8和外壳9共同限定环形室13（热气体穿过该环形室13传送）。此外，过渡件具有端口15（在实例中为两个），其提供在外壳9的相对的侧面处用于燃烧器3的连接。压缩机2和涡轮4在过渡件5的相对的前侧面16处连接至内壳8和外壳9并且燃烧器3在过渡件5的侧向侧面17处连接至外壳9。

内壳8具有带有冷却孔的壁18；有利地，更靠近涡轮4的第一冷却孔20相比于距涡轮4更远的第二冷却孔23具有更大的角度21。角度21对于每个孔而言由指向环形室13（热气体在其中流动）的冷却孔的纵向轴线25和垂直于壁18并且指向环形室13的轴线27限定。

涡轮4优选地具有纵向轴线29，其中，过渡件5在纵向轴线29上延伸；相对于该纵向轴线29，第一冷却孔20相比于第二冷却孔23更靠近涡轮4。

在一个优选的实施例中，第一冷却孔20具有一个第一角度以及第二冷却孔23具有一个第二角度。此外，可预见在第一和第二冷却孔20、23之间的至少第三冷却孔28；在该情形中，第三冷却孔28具有一个第三角度，该第三角度的大小在第一和第二角度之间，即，第三角度比第一角度更小但比第二角度更大。自然地，可预见第四以及甚至更多的冷却孔各自带有一个角度。

在本实施例中，第一角度是60度并且第二角度是0度。此外，如果提供第三冷却孔，则第三角度是45度。

第一和/或第二和/或第三冷却孔20、23、28可具有任何方向，例如，朝向涡轮或者它们可具有周向的方向。自然地，其它方向也是可能的。朝向涡轮的方向可用于产生保护壁18的冷空气膜。此外，第一和/或第二和/或第三冷却孔20、23、28可指向相同、不同或相反的方向。图7在平面中示出壁18的一部分；该图示出第一冷却孔20指向涡轮，第三孔28与第一孔20的方向成一角度指向，排35的第二孔23也与第一和第三孔二者的方向成一角度，以及排34的第二孔23周向地指向。标记55、56、57、58分别表示第一孔20的方向（方向55）、第二孔23的方向（方向56和57）以及第三孔28的方向（方向58）。

图6示出在平面中的壳8的视图，带有第一、第二和第三孔20、23、28。该图示出壁18具有第一孔20的一个排32、具有第二孔23的两个排34和35以及具有第三孔28的一个排33；每个排包括周向地分布在内壳8的壁18上的冷却孔。优选地，在排32中的更靠近涡轮4的第一孔20的数量比在排33中的第三孔28的数量更大；此外，在排34和35的每排中的第二孔23的数量比在排33中的孔20的数量更小并且也比在排33中的第三孔28的数量更小；优选地，在排34和35中的第二孔23的数量相同。自然地，根据需求，在每个排中的第一、第二或第三孔的数量相比于在其它排中的孔的数量可更大、相同或更小。

此外，优选地，如图6中示出，每个排的孔相对于更靠近涡轮的邻近排的孔并且优选地也相对于更靠近涡轮的所有其它排是交错的。在该方面中，排33的孔28相对于排32的孔20是交错的（即，它们具有不同的周向位置），排35的孔23相对于排33的孔28是交错的，以及排34的孔23相对于排35的孔23是交错的。

壁18也优选地提供有覆盖其暴露于热气体流的表面的热障涂层（TBC）层40并且该壁在其与暴露于热气体流的表面相对的表面处具有热交换增强器特征。热交换增强器特征包括粗糙涂层41，例如粘结涂层，该粘结涂层用作例如用以改善TBC层至基体材料的粘附的粘结涂层。

燃气涡轮的操作根据所描述和例示的内容是明显的并且基本上如下。

空气在压缩机2处压缩并且与燃料一起供给至燃烧器3。在压缩空气的存在下燃料的燃烧生成带有高的压力和温度的热气体45。热气体45经由过渡件5供给至涡轮4，热气体在涡轮处膨胀并且在转子11处收集机械动力。

当热气体45流动穿过渡件5时，它加热壁18；为了控制壁18的温度，在壁18的与面向环形室13的表面相对的表面处提供冷却空气46。然后该冷却空气46经由过渡件5和涡轮4之间的间隙47吹扫。由于该冷却空气46并且也由于在壁18至转子盖12之间的连接处向大金属质量块48的热传递，壁18的面向涡轮4的下游部分的温度比在壁18的上游部分处的温度更小（也更小很多）。

冷却孔20、23、28允许从在远离涡轮4的壁18的区域处出现的最高温度（TMAX）至在靠近涡轮4的壁18的区域处出现的最低温度（TMIN）的更柔和的温度梯度。

由于冷却孔可提供在对于期望的温度梯度最合适的壁18的位置处，因此它们也可用于在远离涡轮的区域（例如，在其中没有冷却孔而温度将是最高温度或接近该最高温度的区域）提供温度降低。

此外，由于冷却孔穿过壁18的不同延伸（更小的角度21导致穿过壁18的冷却孔的更大长度），带有不同角度的冷却孔允许在壁18的不同区域处的不同冷却。

另外，热气体远离壁18的偏转（具体地通过小角度21所实现的效果）消除来自热气体至壁18的热传递和/或冷却空气的保护膜的产生（具体地通过带有大角度21的冷却孔所实现的效果）也防止来自热气体45至壁18的热传递。

此外，TBC层40和粗糙涂层41也有助于TMAX的降低且因此有助于在壁18的长度上的更柔和的温度梯度，因为TBC层消除来自热气体45至壁18的热传递并且粗糙涂层41促进来自壁18的热移除。

图5示意性地描绘没有冷却孔的对于传统燃气涡轮的温度的过程并且示出利用不同的冷却孔方案可实现的更温和的温度下降。具体地，图5示出带有纵坐标轴上的温度T和横坐标轴上的壁18的长度L的图表。曲线50代表传统燃气涡轮中从最高温度（TMAX）至最低温度（TMIN）的温度过程，而曲线51和52代表带有不同冷却孔角度21从最高温度TMAX至最低温度TMIN的温度过程。这些曲线51和52示出孔的适当位置也允许在传统燃气涡轮中发生的温度降低之前的温度降低并且此外冷却孔角度的适当选择允许壁18上的期望的温度下降（具体地在轴线29的方向上），使得可实现温度降低的期望路径，优选为柔和的。曲线53示出TBC层40和粗糙涂层41在将TMAX减小至TMAX2方面的效果。

自然地，所述的特征可彼此独立地提供。

在实践中，所用的材料和尺寸可根据需求和技术水平随意地选择。

Claims (15)

1.一种燃气涡轮（1），包括压缩机（2）、一个或多个燃烧器（3），以及涡轮（4），其中，在所述一个或多个燃烧器（3）与所述涡轮（4）之间提供过渡件（5）用于将在所述一个或多个燃烧器（3）中所生成的热气体（45）引导至所述涡轮（4），所述过渡件（5）具有限定环形室（13）的内壳（8）和外壳（9），其特征在于，所述内壳（8）具有带有冷却孔（20、23、28）的壁（18），其中，更靠近所述涡轮（4）的第一冷却孔（20）相比于距所述涡轮（4）更远的第二冷却孔（23）具有更大的角度（21），每个角度（21）由所述冷却孔的指向所述环形室（13）的纵向轴线（25）和垂直于所述壁（18）的轴线（27）限定。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮（1），其特征在于，所述涡轮（4）具有纵向轴线（29），所述过渡件（5）在所述涡轮（4）的纵向轴线（29）上延伸并且所述第一冷却孔（20）相对于所述涡轮（4）的纵向轴线（29）比所述第二冷却孔（23）更靠近所述涡轮（4）。

3.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮（1），其特征在于，所述第一冷却孔（20）具有一个第一角度以及所述第二冷却孔（23）具有一个第二角度。

4.根据权利要求3所述的燃气涡轮，其特征在于，所述燃气涡轮在所述第一冷却孔（20）和第二冷却孔（23）之间包括至少第三冷却孔（28），所述第三冷却孔（28）具有一个第三角度，其大小在所述第一角度和所述第二角度之间。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的燃气涡轮（1），其特征在于，所述第一角度是60度以及所述第二角度是0度。

6.根据权利要求4至5中任一项所述的燃气涡轮（1），其特征在于，所述第三角度是45度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃气涡轮，其特征在于，所述第一角度和/或第二角度和/或第三角度（20、23、28）具有朝向所述涡轮的方向和/或周向方向和/或它们成一角度。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的燃气涡轮，其特征在于，所述第一角度和/或第二角度和/或第三角度（20、23、28）指向相同或不同的方向。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的燃气涡轮，其特征在于，所述壳体（8）具有仅一排（32）第一孔（20）、仅两排（34、35）第二孔（23）并且优选地仅一排（33）第三孔（28）。

10.根据权利要求9所述的燃气涡轮，其特征在于，在所述排（32）中的第一孔（20）的数量比在所述排（33）中的第三孔（28）的数量更大；在所述排（35）中的更靠近所述涡轮（4）的第二孔（23）的数量比在所述排（33）中的第三孔（28）的数量更小并且在所述排（34）中的更远离所述涡轮（4）的第二孔（23）的数量与在所述排（35）中的更靠近所述涡轮（4）的第二孔（23）的数量相同。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的燃气涡轮，其特征在于，每个排中的孔相对于更靠近所述涡轮的邻近排的孔是交错的并且优选地也相对于更靠近所述涡轮的所有其它排是交错的。

12.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮（1），其特征在于，所述壁（18）具有覆盖其暴露于热气体流的表面的TBC层（40）。

13.根据前述权利要求中任一项所述的燃气涡轮（1），其特征在于，所述壁（18）在其与暴露于所述热气体流的表面相对的表面处具有热交换增强器特征。

14.根据权利要求13所述的燃气涡轮（1），其特征在于，所述热交换增强器特征包括粗糙涂层（41），例如用作粘结涂层的涂层。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的燃气涡轮（1），其特征在于，所述压缩机（2）和所述涡轮（4）在所述过渡件（5）的相对的前侧面（16）处连接至所述内壳（8）和并且所述外壳（9），以及所述一个或多个燃烧器在所述过渡件（5）的侧向侧面（17）处连接至所述外壳（9）。

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