CN1269459A - 燃气透平的隔热屏 - Google Patents

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Abstract

一种燃气透平的隔热屏,它以环形方式封闭住一段燃气透平的旋转叶片,并由多个隔热屏段组成,该隔热屏段沿圆周方向布置,其纵向侧面上设有弯曲导轨,导轨上具有轴向伸出的第一臂,隔热屏段通过第一臂安装在具有恒定宽度B1的环形中间空间中,第一臂具有沿圆周方向变化的宽度B2,宽度B2在隔热屏段的端面处基本上等于宽度B1,并向着中央平面逐渐减小,从而在承受热负载时,隔热屏段可通过其第一臂在中间空间的预定区域内无阻碍地伸展。

Description

燃气透平的隔热屏
本发明涉及燃气透平的技术领域。它涉及燃气透平的隔热屏，特别是，该隔热屏以环形方式封闭住一段燃气透平的旋转叶片，并由多个隔热屏段组成，这些隔热屏段沿圆周方向一个接一个地布置，它们以环形段的方式弯曲，并从外部冷却。隔热屏段的纵向侧面被设计成对应弯曲的导轨，该导轨沿圆周方向延伸，并具有一个轴向伸出的第一臂，用于固定到燃气透平的壳体上，每个隔热屏段通过第一臂安装在具有恒定宽度的环形中间空间中。
例如，US-A-5,071,313公开了这样一种分段隔热屏。
燃气透平中的隔热屏通常具有限制热空气的流动空间以及防止燃气透平的壳体和支撑结构受到热气体和过度热输入的侵蚀的作用。为达到此目的，如在US-A3,864,056中所述，需要冷却隔热屏。这种冷却通常通过在远离热气体的一侧使冷却空气贴着隔热屏流动的方式达到。因此，会在隔热屏中产生温度差，并进而产生热致内应力，从而将使隔热屏承受过量负载。
在冷却过程中，在面对着热气体的前侧和允许冷空气进入的后侧之间产生一个温度梯度。因此，隔热屏的各个段将趋向于伸展或“伸直”，由于燃气透平的旋转对称性，这些段以环形段的形式弯曲。为了限制由此产生的内应力的影响，例如，在前面提到的US-A-5,071,313中，提出了在横向布置的隔热屏段的固定导轨中制出T形槽的方案。
由隔热屏段的热致伸直或弯曲所导致的另一个问题与它们安装或固定在燃气透平的壳体上有关。如果隔热屏或其各个段由于安装方式的原因防止了其伸直，那么就会产生内应力，这些内应力可能会超出所用材料的强度极限，从而导致断裂。在不同的燃气透平中使用隔热屏的经验表明，断裂情况的发生通常是由于因温度差而产生的内应力而导致的。为了避免这种内应力的产生，在EP-B1-0 728258中提出借助整体形成的钩形件将隔热屏段安装在壳体上，第一钩形件悬挂在隔热屏段的中部，并在它们之间留有少量间隙，而第二钩形件悬挂在隔热屏段的端部，并具有大的间隙，从而通过悬挂结构，使得在隔热屏段的热致伸长和第二钩形件的相关位移过程中，不会产生机械应力。
然而，这种设有间隙、利用第一和第二钩形件的已知安装方法具有以下缺陷：由于为了作为一实体将隔热屏段固定在其位置上，通过第一钩形件对隔热屏段的中心固定是不够的，因而必须附加插入一个带形件(如EP-B1-0 728 258的图2中的62)，以将隔热屏段保持在一个稳定的位置上。这样，使得在隔热屏的制造和安装过程中，需要相当多的额外费用。
因此，本发明的目的是提供一种用于燃气透平的(分段)隔热屏，它可以克服上述现有技术中的缺陷，特别是，可以通过一简单结构可靠地紧固隔热屏段，并且能够很容易地安装隔热屏段，以及基本上不防碍隔热屏段的热致伸直。
本发明的目的是通过以下结构实现的：根据本发明，提供了一种燃气透平的隔热屏，该隔热屏以环形方式封闭住一段燃气透平的旋转叶片，并由多个隔热屏段组成，这些隔热屏段沿圆周方向一个接一个地布置，它们以环形段的方式弯曲，并从外部冷却，隔热屏段的纵向侧面被设计成对应弯曲的导轨，该导轨沿圆周方向延伸，并具有一个沿轴向伸出的第一臂，用于固定到燃气透平的壳体上，每个隔热屏段通过第一臂安装在具有恒定宽度B1的环形中间空间中，本发明的特点是，第一臂具有一个沿圆周方向变化的宽度B2，该宽度B2在隔热屏段的端面处基本上等于环形中间空间的宽度B1，并向着隔热屏段的中央平面逐渐减小，以使得在承受热负载的过程中，隔热屏段可以通过其第一臂在环形中间空间中的预定区域内无阻碍地伸展。可见，本发明的实质在于借助于在纵向侧面延伸的导轨来安装隔热屏的各个分段，各分段在其端部基本上无间隙，而在其中部区域设有足够的间隙，从而使得在隔热屏段的热致伸直过程中，其中部区域可以无阻碍地沿径向位移。在这种情况下，位于各分段端部的隔热屏段的支承点形成伸展或伸直的枢转点。
根据本发明的隔热屏的一个第一优选实施例的特点是：在每种情况下，中间空间具有一个弯曲外径和一个弯曲内径；在隔热屏处于冷的状态时，第一臂具有一个弯曲外径和一个弯曲内径；所述两个弯曲外径基本上相等，所述第一臂的弯曲内径小于所述中间空间的弯曲内径。在该实施例中，隔热屏段中部区域的所需间隙通过设定不同的弯曲(曲率)半径的方式获得，该隔热屏段可以利用一磨削轮通过简单的方式加工成具有不同的弯曲半径。与此同时，避免了在隔热屏段边缘区域出现台阶或突变部分，而在这些地方，可能出现不利的机械应力状态。
该实施例的优选改进在于，第一臂的弯曲内径这样选择，以使得在加热到燃气透平的工作温度的过程中，由于隔热屏段的热致伸直，第一臂的弯曲内径转变成基本上与中间空间的弯曲内径相等。这一点所能达到的有利效果是，在冷的状态下，隔热屏段通过第一臂的整个外侧顶靠着紧固件，而在工作时，即热致伸直后，其通过整个内侧顶靠着紧固件，这样，隔热屏段和紧固件之间的力可以总被传递到一个大的区域上。
本发明的进一步改进的实施例中，所述中间空间形成于一个用于支撑隔热屏段的环形支撑件和两个夹持件之间，该两个夹持件布置在支撑件的两侧，并在支撑件的下方从两侧通过以L形向内弯曲的端部配合。
另外，本发明的又一个改进实施例中，在隔热屏段的导轨上平行设置有第二臂，该第二臂与第一臂相间隔，并位于第一臂的下方，从而在平行的第一和第二臂之间形成沟槽，夹持件在沟槽中通过L形弯曲的端部相配合。
下面，结合附图，参考例举性的实施例对本发明做进一步的详细解释。其中：
图1为一燃气透平的环形隔热屏支撑件的切开部分的纵向截面(即横向于透平轴线的截面)图，它带有由一夹持件形成的弯曲中间空间，用于安装本发明的隔热屏段；
图2为通过图1的II-II平面的截面图；
图3为本发明的一个优选实施例的隔热屏段的边缘区域的纵向截面图，该隔热屏段将容纳在图1或图2所示的紧固装置中；
图4为以IV-IV平面通过图3所示隔热屏段的横截面图；
图5为根据图1所示的紧固装置的代表性截面图，其带有根据图3所示的插入隔热屏段，并处于冷的状态下；
图6为通过图5中VII-VII平面的横截面图；
图7为通过图5中VI-VI平面的横截面图；
图8为根据图1所示的紧固装置的代表性截面图，其带有根据图3所示的插入隔热屏段，并处于热的工作状态下；
图9为通过图8中IX-IX平面的横截面图。
图1和图2分别示出了一燃气透平10的环形隔热屏支撑件11的切开部分的纵截面图，即横向于透平轴线的截面(图2中的I-I截面)图，以及横截面(图1中的II-II截面)图，它带有由横向布置的夹持件12，14形成的弯曲中间空间20，28，以安装或固持本发明的隔热屏段。如在US-A-5,071,313的图1中所示，燃气透平10中与壳体相连或其自身为壳体一部分的环形支撑件11环绕着一个转子部件(未示出)，该转子部件上固定有转动叶片。两个夹持件12，14在支撑件11的下方从两侧通过以L形向内弯曲的端部配合，该夹持件12，14横向布置在支撑件11上，并在本实施例中被设计成分离部件。但是，它也可以很容易地被设计成支撑件11的一个整体部分。以L形弯曲的端部与支撑件11的内侧之间具有一定距离，从而形成环形中间空间20，28，该环形中间空间20，28具有恒定的宽度B1，并由一个外径r1和一个内径r2(r1＝r2+B1)确定。夹持件12，14可以被移开，以安装隔热屏段。它们被同样地分段，在这种情况下，可以为一个或多个隔热屏段设置一个夹持件。
如图3和图4中分别以纵截面(图4中的III-III截面)和横截面(图3中的IV-IV截面)示出的隔热屏段13现在可以被插入到中间空间20，28中。隔热屏段13基本上包括一个沿纵向弯曲的矩形板，它由耐热材料制成，在其纵向侧面上(采用类似于US-A-5,071,313中图3所示的方式)形成有导轨23，24，以将隔热屏段固定在图1和2所示的支撑件结构中。弯曲的导轨23，24可以设有凹槽，每个凹槽分别具有一个顶臂18或26和一个底臂17或25，它们相互平行以及并平行于透平轴线而从隔热屏段13的纵向侧面向外延伸。顶臂和底臂18，17以及26，25之间分别具有一定距离，从而在它们之间分别形成一个弯曲沟槽19或27。在弯曲沟槽19或27中，夹持件12，14可以通过它们以L形弯曲的端部相配合。为形成隔热屏(以环形方式封闭)，适当数目的隔热屏段13沿圆周方向一个接一个地固定在支撑件11上。
图5和图7中，给出了本发明的隔热屏段13的导轨23，24中顶臂18，26的一种特定结构，其中，考虑到将隔热屏段13固定到支撑件11中，使得该结构更加清楚。在这种情况下，与图1和图3相对照，图5示出了通过所述结构布置(图6中的V-V截面或隔热屏段13的中央平面)的纵截面，图6示出了沿图5中的VI-VI平面的横截面，以及图7示出了沿图5中的VII-VII平面的横截面。通过比较隔热屏段13的顶臂18的宽度B2(图3)和中间空间20的(恒定)宽度B1，可以很明显地看到，宽度B2是非恒定的，其近似等于中间空间20的宽度，但是，该宽度B2在隔热屏段13的端面21，22(图3)处最大，向着中央平面16逐渐减小，并在中央平面16处最小。这最好是通过将顶臂18(或26)的外径r3(图3)选择为近似等于中间空间20(或28)的外径r1，以及将顶臂18的内径r4选择为显著小于中间空间20的内径r2的方式来实现。在这种情况下，外径r1和r3具有相同的中心基准，而内径r4的中心相对于内径r2的中心径向向外偏移，其偏移程度使得在隔热屏段13的端面21，22处，顶臂18，26的(最大)宽度B2近似等于中间空间20，28的宽度B1。这样的结果是，隔热屏段13以这样的方式固持和安装在中间空间20，28中，它在两个(相对)端面21，22处基本上无间隙，而向着中央其间隙逐渐增大。
图5-7示出了处于冷的状态下的燃气透平。在热的工作状态下，热气流进入隔热屏段13的内侧，而冷却空气流入形成于隔热屏段13和支撑件11之间的空腔15中，以冷却各隔热屏段和冲击隔热屏段的外侧。由于该热负载的作用，如图8和图9所示，与图5和图6相比，隔热屏段13被“伸直”或伸展。在此过程中，在隔热屏段13的端面21，22处抵靠在夹持件12上的边缘部分便形成两个枢转点，而隔热屏段在中央部分径向向内位移。如图8所示，这种伸展现象可能一直无阻碍地进行下去，直到顶臂18，26的内径r4等于中间空间20，28的内径r2为止。在冷的状态下，内径r4可以按这样的方式优选，以使得在燃气透平的正常工作温度下，能够得到图8所示的精确状态(r2＝r4)。那么，在紧固后，没有附加的力作用在隔热屏段13上。然而，也可以这样选择内径r4，以使得在一个低于工作温度的温度下便已经达到图8所示的状态。那么，尽管在工作温度下有附加力产生，由于所存在的间隙在此之间已经被用尽，与本身没有间隙的安装情况相比，这种力要小。相应地，可以设想，也可以设置比所需要的间隙更大的间隙。隔热屏段13的底臂17，25在很大程度上可以不受约束地加以设计，只要其不防碍所述的伸直过程即可。它们主要用于屏蔽夹持件12，14，以将其与热气流隔离开。
通过在端面上进行无间隙的安装与在隔热屏段的中央区域设置足够间隙以利于伸直的设计相结合，本发明能够实现隔热屏段的无热机械负载的可靠紧固。由于所需要的间隙可以通过适当选择弯曲/曲率半径(r3，r4)的方式获得，因此，隔热屏段可以通过以简单的方式制造出铸造件，然后再用磨削轮磨削出所希望的弯曲半径的方式得到。

Claims (5)

1.一种燃气透平(10)的隔热屏，该隔热屏以环形方式封闭住一段燃气透平(10)的旋转叶片，并由多个隔热屏段(13)组成，这些隔热屏段(13)沿圆周方向一个接一个地布置，它们以环形段的方式弯曲，并从外部冷却，隔热屏段(13)的纵向侧面被设计成对应弯曲的导轨(23，24)，该导轨(23，24)沿圆周方向延伸，并具有一个沿轴向伸出的第一臂(18或26)，用于固定到燃气透平(10)的壳体上，每个隔热屏段(13)通过第一臂(18，26)安装在具有恒定宽度(B1)的环形中间空间(20，28)中，其特征在于，第一臂(18，26)具有一个沿圆周方向变化的宽度(B2)，该宽度(B2)在隔热屏段(13)的端面(21，22)处基本上等于环形中间空间(20，28)的宽度(B1)，并向着隔热屏段(13)的中央平面(16)逐渐减小，以使得在承受热负载的过程中，隔热屏段(13)可以通过其第一臂(18，26)在环形中间空间(20，28)中的预定区域内无阻碍地伸展。
2.如权利要求1所述的隔热屏，其特征在于，中间空间(20，28)具有一个弯曲外径(r1)和一个弯曲内径(r2)，在隔热屏段(13)处于冷的状态下时，第一臂(18，26)具有一个弯曲外径(r3)和一个弯曲内径(r4)，所述两个弯曲外径(r1，r3)基本上相等，所述第一臂(18，26)的弯曲内径(r4)小于所述中间空间(20，28)的弯曲内径(r2)。
3.如权利要求2所述的隔热屏，其特征在于，所述第一臂(18，26)的弯曲内径(r4)这样选择，以使得在加热到燃气透平(10)的工作温度的过程中，由于隔热屏段(13)的热致伸展，该第一臂(18，26)的弯曲内径(r4)变成基本上与中间空间(20，28)的弯曲内径(r2)相等。
4.如权利要求1-3中任何一个所述的隔热屏，其特征在于，中间空间(20，28)形成于一个用于支撑隔热屏段(13)的环形支撑件(11)和两个夹持件(12，14)之间，该两个夹持件(12，14)布置在支撑件(11)的两侧，并在支撑件(11)的下方从两侧通过以L形向内弯曲的端部配合。
5.如权利要求4所述的隔热屏，其特征在于，在隔热屏段(13)的导轨(23，24)上平行设置有第二臂(17或25)，该第二臂(17或25)与第一臂(18，26)相间隔，并位于第一臂(18，26)的下方，从而在平行的第一和第二臂(17，18及25，26)之间形成沟槽(19，27)，夹持件(12，14)在沟槽(19，27)中通过L形弯曲的端部相配合。
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