CN1278020C - 涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡轮机(6)，特别是燃气轮机。根据本发明，设置了带有接收区(50)的密封元件(44)，用于密封在涡轮机(6)圆周方向(36)上彼此相邻的导向叶片(18)。导向叶片(18)的垫块(21)延伸进所述接收区中。垫块(21)的边缘区域与传统密封相比不需加固，其能使整个垫块均匀冷却。因此，可采用封闭的冷却系统(62)，特别是以蒸汽冷却。

Description

涡轮机
技术领域
本发明涉及一种涡轮机，特别是燃气轮机。
背景技术
在涡轮机中，特别是在产生能源的电站的涡轮机组的燃气轮机中，热的燃气导入涡轮机中，结果使得其上设置有移动叶片的轴被驱动。该轴通常连接至发电机以备产生能源。移动叶片径向向外延伸。静止的导向叶片设置在相对方向，就是说从外侧向内径向地设置。如从涡轮机的纵向可见，导向叶片和移动叶片以齿状方式彼此啮合。涡轮机通常具有多个涡轮机阶级(a turbine stage)，导向叶片环设置在各级，即，多个导向叶片彼此邻接地设置在涡轮机的圆周上。各个导向叶片环在轴向依次设置。通过涡轮机的热气的流动路径在下文称作燃气空间。
导向叶片每一个都包括径向延伸进燃气空间并联接到垫块上的叶片轮叶，经由叶片轮叶，导向叶片固定到所称谓的导向叶片载体上。导向叶片的各垫块形成基本上封闭的表面，并向外限定燃气空间。为了使各垫块之间的泄漏间隙尽可能的小，通常在各垫块之间设置了密封件。
在传统密封件变体中，垫块边缘区域增厚，特别是在垫块在圆周上彼此邻近的情况下，端面凹槽被加工而变厚。为了密封，共用密封片引入到相邻垫块的互相面对的凹槽中。
其中设置有用于密封片的凹槽的边缘区域的厚重结构出现了垫块上有热负荷的问题。由于涡轮机中的高温，垫块通常借助冷却剂冷却。在该情况下，对于厚重边缘区域不得不采取特殊的冷却措施，才不会在厚重边缘区域和垫块的相对较薄板的区域之间产生过度的热应力。
由于不存在引导通过厚重边缘区域冷却孔的可能性，例如通过该冷却孔冷却的空气可以流动，在设置封闭的冷却回路(例如一封闭的蒸汽冷却回路)来冷却时该问题有所严重。相反，在封闭的冷却回路情况下，这种孔必须是制造成盲孔，该情况下，因为冷却介质几乎不会充分地流过盲孔，所以冷却效率自然较低。
在另一种密封的变体中，凹槽和密封片从位于燃气空间侧的热燃气侧缩回，而且在密封元件下方的厚重边缘区域有一底切(undercut)。这样又有冷却剂充分地流过该底切的问题。第三种密封的变体中，冷却管道在垫块自身主体内，该密封的生产较复杂。特别是，出现的问题是：为了在垫块铸造过程中形成冷却管道，借助隔离件定位的孔也必须铸造进其中。孔和隔离件在铸造之后通过适当措施去掉，由此形成的空腔可用作冷却管道。然而，冷却管道经由隔离件产生的空腔连接到外部，从而封闭的冷却回路难以实现。
发明内容
本发明的目的是在涡轮机中在相邻导向叶片之间设计适于简单冷却的密封。
根据本发明的目通过如下的涡轮机，特别是燃气轮机而实现，其具有燃气空间和大量导向叶片，其中每一个导向叶片都具有垫块和从垫块径向延伸进入燃气空间中的叶片轮叶，具有接收区的密封元件设置在相邻导向叶片的垫块之间，垫块延伸进入接收区中。
该构造的基本思想看起来与传统的密封片在垫块的相应凹槽中的密封原理相反。传统情况中为了精确，必须对凹槽区域中的垫块的边缘进行加固，由此最终导致冷却的问题。在本发明中，与该密封原理相反，密封片不插入垫块中，而是相反，垫块进入密封元件中。其避免了对于垫块边缘区域进行加固的需要。由此简化冷却方法，而且垫块在所有区域中均匀地冷却，因而不会产生热应力。
在优选的设计中，密封元件设计成H形横截面，两根纵翼经由一根横翼连接，在两根纵翼之间形成两个由横翼隔开的接收区，相邻导向叶片的垫块延伸进接收区中。由此密封元件以其两根纵翼局部覆盖着相邻垫块，因此除了密封特性之外，垫块还由密封元件支持。
鉴于在涡轮机制造过程中需要组装，密封元件优选设置在涡轮机圆周方向上彼此相邻的导向叶片之间。
根据优选的改进，垫块各自具有弯离燃气空间的侧边，特别是径向向外弯离的，密封元件设置在相邻导向叶片的两个侧边之间。因此密封元件的有效密封高度得以增加，而垫块的板厚没有增加。在该情况下的垫块的两个弯离侧边支承(特别是)在H形密封元件的横翼上。
为了实现均匀冷却以及相应避免热应力，侧边具有与其余垫块基本上相同的材料厚度。
为了防止密封元件伸进燃气空间中，朝向燃气空间的垫块的前侧在密封元件的区域中具有从燃气空间缩回的而且其上靠有密封元件的支承表面。同时，优选密封元件与垫块平齐。在优选的改进中，为了冷却密封元件，在密封元件和垫块之间有一流动路径，该流动路径为用于空气泄漏的间隙。因此，为了保持密封元件区域中和垫块侧边的低热负荷，不需要绝对的气密性。通常，涡轮机中环绕燃气空间的外部空间保持比燃气空间高的压力，从而空气从外部经由漏气间隙进入燃气空间，避免了热空气从燃气空间外流。
在特别优选实施例中，冷却剂能够流经其中的封闭的冷却系统设置在背对燃气空间的垫块的后部区域中，即外部空间中。冷却剂在此情况下为(特别地)蒸汽。或者，所用的冷却剂还可以为液体，如水；或者为另一种气体，如空气或氢气。这种封闭的冷却系统使垫块和整个导向叶片能有效、有方向性且均匀地冷却。
优选地，冷却剂同时能够在远离燃气空间的垫块的整个后侧(特别是直接地)上流动，从而在冷却剂和垫块中间发生直接的热交换。
为了实现垫块的有效冷却，用于冷却剂的流入管形成在外部导向片和挡片之间，挡片设置在外部导向片和垫块之间并具有开向垫块的流动开口，用于冷却介质的回流管道形成在挡片和垫块之间。因而以简单方式实现具有高冷却作用的封闭冷却系统。工作期间，冷却剂通过流入管道供给，并以高速经由挡片中的(特别是)喷嘴状开口而引导到垫块之上。加热的冷却剂接着从回流管道中排出。
优选的，挡片通过支承元件而支承在垫块上，使得挡片与垫块保持一确定的距离。
为使紧固简单，优选挡片紧固到垫块的弯离侧边，并且导向片紧固(特别地)到挡片上。
为实现垫块的简单安装，以及垫块在圆周方向和轴向上在相邻涡轮机阶段之间的良好密封，优选所述的密封元件设置用于圆周方向上的密封，另一个密封元件设置用于轴向上的密封。因此根据方向不同，特别是出于组装的原因，采用不同设计的密封元件。
该另一个密封元件将垫块(优选)在背对燃气空间的垫块后侧上以订书钉的形式彼此连接。该情况中的重要优点可从跨越两个垫块的该另一个密封元件的订书钉状结构中得以看出。在该情况中，该另一个密封元件(特别是)在多个方向上被设计成弹性的，使得在热膨胀中该密封元件跟随垫块而不会打开一间隙。因此由该另一个密封元件进行的密封不会受到热膨胀的很大影响。
附图说明
本发明示例性实施例在下文参照附图进行详细描述，其中各情形都是极为示意性的示出。
图1示出涡轮机设备；
图2示出在传统实施例中在涡轮圆周方向上彼此相邻的两个垫块(footplate)之间的密封区；
图3示出在根据本发明结构中的密封区；和
图4示出特别用于在涡轮机设备轴向上设置成彼此邻接的垫块的密封件。
具体实施方式
根据图1，涡轮机设备2，特别是用于产生能源的电站的涡轮机组的燃气轮机设备，包括燃烧室4和在涡轮机设备2的纵向或轴向8上设置在燃烧室4下游的涡轮机6。涡轮机6被切开示出其一部分区域，可看见涡轮机6的燃气空间12。热燃气HG通过涡轮机6的流动路径标作燃气空间12。
在工作中，燃烧室4经由进气管14供给燃气BG，该燃气在燃烧室4中燃烧并形成所述热燃气HG。热燃气HG流经涡轮机6，HG经由排气管16成为冷却的燃气KG。热燃气HG在涡轮机6中由导向叶片18和移动叶片20引导。在该情况下，在其上设置移动叶片20的轴22被驱动。轴22连接到发电机24上用于产生电能。
移动叶片20从轴22径向向外延伸。导向叶片18具有垫块21和固定到垫块上的轮叶23。导向叶片18经由其垫块21向外固定到涡轮机6上并径向延伸到气体空间12中，在垫块上是所谓的导向叶片载体26。如在纵向8上可见，导向叶片18和移动叶片20以齿状彼此啮合。多个移动叶片20和多个导向叶片18结合形成环，各导向叶片环代表涡轮机的一个级。
在图1的示例性实施例中，第二涡轮机级28和第三涡轮机级30借助示例示出。
各导向叶片18的垫块21在涡轮机6的轴向8和圆周方向32上都彼此邻接，并且向外限定燃气空间12。
互邻的垫块21彼此相对密封，以使它们之间的间隙34漏气尽可能少。
根据传统的在圆周方向32彼此邻接布置的两个垫块21的密封变体来说，垫块具有增厚的边缘区域36，如图2所示。相对定位的而且插有共用密封片42的凹槽40加工在相邻垫块21的边缘区域36的端面38中。该密封原理必须要有加固的边缘区域36，根据该密封原理，垫块21接收呈密封片42形式的密封元件。通常，该边缘区域36的厚度D1比其余垫块21的厚度D2大3至5倍。
边缘区域36和其余垫块21的不同材料厚度导致垫块21在一致、均匀冷却方面存在问题，从而有热应力的危险。
为了避免该问题，根据图3所示优选实施例，与传统密封原理相反，在该情况中，垫块21延伸到密封元件44中。密封元件44设计成H形横截面，并具有经由横翼48彼此连接的两根纵翼46。
因此，密封元件44设计成“双T形梁”的形式。两根纵翼46之间形成两个接收区50，两个接收区由横翼48隔开，垫块21延伸到接收区中。作为H形结构的备选方案，密封元件44可具有T形结构，就是说只有一根纵翼46。在这种密封元件44中，所形成的接收空间是敞开的。
在密封元件44的区域中，垫块21的前侧52各自具有支承表面54，该支承表面从燃气空间12缩进，密封元件44的一根纵翼46靠在支承表面上，所述前侧朝向燃气空间12。为此目的，垫块21在密封元件44的区域中具有台阶状结构。邻接台阶的垫块21的端部区域从气体空间12近似垂直地向外弯曲，并且在各种情况下都形成弯曲或径向延伸的侧边56。相邻垫块21的侧边56直接贴合地配合在横翼48上。由此实现密封高度H的增加，而不需在密封区域中加固垫块21。设计成泄漏间隙的流动路径58形成在密封元件44和至少一个垫块21之间，从而(例如)，来自背对燃气空间12的外部空间60的气体经由流动路径58流进燃气空间12中，因此冷却密封区域，即密封元件44和侧边56。
为了冷却垫块21，(特别地)设置了封闭的冷却系统62，其采用(优选)水汽作为冷却剂，其在图3中详细示出。该封闭的冷却系统62具有流入管64和回流管66。流入管64形成在外部导向片68和挡片70之间，挡片70设置在导向片68和垫块21之间。
挡片70具有设计成喷嘴形式的流入口72，从而经由流入管64供给的冷却剂沿箭头所示流入到回流管66中。借助流入口72的喷嘴状工作，冷却剂贴在垫块21的后侧74被高速引导，从而实现冷却剂和垫块21之间的有效热交换。为了使冷却系统62均匀作用，挡片70支承在垫块21上，并通过(例如)呈焊点或焊块形式的支承元件76与垫块保持一距离。挡片70直接固定到(特别是焊接到)垫块21的侧边56，而且导向片68固定到挡片70上。
由于组装和冷却的原因，提供了图3所示的密封布置，特别是为了在圆周方向32上彼此相邻的两个导向叶片18。因此，所示的流入管64和回流管66在涡轮机6的轴向延伸。导向叶片环的垫块21由此借助H形密封元件44相对彼此密封。由于组装的原因，对于连续的涡轮机级28、30的垫块21(所述垫块在轴向8上彼此相邻)来说，该密封虽然在原理上可行但不太适合，。
为了在轴向8上彼此相邻的垫块21的密封，根据图4，提供了另一个密封元件80，其在垫块21的后侧74上以订书钉状方式将垫块21彼此连接。在该情况下，引入又一个密封元件80，并将密封元件固定在凹槽82中，凹槽82基本上径向地从后侧74延伸到垫块21中。如图4所示，又一个密封元件80(例如)是具有通过弧84连接的两个翼86的U形结构。
作为其备选方案，该另一个密封元件80具有折叠形式的起伏状结构。细长U形构型或其他带有起伏状结构的构型具有如下作用，即该另一个密封元件80是弹性的，并且作为热膨胀的结果，使得垫块21有全面的可动性。图4还示出设置在后侧74上的钩状件88，借助该钩状件，导向叶片18被钩进导向叶片载体26中(图1)。

Claims (15)

1.一种涡轮机(6)，具有燃气空间(12)和大量导向叶片(18)，其中每一个导向叶片都具有垫块(21)和从垫块径向延伸进入燃气空间(12)中的叶片轮叶(23)，具有接收区(50)的密封元件(44)设置在相邻导向叶片(18)的垫块(21)之间，垫块(21)延伸进入接收区(50)中。
2.根据权利要求1所述的涡轮机(6)，其特征在于，所述密封元件(44)设计成H形横截面，两根纵翼(46)经由一根横翼(48)连接，在两根纵翼(46)之间形成两个由横翼(48)隔开的接收区(50)，相邻导向叶片(18)的垫块(21)延伸进接收区中。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮机(6)，其特征在于，所述密封元件(44)设置在沿涡轮机圆周方向(32)上彼此相邻的导向叶片(18)之间。
4.根据权利要求1或2所述的涡轮机(6)，其特征在于，垫块(21)各自具有弯离燃气空间(12)的侧边(56)，密封元件(44)设置在相邻导向叶片(18)的两个侧边(56)之间。
5.根据权利要求4所述的涡轮机(6)，其特征在于，侧边(56)具有与其余垫块(21)基本上相同的材料厚度。
6.根据权利要求1或2所述的涡轮机(6)，其特征在于，朝向燃气空间(12)的垫块(21)的前侧(52)在密封元件(44)的区域中具有用于支承元件(44)的支承表面(54)，所述支承表面从燃气空间(12)缩回。
7.根据权利要求6所述的涡轮机(6)，其特征在于，所述密封元件(44)与垫块(21)平齐。
8.根据权利要求1或2所述的涡轮机(6)，其特征在于，为了冷却密封元件(44)，在密封元件(44)和垫块(21)之间有空气的流动路径(58)。
9.根据权利要求1所述的涡轮机(6)，其特征在于，冷却剂能够通过其中流动的封闭的冷却系统(62)设置在垫块(21)的背对燃气空间(12)的后部区域中。
10.根据权利要求9所述的涡轮机(6)，其特征在于，冷却剂能够在流经背对燃气空间(12)的垫块(21)的后侧(74)。
11.根据权利要求9或10所述的涡轮机(6)，其特征在于，用于冷却剂的流入管(64)形成在外部导向片(68)和挡片(70)之间，挡片设置在外部导向片(68)和垫块(21)之间并具有开向垫块(21)的流动开口(72)，用于冷却介质的回流管道(66)形成在挡片(70)和垫块(21)之间。
12.根据权利要求11所述的涡轮机(6)，其特征在于，挡片(70)通过支承元件(76)而支承在垫块(21)上。
13.根据权利要求11所述的涡轮机(6)，其特征在于，挡片(70)紧固到垫块(21)的弯离侧边(56)，并且导向片(68)特别紧固到挡片(70)上。
14.根据权利要求1或2所述的涡轮机(6)，其特征在于，所述密封元件(44)在圆周方向(32)上设置在彼此相邻的垫块(21)之间，而且在轴向(8)上彼此相邻的垫块(21)带有另一个密封元件(80)，该另一个密封元件(80)将垫块(21)在背对燃气空间(12)的后侧(74)上以订书钉方式彼此相连。
15.根据权利要求1所述的涡轮机(6)，其特征在于，所述涡轮机(6)是燃气轮机。
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