CN1320764A - 轴流式燃气涡轮的涡轮壳 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轴流式燃气涡轮的涡轮壳。该涡轮壳围绕着至少一个位于一压缩机段(7)和一燃气涡轮段(6)之间的热气空间(5),并具有作为外部边界的外壳(1)以及一与该外壳分离设置的内部元件(2),内部元件(2)通过一环形空间(3)将热气空间与外壳分开。内部元件(2)通过两个轴向界面(4)与外壳(1)相连,并相对于热气空间(5)被密封。通过这种结构,涡轮壳可承受更高的压力和温度,并可经济地生产。
Description
本发明涉及轴流式燃气涡轮的涡轮壳，该涡轮壳围绕着至少一个位于一压缩机段和一涡轮段之间的热气空间，并具有作为一外部边界的外壳，以及通过一空隙将热气空间与外壳分隔开的内部元件。
就轴流式燃气涡轮而言，通常情况下，一个或多个压缩机段和一或多个涡轮段被布置在一单一轴上。从压缩机出来的被高度压缩和加热的气体被供应到位于涡轮壳内压缩机段和涡轮段之间的燃烧室中。由于发生在此区域的高压及高温作用，燃气涡轮的涡轮壳暴露在高的负荷下。
伴随着可提高压缩机最终温度的高压缩比压缩机的发展，对涡轮壳的机械和热稳定性提出了更严格的要求。为满足随压缩比的提高而不断增加的热负荷和机械负荷，高级(优质)材料必须被不断发现并被应用。同时，必须提供愈来愈大的涡轮壳的分离法兰螺纹连接件，以承受这些负荷。这些因素都大大提高了生产成本。
另一个限制因素是在工业燃气涡轮领域所采用的制造方法，在该方法中，构成涡轮壳的外壳通过铸造方式制成。然而，由于所使用的系统的制约，通过铸造方法生产出的涡轮壳的机械和热负荷承载能力均受到限制。
本发明的目的是提供一种轴流式燃气涡轮的涡轮壳，该涡轮壳可经济地生产，并能够承受非常高的压力和温度。因此，该涡轮壳能够可靠地工作在压缩机最终压力大于30巴、温度达到550-570℃的区域中。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现。即，本发明提出一种轴流式燃气涡轮的涡轮壳，该涡轮壳围绕着至少一个位于一压缩机段和一涡轮段之间的热气空间，并具有一作为外部边界的外壳，以及一个与外壳分开设置的内部元件，该内部元件通过一空隙将热气空间与外壳隔开。该内部元件通过两个轴向界面与外壳相连，从而使内部空间相对于热气空间被密封。
因此，根据本发明的涡轮壳由一外壳和一内部元件组成。通过设置上述两个部件，形成于内部元件和外壳之间的空隙中具有比被内部元件围绕的热气空间中低的压力和温度。这一点是可能的，尤其是在该空隙与热气空间密封隔开的情况下。通过对该空隙的适宜控制，可在该空隙中设定预定的压力。
通过将根据本发明的涡轮壳分成外壳和内部元件，在工作期间出现的热和机械负荷将被分配到这两个部件上。在这种情况下，内部元件(下文中称作热气元件)以这样的方式设计，即它可承受由热气空间和所述空隙之间的压差以及热气空间中的高温导致的周向应力。为此，优选的是，该热气元件由高级材料制造。
外壳仅需具有足够的刚度，以便能一方面传递燃气涡轮的静力，且另一方面可承受所述空隙和环境大气之间的压差。由于通过内部元件和所述空隙与热气空间分隔开，因此作用在外壳上的温度显著下降。这种热负荷还可以通过在内部元件和外壳之间的空隙中供入适宜的冷却空气进一步抵消。这样也减少了在蒸汽和燃气涡轮中常见的通常由定子变形引起的所谓“弓曲”现象。
根据本发明构造的涡轮壳可在压缩机最终压力大于30巴以及相应高温的条件下工作。由于对外壳降低了要求，因此外壳可用传统的铸造方法和普通材料制造，而高级材料仅需用于受高温和高压作用的内部元件上。
在根据本发明的涡轮壳的一个十分有益的实施例中，内部元件通过沿轴向作用的表面压力与外壳相连。在这种情况下，优选地，外壳具有两个向内凸出的连续突起或腹板，以作为内部元件置于其上的轴向界面。为此，内部元件沿轴向必须具有足够的挠性，以便在燃气涡轮的整个工作周期中通过外壳在轴向界面处建立起足够的表面压力，以达到所需的密封效果。优选地，通过金属密封来达到所述密封效果，即在轴向界面和与轴向界面形成接触的内部元件的界面处均具有金属密封表面。具有腹板的外壳当然也应具有足够的刚度，以吸收由形成金属密封的表面压力所引起的轴向力。作为这种改进的结果，根据本发明的涡轮壳可以以非常简单的方式生产。
在该涡轮壳的一个进一步改进中，外壳及内部元件的材料这样选择，即使得在工作期间，在所述部件的界面之间应具有足够的表面压力，以达到密封的目的。优选地，制造内部元件的材料的纵向热膨胀系数比制造外壳的材料的纵向热膨胀系数小。因此，由作用到两个部件上的不同温度而引起的不同的热膨胀可以得到补偿。在每种情况下，所述材料都以这样的方式选择，即使得在工作期间，外壳和内部元件之间的密封作用不会被降低。
通过在适宜的压力下向内部元件和外壳之间的空隙中通入一介质，则例如在热气空间中的压力为32巴时，所述空隙中的压力可保持为16巴。这样，内部元件和外壳仅需承受16巴的压差。
根据本发明的涡轮壳还使得即使在压缩机的高压条件和部件的直径很大的情况下，外壳和内部元件也可选择较小的分离法兰螺纹连接件和较简单的材料和几何尺寸。这样，也导致了这种类型的涡轮壳的成本的降低。
本发明的另一个优点是涡轮壳的生产过程很简单，其中，内部元件只需被夹持在两个轴向界面之间。由此，不需另外的可能导致热应力或断裂的连接技术。
以下结合附图，通过一个实施例(并不构成对本发明的限制)对根据本发明的涡轮壳做进一步的说明，其中：
图1示出了一举例说明的涡轮壳的示意性截面图；和
图2示出了图1所示的涡轮壳的透视截面图。
图1中示意性地示出了一轴流式燃气涡轮的涡轮壳的实例。图中示出了围绕一中心轴线8对称设置的涡轮壳的上部。这里，该中心轴线对应于燃气涡轮的轴线，一轴和涡轮及压缩机叶片一起沿此轴线旋转。该涡轮壳由外壳1和内部元件2组成。在本实施例中，两者都呈环状围绕着热气空间5。压缩机段7靠近右侧，而带有涡轮段的膨胀空间6靠近左侧。燃烧室壁9被(仅示意性地)示于热气空间5中。燃烧室可具有任何所需的形状。在这种情况下，环形燃烧室和如在现有技术中已知的多级燃烧室都可采用。热气空间5包含有从压缩段7流出的高温压缩气体，以及从燃烧室排出的热气。
热气空间5被内部元件2包围。在内部元件2和外壳1之间形成一环形空间3，它通过轴向界面4与热气空间5密封隔开。界面4被设计成一金属密封表面，内部元件2的端面压在其上，由此产生用于金属密封的表面压力。在这种情况下，装配时，内部元件2夹持在限定于两个界面4之间的装配间隙中。在瞬时操作期间，如启动和关断时，一附加元件(例如内置薄膜密封件)起密封作用。而在正常操作情况下，外壳1和内部元件2彼此相对地支承。在这种情况下，界面自身被形成为径向连续的突起或腹板，其密封表面与中心轴线8垂直。在该区域，外壳1和内部元件2均具有向外弯曲的形状。这种形状有助于在两个轴向界面4间夹持住内部元件2。
热气空间5和环形空间3之间的密封允许环形空间中的压力与热气空间中的压力显著不同。由此，内部元件2仅需要承受热气空间和环形空间之间的压差，而外壳1仅需承受环形空间3和外部环境10(即大气压力)之间的压差以及燃气涡轮的静力。此外，通过内部元件2和环形空间3将外壳1与热气空间5分开，施加在外壳1上的热负荷被降低，因此外壳可用普通耐热材料制造。
因此，外壳可用例如Stg41T制造，而受到更高热负荷作用的内部元件2则用例如Stg10T制造。
至于常规设计的涡轮壳，其整个壳体必须由高级材料制造。在这种情况下，以铸造方式制成的这种类型的涡轮壳将不能承受高的内压。
与此相对照，根据本发明的涡轮壳仅仅是内部元件需由高级耐热材料制造，而外壳则可用传统方式铸造。一方面，这会降低成本；另一方面，这种设计可经受得住更高的压缩机最终压力。
图2以透视截面图示出了相同的实施例。在该视图中，外壳1和内部元件2连同位于它们之间的环形空间3的弯曲形状可以看得十分清楚。由从外壳1中向内伸出的连续腹板形成的两个轴向界面4同样很明显。这些界面优选与外壳制成一体。
这种形式的涡轮壳的外壳1可非常容易地通过铸造技术制出。然后，将热气空间5与环形空间3隔开的内部元件2只需夹持在两个界面4之间即可。
内部元件2的材料和外壳1的材料之间的适当差别使得可将一与温度无关的内部元件2的表面压力施加到轴向界面4上。向环形空间3中提供一介质(例如冷却介质如空气)的供给装置在图中未示出。通过这些供给装置，可在环形空间中保持预定的压力。
Claims (7)
1、一种轴流式燃气涡轮的涡轮壳，该涡轮壳围绕着至少一个位于一压缩机段(7)和一涡轮段(6)之间的热气空间(5)，并具有一个作为外部边界的外壳(1)，以及一通过一环形空间(3)将热气空间(5)与外壳(1)分隔开的内部元件(2)，该内部元件(2)通过两个轴向界面(4)与外壳(1)相连，以使得环形空间(3)相对于热气空间(5)被密封。
2、根据权利要求1所述的涡轮壳，其特征在于，内部元件(2)被夹持在两个轴向界面(4)之间，从而使得其与外壳(1)的连接通过沿轴向作用的表面压力来实现。
3、根据权利要求2所述的涡轮壳，其特征在于，外壳(1)和内部元件(2)由不同的材料制成，以使得当燃气涡轮工作时，可在所述轴向界面处建立起足够的表面压力，从而使环形空间(3)相对于热气空间(5)被密封。
4、根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮壳，其特征在于，所述轴向界面(4)被设计成金属密封表面。
5、根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮壳，其特征在于，外壳(1)和内部元件(2)呈环状围绕着热气空间(5)。
6、根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮壳，其特征在于，内部元件(2)具有向外弯曲的形状。
7、根据权利要求1至6中任一项所述的涡轮壳，其特征在于，外壳(1)具有一个或多个向环形空间(3)中供给介质的小孔。
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