CN1379167A - 构成导流环的模制件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种构成燃气轮机(1)上导流环(21)的模制件(30),一方面应该生产成本低廉,另一方面应该以非常有效的方式用蒸汽作冷却剂来冷却。为此,依据本发明,该模制件(30)包括一个底板(34),该底板和与其配置的其中一块导流板共同构成了一个用于冷却剂的流动通道(36),该通道(36)沿该导流环(20、21)轴向的横截面基本上在该底板的整个宽度范围内延伸。

Description

构成导流环的模制件

技术领域

本发明涉及一种能够构成燃气轮机导流环的模制件(Formstueck)以及一种具有由多个这种模制件组成的导流环的燃气轮机。

背景技术

这种燃气轮机在很多领域中被应用于驱动发电机或者工作机。利用燃料中所含能量来推动涡轮轴转动。为此，要在燃烧室中燃烧这种燃料，就需要输送由空气压气机压缩的空气。因此在燃烧室中通过燃料燃烧产生的高压和高温工作介质经膨胀作功流过一个在燃烧室之后的一个涡轮单元。

为了使涡轮轴产生旋转运动，可在上面设置一定数量的组装成叶片组或叶片列的工作叶片，它们通过流动介质的动量转移驱动涡轮轴。此外，为了引导在涡轮单元中的流动介质，一般在相邻的工作叶片组之间设置与涡轮外壳相连接的导向叶片组(列)。为了更适合引导工作介质，将这些导向叶片制成片状，在它的端部还形成一个平台状的叶根，以便将涡轮叶片固定在各支座上。该平台一般是固定或卡钩在涡轮单元的内壁上，从而利用它朝向涡轮单元内腔的表面限制流过涡轮单元的工作介质的流动范围。为了给工作介质创造一个带有较为光滑内表面的流动通道，为此，在涡轮单元中，一般要在沿工作介质流动方向相邻的导向叶片组平台之间设置所谓的导流环，它们连接了沿工作介质流动方向的相邻的导向叶片平台之间的缝隙。

在设计燃汽轮机时，除了要达到一定的功率外，一般来说，要达到特别高的效率也是一个设计目的。根据热动力学原理提高工作介质从燃烧室流出到涡轮单元的出口温度，就能提高效率。为此希望使这类燃气轮机的温度达到1200℃-1300℃左右。

但是，当工作介质达到这么高温度时，与工作介质相接触的那些部件和结构件就会承受较高的热负荷。为了在保证高可靠性的同时能够使这些部件具有较长的寿命，通常要对这些部件加以冷却。因此设置在热气通道旁边的导流环也通常要冷却。在运行中它们受热较大，会产生较大的热膨胀。

在这种燃汽轮机上，一般采用开放式冷却，并用冷却空气作为冷却剂。作为冷却剂使用的冷却空气经一体制成的冷却剂通道引到各涡轮叶片或部件上。从该冷却剂通道开始，冷却空气流过处于出口端一般敞开着的各分支通道中的各个部件。冷却空气流过各个部件之后由此流出并与涡轮单元中流动的工作介质混合。

当然，用冷却空气作冷却剂时所取得的冷却作用受到了限制。与此相应，给采用这种冷却方式的燃气轮机的受热部件加隔热层会限制所取得的这个效率，尤其是冷却空气需要量的增加就意味着损失了可用于燃烧的压气机质量流，这种损失只能在有限的程度上可以忍受。因此期望放弃用冷却空气进行冷却的方法，而考虑用冷却蒸汽作冷却介质进行冷却。但是配备一个可靠的且可被足够冷却的导流环却是特别昂贵的，尽管这种导流环本身是一种比较简单的部件。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种模制件用来构成燃气轮机的导流环，它的生产成本非常低廉，而且用蒸汽作冷却剂就可非常有效地进行冷却。此外燃气轮机应配备一种可靠的，可用蒸汽作冷却介质进行冷却的，易于生产的导流环。

本发明的这一技术问题就模制件来说可以这样来解决：即，它采用一个底板，该底板同所属的一块导流板构成了一个冷却剂使用的流动通道，该通道在横截面中基本上在该底板的整个宽度范围内沿导流环的轴向方向延伸。

本发明所考虑的出发点是，为了使导流环的结构特别简单并因而低成本，应该采用非常简单的又可以使冷却介质流过该导流环的通道。为了保证有一个非常可靠的冷却效果，向承受热燃气的那侧材料部件，亦即底板，平面状地提供冷却介质。为了在使用蒸汽作冷却剂时能保证冷却剂流动通道相对于燃气轮机内腔有所需的密封，在底板上设计了一块导流板，从而构成了一个基本上是封闭的、平面状的(flaechig)流动通道。

要想用较低的冷却剂费用进行可靠的冷却，可将一块钢板，特别是导流板优选设计为比较薄的钢板。

当用蒸汽作冷却剂时，应很好地使冷却剂流动通道相对于涡轮中工作介质流动区域来密封。为了能够在采用特别简单的手段这个前提下另外再用蒸汽作冷却介质对底板进行平面加载，比较有利地是在导流板的朝向底板的那面设置第二块导流板，它可以与第一块导流板共同构成冷却剂的一个流入腔。因此，这个流入腔相宜地与由第一块导流板和底板构成流动通道的一个流入区域相连通。所以最好是让蒸汽输入管汇合到流入腔中。

在进一步优化的设计方案中，为了引导作为冷却剂使用的蒸汽以相似的方式来构造这种模制件。所以在第二块导流板朝向第一块导流板的那一侧设置了第三块导流板。它与第二块导流板一起构成了冷却剂的流出(空)腔。因此，相宜地可以这样设置导流板，使冷却剂的流出腔在引导区内与由底板和第一块导流板构成的流动通道连通。因此最好是让蒸汽输出通道汇入流出腔。

因而除一个底板以外，这样制成的模制件至少有三个按堆叠方式上下设置的导流板。分别由二块导流板或者由一块导流板和底板形成的这些中间空腔是专门用来当作冷却剂的流动(空)腔的，从而设置了一个流入腔、流动通道和流出腔。因此可用特别简单的方式制作出一种其功能完全，而又特别柔韧(flexible)的模制件。刚好利用特别简单的方法就可用导流板构成冷却剂用的不同流动区域。

要使冷却模制件的费用保持在非常低的水平上，所使用的导流板和/或所使用的底板都要非常薄。为了在使用较薄的板后仍能保证模制件有很高的机械强度和承载能力，在进行了造型优化设计的底板表面上设计了许多基本上沿导流环轴向延伸的加固肋。这样就构成了基本上平行接通的冷却剂用的流动通道。

用蒸汽作燃气轮机冷却剂要求相应的蒸汽输入和输出通道有较高的密封度，以便确保避免冷却蒸汽泄漏到燃气轮机的流动区域里。因此特别要对导入或导出导流环的蒸汽进行非常可靠的密封。为此，可以在模制件的蒸汽进出口处采用相应的螺纹管接头。为此并尤其为了提供装配相应蒸汽通道(管路)所需要的空间，将各个用于构成导流环的模制件相宜地设计成沿导流环的径向和轴向均可对中地卡钩在燃气轮机中。正是设在对中的这种卡钩固定方式，使开放冷却式燃气轮机上的冷却剂输入和输出通道基本保持不变，从而在用蒸汽作冷却剂时只是在与导流环的接触范围内使用改进的螺纹连接。换句话说：在这类设计中，通过卡钩中心定位来提供用于制作冷却剂接管所需要的空间，而不需要为此改变开放冷却式燃气轮机上冷却剂通道所需要的空间布置或导向。从而在“Delta-Engineering”的意义上说，可以用很少的费用将这种开放式冷却的方案转用到封闭式(用蒸汽作冷却剂)冷却的燃气轮机上。

这么一种对中设置的卡钩固定可以采用极普通的方式来实现，例如可比较有利地在许多相邻的底板加固肋上分别设置一个支架钩，使得由底板，两个相邻的加固肋和各支架钩可限定构成穿流孔。因此这个支架钩总是以独特的结构形式设置在一些加固肋上，例如2-4个加固肋上，从而在每一个支架钩之下总能构成一些冷却剂的通路和穿流孔。冷却剂从支架钩下流过，使冷却效果极佳，而热应力很低。因此这个或每个支架钩在其它较好的设计方案中都沿导流环的轴向方向对中设置。

此外，在带有一些可组装成工作叶片组的设置在涡轮轴上的工作叶片，以及一些可组装成导向叶片组的与涡轮外壳相连接的导向叶片的燃气轮机上，上述技术问题是这样来解决的，即，在涡轮外壳内部设置一个由一些所述模制件组成的导流环。

比较有利地是，沿工作介质的流动方向将这个导流环设置在第一个导向叶片组和第二个导向叶片组之间。

本发明的优点是，通过与底板相配置的导流板形成了一个在横断面上基本上穿过整个底板延伸的流动通道，以保证用冷却剂对该底板进行进一步的平面加载。通过第一块导流板和特别是通过外加的第二和第三块导流板，以最简单的方法和最低的生产成本在导流环的区域内顺利地导引冷却剂，从而在保证所需横截面的条件下，使第一块导流板引导冷却剂流经受热气冲击的底板。而中间或者第二块导流板用于在其和第一块导流板之间形成一个流入区，从那里冷却剂流入由底板和第一块导流板构成的流动通道。第三块导流板则与第二块导流板一起形成了一个冷却剂流出区。可构成导流板叠层的这种结构可以用很简单的方法制成，同时也会满足较高的密封要求。

附图说明

下面借助附图进一步说明本发明的一个实施例。附图中：

图1为一台燃气轮机的半边剖面图；

图2为一个用于构成导流环的模制件的透视图；

图3、4、5分别为图2所示模制件的横截面图；

图6、7分别为图2所示(各)模制件的纵截面图。

在所有图中相同的部件用相同的附图标记标注。

具体实施方式

图1中的燃气轮机1具有用于压缩燃烧用空气的一个压气机2、一个燃烧室4以及一个用于驱动压气机2和没有示出的发电机或者工作机的涡轮机6。为此涡轮机6和压气机2设置在一根共同的，也称为涡轮转子的涡轮轴8上，用它还连接着发电机或工作机，该涡轮轴8可以围绕中心轴线9转动。

燃烧室4上安装了一些燃烧器10，用来燃烧液体燃料或气体燃料。另外在它的内壁上还设有图中没有详细示出的隔热板元件。

涡轮机6具有一些与涡轮轴8相连的，可转动的工作叶片12。这些工作叶片12呈圆环(轮缘)状安装在涡轮轴8上，因而构成了一些工作叶片组(列)。另外，涡轮机6还包括一些固定的导向叶片14，它们同样也是呈圆环(轮缘)状固定在涡轮机6的一个内壳16上，构成了导向叶片组。这些工作叶片12通过流经涡轮机6的工作介质M传递的动量来驱动涡轮轴8。反之，导向叶片14是用于引导工作介质M在两个沿工作介质M的流动方向前后相继的工作叶片组之间或工作叶片圆环之间进行流动。由前后设置的一个导向叶片14环或者一个导向叶片组和一个工作叶片12环或一个工作叶片组组成的一对叶片环被称为一个涡轮级。

每一个导向叶片14都具有一个被称为叶根的平台18，它是用来作为一种壁件将各自的导向叶片14固定在涡轮机6的内壳16上。平台18是一种受热负荷作用较强的构件，该构件构成了流过涡轮机6的工作介质M用的燃气通道的外部边界。每个工作叶片12以相似方式也由被称作为叶根的平台20固定在涡轮轴8上。

在每两个相邻的导向叶片组的导向叶片14相互隔开设置的平台18之间，分别有一个导流环21设置在涡轮机6的内壳16上。每个导流环21的外表面同样暴露给流过涡轮机6的热工作介质M并和与之相对的工作叶片12的外端22径向隔开一定间距。设在相邻导向叶片组之间的导流环21尤其可用作覆盖件，它可以保护内壳16的内壁或其它壳体部件免受流过涡轮机6的热工作介质M的过热作用。

为了取得较高的效率，要将燃气轮机1设计成使得从燃烧室4流出的工作介质M有较高的出口温度，亦即约1200℃-1300℃。为了做到这一点，至少要将一些工作叶片12和导向叶片14设计成可以被冷却，其中，用蒸汽作冷却剂。另外，导流环21也要能用蒸汽进行冷却。

因此，用一些模制件30组装成导流环21。在图2中用立体图示出了一个用于构成从工作介质M的流动方向来看第一导流环21的模制件30。另外在图3、图4和图5中分别示出沿图2中的横剖面剖切线以及在图6和图7中同样分别示出沿图2中的纵剖面剖切线得到的这个模制件30的剖面图。此处的“横剖面”和“纵剖面”是分别相对于图2中用箭头32表示的由一些模制件30构成的导流环21的轴向X而言，该轴向X与涡轮机6内工作介质M的流动方向基本一致。

正如图3至图7明确示出的那样，这个模制件30包括一个沿有待形成的导流环21的圆周方向弯成圆弓形的底板34，它在燃气轮机1运转时直接受到流过涡轮机6的热气流作用。为了能够在工作介质M温度相对较高时确保燃气轮机1的安全运行，将这个模制件30设计成这样，即，使得作为冷却剂的蒸汽对底板34进行平面加载。为了构成一个相对于模制件30的外部和涡轮6中工作介质M的流动腔保持密封和隔离的流动通道36，给底板34设置一块导流板38，这个最好用比较薄的板制成的、深冲成型的导流板38基本上在底板34的整个宽度范围内伸展并焊接在底板34侧面端头成型的端头边框40、42上。这样导流板38与底板34一起构成了一个基本上在底板34的整个宽度上延伸的流动通道36，以保证将流动通道36内流动的蒸汽作为冷却剂对底板34进行平面加载。

在导流板38上边，也就是导流板38朝向底板34的那一面上设置了第二块同样冲模成型的导流板44，它同样基本上在底板34的整个宽度上延伸并与导流板38一起构成一个作为冷却剂的蒸汽使用的进汽空腔46。该第二块导流板44同样在侧面焊接到端部边框40、42之上。

由第一块导流板38和第二块导流板44限制构成的进汽空腔46在一个进汽区域48中与由第一块导流板38和底板34构成的流动通道36连通，正如从图6和图7中看到的那样。通过在该模制件30横向扩展的缝隙开孔或者通过在第一块导流板38上的相应空间范围内设计的一些钻孔可以建立起在进汽空腔46和流动通道36之间的联系。蒸汽输入通道50接入进汽空腔46，正如图4中所看到的，用合适的方法例如用螺纹接头法将这个蒸汽输入通道50的自由端安装在引入蒸汽通道的螺纹管接头上。

为了从采用密封式冷却方式的流动通道36中引出作冷却剂用的蒸汽，设置了同样也是深冲成型的第三块导流板52。在第二块导流板44上形成流出空腔54的同时设置第三块导流板52，使得在底板34上基本上形成导流板38、44、52的上下叠层结构。同样，第三块导流板52的端部也焊接在端部边框40、42之上。

由第二块导流板44和第三块导流板52限制构成的流出腔54在排出区域56中与冷却剂的流动通道36接通。从流出腔54出来作为冷却剂的蒸汽汇入蒸汽输出通道58中。与蒸汽输入通道50相似，也规定用一种方法，例如螺纹连接法将蒸汽输出通道58的端部与蒸汽通道相连接。

为了保障机械稳定性，而且为了即便在较高的机械和热应力时也能保障模制件30具有足够的强度，底板34在它朝向流动通道36的上表面设置有一些主要是沿导流环21的轴向X伸展的加固肋60。因此这些加固肋60可以逐点地(punktweise)在端部与第一块导流板38进行机械接触，但是并没有设计密封。从而一方面可以保证冷却剂基本上平面加载在底板34上，而另一方面，加固肋60又形成了一些用于冷却剂的基本上平行走向的流动通道。

蒸汽输入通道50和蒸汽输出通道58在模制件30上这样定位，使得即便使用在类似的开放冷却式燃气轮机上所设置的冷却剂通道时也可以实现可靠的蒸汽输入和输出。为了能够让蒸汽输入通道50和蒸汽输出通道58定位恰当并为了提供装配密封要求较高的螺纹管接头所需要的空间，设置了可对中卡钩的模制件30。为此设置了一些支架钩70，它们沿导流环21的轴向X看过去设置在模制件30的中心。各支架钩70分别被安放在一些加固肋60上并沿模制件30的横向看在一些加固肋60上伸展。正如从图3中看到的那样，每个支架钩70都处于这样一些加固肋60上，即，每两个相邻的加固肋60与底板34和各自的支架钩70一起构成了一些通流孔72。

因此采用一种隧道结构使冷却剂从支架钩70下部流过，这样就使因较高热负荷的进气冲击在模制件30中产生的热应力保持在最小量。另外，给支架钩70设计了成型的支架凸缘74并与涡轮机6内壳16的内壁上的相应支承件嵌接。

此外，以相同的方法也可以将蒸汽输入通道50和蒸汽输出通道58分别设置在各自的一些加固肋60上，同时构成冷却剂的通流孔72。

不仅支架钩70，而且还有蒸汽输入通道50和蒸汽输出通道58的外部轮廓都呈阶梯状。支架钩70以及蒸汽输入通道50和蒸汽输出通道58设置在加固肋60上的并且有冷却剂从底下流过的第一级阶梯上都同样与第一块导流板39熔焊以便加强保护。与此相似，将第二块导流板44和第三块导流板52焊接在每个支架钩70及蒸汽输入通道50和蒸汽输出通道58的外部轮廓的第二级和第三级阶梯上。由三块导流板38、44、52上下叠置而成的叠层结构具有很高的机械稳定性。

因此借助于模制件30形成了以下将蒸汽作为冷却剂的封闭式流动通道，其结构简单，生产成本低廉：作冷却剂用的蒸汽从蒸汽输入通道50进入由第二块导流板44与第一块导流板38共同构成的流入腔46。在这里蒸汽借助于第二块导流板44被引入进气区域48。在进气区域48中流入腔46的蒸汽进入原来的流动通道36中。然后，在保障有一个较大流动断面的条件下，通过第一块导流板38引导冷却剂流过受到热气冲击影响的材料表面。冷却剂从流动通道36流入排出区56并从那些溢出进入由第三块导流板52与第二块导流板44共同构成的流出腔54。最后冷却剂从流出腔54流到蒸汽输出通道58，从那里借助一个密封的管道系统从燃气轮机1中排出。从而采用较简单的方法，通过导流板38、44、52就可保证冷却剂沿导流环21的轴向X被导引流动。

Claims (12)

1.一种构成燃气轮机(1)中导流环(20，21)的模制件(30)，它具有

一个在径向外侧(上面)加框的和在其径向内侧(下面)可以流通工作介质(M)的底板(34)，

在底板(34)朝向工作介质(M)一侧以层叠方式相互间隔设置的导流板(38、44、52)，以及

在底板(34)上的至少一个冷却剂接管，

其特征在于，与底板(34)固定连接的、安装在底板(34)朝向工作介质(M)那一侧的冷却剂接管设计成中空塔形并穿过层叠设置的导流板(38、44、52)，使得这个冷却剂接管与设在两个直接相邻导流板(38、44)之间的流入腔(46)连通。

2.如权利要求1所述的模制件(30)，其特征在于，流入腔(46)通过流入区(48)与流动腔(36)连通，从而该流动腔(36)设置在底板(34)和第一块导流板(38)之间。

3.如权利要求1或2所述的模制件(30)，其特征在于，冷却剂接管是一个蒸汽输入通道(50)。

4.如权利要求1～3之一所述的模制件(30)，其特征在于，另一个塔形中空的冷却剂管穿过导流板(38、44、52)，与设在两个直接相邻的导流板(38、44)之间的流出腔(54)连通。

5.如权利要求4所述的模制件(30)，其特征在于，所述流出腔(54)通过一个导出区(56)与流动腔(36)连通。

6.如权利要求5所述的模制件(30)，其特征在于，所述冷却剂排出管(58)是一根蒸汽排出管。

7.如权利要求1～6之一所述的模制件(30)，其特征在于，其底板(34)上面有一些基本上沿导流环(20、21)轴向(X)延伸的加固肋(60)。

8.如权利要求7所述的模制件(30)，其特征在于，在多个相邻的加固肋(60)上至少设有一个支架钩(70)，它穿过导流板(38、44、52)，从而分别在两个相邻的加固肋(60)、各支架钩(70)和底板(34)之间构成通流孔(72)。

9.如权利要求8所述的模制件(30)，其特征在于，所述这个或每个支架钩(70)沿导流环(21)的轴向(X)看都是对中设置的。

10.如权利要求7～9之一所述的模制件(30)，其特征在于，通流孔(72)由一些相邻的加固肋(60)构成，它由底板(34)，两个相邻的加固肋(60)和各冷却剂接管限制构成。

11.一种燃气轮机(1)，其装有一些组装成工作叶片组的并装在一个涡轮轴(8)上的工作叶片(12)，以及一些组装成导向叶片组的并与一个涡轮壳相连的导向叶片(14)，在该涡轮壳的内部区域中在两个导向叶片组之间设置了一个由一些如权利要求1～10之一所述的模制件(30)组装而成的导流环(20、21)。

12.如权利要求11所述的燃气轮机(1)，其导流环(20、21)沿工作介质(M)的流动方向设置在第一个导向叶片组和第二个导向叶片组之间。

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