CN1394263A - 热负荷壁板和对热负荷壁板的缝隙进行密封的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种承受燃气(17)热负荷的壁板(21)。壁板的第一壁板段(35)与第二壁板段(33)之间的缝隙(55)在高温时通过第二壁板段(33)的弯曲体(45)的弯曲来实现密封。弯曲体(45)顶压在第一壁板段(35)的压紧面(49)上。此弯曲是由于弯曲体(45)热表面和冷表面不同的热膨胀而造成的。因此，恰好在高温下对缝隙(55)形成特别有效的密封。

Description

热负荷壁板和对热负荷壁板的缝隙进行密封的方法
本发明涉及一种承受燃气热负荷的壁板，该壁板具有第一壁板段以及与第一壁板段相邻、且形成缝隙的第二壁板段。本发明还涉及对承受燃气热负荷壁板的第一与第二壁板段之间的缝隙进行密封的方法。
美国专利说明书US-PS 5,221 096给出了一种用于减少穿过燃气轮机驱动装置两级之间缝隙的冷空气泄漏的多层密封件。该密封件的第一部分是如此之薄，使得其在压力梯度下变形以实现对缝隙的密封。密封件的第二部分与第一部分连接，且其足够厚而使密封件具有所需刚度。由于这种刚度使密封件便于装配。
欧洲专利申请公开说明书EP 0 139 072 A1给出了一种耐热的i形弹簧密封。这种密封可以优选用于非常高且不均匀分布的温度环境。
美国专利说明书US-PS 5,058,906给出了一种密封。该金属密封这样构成，使其可以弹性变形。由此特别适用于温度剧烈变化管道的密封。
美国专利说明书US-PS 4,537,024给出一种借助于横截面为环形的、柔性的密封环对燃气轮机上的缝隙进行密封的方法，密封环嵌入在两个其间存在待密封缝隙的结构部件上相对置的槽中。
所有这些用于密封缝隙的装置都采用一个单独的密封件进行密封。其缺点是，这些密封件的密封效果与温度相关，且在高温条件下恰恰变差。此外这些密封的装配是非常费事和困难的。此外，这些密封正好在高温应用中遭遇老化过程，这可能显著地限制使用寿命。
因此本发明要解决的技术问题是提供一种承受燃气热负荷的壁板，其中该壁板的两个壁板段之间的缝隙通过简单的方法恰恰可以在高温下特别有效地密封。本发明的另一个要解决的技术问题是提供一种对承受燃气热负荷壁板的两个壁板段之间的缝隙进行密封的方法，该方法在结构上可以简单地实现，且恰恰在高温下形成良好的密封。
按照本发明，针对壁板的技术问题这样来解决：承受燃气热负荷的壁板具有第一壁板段以及与第一壁板段相邻、且形成缝隙的第二壁板段，其中第一壁板段具有一个压紧面，而第二壁板段具有带有热表面和冷表面的弯曲体，其中热表面在热负荷条件下比冷表面更为剧烈地被加热，从而由于一面是热表面而另一面是冷表面区域的不同热膨胀使弯曲体弯曲顶压在压紧面上，由此将缝隙密封。
由于本发明采用了全新的途径，即将壁板段之间的缝隙不是通过独立的密封件而是通过壁板段自身进行密封。这一点恰好在高温时可按下述方式实现：第一壁板段的一部分通过热弯曲顶压在第二壁板段的一部分上，并由此封闭缝隙。这种热弯曲类似于双金属片通过壁板段冷区与热区的不同热膨胀而实现。但是与双金属片不同的是，其不同的热膨胀首先不是通过不同材料的不同热膨胀系数而引起的，而是通过一面是热表面而另一面是冷表面的不同温度而实现。必要时这种效应也可以通过适当的材料副来加强，即通过不同热膨胀系数的材料副可以强化弯曲。弯曲体最好是壁板段上的自由悬臂段，该悬臂段与紧邻的壁板段搭接地设置。
优选在弯曲体或压紧面上设置一个由于弯曲体顶压压紧面而变形、且对缝隙起附加密封作用的突缘。此外，优选在弯曲体或压紧面上设置一个可变形的覆层。还可优选在弯曲体与压紧面之间设置密封材料。
借助突缘、覆层或密封材料，通过该突缘、覆层或密封材料在形成缝隙表面上的变形而实现对缝隙的附加密封。尤其是由此可以补偿弯曲体与压紧面之间的较小的不均匀性和不平度。
冷表面最好可通过冷却介质进行冷却。此外冷却介质最好为冷空气。对于特别高的热负荷壁板段需要这样一种冷却。此时，可能存在这种冷却介质穿过缝隙的泄漏。这种通常不期望的冷却介质损失或者不期望的冷却介质与燃气混合通过对缝隙的密封来阻止。除了对缝隙进行密封以防止燃气进入外，其优点是可以有效地、且恰恰是对于高温特别有效地对缝隙进行密封。
优选将这种壁板作为热流体机械的气流通道壁板、更优选作为燃气轮机的气流通道壁板。在燃气轮机中不仅在燃烧区(即燃烧室)，而且在燃气轮机气流通道都会由于流过燃气轮机的燃气而出现特别高的温度。在这里将燃气导流通过高热负荷壁板是必须的。这种壁板通常必须通过冷空气进行有效冷却。常常从燃气轮机中的压缩机获得这种冷空气。因为冷空气不能以必须的压力送往燃烧，因此使燃气轮机的效率下降。所以为了保持尽可能高的效率，对冷空气需求要保持尽可能地少。因此为了在燃气轮机中防止冷空气泄漏，必须特别有效地对热负荷壁板的壁板段之间的缝隙进行密封。
优选将第一壁板段作为涡轮叶片的导流环，而将第二壁板段作为导流叶片的平板环。也可以优选将第二壁板段作为涡轮叶片的导流环，而将第一壁板段作为导流叶片的平板环。燃气轮机的气流通道具有在各自的导流叶片支座(Leitschaufelkranz)和涡轮叶片支座(Laufschaufelkranz)上相互交替邻接设置的导流叶片和涡轮叶片。导流环设置在与燃气轮机装置连接的、旋转的涡轮叶片对面的壳体侧。导流叶片分别在叶片根部侧具有平板，所有平板共同构成在壳体侧限定气流通道的平板环。设置在各导流叶片端部的平板形成转子侧的平板环用于限定气流通道。相互交替搭接设置的导流环和平板环构成壁板段，在壁板段之间留有缝隙。如上所述通过弯曲体的弯曲性将这种缝隙密封。
在优选的实施方式中将壁板作为燃烧室衬层，尤其是燃气轮机燃烧室衬层。在此，燃烧室衬层由分别通过弯曲体和压紧面搭接的壁板段构成。例如这种壁板段可以作为燃烧室部件，该部件在一面具有弯曲体，而在相对的表面具有压紧面，使得每个壁板段不仅具有主动密封区而且具有被动密封区，即一个部位弯曲用于主动密封缝隙，而另一部位被动地承受相邻弯曲体的顶压力。当然这种通过一个壁板段使被动和主动密封区同时实现，不仅可用于燃烧室衬层，而且可以设想到用于各种热负荷壁板结构。
按照本发明，针对方法的技术问题这样来解决：在对承受燃气热负荷壁板的第一与第二壁板段之间的缝隙进行密封的方法中，使第一壁板段的弯曲体由于加热而顶压在第二壁板段的压紧面上，从而将该缝隙密封。
这种方法的优点与上述热负荷壁板的优点相应。
下面借助于附图详细描述本发明。附图以局部示意、且未按比例的方式示出：
图1为燃气轮机的纵剖面图；
图2为热负荷壁板的纵剖面图；
图3示出带有附加突缘的弯曲体；
图4示出带有可变形覆层的压紧面；
图5示出两个处于冷态与热态的相邻壁板段之间的缝隙，
图6示出燃烧室衬层的一部分。
相同的标记符号在不同的附图中具有相同的意义。
图1示意地给出燃气轮机1的纵剖面图。沿着一个涡轮轴2前后依次设置：一个压缩机3，一个环形燃烧室5和一个涡轮部件7。该压缩机3和该涡轮部件7设置在一个转子9上。在该压缩机3中空气11被压缩，且被送入喷嘴15。燃料13同样被送入喷嘴15。在配有燃烧室衬层16的环形燃烧室5中，空气11和燃料13燃烧生成热燃气17。燃气17被输送到涡轮部件7。涡轮部件7具有气流通道19。气流通道19由热负荷壁板21限定成。热负荷壁板21由壁板段33、35构成。壁板段的一部分由导流环35构成，而壁板段的另一部分为平板环33。导流环35设置在位于转子9上的涡轮叶片25的对面。平板环33是与壳体连接的导流叶片23的一部分。来自压缩机3的空气11除了被输送到喷嘴15以外也被输送到涡轮部件7，并被用来冷却壁板段33、35。在壁板段33、35之间留有缝隙，通过此缝隙会导致冷空气泄漏。借助于图2将详细描述为防止冷空气损失而对该缝隙所采用的密封。
图2示出燃气轮机1壳体36上相互紧邻设置的平板环33和导流环35。该平板环33，从而配属于此平板环而在图中未详细示出的导流叶片23通过第一钩体37和第二钩体39与壳体36连接。该导流环35通过第一导流环钩体41和第二导流环钩体43与壳体36连接。平板环33或导流环35各自的第一和第二钩体37、39或41、43与各自的平板环33或导流环35的棱边相隔这样一个距离，使得不仅对于平板环33而且对于导流环35在相对于燃气17的流动方向的送出侧形成一个悬臂弯曲体45。在与此弯曲体45相对的另一侧构成一个与相邻壁板段的弯曲体45沿燃气17流动方向搭接的压紧面47。每个弯曲体45具有一个暴露在燃气17中的热表面53和位于热表面53背面的冷表面51。在每个弯曲体45和搭接时与其对置的压紧面49之间构成一个缝隙55。弯曲体45的热表面53比冷表面51更为剧烈地被燃气17加热。因此邻近热表面53的弯曲体45的部位比邻近冷表面51的部位更为明显地膨胀。由于这种不同的热膨胀，弯曲体45朝着与其对置的下一个壁板段35的压紧面49的方向弯曲。于是弯曲体45顶压在压紧面49上。这样使缝隙55密封。因而减少或完全防止冷空气11的泄漏。在这种配置中无需独立的密封件。但是这种通过热弯曲产生的密封效果恰恰对于高温能实现特别好的密封。对于常用的具有独立密封件的密封，其密封效果通常在高温下变坏。
图3示出一个弯曲体45，其中在冷表面端部设置附加的突缘61。这个附加的突缘61在其厚度和形状上这样设计，使其在弯曲体45顶压压紧面49时会变形，并以此补偿弯曲体45与压紧面49之间的不平度和不均匀性。这起到了进一步改善缝隙55密封处密封效果的作用。尤其是，以弹性变形的方式来实现附加突缘61的变形。
在图4中示出改进密封效果的另一种可能方式。在此压紧面49配有可变形的覆层63。这同样可以补偿弯曲体45与压紧面49之间的不平度。当然覆层63也可以设置在弯曲体45上，正如附加突缘61也可以设置在压紧面49上一样。
图5示出处于冷状态的弯曲体45和与其对置搭接的、具有相应压紧面49的压紧体47。在这种状态，弯曲体45没有弯曲，且缝隙55敞开。虚线表示的是弯曲体45在高温下的形状。此时，弯曲体45弯曲，使缝隙55闭合。于是弯曲体45顶压在压紧面49上。
图6示出燃烧室衬层16的一部分，其为一个热负荷壁板21。通过各栓销67将第一壁板段35和第二壁板段33与支承壁65连接。与上面所描述的相应，第一壁板段35的一个弯曲体45与第二壁板段33的一个压紧体47搭接。在弯曲体45与压紧体47之间留有缝隙55。如上面所述的那样，在高温下这个缝隙55通过弯曲体45的弯曲而被密封。此外，对这个缝隙55设置密封材料71，当弯曲体45顶压在压紧面49上时该密封材料变形，且同时补偿不平度以起到附加密封的作用。

Claims (11)

1.一种承受燃气(17)热负荷的壁板(21)，其具有第一壁板段(35)以及与第一壁板段(35)相邻、且形成缝隙(55)的第二壁板段(33)，其特征在于：所述第一壁板段(35)具有一个压紧面(49)，而所述第二壁板段(33)具有带有热表面(53)和冷表面(51)的弯曲体(45)，其中热表面(53)在热负荷条件下比冷表面(51)更为剧烈地被加热，从而由于一面是热表面(53)而另一面是冷表面(51)区域的不同热膨胀而使弯曲体(45)弯曲顶压在压紧面(49)上，由此将缝隙(55)密封。
2.按照权利要求1所述的壁板(21)，其特征在于：在所述弯曲体(45)或压紧面(49)上设置一个由于弯曲体(45)顶压压紧面(49)而变形、并对缝隙(55)起附加密封作用的突缘(61)。
3.按照权利要求1或2所述的壁板(21)，其特征在于：在所述弯曲体(45)或压紧面(49)上设置一个可变形的覆层(63)。
4.按照权利要求1、2或3所述的壁板(21)，其特征在于：在所述弯曲体(45)与压紧面(49)之间设置一个密封材料(71)。
5.按照权利要求1至4中任一项所述的壁板(21)，其特征在于：所述冷表面(51)可通过一种冷却介质(11)进行冷却。
6.按照权利要求1至5中任一项所述的壁板(21)，其特征在于：其作为热流体机械(1)的气流通道壁板结构。
7.按照权利要求6所述的壁板(21)，其特征在于：其作为燃气轮机(1)的气流通道壁板结构。
8.按照权利要求7所述的壁板(21)，其特征在于：所述第一壁板段(35)作为涡轮叶片(25)的导流环，而所述第二壁板段(33)作为导流叶片(23)的平板环。
9.按照权利要求7所述的壁板(21)，其特征在于：所述第二壁板段(33)作为涡轮叶片(25)的导流环，而所述第一壁板段(35)作为导流叶片(23)的平板环。
10.按照权利要求1至5中任一项所述的壁板(21)，其特征在于：其作为燃烧室衬层(16)结构，尤其是燃气轮机燃烧室(5)的衬层结构。
11.一种对承受燃气(17)热负荷壁板(21)的第一与第二壁板段(35，33)之间的缝隙(55)进行密封的方法，其特征在于：所述第一壁板段(35)的弯曲体(45)由于加热而顶压在第二壁板段(33)的压紧面(49)上，从而形成对该缝隙(55)的密封。
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