CN1829879A - 用在引导热气的组件,尤其是一种燃气轮机燃烧室上的热屏蔽配置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用在引导热气(M)的组件上的热屏蔽配置(26)，所述热屏蔽配置(26)包括复数个热屏蔽元件(26A，26B)，所述复数个热屏蔽元件(26A，26B)被并排安置在一个支承结构(31)上，同时彼此间留有一个间隙(45)，其中，所述热屏蔽元件(26A，26B)可以安装在所述支承结构(31)上，借此构成一个内部空间(37)，所述内部空间(37)以一个需要冷却的热气壁(39)为界分为不同区域，并带有一个能使冷却剂(K)流入所述内部空间(37)的进入通道(41)。根据本发明，设置一个从所述内部空间(37)通向所述间隙(45)的冷却剂排出通道(43)，就可以可控制地从所述内部空间(37)中排出冷却剂(K)。通过从所述冷却剂排出通道(43)中目的明确地排出冷却剂，不仅可以节约和更有效地使用冷却剂(K)，还可以降低有害物质的排放。所述热屏蔽配置(26)特别适合用作燃气轮机(1)的燃烧室(4)的内衬。

Description

用在引导热气的组件，尤其是一种燃气轮机燃烧室上的热屏蔽配置

技术领域

本发明涉及一种用在引导热气的组件上的热屏蔽配置，这种热屏蔽配置包括复数个热屏蔽元件，这些热屏蔽元件被并排安置在一个支承结构上，同时彼此间留有一个间隙，其中，热屏蔽元件可以安装在支承结构上，借此构成一个内部空间，该内部空间以一个需要冷却的热气壁为界分为不同区域，并带有一个能使冷却剂流入内部空间的进入通道。此外，本发明还涉及一种具有一层内衬和一个所述热屏蔽配置的燃烧室和一种具有一个所述燃烧室的燃气轮机。

背景技术

由于热气通道或其他存在热气的空间内的温度非常高，因此有必要使热气通道的内壁具有尽可能好的耐热性。在此适合使用耐高温的材料，例如陶瓷。陶瓷材料的不足之处一方面在于其极度的易碎性，另一方面在于其导热性能不佳。以铁、铬、镍或钴为原料的耐高温金属合金可以作为陶瓷材料的替代品用于制作隔热屏。但是由于耐高温金属合金的工作温度远远低于陶瓷材料的最高工作温度，因此有必要对热气通道内的金属隔热屏进行冷却。

EP 0 224 817 B1说明了一种主要用在燃气轮机装置结构零件上的热屏蔽配置。这种热屏蔽配置起到的作用是保护支承结构不受载热流体的影响，特别用来保护燃气轮机装置中的热气通道壁。这种热屏蔽配置具有一个由耐热材料制成的内衬，一般由固定在支承结构上的热屏蔽元件构成。这些热屏蔽元件并排排列，彼此间留有可以使冷却流体流过的间隙，并具有热流动性。这些按蘑菇形状设计的热屏蔽元件都分别具有一个菌盖部分和一个菌柄部分。菌盖部分是一个平面或三维的多边形平面元件，具有或直或弯的边界线。菌柄部分将平面元件的中心区域和支承结构连接在一起。菌盖部分优选地为三角形，这样，通过使用复数个相同的菌盖部分就可以形成一个几乎具有任意几何形状的内衬。这些菌盖部分以及其他有可能存在的热屏蔽元件组成部分由一种耐高温的材料(主要是钢)制成。支承结构上有钻孔，冷却流体(主要是空气)可以通过这些钻孔流入菌盖部分和支承结构之间的一个中间空隙内，接着再通过可以使冷却流体流过的间隙流入一个被热屏蔽元件围绕的空间区域，例如一个燃气轮机装置的燃烧室内。通过这种形式的冷却流体流动可以减少进入中间空隙的热气量。

US-5,216,886说明了一种用在燃烧室上的金属内衬。这种内衬由复数个并排排列的立方形空心元件(单元格)构成，它们焊接在一个公用金属片上。在该公用金属片上有一个分配给每一个立方形单元格的、可以使冷却流体流入的开口。这些立方形单元格并排排列，彼此间留有一个间隙。在公用金属片附近的每个侧壁上分别有一个可以排出冷却流体的开口。这样，冷却流体到达相邻立方形单元格之间的间隙后，穿过这些间隙，在单元格的一个可以经受热气侵蚀的、与金属片平行的表面上形成一层冷却膜。US-5,216,886在说明一种壁结构的类型时涉及到一种开放式冷却系统，在这种冷却系统中，冷却空气通过一种壁结构穿过单元格进入燃烧室的内部。这部分冷却空气由此而失去了进一步冷却的功能。

DE 35 42 532 A1说明了一种主要用在燃气轮机装置上、带有冷却流体通道的壁。这种壁优选地安置在燃气轮机装置的一个热空间和一个冷却流体空间之间。它由单个的壁元件并合而成，其中，每个壁元件都是一个由耐高温材料制成的板形体。每个板形体的基面上分布着互相平行的冷却通道，这些冷却通道的一端与冷却流体空间连通，另一端与热空间连通。流入热空间、穿过冷却流体通道的冷却流体在壁元件朝着热空间的表面上和/或在相邻壁元件的表面上形成一层冷却流体膜。

GB-A-849255显示了一种用于冷却一种燃烧室壁的冷却系统。这种燃烧室壁由壁元件构成。每个壁元件都具有一个热气壁，这个热气壁具有一个可以承受热气的外侧面和一个内侧面。此外还安置了一些垂直于内侧面的喷管。冷却流体以一股集中流的形式从这些喷管中出来，冲击到内侧面上。由此可以冷却热气壁。冷却流体聚集在一个集流室中，然后再从集流室中排走。

综上所述，所有这些主要用在燃气轮机燃烧室上的热屏蔽配置都遵循这样一个原理，即，将压缩机空气既当作燃烧室及其内衬上的冷却介质，又当做密封用的空气。冷却和密封用的空气进入燃烧室，但不参加燃烧。这部分冷空气和热气混合在一起，使得燃烧室出口处的温度下降。随之降低的是燃气轮机的功率和热力学过程的效率。作为一定程度的补偿性措施可以将火焰温度调高。但这样又会导致出现材料问题，必须考虑使用具有更高放射值的材料。上述热屏蔽配置的另一个缺点是，由于进入燃烧室的冷却流体的流量并不显著，因此在向燃烧器输入空气时会出现压力耗损。

已知有带有密闭的冷却流体控制的复杂系统可以避免冷却剂被吹进燃烧室。在这种造价昂贵的系统中，冷却流体在一个带有供给系统和回流系统的闭合回路中流动。这种带有密闭的冷却流体控制的封闭式冷却方式在(例如)WO 98/13645 A1，EP 0 928 396 B1和EP 1 005 620 B1中有相关说明。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以用冷却剂进行冷却的热屏蔽配置，在对这种热屏蔽配置进行冷却时，只会出现少量的冷却流体损耗。这种热屏蔽配置可以用在燃气轮机的燃烧室上。

根据本发明，这个目的通过一种用在引导热气的组件上的热屏蔽配置而达成。这种热屏蔽配置包括复数个热屏蔽元件，这些热屏蔽元件被并排安置在一个支承结构上，同时彼此间留有一个间隙，其中，热屏蔽元件可以安装在支承结构上，借此构成一个内部空间，该内部空间以一个需要冷却的热气壁为界分为不同区域，并带有一个能使冷却剂流入内部空间的进入通道，其中，设置一个从内部空间通向间隙的冷却剂排出通道，就可以可控制地从内部空间中排出冷却剂。

本发明基于这样一种考虑，即，由于热气通道或其他存在热气的空间(例如固定式燃气轮机的燃烧室)内的火焰温度非常高，所以必须对引导热气的组件进行有效冷却。在此可以使用各种不同的冷却工艺或对各种冷却工艺进行组合使用。其中，最常用的冷却方式是对流冷却、通过涡流加强对流冷却效果的措施和冲击冷却。由于要尽力减少接受开放式冷却的系统——例如接受开放式冷却的燃气轮机燃烧室——的有害物质排放量，所以节约冷却空气是达到这些目的——这里指进一步减少NO_x的排放量——的一个特别重要的因素。因此，开放式冷却方式的目的是减少所需的冷却空气流量。在上文所述的传统开放式冷却方式中，冷却空气在顺利完成冷却目的后会从相邻热屏蔽元件之间的间隙中逸出，然后进入燃烧室。通过排出冷却空气可以防止热气侵入间隙，从而达到保护系统的目的。然而，如果不对冷却空气的排放加以控制的话，实际用于阻隔间隙的冷却空气量会大于达到冷却目的而所需的冷却空气量。这种超剂量使用会导致冷却空气的消耗过高，从而给设备的整体效率和产生热气的燃烧系统的有害物质排放带来不利后果。

以这样一种认识为出发点，本发明的热屏蔽配置在完成需要冷却的热气壁的冷却任务后，为一个开放式冷却系统提出了一种目的明确、有所控制地排出冷却剂的方案。这种热屏蔽配置特别容易实现，而且与可以使冷却剂进行回流的封闭式冷却方式相比造价也有显著降低。与传统的冷却方式相比，通过使冷却剂有所控制地排入间隙，不仅可以节约冷却剂，例如冷却空气，同时还可以显著降低有害物质，尤其是NO_x的排放。这一点可以通过下述方法达到，即，设置一个从内部空间通向间隙的冷却剂排出通道，从而可控制地从内部空间中排出冷却剂到间隙中。

这种方法的有利之处是，通过在间隙内目的明确地输入一定量的冷却剂可以使冷却剂达到特别高的冷却效率和阻隔作用，从而有效防止热气侵入间隙，扩散到支承结构上。其中，通过简单地确定冷却剂排出通道的相应尺寸，例如通道横截面大小和通道长度，就可以控制冷却剂从内部空间的排出。

在一种优选的实施方式中，热屏蔽元件具有一个与热气壁相对、朝支承结构方向倾斜的侧壁。因此，热屏蔽元件从其基本几何图形上来看是一个单壁空心体，它可以安装在支承结构上，构成所述内部空间。该内部空间只在其中一个方向上以支承结构为界，在其他方向上以热屏蔽元件本身为界。

在一种特别优选的实施方式中，冷却剂排出通道穿过侧壁。冷却剂排出通道可以简单地实施为穿过侧壁的钻孔，其中，内部空间与由间隙构成的间隙空间相连。这样，由于内部空间和由间隙所界定的间隙空间之间存在压差，就能够可控制地将冷却剂从内部空间排入冷却剂排出通道。

优选地在侧壁和支承结构之间安装一个密封元件可以避免剩余的冷却剂从内部空间中泄漏出去。由于侧壁朝支承结构方向倾斜，当热屏蔽元件可拆卸地固定在支承结构上时，出于热机械原因会形成一个间隙，该间隙可能导致冷却剂出现不希望出现的泄漏。因此有利的做法是，通过合适的密封措施将每个会导致冷却剂不受控制地从内部空间中泄漏出去的间隙密封起来。由此，热屏蔽元件和支承结构之间形成了一种紧密连接。其中，侧壁和支承结构之间的密封元件是一种特别简单有效的、可以进一步减少冷却剂消耗的措施。此外，根据该实施方式，该密封元件还具有阻尼作用，这样，热屏蔽配置的热屏蔽元件就可以在机械上受阻尼地安装在支承结构上。

热屏蔽元件的内部空间优选地配有一个冲击冷却装置，这样就可以通过冲击冷却方式对热气壁进行冷却。冲击冷却是一种对于冷却热屏蔽配置特别有效的冷却方式，其中，冷却剂以复数个离散冷却剂束的形式从垂直于热气壁的方向上冲击到热气壁上，并相应地从内部空间对热气壁进行有效冷却。

所述冲击冷却装置优选地由复数个结合在支承结构中的冷却剂进入通道构成。通过安置相应的复数个通向热屏蔽元件内部空间的进入通道就已经简单地实现了一种冲击冷却装置。支承结构除了具有支承热屏蔽配置的作用外，同时还有通过结合在支承结构中的复数个冷却剂进入通道分配冷却剂的作用。其中，这些进入通道可以实施为支承结构的壁中的钻孔。

在一种优选的实施方式中，热屏蔽元件由一种金属或金属合金制成。在此以铁、铬、镍或钴为原料的耐高温金属合金特别适用于此目的。由于金属或金属合金适用于浇铸过程，因此，热屏蔽元件优选地实施为一个铸件。

在一种特别优选的实施方式中，所述热屏蔽配置适合用作燃烧室的燃烧室内衬。优选情况下，这样一种配有一个热屏蔽配置的燃烧室适合用作燃气轮机，特别是固定式燃气轮机的燃烧室。

根据上述有关热屏蔽配置的实施方案，可以得出所述燃气轮机和所述燃烧室的优点。

附图说明

下面借助附图和实施例对本发明作进一步说明，其中：

图1是一种燃气轮机的半剖视图；

图2是一种根据本发明的热屏蔽配置的剖视图；

图3是图2所示热屏蔽配置的细节部分III的详图；以及

图4是图3所示热屏蔽配置的一种替代实施方案。

相同的参考符号在各附图中具有相同的含义。

具体实施方式

图1所示的燃气轮机1具有一个用于生成燃烧用空气的压缩机2、一个燃烧室4和一个用于驱动压缩机2和一个发电机或一个做功机器(图中未显示)的涡轮6。其中，涡轮6和压缩机2安置在一个又称为涡轮转子的公用涡轮轴8上，发电机或做功机器也和这个涡轮轴8相连，该涡轮轴8可以绕其中心轴9旋转。按环形燃烧室方式配置的燃烧室4配备了一定数目、用于燃烧液态或气态燃料的燃烧器10。

涡轮6具有一定数目、和涡轮轴8相连的可旋转工作叶片12。工作叶片12呈环状地安置在涡轮轴8上，从而组成了一定数目的工作叶片列。此外，涡轮6还包括一定数目的固定导向叶片14，这些导向叶片同样呈环状地固定在涡轮6的一个内壳16上，组成了导向叶片列。其中，工作叶片12的作用是通过对流过涡轮6的热介质、工作介质或热气M进行脉冲传输来驱动涡轮轴；而导向叶片14的作用是引导工作介质M从两个(从工作介质M的流动方向上来看)连续的工作叶片列或工作叶片环之间流过。一对连续的导向叶片环14或一对连续的导向叶片3和一对连续的工作叶片环12或一对连续的工作叶片列又称为涡轮级。

每个导向叶片14都具有一个又称为叶根的平板18，这个用来固定导向叶片14的平板18作为壁元件安置在涡轮6的内壳16上。在此，平板18是一个承受较高热负荷的零件，它构成了一个热气通道的外部界限，这个热气通道用于输送流过涡轮6的工作介质M。每个工作叶片12以类似的方式通过一个同样也称为叶根的平板20固定在涡轮轴8上。

涡轮6的内壳16上、在两个相邻的导向叶片14的平板18之间安置了一个导环21，这两个平板彼此隔开一定距离。其中，每个导环21的外表面同样受到流过涡轮6的热工作介质M的影响，并在径向上和与其相对的工作叶片12的外端22之间隔着一个间隙。这些安置在相邻导向叶片列之间的导环21主要起到的是防护元件的作用，可以防止内壁16或外壳的其他内部结构零件发生由流过涡轮6的热工作介质M，即热气，引起的热过负荷现象。

燃烧室4以一个燃烧室外壳29为界，其中，燃烧室侧面有一个燃烧室壁24。在本实施例中，燃烧室4被配置为一种所谓的环形燃烧室，它具有复数个在切线方向上围绕涡轮轴8安置的燃烧器10，这些燃烧器通向一个共同的燃烧室空间。为此，燃烧室4就其整体而言具有一种环形结构，围绕涡轮轴8安置。

为了达到较高的效率，燃烧室设计能承受较高温度，即约1200℃至1500℃之间的工作介质M。为了即使在存在诸如此类不利于材料的工作参数的情况下也能实现较长的持续工作时间，燃烧室壁24朝向工作介质M的一侧上配备了一个热屏蔽配置26，这个热屏蔽配置构成了一个燃烧室内衬。此外，由于燃烧室4内部的温度很高，所以还为热屏蔽配置26配备了一个冷却系统。该冷却系统利用的是冲击冷却原理，即，冷却空气作为冷却剂K在足够高的压力下在复数个位置上从垂直于需要冷却的零件表面的方向吹向需要冷却的零件。该冷却系统也可以使用对流冷却原理或同时使用这两种冷却原理。

这种冷却系统构造简单，可以实现在热屏蔽配置表面大面积有效加载冷却剂K，此外冷却剂消耗也特别低。

下面根据图2所示的一种热屏蔽配置26对本发明的冷却方式作进一步的详细说明，其中，这种热屏蔽配置特别适合用作燃气轮机1的燃烧室4的耐热内衬。所述热屏蔽配置26包括复数个彼此间留有一个间隙45、同时又被并排安置在一个支承结构31上的热屏蔽元件26A、26B。热屏蔽元件26A、26B具有一个需要冷却的热气壁39，这个热气壁39具有一个朝向热气M、工作时承载热气M的热侧面35和一个与该热侧面35相对的冷侧面33。

为了达到冷却目的，通过一种冷却剂K，例如冷却空气，从冷侧面33对热屏蔽元件26A、26B进行冷却，其中，通过合适的进入通道41、41A、41B、41C向内部空间37进给冷却空气，该内部空间37是在热屏蔽元件26A、26B和支承结构31之间形成，，再使冷却空气垂直流向各个热屏蔽元件26A、26B的冷侧面33。这里利用的是开放式冷却原理。完成对热屏蔽元件26A、26B的冷却后这些至少部分变热的空气会和热气M混合。为了能够控制冷却剂K从内部空间37排出并准确测定，设置了一个从内部空间37通向间隙45的冷却剂排出通道43。通过这种方法就可以向间隙45进给一个精确预置的冷却剂K流量。分别分配给各个热屏蔽元件26A、26B的内部空间37的复数个进入通道41、41A、41B、41C构成了一个冲击冷却装置53，从而可以通过冲击冷却方式对热气壁39进行特别有效的冷却。冷却剂K的进入通道41、41A、41B、41C通过相应的钻孔结合在支承结构的壁47中。其中，进入通道41、41A、41B、41C以这样一种方式通向内部空间37，使得可以向热气壁39垂直加载冷却剂。对热气壁39进行冲击冷却后，冷却剂K以可控制的方式流出内部空间37，通过具有相应尺寸的冷却剂排出通道43进入间隙45，由此而起到一种阻隔热气M的作用。这种阻隔作用可以保护关键零部件，例如支承结构31。

图3显示的是图2所示热屏蔽配置的细节部分III放大后的图示。热屏蔽元件26A具有一个与热气壁39相对、朝支承结构31方向倾斜的侧壁49。与热屏蔽元件26A相邻安置的热屏蔽元件26B以同样的方式配备了一个侧壁49。冷却剂排出通道43被配置为一个穿过热屏蔽元件26A的侧壁49的钻孔，这个钻孔以一个略微向热侧面35方向倾斜的角度通向间隙45。由于冷却剂排出通道43倾斜地通向间隙45，因此冷却剂K在间隙45中完成阻隔作用后就离开间隙45。在间隙45中，很可能沿着与热屏蔽元件26A相邻安置的热屏蔽元件26B的热侧面35形成一层由冷却剂K构成的冷却膜。通过目的明确地将冷却剂K导入间隙45而取得的这种额外的薄膜冷却作用，其优点是实现了对冷却剂K的多重利用，即在热屏蔽配置26中将其用于不同的冷却用途。

为了将热屏蔽元件26A、26B忍受热膨胀地固定在支承结构31上，侧壁49并非直接安置在支承结构31上，而是分别通过一个密封元件51与支承结构31相连。在此，该密封元件51不仅对冷却剂K起到了密封作用，还对热屏蔽配置26起到了机械阻尼作用。通过安装密封元件51，可以避免冷却剂K不受控制地从内部空间37流入间隙45，并吹向朝热侧面35。或者更准确地说，密封元件51的作用是进一步减少冷却热屏蔽配置26所需的冷却剂K的流量。通过组合使用密封元件51和冷却剂排出通道43，实现了特别有利的冷却剂平衡。此外，通过安置在内部空间37上的各个密封元件51，还实现了冷却剂K沿着支承结构31的壁47的底部，朝着内部空间37纵向潜流。通过密封元件51在热屏蔽元件26A、26B和支承结构31之间建立紧密连接是一种特别简单有效的、可以进一步减少冷却剂消耗的措施。

如图4所示，冷却剂排出通道43也可以穿过支承结构31的壁47，但这种生产工艺需要较高的成本。在这种实施形式中，同样也可以在冷却剂K对一个热屏蔽元件26A完成冷却任务后，目的明确地将冷却剂K导入间隙45。间隙45和在冷却剂排出通道43的出口旁边构成间隙45边界的密封元件51由此而得到了冷却。特别是构成间隙45边界的侧壁49得到了额外的对流冷却。

Claims (9)

1.一种热屏蔽配置(26)，用在引导热气(M)的组件上，所述热屏蔽配置(26)包括复数个热屏蔽元件(26A，26B)，所述复数个热屏蔽元件(26A，26B)被并排安置在一个支承结构(31)上，同时彼此间留有一个间隙(45)，其中，所述热屏蔽元件(26A，26B)可以安装在所述支承结构(31)上，借此构成一个内部空间(37)，所述内部空间(37)以一个需要冷却的热气壁(39)为界分为不同区域，并带有一个能使冷却剂(K)流入所述内部空间(37)的进入通道(41)，其特征在于，

具有一个从所述内部空间(37)通向所述间隙(45)的冷却剂排出通道(43)，从而可以可控制地从所述内部空间(37)中排出冷却剂(K)。

2.根据权利要求1所述的热屏蔽配置(26)，其特征在于，所述热屏蔽元件(26A，26B)具有一个与所述热气壁(39)相对、朝所述支承结构(31)方向倾斜的侧壁(49)。

3.根据权利要求2所述的热屏蔽配置(26)，其特征在于，所述冷却剂排出通道(43)穿过所述侧壁(49)。

4.根据权利要求2或3所述的热屏蔽配置(26)，其特征在于，为了避免剩余的冷却剂从所述内部空间(37)中泄漏出去，所述侧壁(49)和所述支承结构(31)之间安装了一个密封元件(51)。

5.根据上述权利要求中任一权利要求所述的热屏蔽配置(26)，其特征在于，热屏蔽元件(26A，26B)的所述内部空间(37)配有一个冲击冷却装置(53)，从而可以通过冲击冷却方式对所述热气壁(39)进行冷却。

6.根据权利要求5所述的热屏蔽配置(26)，其特征在于，所述冲击冷却装置(53)由复数个结合在所述支承结构(31)上的冷却剂(K)进入通道(41，41A，41B，41C)构成。

7.根据上述权利要求中任一权利要求所述的热屏蔽配置(26)，其特征在于，所述热屏蔽元件(26A，26B)由一种金属或金属合金制成。

8.一种具有一个根据上述权利要求中任一权利要求所述的热屏蔽配置(26)的燃烧室(4)。

9.一种具有一个根据权利要求8所述的燃烧室(4)的燃气轮机(1)。

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