CN1871488A - 尤其用于砌衬燃气轮机燃烧室壁的带有埋置在内的加强元件的陶瓷热屏砖 - Google Patents

尤其用于砌衬燃气轮机燃烧室壁的带有埋置在内的加强元件的陶瓷热屏砖 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种尤其用作燃气轮机(1)的燃烧室(4)的内衬的热屏元件(26)，为了使其在具有高强度的同时有尽可能长的寿命，本发明建议，该热屏元件(26)具有一个由一种硬化铸造的陶瓷材料构成的基体(28)，在该基体中设置有一些加强元件(30)。

Description

尤其用于砌衬燃气轮机燃烧室壁的 带有埋置在内的加强元件的陶瓷热屏砖
本发明涉及一种尤其用作燃烧室或炉子的内衬的热屏元件。本发明还另外涉及一种具有由热屏元件构成的内衬的燃烧室以及一种带有燃烧室的燃气轮机。
承受很高的热负荷和/或热力负荷的燃烧室例如燃烧炉，以及在产生和/或输送热介质的燃气轮机中的热燃气通道或燃烧室通常配备有相应的内衬，以便在承受过高的热负荷时能获得保护。这样的内衬通常由耐热材料制成，并避免燃烧室壁直接与热介质接触及承受由此带来的极高热负荷。
美国专利文献4 840 131涉及一种将陶瓷内衬件固定在一炉子的内壁上的轨排系统，该轨排系统也固定在壁上。所述内衬元件为矩形并具有平坦的表面，它由一种隔热耐火的陶瓷纤维材料制成。
美国专利文献4 835 831同样涉及将一耐火内衬安设在一个炉子的壁上尤其是一垂直设置的壁上。在炉子的金属壁上安设有一层由玻璃、陶瓷或矿物纤维制成的层，该层通过金属夹子或通过粘接剂固定在壁上。在该层上还设有一带有蜂巢状孔眼的线网。该线网同样用于确保防止所述由陶瓷纤维制成的层掉落。此外，借助一螺栓在其上安设一个均匀封闭的由耐火材料制成的表面，以便可对该层予以附加固定。借助所述方法可在很大程度上避免在喷涂过程中的耐火颗粒撞击到壁上后发生反弹，在将耐火颗粒直接喷涂在金属壁上时就是这样的情况。
承受很高热负荷的燃烧腔室例如燃气轮机燃烧腔室的壁的陶瓷内衬在EP 0 724 116 A2中有所描述。所述内衬由用耐高温的结构陶瓷诸如碳化硅(SiC)或氮化硅(Si3N4)制成的壁元件构成。所述壁元件借助一中央固定螺栓弹性地固定在燃烧室的一金属支撑结构(壁)上。在所述壁元件与燃烧室壁之间有一厚的隔热层，由此所述壁元件与燃烧室壁相应地间隔一定的距离。与壁元件相比大约是其三倍厚的隔热层由预制成块的陶瓷纤维材料制成。所述壁元件的尺寸和外形形状可与有待砌衬的腔室的几何形状相匹配。
在EP 0 419 787 B1中给出了一个承受高热负荷的燃烧腔室的内衬的另一种类型。该内衬由一些机械地固定在燃烧腔室的金属壁上的热屏元件构成。所述热屏元件直接接触金属壁。为了避免壁被过度加热，例如因热屏元件的直接的热传递或因热介质渗透到由相互邻接的热屏元件所构成的缝隙中，向由燃烧室壁与热屏元件所构成的间隙中充入冷却空气或阻隔空气。所述阻隔空气阻止热介质一直渗透到所述壁并同时冷却所述壁和热屏元件。
WO99/47874涉及一种用于一个燃气轮机的燃烧腔室及该腔室的壁段。在此，针对其中充有一种热的流体例如热燃气的燃烧腔室所提供的壁段具有一个金属的支撑结构和一个固定在该金属支撑结构上的热屏元件。在所述金属支撑结构和热屏元件之间插入一个可变形的分隔层，它能接受和补偿可能在热屏元件和支撑结构之间的相对运动。这样的相对运动可例如在一个燃气轮机的燃烧腔室、尤其是一个环形燃烧腔室中因腔室中所采用的材料的不同的热膨胀特性和脉动(在用于产生热的工作介质的不规则燃烧中可能形成这样的脉动)被引发。与此同时，所述分隔层使得比较没有弹性的热屏元件总体上更平地放置在分隔层上和金属支撑结构上，这是因为热屏元件部分挤入分隔层中所致。因此，所述分隔层可平衡补偿因加工所造成的支撑结构和/或热屏元件的不平度，这样的不平度会在局部位置造成不利地逐点传递力。
尤其在高温燃气反应器的壁中，例如增压运行的燃气轮机燃烧腔室的壁中，必须用适当的燃烧腔室内衬防止其支撑结构受到热燃气侵蚀。与金属材料相比，陶瓷材料基于其高的耐热强度、耐腐蚀性和低的热传导性而理想地适用于作为这样的内衬。
因不同的材料类型有不同的热膨胀特性，在运行范围内典型地产生温度差(停机时的环境温度，在满负荷时的最大温度)时，必须保证陶瓷热屏具有因受热膨胀所形成的热移动性，以免因阻碍膨胀而产生破坏构件的热应力。这一点可以这样来实现，即，在面对热燃气侵蚀需要保护的壁上砌衬许多在尺寸上有限的单个陶瓷热屏例如由一种工程陶瓷制成的热屏元件。如上面结合EP 0 419 487 B1所讨论的那样，在各陶瓷热屏元件之间必须设置相应的膨胀缝隙。基于安全方面的原因来设计时，即便在热的状态下这样的缝隙也绝不允许完全闭合。在这样的情况下必须确保热燃气不会通过膨胀间隙过度加热所述支撑壁结构。在燃气轮机燃烧腔室中避免这种情形的最简单和最可靠的方法是，用空气冲刷所述膨胀间隙，所谓的阻隔空气冷却。为此可采用本身就要用来冷却用于陶瓷热屏的固定元件的空气。
本发明所要解决的技术问题在于提供一种在具有高强度的同时具有特别长使用寿命的热屏元件。此外，提供一种需要很少维修的燃烧室以及具有这种燃烧室的燃气轮机。
关于热屏元件，上述技术问题通过这样一种热屏元件来解决，其具有一个由一种硬化铸造的陶瓷材料构成的基体，在该基体中设置有一些加强元件。
本发明出于如下考虑：一个为具有特别长寿命所设计的热屏元件应当特别能与极端的使用条件相匹配。为了实现这一点并且为具体的匹配措施提供特别高的自由度，摒弃迄今通常通过压制来制造热屏元件的制造方式，现在转而通过铸造来制造热屏元件。然而，对于铸造的陶瓷热屏而言，基于其相对仅仅很小的尤其沿热屏元件的纵向和横向的抗拉强度，该热屏元件的使用寿命有限。因此，为了利用一种基于铸造基体的热屏元件，以利用由此可达到的可应用在燃烧室构造方面的自由度，对于长的使用寿命和较高的被动安全性要采取特别的措施来在结构方面加强基体。这样的特别措施在可能产生裂纹的情况下尤其也可改善基体的内聚力。
因此，尤其为了增大抗拉强度和减小可能因热负荷和热机负荷产生的裂缝的长度，设有集成在热屏元件的基体内的加强元件。在此，这些加强元件应当与热屏元件固定连接，以便将加强元件的抗拉强度方面的材料特性传递到热屏元件上。这一功能由定位在热屏元件内的加强元件满足。这些加强元件通过陶瓷铸造材料铸入到基体内并可由此与基体或与陶瓷固定结合。
比较有利的是，伴随采用铸造技术而来的在构造热屏元件方面的设计自由度尤其可被用于，通过恰当的几何结构或特征材料参数局部的变化来确保即便在热屏元件承受交变的热负荷时也有特别高的可承载性。
为了使加强元件与热屏元件所承受的高温相适配，并且在铸造过程中与陶瓷的铸造材料相结合，各加强元件有利地由一种陶瓷材料构成，优选由一种其中的Al2O3的重量百分比含量至少为60％以及SiO2含量最高为20％的氧化物陶瓷材料构成。所述材料具有比较高的抗拉强度，并基于类似的陶瓷材料而在硬化时与所述陶瓷铸造材料紧密结合。此外，加强元件的热膨胀系数与所述热屏元件的其余陶瓷材料相类似，因此在温度变化时在热屏元件内不会产生不利的应力。另外，所述加强元件可相宜地由陶瓷纤维例如CMC材料或孔隙度至多为10％的结构陶瓷材料制成。
所述加强元件优选设计成一种铠装类型的长的圆陶瓷棒。为了将一个加强元件特别紧密地结合到一个热屏元件中，并将所述加强元件设计得尽可能刚性，该加强元件相宜地具有一些卷边和加厚部。通过这样的卷边和加厚部将所述加强元件锚固在周围的陶瓷材料中，由此可将加强元件的抗拉强度传递到整个热屏元件上。在设计成杆状时，加强元件尤其可在其端部加厚，由此形成一种骨头形状。通过这样的加厚端部或通过肋骨状的增厚，确保在加强元件和基体之间有形状闭合的连接。替代性地或附加性地可将该连接设计成例如通过烧结过程或粒化而形成的传力连接。
为了在整个面上加强热屏元件，可相宜地将一个加强元件也设计成板状，在此，尤其可设置一个平行于热屏元件的表面并与之间隔一定距离的平板。在这样的情况下，可分别在热屏元件的面朝工作介质的一侧固定一块板，而在该热屏元件的较冷的一侧同样配置一块板用于加强。
为了在一个设计为板的加强元件与其周围的陶瓷材料之间建立一种尽可能牢固的材料复合或结合，这样一块板有利地具有一些挖空孔。由此，在热屏元件的铸造过程中，所述陶瓷浇铸料可进入这些空孔中并在那儿固化。所述板在此尤其可设计成孔板，其中，孔眼的数量、尺寸和定位相宜地根据应用目的和材料参数适当选择。
作为上述扩展设计的有利的替代性方案或辅助性方案，热屏元件的加强元件优选具有一个栅格结构。其中的栅格元件可设计成具有菱形的或正方形的孔眼的格栅。一个加强元件也可通过一块具有圆形孔眼的板构成，其中，这些圆形孔眼相互之间等距定位，由此形成一个格栅形状的结构。
为了使一个热屏元件尤其在侧边固化或加强，可相宜地将加强元件设计成杆棒状，并沿着热屏元件的环周棱边定位。
为了即便在热屏元件产生裂纹时在其整个环周上也能确保热屏元件在结构上的整体化，加强元件优选具有一个封闭环的形状并沿着热屏元件的环周延伸。
为了将这样一种环状的加强元件的强度以及进而热屏元件的强度进一步提高或尽可能地有抗弯刚性，可相宜地将加强元件设计成圆环形。
为了对于一个热屏元件的角部进行稳定和固化，加强元件有利地具有十字形状，其中，该十字状加强元件的端部定位在所述基体的角部区域。为了将十字交叉状加强元件恰当地系紧固定在热屏元件中而提高抗拉强度，可将十字交叉状加强元件的端部加厚，由此可将加强元件锚固在热屏元件中。
上述类型的热屏元件相宜地构成一个燃烧室的内衬的组成部件。该燃烧室有利地是一个燃气轮机的组成部件。该燃烧室在此可设计成圆柱状(silofrmige)燃烧室或由多个较小的燃烧系统组成的燃烧室，但优选设计成环形燃烧室。
本发明所实现的优点主要在于，通过回归采用铸造方法可用由此取得的构造自由度来制造具有特别高的抗拉强度的热屏元件。通过将加强元件集成结合在由一种陶瓷材料浇铸成的热屏元件中，可以将加强元件的材料特性尤其是抗拉强度转递给热屏元件。与此同时可灵活地保持热屏元件的成型结构。另一优点在于，可从加强元件的各种实施形式中选取一种实施形式并将其固定在热屏元件中，可以实现分别与作用在一个热屏元件上的热负荷和机械负荷的个性化匹配或个别匹配。基于热屏元件的强度增大，其使用寿命也延长了，这是因为降低了裂纹扩展的同时提高了构件的结构完整性(被动安全性)。
浇铸过程的优点在于可制造形状比较复杂的热屏元件。这样一方面可比较容易和廉价地改变外部基本形状，另一方面在一次浇铸过程中可以将用于将热屏元件固定在燃烧室壁上的装置一并浇铸出。由此在浇铸出的热屏元件中例如可浇铸出槽、孔、螺纹或紧固装置。
下面借助于附图详细阐述本发明的一种实施方式。附图中：
图1表示一台燃气轮机的半剖图；
图2表示图1所示燃气轮机的燃烧室；
图3表示带有板状加强元件的热屏元件；
图4表示带有一个栅格状加强元件的热屏元件；
图5表示带有杆棒状加强元件的热屏元件；
图6表示带有一个环状加强元件的热屏元件；
图7表示带有一个十字状加强元件的热屏元件。
所有各图中示出的相同构件均用相同的附图标记表示。
图1所示燃气轮机1具有一个用于燃烧空气的压缩机2、一个燃烧室4以及一个用于驱动压缩机2的透平机6和一个没有表示出的发电机或作功机械。为此，所述透平机6和压缩机2设置在一共同的、也称为透平转子的透平机轴8上。所述发电机或工作机械也与该透平机轴8相连。该透平机轴8可绕其中心线9转动地被支承。所述设计成环形燃烧室的燃烧室4配备有一些用于燃烧液体燃料或气体燃料的燃烧器10。
所述透平机6具有一些与所述透平机轴8相连的可转动的动叶片12。这些动叶片12呈环圈状地设置在透平机轴8上并因此构成一些动叶片组。此外，所述透平机6包括一些固定的导向叶片14，它们同样呈环圈状地固定在透平机6的一个内壳16上而构成导向叶片组。动叶片12通过流过透平6的工作介质M所传递来的动量驱动透平轴8。导向叶片14用于导引工作介质M流过两个沿工作介质流向前后设置的动叶片组或动叶片圈之间。由前后排列的一圈导向叶片14或一导向叶片组和一圈动叶片12或一动叶片组组成的一对叶片组也被称为一透平级。
每个导向叶片14具有也称为叶根的平台18。为了固定各导向叶片14，平台18作为壁元件被设置在透平6的内壳体16上。平台18在此是一受热较厉害的构件，它构成供流过透平6的工作介质M用的热烟气通道的外边界。每一动叶片12以类似的方式通过一个也被称为叶根的平台20固定在透平轴8上。
在两相邻的导向叶片组的导向叶片14的相互间隔设置的平台18之间分别有设置在透平6的内壳体16上的导向环21。每一导向环21的外表面在此同样与流过透平6的热工作介质M接触，并沿径向和与之对置的动叶片12的外端22有一缝隙间隔。在相邻导向叶片组之间设置的导向环21在此尤其用作罩盖元件，它可防止内壁16或其他透平壳体内部构件受流过透平6的热工作介质M的过热负载的影响。
在本实施方式中，如图2所示将燃烧腔室4设计成所谓的环形燃烧腔室，其中，许多沿环周方向围绕透平轴8设置的燃烧器10通向一共用的燃烧腔室。为此，燃烧腔室4整体上被设计成环形结构，它围绕透平轴8定位。
为了实现较高的效率，将燃烧腔室4针对工作介质M具有较高的大约为1200℃至1500℃的温度来设计。为了确保即便在这种对于材料不利的运行参数状况下也具有比较长的使用寿命，给燃烧室壁24的面向工作介质M的一侧配备一个由热屏元件26构成的内衬。基于在燃烧室4内的高温，为所述热屏元件26设置一个冷却系统。
所述热屏元件26尤其针对较长的使用寿命来设计，由此在极端的影响下例如在燃烧室4内有高温和振动的情况下尽可能地只产生很小的损伤。为此，这些热屏元件26分别由一个由一种铸造陶瓷材料制成的基体28构成，在该基体28中集成组合有加强元件30。为了使加强元件具有恰当的耐高温性，这些加强元件由一种陶瓷的材料或复合材料制成。加强元件30为此可针对作用在热屏元件26上的影响来设计。在图3至7中示出了具有加强元件30的热屏元件26的各种实施形式。
在图3中示出了具有板状加强元件30的一个热屏元件26，其中，分别对于面向工作介质M一侧的表面和面向被冷却侧的表面设置了一个加强元件30。在图4中可看到，所述板状加强元件30为了与周围的陶瓷更好地结合可配备有一个栅格状的结构或设计成栅格，尤其设计成十字交叉网格(图4a)或孔眼网格(图4b)。
为了能够很大地增强热屏元件26的边缘区域，按照图5所示，可采用沿热屏元件26的侧边延伸的杆棒状加强元件30，这样的加强元件可带有卷边或加厚部位(图5a)或变粗的端部(图5b)，以确保它们牢固地锚固在周围的陶瓷28中。从图6中可看到，为了沿热屏元件的周边加强它，可采用一种环状结构(图6a)的加强元件30，其中，按照一种特别有抗弯刚性的设计，可将加强元件30设计成圆环形。在图7所示出的热屏元件26中，为了稳定地撑牢热屏元件26的四个角，设置一个十字交叉状的加强元件30，该加强元件30在其端部有所增厚，以锚固在陶瓷材料26中。

Claims (11)

1.一种尤其用作燃气轮机(1)的燃烧室(4)的内衬的热屏元件(26)，其具有一个由一种硬化铸造的陶瓷材料构成的基体(28)，在该基体中设置有一些加强元件(30)。
2.按照权利要求1所述的热屏元件(26)，其特征在于，所述或每个加强元件(30)由一种陶瓷复合材料构成。
3.按照权利要求1或2所述的热屏元件(26)，其特征在于，所述或每个加强元件(30)具有一些卷边和/或加厚部。
4.按照权利要求1至3中任一项所述的热屏元件(26)，其特征在于，所述或每个加强元件(30)包括一个平行于所述基体(28)的表面并与之间隔地设置的平坦的板。
5.按照权利要求4所述的热屏元件(26)，其特征在于，它的板状结构的加强元件(30)上具有一些空孔。
6.按照权利要求1至5中任一项所述的热屏元件(26)，其特征在于，所述或每个加强元件(30)具有一种栅格结构。
7.按照权利要求1至3中任一项所述的热屏元件(26)，其特征在于，它的加强元件(30)具有一种杆棒状形状并沿着所述基体(28)的环周延伸。
8.按照权利要求1至3中任一项所述的热屏元件(26)，其特征在于，它的加强元件(30)具有一种十字形状，其中，该十字状加强元件的端部定位在所述基体(28)的角部区域。
9.按照权利要求1至3中任一项所述的热屏元件(26)，其特征在于，它的加强元件(30)具有一种环形封闭的形状并沿着所述基体(28)的环周延伸。
10.一种燃烧室(4)，其具有由按照权利要求1至9中任一项所述的热屏元件(26)组成的一个内衬。
11.一种具有按照权利要求10所述的燃烧室(4)的燃气轮机(1)。
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