CN204253116U - 用于燃气涡轮机外壳的防护罩节段 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于燃气涡轮机外壳的防护罩节段，所述防护罩节段包括主体，所述主体构造用于在邻近所述外壳内的局部关键工艺位置处附接到所述外壳。所述主体具有前缘、后缘和两个侧缘。当所述主体附接到所述外壳时，所述关键工艺位置位于所述前缘与所述后缘之间。冷却通道沿所述侧缘中的一个限定在所述主体内，其中入口或出口中的一个邻近所述关键工艺位置。所述冷却通道构造得足够大，以便在操作所述燃气涡轮机期间将邻近所述冷却通道的所述一个侧缘冷却至所需水平。在使用中，所述关键工艺位置可与温度、压力或所述燃气涡轮机环境的其他可测量特征相关。

Description

用于燃气涡轮机外壳的防护罩节段

技术领域

本实用新型总体涉及冷却可位于涡轮机热气路径中的涡轮机防护罩元件。 

背景技术

涡轮机广泛用于各种航空、工业和发电应用来执行工作。每个涡轮机通常包括沿周边安装的定子轮叶与旋转叶片的交替级。定子轮叶可附接到诸如外壳等包围涡轮机的固定部件，并且旋转叶片可附接到沿涡轮机的轴向中心线定位的转子。压缩工作流体，例如蒸汽、燃烧气体或空气，沿气体路径流过涡轮机以做功。定子轮叶使压缩工作流体加速并引导至旋转叶片的后续级上，以将运动赋予旋转叶片，从而转动转子并执行工作。如果任何压缩工作流体径向移动至所要求的流动路径之外，涡轮机的效率可能降低。因此，包围涡轮机的外壳通常包括防护罩径向内壳，这种内壳经常是分段形成的。防护罩包围并限定热气路径的外周边，并且可位于定子轮叶和旋转叶片的周围。 

涡轮机防护罩通常以某种方式冷却以便移除由热气路径传递的热量。美国专利7,284,954描述一种涡轮机防护罩节段，这种涡轮机防护罩节段包括多个贯穿涡轮机防护罩机械加工而成的较小冷却流体通路。可供应诸如来自上游压缩机的压缩空气等流体通过所述流体通道，以便冷却所述涡轮机防护罩。其他防护罩节段利用现场浇铸的单个更大的“芯部”流动路径，而不是如上所述的多个较小的机械加工通道。所述芯部沿所述防护罩节段的一个完整侧面从轴向上游端延伸到轴向下游端。 

虽然两种类型的防护罩节段冷却通道都工作良好，但用于冷却涡 轮机防护罩的系统持续改善将受到欢迎，特别是改善由给定流量提供的冷却量和/或允许轴向沿着防护罩节段选择性地靶向目标位置处冷却的系统。 

实用新型内容

本实用新型的方面和优点会在以下说明中进行阐述，或可以从说明书中清楚，或可以通过实践本实用新型来了解。 

根据本实用新型的某些方面，用于燃气涡轮机外壳的防护罩节段(shroud segment)可包括主体，所述主体构造用于在靠近外壳内的局部关键工艺位置处附接到外壳。所述主体具有前缘、后缘和两个侧缘，以及面向外壳的第一表面和与第一表面相对的面向热气路径的第二表面。当主体附接到外壳时，关键工艺位置位于前缘与后缘之间。至少两个冷却通道沿着侧缘中的一个限定在主体内。所述冷却通道中的第一个具有入口并且延伸至出口，所述入口或出口中的一个邻近关键工艺位置。所述冷却通道中的第二个具有入口并且延伸至出口，所述入口或出口中的一个邻近关键工艺位置。第一冷却通道和第二冷却通道构造得足够大，以便在操作燃气涡轮机期间将所述一个侧缘冷却至所需水平。各种选项和修改都是可能的。 

其中，所述第一冷却通道具有沿所述前缘的第一部分和沿所述一个侧缘的第二部分；所述第二冷却通道具有沿所述一个侧缘的第一部分和沿所述后缘的第二部分。 

所述防护罩节段进一步包括沿所述侧缘中的另一个的至少两个额外冷却通道，所述两个额外冷却通道与所述至少两个冷却通道以所述主体的在所述前缘与所述后缘之间延伸的中心平面为参照而大体对称。 

其中，所述第一冷却通道具有沿另一个侧缘邻近所述关键工艺位置的第二出口；且所述第一冷却通道还包括沿所述前缘的第一部分和沿所述一个侧缘的第二部分、沿所述前缘的第三部分以及沿所述另一个侧缘的第四部分。 

其中，所述第二冷却通道具有沿另一个侧缘邻近所述关键工艺位置的第二入口。 

其中，所述第二冷却通道包括沿所述一个侧缘的第一部分和沿所述后缘的第二部分、沿所述另一个侧缘的第三部分以及沿所述后缘的第四部分。 

其中，所述第二冷却通道还可包括多个出口。 

其中，所述主体以及所述第一冷却通道和所述第二冷却通道由浇铸金属构造而成。 

根据本实用新型的某些其他方面，燃气涡轮机可包括压缩机段、在所述压缩机段下游的燃烧段以及在所述燃烧段下游的涡轮机段。所述涡轮机段包括限定局部关键工艺位置的外壳和周向附接到所述外壳的多个防护罩节段。每个防护罩节段包括构造用于附接至外壳的一个主体。所述主体中的至少一个具有前缘、后缘和两个侧缘、以及面向外壳的第一表面和与所述第一表面相对的面向热气路径的第二表面。当主体附接到外壳时，关键工艺位置位于前缘与后缘之间。至少两个冷却通道沿着侧缘中的一个限定在主体内。所述冷却通道中的第一个具有入口并且延伸至出口，所述入口或出口中的一个邻近关键工艺位置。所述冷却通道中的第二个具有入口并且延伸至出口，所述入口或出口中的一个邻近关键工艺位置。第一冷却通道和第二冷却通道构造得足够大，以便在操作燃气涡轮机期间将所述一个侧缘冷却至所需水平。如上所述，各种选项和修改都是可能的。 

其中，所述第一冷却通道具有沿所述前缘的第一部分和沿所述一个侧缘的第二部分。 

其中，所述第二冷却通道具有沿所述一个侧缘的第一部分和沿所述后缘的第二部分。 

其中，所述燃气涡轮机进一步包括沿所述侧缘中的另一个的至少两个额外冷却通道，所述两个额外冷却通道与所述至少两个冷却通道以所述主体的在所述前缘与所述后缘之间延伸的中心平面为参照而 大体对称。 

其中，所述第一冷却通道具有沿另一个侧缘邻近所述关键工艺位置的第二出口。 

其中，所述第一冷却通道包括沿所述前缘的第一部分和沿所述一个侧缘的第二部分、沿所述前缘的第三部分以及沿所述另一个侧缘的第四部分。 

其中，所述第二冷却通道具有沿另一个侧缘邻近所述关键工艺位置的第二入口。 

其中，所述第二冷却通道包括沿所述一个侧缘的第一部分和沿所述后缘的第二部分、沿所述另一个侧缘的第三部分以及沿所述后缘的第四部分。 

其中，所述第二冷却通道包括多个出口。 

其中，所述主体以及所述第一冷却通道和所述第二冷却通道由浇铸金属构造而成。 

所属领域的一般技术人员可通过查看说明书的内容来更好地了解此类实施例的特征和方面，以及其他内容。 

附图说明

在说明书剩余部分中向所属领域的技术人员更具体地阐述了本实用新型的完整和实践内容，包括本实用新型的最佳模式，其中参考附图进行阐述，在附图中： 

图1为结合本实用新型方面的示例性燃气涡轮机的示意图； 

图2为图1中燃气涡轮机一部分的简化截面图，示出了一个防护罩节段； 

图3为如图2中防护罩节段的俯视图； 

图4为图3所示防护罩节段的侧视图； 

图5为图3中防护罩节段沿线5-5取得的截面图； 

图6为图3所示防护罩节段的等距视图； 

图7为第一替代防护罩节段的俯视图； 

图8为第二替代防护罩节段的俯视图；以及 

图9为第三替代防护罩节段的俯视图。 

具体实施方式

现在将详细参考本实用新型的各项实施例，附图中图示了本实用新型实施例的一个或多个实例。具体实施方式中使用数字和字母标识来指代附图中的特征。附图和说明中类似或相同的标识用于指代本实用新型的类似或相同的部分。本专利申请文件所用的术语“第一”、“第二”以及“第三”可以互换使用以区分不同部件，并且这些术语并不旨在表示单个部件的位置或重要性。此外，术语“上游”和“下游”是指流体路径内部件的相对位置。例如，如果流体从部件A向部件B流动，则部件A位于部件B的上游。相反地，如果部件B接纳来自部件A的流体，则流体B位于部件A的下游。 

每个实例均以解释本实用新型，而非限制本实用新型的方式提供。事实上，所属领域的技术人员容易了解，在不脱离本实用新型的范围或精神的前提下，可以对本实用新型做出各种修改和变化。例如，可以将说明或描述为某个实施例中一部分的特征用到另一个实施例中，从而得到又一个实施例。因此，本实用新型应涵盖所附权利要求书及其等效物的范围内的此类修改和变化。 

图1为根据本实用新型可结合防护罩元件的示例性燃气涡轮机的示意图。如图所示，燃气涡轮机110包括入口段111、压缩机段112、燃烧段114、涡轮机段116和排气段117。轴(转子)122可以是压缩机段112和涡轮机段116共用的，并且可进一步连接到发电机105以便发电。 

压缩机段112可包括轴流式压缩机，其中诸如环境空气等的工作流体100从入口段111进入压缩机并且流过固定轮叶和旋转叶片的交替级113(如图1中所示意性示出)。随着固定轮叶和旋转叶片使工作流体100加速并且改向以产生连续的压缩工作流体流，压缩机外壳 118包括所述工作流体。大部分的所述压缩工作流体向下游流去通过燃烧段114，随后通过涡轮机段116。 

燃烧段114可包括本领域已知的任何类型的燃烧器。燃烧器外壳115可周向包围部分或全部的燃烧段114，以便将压缩工作流体100从压缩机段112引导至燃烧室119。燃料101也供应至燃烧室119。例如，可能的燃料包括高炉煤气、焦炉煤气、天然气、汽化液化天然气(LNG)、氢气和丙烷中的一种或多种。压缩工作流体100在燃烧室119内与燃料101混合，在燃烧室119中，所述混合物点燃从而生成具有高温高压的燃烧气体。所述燃烧气体随后进入涡轮机段116。 

如图1和图2所示，在涡轮机段116中，旋转叶片(动叶)124和固定叶片(喷嘴)126的交替级分别附接至转子122和涡轮机外壳120。如图2所示，工作流体100，例如蒸汽、燃烧气体或空气，沿热气路径从左至右流过燃气涡轮机110。固定喷嘴126的第一级使工作流体100加速并引导到旋转叶片124的第一级，从而使旋转叶片124的第一级和转子122旋转。工作流体100随后流经固定喷嘴126的第二级，所述固定喷嘴126的第二级使工作流体加速并改向到达旋转叶片的下一级(见图1)，并且随后每个级重复所述过程。 

如图1所示意性示出，涡轮机外壳120的径向内部部分可包括一系列的防护罩128。图1中的防护罩128在叶片124周围形成。图2显示在叶片124和喷嘴126周围形成的防护罩128。防护罩128可分段形成，例如图2至图6中的节段130。应理解，尽管展示了与叶片124相关的一个防护罩节段的实例，但本实用新型还结合了在喷嘴124周围形成的多个防护罩节段。因此，不应限制防护罩在外壳120内的位置。 

如图3所示，每个防护罩节段130通常可包括具有多个侧面的主体。具体而言，每个节段130具有前缘132、后缘134以及两个侧缘136和138。第一表面140面向(径向向外)外壳120并且与第一表面相对/相反的第二表面142面向(径向向内)工作流体100流经的热 气路径。 

关键工艺位置(在下面定义)144位于前缘132与后缘134之间，大体与旋转叶片124对齐。例如，关键工艺位置144可以是在使用燃气涡轮机时沿所述节段最高温度或其他临界温度位置、在使用燃气涡轮机时沿所述节段最大压力或其他临界压力位置(critical pressure location)、最大或其他临界气体侧面传热系数(critical gas side heat transfer coefficient)位置，或最大或其他临界应力位置。关键工艺位置144可以是在流经允许足够冷却所述节段的通道之后，冷却气体可进入或离开所述节段的位置，同时仍需考虑回流裕度(back flow margin)限制。 

另外，关键工艺位置不需为绝对的最大值，它可以是能用于确定燃气涡轮机内或所述节段本身内最佳流量和传热特性的任何所需值。很大程度上取决于燃气涡轮机的所需特性、节段130位置处的流量等。沿节段130的关键工艺位置可在燃气涡轮机不同级处变化。进一步，沿单个节段130可存在所述关键工艺位置中的两个或更多个。 

至少两个冷却通道146、148沿侧缘136中的一个限定在节段130内。第一冷却通道146具有可在第一表面140上位于前缘132附近(如图所示)的入口150。第一冷却通道146还具有邻近关键工艺位置144的出口152。第二冷却通道148具有可在第一表面140上邻近关键工艺位置144(如图所示)的入口154。第二冷却通道148具有至少一个可在后缘134附近(如图所示)的出口156。 

应理解，通过通道146、148中的任一个或两个的流动可与所显示的反向。例如，在第一通道146中的流动可与通过第二通道148的流动相反(向上游引导)。换句话说，如果需要，可从开口152流动到开口150(反向的入口/出口功能)。通过第二通道148的流动也可类似地反向。 

第一冷却通道146和第二冷却通道148可通过浇铸而不是机械加工形成。例如，众所周知可使用模具，在所述模具中提供匹配第一冷却通道146和第二冷却通道148的路径的填充物质，将所述填充物质 烧尽和/或用化学方法移除后留下所述通道。与机械加工所述通道或多个更小通道相比，这种利用浇铸至少部分所述通道的制造方法可更具成本效益。即使所述通道大体是通过浇铸形成，也可机械加工所述通道的入口和出口或其他特征，以作为所述制造的一部分。 

第一冷却通道146和第二冷却通道148可构造得足够大，以便在操作燃气涡轮机期间将侧缘136和/或相关区域冷却至所需水平。通道尺寸构造成允许顾及了回流裕度的足够流量，并且热传递足以将节段130却至所需温度。若需要，在燃气涡轮机的一个实例中，对于长度为约6.5英寸、宽度为约3.0英寸以及总体厚度为约0.25英寸的节段130而言，通道146、148的截面面积可为约0.025平方英寸。因此，不需要沿冷却通道146、148位置散布的众多较小通道来冷却节段130。 

如图所示，一组额外的冷却通道158、160可提供在另一侧缘138上。如需要，但非必须，通道158、160可与通道146、148沿在前缘132与后缘134之间延伸的中心轴大致对称。如上所述，第一冷却通道158具有可在第一表面140上位于前缘132附近(如图所示)的入口162。第一冷却通道158还具有邻近关键工艺位置144的出口164。第二冷却通道160具有可在第一表面140上邻近关键工艺位置144(如图所示)的入口166。第二冷却通道160具有至少一个可在后缘134附近(如图所示)的出口168。如图所示，入口150和入口162是共用的单个入口。然而，如下面讨论，入口150、162可以是分开的。 

各种选项和修改都是可能的。例如，如图3所示，第二通道148、160可都具有多个出口156、168，所述多个出口156、168可沿后缘134分布。这样的多个出口可机械加工或浇铸，并且如果与第二通道148、160充分隔开以需要额外冷却，则还可用于冷却后缘134。如需要，这样多个出口中的一些或全部可替代或同时在除后缘134之外的位置离开节段130。 

或者，如图7所示，改良节段130’具有第一通道146’、158’，每个通道具有它们自己的单独入口150、162，利用第一部分170、172 和第二部分174、176通向出口152、164。如图3所示，第一部分170、172彼此连通(如图所示)。如需要，节段130或130’的入口中的部分或全部也可位于除第一表面140之外的别处。 

作为另一种选择，如图8中所示，改良节段130”具有第二通道148’、160’，每个通道具有单独的入口154、166，通向第一部分178、180和第二部分182、184，并随后通向出口156、168，如上所述。然而，图8中第二部分182、184相互连通。因此，代替图3所示的结构，具有一个在位置144上游的第一通道和两个在位置144下游的第二通道，如图8所示防护罩节段可制造为具有在位置144处沿侧缘136、138分裂的一个上游通道和一个下游通道。 

替代地，如图9所示，可在沿防护罩节段的两个或更多个关键工艺位置提供分裂。沿着节段130”’的一侧，第一通道146从入口150延伸至出口152，第二通道148’从入口154延伸至出口153，并且第三通道179从入口155延伸至出口156。类似地，沿着另一侧，第一通道158从入口162延伸至出口164，第二通道160’从入口166延伸至出口165，并且第三通道181从入口167延伸至出口168。因此，图9示出按需要，可在前缘132与后缘134之间的关键工艺位置做出多于一个的分裂(split)。还应理解，分裂无需是对称的，或甚至沿所述节段的给定一侧或在所述节段的侧面之间。 

以上节段可利用挂钩、冲击板、夹子等按不同的已知方法安装到涡轮机外壳。本实用新型不限于任何此类安装布置、冷却模式，或任何用于冷却防护罩节段的特定流体。例如，此类安装在一些流体流过所公开的通道之前，可提供或不提供冷却液体冲击所述节段以向节段整体提供冲击冷却。另外，如果所述节段沿着与一排叶片124相对/相反的一排喷嘴定位，所述节段可包括安装结构、冷却通道开口等，用于接收、接触或冷却喷嘴126。 

可预期，可以比之前设计更低的成本来制造以上所示防护罩节段的不同实施例。具体而言，所述节段可浇铸或锻造，其中入口和出口 需要减少的机械加工，而更大的通道通过浇铸形成。以这种方式，所述防护罩可容易制造成包括向节段侧面提供冷却的所需流体通道。通过在具有最高温度、压力或其他测量参数(最大值或非最大值)的关键工艺位置144处分裂所述通道，冷却可有利地位于所需地点，同时提供更有效的流且泄露更少。因此可以不同方式调整所述节段以提高热性能和流动性能。 

本说明书使用各个实例来揭示本实用新型，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本实用新型，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本实用新型的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或者如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也属于权利要求书的范围。 

Claims (20)

1.一种用于燃气涡轮机外壳的防护罩节段，所述防护罩节段包括：

构造用于在邻近所述外壳内的局部关键工艺位置处附接到所述外壳的主体，所述主体具有前缘、后缘和两个侧缘，所述主体具有面向所述外壳的第一表面和与所述第一表面相对的面向热气路径的第二表面，当所述主体附接到所述外壳时，所述关键工艺位置位于所述前缘与所述后缘之间；以及

与所述侧缘中的一个相关地限定在所述主体中的至少两个冷却通道，所述冷却通道中的第一个具有入口并且延伸至出口，所述入口或所述出口中的一个邻近所述关键工艺位置，所述冷却通道中的第二个具有入口并且延伸至出口，所述入口或所述出口中的一个邻近所述关键工艺位置，所述第一冷却通道和所述第二冷却通道构造得足够大，以便在操作所述燃气涡轮机期间将所述一个侧缘冷却至所需水平。

2.根据权利要求1所述的防护罩节段，其中所述第一冷却通道具有沿所述前缘的第一部分和沿所述一个侧缘的第二部分。

3.根据权利要求2所述的防护罩节段，其中所述第二冷却通道具有沿所述一个侧缘的第一部分和沿所述后缘的第二部分。

4.根据权利要求1所述的防护罩节段，所述防护罩节段进一步包括沿所述侧缘中的另一个的至少两个额外冷却通道，所述两个额外冷却通道与所述至少两个冷却通道以所述主体的在所述前缘与所述后缘之间延伸的中心平面为参照而大体对称。

5.根据权利要求1所述的防护罩节段，其中所述第一冷却通道具有沿另一个侧缘邻近所述关键工艺位置的第二出口。

6.根据权利要求5所述的防护罩节段，其中所述第一冷却通道包括沿所述前缘的第一部分和沿所述一个侧缘的第二部分、沿所述前缘的第三部分以及沿所述另一个侧缘的第四部分。

7.根据权利要求1所述的防护罩节段，其中所述第二冷却通道具有沿另一个侧缘邻近所述关键工艺位置的第二入口。

8.根据权利要求1所述的防护罩节段，其中所述第二冷却通道包括沿所述一个侧缘的第一部分和沿所述后缘的第二部分、沿所述另一个侧缘的第三部分以及沿所述后缘的第四部分。

9.根据权利要求1所述的防护罩节段，其中所述第二冷却通道包括多个出口。

10.根据权利要求1所述的防护罩节段，其中所述主体以及所述第一冷却通道和所述第二冷却通道由浇铸金属构造而成。

11.一种燃气涡轮机，所述燃气涡轮机包括：

压缩机段；

在所述压缩机段下游的燃烧段；以及

在所述燃烧段下游的涡轮机段，其中所述涡轮机段包括限定局部关键工艺位置的外壳和周向附接到所述外壳的多个防护罩节段，每个防护罩节段包括：

构造用于附接到所述外壳的主体，所述主体中的至少一个具有前缘、后缘和两个侧缘，所述主体具有面向所述外壳的第一表面和与所述第一表面相对的面向热气路径的第二表面，当所述主体附接到所述外壳时，所述关键工艺位置位于所述前缘与所述后缘之间；以及

与所述侧缘中的一个相关地限定在所述主体中的至少两个冷却通道，所述冷却通道中的第一个具有入口并且延伸至出口，所述入口或所述出口中的一个邻近所述关键工艺位置，所述冷却通道中的第二个具有入口并且延伸至出口，所述入口或所述出口中的一个邻近所述关键工艺位置，所述第一冷却通道和所述第二冷却通道构造得足够大，以便在操作所述燃气涡轮机期间将所述一个侧缘冷却至所需水平。

12.根据权利要求11所述的燃气涡轮机，其中所述第一冷却通道具有沿所述前缘的第一部分和沿所述一个侧缘的第二部分。

13.根据权利要求12所述的燃气涡轮机，其中所述第二冷却通道具有沿所述一个侧缘的第一部分和沿所述后缘的第二部分。

14.根据权利要求11所述的燃气涡轮机，所述燃气涡轮机进一步包括沿所述侧缘中的另一个的至少两个额外冷却通道，所述两个额外冷却通道与所述至少两个冷却通道以所述主体的在所述前缘与所述后缘之间延伸的中心平面为参照而大体对称。

15.根据权利要求11所述的燃气涡轮机，其中所述第一冷却通道具有沿另一个侧缘邻近所述关键工艺位置的第二出口。

16.根据权利要求15所述的燃气涡轮机，其中所述第一冷却通道包括沿所述前缘的第一部分和沿所述一个侧缘的第二部分、沿所述前缘的第三部分以及沿所述另一个侧缘的第四部分。

17.根据权利要求11所述的燃气涡轮机，其中所述第二冷却通道具有沿另一个侧缘邻近所述关键工艺位置的第二入口。

18.根据权利要求11所述的燃气涡轮机，其中所述第二冷却通道包括沿所述一个侧缘的第一部分和沿所述后缘的第二部分、沿所述另一个侧缘的第三部分以及沿所述后缘的第四部分。

19.根据权利要求11所述的燃气涡轮机，其中所述第二冷却通道包括多个出口。

20.根据权利要求11所述的燃气涡轮机，其中所述主体以及所述第一冷却通道和所述第二冷却通道由浇铸金属构造而成。