燃氣渦輪機噴嘴設置和燃氣渦輪機的製作方法

2023-06-03 03:11:26

專利名稱：燃氣渦輪機噴嘴設置和燃氣渦輪機的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃氣渦輪機噴嘴設置、燃氣渦輪機和用於密封渦輪機噴嘴的徑向外平臺和承載所述徑向外平臺的承載環之間的滲漏路徑的密封元件。
背景技術：
通常，燃氣渦輪發動機包括用於壓縮空氣的壓縮機、用於使得壓縮空氣與燃料混合併點燃混合物的燃燒室以及用於產生動力的渦輪葉片組件。渦輪葉片組件通常包括渦輪葉片構成的多個環，在所述環之間設置有包括多個導向葉瓣的噴嘴設置。噴嘴設置通常包括外承載環或支撐環、內承載環或支撐環以及多個噴嘴段，每個噴嘴段通常包括徑向外平臺、徑向內平臺和從徑向外平臺延伸到徑向內平臺的至少一個葉瓣。噴嘴設置形成用於來自燃燒室的熱且腐蝕性燃燒氣體的環形流動路徑。燃燒室通常在可能超過1350°C的高溫下運轉。典型的渦輪機燃燒室構造將渦輪葉瓣和葉片設置暴露於這樣的高溫。因此，渦輪葉瓣和葉片必須由能夠承受這種高溫的材料製成。此外，渦輪葉瓣和葉片通常包含冷卻系統以用於延長葉瓣和葉片的壽命並且用於減小由於過高溫度導致失效的可能性。為了防止噴嘴段的平臺(其形成用於熱且腐蝕性燃燒氣體的流動路徑的壁)由於熱燃燒氣體而受到損壞，使用壓縮機空氣來冷卻平臺。不過，用於冷卻平臺的壓縮機空氣的壓力高於在噴嘴設置下遊流動的燃燒氣體的壓力。此外，用於冷卻平臺，具體地冷卻其下遊端的冷卻空氣將被排入熱燃燒氣體的流動路徑內。因此，進入流動路徑的空氣流動需要被約束到最小以便維持整體渦輪機效率。為了將壓縮機空氣流動約束到熱燃燒氣體的流動路徑內，在噴嘴段的徑向外平臺和外承載環之間提供密封件。此外，在噴嘴段的徑向內平臺和內承載環之間提供密封件，這主要是為了防止熱燃燒氣體進入平臺和承載環之間的間隙。這種密封件的示例公開於 US 2008/0101927 Al、US 6，641，144、US 6，572，331、US6，637，753、US 6，637，751、US 2005/0244267 Al、EP 1 323 890 Bi、EP 1 323 896 Bi、EP1 323 898 Bi、US 6，752，331 和 US 2003/012398 Al。EP 1 247 942 Bl還公開了用於密封渦輪機機械的部件之間的氣體路徑滲漏間隙的密封元件。該密封元件由多個元件構成，所述元件由具有陶瓷材料的板材金屬製成。US2005/0095123 Al公開了在渦輪機機器的兩個縱向相鄰元件之間的分段式密封件。已知的密封裝置實際上需要複雜的緊固器件將它們安裝在噴嘴設置上。所有已知的密封設置實際上還具有如下共同點，即由於複雜性原因，它們的構造、組裝和製造成本相對較高。

發明內容
關於上述現有技術，本發明的第一目標是提供有利的燃氣渦輪機噴嘴設置和有利的燃氣渦輪機。本發明的第二目標是提供在燃氣渦輪機噴嘴設置中使用的有利的密封元件。
通過如權利要求1所主張的燃氣渦輪機噴嘴設置以及通過權利要求8所主張的燃氣渦輪機來實現第一目標。通過如權利要求9所主張的密封元件來實現第二目標。從屬權利要求涵蓋了本發明的進一步改進。本發明的燃氣渦輪機噴嘴設置具有限定從中通過的熱燃燒氣體的流動方向的軸向方向以及徑向方向，所述燃氣渦輪機噴嘴設置包括承載環和噴嘴段，每個噴嘴段具有外平臺和從所述外平臺徑向向內延伸的至少一個導向葉瓣，所述外平臺形成用於熱燃燒氣體的流動通道的外壁段。外平臺各自連接到承載環，所述承載環具有面向軸向的承載環表面。 此外，每個外平臺具有面向軸向的平臺表面。承載環表面形成第一密封表面並且平臺表面形成第二密封表面。承載環表面和平臺表面在一平面內彼此對齊並且被定位成彼此間存在徑向間隙。每個外平臺包括徑向外表面且具有衝擊板以用於允許對徑向外表面的衝擊冷卻。提供包括面向軸向的板條密封件的密封元件，其與衝擊板結合，板條密封件鄰抵於第一和第二密封表面二者以便疊覆所述間隙。通過使得板條密封件與衝擊板相結合，可能的是在較不複雜且較少成本的情況下密封噴嘴和承載環之間的潛在空氣滲漏路徑。具體而言，可能的是通過密封件的衝擊板部分固定板條密封件，對此已經存在適當的固定結構。因此，不必要為密封所述滲漏路徑的板條密封件提供特殊的且可能複雜的固定結構。優選地，板條密封件抵靠第一和第二密封表面彈簧偏壓，以使得一方面能夠確保良好的密封性能且另一方面能夠實現通過夾持進行固定。衝擊板和板條密封件均可以由通過至少一個連接元件連接的板材金屬形成。這允許簡單且輕質的構造。至少所述連接元件具體地可以由彈性板材金屬製成以便產生將板條密封件密封表面彈簧偏壓於第一和第二密封表面的彈簧力。在這種構造的特殊實施方式中，衝擊板和板條密封件均由單個板材金屬元件的不同板材金屬區段形成，並且通過所述板材金屬元件的至少一個中間彎曲板材金屬區段形成連接元件。在替代性實施方式中，衝擊板和板條密封件均由不同板材金屬板形成，並且通過連接板材金屬板以形成衝擊板的至少一個鉸鏈元件來形成連接元件。衝擊板可以形成圍繞外平臺的徑向外表面的圓筒形蓋的圓筒區段，這允許通過多個單獨密封/衝擊板設置來完全覆蓋徑向外表面。本發明的燃氣渦輪機包括至少一個本發明的燃氣渦輪機噴嘴設置。此外，提供密封元件以用於密封渦輪機噴嘴的徑向外平臺和承載所述徑向外平臺的承載環之間的滲漏路徑，其中承載環具有面向軸向的承載環表面，並且徑向外平臺具有面向軸向的平臺表面，承載環表面形成第一密封表面並且平臺表面形成第二密封表面，第一和第二密封表面在一平面內對齊且其間具有徑向間隙。密封元件包括板條密封件和衝擊板以用於允許衝擊冷卻徑向外平臺的徑向外表面。這種密封元件適於形成本發明的燃氣渦輪機噴嘴設置並且因此能夠被用於實現已經關於本發明噴嘴設置所描述的優點。衝擊板和板條密封件均可以由板材金屬形成並且通過至少一個連接元件連接。在此方面，板條密封件和衝擊板均可以通過單個板材金屬元件的不同板材金屬區段形成。之後，可以通過所述板材金屬元件的至少一個中間彎曲板材金屬區段來形成連接元件。可替代地，衝擊板和板條密封件均可以由不同板材金屬板形成。之後，可以通過連接板材金屬板以形成衝擊板和板條密封件的至少一個鉸鏈元件來形成連接元件。
具體而言，所述至少一個連接元件可以由彈性板材金屬製成以便產生彈簧力從而允許板條密封件彈簧偏壓於第一和第二密封表面。為了允許容易地組裝燃氣渦輪機噴嘴中的徑向外平臺的徑向外表面的圓筒形蓋，衝擊板部分可以形成圓筒形桶的圓筒形區段。結合附圖從優選實施例的下述描述中將顯而易見到本發明的其他特徵、性質和優
點ο


圖1以高度示意性的視圖示出了燃氣渦輪發動機。圖2示出了燃氣渦輪發動機的渦輪機入口的示例。圖3示出了沒有本發明密封元件的噴嘴設置的截面。圖4示出了具有本發明密封元件的圖3的截面。圖5示出了本發明密封元件的立體圖。
具體實施例方式圖1以高度示意性的視圖示出了燃氣渦輪發動機1，其包括壓縮機區段3、燃燒室區段5和渦輪區段7。轉子9延伸通過所有區段並且在壓縮機區段3中承載壓縮機葉片11構成的環並且在渦輪區段7中承載渦輪葉片13構成的環。在壓縮機葉片11的相鄰環之間並且在渦輪葉片13的相鄰環之間，壓縮機葉瓣15構成的環和渦輪葉瓣17構成的環分別從燃氣渦輪發動機1的殼體19朝向轉子9徑向向內延伸。轉子9繞其旋轉軸線X旋轉。在燃氣渦輪發動機1運轉期間，空氣通過壓縮機區段3的空氣入口 21進入。空氣被壓縮並且被旋轉壓縮機葉片11導向燃燒室區段5。在燃燒室區段5中，空氣與氣態或液態燃料混合併且混合物燃燒。由於燃燒燃料/空氣混合物所導致的熱的加壓燃燒氣體被供給到渦輪區段7。在其通過渦輪區段7的路線上，熱的加壓氣體在膨脹和冷卻時將動量傳遞到渦輪葉片13，從而將旋轉運動施加到驅動壓縮機和耗能器(例如用於產生電力的發電機或工業機器)的轉子9。渦輪葉瓣17構成的環用作噴嘴來引導熱的加壓燃燒氣體從而優化向渦輪葉片13的動量傳遞。最終，膨脹且冷卻的燃燒氣體通過排氣裝置23離開渦輪區段7。在圖2中更具體地示出了渦輪區段7的進口。該圖示出了渦輪葉片13構成的第一環和渦輪葉瓣17構成的第一環。渦輪葉瓣17在徑向外平臺25和徑向內平臺27之間延伸，徑向外平臺25和徑向內平臺27與相鄰渦輪機部件31、33和渦輪葉片13的平臺一同形成用於熱加壓燃燒氣體的流動路徑的壁。圖中還示出了渦輪葉瓣和葉片構成的環的軸向方向A和徑向方向R。燃燒氣體沿圖2中由箭頭35標出的方向(即基本沿軸向方向A)流動通過流動路徑。外平臺和內平臺25、27與其間延伸的渦輪葉瓣17 —同形成噴嘴段，所述渦輪葉瓣17被外平臺25和內平臺27分別連接的外承載環和內承載環保持就位。外承載環、內承載環和噴嘴段一同形成渦輪機的噴嘴設置。注意到，雖然本實施例的每個單個導向葉瓣17均與外平臺25和內平臺27 —同形成噴嘴段，不過噴嘴段的其他形式是可能的。在示例性替代噴嘴段中，外平臺和內平臺可以比所述實施例中延伸經過更大的環段以使得它們可以具有在其間延伸的多個葉瓣，例如兩個或三個葉瓣。不過，與延伸經過較大環段的平臺相比，延伸經過較小環段且僅具有在其間延伸的一個葉瓣的平臺是有利的，因為在燃氣渦輪機運轉期間的熱膨脹導致較小的內應力。此外，在任何情況下內承載環均不是必要的。圖3示出了噴嘴設置的截面，其不具有本發明的密封元件71以便示出從壓縮機空氣貯存器47到流動路徑的滲漏路徑，該流動路徑由承載環37和徑向外平臺25之間存在的噴嘴設置形成。外承載環37包括具有凸起45的環區段41，所述凸起45從環區段41朝向外平臺 25徑向向內突出。外平臺25包括軌四，該軌四從外平臺25朝向承載環37的環區段41 徑向向外突出。肩部46形成在環區段41和凸起45之間且具有與外平臺25的軌四的厚度d基本對應的長度1。從環區段41突出的凸起45和軌四用於例如藉助於延伸通過凸起 41和軌四的螺栓或螺釘將徑向外平臺25固定到承載環37，這是本領域所已知的。當外平臺25被固定到承載環37時，在環區段37的肩部46和軌四之間保持間隙 67。此外，餘隙67保持在軌四和凸起41之間以便允許二者響應不同的熱膨脹而相對彼此運動。此外，與壓縮機出口流動連接的壓縮機空氣貯存器47將壓縮機空氣傳輸到導向葉瓣 17的一個或更多個內部通路以用於冷卻所述導向葉瓣。此外，壓縮機空氣被用於通過使用衝擊板(圖3中未示出)來衝擊冷卻外平臺25 (更精確地，外平臺25的徑向外表面沈)，其中該衝擊板在上遊被固定到外平臺25的徑向外表面沈。在這種構造中，間隙63和餘隙67 形成滲漏路徑，壓縮機空氣能夠通過該滲漏路徑沿箭頭65的方向從壓縮機空氣貯存器47 流動到噴嘴的流動路徑內。可以存在沿通過噴嘴的流動路徑的流動方向位於上遊的相鄰渦輪機部件31。不過，滲漏路徑仍可以如圖3所示存在，因為間隙34也將存在於徑向外平臺25和相鄰渦輪機部件31之間以便允許不同的熱膨脹。因此，滲漏路徑將僅僅被延伸但不因相鄰渦輪機部件 31的存在而閉合。圖4示出了圖3所示的本發明的噴嘴設置的截面，其具有本發明的密封元件71。外平臺25的軌四包括面向噴嘴段的軸向方向A的平臺表面43 (如圖3所示)。 類似地，承載環37的環區段41中的肩部46包括也沿噴嘴段的軸向方向A的承載環表面49 (見圖3)。承載環表面49和平臺表面43分別形成第一和第二密封表面。這些第一和第二密封表面43、49在平面B中對齊。平面B可以是垂直於軸線A的平面。本發明的密封元件70在圖5中以立體圖被示出。其包括板條密封件71和上文提到的衝擊板75。注意到，圖中沒有示出衝擊板75中存在的形成衝擊射流的孔。衝擊板75 和板條密封件71均由板材金屬製成並且通過至少一個連接元件彼此連接，該連接元件在本實施例中由兩個由彈性彎曲板材金屬製成的鉸鏈區段73構成。由於鉸鏈區段73是彈性的，所以可以抵靠密封表面43、49彈簧偏壓板條密封件71。注意到，可以選擇鉸鏈區段73 的厚度、寬度和數量以便設定施加於板條密封件71和衝擊板75的所需彈簧力並且減小施加於板條密封件71和衝擊板75的熱應力。能夠由單個板材金屬件來形成板條密封件71、衝擊板75和鉸鏈(例如通過適當地切割並彎曲該板材金屬件)從而實現通過鉸鏈區段73來結合板條密封件71和衝擊板75以形成密封元件70。例如可以通過已知的壓縮方法由金屬板材形成板條密封件71、衝擊板75 和鉸鏈區段73。
可替代地，能夠通過使得板條密封件71、衝擊板75和鉸鏈區段73中的至少兩個由不同金屬件製成且之後將其結合來形成密封元件70，從而實現通過鉸鏈區段73來結合板條密封件71和衝擊板75以形成密封元件70。能夠通過各種手段，例如焊接、軟焊、螺栓連接、鉚接等，來實現不同金屬件的結合。密封元件70的衝擊板區段75被形成為圓筒形桶段。因此，其能夠被安裝成圍繞並覆蓋噴嘴設置的外平臺25的外表面。利用本發明密封元件70的設計，即使沒有抵靠密封表面43、49彈簧偏壓板條密封件71，空氣貯存器47中的加壓壓縮機空氣也朝向密封表面43、49推動板條密封件71以便提供緊密密封。因此，減少了新鮮空氣的消耗並且燃氣渦輪機能夠以更高效率運轉。
權利要求
1.一種燃氣渦輪機噴嘴設置，其具有限定從中通過的熱燃燒氣體的流動方向的軸向方向(A)以及徑向方向(R)，該噴嘴設置包括承載環(37)和噴嘴段，每個噴嘴段具有外平臺(25)和從所述外平臺徑向向內延伸的至少一個導向葉瓣(17)，所述外平臺形成用於所述熱燃燒氣體的流動通道的外壁段，其中-所述外平臺(25 )各自連接到所述承載環(37 )；-所述承載環(37)具有面向軸向的承載環表面(49)；以及-每個外平臺(25)具有面向軸向的平臺表面(43)；其中-所述承載環表面(49)形成第一密封表面(49)並且所述平臺表面(43)形成第二密封表面(43)，所述承載環表面(49)和所述平臺表面(43)相對彼此在一平面(B)內對齊並且被定位成彼此間具有徑向間隙(67)；-每個外平臺(25)包括徑向外表面，該徑向外表面具有衝擊板(75)以便允許衝擊冷卻所述徑向外表面；以及-提供密封元件(70)，該密封元件包括與所述衝擊板(75)結合的面向軸向的板條密封件(71)，所述板條密封件(71)鄰抵所述第一和第二密封表面(43、49) 二者從而疊覆所述間隙(67)。
2.根據權利要求1所述的燃氣渦輪機噴嘴設置，其中所述板條密封件(71)彈簧偏壓於所述第一和第二密封表面(43、49 )。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的燃氣渦輪機噴嘴設置，其中所述衝擊板(75)和板條密封件(71) 二者均由板材金屬形成並且通過至少一個連接元件(73)連接。
4.根據權利要求3所述的燃氣渦輪機噴嘴設置，其中所述衝擊板(75)和所述板條密封件(71)均由單個板材金屬元件的不同板材金屬區段形成，並且所述連接元件(73)由所述板材金屬元件的至少一個中間彎曲板材金屬區段形成。
5.根據權利要求3所述的燃氣渦輪機噴嘴設置，其中所述衝擊板(75)和所述板條密封件(71)均由不同板材金屬板形成，並且所述密封元件(70)由使得所述板材金屬板互連從而形成所述衝擊板(75)和板條密封件(71)的至少一個鉸鏈元件(73)形成。
6.根據權利要求2和權利要求3-5中任一項所述的燃氣渦輪機噴嘴設置，特徵在於至少所述連接元件(73)由彈性板材金屬製成，以便產生抵靠所述第一和第二密封表面(43,49)彈簧偏壓所述板條密封件(71)的彈簧力。
7.根據權利要求1-6中任一項所述的燃氣渦輪機噴嘴設置，特徵在於所述衝擊板(75)形成圍繞所述外平臺(25)的所述徑向外表面(26)的圓筒形蓋的圓筒區段。
8.一種包括至少一個根據權利要求1-7中任一項所述的燃氣渦輪機噴嘴設置的燃氣渦輪機。
9.一種密封元件(70)，其用於密封渦輪機噴嘴的徑向外平臺(25)和用於承載所述徑向外平臺(25)的承載環(37)之間的滲漏路徑，其中所述承載環(37)具有面向軸向的承載環表面(49)並且所述徑向外平臺(25)具有面向軸向的平臺表面(43)，所述承載環表面 (49)形成第一密封表面(49)並且所述平臺表面(43)形成第二密封表面(43)，所述第一和第二密封表面(43、49)在一平面(B)內對齊且在其之間具有徑向間隙(67)，其中所述密封元件包括板條密封件(71)和衝擊板(75)以便允許衝擊冷卻所述徑向外平臺 (25)的徑向外表面(26)。
10.根據權利要求9所述的密封元件(70)，其中所述衝擊板(75)和板條密封件(71)均由板材金屬形成並且通過至少一個連接元件(73)連接。
11.根據權利要求9或權利要求10所述的密封元件(70)，其中所述板條密封件(71)和衝擊板(75)均由單個板材金屬元件的不同板材金屬區段形成，並且所述連接元件(73)由所述板材金屬元件的至少一個中間彎曲板材金屬區段形成。
12.根據權利要求9或權利要求10所述的密封元件(70)，其中所述衝擊板(75)和板條密封件(71)均由不同板材金屬板形成，並且所述連接元件由使得形成所述衝擊板(75)和板條密封件(71)的所述板材金屬板互連的至少一個鉸鏈元件 (73)形成。
13.根據權利要求10-12中任一項所述的密封元件(70)，其中至少所述連接元件(73)由彈性板材金屬製成，以便產生用於彈簧偏壓所述板條密封件 (71)的彈簧力。
14.根據權利要求9-13中任一項所述的密封元件(70)，其中所述衝擊板(75)形成圓筒形桶的圓筒區段。
全文摘要
提供燃氣渦輪機噴嘴設置。該燃氣渦輪機噴嘴設置具有限定從中通過的熱燃燒氣體的流動方向的軸向方向(A)以及徑向方向(R)，該噴嘴設置包括承載環(37)和噴嘴段，每個噴嘴段具有外平臺(25)和從所述外平臺徑向向內延伸的至少一個導向葉瓣(17)，所述外平臺形成用於所述熱燃燒氣體的流動通道的外壁段。所述外平臺(25)各自連接到承載環(37)。此外，承載環(37)具有面向軸向的承載環表面(49)並且每個外平臺(25)具有面向軸向的平臺表面(43)，其中承載環表面(49)形成第一密封表面(49)並且平臺表面(43)形成第二密封表面(43)。承載環表面(49)和平臺表面(43)在一平面(B)內對齊且在其之間具有徑向間隙(67)。每個外平臺(25)包括徑向外表面，該徑向外表面具有衝擊板(75)以便允許衝擊冷卻該徑向外表面。提供面向軸向的扁平板條密封件(71)，該密封件是衝擊板(75)的一部分，該板條密封件(71)具有鄰抵所述第一和第二密封表面(43、49)二者的板條密封件密封表面從而疊覆間隙(67)。
文檔編號F01D25/12GK102575526SQ200980161689
公開日2012年7月11日 申請日期2009年9月28日 優先權日2009年9月28日
發明者S.巴特 申請人:西門子公司