用於燃氣渦輪機的壓縮機的製作方法

2023-12-01 20:48:36 2

專利名稱：用於燃氣渦輪機的壓縮機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於燃氣渦輪機的軸流式壓縮機，其具有橫截面環形的用於在其 中有待壓縮的介質的流動路徑，其中所述流動路徑在徑向外面由橫截面環形的外壁限制， 並且具有壓縮機殼體，所述壓縮機殼體包圍所述外壁從而形成至少一個布置在壓縮機殼體 和外壁之間的集流室，並且具有至少一個在外壁中的用於將在流動路徑中流動的介質的一 部分分離到集流室中的獲取口以及至少一個布置在殼體中的用於從殼體中排出介質的分 離的部分的開口。
背景技術：
已知燃氣渦輪機具有在渦輪機或者燃燒室中的用熱氣加載的結構部件，所述結構 部件藉助於冷卻空氣進行冷卻。對所述結構部件進行冷卻，從而使得所述結構部件持久地 經受住熱氣的熱的溫度。作為冷卻空氣，使用已知的壓縮機空氣，所述壓縮機空氣可以在壓 縮機的不同的位置從壓縮機主流中獲取。為此，圖3以縱剖圖示出了燃氣渦輪機12的壓縮 機10中的在殼體側的冷卻空氣獲取情況。通過一系列輻射狀布置的獲取口 40從在環形的 流動路徑14中流動的空氣18中獲取壓縮的空氣42，所述獲取口布置在在外面限制流動路 徑14的外壁26中。所有獲取口 40通入環形室44中，該環形室布置在外壁26外部並且在 環形室中收集分離的空氣。所述室44本身在徑向外部由壓縮機10的殼體32包圍並且由 此得到限制。在殼體32中，在圓周上分布了少量較大的開口 64，例如三個或者四個開口，從 所述開口中可以排出壓縮的空氣的輸入環形室44的部分42，從而通過其它在燃氣渦輪機 外部延伸的沒有進一步示出的管道輸入渦輪機或者燃燒室，在那裡按規定使用分離的空氣 用於冷卻用熱氣加載的結構部件。在壓縮機10的環形的流動路徑14中，分別交替地在葉片環中布置導向葉片20和 轉子葉片22，所述導向葉片20固定在殼體側也就是說不可相對旋轉地固定在外壁26上，並 且所述轉子葉片22固定在環形的流動路徑14的內壁24上，也就是說與轉子不可相對旋轉 地固定在該轉子24上。轉子葉片22的尖端在形成縫隙36的情況下對置於流動路徑14的 外壁，同樣無圍帶的導向葉片20的尖端對置於流動路徑14的內壁24。為了在每個工作階 段將轉子24和定子之間的所述縫隙保持得儘可能小，需要在熱方面儘可能好地平衡轉子 24和定子。由系統引起所述轉子由於其高質量並且由於較小的內部通流而在熱方面比殼體 慢，並且相應較慢地膨脹。尤其在短暫的工作條件下例如在冷起動或者切斷燃氣渦輪機時 出現的徑向和軸向伸長必須在設計必要的徑向和軸向縫隙時加以考慮。這總得對必須的結 構空間、對裝置的魯棒性以及尤其對燃氣渦輪機效率產生不利的影響。除此以外，由US 5，203，162公開了一種用於飛機燃氣渦輪機的具有空氣獲取功 能的軸流式壓縮機。在布置在殼體中的空氣獲取口前面有兩個徑向堆疊的環形室，所述環 形室通過共同的分隔壁相互分開。在此，內部的環形室的內部的界限壁由形成壓縮機的流 動路徑的環形壁形成。在此，不僅在環形壁中而且在分隔壁中設置開口，通過所述開口能夠流出從壓縮機中分離的部分流。在此，所述環形壁和分隔壁的開口軸向相互錯開地布置，從 而攔截並且轉向由主流攜帶的例如通過壓縮機轉子葉片在殼體上的摩擦產生的顆粒，因為 要避免其碰撞到較薄的外面的殼體壁上。此外，由US 5，160，241公開了一種具有多個獲取口的壓縮機，其中從壓縮機主流 中分離的空氣流通過環形室傳輸。為了避免沿著圓周不同的熱載荷，在每個獲取口上設置 集流室側的導向板，所述導向板扇形地沿著周向延伸。在此，導向板分別只是局部地設置在 獲取口的範圍中。藉助於導向板避免流入集流室中的空氣會沿著殼體的內表面流動，由此 能夠減少殼體的不同的熱載荷。此外，由US 4，303，371公開了一種渦輪機的導向環段，該導向環段能夠藉助於布 置在其中的u形的板進行衝擊冷卻。

發明內容
因此，本發明的任務是提供一種用於燃氣渦輪機的壓縮機或者說提供一種具有改 善的效率的燃氣渦輪機。該任務的解決方案提出，在集流室中設置分隔元件，該分隔元件將集流室分成徑 向內部的部分室和徑向外部的部分室。本發明基於這樣的認識，即到現在為止在集流室中也就是說在獲取室中非常快地 出現高導熱係數，該導熱係數導致快速的加熱並且由此導致殼體壁的由熱引起的快速膨 脹，與之相反，到現在為止明顯更慢地進行轉子的加熱。這在具有用於殼體和轉子的壓縮機入口側的軸向軸承的燃氣渦輪機中導致殼體 和轉子的所有軸向的伸長都涉及這一點。在冷起動的情況下，殼體在壓縮機範圍內加熱太 快也會導致殼體在渦輪機單元的範圍內的移動。然而因為轉子由於其熱方面的惰性而加熱 得比殼體慢，所以其軸向的移動由於在渦輪機單元的範圍中的熱伸長而比在渦輪機殼體中 的程度小。與渦輪機單元的沿著機器軸線延伸的沿熱氣的流動方向錐形擴張的熱氣通道相 關聯，這會導致渦輪機轉子葉片上的徑向縫隙通過殼體而收縮，方法是在殼體和轉子的加 熱階段中將渦輪機殼體相對於渦輪機側的轉子段朝著渦輪機出口的方向進行軸向移動，然 而該移動在轉子的加熱和伸長結束之後又要補償。為了在很大程度上考慮所述收縮，所以 將渦輪機單元中的、也就是在渦輪機轉子葉片和對置於其尖端的固定的導向環之間的徑向 縫隙構造得比較大。現在用本發明提出，通過將集流室分成徑向內部的部分室和徑向外部的部分室能 夠在冷起動時影響殼體在壓縮機範圍內的加熱速度。通過避免獲取的部分流沿著殼體內側 的強制對流，可以顯著減少介質和殼體壁之間在那裡的導熱係數。不再直接對流地被分離 的並且大多數非常熱的部分流流過所述殼體的內側。更確切地說，在殼體內側和獲取的空 氣之間存在最大部分的優選完全封閉的室、也就是徑向外部的部分室，在該室中還只能出 現自由的對流。就此而言，外面的部分室作為內部的部分室和殼體之間的隔離空腔。因此， 所述分隔元件是用於殼體的隔離元件，從而相對於沒有分隔元件的集流室顯著減少流入內 部的部分室中的介質的熱量進入殼體中。能夠如此減少尤其在集流室中流動的介質和殼體之間的導熱係數，從而在冷起動 時所述壓縮機的殼體加熱得比沒有分隔元件的時候更慢。由此，能夠補償轉子和定子的熱
4性能。該補償使得轉子和定子的加熱能夠同時並且以相同的程度進行。通過按本發明的分隔元件防止從壓縮機的主流中分離的部分的大部分沿著殼體 的內側流動。由此延緩殼體的加熱以及其沿軸向的伸長，這對殼體和轉子的熱性能或者說 熱伸長進行了補償。如此能夠顯著減少由伸長引起的軸向的殼體移動和由伸長引起的軸向 的轉子移動之間的時間間隔。通過本發明的應用能夠在冷起動期間減少渦輪機殼體和渦輪機側的轉子段、也就 是尤其渦輪機轉子葉片的前面所述的在此期間的軸向的相對移動，因為現在尤其與轉子類 似緩慢地加熱壓縮機殼體，並且相應地在時間上相互調整轉子和定子的由熱引起的伸長。 由此能夠將渦輪機徑向縫隙(冷縫隙)設計得較小，這在穩定的運行中減少徑向縫隙損失 並且因此顯著提高燃氣渦輪機的效率。同樣，由此能夠縮小在壓縮機葉片的自由端部和對置於其的壁之間的縫隙(冷縫 隙)的根據結構設置的尺寸，這在壓縮機或者說燃氣渦輪機的穩定運行中有利地影響到效率。為了從殼體或者說集流室中排出介質的分離的部分，所述分隔元件具有較大的排 出口，該排出口通過通道與布置在殼體中的開口連接。由此可以從集流室或者說殼體中導 出介質的在內部的部分室中流動的部分。在此，沿周向看所述外面的部分室通過所述通道 中斷，該通道將布置在殼體中的開口與布置在分隔元件中的排出口相連接。沿周向看，該中 斷也只能部分地分開外面的部分室。在從屬權利要求中說明了有利的設計方案。沿壓縮機的軸向看，所述集流室適宜地由兩個側壁限制，所述側壁分別從殼體延 伸到外壁。在此，每個側壁能夠部分地或者完全地由殼體或者說由外壁的突起部分形成，在 此，所述殼體和所述外壁的突起部分能夠根據槽和榫的類型相互過渡。總之，集流室由此徑 向外部由殼體限制、徑向內部由流動路徑的外壁限制並且在兩側由兩個側壁限制。由此獲 得關於壓縮機的機器軸線橫截面為環形的集流室。當分隔元件為板狀的並且所述兩個側壁分別具有相互對置的並且板狀的分隔元 件嵌入其中的槽時，可以特別簡單地將集流室分成徑向內部的部分室和徑向外部的部分 室。由於通常既存的將殼體分成下面的和上面的半殼體，可以將也是半件構造的分隔元件 為了裝配目的推入每個半殼體的兩個槽中並且固定在中間點上。分隔元件優選可熱運動地 位於兩個環繞的槽中。由此避免分隔元件中的應力。在此，分隔元件可以由兩個分別180° 大的板材段形成。然而也可以使用更多個板材段，當然更多個板材段關於機器軸線具有小 於180°的弧度延伸。所述分隔元件優選相對於外壁的外側布置得更靠近殼體的內側。原則上，從流動 路徑中獲取的介質的整個分離的部分只是在內部的部分室中流動。因此，內部的部分室的 橫向於周向看的橫截面應該顯著大於外部的部分室的橫截面，因為通過內部的部分室來引 導整個需要用於冷卻的冷卻空氣品質流。通過內部的部分室的合適的尺寸設計、也就是其 橫截面的合適的尺寸能夠實現損失較少地引導分離的冷卻空氣流。根據本發明的另一種優選的設計方案，所述分隔元件可以具有均勻分布的、比排 出口的橫截面小的開口。由此防止在殼體中由於分隔元件的隔離而引起局部太高的熱應 力。此外，通過所述開口的布置能夠根據開口大小的數目和開口沿著圓周的分布靈活地調節獲取的部分流和殼體之間的導熱係數。通過在分隔元件中使用開口，可以將分離的空氣 的其它部分從內部的部分室轉移到外部的部分室中，從而在外部的部分室中出現由自由的 對流和強制的對流形成的混合。就此而言，能夠如此調節所述導熱係數，從而避免在殼體材 料中太高的熱應力。然而，由具有較小橫截面的開口不能實現以整個分離的空氣流通流外 部的部分室，並且也應該按規定避免這種通流。為了儘可能均勻地從流動路徑中將介質的分離的部分獲取到集流室中，所述外壁 具有大量輻射狀布置的獲取口。尤其由此能夠沿周向看將均勻分離的介質輸入集流室。優選所述集流室只覆蓋壓縮機的流動路徑的軸向的部分段。因此，不是整個環形 的流動路徑沿著其延伸方向都具有將其包圍的集流室，而是只具有軸向的部分段。特別優 選所述軸向的部分段設置在軸流式壓縮機的後面的壓縮機級中。由於在壓縮介質時上升的 介質溫度，本發明尤其能夠優選地用在壓縮機的這樣的軸向的部分段中，在這樣的軸向的 部分段中，介質溫度是特別高的。這在設置在壓縮機出口側的後面的壓縮機級中就是這種 情況。尤其在該軸向的部分段中由於在冷起動時分離的介質和殼體溫度的較高的溫度差， 有利地在熱方面相對於分離的介質隔離所述殼體。所述壓縮機適宜地可以具有多個軸向相互隔開的集流室，所述集流室分別環形地 包圍流動路徑。在此，按本發明的分隔元件可以相應地布置在一個集流室中、多個集流室中 或者所有集流室中。由此，本發明的使用不僅限制在後面的壓縮機級上，而且本發明也可以用在中間 的壓縮機級中，然而也可以用在前面的壓縮機級中，只要這是有用的。


其它結構上的特徵和優點在下面的附圖描述中進行說明。其中圖1是燃氣渦輪機的按本發明的壓縮機的縱剖面的截取部分，圖2是按圖1的壓縮機的橫截面的截取部分，以及圖3是燃氣渦輪機的由現有技術公開的壓縮機的縱剖面的截取部分。
具體實施例方式圖1以縱剖面示出了燃氣渦輪機12的壓縮機10的按本發明的輸出端的部分段。 與圖3中在現有技術中值得讚賞的壓縮機10類似，該壓縮機包括流動路徑14，該流動路徑 沿著機器軸線16延伸。該流動路徑14沿橫截面看(參照圖2)是環形的。在流動路徑14 中，沿著機器軸線16前後相互交替地分別在葉片環中布置導向葉片20以及轉子葉片22。 所述流動路徑14在徑向內部由燃氣渦輪機12的轉子24的表面23限制，該表面由相互抵 靠的轉子盤27的側面形成。在徑向外部，所述流動路徑14由橫截面環形的外壁26限制。 該外壁26是環形地包圍轉子24的導向葉片外圈28的一部分，在該導向葉片外圈中壓縮機 導向葉片20推入沒有示出的圓周鉤卡機構中。所述導向葉片外圈28除了其基本上柱形的 延伸外還包括兩個環繞的突起30。所述導向葉片外圈28由環形的殼體32包圍，並且在此 通過兩個相互軸向隔開的徑向向內延伸的突起34與導向葉片外圈28的徑向向外延伸的突 起30進行連接。所述突起30、34分別成對地形成側壁35。由此，沿軸向在兩個側壁35之 間並且沿徑向在殼體32和外壁26之間布置了集流室44，該集流室的橫截面是環形的並且與機器軸線16同心地包圍壓縮機10的流動路徑14。代替由導向葉片外圈28和殼體32構 成的兩部件的結構，也可以設置一體的結構。在這種情況下，該集流室布置在組合的導向葉 片外圈殼體的壁中。在導向葉片外圈28的外壁26中輻射狀布置地設置了多個獲取口 40 (圖2)，在這 些獲取口中在圖1的縱剖面中只示出了一個獲取口。通過獲取口 40能夠按照箭頭42分離 在流動路徑14中有待壓縮的介質18也就是空氣的一部分。在集流室44中布置了分隔元件46。該分隔元件46將集流室44分成布置在徑向 內部的部分室48以及布置在徑向外部的部分室50。在此，徑向外部和徑向內部分別與機器 軸線16相關。所述兩個側壁35分別設有整體環形的相互對置的槽52。所述分隔元件46 能夠為了進行裝配而推入相互對置的槽52中並且可熱運動地支承在其中。在此，分隔元件46和殼體32的內側54之間的徑向距離顯著小於分隔元件46和 外壁26的外側56、也就是導向葉片外圈28的外側56之間的徑向距離。根據圖2，所述分 隔元件46具有較大的排出口 60，該排出口通過通道62與布置在殼體32中的開口 64連接。 由此，能夠通過通道62從殼體32或者說從集流室44中排出介質18的在內部的部分室48 中流動的被分離的部分42，從而將其從那裡出發通過沒有進一步示出的管道導向燃氣渦輪 機12的渦輪機的結構部件，所述結構部件為了實現特別長的使用壽命必須在燃氣渦輪機 12的運行期間持續地進行冷卻。通過在壓縮機10的集流室44中安置分隔元件46，一方面防止整個分離的部分流 42沿著殼體32的內側54掃過以及在此將由其攜帶的熱量特別快地輸入殼體32的材料中。 另一方面避免通過獲取口 40徑向向外流的空氣直接碰撞到殼體32的內側54以及由此特 別快地加熱殼體。總之，由此避免在冷起動時殼體32比布置在燃氣渦輪機12內部的轉子 24加熱得更快。由此，能夠相對於轉子24的熱性能補償殼體32的熱性能，從而能夠在所 述軸向的區段的範圍內近似同步地加熱兩個組件24、32。在導向葉片20的尖端和轉子表 面23之間的以及在轉子葉片22的尖端和外壁26之間的由結構引起的縫隙能夠由此設計 得更小，這在穩定地運行燃氣渦輪機12時顯著減少縫隙損失。同時，通過定子和轉子24的 經過平衡的熱性能減少在渦輪機單元中在短暫運行時出現的徑向縫隙損失。通過減少流動 損失或者說縫隙損失能夠總得提高燃氣渦輪機的效率。根據按本發明的分隔元件46的設計並且根據殼體32的內側54和導向葉片外圈 28的外側56之間所選擇的距離，可以要求在外面的部分室50中的自由對流現在相對於轉 子24太緩慢地加熱壓縮機10的殼體32。對於這種情況，可以設置在分隔元件46中均勻分 布的較小的開口，使得分離的空氣42的至少一小部分還能輸入外面的部分室50或者說能 夠沿著殼體32的內側54掃過，從而防止-相對於轉子24-太緩慢地加熱殼體32。原則上，所述壓縮機10不僅可以具有所述一個示出的集流室44，而且可以具有多 個軸向相互相鄰的集流室用於獲取具有不同壓力和溫度的冷卻空氣。根據要求可以僅僅在 一個集流室44中、在多個所述集流室中或者在所有集流室中分別布置分隔元件46，從而顯 著限制分離的流體與殼體32的內側54的接觸，並且由此延緩冷卻空氣到殼體32的熱傳 遞。根據方案可以通過分隔元件46密封地隔開外面的部分室50與內部的部分室48。 然而因為外面的部分室50僅僅用作隔離室或者說用於延緩殼體32的加熱，所以不強制要
7求絕對密封的隔離。 總之，本發明涉及一種用於將固定的燃氣渦輪機12的壓縮機10的殼體32與其轉 子24進行熱匹配的措施，其中從壓縮機空氣流18中分離用於冷卻燃氣渦輪機結構部件的 部分流42。通過將分隔元件46巧妙地布置在環形地包圍流動路徑14的集流室44中，顯著 地限制或者說甚至避免在壓縮機10中分離的部分流42與殼體22的內側54的接觸，從而 防止在壓縮機10冷起動時提早加熱燃氣渦輪機12或者說殼體32。
權利要求
用於燃氣渦輪機(12)的壓縮機(10)，該壓縮機具有橫截面環形的用於在其中有待壓縮的介質(18)的流動路徑(14)，其中所述流動路徑(14)在徑向外面由橫截面環形的外壁(26)限制；並且該壓縮機具有壓縮機殼體(32)，所述壓縮機殼體包圍所述外壁(26)從而形成至少一個布置在所述壓縮機殼體和所述外壁之間的集流室(44)；並且所述壓縮機具有至少一個在所述外壁(26)中的用於將在流動路徑(14)中流動的介質(18)的一部分(42)分離到集流室(44)中的獲取口(40)和至少一個布置在殼體(32)中的用於從殼體(32)中排出介質(18)的分離的部分(42)的開口(64)；其中在所述集流室(44)中設置將集流室(44)分成徑向內部的部分室(48)和徑向外部的部分室(50)的分隔元件(46)，從而相對於沒有分隔元件(46)的集流室(44)顯著減少在內部的部分室(48)中流動的介質(18)的熱量進入殼體(32)中，其中所述分隔元件(46)具有至少一個排出口(60)，該排出口通過通道(62)與布置在殼體(32)中的用於從殼體(32)中排出介質(18)的分離的部分(42)的開口(64)連接，其特徵在於，所述外部的部分室(50)構造成最大部分優選完全封閉的室，該室用作內部的部分室(48)和殼體(32)之間的隔離空腔。
2.按權利要求1所述的壓縮機(10)，其中，沿壓縮機(10)的軸向看，所述集流室(44) 由兩個側壁(35)限制，所述側壁分別從殼體(32)延伸到外壁(26)。
3.按權利要求2所述的壓縮機(10)，其中，所述分隔元件(46)是板狀的，並且所述兩 個側壁(35)分別具有槽(52)，所述槽相互對置並且板狀的分隔元件(46)插入所述槽中。
4.按權利要求1、2或3所述的壓縮機(10)，其中，所述分隔元件(46)相對於外壁(26) 的外側(56)布置得更靠近殼體(32)的內側(54)。
5.按上述權利要求中任一項所述的壓縮機(10)，其中，所述分隔元件(46)具有均勻分 布的橫截面較小的開口。
6.按上述權利要求中任一項所述的壓縮機(10)，該壓縮機在其外壁(26)中具有大量 輻射狀布置的獲取口(40)。
7.按上述權利要求中任一項所述的壓縮機(10)，其中，所述集流室(44)只覆蓋壓縮機 (10)的流動路徑(14)的軸向的部分段。
8.按權利要求7所述的壓縮機(10)，其中，所述軸向的部分段關於介質(18)設置在後 面的壓縮機級中。
9.按上述權利要求中任一項所述的壓縮機(10)，具有多個集流室，其中僅僅在一個集 流室(44)中、在多個集流室中或者在所有集流室中分別布置分隔元件(46)。
10.具有按上述權利要求中任一項所述的壓縮機(10)的固定的能夠軸向通流的燃氣 渦輪機(12)。
全文摘要
本發明涉及一種用於在熱方面使固定的燃氣渦輪機(12)的壓縮機(10)的殼體(32)配合其轉子(24)的措施，其中從壓縮機空氣流(18)中分離出用於冷卻燃氣渦輪機結構部件的部分流(42)。通過將分隔元件(46)巧妙地布置在環形地包圍流動路徑(14)的集流室(44)中來顯著地限制或者說甚至避免在壓縮機(10)中分離的部分流(42)與殼體(22)的內側(54)的接觸，從而防止在冷起動時燃氣渦輪機(12)或者說殼體(32)的提前加熱。
文檔編號F02C6/08GK101910586SQ200880124450
公開日2010年12月8日 申請日期2008年11月18日 優先權日2008年1月11日
發明者H·馬戈恩, M·阿拉斯蒂 申請人:西門子公司