CN102245863A - 导向叶片支架 - Google Patents

Abstract

特别是用于燃气轮机(101)的导向叶片支架(1)，该导向叶片支架由多个轴向段(2)组成，所述导向叶片支架应该在特别高的运行安全性的情况下实现更高的使用寿命。为此，两个相邻的轴向段(2)由多个分别被支承管(14)围绕的拉杆(8)相连接，其中，在各个支承管(14)的至少一个端部上设置球形垫圈(16)，该球形垫圈被安置在各个轴向段(2)上支承的锥形凹座(18)内。

Description

导向叶片支架

本发明涉及一种特别是用于燃气轮机或者蒸汽轮机的、由多个轴向段组成的导向叶片支架。

燃气轮机或蒸汽轮机在众多领域中用于驱动发电机或作功机械。在此，燃料的能含量或者说内能或者过热的蒸汽用于产生涡轮机轴的旋转运动。

在燃气轮机中，燃料为此在燃烧室内进行燃烧，其中，由空气压缩机压缩的空气被输入。在此，在燃烧室内通过燃料燃烧产生的、处于高压和高温下的工作介质被引导通过接在燃烧室后面的涡轮单元，在这里工作介质以做功的方式降低压力。

为了产生涡轮机轴的旋转运动，在此，在该涡轮机轴上设置多个通常组成叶片组或叶片排的涡轮叶片，该涡轮叶片通过来自工作介质的脉冲传输来驱动涡轮机轴。为了对于在涡轮单元内的工作介质进行导流，此外通常在相邻的涡轮叶片排之间设置与涡轮壳体连接的并组成导向叶片排的导向叶片。

在此，导向叶片分别通过还称为平台的叶根部固定在涡轮单元或压缩器单元的导向叶片支架上。在此，根据燃气轮机的设计目标，燃气轮机的导向叶片固定在共同的导向叶片支架上，或者为每个涡轮机级或压缩机级设置通常相互刚性连接的单独的轴向段。使用多个轴向段提供的优点是，一方面使用较小的并因此更适合于制造的铸件，另一方面单个段的材料可单独地匹配于在各个轴向区域内存在的物理边界条件。

此外在固定式的燃气轮机中，导向叶片支架通常以锥形或柱形的方式形成，并且导向叶片支架或其各个轴向段分别由例如通过法兰相互连接的上段和下段组成。在此，轴向上彼此相邻的轴向段可以通过根据DE 190 159的拉杆连接部相互连接。

在目前的燃气轮机的设计方案中，除了能达到的功率之外，通常，特别高的效率是设计目标。在此，效率的提高出于热力学的原因在原则上通过提高排出温度来实现，工作介质以该排出温度从燃气轮机的燃烧室排出并且流入到涡轮单元内。因此，对于这种类型的燃气轮机来说力求并达到约1200℃至1500℃的温度。

但在工作介质的这样高的温度下，承受这种温度的元件和部件承受高的热负荷。在导向叶片支架由多个轴向段组成时，这一点由于单个轴向段的存在的温度曲线和不同的热变形状况而导致轴向段彼此轴向和径向移动。这一点导致轴向段之间的连接的高机械负荷，从而会造成快速的材料疲劳，在连接区中出现裂纹或甚至断裂。

因此本发明的目的在于，提供一种导向叶片支架，该导向叶片支架在特别高的运行安全性的情况下实现更高的使用寿命。

所述目的根据本发明通过下述方式实现，即，两个相邻的轴向段由多个分别被支承管围绕的拉杆连接，其中，在各个支承管的至少一个端部上、然而优选在两个端部上设置球形垫圈，所述球形垫圈被安置在各个轴向段上支承的锥形凹座中。

在此，本发明基于这种构思：导向叶片支架更高的使用寿命能通过下述方式实现，即，避免由于温差引起的不同变形而形成的过大的机械负荷。在此，特别高的机械负荷在由多个轴向段组成的导向叶片支架中特别是在各个轴向段之间的连接区内出现。因为这一点在两个轴向段的刚性连接时会导致损坏，所以该连接应灵活地进行设计。灵活的连接特别是能以下述方式实现，即，轴向段不是材料融合地连接，而是仅形状配合地相互夹紧。为了夹紧轴向段，设置多个拉杆。在此，拉杆可以按照不同的方式将两个相邻的轴向段相互连接起来，例如通过分别将同轴的开口装入到相关的轴向段中来实现，而拉杆被引导穿过所述开口。然后在各个开口的背离各个相邻轴向段的一侧上，例如将螺母拧到拉杆的螺纹上，该螺母的直径大于各个开口的直径。由此所述两个轴向段被相互夹紧，而不涉及材料融合的连接。

在导向叶片支架的轴向段之间设置拉杆的目的是实现一种连接部，该连接部可以通过其灵活性阻止径向或轴向移动，而不会由于拉力或剪力出现材料损坏。通过下述方式能实现更大的灵活性，即在相邻的轴向段之间使得围绕着各个拉杆的支承管得以夹紧。这种类型的支承管用作在轴向段或拉杆固定部位之间的保持间隔的零件，该固定部位不一定必须设置在轴向段的各轴向边缘上。通过在两个轴向段之间的较大的距离，增大了所述连接的灵活性，并更好地避免由于机械负荷而造成的损坏。就此而言，轴向段的相对移动可以由支承管和拉杆来实现。

为了实现对于各个支承管的良好的保护，在各个支承管的一端部上设置球形垫圈，所述球形垫圈被支承在各个轴向段上设置的锥形凹座内。球形垫圈和锥形凹座形成一种球窝关节(Kugelgelenk)，该球窝关节然而具有用于穿过拉杆的开口。通过这种球形支承件，即使在向径向面的法线倾斜时也保证对于支承管的径向保护。

在一种有利的设计方案中，在此各个拉杆和各个支承管设计成柱形，并且各个支承管的内径大于各个拉杆的外径。由此提高了在轴向段彼此相对扭曲或剪切时所述连接的灵活性，因为支承管处于朝向各个其它轴向段的一侧上，而拉杆则通过例如螺母固定在远离的一侧上。由此，在拉杆或支承管从径向面的法线通过扭曲引起的运动时就产生不同的固定点。由于支承管的更大的内径，支承管和拉杆在所有径向方向上始终彼此间隔开，并且尽管不同的固定点仍可以自由地向径向面的法线倾斜。

在一种有利的设计方案中，拉杆的数量至少为六个。特别是在由上段和下段组成的导向叶片支架中，可以为各个轴向段的每个段设置各三个拉杆，从而形成轴向段的各个段的可靠的三点连接。

在另一种有利的设计方案中，各个相邻的轴向段用一种十字接头(Kreuzgelenk)连接。通过这种类型的十字接头，实现各个轴向段的附加的万向耦合(kardanische Kopplung)，通过这种耦合可以定心，并同时能将导向力矩从一个载体传递到另一个载体上，例如在仅设置一固定部的情况下。由此在高度灵活性的同时实现了更加可靠的连接。

有利地，燃气轮机或蒸汽轮机包括这种的导向叶片支架，以及燃气轮机设备和蒸汽轮机设备包括具有这种导向叶片支架的燃气轮机和/或蒸汽轮机。

采用本发明获得的优点特别是在于，通过使得导向叶片支架的轴向段由拉杆进行连接，就实现了轴向段的可靠和同时灵活的耦合。由此，由于各个轴向段不同的热膨胀特性而出现剪力或拉力的情况下，不会造成连接的损坏并明显提高了导向叶片支架的使用寿命。因此使用轴向分段的导向叶片支架更具吸引力，导向叶片支架的其它优点是，例如较小的部件、更加简单的维护和对于各个轴向段使用不同的材料的可能性。

下面借助附图对本发明的实施例进行详细说明。其中：

图1示出按照现有技术的导向叶片支架的两个刚性连接的轴向段；

图2示出导向叶片支架的两个通过拉杆连接的轴向段；

图3示出具有被球形地支承的支承管的拉杆；

图4示出用于对于支承管进行支承的球形垫圈和锥形凹座；以及

图5示出燃气轮机的半剖面图。

相同的部件在所有附图中具有相同的附图标记。

图1详细地示出了导向叶片支架1的一部分。在固定式的燃气轮机上，导向叶片支架1通常以锥形或柱形的方式形成，并由两个段——一个上段和一个下段组成，这两个段例如通过法兰相互连接起来。

所示的导向叶片支架1包括两个轴向段2。在此，该轴向段2通过连接桥4相互连接。由此虽然保证了可靠和形状稳定的连接，但迄今为止的工作经验表明：由于轴向段2不同的热变形，可能导致材料失效的高拉力和剪力就会作用于连接桥4。

为了均衡这种拉力和剪力，在按照图2的导向叶片支架1内，轴向段2通过在此总共八个弹性的连接部6相互夹紧，该连接部分别具有拉杆8(图3)。附加地设置十字接头(Kreuzgelenk)10，该十字接头负责轴向段2的定心和剪力的传导，该剪力通过从导向叶片传递到轴向段上的流动力而产生。

每个弹性的连接部6的结构在图3中详细示出。中心的部件是柱形实心的拉杆8，拉杆在其末端12上分别固定在轴向段2上。围绕拉杆8设置空心柱形的支承管14。该支承管用作轴向段2之间的衬垫。在轴向段2之间的连接通过在轴向段2上适合的固定装置形成，该轴向段具有相应的开口。在开口之间，在分别朝向另一个轴向段2的一侧设置支承管14，此后拉杆8被引导穿过开口和支承管14，然后拉杆在分别背离的一侧例如利用螺母夹紧。因此实现了固定的、但并非材料融合的连接，其在一定限度内可以在拉力和剪力下灵活地变形。

为了在连接稳定性的情况下同时实现更好的灵活性，在支承管14的各轴向端部上安装球形垫圈16。该球形垫圈设置在相应配合的锥形凹座18内，该锥形凹座分别安装在所配属的轴向段2上。球形垫圈16和锥形凹座18具有用于拉杆8的开口，并负责在将支承管14灵活地支承在轴向段2上的同时稳定地进行固定。

在图3中借助于相对于拉杆8的轴线的球形垫圈16的轴线的所标注的延长段20，可以看出翘曲。根据轴向段2的由热造成的变形，在各轴线之间的角度22发生变化，而在此无需担心所述连接的结构上的损坏。因此通过球形支承，弹性的连接部6在径向偏移时以及在轴向段2的各区域翘曲时易于变形，而在此不损害稳定性。

图4再次示出球形垫圈16和锥形凹座18。它们例如可以按照DIN 6319构成，并在其几何尺寸及其材料方面与弹性连接部6的稳定性和灵活性方面的各个要求相配合。

由弹性连接的轴向段2组成的导向叶片支架1例如可应用在燃气轮机上。根据图5的燃气轮机101具有用于燃烧空气的压缩机102、燃烧室104以及用于驱动压缩机102和未示出的发电机或作功机械的涡轮单元106。为此，涡轮单元106和压缩机102设置在共同的、还称为涡轮机转子的涡轮机轴108上，发电机或作功机械也与该涡轮机轴连接，并且该涡轮机轴能围绕其中心轴线109旋转地进行支承。以环形燃烧室的方式形成的燃烧室104装配有多个用于燃烧液态或气态的燃料的燃烧器110。

涡轮单元106具有多个与涡轮机轴108连接的、能旋转的涡轮叶片112。涡轮叶片112环状地设置在涡轮机轴108上并因此形成多个涡轮叶片排。此外，涡轮单元106包括多个固定的导向叶片114，该导向叶片在形成导向叶片排的情况下同样环状地固定在涡轮单元106的导向叶片支架1上。在此，涡轮叶片112用于通过穿过涡轮单元106流动的工作介质M的脉冲传递来驱动涡轮机轴108。相反，导向叶片114用于对于工作介质M在每两个沿工作介质M的流动方向观察相互跟随的涡轮叶片排或涡轮叶片轮缘之间进行导流。在此，由导向叶片114或一导向叶片排的轮缘和由涡轮叶片112或一涡轮叶片排的轮缘所组成的相互跟随的对也称为涡轮机级。

每个导向叶片114具有一平台118，该平台作为壁部件被设置用于将相应的导向叶片114固定在涡轮单元106的导向叶片支架1上。在此，平台118是较强地受到热负荷的部件，该部件形成了穿过涡轮单元106流动的工作介质M用的热气通道的外部的界定结构。每个涡轮叶片112以类似方式通过还称为叶片根部的平台119固定在涡轮机轴108上。

在两个相邻的导向叶片排的导向叶片114的彼此间隔开设置的平台118之间，在涡轮单元106的导向叶片支架1上分别设置一导向环121。在此，每个导向环121的外表面同样承受穿过涡轮单元106流动的热工作介质M，并沿径向通过间隙和与其对置的涡轮叶片112的外端间隔开。在此，设置在相邻的导向叶片排之间的导向环121特别是作为覆盖件使用，该覆盖件使得在导向叶片支架1中的内部壳体或其它壳体内装件避免受到穿过涡轮单元106流动的热工作介质M引起的热超负荷。

燃烧室104在该实施例中构成为所谓的环形燃烧室，其中多个沿周向围绕涡轮机轴108设置的燃烧器110通入到一共同的燃烧腔室内。为此，燃烧室104在其总体上作为围绕涡轮机轴108定位的环形结构而构成。

通过使用上述设计方案的导向叶片支架1，提高了燃气轮机1的使用寿命并降低了维修率。因此通过弹性的连接部6，避免了由于轴向段2的热变形而对导向叶片支架1形成损害。在此，导向叶片支架1也可以应用在压缩机102或蒸汽轮机中。

Claims (6)

1.特别是用于燃气轮机或蒸汽轮机(101)的导向叶片支架(1)，所述导向叶片支架具有多个轴向段(2)，其中，两个直接相邻的轴向段(2)由多个分别被支承管(14)围绕的拉杆(8)连接，其特征在于，在所述各个支承管(14)的至少一个端部上、优选在两个端部上设置球形垫圈(16)，所述球形垫圈被安置在各个所述轴向段(2)上支承的锥形凹座(18)中。

2.按权利要求1所述的导向叶片支架(1)，其中，各个拉杆(8)和各个支承管(14)设计成柱形，并且各个支承管(14)的内径大于各个拉杆(8)的外径。

3.按权利要求1或2所述的导向叶片支架(1)，其中，所述拉杆(8)的数量至少为六个。

4.按权利要求1、2或3所述的导向叶片支架(1)，其中，各个相邻的轴向段(2)用十字接头(10)相连接。

5.具有按权利要求1至4之一所述的导向叶片支架(1)的燃气轮机或蒸汽轮机(101)。

6.具有按权利要求5所述的燃气轮机和/或蒸汽轮机(101)的燃气轮机设备和蒸汽轮机设备。

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