CN102884282A - 用于燃气涡轮机的二次燃烧室的过渡区域 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃气涡轮机，所述燃气涡轮机具有二次燃烧室（1）和低压涡轮机的第一导向叶轮排（2），所述第一导向叶轮排（2）布置在所述二次燃烧室的正下游，其中所述二次燃烧室（1）的径向外边界由至少一个外壁段（4）形成，所述至少一个外壁段（4）被紧固至沿径向布置在外侧上的至少一个载体元件（5）上，其中，通过在所述导向叶轮排（2）的区域中的至少间接地紧固至至少一个导向叶轮载体（8）的外平台（6），热气体（3）的流路被沿径向在外侧上界定，并且其中，在壁段（4）和外平台（6）之间存在间隙形空腔（9），所述空腔（9）大致沿径向延伸并且在入口区域中沿轴向方向具有在1-25mm范围内的宽度B。具体地，根据本发明的燃气涡轮机的特征在于，在入口区域中布置至少一个台阶元件（22、22'、22″），在与空腔（9）中的热气体的流动方向（11）大致垂直地延伸的至少一个台阶（28）中，所述至少一个台阶元件（22、22'、22″）使所述宽度B减小至少10％。

Description

用于燃气涡轮机的二次燃烧室的过渡区域

发明领域

本发明涉及一种燃气涡轮机，特别是燃气涡轮机中在二次燃烧室和低压涡轮机之间的过渡区域的特殊实施例。

背景技术

燃气涡轮机可以设置有单个燃烧室，但是它们也可以具有所谓的连续燃烧。在连续燃烧的情况下，燃料在第一燃烧室中燃烧，而燃烧空气然后经由第一涡轮机、即高压涡轮机膨胀。在高压涡轮机的下游，仍然炙热的燃烧气体流经二级燃烧室，在所述二级燃烧室中，更多的燃料被在与自燃有关的过程中供给并且通常在该过程中燃烧。在该二次燃烧室下游布置低压涡轮机，燃烧气体通过该低压涡轮机膨胀，如果合适的话，低压涡轮机之后是产生蒸汽的热回收***。

在这里，从燃烧室到涡轮机的壳体的过渡部是关键区域，因为在该区域中，温度和压力情况特别复杂。通常，正常情况下设计为环形燃烧室的二次燃烧室可以说具有管壳形外边界，此外边界是下述外壁，所述外壁由耐热材料组成或被相应地涂覆，并且此外壁通常由单独的段构造而成。在更靠近轴线的相对的内侧上存在相应地设计的内边界，该内边界是由相应的材料制成的内壁。对于低压涡轮机来说，其具有呈多个交替布置的排的导向叶轮和转子叶片。布置在二次燃烧室的正下游的第一排通常是导向叶轮排，该导向叶轮排相对于主轴线方向呈现为明显扭转的叶轮。在这种情况下，导向叶轮通常设计为段模块，在所述段模块中，每个导向叶轮具有在内侧上的内平台和在外侧上的外平台，并且这些平台的内表面然后还形成用于燃烧空气的流道的径向内边界和径向外边界。

因此，在二次燃烧室的内壁段和第一导向叶轮排的内平台之间、在环形流道的径向内侧上存在间隙，并且在二次燃烧室的外壁段和第一导向叶轮排的外平台之间、在径向外侧上存在间隙。出于组装的原因以及由于在包括二次燃烧室和涡轮机的部件上的不同的机械和热负荷，该间隙必须具有一定的宽度，而且不能被简单地封闭或完全桥接。该间隙特别是在径向外侧上形成沿径向朝着外侧延伸相当长距离而进入壳体的其它结构部件的空腔，该间隙带来的问题在于下述事实，该间隙进一步暴露至复杂的流动情况，特别是在每一个导向叶轮的区域中暴露至复杂的流动情况。这是因为，在导向叶轮的前缘形成所谓的头波或“马蹄涡”，从而导致热燃烧空气被迫进入壁区域中的该空腔并渗透相应的深度而进入该空腔。这能够导致不仅与相应表面的过热相关而且还与相应表面的氧化相关的问题。

US 2009/0293488公开了下述可能性，即通过非常小的间隙尺寸以及在该区域中另外提供确保壁区域的最佳冷却的特殊结构而基本上封闭该过渡区域。然而，使用这种方法的问题是，由于相应地小的间隙尺寸，也不能自动地确保在燃烧室模块和涡轮机之间的所需缝隙。

发明内容

在这里，本发明通过采取与现有技术完全不同的方法来介入。更具体地，将不再试图封闭该间隙，因为这导致上述的问题。相反，尽管该间隙将具有一定宽度（在轴向方向上），但是将采取适当的措施以确保防止热空气和燃烧空气容易地进入所述间隙并防止其潜在地导致上述问题。

具体地说，本发明相应地涉及一种燃气涡轮机，该燃气涡轮机具有二次燃烧室和低压涡轮机的第一导向叶轮排，所述第一导向叶轮排布置在所述二次燃烧室的正下游，其中二次燃烧室的径向外边界由至少一个外壁段形成，所述至少一个外壁段被固定在沿径向布置在外侧上的至少一个支撑元件上，其中在导向叶轮排的区域中，热气体的流路沿径向在外侧通过至少间接固定在至少一个导向叶轮支撑件上的外平台被界定，并且其中，在入口区域中、在该壁段和外平台之间存在大致沿径向延伸的间隙形空腔，该空腔沿轴向方向具有在1-25mm范围内的宽度B。宽度B对于冷安装状态是确定的。根据壳体缝隙的大小和允许的公差，宽度B在2-15mm的范围内。

根据本发明，该间隙至少在入口区域中没有被封闭或者关于间隙尺寸没有变窄到极致的程度；而是，下面的方法使得在入口区域中布置至少一个台阶元件，在与空腔中的热气体的流动方向大致垂直地延伸的至少一个台阶处，该至少一个台阶元件使所述宽度B减小至少10％。

基本上布置在实际的入口区域正后面（通常距入口间隙的径向外侧10-50mm）的该台阶元件产生流动涡流，该流动涡流在一定程度上呈现密封功能，并防止热空气深深渗透到内腔中。因此，也很重要的是，台阶应当能够产生这样的紊流，并因此优选地将台阶设计为单个台阶，这实现了在单个阶段中明确减少至少10％。通常，该台阶具有大致直角的过渡区域。

根据第一优选实施例，台阶元件被设计成环绕涡轮机的轴线。因此，台阶元件基本上被设计为在空腔中布置在空腔的壁中的一个壁上的环绕肋。对于单个这样的台阶元件，能够将其布置在空腔中，但是对于多个这样的台阶元件，能够以朝着外侧沿径向偏移的方式设置。因此，能够在第一台阶后面再次将空腔加宽，并且在所述加宽之后设置第二台阶元件。因此，产生两个涡流，并且确保增强的密封功能。如果空腔的宽度B足够，则能够在空腔的与第一台阶元件相对的壁上布置至少一个另外的台阶元件。通常，台阶元件彼此相对地布置，从而从空腔的两侧给予限制。

特别是在布置在每个导向叶轮的相应前缘的径向正好外侧的那些区域中出现问题。具体地，在这些区域中，由于头波而变得紊乱的燃烧空气具有渗透到空腔中的特别强烈的趋势。中间区域相反较少受到强烈影响。因此，根据另一优选的实施例，对于台阶元件还能够设计为环绕段，其中一个这样的段被沿径向在外侧上指派给每个导向叶轮（也就是说，位于段之间的空腔的区域不具有台阶元件）。如果基于导向叶轮的周向间隔p（间距），基本上所有的段在周向方向上的长度是周向间隔p的30％至50％，则这是优选的。

作为示例，被设计为环绕段的台阶元件能够被对称地指派给导向叶轮（也就是说，从前缘的径向位置在顺时针方向上和在逆时针方向上沿周向延伸相同的量）或者能够以与头波的径向偏移对应的方式布置成相对于导向叶轮偏移。

所提出的燃气涡轮机的另一优选实施例的特征在于，台阶元件呈肋的形式，所述肋安装在或者形成在外平台的邻接空腔的壁区域上并且轴向截面是大致矩形的。优选地，肋在径向方向上的长度在10-100mm的范围内，特别优选地是在20-50mm的范围内。如果所述肋与具有相同长度或更大长度的凹部组合使用，则这将是进一步优选的，所述凹部沿径向布置在外侧上，形成在该壁区域中，并且其径向外端由另外的台阶形成，从而沿径向依次出现两个或三个涡流并确保增强的密封效果。

一般来说，如果与台阶元件相对设置、界定了空腔并大致垂直于涡轮机的轴线延伸的壁自身不具有台阶元件，则这是优选的。换句话说，在本发明中，大概不优选提供在传统意义上的迷宫式密封，在所述迷宫式密封中，流路可以说是被以蜿蜒形状设计；而关键点是在空腔的两个相对壁中的仅仅一个壁上设置台阶元件。事实上，严格意义上的迷宫式密封是有问题的，因为它们能够限制间隙的缝隙功能且在组装方便上具有负面影响。

一般来说，优选地将台阶元件或多个段布置在位于二次燃烧室中的热气体的流动方向上的下游的壁上，即通常将其布置在平台上，所述多个段中的一个台阶元件被指派给每个导向叶轮。

根据另一优选实施例，外平台通过中间环固定在导向叶轮支撑件上，其中，空腔的另外的壁区域由该中间环形成，所述另外的壁区域沿径向邻接外平台的壁区域，并且其中，此外优选地在平台的壁区域和中间环的另外的壁区域之间的过渡部处形成另外的台阶。

空腔优选地还在导向叶轮支撑件和支撑元件之间延伸，即，它是深深延伸到结构中的空腔。

根据本发明的另一优选实施例，台阶（设计为单个台阶）使所述宽度B减小至少20％，优选地至少30％。在特殊情况下，甚至减小至少40％也是可取的。通常，减小高达70％是可取的。超过该数值的任何减小通常是不实际的，并且可能另外对所需的清洗流具有影响。

正如上面已经提到的，如果仅仅在外平台的壁区域上布置台阶元件并且在壁段的相对的壁上不布置台阶元件，则这是优选的，所述壁优选地形成为沿径向延伸的平面。该类型的外平台没必要沿径向朝着外侧延伸很长。在这种情况下，其上布置台阶元件的该壁区域此时也不是由平台形成，而是由布置到外侧的中间环或者由导向叶轮支撑件形成。

如果台阶元件的径向外侧的空腔的宽度优选地经由下述台阶再次增加大致至在入口区域中的原始宽度B，则这是优选的，所述台阶大致垂直于空腔中的热气体的流动方向延伸，并且作为进一步的优选方案，在径向向外的方向上，所述台阶之后是再次变窄的第二台阶。

入口区域中的宽度B在轴向方向上优选地在1-25mm的范围内。

可能的是，正好在引导至空腔的入口间隙处，在外壁段的壁上形成使入口间隙局部变窄的环绕突起。

另外的实施例在从属权利要求中指定。

附图说明

在下文中参照附图描述了本发明的优选实施例，所述附图仅仅是说明性的，而不应被解释为限制性的。在附图中：

图1在a）中尽管未示出相应的导向叶轮，但是示出了在二次燃烧室的径向外壁和低压涡轮机的第一导向叶轮排的外平台之间的过渡区域的轴向截面，在b）中示出了在a）中示出的截面的详细视图，其中在空腔中图示了热空气流，在c）中示出了空腔的轮廓图示，并且在d）中示出了在空腔的入口区域中的流动情况的示意性图示；

图2在a）中示出了带有台阶元件的空腔的详细视图，在b）中示出了带有台阶元件的空腔以及在台阶元件后面的外平台的后缩壁（set-backwall）的示意性图示，并且在c）中示出了在带有台阶元件的空腔的入口区域中的流动情况的示意性图示；

图3在a）中示出了带有环绕的台阶元件的空腔的段在径向方向上的示意图，并且在b）中示出了带有一排台阶元件段的相应的视图。

具体实施方式

图1a示出了在从二次燃烧室1到低压涡轮机的第一导向叶轮排2的过渡部处、通过具有二次燃烧室1的燃气涡轮机的径向外壁区域的轴向截面。未示出热气体3的流道的径向内边界。二次燃烧室1内的流道沿径向在外侧上由外壁段4形成。这通常由金属或陶瓷组成，并且所述金属通常设置有热保护涂层。此外壁段4通过支撑元件5固定在壳体上，并且通常在后面被供应有适当的冷却空气流，所述冷却空气流通过壁段4中的冷却空气开口可以另外排到热空气流中以赋予膜冷却。

在热气体3的流动方向的下游，二次燃烧室后面是第一导向叶轮排2。导向叶轮通常是一体结构，所述一体结构不仅包括实际的导向叶轮，而且还包括一体地形成其上的内平台和外平台6。导向叶轮还可以被分组成包括多个导向叶轮的子组件。当沿围绕涡轮机轴线的方向观察时覆盖段的平台不仅在一排这样的导向叶轮元件围绕燃气涡轮机的外周布置时形成对导向叶轮中的每个导向叶轮的紧固，而且同时还在外平台6的情况下形成热气体的流路的径向外边界和在内平台的情况下形成所述流路的内边界。换句话说，外平台6形成沿流动方向渐缩的环绕环。外平台6或所述导向叶轮的单元以及内平台和外平台6固定在所谓的中间环7上，对于中间环7来说中间环7固定在壳体上，在所谓的低压涡轮机的导向叶轮支撑件8上。

在二次燃烧室1的壁元件4和低压涡轮机的第一导向叶轮排2的外平台6之间形成有间隙，所述间隙形成深深延伸到壳体部件中的空腔9。

在图1b中更详细地示出该空腔9。由于在每个导向叶轮的前缘处的已经在开始描述的头波，在所述空腔9的入口区域中，特别是在这些径向位置处，存在高的热气体压力。因此，存在由箭头10示意性地指示的、进入该入口区域的、深深渗透到空腔中的热气体流，如由箭头11示意性地示出的。这里，空腔9可以说在下游侧上（相对于热气体3的主流动方向）最初由外平台6的壁区域12形成，壁区域12之后是中间环7的壁区域13，并且空腔9进一步地沿径向朝着外侧由导向叶轮支撑件8的壁区域14形成。在现有技术的设计中，这些壁区域12-14是大致在一个平面上齐平的。空腔9的在流动方向上布置成相对的并且布置在更上游的边界壁最初沿径向在内侧上由二次燃烧室的外壁段4的壁区域15形成，然后沿径向在外侧上由用于外壁段4的支撑元件5的壁区域16形成。同样地，这些壁区域15、16在现有技术的设计中是齐平的。热空气流11不仅仅具有在空腔中达到了不必要的高温的影响，而且特别地还导致了壁区域12-16中的氧化问题。另一方面，出于组装的原因，该间隙是必要的。

在入口区域27中，该间隙或该空腔9具有宽度B，该宽度B在图1c中被示出在空腔9的轮廓图示中。该宽度通常在1-25mm的范围内，即，在该区域中该间隙是宽的并且对于所述热空气流相应地能够进出。正好在引入该空腔9中的入口间隙17处，在外壁段4的径向前边缘上存在环绕突起18，所述环绕突起18从外壁段4在热气体的流动方向上延伸，所述突起稍微减小入口或前入口间隙宽度。然而，在这之后，入口间隙再次加宽至所述宽度B。

在没有特殊措施的这样的间隙的情况下，如在图1d中示意性地示出了间隙所形成的流动模式。热气体通过入口间隙17并经过环绕突起18，并且在入口区域中的所述突起后面形成热空气涡流20。然后，在该涡流的径向外侧，热气体沿径向方向基本上不受阻碍地流动，并且相应地在高温下，即在高氧化效果的情况下深深流入空腔9的间隙。

然后，图2a示出了与图1b类似的细节图，其另外还形成有根据本发明的台阶元件22。该台阶元件被设计为环绕肋，所述环绕肋布置在壁区域12上，或者被与壁区域12一体地形成，并在热气体10的流动方向上紧随环绕突起18的下游设置径向内台阶。通常，该台阶元件22在壁区域12的大约超过三分之一或甚至二分之一的径向范围上沿径向方向延伸。除了入口间隙17中的环绕突起18，相反地，相对壁15是平坦构造并且没有同样地形成有台阶元件或适当地对应的凹槽。因此，台阶元件22在一定程度上形成了热气体流的屏障，并且紊流降低了热气体的速度。因此，泄露流和清洗气流于是能够以明显更有效的方式冷却并保护相应的壁区域。台阶元件22的面向入口间隙的台阶以及在台阶元件22后面的径向外台阶导致涡流的形成，在台阶元件22后面空腔再次加宽。

在图2b中示出的轮廓图示中，不仅台阶元件22此时另外形成在外平台6上，而且在台阶元件22后面的壁区域也被稍微切口或稍微凹进，结果与先前台阶元件22的径向外侧相比，宽度稍微增加，并且此时还在至壁区域13的过渡部23处形成明显的台阶29。该台阶29导致额外的紊流和增大的额外的屏障功能。

图2c示意性地示出在这样的构造下的流动情况。与前面的一样，基本上在环绕突起18后面存在第一涡流20，但是这被台阶元件22的入口台阶显著加强。换句话说，该涡流比图1中的情况明显更强大，而且还形成了更大的屏障效果。此外，第一涡流24形成在台阶元件22的区域中。第二涡流25在一定程度上在该台阶元件的径向外端处加宽的区域中形成，并且这些涡流24、25导致额外的屏障效果。根据详细的几何形状和清洗空气流，在过渡部23处的额外的台阶29促进了紊流并且导致进一步的额外的屏障功能。如果现在对温度进行观测，将发现，通过这些措施能够极大地降低温度，不仅仅在台阶元件22的区域中是这样，而且其径向外侧也是这样，结果较低的压力占主导，并且相应地，能够明显更容易地利用冷却空气保护布置在台阶元件22的区域中和其径向外侧处的区域。

图3a示出了台阶元件22'如何能够是环绕设计，即呈围绕低压涡轮机的轴线的大致环绕环的形式。如已经在开始解释的那样，实际上很严重的问题主要在各导向叶轮26的前缘处出现。因此，如在图3b中所示的，如果可以说在每个导向叶轮的径向外侧并且以与其前缘协调的方式仅仅布置这样的台阶元件的段22″以产生根据本发明的效果，则也可以是足够的。

附图标记列表：

1二次燃烧室

2导向叶轮排

3热气体流

4二次燃烧室1的外壁段

5用于外壁段4的支撑元件

6导向叶轮26的外平台

7中间环

8低压涡轮机的导向叶轮支撑件

9外空腔

10外空腔9中的热气体流入口

11外空腔9中的热气体流

12外平台6的邻接外空腔9的壁区域

13中间环7的邻接外空腔9的壁区域

14导向叶轮支撑件8的邻接外空腔9的壁区域

15外壁段4的邻接外空腔9的壁区域

16支撑元件5的邻接外空腔9的壁区域

17外空腔9中的入口间隙

18环绕突起

20入口区域中的涡流

22台阶元件

22'环绕的台阶元件

22″成段的台阶元件

23从壁区域12至壁区域13的台阶过渡部

24第一涡流

25第二涡流

26导向叶轮

27外空腔9的入口区域

28台阶元件22上的第一台阶

29台阶过渡部23处的台阶

p间距

B入口区域中的宽度

Claims (12)

1.一种燃气涡轮机，所述燃气涡轮机具有二次燃烧室（1）和低压涡轮机的第一导向叶轮排（2），所述第一导向叶轮排（2）布置在所述二次燃烧室的正下游，其中所述二次燃烧室（1）的径向外边界由至少一个外壁段（4）形成，所述至少一个外壁段（4）被固定在沿径向布置在外侧上的至少一个支撑元件（5）上，其中，在所述导向叶轮排的区域中，热气体（3）的流路沿径向在外侧通过至少间接地固定在至少一个导向叶轮支撑件（8）上的外平台（6）被界定，并且其中，在所述壁段（4）和所述外平台（6）之间存在大致沿径向延伸的间隙形空腔（9），所述空腔（9）在所述入口区域中沿轴向方向具有在1-25mm范围内的宽度B，其特征在于，在所述入口区域中布置至少一个台阶元件（22、22'、22″），在与所述空腔（9）中的所述热气体的流动方向（11）大致垂直地延伸的至少一个台阶（28）处，所述至少一个台阶元件（22、22'、22″）使所述宽度B减小至少10％。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述台阶元件（22、22'）被设计成环绕所述涡轮机的轴线。

3.根据前述权利要求中的一项所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述台阶元件（22、22″）被设计为环绕段，并且一个这样的环绕段（22″）沿径向在外侧上被指派给每个导向叶轮（26），其中，基于所述导向叶轮（26）的周向间隔（p），优选地所有环绕段在所述周向方向上的长度是所述周向间隔（p）的30％至50％。

4.根据前述权利要求中的一项所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述台阶元件（22）呈肋的形式，所述肋安装在或者形成在所述外平台（6）的邻接所述空腔（9）的壁区域（12）上，轴向截面是大致矩形的，并且优选地在径向方向上的长度在10-100mm的范围内，特别优选地是在20-50mm的范围内，并且所述肋与具有相同长度或更大长度的凹部组合地形成，所述凹部沿径向布置在外侧上，形成在该壁区域（12）中，并且所述凹部的径向外端由另外的台阶（29）形成。

5.根据前述权利要求中的一项所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述外平台（6）通过中间环（7）固定在所述导向叶轮支撑件（8）上，其中，所述空腔（9）的另外的壁区域（13）由该中间环（7）形成，所述另外的壁区域（13）沿径向邻接所述外平台（6）的壁区域（12），其中，优选地在所述平台（6）的壁区域（12）和所述中间环（7）的另外的壁区域（13）之间的过渡部（23）处形成另外的台阶（29）。

6.根据前述权利要求中的一项所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述空腔（9）还在所述导向叶轮支撑件（8）和所述支撑元件（5）之间延伸。

7.根据前述权利要求中的一项所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述台阶（28）使所述宽度（B）减小至少20％，优选地至少30％。

8.根据前述权利要求中的一项所述的燃气涡轮机，其特征在于，至少一个台阶元件（22）布置在所述外平台（6）上以及布置在所述壁段（4）的壁（15）和/或所述壁区域（5）上。

9.根据前述权利要求中的一项所述的燃气涡轮机，其特征在于，仅仅在所述外平台（6）的壁区域（12）上布置台阶元件（22），并且在所述壁段（4）的相对的壁（15）上不布置台阶元件，所述壁优选地形成为沿径向延伸的平面。

10.根据前述权利要求中的一项所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述台阶元件（22）的径向外侧的宽度优选地经由下述台阶再次增加大致至在所述入口区域中的原始宽度（B），所述台阶大致垂直于所述空腔（9）中的所述热气体的流动方向（11）延伸。

11.根据前述权利要求中的一项所述的燃气涡轮机，其特征在于，在所述入口区域中的所述宽度（B）在所述轴向方向上是在2-15mm的范围内。

12.根据前述权利要求中的一项所述的燃气涡轮机，其特征在于，正好在引导至所述空腔（9）的所述入口间隙（17）处，在所述外壁段（4）的壁（15）上形成使所述入口间隙局部变窄的环绕突起（18）。

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