CN105804806B - 用于燃烧器涡轮界面的框架节段 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于过渡件‑涡轮界面的框架节段(12)，其具有用于轴向地接收过渡件(24)的燃烧器的后端的画框容器(17)。框架节段(12)包括具有上水平元件(20)，下水平元件(21)，以及竖直腹板(22)的I梁，其中上水平元件(20)具有用于固定到叶片承载器(16)的安装面。竖直腹板(22)具有当安装在燃气轮机时(9)朝向涡轮的第一级的下游表面(27)。此外，竖直腹板包括用于供给冷却气体至竖直腹板的下游面(27)的冷却气体管道。

Description

用于燃烧器涡轮界面的框架节段

技术领域

本发明涉及一种用于容纳在从燃烧器到涡轮的界面处将来自燃烧器的热气体导向至涡轮的燃烧器过渡件的框架节段。

背景技术

从在发电厂中的各种应用已知带有筒形燃烧器的燃气涡轮。具有筒状-环形燃烧器布置的不同的燃气涡轮是公知的。典型地，多个燃烧器围绕涡轮的轴线以环形阵列布置。热燃烧气体从每个燃烧器穿过相对应的过渡件流入第一级叶片。除了相对运动之外，例如，由于在这些部件之间的动态脉冲，过渡件和第一级静叶由不同的材料形成并且在工作期间承受不同的温度，由此经受不同的热成长度。为了允许在过渡件的界面处的这样的″匹配不当″，提出了在涡轮进口处支撑并且导向过渡件的第一级叶片支撑框架。为了允许过渡件与支撑框架之间的移动，US 2009/0115141 A1建议了使用密封的狭槽。其教导了使用剩余泄漏物以冷却过渡件和支撑框架。

泄漏物在工作期间可以变化并且不能导向至有效地冷却支撑框架的全部区域。因此，有效的密封不能被作用并且大量的冷却气体在这样的布置中可能损失。

发明内容

为了确保具有利用最少的冷却气体的用于轴向地容纳过渡件的后端的图框容器的过渡件-涡轮界面的良好的冷却，提出了改进的框架节段。本发明旨在将密封与冷却需求分离。通过分离冷却，可以建立将用于整个工作状态的泄露最小化的良好的密封以及可靠的冷却。另外提出了降低的动态脉冲的方式。因此，增加了使用寿命并且避免了由于大量冷却气体的消耗引起的动力和效率损失以及由于不受控的冷却气流引起的增加的排放。

本公开涉及一种适于在燃气轮机筒形燃烧器与涡轮的第一级之间延伸的热气体流动路径中导向燃烧气体的、从筒形燃烧器到涡轮进口的燃烧器过渡件。燃烧器过渡件包括管道，其具有在适于连接到筒形燃烧器的上游端处的进口以及在适于连接到涡轮的第一级的下游端处的出口。典型地，每个出口被***到由框架节段形成的画框容器中。下游端包括燃烧器壁，典型地为外壁、内壁、以及两个燃烧器过渡侧壁。

燃烧器过渡件的进口典型地具有与过渡件附接的筒形燃烧器相同的横截面。这些筒形件例如可为圆形的、椭圆形或矩形断面。出口典型地具有环形的节段的形式。安装在燃气轮机中的多个燃烧器过渡件形成用于将热气流导向至涡轮的环。

根据第一实施例，用于过渡件-涡轮界面的框架节段具有用于轴向地容纳过渡件的后端的画框容器。典型地，画框容器具有可以具有圆角转角的大体矩形的截面。框架节段包括带有上水平元件的I形梁，、下水平元件、以及竖直腹板。上水平元件可具有用于固定至叶片承载器的安装面。竖直腹板具有当安装在燃气轮机中时面朝涡轮的第一级的下游面。而且，竖直腹板包括用于冷却竖直腹板的冷却气体管道。典型地其还供给冷却气体至竖直腹板的下游表面。

根据一个实施例，下游面在燃气轮机的工作期间暴露至热气体。

根据框架节段的另一实施例，冷却气体管道从上水平元件延伸至下水平元件。

在另一实施例中，框架节段的竖直腹板由带有基部和从基部延伸的两条腿部的U轮廓形成，其中U轮廓的基部是竖直腹板的下游面。两条腿部界定了腹板的冷却气体管道。

在另一实施例中，框架节段的竖直腹板包括由U轮廓包围的中心梁。U轮廓布置为使得在中心梁与U轮廓之间的间隙保持打开。该间隙形成竖直腹板的冷却气体管道。

在又一实施例中，框架节段的竖直腹板包括穿过下游面从冷却气体管道延伸的喷射冷却孔。这些喷射冷却孔允许下游面的有效的冷却。

在另一实施例中，竖直腹板的下游面覆盖有热障涂层。

根据又一实施例，框架节段包括在竖直腹板的下游面上的热屏蔽。热屏蔽能够与竖直腹板成一体或构成为连接到腹板的支撑结构的分离部分。

在另一实施例中，框架节段具有在平行于下游面的平面中延伸在竖直腹板的支撑结构的侧上方延伸的热屏蔽。当安装在燃气轮机中时，在竖直腹板的支撑结构的侧上方延伸的热屏蔽区段是燃烧器过渡件的侧壁的端部的下游并且还可在运行期间将这些燃烧器过渡壁与热气体屏蔽。

热屏蔽可以由高温合金或陶瓷材料制成以提高使用寿命并且减少冷却必要条件。

根据又一实施例，冷却腔布置于在热屏蔽下方的支撑结构中。

冷却气体例如可以大体平行于竖直腹板的纵向延伸部流动。诸如扰流器的热传递增强件，例如肋或销可布置在面对冷却腔的热屏蔽侧上。冷却腔还可以布置为冲击室。为了冲击冷却，供应冷却气体至冷却腔的冷却气体管道朝向冷却腔开放以冲击冷却热屏蔽。

在另一实施例中，冷却气体供给孔穿过上水平元件、和下水平元件中的至少一者从冷却气体管道径向地延伸。冷却气体可以通过冷却气体供给孔供给至竖直腹板的冷却管道。

根据另一实施例，框架节段包括腹板延伸件。腹板延伸件是竖直腹板的一部分或附接到竖直腹板并且在轴向方向上延伸超过过渡件的下游端。当安装在燃气轮机中时，竖直腹板的腹板延伸件向下游延伸入涡轮的第一级的叶片的内和外平台之间的空间中。轴向延伸件例如可大体平行于燃烧器过渡侧壁。其还可在随后的叶片的曲率的方向上是弯曲或者倾斜的。

竖直腹板的冷却管道可具有限定的容积和将容积连接到热气体流的颈部，其中，颈部的长度、颈部的横截面和冷却管道的容积构成为用于在燃气轮机的工作期间用于抑制在热气体流中的压力脉冲的亥姆霍兹阻尼器。根据竖直腹板的材料以及热障涂层以及期望的运行条件，冷却流可以限于清洗流。

当安装时，腹板延伸件可在第一级叶片的翼型件的直接上游处终止。腹板延伸件和随后的翼型件可以布置为，使得它们的表面对准以形成面对热气流路的一个光滑表面。

此外，包括这样的框架节段的燃气轮机是本公开的目标。提出的燃气轮机具有至少一个压缩机、至少一个涡轮、以及具有根据本公开的过渡件和框架节段的至少一个筒形燃烧器，该框架节段安装在第一叶片的上游并且构造成容纳过渡件的下游端。

上述燃烧器过渡件、筒形燃烧器以及燃气轮机可为单个的燃气轮机或如例如从EP0620363B1或EP0718470A2已知的连续的燃气轮机。其还可以是，带有在WO 2012/136787中描述的燃烧器布置中的一者的燃气轮机的燃烧器过渡件。

附图说明

参照附图，本发明、其属性以及其优点将在下面借助于附图更详细地被描述。参照图示：

图1a示出了根据本发明的燃气轮机的实例。

图1b示出了带有来自图1a的燃气轮机的燃烧器过渡件的涡轮进口的横截面b-b。

图1c示出了用于容纳图1b所示的过渡件的后端的框架节段的环形布置的实例。

图2示出了***在与支撑叶片承载器和涡轮的一个叶片一起的框架节段中的燃烧器过渡件的出口。

图3示出了带有***的两个过渡件的框架节段的实例。

图4a和4b示出了框架节段的透视图。

图5a、5b、以及5c示出了带有不同的冷却布置的图4的框架节段的竖直腹板的横截面A-A的实例。

图6a和6b示出了带有不同的冷却布置和在竖直腹板的支撑结构上方延伸的热屏蔽的图4的框架节段的竖直腹板的横截面A-A的实例。

图7示出了带有腹板延伸件的框架节段的实例。

图8示出了图7的腹板延伸件的横截面C-C。

附图标记

1 压缩机

2 筒形燃烧器

3 涡轮

4 发电机

5 低压冷却气体

6 高压冷却气体

7 环境空气

8 排气

9 燃气轮机

10 叶片

11 燃烧器过渡壁

12 框架节段

13 外平台

14 内平台

15 热气体流路

16 叶片承载器

17 画框容器

18 翼型件

20 上水平元件

21 下水平元件

22 竖直腹板

23 冷却气体管道

24 燃烧器过渡件

25 耳部

26 冷却气体供给孔

27 下游面

28 喷射冷却孔

29 热障涂层

30 热屏蔽

31 冷却腔

32 支撑结构

33 腹板延伸件

34 颈部

35 密封件

36 供给孔。

具体实施方式

下文中相同或功能相同的元件配备有相同的标记。该实例不构成对这样的布置的本发明的任何限制。

图1a中示出了实例性布置。燃气轮机9被供给有压缩机进口气体7。在燃气轮机9中，压缩机1后面有包括多个筒形燃烧器2的燃烧室。热燃烧气体经由多个燃烧器过渡件24供给入涡轮3。筒形燃烧器2和燃烧器过渡件24形成导向至涡轮3的热气体流动路径15。燃烧器过渡件24将燃烧室的筒形燃烧器2与涡轮3的第一级叶片10相连。

冷却气体5、6从压缩机1分支以冷却涡轮3、燃烧器2(未示出)和框架节段(图1中未示出)。在该实例中，示出了用于高压冷却气体6和低压冷却气体5的冷却***。

排气8离开涡轮3。排气8典型地在余热回收蒸汽发生器中使用以产生在联合循环(未示出)中用于联合发电或用于水蒸汽循环的蒸汽。

图1b中示出了横截面B-B的燃气轮机9的燃烧器过渡件24。燃烧器过渡件24将来自筒形燃烧器2的热气体导向至涡轮3并且布置为在涡轮进口处形成环形热气体管道。

图1c示出了用于容纳燃烧器过渡件24的后端的框架节段12的环形布置的实例。相邻对的框架节段12形成画框容器17，其可容纳燃烧器过渡件(未示出)的后端或出口。

用于燃烧器过渡件24与涡轮3的第一级叶片10之间的界面的实例在图2中更详细地被示出。燃烧器过渡件24由燃烧器过渡壁11限定，其限制了热气体流动路径15。在燃烧器过渡件24的出口处，每个燃烧器过渡件的横截面具有环带的扇形的几何形状，其形成了在涡轮进口处的热气体流动路径15。热气体流动路径15继续进入涡轮3的第一级叶片10之间的空间。内平台14和外平台13界定了在涡轮进口中的热气体流动路径15。涡轮机叶片10的翼型件18在叶片10的内平台14和外平台13之间在径向方向上延伸并且至少部分地在周向方向将热气体流动路径15分开。在涡轮的出口(也叫做后端)处，过渡件24通过框架节段12支撑并且保持在它们的位置中。框架节段12和第一级叶片10由叶片承载器16支撑并且固定到叶片承载器16。高压冷却气体可以供给至框架节段12和第一级叶片10。密封件35布置在燃烧器过渡壁11的外侧和容纳框架节段12之间。在燃烧器过渡壁11与容纳框架节段12之间的间隙典型地由冷却气体加压。密封件35防止通过该间隙进入热气体流动路径15的冷却气体的不必要的损失。

图3示出了具有***的两个燃烧器过渡件24的框架节段12的实例的透视图。框架节段12由带有布置在竖直腹板22的径向外侧的上水平元件20的竖直腹板22，当安装在燃气轮机中时布置在竖直腹板22的径向内侧的下水平元件21构成。框架节段12包括用于固定到叶片承载器的两个耳部25。它们从上水平元件20在径向方向上延伸。竖直腹板22具有下游面27。燃烧器过渡件24在下游面27的两侧上在流动方向上打开。

图4a和4b示出了框架节段12的透视图。如图4a所示，冷却气体供给孔配置在延伸入竖直腹板22的下水平元件21中。图4b示出了具有面向在热气体流动路径15的方向的带有下游面27的竖直腹板22。

图5a示出了图4的框架节段的竖直腹板的横截面A-A的第一实例。图5a的竖直腹板具有带有矩形截面的支撑结构32和中心冷却气体管道23。中心冷却气体管道23喷射冷却孔延伸到竖直腹板22的下游面27以喷射冷却下游面27。喷射孔开放穿过热障涂层29，该热障涂层在竖直腹板22的下游面27处施加到支撑结构32上。

图5b示出了图4的框架节段的竖直腹板的横截面A-A的第二实例。图5b的竖直腹板包括具有作为支撑结构32的矩形截面的实心中心梁。中心梁由U轮廓包围。间隙保持在中心梁和U轮廓之间。支撑结构32与U轮廓之间的间隙形成冷却气体管道23。在U轮廓的下游面27上，施加了热障涂层29。可选地，下游面27可以是喷射冷却的(延伸通过下游面27的喷射冷却孔在这里未示出)。还可以使用封闭的冷却***。这例如对蒸汽冷却是有利的。典型地在开环冷却***中冷却空气典型地用作冷却气体。

图5c示出了图4的框架节段的竖直腹板的横截面A-A的第三实例。在此，竖直腹板22包括具有沿下游侧延伸的冷却气体管道23的支撑结构32。冷却气体管道通过热屏蔽30朝着下游面27封闭，其将支撑结构32与热气体遮蔽。热屏蔽30可以由耐高温材料制成。在热屏蔽30的下游面27上，施加了热障涂层29。下游面27可以是喷射冷却的。从冷却气体管道23，喷射冷却孔穿过热屏蔽30和热障涂层29延伸到下游面27。

图6a示出了具有在竖直腹板22的支撑结构上方延伸的热屏蔽的图4的框架节段的竖直腹板的横截面A-A的第一实例。热屏蔽30在平行于下游面27的平面中延伸。在该实例中，支撑结构32具有U轮廓的形状，其在远离下游面27面对的方向上开放。在U轮廓的腿部之间的开口界定了冷却气体管道23。从冷却气体管道23，喷射冷却孔28穿过U轮廓的基部和由热障涂层29覆盖的热屏蔽30延伸到下游面。在支撑结构32的一侧上，表示了过渡件的燃烧器过渡壁11的下游端。燃烧器过渡壁11的它们的下游端由热屏蔽30的延伸部形成的重叠覆盖，其保护端部在工作期间不受热气体。燃烧器过渡壁11本身可以由热障涂层覆盖并且可以被冷却(未示出)。在该实例中，热屏蔽30和支撑结构32由一个件形成。

图6b示出了具有在竖直腹板22的支撑结构上方延伸的热屏蔽的图4的框架节段的竖直腹板的横截面A-A的第二实例。其基于图6a的实例。然而，热屏蔽30由分离的件形成。此外，冷却腔31布置于在热屏蔽30的下方的竖直腹板22的支撑结构32中。其在从下水平元件到上水平元件的方向上平行于支撑结构32的表面延伸。冷却气体供给到冷却腔31，通过该冷却腔冷却气体经由供给孔36从冷却气体管道23通过。

图7基于图2，示出了燃烧器过渡件24与涡轮3的叶片10之间的界面。在该实例中，框架节段的竖直腹板22包括腹板延伸件33，该腹板延伸件33在轴向方向上平行于燃烧器过渡壁11延伸超过燃烧器过渡壁11的下游端到由叶片10的外平台13与内平台14界定的空间中。为了将热气体流动路径15分离到声学上分离的区段，腹板延伸件33进入到涡轮3的上游端，延伸到由内平台14和外平台13限定的空间中。在这种情况下，腹板延伸件33在翼型件18的前缘的上游终止。

带有腹板延伸件33的竖直腹板22可以是包括共振器容积的中空的。共振器容积通过至少一个颈部34流体地连接热气体流动路径15，该颈部设计为亥姆霍兹阻尼器的颈部34。尤其是，至少一个共振器孔26的截面面积可被调节，使得与共振器容积一起至少一个截止频率可以被衰减。

因此断开相邻的燃烧器可以通过利用衰减亥姆霍兹阻尼器和通过至少部分地阻碍两个相邻燃烧器之间的流体连接的组合而实现。因为流动速度，在第一级中，叶片典型地可以典型地到达声速并且经由第一级叶片10的下游区域连接两个燃烧器是不可能的。如图7所示，典型地间隙可以保持在翼型件18与腹板延伸件33之间，以允许轴向运动至在涡轮与在燃烧器中的热膨胀。典型地，翼型件18与腹板延伸件33不应当彼此接触以避免部件的机械损伤，尤其是可以被施加到部件的表面上的涂层或热障涂层。

图8示出了图7的腹板延伸件的横截面C-C。在该实例中，竖直腹板22和腹板延伸件33围绕了一个容积，其被用作共振器容积并且作为用于包括腹板延伸件33的竖直腹板22的冷却的冷却气体管道。竖直腹板22位于燃烧器过渡壁11的下游端之间。

腹板延伸件能够通过端板在径向方向上封闭。端板可以是竖直腹板22的一体部件，例如，铸造、弯曲、受压或锻件。腹板延伸件33还可以例如通过焊接、铜焊、螺纹或铆钉附接或固定到竖直腹板22上。

自然地，描述的特征可以彼此独立地提供。例如，所附的权利要求中的每一个的特征可以独立于其它权利要求的特征应用。

Claims (14)

1.用于轴向地容纳燃烧器过渡件（24）的后端的框架节段（12），所述框架节段（12）包括带有上水平元件（20）、下水平元件（21）、以及竖直腹板（22）的I梁，其特征在于，所述竖直腹板（22）由带有基部和从所述基部延伸的两个腿部的U轮廓形成，其中，所述U轮廓的所述基部是所述竖直腹板（22）的下游面（27），并且其中，所述两个腿部界定了冷却气体管道（23）。

2.根据权利要求1所述的框架节段（12），其特征在于，所述竖直腹板（22）包括由所述U轮廓围起的中心梁，并且其特征在于，在所述中心梁与所述U轮廓之间的间隙形成了所述冷却气体管道（23）。

3.根据权利要求2所述的框架节段（12），其特征在于，冷却腔（31）布置作为冲击室，并且特征在于，所述冷却气体管道（23）朝向所述冷却腔（31）开放以冲击冷却热屏蔽（30）。

4.根据权利要求1或2所述的框架节段（12），其特征在于，其包括在轴向方向上平行于燃烧器过渡侧壁（11）延伸超过所述燃烧器过渡件（24）的下游端的腹板延伸件（33）。

5.根据权利要求1或2所述的框架节段（12），其特征在于，所述冷却气体管道（23）具有限定的容积和构成为亥姆霍兹阻尼器的颈部（34）。

6.根据权利要求1或2所述的框架节段（12），其特征在于，所述冷却气体管道（23）从所述上水平元件（20）延伸至所述下水平元件（21）。

7.根据权利要求1或2所述的框架节段（12），其特征在于，所述竖直腹板（22）包括从所述冷却气体管道（23）延伸穿过所述下游面（27）的喷射冷却孔（28）。

8.根据权利要求1或2所述的框架节段（12），其特征在于，所述下游面（27）覆盖有热障涂层（TBC）。

9.根据权利要求1或2所述的框架节段（12），其特征在于，其在所述下游面（27）上包括热屏蔽（30）。

10.根据权利要求9所述的框架节段（12），其特征在于，所述热屏蔽（30）在平行于所述下游面（27）的平面中在所述竖直腹板（22）的支撑结构（32）的侧部上方延伸。

11.根据权利要求9所述的框架节段（12），其特征在于，所述热屏蔽（30）由高温合金或陶瓷材料制成。

12.根据权利要求9所述的框架节段（12），其特征在于，冷却腔（31）布置于在所述热屏蔽（30）后方的所述竖直腹板（22）中。

13.根据权利要求1或2所述的框架节段（12），其特征在于，冷却气体供给孔（26）从所述冷却气体管道（23）径向地延伸穿过所述上水平元件（20）和/或所述下水平元件（21）。

14.一种燃气轮机（9），带有至少一个压缩机（1）、至少一个涡轮（3）、以及具有燃烧器过渡件（24）的至少一个燃烧室（2），其特征在于，其包括根据权利要求1至13中的一项所述的框架节段（12）。

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