CN111829013B - 用于燃气涡轮组件的过渡管及包括该过渡管的燃气涡轮组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮组件的过渡管及包括该过渡管的燃气涡轮组件。具体而言，一种用于燃气涡轮组件并构造成用于将热气体从燃烧室引导至涡轮的过渡管，该过渡管包括：管状壁结构，其设有与热气体接触的内表面和与冷却空气接触的外表面；连接结构，其在内表面和外表面之间延伸，并构造成用于限定延伸穿过管状壁结构的多个冷却通道；其中连接结构是柔性连接结构，该柔性连接结构构造成用于允许外表面相对于内表面的周向移动。

Description

用于燃气涡轮组件的过渡管及包括该过渡管的燃气涡轮组件

相关申请的交叉引用

本专利申请请求享有2019年4月18日提交的欧洲专利申请第19170045.9号的优先权，其全部公开内容通过引用并于本文中。

技术领域

本发明涉及用于发电厂的燃气涡轮组件的技术领域。具体而言，本发明涉及燃气涡轮组件的特定构件，即管（在本领域中称为“过渡”管），该管构造成用于将离开燃烧室的热气体朝向涡轮入口引导。更详细地，本发明涉及上述过渡管的管状壁结构（在本领域中称为“衬套”）。

此外，本发明涉及一种包括上述过渡管的燃气涡轮组件。更详细地，本发明的燃气涡轮组件优选地涉及所谓的罐式燃烧器燃气涡轮的技术领域。具体而言，每个罐式燃烧器包括：上游第一燃烧器（在本领域中称为“预混”燃烧器），其构造成用于接收压缩空气并将该空气与燃料混合；下游第二燃烧器（在本领域中称为“再热”燃烧器），其构造成用于接收离开第一燃烧器的热气体并将燃料添加到该热气体中以进行自燃/自发着火，以及用于将离开再热燃烧器的热气体引导至涡轮入口的过渡管（如上所述）。在此情况下，本发明的衬套可限定为“顺序”衬套。当然，本发明不限于上述具有再热构造的燃烧器。实际上，本发明也可在不对非再热燃烧器进行任何修改的情况下应用。

背景技术

众所周知，用于发电厂的燃气涡轮组件（以下仅称为燃气涡轮）包括具有轴线（即燃气涡轮轴线）的转子、压缩机、燃烧器单元和至少一个涡轮。压缩机构造成用于压缩在压缩机入口处供应的空气。离开压缩机的压缩空气流入气室，并从那里进入燃烧器单元。燃烧器单元包括多个烧嘴，该多个烧嘴构造成用于将燃料喷射到压缩空气流中。燃料和压缩空气的混合物流入燃烧室，该混合物在此燃烧。所得的热气体离开燃烧室，并在涡轮中膨胀，以在转子上做功。众所周知，涡轮包括由多级或成排的定子导叶***的多级或成排的转子叶片。转子叶片连接到转子，而定子导叶连接到导叶载体，该导叶载体是围绕涡轮单元的同心壳。

为了实现高效率，需要高涡轮入口温度。然而，大体上，这种高温涉及不期望的高NOx排放水平。为了减少这些排放并增加操作灵活性而不降低效率，所谓的“顺序”燃气涡轮尤其适用。大体上，顺序燃气涡轮包括串联的两个燃烧器或燃烧级，其中每个燃烧器设有多个烧嘴和至少一个相对的燃烧室。沿主气流方向，通常上游或第一燃烧器包括多个所谓的“预混”烧嘴。用语“预混”强调这样的事实，即第一燃烧器的每个烧嘴不仅构造成用于将燃料直接喷射到压缩空气中（例如，利用所谓的扩散火焰），而且还构造成用于在将混合物喷射到燃烧室中之前混合（利用涡旋）压缩空气和燃料。下游或第二燃烧器称为“再热”或“顺序”燃烧器，并且其由离开第一燃烧器的热气体供给。另外，再热燃烧器设有多个再热烧嘴，再热烧嘴构造成用于将燃料喷射到来自第一燃烧器的热气体中。由于高气体温度，再热烧嘴下游的操作条件允许燃料/空气混合物自然/自发着火。

当今，已知两种不同类型的顺序燃气涡轮。根据第一实施例，预混和再热燃烧器是环形的，并且由称为高压涡轮的涡轮叶片级物理分隔。根据第二实施例，燃气涡轮未设有高压涡轮，并且燃烧器单元以多个罐式燃烧器的形式实现。在该实施例中，每个罐式燃烧器包括预混（第一级）和再热（第二级）燃烧器，它们一个在另一个下游直接布置在共同的罐形壳内，壳终止于管状元件（在本领域中称为“过渡”管），管状元件构造成用于将离开再热（第二级）燃烧器的热气体朝向涡轮入口引导。

由于燃气涡轮发动机的其它构件与热气体接触，所以过渡管需要冷却以避免过热引起的损坏并以便延长使用寿命。为了冷却过渡管的目的，通常从压缩机（即在燃烧器之前）抽取总气流的一部分，并用作作用在过渡管外表面上的对流冷却空气。当今，需要改善过渡管的冷却，以便允许进一步提高过渡管自身内的点火温度。该问题的常见解决方案是使用较高量的冷却空气。然而，用于冷却目的的较高空气消耗降低了燃气涡轮的效率。申请人提出的解决方案在于向过渡管的管状壁（即衬套）提供多个冷却通道，这些冷却通道在上游端部和下游端部之间延伸穿过管状壁自身，其中这些冷却通道由冷却空气供给以便以对流方式冷却衬套。考虑到具有冷却通道的上述结构，过渡管的管状壁包括内壁部分（在本领域中称为“热壳”）、外壁部分（在本领域中称为“冷壳”）和多个肋，肋作为相邻的冷却通道的分隔物并且连接内壁部分和外壁部分。考虑到过渡管的截面，即使不是整个过渡管都可公开圆形截面，这些肋也可限定为径向肋。这些肋用作刚性结构，实际上由于这个原因，可能实现薄的热壳。此外，这些径向肋涉及相对于单层的设计更高的抗蠕变性。只要在燃气涡***作期间不损失设在热壳上的热障涂层，该顺序衬套（具有由径向肋分开的延伸穿过管状壁的冷却通道）工作很好。在损失该热障涂层的情况下（或在需要热壳与冷壳之间存在非常高的温差的情况下），由于存在这些刚性连接（即径向肋），壁结构中的静态应力水平会增加。

因此，当今，需要改进具有延伸穿过管状壁的冷却通道的上述顺序衬套，以便允许进一步提高热气体温度，并在热障涂层意外损失的情况下也保证安全操作。

发明内容

因此，本发明的主要目的在于提供一种用于燃气涡轮的过渡管，该过渡管构造成用于将热气体从燃烧器引导至涡轮，其中该过渡管还适于克服前述的现有技术限制。具体而言，根据本发明，提供了一种过渡管，其中该过渡管包括设有多个冷却通道的管状壁，并且其中该过渡管允许在形成壁的热壳和冷壳之间达到较高的热梯度。为了达到这些结果，根据本发明，提供了一种用于燃气涡轮的过渡管，其中该过渡管包括：

-管状壁结构，该管状壁结构限定热气体离开燃烧室的路径，并且将热气体朝向涡轮（第一涡轮导叶）引导，其中该管状壁结构设有与热气体接触的内表面（或内壁部分）和与冷却空气（即离开压缩机的部分压缩空气）接触的外表面（或外壁部分）；

-连接结构，该连接结构在内表面和外表面之间在管状壁结构内延伸，并且构造成用于限定延伸穿过管状壁结构的多个冷却通道。

从该总体构造开始，根据本发明的主要方面，连接结构是柔性连接结构，其构造成用于允许外表面（或外壁部分）相对于内表面（或内壁部分）的周向移动。相对于管的纵轴线（主热气流方向）限定周向，该管的纵轴线通常至少包括具有圆形截面的部分。由于事实上外表面可沿周向方向增长（而不是现有技术实践中的刚性结构），因此有可能增加外表面和内表面之间的热失配而没有损坏壁结构的风险。上面已经以功能方式限定了本发明的主要特征，因为技术人员可容易地提供允许请求保护的结果的多个不同的实施例。无论如何，在附图的描述中，将描述本发明的一些不同的实施例。例如，该特征可通过为管提供从冷壳朝向热壳延伸的至少一个凹槽和/或提供指向通道内朝向热壳或指向通道外的冷壳的伸长部分来实现。伸长部分可优选为V形、U形或半月形或允许冷壳周向移动的任何类似形状。凹槽和/或伸长部分还可设有通孔，以允许冷却空气进入通道。

优选地，本发明的过渡管是由增材制造方法，例如选择性激光熔化过程制成的单件。

根据优选实施例，连接结构还可构造成用于控制壁结构的另一移动。具体而言，连接结构也可构造成用于大体避免内表面或壁结构的任何径向移动。因此，根据该实施例，即使在蠕变的情况下，也禁止/阻止结构的径向移动。如前所述，径向方向是相对于管的纵轴线（或主热气流方向）限定的，该管通常包括具有圆形截面的至少一部分。

而且，由于技术人员可容易地提供允许该增加的结果的多个不同的实施例，因此已经以功能方式在上文限定了连接结构的该附加特征。无论如何，在附图的描述中，将描述设有该特征的一些不同的实施例。例如，通过向管提供容纳在周向座中或作为冷壳的一部分上方的唇部延伸的周向齿痕来实现该特征。

优选地，本发明的新连接结构不影响管的内表面的形状、几何形状或构造。因此，本发明的实施方式不干扰施加在内表面上的热障涂层。

本发明还涉及一种用于发电厂的燃气涡轮，其中该燃气涡轮具有轴线并且包括：

-用于压缩空气的压缩机；

-用于将压缩物与至少一种燃料混合并使该混合物燃烧的燃烧器区段；

-至少一个涡轮，其用于使离开燃烧器区段的燃烧热气流膨胀并在转子上做功。

具体而言，本发明的燃烧器区段包括多个罐式燃烧器，其中每个罐式燃烧器可包括单个燃烧级或串联的第一燃烧器、第二燃烧器。每个罐式燃烧器还包括过渡管，该过渡管根据所附权利要求实现，以用于将热气体从燃烧器引导至涡轮。

将理解的是，以上总体描述和以下详细描述两者都是示例性的，且旨在提供如请求保护的本发明的进一步阐释。本发明的其它优点和特征将从以下描述、附图和权利要求中清楚。

认为是新颖的本发明的特征具体在所附权利要求中提出。

附图说明

在适当参考附图来仔细阅读详细描述之后，本发明的其它利益和优点将变得清楚。

然而，可通过参考本发明的以下详细描述来最佳地理解本发明本身，以下详细描述连同附图描述了本发明的示例性实施例，在附图中：

-图1是沿轴向纵向平面剖开的燃气涡轮组件的侧立视图，该燃气涡轮组件可设有根据本发明的过渡管；

-图2是在图1中标有参考标记II的部分的放大视图；

-图3和图4分别是过渡管的前视图和后视图，该过渡管具有设有多个冷却通道的管状壁；

-图5A是在图4中标有参考标记V的部分的放大图，具体地图5A公开了根据现有技术实践的过渡管壁结构；

-图5B是示出在操作期间由于热壳和冷壳之间的热失配而作用在图5A的过渡管壁结构上的静态应力负载的图表；

-图6-11是根据本发明的过渡管壁结构的一些不同实施例的示意图。

具体实施方式

与附图结合，本发明的技术内容和详细描述在下文中根据优选实施例描述，而不用于限制其执行范围。根据所附权利要求制作出的任何等同的变型和改型所有都由本发明请求保护的权利要求覆盖。

现在将参考附图来详细描述本发明。

参考图1，图1是沿轴向纵向平面剖开的燃气涡轮组件的侧立视图，该燃气涡轮组件可设有根据本发明的过渡管。具体而言，图1公开了燃气涡轮组件的简化视图，整体上以参考标记1表示。燃气涡轮组件1包括压缩机2、燃烧器组件3和涡轮4。压缩机2和涡轮5沿主轴线A延伸。在图1的示例中公开的燃烧器组件3是罐式燃烧器5，其可为顺序燃烧器或单级燃烧器。因此，在该实施例中，燃烧器组件3包括围绕主轴线A周向布置的多个顺序罐式燃烧器5。众所周知，燃气涡轮发动机1的压缩机2提供压缩空气流，该压缩空气流添加有燃料并在罐式燃烧器5中燃烧。为了冷却的目的，由压缩机2输送的空气流的一部分也供应到燃烧器组件3和涡轮区段4。

现在参考图2，图2为图1中标有参考标记II的部分的放大视图。具体而言，图2公开了图1的燃气涡轮组件1的罐式燃烧器5。图2中公开的罐式燃烧器5包括第一级燃烧器6和第二级燃烧器7以及过渡管8，它们顺序布置并限定热气体路径。更确切地说，第一级燃烧器6包括第一级烧嘴单元9和第一级燃烧室10。第二级燃烧器7布置在第一级燃烧器6的下游，并且包括第二级烧嘴单元17和第二级燃烧室18。第二级燃烧器7还通过过渡管8联接到涡轮4，这里未示出。第二级燃烧室12在第一级燃烧器6的下游沿轴向方向延伸。在该实施例中，第二级燃烧室12包括外衬套13和内衬套14，其中外衬套13从其以一定距离围绕内衬套14，使得在外衬套13与内衬套14之间限定了对流冷却通道15。

现在参考图3和图4，它们分别是图2的过渡管8的前视图和后视图。众所周知，所公开的过渡管8是遭受最严重热应力的热气体路径的构件。因此，为了冷却的目的，过渡管8包括管状壁结构17，该管状壁结构设有由冷却空气供给的多个冷却通道16。管状壁结构17具有：具有圆形截面的上游端部18、具有基本矩形截面的下游端部19、内表面20和外表面21。上游端部18连结至第二级燃烧室12，而下游端部19面对涡轮4。内表面20限定了热气流容积，热气体流过该热气流容积到达涡轮4。因此，内表面20直接暴露于流过热气体路径的热气体。鉴于上述情况，内表面可至少部分地由热障涂层涂覆。冷却通道16在上游端部18和下游端部19之间延伸穿过管状壁结构17，并且在管状壁结构17的周向方向上均匀分布。在上游端部18处，冷却通道16与第二级燃烧室12的对流冷却通道15流体连通。在该实施例中，冷却通道16在管状壁结构17的轴向纵向方向上延伸。

现在参考图5A，图5A是图4中标有参考标记V的部分的放大视图。该图5A公开了根据现有技术实践的壁17（刚性连接）。如图5A中所公开，冷却通道16将管状壁结构17的不同部分分隔。具体而言，可能限定管状壁结构17的内壁部分22或热壳，其是内表面20和冷却通道16之间的壁的部分。因此，管状壁结构17的外壁部分23或冷壳可限定为在外表面21和冷却通道16之间的壁的部分。相邻的冷却通道16由径向肋24形式的隔板或分隔物分隔，或径向肋24在管状壁结构17的内壁部分22与外壁部分23之间延伸。在操作期间，热壳（内壁部分22）的温度相对于冷壳（外壁部分23）的温度增加若干100K。当然，热负载的任何进一步增加或施加在热壳上的热障涂层的损失导致该温度差的相应增加。由于由在热壳和冷壳之间延伸的肋提供的现有技术的刚性连接，上述温度差涉及作用在壁结构上的高静态应力负载。具体而言，由于热壳要比冷壳在周向上膨胀更多，因此冷壳必须抵抗沿周向方向作用的高静态应力负载。在图5A旁边，公开了方向参考标记A、R和C，其中方向A是轴向方向（主热气流方向），方向C是周向方向，且方向R是径向方向。图5B的图表示意性地公开了作用在壁结构上的静态应力负载。

如在有关本发明的总体限定的章节中所述，为了允许增加热负载并且在损失上述热障涂层的情况下也确保安全操作，提出的解决方案在于提供具有柔性特征的壁17，该柔性特征构造成用于允许冷壳23沿周向方向增长。这样，由于热失配而作用在冷壳上的应力水平减小，并通过该周向移动来补偿。图6-11的以下描述将提到本发明的一些特定实施例，即其中热壳和冷壳之间的刚性现有技术连接（径向肋）已修改以允许冷壳沿周向方向自由增长的实施例。无论如何，在所有公开的实施例中，即使在蠕变的情况下，也禁止/阻止热壳的径向移动。

现在参考图6，图6是根据本发明的过渡管壁结构的第一实施例的示意图。根据该实施例，过渡管壁结构17包括至少一个径向凹槽或槽25（至少部分地沿管轴向地延伸），该径向凹槽或槽25在肋24内实现并且从冷壳23朝向热壳22延伸。因此，在该径向凹槽25处，过渡管壁结构17的厚度减小至单独的热壳22。换句话说，在沿周向方向的该径向凹槽或槽25处，仅在热壳22用作用于该结构的铰链28的点处执行过渡管壁结构17的完整性。相反，在径向凹槽或槽25处，冷壳23公开了两个分隔的面对的边缘，以允许冷壳沿周向方向C移动。为了避免结构沿径向方向R的移动（具体是防止热壳的任何径向移动），沿径向方向的凹槽或槽25的中间部分在一侧处设有周向齿痕26，且在相反侧处设有至少部分容纳周向齿痕26的周向座27。

现在参考图7，图7是根据本发明的过渡管壁结构的备选实施例的示意图。该实施例与先前的实施例的不同之处在于，沿凹槽或槽25的径向方向的周向齿痕26的位置。如所公开的，在图7中，齿痕26延伸到凹槽或槽25外，具体是在冷壳23外侧径向地覆盖（隔开）凹槽或槽25。同样在此情况下，齿痕26允许防止热壳的任何径向移动。

现在参考图8，图8是根据本发明的过渡管壁结构的备选实施例的示意图。根据该实施例，过渡管壁结构17在通道16处包括冷壳23的至少一个V形凹槽或降低部分29，其中该V形部分指向热壳22。还可提供桥30，以将V形部分29的顶点连接到热壳22。在V形部分29处，冷壳的刚度减小以允许冷壳本身沿周向方向移动。

现在参考图9，图9是根据本发明的过渡管壁结构的备选实施例的示意图。该实施例与先前的实施例的不同之处在于，V形部分29'不朝向热壳23延伸而是在通道16外延伸。同样在此情况下，在V形部分29'处，冷壳23的刚度减小以允许冷壳本身沿周向移动。

现在参考图10，图10是根据本发明的过渡管壁结构的备选实施例的示意图。该实施例包括图6的实施例的所有特征，且此外，图10公开了至少一个冷却孔30，其将凹槽25连接到相邻的通道16。为了最大化热壳22的冷却效果，在凹槽25的与冷壳23相对的端部处实现冷却孔30。图10中的箭头F表示通过凹槽25和孔30内进入通道16的冷却流。

现在参考图11，其是根据本发明的过渡管壁结构的备选实施例的示意图。该实施例与图7中公开的实施例非常相似。然而，图11的实施例包括用于将凹槽25连接到通道16的冷却孔30（如先前的示例），并且其未设有覆盖凹槽25的齿痕26。实际上，该齿痕26可限制进入凹槽25的空气流。

尽管关于如上文提到的其优选实施例阐释了本发明，但将理解的是，可制作出许多其它可能的改型和变型，而不脱离本发明的范围。因此，可构想出的是，所附一项或多项权利要求将覆盖落入本发明的真正范围内的此类改型和变型。

Claims (14)

1.一种用于燃气涡轮组件(1)并构造成用于将热气体从燃烧室引导至涡轮的过渡管(8)，所述过渡管(8)包括：

-管状壁结构(17)，其设有与热气体接触的内表面(20)和与冷却空气接触的外表面(21)；

-连接结构，其在所述内表面(20)和所述外表面(21)之间延伸，并且构造成用于限定延伸穿过所述管状壁结构(17)的多个冷却通道(16)；

所述连接结构是柔性连接结构包括从所述外表面(21)延伸到所述内表面(20)的多个肋(24)，以用于分隔相邻的冷却通道(16)，

其特征在于，

所述过渡管(8)包括至少一个凹槽(25)，所述凹槽在肋(24)内从所述外表面(21)朝向所述内表面(20)延伸。

2.根据权利要求1所述的过渡管(8)，其中，所述过渡管(8)是单件。

3.根据权利要求2所述的过渡管(8)，其中，所述过渡管(8)由增材制造方法制成。

4.根据前述权利要求中任一项所述的过渡管(8)，其中，所述连接结构还构造成用于避免所述内表面(20)的径向移动。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的过渡管(8)，其中，所述连接结构不影响所述内表面(20)。

6.根据权利要求1所述的过渡管(8)，其中，所述凹槽(25)的中间部分设有齿痕(26)，所述齿痕构造成用于避免所述内表面(20)的径向移动。

7.根据权利要求1所述的过渡管(8)，其中，所述外表面(21)设有在外侧覆盖所述凹槽(25)的唇部。

8.根据权利要求1所述的过渡管(8)，其中，所述外表面(21)包括在冷却通道(16)内朝向所述内表面(20)延伸的伸长部分(29')。

9.根据权利要求8所述的过渡管(8)，其中，提供将所述伸长部分(29')与所述内表面(20)连接的桥。

10.根据权利要求1所述的过渡管(8)，其中，所述外表面(21)包括在冷却通道(16)外延伸的伸长部分(29')。

11.根据权利要求1所述的过渡管(8)，其中，所述凹槽(25)包括至少一个孔(30)，所述孔将所述凹槽(25)连接至冷却通道(16)。

12.根据前述权利要求8至权利要求10中任一项所述的过渡管(8)，其中，所述伸长部分包括至少一个孔(30)，所述孔将所述伸长部分连接至冷却通道(16)。

13.根据权利要求11所述的过渡管(8)，其中，所述孔(30)设在所述凹槽(25)的与所述外表面(21)相对的端部处。

14.一种用于发电厂的燃气涡轮；所述燃气涡轮(1)具有轴线(A)，并沿气流方向包括：

-用于压缩空气的压缩机(2)，

-用于将压缩物与至少一种燃料混合并燃烧的燃烧器区段(3)，

-用于使离开所述燃烧器区段(3)的燃烧热气流膨胀的涡轮(4)；

其中所述燃烧器区段(3)包括多个罐式燃烧器(5)，每个罐式燃烧器容纳单个燃烧器或串联的第一燃烧器(6)、第二燃烧器(7)以及过渡管(8)，所述过渡管(8)根据前述权利要求中任一项所述的过渡管实现。