CN1906381B - 用于涡轮定子的保护装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于涡轮定子的保护装置，其包括一系列可通过连接装置连接起来的环形分段(12)，各分段(12)包括具有至少一个凹腔(14)的第一侧面(13)，所述凹腔(14)具有底部(15)，所述至少一个凹腔(14)的各底部(15)是凸起的，并且各分段(12)包括至少一个加强肋(16)，所述加强肋(16)定位在所述至少一个凹腔(14)中，并具有在纵向方向上可变的截面以调节各分段(12)的刚度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于涡轮定子的保护装置。
背景技术
燃气涡轮是一种旋转热机，其利用来自燃烧的燃气，将燃气的焓转换成有用功，并将机械功率提供给转轴。
因此，涡轮通常包括压缩机或涡轮压缩机，从外部吸入的空气在压缩机内被加压。
各种喷射器供给燃料，其与空气混合而形成空气-燃料可燃混合物。
轴向压缩机附连在所谓的涡轮或涡轮膨胀机上，其为对燃烧室中所燃烧燃气的焓进行转换的使用物提供机械能量。
在产生机械能量的应用中，膨胀阶差可分成两个都发生在涡轮中的部分阶差。位于燃烧室下游的高压涡轮产生压缩。之后低压涡轮连接到使用物上，低压涡轮收集来自高压涡轮的燃气。
涡轮膨胀机、涡轮压缩机、燃烧室(或加热器)、输出轴、调节***和点火***组成了燃气涡轮机组的基本部分。
就燃气涡轮的功能而言，已经知道，流体可通过一系列入口导管而穿过压缩机。
在这些管道中，燃气具有低压和低温特征，而当其穿过压缩机时，燃气受到压缩，并且其温度升高。
之后，燃气进入到燃烧(或加热)室中，在这里其经历另一显著的温度升高。
通过经由喷射器引入到加热室中的气体燃料的燃烧，就可提供燃气温度升高所必需的热量。
当机器启动时，通过火花塞来触发燃烧。
在燃烧室的出口，高压高温的燃气通过特定导管而到达涡轮，在这里其输出在压缩机和加热室(燃烧器)中积累的部分能量，之后通过排气通道而流出。
在涡轮内部具有装备了一系列定子叶片的定子，其中容纳了转子，所述转子也装备了一系列叶片(转子叶片)，并且能够旋转，所述定子由于燃气的原因而旋转。
定子的保护装置，也称为“护罩”，它与定子叶片的平台一起限定了主燃气流量。
护罩的功能是保护外壳，外壳通常由低质量的材料制成，并因而具有较低的抗腐蚀、氧化和磨损性能。
护罩通常由一整个环组成，或者适当地分成一系列分段(sector)，各分段由来自压缩机的气流进行冷却。
这种冷却可利用各种技术来实现，其基本上取决于燃烧温度和要获得的温度降。
本发明所涉及的这类保护装置包括组装成环的一系列分段，各分段具有定位在各分段外表面上的凹腔。
在具有高燃烧温度的机器的情况下，最广泛应用的冷却技术是所谓的“冲击冷却技术”。
根据这种技术，优选通过钎焊将板材固定在各分段的各凹腔内，所述板材设有一系列通孔，通过这一系列通孔可抽吸来自压缩机的新鲜空气而用于对护罩本身进行冷却，尤其通过所述空气在所述凹腔底面上的冲击，并随后将其从一系列位于各分段中的出口孔排出，来实现冷却，附图中没有显示出这些出口孔。
不管这些手段如何，即使实现了有效的冷却，护罩以及其各个分段都将由于热梯度和涡轮的操作温度而发生变形，这会产生与室温下的形态、即相对于涡轮不工作时的静止形态不同的变形形态。
由于在涡轮工作期间所产生的热梯度，因此在护罩和尤其其各个分段上会产生不均匀的变形。
因此，通常利用涂覆上适当材料以限制其上面温度的超合金来生产护罩。
第一个缺点是，这导致了在工作温度下的变形，其限制了变形，但不允许将间隙减小到使护罩和转子所装备的叶片之间可能产生摩擦的危害降至最低的水平。
另一缺点是，通过提高护罩的刚度，热梯度所导致的应力也提高了，结果直接降低了护罩本身的使用寿命。
这导致装有护罩的燃气涡轮的可靠性降低，而且由于必须更频繁地更换护罩，因此需要用以保持涡轮处于良好状态并避免突然停机的维护费用。
发明内容
本发明的一个目的是为涡轮定子提供一种保护装置，其允许减小间隙，同时保持较长的使用寿命。
另一目的是为涡轮定子提供一种保护装置，其具有较高的刚度，用于在保护装置本身上保持较低的应力。
另一目的是为涡轮定子提供一种可提高涡轮本身性能的保护装置。
又一目的是为涡轮定子提供一种简单且经济的保护装置。
这些根据本发明的目的可通过为燃气涡轮的定子提供如下所述的保护装置来实现。
根据本发明，提供了一种用于涡轮定子的保护装置，其包括一系列可通过连接装置连接起来的环形分段，各所述分段包括具有至少一个凹腔的第一侧面，所述凹腔具有底部，其特征在于，所述至少一个凹腔的各底部是凸起的，并且各所述分段包括至少一个加强肋，所述加强肋定位在所述至少一个凹腔中，并具有在纵向方向上可变的截面以调节各所述分段的刚度。
根据本发明的另一方面，所述底部在圆周方向和/或轴向方向上是凸起的。
根据本发明的另一方面，所述凸起的底部具有顶点，其在轴向截面上具有轴向曲率半径，所述轴向曲率半径除以转子半径所得的数值在0.221到0.299的范围内。
根据本发明的另一方面，所述轴向曲率半径除以转子半径所得的数值等于0.260。
根据本发明的另一方面，所述顶点在径向截面上具有圆周曲率半径，其除以转子半径所得的数值在0.365到0.494的范围内。
根据本发明的另一方面，所述圆周曲率半径除以转子半径所得的数值等于0.429。
根据本发明的另一方面，所述顶点在轴向截面上离所述至少一个凹腔的一端具有一段距离，所述距离除以所述至少一个凹腔的轴向长度所得的数值在0.142到0.192的范围内。
根据本发明的另一方面，所述距离除以所述至少一个凹腔的轴向长度所得的数值等于0.167。
根据本发明的另一方面，其特征在于，所述加强肋沿着轴向方向相对于涡轮轴线倾斜某一角度，所述角度在3.162°至4.278°的范围内。
根据本发明的另一方面，所述角度是3.72°。
根据本发明的另一方面，所述加强肋具有最大轴向高度，其除以所述至少一个凹腔的轴向长度所得的数值在0.133到0.180的范围内。
根据本发明的另一方面，所述最大轴向高度除以所述至少一个凹腔的轴向长度所得的数值等于0.156。
根据本发明的另一方面，各所述分段包括设有一系列通孔的板材，所述板材固定在所述至少一个凹腔上。
根据本发明的另一方面，所述板材与所述一系列分段中的相应分段构成一个整体。
附图说明
从以下解释性的而非限制性的描述中并且参照示意附图，可以更加清楚根据本发明的燃气涡轮的定子保护装置的特征和优点，其中：
图1是根据本发明的燃气涡轮转子的保护装置的一个优选实施例的一分段的***的纵向截面图；
图2是图1所示分段的***的径向截面图；
图3是根据图2的剖面线III-III的***的侧向截面图。
具体实施方式
参照这些附图，这些附图显示了一种用于涡轮定子的保护装置，其包括一系列可通过连接装置连接起来的环形分段12，各分段12包括具有至少一个凹腔14的第一侧面17，凹腔14具有底部15，各分段12包括至少一个加强肋16，其定位在所述至少一个凹腔14中，并具有在纵向方向上可变的截面，以调节各分段12的刚度。
此外，所述至少一个凹腔14的各底部15也是凸起的，以调节各分段12的刚度。
所述底部15在圆周方向和/或轴向方向上优选是凸起的，从而获得护罩的可变截面。
这就产生了护罩的可变刚度，其在涡轮工作期间具有均匀的圆周方向和/或轴向变形，因而具有较低的应力状态。
同时，还获得最小的间隙，使其因此而确保涡轮的效率提高，这也保持了较长的护罩使用寿命。
所述凸起的底部15优选具有顶点，其在轴向截面上具有轴向曲率半径70，其相对于转子半径的量纲，即除以转子半径所得的数值，优选处于0.221到0.299的范围内。
所述轴向曲率半径70的量纲优选为0.260。
在径向截面上，所述顶点优选具有圆周曲率半径60，其相对于转子半径的量纲，即除以转子半径所得的数值，优选在0.365到0.494的范围内。
所述圆周曲率半径60的量纲优选为0.429。
所述顶点在轴向截面上优选离所述至少一个凹腔14的一端具有一段距离80，所述距离80相对于所述至少一个凹腔14的轴向长度的量纲，具有优选在0.142到0.192范围内的数值。
所述距离80的量纲优选为0.167。
所述加强肋16沿着轴向方向相对于涡轮轴线优选倾斜某一角度50，该角度50优选在3.162°至4.278°的范围内。
所述角度50优选为3.72°。
换句话说，加强肋16的加强轴向截面沿着涡轮轴线而线性地变化，以便平衡沿着涡轮轴线的热梯度。
所述加强肋16具有最大轴向高度90，其相对于至少一个凹腔14的轴向长度的量纲，即除以所述轴向长度所得的数值，优选在0.133到0.180的范围内。
所述轴向长度90的量纲优选为0.156。
各分段12还包括设有一系列通孔21的板材20，这些通孔21用于引入对分段12本身进行冷却的空气。
所述板材固定在相应的分段12上，或者优选与其构成一个整体，从而覆盖所述至少一个凹腔14。
因此可以看出，根据本发明的涡轮定子的保护装置可实现上述目的。
这样设计的本发明的涡轮定子的保护装置可以经受多种修改和变化，所有这些都包括在本发明的相同构思中。
另外，实际上，所使用的材料以及尺寸和部件都可根据技术要求而变化。
Claims (14)
1.一种用于涡轮定子的保护装置，其包括一系列可通过连接装置连接起来的环形分段(12)，各所述分段(12)包括具有至少一个凹腔(14)的第一侧面(13)，所述凹腔(14)具有底部(15)，其特征在于，所述至少一个凹腔(14)的各底部(15)是凸起的，并且各所述分段(12)包括至少一个加强肋(16)，所述加强肋(16)定位在所述至少一个凹腔(14)中，并具有在纵向方向上可变的截面以调节各所述分段(12)的刚度。
2.根据权利要求1所述的保护装置(10)，其特征在于，所述底部(15)在圆周方向和/或轴向方向上是凸起的。
3.根据权利要求1或2所述的保护装置(10)，其特征在于，所述凸起的底部(15)具有顶点，所述顶点在轴向截面上具有轴向曲率半径(70)，所述轴向曲率半径(70)除以转子半径所得的数值在0.221到0.299的范围内。
4.根据权利要求3所述的保护装置(10)，其特征在于，所述轴向曲率半径(70)除以转子半径所得的数值等于0.260。
5.根据权利要求3所述的保护装置(10)，其特征在于，所述顶点在径向截面上具有圆周曲率半径(60)，所述圆周曲率半径(60)除以转子半径所得的数值在0.365到0.494的范围内。
6.根据权利要求5所述的保护装置(10)，其特征在于，所述圆周曲率半径(60)除以转子半径所得的数值等于0.429。
7.根据权利要求3所述的保护装置(10)，其特征在于，所述顶点在轴向截面上离所述至少一个凹腔(14)的一端具有一段距离(80)，所述距离(80)除以所述至少一个凹腔(14)的轴向长度所得的数值在0.142到0.192的范围内。
8.根据权利要求7所述的保护装置(10)，其特征在于，所述距离(80)除以所述至少一个凹腔(14)的轴向长度所得的数值等于0.167。
9.根据权利要求1至2中任一权项所述的保护装置(10)，其特征在于，所述加强肋(16)沿着轴向方向相对于涡轮轴线倾斜某一角度(50)，所述角度(50)在3.162°至4.278°的范围内。
10.根据权利要求9所述的保护装置(10)，其特征在于，所述角度(50)是3.72°。
11.根据权利要求1至2中任一权项所述的保护装置(10)，其特征在于，所述加强肋(16)具有最大轴向高度(90)，所述最大轴向高度(90)除以所述至少一个凹腔(14)的轴向长度所得的数值在0.133到0.180的范围内。
12.根据权利要求11所述的保护装置(10)，其特征在于，所述最大轴向高度(90)除以所述至少一个凹腔(14)的轴向长度所得的数值等于0.156。
13.根据权利要求1至2中任一权项所述的保护装置(10)，其特征在于，各所述分段(12)包括设有一系列通孔(21)的板材(20)，所述板材(20)固定在所述至少一个凹腔(14)上。
14.根据权利要求13所述的保护装置(10)，其特征在于，所述板材(20)与所述一系列分段(12)中的相应分段(12)构成一个整体。
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