用于燃气轮机的轴向段的导向叶片支架.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102216568 A (43)申请公布日 2011.10.12 CN 102216568 A *CN102216568A* (21)申请号 200980144348.5 (22)申请日 2009.09.10 08019365.9 2008.11.05 EP F01D 9/04(2006.01) F01D 25/24(2006.01) (71)申请人 西门子公司 地址 德国慕尼黑 (72)发明人 R布里克 S东格斯 N萨维利厄斯 M哈特曼 U卡尔斯托夫 K克莱因 O吕泽布林克 M米拉扎尔 O施奈德 盛世伦 V舍夫钱科 G西蒙 N塔姆 (74)专利代理机构 中国专利代理。

2、(香港)有限公 司 72001 代理人 梁冰 杨国治 (54) 发明名称 用于燃气轮机的轴向段的导向叶片支架 (57) 摘要 特别是用于燃气轮机 (101) 的导向叶片支架 (1)， 所述导向叶片支架由多个轴向段 (24) 组成， 在保持运行安全性的情况下， 允许技术上更简单 的结构以及与在导向叶片支架上存在的温度曲线 更灵活地匹配。为此， 至少一个轴向段 (24) 设计 为网栅结构 (26)。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2011.05.05 (86)PCT申请的申请数据 PCT/EP2009/061744 2009.09.10 (87)PCT申请的公布数据 WO2。

3、010/052050 DE 2010.05.14 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 CN 102216579 A1/1 页 2 1. 特别是用于燃气轮机 (1) 的导向叶片支架 (1)， 所述导向叶片支架由多个轴向段 (24) 组成， 其中， 至少一个轴向段 (24) 设计成网栅结构 (26)。 2. 按权利要求 1 所述的导向叶片支架 (1)， 其中， 所述各个网栅结构 (26) 在其内侧和 / 或外侧上具有一板罩 (28)。 3. 按权利要求 2 所述的导向叶片支架 (1)， 其中， 所述各。

4、个板罩 (28) 中具有冷却空气 孔。 4.按权利要求1至3之一所述的导向叶片支架(1)， 其中， 所述各个轴向段(24)和/或 必要时所述各个板罩 (28) 的材料与在运行中规定的局部的热负荷以及机械负荷相匹配。 5. 按权利要求 1 至 4 之一所述的导向叶片支架 (1)， 其中， 多个轴向段 (24) 相互焊接。 6. 按权利要求 1 至 5 之一所述的导向叶片支架 (1)， 其中， 全部轴向段 (24) 设计成网 栅结构 (28)。 7. 按权利要求 1 至 6 之一所述的导向叶片支架 (1)， 其中， 所述网栅结构作为网栅管结 构构成。 8. 具有按权利要求 1 至 7 之一所述的导。

5、向叶片支架 (1) 的燃气轮机 (101)。 9. 具有按权利要求 8 所述的燃气轮机 (1) 的燃气轮机设备和蒸汽轮机设备。 权 利 要 求 书 CN 102216568 A CN 102216579 A1/4 页 3 用于燃气轮机的轴向段的导向叶片支架 0001 本发明涉及一种特别是用于燃气轮机的、 由多个轴向段组成的导向叶片支架。 0002 燃气轮机在众多领域被用于驱动发电机或做功机械。在此， 燃料的能含量 / 内能 用于产生涡轮机轴的旋转运动。为此， 燃料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。

6、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。 0003 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。 0004 燃气轮机的燃烧室可以构成为所谓的环形燃烧室， 其中多个沿周向围绕涡轮机轴 设置的燃烧器通入到一共同的、 由耐高温的包围壁包围的燃烧腔室内。 为此， 燃烧室在其总 体上构成为环形结构。除了唯一的燃烧室外， 也可以设置多个燃烧室。 。

7、0005 通常， 涡轮单元的第一导向叶片排直接连接到燃烧室上， 该第一导向叶片排与沿 工作介质的流动方向观察紧接在后面的涡轮叶片排共同形成涡轮单元的第一涡轮机级， 接 着在该涡轮机级的后面通常设置其它涡轮机级。 0006 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的导向叶片支架 上。在这种情况下， 用于固定导向叶片平台的导向叶片支架可以包括绝缘段。在两个相邻 的导向叶片排的导向叶片的、 沿燃气轮机的轴向方向彼此间隔开地设置的平台之间， 在涡 轮单元的导向叶片支架上分别设置一导向环。 这种类型的导向环通过径向间隙与所属涡轮 叶片排的、 固定在涡轮机轴上相同的轴向位置上的涡轮叶片的叶。

8、尖间隔开。因此导向叶片 的平台和本身必要时沿燃气轮机的周向分段地构成的导向环形成涡轮单元的多个壁部件， 该壁部件作为用于工作介质的流动通道的外部界定结构。 0007 在这种类型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烧室排出并且流入到涡轮单元内。因此， 力求并达到约 1200至 1500的温度用于这种类型的燃气轮机。 0008 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。 因此， 特别是燃气轮机的导向叶片支架通常由铸钢制成。这种导向叶片。

9、支架适合于承受住 燃气轮机内部的高温， 并因此可以确保燃气轮机更加安全的运行。 0009 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设置单独的轴向段。 但在任何情况下， 至少在大型燃气轮机的情 况下形成一个或多个非常大的铸件， 该铸件需要相当高的成本和技术上复杂的结构。 此外， 不是整个涡轮导向叶片支架都要承受极高的温度、 该温度要求一种耐高热的铸钢， 而是存 在一种温度曲线， 该温度曲线具有带高温的较小的区域以及带低温的较大的靠后的区域。 0010 因此， 本发明的目的在于， 提供一种导向叶片支架， 该导向叶片支架在保持运行安 全性。

10、的情况下， 允许技术上更加简单的结构以及与在导向叶片支架上存在的温度曲线更加 说 明 书 CN 102216568 A CN 102216579 A2/4 页 4 灵活的匹配。 0011 所述目的根据本发明通过下述方式来实现， 即至少一个轴向段设计为网栅结构。 0012 在此， 本发明基于这种构思， 即特别是可以通过导向叶片支架的各个轴向段的不 同材料来实现 ： 在导向叶片支架的区域中更灵活地匹配于在燃气轮机内部的温度曲线。在 此， 特别是在环形段以及导向叶片的卡接的区域内出现高温， 因为这些部件引起在其固定 的区域内的局部的热导入。 此外， 导向叶片支架最前面的区域承受比较高的压缩机温度。 。

11、在 这些部位上， 从热学角度来说需要价值较高的材料。但这种材料的耐热性并不需要用于涡 轮机支架的大部分区域。这些区域可以由更加适合的且低成本的材料制成。此外， 为了降 低导向叶片支架的重量并可以使燃气轮机的结构更加简单， 轴向段在低温区域内此外无需 实心构成。因此这些轴向段应构成为具有多个管、 棒、 杆、 梁、 型材或类似构件的网栅结构， 也就是说， 构成为相互连接的以网栅管结构的方式设置的支柱。 0013 在有利的设计方案中， 所述各个网栅结构在其内侧和 / 或外侧上具有板罩 (Blechverkleidung)。因此能实现导向叶片支架特别简单的结构。具有被板覆盖的网栅管 结构的设计方案可以。

12、通过更简单的结构来替代导向叶片支架的此前作为铸件设置的部段， 而在此不会危及燃气轮机的运行安全性。同时因此需要更少量的材料。 0014 有利地， 所述各个板罩具有冷却空气孔。次级空气通过这些孔进入， 由此确保了 特别简单的和可靠的对于导向叶片支架的由板制成的内侧面所进行的冷却。此外， 这些孔 与在铸件中所需的冷却空气孔相比能更简单地制成， 由此在相同的截面或流动阻力的情况 下， 还可以通过扩大孔的数量实现在后面的环形段上的更精细的分布。 0015 在另一种有利的设计方案中， 所述各个轴向段和 / 或必要时所述各个板罩的材料 与在运行中规定的局部的热的和机械的负荷相匹配。通过这种匹配确保了， 分。

13、别用于铸件 和 / 或板罩的材料与各个局部的温度状况和力状况精确协调。利用特别高的温度所加载的 区域应由特别高值的和耐热的材料制成， 而在导向叶片支架的较凉的区域内， 则可以使用 比较适合的材料。 0016 有利地， 多个轴向段相互焊接。 通过各个轴向段、 也就是各个网栅结构和作为铸件 制成的轴向段的焊接， 确保了形状稳定的和安全的连接结构。 0017 在另一种有利的设计方案中， 所有轴向段设计为网栅结构。为了实现导向叶片支 架的特别简单的结构形式， 因此整个导向叶片支架可以构成为网栅结构， 其中， 需要时在内 侧上使用按段不同的板罩。由此能实现导向叶片支架进而燃气轮机的更加简单的结构。 00。

14、18 有利地， 燃气轮机包括这种类型的导向叶片支架， 以及燃气和蒸汽轮机设备包括 具有这种类型的导向叶片支架的燃气轮机。 0019 与本发明相关的优点特别是在于， 通过将导向叶片支架的轴向段设计为网栅结 构， 能实现导向叶片支架进而整个燃气轮机的在技术上明显更加简单的、 更轻的和成本更 低的结构形式。 特别是在加载较低温度的区域内， 可以使用更加适合的材料， 而成本昂贵的 高温材料则限制在燃气轮机的前面的热区域上。 此外， 由铸件制成的其余轴向段较小， 由此 能实现导向叶片支架和整个燃气轮机的更加简单的结构形式。 0020 因为网栅结构的导热性与实心的铸件相比差， 所以此外沿轴向方向特别是从在。

15、压 缩机出口上的热区域到后面较凉区域内发生较少的热传导， 由此实现了导向叶片支架的改 善的冷却， 并由此实现了轴向和可能径向的较小的热膨胀。因此这种设计方案对于要进一 说 明 书 CN 102216568 A CN 102216579 A3/4 页 5 步研发的导向叶片支架表现出很大的潜力， 因为可以更灵活地应付热和机械要求。在涡轮 机导向叶片支架的前部区域中， 对于遵守到导向叶片和涡轮叶片的间隙存在极高的要求， 以确保涡轮机效率。利用通过网栅结构的分段， 与此前相比能以好得多的程度来调节热膨 胀特性， 进而缩小必要的最小间隙。 0021 下面借助附图对本发明的实施例进行详细说明。其中示出了 。

16、： 0022 图 1 示出由多个轴向段组成的导向叶片支架的上半部分的半剖面图 ； 以及 0023 图 2 示出燃气轮机的半剖面图。 0024 相同的部件在两个附图中设有相同的附图标记。 0025 图 1 详细示出导向叶片支架 1 的半剖面图。在固定式燃气轮机上， 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。在此， 仅示出上段的剖面。 0026 所示的导向叶片支架 1 包括多个轴向段 24， 该轴向段为了形成固定的结构相互焊 接。为能实现导向叶片支架 1 的更简单且更轻的结构， 该结构此外能灵活地匹配于在燃气 轮机 101 。

17、内部的温度状况， 导向叶片支架 1 的多个轴向段 24 设计成网栅结构 26、 也称为网 格构造。网栅结构 26 在其内侧上分别具有板罩 28。网栅结构的支柱可以利用不同的型材 构成， 例如圆形、 四边形或此外设计成空心体或以实心的构型方式。 0027 其余的轴向段 24 设计成铸件 30。在此， 铸件 30 和板罩 28 的材料在燃气轮机内部 在其各自区域中分别匹配于热状况。替代所示附图， 导向叶片支架 1 的整体结构也可以由 网格段组成。 0028 根据图2的燃气轮机101具有用于燃烧用空气的压缩机102、 燃烧室104以及用于 驱动压缩机102和未示出的发电机或做功机械的涡轮单元106。。

18、 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， 发电机或做功机械也与该涡轮 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。 0029 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，。

19、 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的工作介质 M 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组成 的相互跟随的对也称为涡轮机级。 0030 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流动106的工作介。

20、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。 0031 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 16 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 说 明 书 CN 102216568 A CN 102216579 A4/4 页 6 片 112 的外端间隔开。在此， 设置在相邻导向叶片排之间的导向环 121 特别是作为覆盖件 使用，。

21、 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 的热超负荷。 0032 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。 0033 通过使用上述设计方案的导向叶片支架 1， 确保了材料与燃气轮机 101 内部的温 度状况的最佳协调。靠近压缩机的、 以相应较高的温度加载的部件、 即图 2 中左侧最远的轴 向段 24 与在气体通道中接在后面的区域相比由更耐高温的材料制成。此外通过所述网栅 结构确保了各个铸件 30 彼此之间的良好热绝缘， 由此可以使热变形最小化。 说 明 书 CN 102216568 A CN 102216579 A1/2 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 102216568 A CN 102216579 A2/2 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 102216568 A 。