具有细分成环带扇区的环形通道的燃气轮机的制作方法

本发明涉及一种燃气轮机，其具有至少一个内壳体部件和至少一个外壳体部件，在之间至少部分地布置有环形通道，环形通道包围燃气涡轮转子和在燃气轮机的操作期间盛行的工作流体的有用流动，其中环形通道被设计成引导冷却流体、尤其是压气机空气。

背景技术：

这样的燃气轮机典型被设计为固定式燃气轮机，但也设计为具有金属壳体部件的航空发动机，其具有大的热容量并因此也具有高的热存储能力。在壳体部件中，典型地设置了排放开口，其被设计成将来自环形通道的冷却流体引导至燃气轮机的进一步的流体地连接的区段，用于附加的冷却和密封目的。此外，冷却流体自然也用于热调节(即用于冷却)定界环形通道的组成部件。

取决于燃气轮机的操作条件，有必要仅给环形通道给送比较少量的冷却流体。这从而导致能够在环形通道中形成自由对流单元，该对流单元由于温度差异而形成在环形通道内侧。自由对流单元进而对环形通道中的总体流量具有显著影响，使得有时在环形通道中的冷却流体分布形成不期望的非对称性。因此，越来越多地在环形通道内侧形成比其他区域热的局部区域。作为温度分布方面的温度不均匀的结果，燃气轮机的几何形状可能由于独立的局部区域的不同材料膨胀而扭曲。

由于该扭曲，后果会是燃气轮机的轴向对称性的损失，作为其结果，燃气轮机的转动与固定组成部件之间沿燃气轮机的纵向方向在横截面内侧圆周上的间隙距离是不同的。所以，已知例如由于在起动过程期间燃气轮机内侧的不均匀的温度分布，可能会发生整个壳体的椭圆化或翘曲。

此外，冷却流体在环形通道中的对流分布提供了在环形通道的圆周上的不同的冷却流体温度。然而，作为结果，在燃气轮机那些区段上接出现可变的冷却流体温度，这些区段需要由冷却流体在其上执行附加冷却功能，像从环形通道给送的涡轮叶片冷却的情况中一样。作为后果，可能要求这些区段必须设计为增加冷却流体消耗，这在技术上有必要避免。

相应地，燃气轮机中的组成部件总是要针对最不利的几何情况来设计，作为其结果，增加了效率损失或成本增加。

这样的问题在大多数燃气轮机的情况中典型地被忽略，并且容许效率损失或成本增加。尤其容许的是如下事实，内壳体部件与转动组成部件之间的间隙距离(特别是当燃气轮机不会经受扭曲或翘曲时)大于它们可能的间隙距离。

用于避免这些问题的一些尝试已经从现有技术(例如从EP1505261A1)已知，其给予了将环形通道在圆周方向上细分成彼此流体地分离的多个区的教导。

该流体细分使得能够至少部分防止或者甚至完全防止在整个环形通道上的自由对流单元的形成。相当的技术方案例如从GB2,017,826 A、US 5,219,268 A或US 4,631,913 A已知。然而，环形通道流体细分成多个区的的缺点在于，必须从外侧给独立的环带扇区昂贵地给送冷却流体，并且所有扇区在各情况中都要求给送线路。此外，独立的扇区的流体分离已证明是在如下方面是有问题的，独立的扇区可能要求不同的冷却容量。作为后果，每时间单位不同量的冷却流体要给送至扇区，作为其结果，开环和闭环控制上的开销也显著地增加。

技术实现要素：

在这些情形下，出现了对于避免来自现有技术的这些缺点的技术要求。因此本发明的目的是以精确的方式做到这一点。尤其要提出的是一种燃气轮机，其可以使得能够以简单且成本效益的方式实现内壳体部件的并且特别是环形通道的更均匀的冷却。另外，要避免弥漫环形通道的大区域的自由对流单元的形成，但同时要实现冷却流体在环形通道中的有利分布。

本发明所基于的这些目的借助于根据权利要求1的燃气涡轮来实现。

本发明所基于的目的尤其借助于如下一种燃气轮机来实现，其具有至少一个内壳体部件和至少一个外壳体部件，在内壳体部件和外壳体部件之间至少部分地布置有环形通道，环形通道圆周地包围燃气涡轮转子和在燃气轮机的操作期间盛行的工作流体的有用流动，其中环形通道被设计成在圆周方向上引导冷却流体、尤其是压气机空气，并且其中环形通道借助于分隔部在圆周方向上被细分成环带扇区，其中在环形通道中至少部分地设置管道，管道将独立的环带扇区流体地互连，并且其中管道被设计为流体地连接至用于冷却流体给送的至少一个冷却流体给送线路并具有至少一个出口开口、优选多个出口开口的分配管道，至少一个出口开口被设计用于冷却流体从管道到环带扇区内的传递。

环形通道的该细分要在流体细分的意义上来理解，流体细分可防止独立的环带扇区之间的自由的、也就是说不受阻碍的流体交换。

燃气轮机的外壳体部件典型地将其朝向环境定界并防止工作流体在所述燃气轮机的操作期间从燃气轮机到该环境的逸出。内壳体部件另一方面朝向作为用于热能量变成机械转动能量的转换的工作流体使用的热气体流动定界燃气轮机。内壳体部件在该情况中至少部分地将热气体流动并且还有燃气涡轮转子围住。

环形通道典型地被设计为辅助流体增压室，辅助流体或冷却流体可以被存储在其中并且尤其被沿圆周方向引导。冷却流体优选是压气机空气，但也可以是被相应地压缩的另一流体。这样的流体例如是空气-水混合物抑或空气-蒸汽混合物。

根据本发明，提供的是，布置在内壳体部件与外壳体部件之间的环形通道被流体地细分，使得形成独立的环带扇区。

该流体细分使得能够抑制或甚至防止在整个环形通道上形成自由对流单元。作为其结果，也可以降低自由对流单元对冷却流体流动的影响(否则将在环形通道中盛行)。换言之，环形通道中的自由对流单元对环形通道中盛行的流体流动的影响比没有细分的情况时小。

此外，可以在独立的环带扇区中形成局部自由对流单元，其可以确保冷却流体的快速混合通过。还有，冷却流体并因此冷却流体的冷却容量可以在独立的环带扇区的区域中更快地沉积，使得后果是借助于冷却流体的更高效的冷却。作为环带扇区的结果，由自由对流单元限定的热分层的自然动力学因此被局部限制，这导致在环形通道的圆周上的改善且更均匀的温度分布。因此可以至少在环形通道的区域中明显地降低由圆周方向上的不均匀的温度分布所引起的椭圆化或翘曲。

根据本发明的进一步的方面，提供的是，在环形通道中至少部分地设置管道，管道将独立的环带扇区流体地互连。该流体连接可以有益于独立的环带扇区之间的流体交换。以该方式，冷却流体并因此是热例如也可以以定向的方式在独立的环带扇区之间交换。这在当燃气轮机的操作期间单独的环带扇区需求比其他的环带扇区高的冷却容量时尤其已证明是有利的。在这样的情况中，一些冷却流体可以从其他环带扇区中传递到受影响的环带扇区内。同时，也可以是冷却流体由于在较热的环带扇区中盛行的较高压力而以在独立的环带扇区中的相等的冷却流体量从较热的环带扇区中流出来，到相邻的环带扇区内。

根据本发明，此外提供的是，管道被设计为流体地连接至用于给送冷却流体的至少一个冷却流体给送线路并具有至少一个出口开口、优选多个出口开口的分配管道，至少一个出口开口被设计用于将冷却流体从管道传递到环带扇区内。管道尤其围绕环形通道的整个圆周延伸并且将冷却流体分配到所有环带扇区内。管道因此使得能够实现用冷却流体进行的环带扇区的均匀分配和给送，并且在这方面进而有助于在环形通道中的独立的环带扇区上的温度分布的均匀化。

环带扇区的给送因此经由集成的管道来执行，使得独立的环带扇区至来自外侧的给送线路系统的昂贵连接可以省却。此外，冷却流体可以以定向的方式经由管道被引入独立的环带扇区内。出于相同原因，通过从管道(具体地在某些区域中)越来越多地流出的冷却流体(很可能通过在所讨论的环带扇区中每长度设置的更多的出口开口)也可以给独立的环带扇区越来越多地供给冷却流体。

设计为在环形通道中的分配管道的管道被流体地连接至用于给送冷却流体的至少一个冷却流体给送线路并具有多个出口开口，多个出口开口被设计用于冷却流体从管道通过流出而传递到环形通道内。

冷却流体是优选压气机空气，但也可以是例如将被压缩的外部源的流体。这样的流体例如是空气-水混合物或者空气-蒸汽混合物。

本发明的基本构思在于管道的到借助于环带扇区被细分的环形通道内的集成，该管道流体地连接至用于给送冷却流体的至少一个冷却流体给送线路并且所以可以被给送冷却流体。代替用冷却流体进行的环形通道的扇区的直接给送，因此首先给集成到环形通道内的管道给送冷却流体，其中借助于在管道中或上的多个出口开口来实现冷却流体从管道到环形通道的扇区内的传递。

因此，虽说用冷却流体进行的环形通道的给送有时形成对于形成局部均匀的冷却流体分布来说不利的流动，但通过设置形成为分配管道的管道，冷却流体可以被以很大程度上受控且定向的方式导向到环形通道的环带扇区内，并优选地至具有增加的冷却空气要求的那些壳体部件。出于相同原因，利用管道中的出口开口的均匀分配，可以实现用冷却流体进行的环形通道的很大程度上均匀的给送，而不必担心例如对流扰动。以该方式，可以实现环形通道的相关壳体部件的很大程度上均匀的给送，使得可以基本上避免燃气轮机的独立的壳体部件的翘曲或不均匀的热膨胀。这进而具有如下有利后果，燃气轮机中的所描述的间隙距离比较均匀地形成，并且可以进行在壳体部件的整个圆周形状上的间隙优化。此外，作为结果燃气轮机的特别高效的操作成为可能。

本发明允许冷却流体在冷却流体与燃气轮机的环形通道的金属组成部件直接热接触之前首先沿圆周分布在整个环形通道上。由于从壳体部件到冷却流体的热量的更均匀的传递，诸如整个壳体的椭圆化或翘曲等的现象可以被避免。

在这点上要注意的是，设计为分配管道的管道要在如下的意义上来理解，其允许形成定向的和围住的流动的流动导向。为此，管道具有用作流动边界的管道壁。作为结果，也可以限定确定冷却流体的流动的管道横截面。在该情况中，管道横截面的几何形状不必是圆形设计，然而只是在优选实施例中是这样。管道横截面也可以例如是矩形的或椭圆形的，或者局部不同，使得管道可以例如适于环形通道的局部要求。出于相同原因，可想到的是管道被设计为波纹管。管道典型地包括热固性金属合金。

根据本发明的优选实施例，提供的是，管道主要在环形通道的整个圆周上延伸并且出口开口优选在圆周方向上等距地间隔开。出口开口典型地彼此相距几厘米的距离。类似地，设置了在管道的或环形通道的圆周上分布的独立的成组出口开口。归因于出口开口的该分布，可以实现用冷却空气进行的环形通道的比较均匀的给送，其中在没有设置管道的情况下将经受更强烈的热性加热的那些壳体部件可以也可以优选地被冷却。

根据本发明的进一步的优选实施例，提供的是，管道的流动横截面是可变的设计，其中特别地，管道的靠近冷却流体给送线路布置的区域的流动横截面大于比较远离所述冷却流体给送线路布置的那些区域。从而，管道中的冷却流体的流动速度可以可变地适配使得冷却流体的驻留时间和流动速率或者局部静态压力可以相应地适配。作为结果，可以实现如下效果：例如，在管道的比较远离冷却流体给送线路布置的区域中仍然有充分量的冷却流体，而不管经由出口开口的冷却流体的连续损失。

根据按照本发明的燃气轮机的进一步的优选实施例，提供的是，管道设置有尤其是在圆周方向上等距地间隔开的多个冷却流体给送线路。根据该实施例，因此可以实现用冷却流体进行的管道的给送的进一步的均匀化。此外，所要求的管道直径可以减小。

根据本发明的进一步的优选实施例，提供的是，出口开口被设计为在其横截面上的直径上尤其具有不大于30mm的测得尺寸的孔。优选地，横截面具有也不小于0.5mm的测得尺寸。出口开口的作为孔的设计使得能够实现包括出口开口的管道的特别简单的制造。如果孔的测得尺寸在关于其横截面的直径上不大于30mm，则也可以实现朝向环形通道的壳体组成部件的定向冷却动气流动，作为其结果，可以实现借助于冲击冷却的附加冷却效果。

根据本发明的进一步的方面，提供的是，管道具有直径不大于40cm、尤其不大于25cm的垂直于圆周方向的横截面。优选地，直径也不小于1cm。管道横截面限定了如下管道体积：其适合于冷却空气要在不同压力下被接收并流动至出口开口，以便接着允许冷却流体从出口开口流出来到环形通道内。管道的横截面是充分小的尺寸，使得即使在低压力情况下，由于管道中的压力差异也形成定向流动。

根据本发明的进一步特别优选的实施例，提供的是，管道具有垂直于圆周方向的不大于8mm的壁。优选地，壁不小于0.5mm。如果管道具体由金属材料制成，则如通常的情况那样，管道自身仅具有低的热容量，并且基本上不会导致从出口开口排放的冷却流体的温度分布的扭曲。

根据本发明的进一步优选实施例，提供的是，管道被设计为双壁管道。在这方面，管道的内体积可以与管道的外区域热解耦，作为其结果进而可以执行从管道排放的工作流体的关于其温度的更大均匀化。

此外，管道还设置有隔热层是可能的。隔热层可以在内部和外部两者上施加。该隔热层进而还用于在管道上的温度分布的均匀化，以便因此很大程度上避免经过管道自身的冷却流体的不同的加热速率。

根据本发明的特别优选的实施例，提供的是，分隔部将至少独立的相邻环带扇区、尤其是所有的相邻环带扇区以流体密封的方式彼此分离。因此可以很大程度上防止作为可能散布在超过一个环带扇区中的自由对流单元的结果的温度传递。在这方面，再次可以更好地定位独立的环形通道中的温度分层或温度分布。取决于环带扇区的设计、即环带扇区的大小和几何形状的设计，因此可以以特别有利的方式影响圆周方向上的跟着发生的温度分布。

可选地，或者甚至在该构思的延续上，提供的是，环带扇区中的至少一些、尤其是所有的环带扇区中设置有单独的冷却流体给送线路。尤其是，如果独立的环带扇区以流体密封的方式彼此分离，则每环带扇区的这样的独立冷却流体给送线路是非常有利的或者甚至是必要的，以便给环带扇区供给充分的冷却流体。作为独立冷却流体给送线路的结果，甚至可以独立于其他环带扇区给各环带扇区供给冷却流体，其中当环带扇区布置在燃气轮机的操作期间需求特定量的冷却容量的区域中时，尤其可以给这些环带扇区供给特定量的冷却流体。

根据本发明的进一步的非常有利的实施例，提供的是，至少独立的分隔部、尤其是所有分隔部在各情况中具有有着横截面Q的通道。横截面的尺寸在该情况中是可以例如计算为平均直径的平均尺寸。然而，该尺寸也可以尤其与横截面平面中的最大尺寸、例如最大直径有关。通过分隔部中的通道的设置，冷却流体可以在环带扇区之间部分地交换。取决于独立通道的横截面的大小，因此可以实现独立的环带扇区之间的冷却流体的特定传递。在该情况中，环带扇区的独立的分隔部不要求在各情况中具有相等横截面大小的通道。而是，独立的分隔部可以具有不同大小的通道，使得取决于环带扇区在环形通道中的定位，可以与相邻的环带扇区交换较大或较小的流体交换量。

根据本发明的特别优选的实施例，提供的是，至少一部分的独立的分隔部、优选所有的分隔部被设计为分离板。分离板典型地也称作分隔板。因为在环形通道内侧典型不盛行大的压力差，或者在独立的环带扇区之间也不会建立这样的压力差异，所以分隔部可以是比较薄的薄壁设计。这进而允许在简单且廉价的组成部件的帮助下的环形通道变成环带扇区的细分。

根据本发明的进一步的实施例，提供的是，环带扇区在环形通道的圆周方向上具有基本上相等的长度尺寸。根据该实施例，相对而言相当地执行独立环带扇区中的冷却流体分布。此外，正常情况下不必关于其冷却流体给送线路专门地适配独立的环带扇区。在相对高的流体流动的情况中，也可以因此实现在环形通道上的冷却流体分布的快速均匀化。

根据本发明的进一步的优选实施例，提供的是，在环形通道的圆周方向上设置偶数个环带扇区。特别是有两个、四个、六个或八个环带扇区。该细分允许环形通道细分成可以彼此对称地布置的环带扇区。这进而允许四个或八个环带扇区内侧的温度分布的改善的均匀化。

根据本发明的进一步的实施例，提供的是，在环形通道的上极端的区域中设置至少一个分隔部和/或在环形通道的下极端的区域中设置至少一个分隔部。在燃气轮机安装的状态下，上极端在该情况中是指环形通道的局部最高点，其中下极端是指最低点。由于根据实施例的细分，自由对流单元到相应的另一对称区域内的扩散被防止。由于分隔部的对称布置，可以以很大程度上均匀的方式给环带扇区给送冷却流体，其中对流单元或冷却流体流动的形成也可以很大程度上相当，假设所提及的分隔部是唯一的那些。

根据类似的优选实施例，提供的是，设置至少两个分隔部，其在环形通道的圆周方向上彼此相对地布置，并且尤其是相对于环形通道的上极端以85°至95°(也就是说近似以π/2)的量以转动的方式布置。上和下极端的限定要依照前述实施例来理解。

根据本发明的进一步的实施例，提供的是，分隔部被设计为保持板，管道借助于该保持板被紧固在环形通道中。

作为结果，分隔部除了其流体功能之外还具有机械功能。此外，这样的板要制造廉价并且非常轻。

下面将参照独立的附图来描述本发明的实施例。在该情况中，要参考如下事实：应纯粹示意性地理解附图，并且未提供由于该表示的可行性的限制。

还要参考具有相同命名的所有技术特征具有相同技术效果的事实。

此外，可以参考如下事实：当前要求保护随后示出的技术特征的所有任选的组合，只要这些组合能够实现根据本发明的目的。

附图说明

在该情况中，在附图中：

图1示出从侧面观察的在纵向方向上穿过根据现有技术的燃气轮机的截面图；

图2示出在纵向方向上沿着如从现有技术已知的燃气轮机穿过的环形通道的横截面图；

图3示出从侧面观察的在纵向方向上穿过如从现有技术已知的燃气轮机的实施例的截面图；

图4示出在纵向方向上沿着如从现有技术已知的燃气轮机穿过的环形通道的横截面图；

图5示出在纵向方向上沿着根据本发明的实施例的燃气轮机穿过的环形通道的横截面图；

图6示出从侧面观察的在纵向方向上穿过燃气轮机的实施例的截面图，其中没有管道并且本情况未要求保护。

具体实施方式

图1示出从侧面观察的在纵向方向上穿过如从现有技术已知的燃气轮机的实施例的截面图。这里，燃气轮机具有压气机11，其在操作期间吸入并压缩工作流体5，在本情况中也就是空气。压缩的工作流体5大部分而言被给送至燃烧室12，用于燃烧，然而其中，小比例的压缩工作流体5(用作冷却流体8)被给送至未另外提供附图标记的增压室，该冷却流体8从增压室出来经由辅助流体线路14被给送至环形通道4。环形通道4借助于外壳体部件3而朝向环境定界，并且在内侧借助于内壳体部件2而朝向燃气涡轮转子6定界。在燃气轮机的纵向方向上，还设置了形成流体地定界的环形通道4的附加组成部件。

在燃气轮机的操作期间，工作流体随后被引入环形通道4内，并且取决于操作状态，可以在环形通道中形成较大或较小的流动。冷却流体被从环形通道提取，例如用于进一步的冷却或密封的目的。然而，取决于燃气轮机1的操作状态，定界环形通道4的组成部件或多或少被加热。类似地，借助于被供给从环形通道4排放的冷却流体8和被从环形通道4排放的冷却流体8冷却的那些组成部件可以或多或少被加热。在两个情况中，要担忧不均匀的冷却效果以及燃气轮机的翘曲或椭圆化，作为其结果，如已经进一步解释的，丧失了效率。

由于不均匀的加热以及有时由于被引入环形通道4内的不充分的大量的冷却流体8，在环形通道4中的冷却流体8中可能形成相对大的自由对流单元，如图2所示。这些对流单元在本情况中用虚线示出。在该情况中，自由对流单元从环形通道4的下极端点US到达直到上极端点OS，并因此损害环形通道4中的冷却流体8的整体的流体流动。此外，作为形成自由对流单元的后果，在环形通道内侧、特别是仅当环形通道4中存在少量的冷却流体8时会发生不利的温度分布。由于自由对流单元的结果而招致的对流动影响，有时不是给所有的区域都充分地供给具有相当的热调节能力的冷却流体4。出于相同原因，冷却流体8可以在预定点(本情况中未示出)处被从环形通道中提取出，该冷却流体的温度在圆周角上变化。所有这些都需要避免。

这可以例如借助于图3中示出的实施例来实现。在该情况中，图3示出在燃气轮机1的纵向方向上穿过在各情况中借助于分隔部7细分的总共三个环形通道4的详细截面图。分隔部7限定了未另外用附图标记示出的环带扇区10(一个在各情况中从纸面出来，并且一个在各情况中处于纸面后边，—还参见图4)，并因此使得能够在环形通道4中实现中断大的自由对流单元的形成或防止自由对流单元的形成。该情况中的环带扇区10尤其是借助于外壳体部件3而朝向环境定界并且借助于内壳体部件2而朝向膨胀涡轮13的转动组成部件定界。因为内壳体部件2由于在膨胀涡轮13中膨胀的热气体流动而更快地升温，所以这些组成部件也要以增大的量与冷却流体作用。

图4在横截面图中示出沿着燃气轮机的纵向方向穿过从现有技术已知的燃气轮机1的环形通道4的进一步的示例，该环形通道4借助于分隔部7在各情况中被均匀地细分成独立的环带扇区10。独立的环带扇区10在这里可以看出在各情况中具有单独的冷却流体给送线路9，经由冷却流体给送线路9可以给独立的环带扇区供给冷却流体8。

还是在当前描述的实施例中，在冷却流体8中形成独立的自由对流单元，然而其保持限制于独立的环带扇区10。作为结果，一方面可以实现环带扇区10的体积的快速混合通过，此外因为在环带扇区10中流动处于较小规模，所以可以实现到内壳体部件2的快速热传递。由于分隔部7，环形通道4因此可以被细分，只要可以以比较均匀的方式很大程度上给所有区域供给冷却流体。这要求尤其是内壳体部件2的均匀的温度分布，作为其结果可以很大程度上避免燃气轮机1的扭曲或椭圆化。在该情况中，可能有必要在各情况中经由冷却流体给送线路9给独立的环带扇区10供给不同量的冷却流体8。类似地，可以再次从相应的环带扇区10中提取不同的量(本情况中未示出)。

图5示出了本发明的实施例，其在以下方面与图4中示出的不同：为了使引入独立的环带扇区10内的冷却流体均匀化，给设计为分配管道的管道20设置了独立的环带扇区10，管道穿过所有环带扇区延伸并且在各情况中经由出口开口21将冷却流体从管道的内部传递到独立的环带扇区10内。经由冷却流体给送线路9给设计为分配管道的管道20自身给送冷却流体8。由于管道20比较小的流动横截面，所以可以在管道20中形成比在环形通道4中更好取向的流动。从而，管道20中的冷却流体8有时被更好且更快地分布。此外，管道20中的压力与独立的环带扇区10中的压力相比可以增大，作为其结果，进入独立的环带扇区内的冷却流体8的传递在第一实例中通过压力下降来确定，并且不会出现独立的环带扇区10中可能出现的自由对流现象。

根据进一步的实施例，不设置管道20，如图6所示可想到的是在各情况中为环形通道4的独立的分隔部7设置穿透部15。穿透部15可以被设计为例如孔，并且在由分隔部7的平面延伸限定的横截面平面QE中具有横截面直径Q。经由独立的穿透部15，环带通道10可以在各情况中彼此流体接触，使得可当需要时可以启用冷却流体交换。取决于穿透部15的大小的尺寸形成，较大或较小量的冷却流体可以在相邻的环带扇区10之间交换，并因此可以有助于相应的环形通道4中的温度分布的均匀化。

进一步的实施例由从属权利要求形成。