具有最后一个涡轮级的冷却的燃气轮机的制作方法

本发明涉及一种燃气轮机，该燃气轮机具有包括排气部的定子，该排气部的内护罩与燃气轮机转子的热气侧上的最后一个涡轮级的叶轮的转子叶片的平台分离轴向间隙，该间隙将排气部连接到叶轮的轮侧空间，所述空间在燃气轮机的一个操作状态下具有比燃气轮机外部环境的空气压力更低的压力，并且所述空间具有空气入口，该空气入口经由空气管道连接到燃气轮机的外部环境。

背景技术：

燃气轮机是压力下的气体在其中膨胀的连续流机器。燃气轮机由涡轮或膨胀机、上游压气机以及插入的燃烧室构成。操作原理基于循环过程(焦耳过程)：压气机借助于一个或若干压气机级的叶片压缩空气，然后在燃烧室中混合该空气与气体或液体燃料，点燃并燃烧它。

热气体(燃烧气体与空气的混合物)由此形成，该热气体在随后的涡轮部中膨胀，其中热能被转换成机械能并初始驱动压气机。剩余部分在涡轴发动机中用于驱动发电机、推进器或其他旋转消耗器。膨胀的热气体被引导至排气部中，该排气部为此目的而被耐热护罩包围，该耐热护罩形成用于排气部的热气管道的边界。同时，排气部的内护罩分离耐热护罩与被布置在轴线周围的定子的内部零件。

由于构造限制，燃气涡轮排气部无法从周围环境充分密封。由于转子热气侧上的最后一个涡轮级处的操作期间的热膨胀，轴向间隙存在于转子叶片的平台与排气部的内护罩之间，该间隙将排气部连接到轮侧空间(即，连接到邻近叶轮的空间)。因为排气部在不利操作状态下或硬件配置的情况下可以具有关于周围环境的正压力，所以无法排除热排气到周围环境中或到燃气涡轮机围壳中的泄露。这引起燃气轮机的组件上增大的温度负荷和有害排放气体的排放。后者存在安全风险。

前面提及的不利操作状态是由于越来越大的灵活化而引起的小热气质量流(即，燃气轮机的低功率)变得更重要。此外，作为最后一个涡轮级处的空气动力学变化或锅炉中增大的排气压力损耗的结果而可能发生相对高的排气压力。

在一些燃气涡轮机类型中，为了经由轮侧空间中的空气入口和连接到该空气入口的空气管道从周围环境吸入空气、并将该空气用于冷却目的，使用出现在排气部区域中的负压。具体地，在这里，紧接在燃气轮机的涡轮部、在热气体流动方向上的最后一个转子叶片排之后，在燃气轮机周围环境中的空气的环境压力以下的压力出现在正常操作期间。由此，这里可以制作经由冷却管道从周围环境吸入空气的对应开口，使得该空气可以用于冷却该区域(具体地还用于冷却与后涡轮轴承的轴承空间联通的、位于附近的轮侧空间)。例如在gb1270959或wo2012/141858a1中描述了该原理。

然而，如上所述，出现以下问题：因为机器功率降低，所以排气压力上升，因此负压降低。如果排气压力超过环境压力，则倒流发生在空气管道中，因此大量的排气泄露经由该开口发生。因为由于所提供的空气管道而可能发生非常大的排气泄露量，所以要不惜任何代价避免这一点。当前不存在将防止这里的排气泄露的措施。因为必须可靠避免过多的排气泄漏，所以这大大限制燃气轮机的灵活性(具体在小负荷的范围方面)。

因此，本发明的目的是提供一种最初提及的类型的燃气轮机，该燃气轮机借助于在所有操作状态下可靠避免排气泄露来保证燃气轮机特别灵活的操作。

技术实现要素：

该目的凭借空气入口经由室连接到空气管道的事实，如在本发明中要求保护的那样实现，空气管道具有开口，预定气体质量流通过该开口作用在室上。

这里，本发明基于以下考虑：通过密封件或钩进行的部分负荷操作期间的小排气泄漏量可以被接受或借助于新密封概念来补偿。正压且因此在被设计为经由空气管道吸入环境空气的位置(具体在热气体侧上的最后一个涡轮级中的轮侧空间中)中的逆流不可接受，因为在这种情况下，即使在低正压的情况下，大量排气泄露量将发生。因此，为了还允许低部分负荷下的操作，应产生以下构建方案：该方案确保：即使在比在燃气轮机的周围环境中更高的压力在排气管道中的空气管道的出口处占优势的这种性质的压力情况的相反情况下，也可靠避免排放气体的回流。这可由不再直接连接到讨论中的轮侧空间的空气管道来实现，但存在另外的插入室。这意味着空气管道首先通向该室中。存在从室到轮侧空间的连接。室具有另外开口，预定气体质量流通过该另外开口作用在室上。换言之：室具有至少三个开口(即，到轮侧空间的连接、到通向周围环境的空气管道的连接以及用于所述预定气体质量流的开口)。该气体质量流由无害气体(例如，空气)构成，并且完全注满室。这一点的结果是：在压力相反的情况下，穿过空气管道的返回质量流从气体质量流、而不是从排放气体供给。因此，没有排放气体能够逸散。在正常操作期间，仅向从外部吸入的空气流添加气体质量流。

室在这种情况下有利地直接邻接轮侧空间。轮侧空间到室的连接在由轮侧空间与室之间的分隔壁中的开口构建方面，在这里以特别简单的方式来实现。

充当缓冲室的、空气管道的出口区域中的室有利地以这种方式来设计：室中的压力高于轮侧空间中的压力少于30毫巴(且优选地少于10毫巴)。通常，室中的压力应仅稍高于排气压力，排气压力对应于轮侧空间中的压力(即，室不应由恒定的气体质量流来充满)。这保证室不防止所期望的将外部空气吸入到轮侧空间中。为此，具体地，室与轮侧空间之间的开口应被设计为使得它足够大，以致气体质量流可以在正常操作期间连续流入到轮侧空间中。

在有利的配置中，轮侧空间具有另外开口，注入空气通过该另外开口供给。作为这一点的结果，除了从外部吸入的周围环境空气之外，轮侧空间还由例如来自压气机抽取或外部风机的注入空气来冷却，这进一步改善冷却。

在另外有利的配置中，室中所注入的气体质量流的源被设计为随着轮侧空间中的变化压力而大致恒定的质量流。这保证一直存在用气体质量流进行的室的充分且完全的注入，而不管在排气部内部的护罩的间隙的区域中(且由此还在轮侧空间中)占优势的压力如何(由此，特别是在该区域中相对高压力的情况下)。这一点具体可以由处于足够高的压力水平下的气体质量流的源来实现，使得在操作期间期望的、排气部内部的压力波动对质量流没有影响。因此，可以保证：在空气管道中的逆流的情况下，一直存在到室中的足够质量流，到周围环境中的回流可以从该室供给。

在第一有利的配置中，存在连接在室的开口上游的风机，气体质量流借助该开口引入。借助于具体用于注入室的气体质量流且可以因此被设计并控制的风机，可以以特别简单的方式来调节足够的气体质量流。这里还可想得到的是仅在临界操作状态期间操作风机，在临界操作状态期间，存在逆流风险。

在第二替代或附加的有利配置中，存在连接在室的开口上游的压气机抽取设备，气体质量流借助该开口引入。换言之：气体质量流借助于来自压气机的排出空气来供给。因为在燃气轮机中，来自压气机的空气在任意情况下为了各种目的而在广泛不同的压力水平下使用，所以为了供给室所需的气体质量流，还可以扩展对应的抽取系统。

在有利的配置中，此外可以使燃气轮机的轴的密封空气密封件被分配到室的开口，气体质量流借助该开口引入。这被理解为意指开口且因此室在压缩空气供给侧上与密封空气密封件并联连接，或者借助于这一点来被供给有压缩空气。这允许气体质量流以特别简单的方式作用在室上：排气部在涡轮侧上的部分中包围燃气轮机的轴承。所述轴承被设计为使得它可以为了补偿热膨胀的目的而轴向位移，由此被提供有由密封空气作用的迷宫密封件。借助于该密封空气密封件的区域中的简单孔，可以具有一些巴的压力的、存在于那里的密封空气可以被放掉并用于作用在室上。替代地，密封空气密封件和室可以从同一压缩空气源来供给(并联)。该方案可以以特别少的构建努力来实现。

在燃气轮机的有利配置中，室此外是围绕燃气轮机轴线的环绕设计。因此，在各圆周区域中保证可靠避免热气体回流到空气管道中或沿着圆周分布的若干空气管道中。

发电厂有利地包括这种类型的燃气轮机。

凭借本发明实现的优点具体在于：作为在正常旨在借助于负压吸入周围环境空气的空气管道的出口处引入由固定气体质量流注入的室的结果，可以可靠防止在由于压力增大而引起的逆流的情况下的有害排气的回流。相反，反向质量流完全由被引入到室中的气体质量流来供给。这产生关于组件的完整性和针对燃气轮机围壳中的排气排放的提高安全性的优点。在没有该措施的情况下，将必须完全免除该孔，这将具有关于基础负荷操作期间的燃气轮机散热的显著缺点。

附图说明

在附图的基础上更详细地说明本发明的示例性实施例，附图中：

图1显示了发电厂中的燃气轮机的示意性表示；

图2显示了穿过燃气轮机的最后一个涡轮级和排气部的上半部分的纵截面；以及

图3显示了穿过用于吸入周围环境空气的空气管道的入口处的缓冲室的纵截面。

相同的零件在所有附图中被提供有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示意性显示了发电厂2中的燃气轮机1。燃气轮机1在内部具有以可旋转方式围绕轴4(轴向)安装的转子，该转子还被称为涡轮转子，并且被燃气轮机1的静止部分(定子)包围。在流过燃气轮机1的介质的流动方向上，压气机6首先跟随着轴4。空气从压气机6的出口引导到燃烧室8中，燃烧室8被供给有燃料b。涡轮10和排气部12跟在燃烧室8后面。在压气机侧上，发电机14被布置在燃气轮机1的轴4上。

图2在纵截面上详细地显示了燃气轮机1的涡轮10的流侧上的最后一部分以及排气部12的邻近部分。部分截面仅显示了如从现有技术已知的燃气轮机1的上半部。

在横截面上为环状的热气管道16供给有来自在涡轮10上游的燃烧室8的热气体。涡轮10包括一个接一个连接的若干涡轮级，图2中仅图示了热气侧上的最后一个涡轮级(即，热气体在紧接流入排气部12之前最后穿过的涡轮级)。各涡轮级由两个叶片环形成。如在热气体的流动方向上观察的，由转子叶片20形成的转子叶片排跟随在由热气管道16中的导向叶片18形成的导向叶片排。导向叶片18和转子叶片20具有类似于飞机翼的、稍微弯曲的轮廓。

导向叶片18在这里被紧固到定子。除了实际叶片翼面之外，各导向叶片18具有导向叶片根(该导向叶片根还被称为平台22)和与平台22相对定位的导向叶片头24。导向叶片头24面向轴4并被固定到内环26。各内环26在这里环绕转子的轴4。

同样，各转子叶片20具有这种类型的转子叶片根，该转子叶片根被称为平台28，但各转子叶片在转子叶片尖端30中结束。与热气管道16中的转子叶片尖端30相对的，布置有环状内衬32。内衬32连同平台22、28以及导向叶片头24一起因此形成热气管道16的边界。

转子叶片排的转子叶片20分别借助于一个涡轮盘34附接到轴4。转子叶片20和涡轮盘34由此形成叶轮35。转子叶片20由此形成燃气轮机1的旋转部的(即，转子的)组件。具有包括导向叶片和转子叶片18、20的叶片排的相似结构可以同样地在压气机6中找到。

此外，图2显示了在燃气轮机1的轴4的轴承的涡轮侧上的密封。轴4与定子之间的圆柱形罩式的边界表面在这种情况下被设计为密封空气密封件36。密封空气密封件36包括跨整个边界表面延伸的密封迷宫38、以及被定位在图2的细节外部的密封空气引入设备。密封空气引入设备被供给有来自压气机抽取设备的具有高压的空气。这种压气机抽取设备可以被提供在压气机6中的各种位置处，使得可以抽取各种压力水平的空气并使得该空气可用于燃气轮机1中，例如，用于密封空气密封件，而且还用作用于例如涡轮10的组件的薄膜冷却的冷却空气。

轴承的密封借助于密封空气密封件36来实现，例如为了补偿转子组件的热膨胀的目的而进行的轴4的轴向位移同时依然是可能的。

在燃气轮机1的操作期间，空气由压气机6通过未更详细显示的吸入壳吸入并压缩。被使得在压气机6的、在涡轮侧上的端部处可得到的压缩空气被引入到燃烧室8中并在那里与燃料b混合。然后在燃烧室8中燃烧混合物，以形成热气体。从该燃烧室，热气体沿着热气管道16流动，并且穿过导向叶片18和转子叶片20。

流体流的内部能量的一部分由于叶片18、20周围的层流(尽量为无涡流流动)而被提取，并转移到涡轮10的转子叶片20。然后经由这些转子叶片将转子设置成旋转，借此，初始驱动压气机6。有用功率被递送到发电机14。

图2进一步显示了在最后一个转子叶片排之后，热气管道16并入排气部12中。因此，排气部12同样具有对应于热气管道16的环状横截面，然而，该横截面沿着轴扩大。排气部12在这里包括包围轴4的圆柱形内护罩42、以及被紧固到燃气轮机1的壳46的圆锥形外护罩44。外护罩44与和最后一个转子叶片排相对的内衬32无缝邻近，而内护罩42以和燃气轮机1的轴向相等的径向距离，与最后一个转子叶片排的平台28邻近。然而，内护罩42在这里在轴向上与最后一个转子叶片排的平台28分离轴向间隙48，该轴向间隙48形成环状开口。

最后一个涡轮级的叶轮35的所谓轮侧空间49借助于间隙48连接到排气部12的热气管道16。这里，负压(即，比燃气轮机1外部区域中的周围环境空气的压力更低的压力)通常在燃气轮机1的正常操作期间占优势。为了从外部吸入周围环境空气且从而冷却轮侧空间49，使用这一点。

为了该目的，空气管道50形成在排气部12的内护罩42的、与热气管道16有关的后区域中。所述空气管道包括被形成在内护罩42与密封空气密封件36的定子侧部分之间的中空空间。分离该中空空间与最后一个转子叶片排的轮侧空间49的盘状分隔壁52被沿着燃气轮机1的整个圆周延伸的多个轴向孔54穿透。在入口侧(未图示)上，空气管道50连接到燃气轮机1的周围环境。在出口侧上，空气管道通过孔54通向轮侧空间49中。轮侧空间49可以另外通过另外的开口51被供给有注入空气，该注入空气从压气机抽取或风机而可获得。

在燃气轮机1的正常操作期间，最后一个转子叶片排之后的排放气体的负压保证空气通过空气管道50从周围环境吸入。然而，在特定操作模式下(具体在低部分负荷时)，可能发生在这里关于周围环境的正压占优势。该正压也由于经由间隙48的连接而在轮侧空间49中占优势。因此，在图2所示的燃气轮机1中，逆流可能因此发生在空气管道50中，使得有害排气通过空气管道50进入周围环境。

这借助于对空气管道50与轮侧空间49之间的连接的修改(由圆iii来指示)来防止。图3中显示、放大了该修改。

图3首先显示了在所提及区域中的从图2已知的组件(诸如轴4、密封空气密封件36面向最后一个转子叶片排的部分、内护罩42以及具有轴向孔54的分隔壁52)。然而，平行于分隔壁52，在分隔壁面向最后一个转子叶片排的侧上，布置另外的分隔壁56。这具有延伸到第一分隔壁52的圆柱形罩式间隔件58。第二分隔壁56借助于配合穿过间隔件58的螺丝60来紧固到第一分隔壁52。

由此，分隔壁52、56、内护罩42以及密封空气密封件36的定子侧部分形成室62，该室被布置在通向空气管道50的孔54与轮侧空间49之间，并且围绕燃气轮机1的整个轴线周向地延伸。分隔壁56具有比分隔壁52的外半径稍小的外半径，使得径向间隙63被形成在分隔壁56与内护罩42之间，并且现在将室62连接到轮侧空间49。从外部空间吸入的空气现在首先通过分隔壁52中的孔54进入室62，并且通过间隙63从室62进入轮侧空间49(并且随后还通过间隙48进入热气管道16)。

室62另外具有开口64，这些开口64沿着燃气轮机1的周向分布，延伸作为穿过密封空气密封件36的定子侧部分的、径向上的孔。从而，室62连接到中间空间，中间空间由密封迷宫38的密封空气来作用。因为空气在这里以相对高的压力(即，在一些巴的范围内)存在，所以密封空气到室62中的连续质量流由此以取决于开口64的尺寸和数量的方式而发生。由于与期望的排气压力相比在密封空气密封件36中相对高的压力，所以该质量流在很大程度上独立于排气部12的热气管道16中的压力情况。在替代实施例中，可以为以下这种情况：开口64不通向密封空气密封件36中，而是连接到同样给密封空气密封件36供给压缩空气的另一个压缩空气源。这产生压缩空气到室62和到密封空气密封件36的平行供给。

对于这一点的另外前提是室62未充满。这具体通过将分隔壁56与内护罩42之间的间隙63制成充分大的尺寸来实现，使得通过开口64供给的空气质量流可以总是直接逸散到轮侧空间49中，并且室62保持处于比排放气体仅稍高的压力水平(即，仅高于排气压力一些毫巴)。决定性因素在于，室62用冷却空气完全注入。

在未显示的替代实施例中，进入到室62中的空气质量流还可以源于其他源。例如，可以提供单独的风机或可以提供单独的压气机抽取设备，从风机或压气机抽取设备可以获得空气质量流。

由于空气管道50与轮侧空间49之间的室62的形成，不阻碍满负荷或高部分负荷操作期间空气从外部空间的预期吸入。因为室62的压力水平仅稍高于排气压力，所以外部空气在排气负压的情况下的吸入仍然发生。被吸入的外部空气与来自室62中的密封空气密封件36的空气质量流混合，并且通过间隙63进入轮侧空间49，并且通过轴向间隙48从轮侧空间49进入排气部12的热气管道16。

在低部分负荷操作期间或在压力情况相反(即，排气压力高于周围环境压力)的其他操作状态下，穿过空气管道50的流将变得相反。然而，因为室62现在被布置在空气管道50在热气管道侧上的出口处、且借助于来自开口64的连续质量流而注入空气，所以回流现在唯一地从通过开口64供给的空气质量流来供给。

因此，防止有害排气通过空气管道50排放到周围环境中。