专利名称：燃气轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃气轮机，它具有若干分别组装成工作叶片组的设置在涡轮轴上的工作叶片和若干分别组装成导向叶片组的并与一涡轮壳体连接的导向叶片。
背景技术：
在很多领域中，燃气轮机用于驱动发电机或工作机械。在此，利用燃料所含能量来产生涡轮轴的旋转。为此，燃料在一个燃烧室中燃烧，由一台压气机压缩后的空气也输入其中。在燃烧室中通过燃料燃烧而形成的高温高压工作介质通过一个接在燃烧室后面的涡轮单元，在那里膨胀做功。
为了产生涡轮轴的旋转运动，在涡轮轴上设置一些通常组装成叶片组或叶片串列的工作叶片，其通过来自工作介质的动量转移来驱动涡轮轴。为了在涡轮单元中引导工作介质，在相邻的工作叶片组之间通常设置与涡轮壳体相联结的导向叶片组。
在这样设计的燃气轮机中，为了追求可达到的功率，通常将特别高的效率作为设计目标。出于热动力方面的原因，原则上提高从燃烧室中排入涡轮单元的工作介质的排出温度通常可以使效率明显地提高。这种燃气轮机力求达到的温度大约为1200℃至1300℃。
然而，在这样高温的工作介质下，暴露于工作介质的部件和构件受到很高的热负荷。为了仍然能够在较大的可靠性的前提下保证这些部件具有较长的寿命，通常要对这些部件，特别是涡轮单元的导向叶片和/或工作叶片进行冷却，涡轮叶片因此通常设计成可冷却的，且特别应该保证沿工作介质的流动方向看过去的第一叶片串列得到有效和可靠的冷却。为了冷却，各涡轮叶片通常具有一个在叶片板或者叶片翼板中一体形成的冷却通道，其可将冷却介质有针对性地引导到涡轮机叶片的热负荷区域。
通常采用冷空气作为冷却介质。在一种开式冷却中，在各涡轮叶片中，通常通过一个与该叶片一体的冷却通道送入冷却介质。从该冷却通道流出后，冷却空气在各分支通道中流过涡轮叶片的各预定区域。这些通道的出口都是敞开的，这样，冷却空气在流过涡轮机叶片后从这些通道中流出，与进入涡轮单元中的工作介质混合。
通过这种方式，很简单地就设置了可靠的用于涡轮叶片的冷却系统，特别是承受热负荷的区域适合于用冷却介质进行冷却。然而，另一方面，在将冷却介质引入已经进入涡轮单元的工作介质中时应该注意，其压力和温度等特性参数应该与工作介质的相应参数一致或相容。特别是，在冷却涡轮机叶片时冷却空气的允许的加热是有限的，因此，在工作介质的排出温度较高时需要特别大量的冷却空气。这使得燃气轮机的效率又受到限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种燃气轮机，要求它在以简单的方式可靠地冷却涡轮叶片的同时可以达到特别高的效率。
按照本发明，这一技术问题是通过这样一种燃气轮机来解决的，它具有若干组装成各工作叶片组的装在涡轮轴上的工作叶片和若干组装成导向叶片组的与涡轮壳体连接的导向叶片，其中，至少一些导向叶片的朝向涡轮轴的自由端上带有一个冷却介质的入口。
本发明是基于这样的考虑，即，应该这样来设计效率特别高的燃气轮机，使其只需少量的冷却介质就能可靠地冷却涡轮叶片。为此，应该以闭式冷却的方式冷却涡轮机叶片，在这种冷却方式中，冷却介质在流过被冷却的涡轮机叶片后不再与在涡轮单元中流动的工作介质混合，而是以可控制的方式排出，并输送到其它应用场合。在一种这样的冷却方案中，不需要流过涡轮叶片的冷却介质在其运行参数方面与工作介质相适应。
为了将这种带有闭式冷却的涡轮机叶片的燃气轮机的制造开发成本保持得特别低，这种设计在很大程度上应该模仿带有开式冷却涡轮机叶片的燃气轮机的设计。在闭式冷却的燃气轮机中的冷却介质的流动路径也应该尽可能地与开式冷却中的冷却介质的流动路径一样。这可以通过很简单的方式实现，即，使冷却空气流经涡轮轴和叶根保持对工作叶片提供冷却空气，然而，在这种闭式冷却的方式中，还是通过叶根并进入涡轮轴来将冷却介质从各工作叶片中排出。从那里，冷却介质经一个沿工作介质的流动方向看过去与相应的工作叶片相邻的导向叶片继续排出。为此，各导向叶片在其朝向涡轮轴的自由端带有一冷却介质入口。因此，在运行时，冷却介质以一种“对流流动”方式又从各导向叶片的自由端朝其叶根的方向流过去。
为了特别有利于节约所需的冷却介质，并从而对提高效率作出特别大的贡献，适宜在沿流动方向看过去的第一工作叶片组上采用这种闭式冷却。为此，在优选实施例中，各导向叶片的自由端具有一个冷却介质入口，这些导向叶片构成沿工作介质的流动方向看过去位于相应的工作叶片组后面的导向叶片组。
基于所规定的冷却介质流过各导向叶片的方向，冷却介质从各导向叶片中流出后进入涡轮壳体的一个区域内。这样，就可以特别简单地可控制地将冷却介质排出。因此，在这种燃气轮机中原则上不仅可以采用冷却蒸汽而且可以采用冷却空气作为冷却介质。比较有利的是采用冷却空气作为冷却介质。这样，排出侧可以通向导向叶片的前钩状区域，并从那经导向叶片支座的孔再提供给燃烧用。
为了给沿工作介质的流动方向看过去构成第一工作叶片组的工作叶片提供封闭式冷却，优选使各工作叶片具有一个与叶片一体的冷却介质通道，其入口和出口都设置在涡轮轴上。在各工作叶片内设置一个弯回通路作为冷却介质的流动通路。从各工作叶片出来后，该冷却介质流动通路穿过相应的后面的导向叶片沿径向向外延伸。在这种设计中，不仅对于工作叶片，而且对于导向叶片，都可在其朝向涡轮轴一侧提供冷却介质。因此，冷却介质在相比之下最热的区域内流入各工作叶片或导向叶片中，这样可以达到一种特别有利的冷却效果。
在另一优选的实施形式中，各工作叶片的冷却通道的出口与一个在涡轮轴中与该轴一体形成的接受室连通，该接受室的出口侧又与沿工作介质流动方向看过去位于后面的导向叶片组中的每个导向叶片的相应的冷却介质入口连通。
为了保证冷却介质特别可靠地不仅流过各工作叶片，而且流过沿冷却介质流向位于后面的导向叶片，在另一优选实施例中，沿冷却介质的流动路径，在其进入冷却介质通道前设置一台压缩机。该压缩机相宜地能够将冷却介质的压力提高大约0.5至1巴。该压缩机可以是轴流式压缩机，也可以是径流式压缩机。作为径流式压缩机的一种实施形式，可以通过选择在旋转的涡轮轴中的孔的径向高度来提高冷却介质的压力，在此，将旋转的涡轮轴的离心力用于提高压力。
本发明所获得的优点主要在于，由于导向叶片的朝向涡轮轴的自由端带有冷却介质入口，并且冷却介质沿径向从涡轮轴中流出，流向涡轮壳体，所以可以使工作叶片的闭式冷却特别接近现有的开式冷却方案。在这种闭式冷却中的冷却介质的流动路径特别短，因此，所产生的压力损失也特别小。这样，可以以特别简单的方式实现一种对各工作叶片的闭式冷却，此外，最终由各导向叶片排出的冷却介质固定地收集在涡轮壳体的区域内。因此，以非常简单的方式就实现了冷却介质的排出。
下面结合附图详细地描述本发明的一个实施例。附图中图1是一燃气轮机的半剖面图；图2是图1所示的燃气轮机的一纵剖面图，图中示出了冷却通道；图3是与图2相似的一局部截面图，但其中的冷却通道采用另一种替换的连接形式。
各附图中的相同部件用相同的标号表示。
具体实施例方式
图1所示的燃气轮机1具有一台用于燃烧空气的压气机2、一个燃烧室4以及一个用于驱动压气机2和一台图中未示出的发电机或工作机器的涡轮机6。涡轮机6和压气机2设置在共同的一根涡轮轴8上，该涡轮轴也称之为涡轮转子，其与发电机或工作机器连接，并可绕一中心轴线9旋转。
燃烧室4配备有一些用于燃烧液体或气体燃料的燃烧器10。它的内壁上带有图中未详细示出的隔热件。
涡轮机6具有若干与涡轮轴8连接的可旋转工作叶片12。工作叶片12以叶列的形式设置在涡轮轴8上，构成若干工作叶片组。此外，涡轮6还包括若干固定的导向叶片14，它们也以叶列的形式固定在涡轮机6的一内壳体16上，构成导向叶片组。工作叶片16通过流过涡轮机6的工作介质M的动量转移驱动涡轮轴8。而导向叶片14则用于在每两个沿工作介质M的流动方向看过去相邻的工作叶片组或工作叶片圈之间引导工作介质M的流动。一对相邻的导向叶片14圈和工作叶片12圈或工作叶片组也称之为涡轮级。
各导向叶片14具有一个也称之为叶根的叶片平台18，其作为壁构件用于将该导向叶片14固定在涡轮机6的内壳体16上。叶片平台18是一个承受热负荷较大的构件，其构成流过涡轮机6的工作介质M的热气体通道的外边界。各工作叶片12以相似的方式通过一个也称之为叶根的叶片平台20固定在涡轮轴8上。
在涡轮机6的内壳体16上，在两相邻的导向叶片组的导向叶片14的彼此隔开的叶片平台18之间分别设置一个导向环21。各导向环19的外表面也暴露于流过涡轮机6的热的工作介质M，并沿径向和与其相对的工作叶片12的外端22隔开一定的间隙。在相邻的导向叶片组之间设置的导向环19尤其用作覆盖件，其防止内壁16或其它壳体构件受到流过涡轮机6的热工作介质M的过热作用。
为了达到较高的效率，在燃气轮机1中，从燃烧室4流出的工作介质M要达到大约1200℃至1300℃的高温。为了使这成为可能，至少一些工作叶片12和导向叶片14设计成可由作为冷却介质的冷却空气冷却。为了说明冷却空气的流动通路，在图2中以放大的横截面示出了与燃气轮机1中燃烧室4紧挨着的区域。可以看出，从燃烧室4流出的工作介质M首先遇到若干导向叶片14，这些导向叶片构成所谓第一导向叶片组，并通过其叶片平台18悬挂在燃烧室4中。沿工作介质M的流动方向看过去相继是构成第一工作叶片组的工作叶片12、构成第二工作叶片组的导向叶片14以及构成第二工作叶片组的工作叶片12。
为了使燃气轮机1能够达到特别高的效率，至少构成第一和第二工作叶片组的工作叶片12设计成闭式冷却，即，受控地排出“用过的”冷却空气K。为此，分别构成第一和第二工作叶片组的工作叶片12的构成叶根的叶片平台20上具有一个用作冷却介质的冷却空气K的入口30。入口30分别与在涡轮轴8中一体形成的通道系统32连通，冷却空气K可以通过该通道系统流入入口30。在各工作叶片12内设置一个未详细示出的冷却介质通道，特别具有弯回形状的冷却介质通道，其与入口30连通。为了形成一条以箭头34表示的冷却空气K的流动通路，冷却介质通道的弯回形状应使各工作叶片12的全部空间区域都可足够地被冷却。各冷却介质通道的流出侧同样汇入在叶片平台20和涡轮轴8的区域内设置的一个出口36。
工作叶片12的出口36通过一个为其配置的排出通道38与一个共用的一体地设在涡轮轴8内的接收室40连通，从工作叶片12中流出的冷却介质K到达该接收室。接收室40具有若干冷却介质排出口44，各排出口44分别对应于一个导向叶片14。为此，各冷却介质排出口14在空间上处于与各导向叶片14端部46的相对侧。相应的导向叶片14的端部或者端部块46带有一个朝向冷却介质排出口44的作为冷却介质的冷却空气K入口48。借助一种多片迷宫式密封49使由冷却介质排出口44与入口48构成的流动联接与外部，亦即相对于涡轮机6内的工作介质M的流动空间密封。
入口48与一个图中未详细示出的引入相应的导向叶片14中的冷却介质通道联接，在导向叶片14中经入口48流入的冷却空气K通过该冷却介质通道基本上沿径向离开涡轮轴8，流向涡轮机6的内壁16。箭头50表示了这部分流动通路。该冷却介质通道的出口侧与一个在涡轮壳体的内壁16中一体形成的排气室51连通，“用过”的冷却介质从该排气室输送到另一应用处或者排出。
总而言之，形成这样一条作为冷却介质K的流动通路冷却空气K经通道系统32送入，并从那里达到各工作叶片12的入口30。然后以基本上弯回的形状流过各工作叶片12，到达涡轮轴8区域内的出口36。然后该冷却空气K在涡轮轴8内流入接收室40，从那里到达各导向叶片14的入口48。接着，冷却空气K沿径向从内向外流过导向叶片14。在从导向叶片14排出后，“用过的”冷却空气K到达排出室51。
基于这样得到的较短的流动通路，尽管是闭式冷却，冷却空气K的压力损失却较小。为了保证冷却空气K可靠地通流，在冷却空气K流入各工作叶片12的入口30之前将其压力提高大约0.5至1巴。为此，通道系统32中设置一个压缩机。该压缩机可以是轴流式压缩机。然而在本实施例中采用一个径流式压缩机，在此，通过相对于涡轮轴8径向布置入口30来实现压力提高。特别是，为此各入口30沿径向看过去比接收室40离涡轮轴8的中心轴线9更远。在涡轮轴8旋转时，在各入口30处，离心力导致足以克服各工作叶片12中的压力损失的冷却空气K的压力提高。
图3示出了另一种引导冷却空气K流动的替换方案，其中其它部件保持不变。在这种实施形式中，直接通过通道系统32向接收室40提供冷却空气K。这种设计例如在边界条件、例如总体上所提供的冷却空气K量发生偏差时，可能比较有利。在部分冷却空气K气流平行地排出的方式中，冷却空气K在该通道系统的一侧通过入口48进入导向叶片14，正如箭头60所表示的那样。在这种情况下，冷却空气K是作为“未用过的”新鲜空气进入导向叶片14。
与此同时，在这种情况下，冷却空气从接收室40出来后通过一个分通道62向工作叶片12提供冷却空气，该分通道62与工作叶片12的冷却介质入口64联接。冷却空气K的支流从那儿沿箭头66所示方向流过工作叶片12。接着，如箭头68所示，已经“用过”的这一冷却空气K支流以适当方式排出。
权利要求
1.一种燃气轮机(1)，它具有若干分别组装成各工作叶片组的装在涡轮轴(8)上的工作叶片(12)和若干分别组装成导向叶片组的与涡轮壳体连接的导向叶片(14)，其中，至少一些导向叶片在其朝向涡轮轴(8)的自由端具有一个冷却介质入口。
2.如权利要求1所述的燃气轮机(1)，其特征在于所述导向叶片(14)在其自由端具有一个冷却介质入口，这些导向叶片构成位于沿工作介质(M)的流动方向看过去的第一工作叶片组之后的导向叶片组。
3.如权利要求1或2所述的燃气轮机(1)，其特征在于作为冷却介质采用空气。
4.如权利要求1至3中任一项所述的燃气轮机(1)，其特征在于构成沿工作介质(M)的流动方向看过去的第一工作叶片组的工作叶片(12)分别具有一个一体形成的冷却介质通道，其入口和出口都设置在涡轮轴(8)上
5.如权利要求4所述的燃气轮机(1)，其特征在于各工作叶片(12)的冷却介质通道的出口与一个在涡轮轴(8)中一体形成的接收室(40)连通，该接收室的出口分别与构成沿工作介质(M)的流动方向看过去的后一导向叶片组的各导向叶片(14)上的冷却介质入口(48)连通。
6.如权利要求4或5所述的燃气轮机(1)，其特征在于在冷却介质的流动路径中，在冷却介质进入冷却介质通道之前设置一压缩机。
全文摘要
在一个具有若干组装成工作叶片组的设置在涡轮轴(8)上的工作叶片和若干组装成导向叶片组的与涡轮壳体连接的导向叶片(14)的涡轮机(1)中,为了在以简单的方式可靠地冷却涡轮机叶片(12)、(14)的情况下,达到特别高的效率。按照本发明,至少一些导向叶片(14)在其朝向涡轮轴(8)的自由端具有一个冷却介质入口(48)。
文档编号F02C7/18GK1380487SQ0211907
公开日2002年11月20日 申请日期2002年4月11日 优先权日2001年4月11日
发明者彼得·蒂曼 申请人:西门子公司