专利名称：燃气轮机尾管密封件及使用该密封件的燃气轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃气轮机尾管密封件，其密封在燃烧室尾管与燃气轮机的燃烧气体流动通道之间的空间，以及使用该装置的燃气轮机。
背景技术：
一般燃气轮机由压缩机和燃烧室组成(图中未示出)。对于这种燃气轮机，被压缩机压缩了的压缩空气供给到燃烧室，并与单独供给的燃料相混合且燃烧。通过这种燃烧所产生的燃烧气体供给到涡轮，并在涡轮上产生旋转驱动力。
图4示出了一般燃烧室的结构。如图中所示，附图标号1表示燃烧室，且燃烧室1固定在轮腔室2内部。附图标号3表示引燃燃料喷嘴，将用于点燃的引燃燃料供给到该引燃燃料喷嘴。附图标号4表示多个(例如，8个)主燃料喷嘴，它们被设置在引燃燃料喷嘴3的周围。附图标号5表示内管。附图标号6表示尾管，它可将高温燃烧气体F引入到尾管出口6a。附图标号7表示旁通管。附图标号8表示旁通阀，当由于负载波动导致用于燃烧的空气不足时，它形成流动通道并打开以便将轮腔室2内的空气引入到燃烧室1。附图标号9是密封部分，它设置在尾管出口6a的端部且密封靠近于涡轮的燃烧气体流动通道10(气体通道)的连接部分。如燃烧室1的多个燃烧室设置在轮腔室2中的转子(图中未示出)的周围。从这些燃烧室喷出的高温燃烧气体F在燃烧气体流动通道10中膨胀，从而旋转转子。
在具有上述结构的燃烧室1中，流经主燃料喷嘴4的燃料与从周围环境引入的空气相混合并被引燃燃料喷嘴3中喷出的引燃燃料的火焰点燃，从而燃烧形成燃烧气体F。燃烧气体F流经内部气缸5和尾管6，通过尾管出口6a，被输送到气体通道10。内管5的内壁和燃烧室1的尾管6总是处于与高温燃烧气体F相接触中。因此，内壁中设有冷却管道，其中有冷却空气流动。同样，尾管出口6a通过密封部分9与燃烧气体流动通道10的入口相连接；因而，密封部分9利用空气冷却。
图5是图4中A部分的放大横截面视图且示出了常规尾管密封件的结构。如图所示，凸缘6a1形成在尾管出口6a的周围。同样，尾管6的内壁是利用流动在其内壁中流动通道(图中未示出)的冷却空气进行冷却的。同样，尾管出口6a周围设有凹槽6b，冷却空气沿凹槽流动；因此，其中所述流动的冷却空气可对尾管6的内壁冷却。
尾管出口6a通过尾管密封件11与燃烧气体流动通道10相连接。在尾管密封件11的端部形成具有U形横截面的凹槽11a。尾管出口6a的凸缘6a1与凹槽11a相匹配。具有矩形横截面的凹槽形成于尾管密封件11的另一端部。在燃烧气体流动通道10的第一排固定叶片12的外管罩13的凸缘部分13a和内管罩14的凸缘部分14a与凹槽11b相匹配，从而密封连接部分。
在尾管密封件11上形成有多个冷却孔11c，其用于让冷却空气c流动以便冷却尾管密封件11和第一排固定叶片12上的外管罩13及内管罩14上的薄膜。这些冷却孔11c倾斜地穿过尾管密封件11的外表面和内表面。尾管密封件11的内壁利用流到这些冷却孔11c的、在轮腔室2中经高度压缩的冷却空气c的流动来冷却。而且，从每一个冷却孔11c喷入到燃烧气体流动通道10的燃烧气体F，覆盖了外管罩13内表面和内管罩14外表面以冷却薄膜。
但是，在常规的尾管密封件11中，存在如下的问题。
即，在常规的尾管密封件11中值得关注的是薄膜的冷却操作是失效的。同样，存在外管罩13和内管罩14的上游部分受热破坏的情况，且在匹配部分存在一种情况，即将尾管密封件11与外管罩13和内管罩14相匹配的部分由于各自的热膨胀而磨损。这些问题被认为是由于以下原因(1)到(3)产生的。
(1)当考虑到每一部件的热膨胀时，在尾管密封件11的下游端与外管罩13和内管罩14的上游端之间的空间尺寸则必须加大。从而，外管罩13上游端和内管罩14的上游端的位置与每一冷却孔11c的位置变远。
(2)冷却空气c从每个冷却孔11c中喷出，以便以倾斜方式进入燃烧气体流动通道10。因此，沿着外管罩13内表面和内管罩14外表面不能够很好的形成用于冷却薄膜的冷却空气c流动。
(3)冷却空气c与外管罩13和内管罩14的上游端的边缘相撞击，且由于如热膨胀的原因，当尾管密封件11中燃烧气体流动通道的宽度大于在外管罩13和内管罩14之间的燃烧气体流动通道的宽度时，涡流就产生了。
本发明考虑到上述问题。本发明的目的在于提供一种燃气轮机尾管密封件，该密封件可以防止第一排固定叶片上的外管罩及内管罩受热破坏和磨损，并且提供具有上述燃气轮机尾管密封件的燃气轮机。
发明内容
在本发明中，采用下面的结构来解决上述问题。
也就是说，根据本发明第一方面的燃气轮机尾管密封件的特征在于，燃气轮机尾管密封件密封处于燃烧室尾管与第一排固定叶片上的内管罩及外管罩之间的空间，且向内管罩及外管罩提供冷却空气，从包括其中心轴线的横截面上看，燃气轮机尾管密封件中燃烧气体流动通道的宽度小于在内管罩外表面和外管罩内表面之间的燃烧气体流动通道的宽度；燃烧气体流动通道至少在下游端部分设有具有朝着第一排固定叶片方向上逐渐增大的截面的倾斜表面。
根据本发明第一方面的燃气轮机尾管密封件，由于燃烧气体流动通道的宽度小于在第一排固定叶片的燃烧气体流动通道的宽度，所以从燃气轮机尾管密封件中燃烧气体流动通道流入第一排固定叶片上的燃烧气体流动通道的燃烧气体，没有与内管罩和外管罩的上游端边缘相撞击，且没有形成涡流。而且，由于在燃气轮机尾管密封件中的燃烧气体流动通道具有朝第一排固定叶片方向逐渐增大的横截面的倾斜表面；因而，这样可阻止当燃烧气体从燃气轮机尾管密封件流入第一排固定叶片中的燃烧气体流动通道时，由于燃烧气体流动通道宽度快速逐步变化而引起的涡流的产生。
根据本发明第二方面的燃气轮机尾管密封件，其特征在于，燃气轮机尾管密封件密封处于燃烧室尾管与第一排固定叶片上的内管罩及外管罩之间的空间，且向内管罩及外管罩提供冷却空气，下游端部分具有在燃气轮机尾管密封件中喷射冷却空气的出口，该下游端部分覆盖内管罩的上游外表面及外管罩内的上游表面。
根据本发明第二方面的燃气轮机尾管密封件，下游端部分包括内管罩的上游外表面及外管罩的上游内表面，从而不与高温燃烧气体直接接触。同样，这样可以将尾管出口设置在更靠近内管罩的上游外表面及外管罩的上游内表面的位置。
根据本发明第三方面的燃气轮机尾管密封件，其特征在于，在燃气轮机尾管密封件中，根据本发明第二方面，当从包括燃气轮机尾管密封件和其中心轴线的横截面上看，设有多个出口，其对应于每一个内管罩和外管罩。
根据本发明第三方面的燃气轮机尾管密封件，其中从每一个出口喷射出的冷却空气中，即使最靠近燃烧气体流动通道的冷却空气形成涡流，而从其它出口喷射出的冷却空气也可补偿涡流；因而，可以在经内管罩上游外表面和外管罩上游内表面上形成冷却空气流。
根据本发明第四方面的燃气轮机尾管密封件，其特征在于，根据本发明第三方面中的燃气轮机尾管密封件，从包括其中心轴线的横截面上看，在燃气轮机尾管密封件中燃烧气体流动通道的宽度小于在内管罩外表面和外管罩内表面之间的燃烧气体流动通道的宽度；燃烧气体流动通道至少在下游端部分设有向第一排固定叶片方向直径逐渐增大的倾斜表面。
根据本发明第四方面的燃气轮机尾管密封装置，如本发明中第一方面中所得到的效果一样。也就是说，从燃气轮机尾管密封件的燃烧气体流动通道流入第一排固定叶片上燃烧气体流动通道的燃烧气体，没有与内管罩和外管罩的上游端的边缘相撞击，且没有形成涡流。并且，当燃烧气体从燃气轮机尾管密封件流入第一排固定叶片上的燃烧气体流动通道时，可阻止由于燃烧气体流动通道宽度快速逐步变化而引起的涡流的产生。
根据本发明第五方面的燃气轮机，其特征在于，所述燃气轮机具有压缩机和燃烧室，根据本发明第一或第四方面的燃气轮机尾管密封件设置在燃烧室和涡轮之间。
根据本发明第五方面的燃气轮机，燃烧气体主流流动在流经燃气轮机尾管密封件和第一排固定叶片上变得平缓；因而，防止涡流的产生成为可能。
根据本发明第一方面的燃气轮机尾管密封件所采用的结构，其特征在于，燃气轮机尾管密封件中的燃烧气体流动通道的宽度小于在内管罩和外管罩之间所形成的燃烧气体流动通道的宽度；并且至少在下游端部分提供的倾斜表面具有朝着第一排固定叶片逐渐增大的截面。根据这样的结构，由于燃烧气体F的主流流经燃气轮机尾管密封件和第一排固定叶片时变得平缓，所以防止涡流的产生是可能的。因此，可以避免在第一排固定叶片上的外管罩和内管罩受热损坏和磨损。
根据本发明第二方面的燃气轮机尾管密封件所采用的结构，其特征在于，具有出口的下游端部分覆盖内管罩的上游外表面及外管罩的上游内表面。根据这样的结构，可保护上游外表面22a及上游内表面23a以避免高温燃烧气体。另外，每一个冷却空气的出口可设置得更靠近于上游外表面22a及上游内表面23a。所以，可以很可靠地冷却内管罩和外管罩的上游部分；因而，可以避免它们受热损坏和磨损。
根据本发明第三方面的燃气轮机尾管密封件所采用的结构，其特征在于，从包括其中心轴线的横截面上看，设有多个出口。根据这样的结构，可以避免在燃气轮机尾管密封件的下游端部分与内管罩及外管罩之间的上游端部分之间的空间中，产生冷却空气涡流。所以，可以可靠地冷却内管罩上游外表面的薄膜和外管罩上游内表面的薄膜。
根据本发明第四方面的燃气轮机尾管密封件所采用的结构，其特征在于，燃烧气体流动通道的宽度小于在内管罩和外管罩之间所形成的燃烧气体流动通道的宽度；并且至少在下游端部分提供的倾斜表面，具有朝着第一排固定叶片的方向上逐渐增大的直径。根据这样的结构，可以得到如本发明第一方面的同样效果。即，可以避免外管罩和内管罩受热损坏和磨损。
根据本发明第五方面的燃气轮机所采用的结构，其特征在于，设有根据本发明中第一或第四方面的燃气轮机尾管密封件。通过这样的实施，燃烧气体主流的流动在流经燃气轮机尾管密封件和第一排固定叶片时变得平缓；因而，阻止涡流的产生成为可能。所以，可以避免外管罩和内管罩受热损坏和磨损。
图1为从包括转子轴线的横截面看的剖视图，示出了本发明燃气轮机中所采用燃气轮机尾管密封件的实施例。
图2是图1中燃气轮机尾管密封件B部分的放大剖视图。
图3是图2中燃气轮机尾管密封件变形实施例的放大剖视图。
图4示出了常规燃气轮机尾管密封件的燃气轮机的主要部分，并示出了对应于燃烧室和第一排固定叶片的相对位置。
图5是图4中的常规燃气轮机尾管密封件A部分的剖视图。
具体实施例方式
下面参照附图对本发明中采用燃气轮机尾管密封件的燃气轮机的一个实施例进行描述。应该清楚的是，本发明可以以许多各种形式实施，其中的一些也许与所公开的实施例有很大的不同。从而，其中公开的具体结构和功能性的描述只具有代表性并不限制本发明的范围。
根据本发明的燃气轮机由压缩机和燃烧室组成(图中未示出)。对于这种燃气轮机，被压缩机压缩了的压缩气体供给到燃烧室，并与单独供给的燃料相混合且燃烧。通过如此燃烧所产生的燃烧气体供给到涡轮，并在涡轮上产生旋转驱动力。在涡轮内部，连接在转子周围的多个涡轮叶片和连接在转子周围固定部分的多个涡轮固定叶片沿转子旋转轴线的方向交替地设置。并且，在涡轮中形成有用于传输压缩燃烧气体的燃烧气体流动通道。因此，从燃烧室引入燃烧气体流动通道的燃烧气体使每个涡轮叶片转动并赋予转子旋转力。旋转力转动连接于转子以产生电能的发电机(图中未示出)。
在图1和图2中，根据本实施例的燃气轮机尾管密封件24，其密封一空间，所述空间是处于燃烧室尾管20与第一排固定叶片21上的内管罩22及外管罩23之间，并且向内管罩22及外管罩23提供冷却空气。在下面的描述中，上游是指沿着燃烧气体F流动方向的上游侧(图中的左侧)，而下游是指相反方向(图中右侧)。
如图中所示，形成在本实施例燃气轮机尾管密封件24中的燃烧气体流动通道(此后称为尾管密封气体流动通道25)的宽度w1小于形成在内管罩22外表面22a和外管罩23内表面23a之间的燃烧气体流动通道(此后称为固定叶片气体流动通道26)的宽度w2。
从包括燃气轮机尾管密封件24中心轴线的横截面图看时，尾管密封气体流动通道25由以下表面所形成在上游部分平行于中心轴线的一对平行表面27a；和在下游部分的一对倾斜表面27b，该对倾斜表面27b与平行表面27a相连接且具有朝第一排固定叶片21方向逐渐增大的截面。
宽度w1表明在平行表面27a之间的距离。如果尾管密封气体流动通道25由这些平行表面27a构成，则在与具有比w1宽的宽度w2的固定叶片气体流动通道26的连接部分中，流动通道中形成了间隙；因此，出现了燃烧气体涡流。通过消除上述间隙并设有一对倾斜表面27b，其流动通道宽度是逐渐增大，燃烧气体F从尾管密封气体流动通道25流到固定叶片气体流动通道26时流动变得平缓。
从最佳设计角度来看，最好将平行表面27a设计为与内管罩22上游外表面22a及外管罩23上游内表面23a相一致的表面，而不是设计成倾斜表面27b。但是，在实际中以最佳方式设计成上述结构是困难的；因此，本实施例中采用了一种结构，其中宽度w1稍小于宽度w2。这是由于考虑到燃烧气体F可能与内管罩22和外管罩23的上端发生撞击，且如果宽度w1大于宽度w2，则这些管罩由于受热可能被破坏。
此外，根据本发明的燃气轮机尾管密封件24中，具有多个用于喷射冷却空气c的出口28a1的下游端部分28，可覆盖内管罩22上游外表面22a及外管罩23上游内表面的一部分。
也就是说，上游外表面22a和上游内表面23a之间的距离朝着与燃气轮机尾管密封件24相连接的位置逐渐增大；因此，形成了倾斜面。而且，下游端部分28与倾斜面的一部分相重叠以致于覆盖了固定叶片气体流动通道26。
每一出口28a1是平行于燃气轮机尾管密封件24中心轴线(即，燃烧气体F从尾管密封气体流动通道25流到固定叶片气体流动通道26的流动方向)的冷却孔28a的出口。出口28a1与用于引入冷却空气c(从压缩机中排出的空气)的多个引入孔31相通，该冷却空气用于提供给燃气轮机尾管密封件24周围的外围空间30。
同样，在燃气轮机尾管密封件24中，形成有多个排气孔32，其用于将冷却空气c从外围空间30流引入到上游端部分。这些排气孔32与处于燃气轮机尾管密封件24和尾管20之间的连接部分相通；所以，可以冷却平行表面27a和倾斜表面27b上的薄膜。
因此，在具有上述结构的燃气轮机尾管密封件24中，燃烧气体F通过尾管密封气体流动通道25从尾管20流到固定叶片气体流动通道26。通过使宽度w1小于宽度w2，当燃烧气体F从尾管密封气体流动通道25流入到固定叶片气体流动通道26时，燃烧气体F流动没有与内管罩22和外管罩23的上游端边缘相撞击；因此，没有形成涡流。另外，尾管密封气体流动通道25设有一对具有朝第一排固定叶片21逐渐增大的截面的倾斜表面27b；因而，这样可阻止当燃烧气体F从尾管密封气体流动通道25流入固定叶片气体流动通道26时，由于流动通道宽度快速逐步变化而引起的涡流的产生。
而且，在燃气轮机尾管密封件24中，上游外表面22a的一部分和上游内表面23a的一部分被下游端部分28覆盖。因而，可以防止上游外表面22a和上游内表面23a与高温燃烧气体F相接触，且可以将每一出口28a1设置得更靠近上游外表面22a和上游内表面23a。
在外围空间30中的冷却空气c被引入到每一引入孔31且通过冷却孔28从每一出口28a1被喷入固定叶片气体流动通道26中，所述冷却孔28对应于每一引入孔31。冷却空气c冷却燃气轮机尾管密封件24的壁，也对覆盖内管罩22上游外表面22a和外管罩23上游内表面23a的薄膜进行冷却。
同样，从外围空间30被引入到排气孔32的冷却空气c冷却覆盖在平行表面27a和倾斜表面27b上的薄膜。
根据本实施例中所提到的燃气轮机尾管密封件24，可以防止上游外表面22a和上游内表面23a与高温的燃烧气体F相接触。另外，每一出口28a1可设置得更靠近上游外表面22a和上游内表面23a。因此，内管罩22和外管罩23的上游部分可以可靠的被冷却；因而，可以阻止这些结构由于受热而遭到破坏且可以防止上述提到的装配部分被磨损。
在上述提到的实施例中，从包括其中心轴线的横截面(图2中所示的横截面)看燃气轮机尾管密封件24时，每一内管罩22和外管罩23设有一出口28a1。但是，本发明可以以各种形式实施，例如在图3所示的带有2个或3个出口28a1。
从每一出口28a1喷射出的冷却空气c中，即使最靠近燃烧气体流动通道26的冷却空气c形成涡流，从其它出口28a1喷射出的冷却空气c也可对该涡流进行补偿。因此，可以避免在下述空间中的冷却空气c涡流的产生，所述空间是处于燃烧室尾管密封件24的下游端部分28与内管罩22和外管罩23上游端之间的空间。所以，可以快速地冷却上游外表面22a的薄膜和上游内表面23a的薄膜。
权利要求
1.一种燃气轮机尾管密封件，该密封件密封燃烧室尾管与第一排固定叶片的内管罩和外管罩之间的空间，且向内管罩和外管罩提供冷却空气，其特征在于从包括其中心轴线的横截面看时，燃气轮机尾管密封件中的燃烧气体流动通道的宽度小于在内管罩外表面和外管罩内表面之间形成的燃烧气体流动通道的宽度；且燃烧气体流动通道至少在下游端部分设有倾斜表面，该倾斜表面具有朝着第一排固定叶片逐渐增大的截面。
2.一种燃气轮机尾管密封件，该密封件密封燃烧室尾管与第一排固定叶片的内管罩及外管罩之间的空间，且向内管罩及外管罩提供冷却空气，其特征在于下游端部分覆盖内管罩的上游外表面及外管罩的上游内表面，该下游端部分具有用于在燃气轮机尾管密封件中喷射冷却空气的出口。
3.根据权利要求2所述的燃气轮机尾管密封件，其特征在于从包括燃气轮机尾管密封件及其中心轴线的横截面看时，设有多个出口对应于内管罩和外管罩。
4.根据权利要求3所述的燃气轮机尾管密封件，其特征在于从包括其中心轴线的横截面看时，燃气轮机尾管密封件中的燃烧气体流动通道的宽度小于在内管罩外表面和外管罩内表面之间形成的燃烧气体流动通道的宽度；且燃烧气体流动通道至少在下游端部分设有倾斜表面，该倾斜表面具有朝着第一排固定叶片逐渐增大的直径。
5.一种具有压缩机和燃烧室的燃气轮机，其特征在于，根据权利要求1或4的燃气轮机尾管密封件设置在燃烧室和涡轮之间。
全文摘要
本发明的目的是提供一种燃气轮机尾管密封件，其可防止在第一排固定叶片上的外管罩和内管罩由于受热而被损坏和磨损；且提供一种具有上述燃气轮机尾管密封件的燃气轮机，在燃气轮机尾管密封件中，燃气轮机尾管密封件中的燃烧气体流动通道的宽度小于在内管罩外表面和外管罩内表面之间形成的燃烧气体流动通道的宽度；且燃烧气体流动通道至少在下游端部分设有倾斜表面，该倾斜表面具有朝着第一排固定叶片逐渐增大的截面。
文档编号F01D9/04GK1519464SQ20041000243
公开日2004年8月11日 申请日期2004年1月20日 优先权日2003年1月22日
发明者弗里德里希·泽希廷, 富田康意, 鸟井俊介, 介, 弗里德里希 泽希廷, 意 申请人:三菱重工业株式会社