專利名稱：氣體渦輪組件的制作方法
技術領域：
本發明涉及渦輪領域。其涉及如權利要求1的前序部分所述的氣體渦輪組件。
背景技術：
這種氣體渦輪組件的工作介質的溫度可能隨當前的工作狀態較快地改變。尤其在啟動和關斷以及負載變化期間，工作介質流過的組件在一個大的范圍內被加熱或冷卻，但是其它組件經歷了較慢的溫度變化。
已知的氣體渦輪組件具有為工作介質提供路徑的內殼層和為內殼層提供支持和定中心作用的外罩。該外罩和內殼層具有相對較輕的質量。因此，它們能較快地被加熱并能較快地再次冷卻。相反，壓縮機和渦輪的轉子因為它們的高質量，加熱和冷卻都持續基本較長的時間。考慮到上述組件的不同熱膨脹效果，葉片的游隙必須是這樣的，即在所有運轉條件下都能避免轉動葉片緊靠內殼層的刷擦和導向葉片緊靠轉子軸的刷擦。在熱啟動的情況下要求最大的游隙。為了確保該葉片游隙，必須允許一個比其自身所必需的游隙更大的游隙，以供全負荷使用。然而，這降低了氣體渦輪組件的效率。
在已知的氣體渦輪組件中裝備了一個外罩，后者承擔了內殼層的承載功能以及由于工作介質所產生的壓力負荷。由于該雙重功能，外罩不能最佳地適合于這兩個任務之一，因為在該情況下另一個相應的功能必然會降低。
尤其是，在每個葉片更換期間，氣體渦輪組件必須在一中平面處被打開，這需要高強度的勞動。此外，只有在設備充分冷卻的情況下才能開始更換葉片。這導致長時間的停工，并伴隨著氣體渦輪組件動力輸出的相應中斷。
為了使氣體渦輪組件能夠更簡單和更快地被安裝和拆卸，在其它外的解決方案中，外罩具有多部件式設計。在這些解決方案中，各種外罩部件通過法蘭在軸線方向和分型面上彼此連接。然而，這樣的設計是復雜并昂貴的。
如圖1到3中所再現的氣體渦輪組件是DE 195 44 011中所推薦的。
圖1到3中所示的氣體渦輪組件29由壓縮機1、渦輪2和布置在其間的燃燒室3組成。壓縮機1和渦輪2裝配在承載了多排壓縮機轉動葉片5和渦輪轉動葉片6的公共轉子軸4上(圖1)。
氣體渦輪組件29具有一個呈承載結構形式的公共外罩7，它包括兩個與工作介質流動方向8垂直布置的十字形軸承支撐件9和兩個或更多的與之成直角并將十字形軸承支撐件9彼此連接的縱向構件10。各十字形軸承支撐件9由兩個同心環11和12構成。為了連接所述環11和12，徑向肋13布置在其之間。縱向構件10均勻分布在外環12的圓周上，并用適宜的方式可分離地或不可分離地(例如通過焊接接頭)與后者相連(圖2)。
設計成環形承載盤的多個葉片承載件14在十字形軸承支撐件9和縱向構件19之間的空間中與轉子軸4的軸線成直角地設置并與縱向構件10正交連接。為此目的，承載盤14具有與縱向構件10的形狀相配的對應凹槽15(圖2)。承載盤14因此可軸向位移地固緊在縱向構件10上。為了固定承載盤14的軸向位置，應當另外用螺釘(未示出)將其緊固在縱向構件10上。非正規或整體連接或本領域所公知的各種類型連接的組合均是可行的。相應數量的壓縮機導向葉片17和葉輪導向葉片18(圖1、3)通過葉片基座16固緊在承載盤14上。
十字形軸承支撐件9、縱向構件10和承載盤14裝配在壓縮機1的下游區域和渦輪的側面，其內部具有與壓縮機1連接并能被液態或氣態冷卻流體作用的冷卻管或其它適宜的裝置(圖2、3)。這些部件或冷卻管19同樣可以橫向排列。也可以通過外部冷卻源進行冷卻。
壓縮機1和渦輪2在每種情況下都具有內殼20(圖1)，其與轉子軸4的表面一起構成工作介質的流道21并使所述流道與外部隔離。為此目的，多個蓄熱段22可分離地布置在壓縮機1和渦輪2的相鄰導向葉片列17、18的葉片基座16之間的軸線方向上，并與葉片基座16一起構成內殼20(圖1、3)。
渦輪2的相鄰導向葉片列18的承載盤14在所有情況下都通過可分離地布置的耐壓環23連接(圖1、3)。類似的耐壓環23布置在相鄰導向葉片列17的承載盤14之間的壓縮機1的下游區域內(圖1)。在各耐壓環23和相應的蓄熱段22之間構成了環形空隙24(圖3)。環形空隙24與壓縮機1相連。它們當然也可以從外部通入外部冷卻介質。承載盤14在其內部以已知的方式具有燕尾導軌和呈對應形狀的葉片基座16，以鎖定壓縮機和渦輪的導向葉片17、18。
外罩7和承載盤14由于它們的冷卻總是具有基本恒定的溫度。壓縮機和渦輪的導向葉片17、18的葉片基座16在承載盤14上也維持不變的半徑。因此，能夠為全負荷點設計最小的葉片游隙。同時，即使在熱啟動的情況下，也沒有導向葉片17、18與轉子軸4或轉動葉片5、6與蓄熱段22刷擦的危險。因此在效率增加的同時，關于渦輪2和壓縮機1的工作游隙也能減小。
葉片的更換發生在籠式外罩7或承載結構的外部，換句話說通過這些結構進行葉片更換。為此目的，首先要移開耐壓環23，隨后更換蓄熱段22，所述段22在流動方向8上布置在承載盤14的上游，其具有壓縮機或渦輪導向葉片17、18。一個簡單的輔助裝置(這里未示出)用于支撐葉片。此后，承載盤14在其凹槽15內沿流動方向8相反的方向被水平地移動。這樣，壓縮機和渦輪的導向葉片17、18可以自由地接近，所以能夠進行拆卸。最后，結果是，也為壓縮機或渦輪的轉動葉片5、6的更換提供了空間。安裝以相反的順序進行。
十字形軸承支撐件9、縱向構件10和承載盤14優選另外覆蓋有用于熱絕緣的功能層、由陶瓷/礦物材料組成的熱保護層27(圖2、3)。該熱保護層27同樣設置在耐壓環23上(圖3)。當然也可以使用熱保護墊塊。為了確保連接的穩定性，這些組件的各連接區域沒有設計熱保護層27。
然而，如圖1到3所示的解決方案帶來一些問題，尤其是壓縮機導向葉片17或渦輪導向葉片18的復雜安裝/拆卸所引起的問題(見上述涉及葉片更換的說明)。
US-A-5,127,797和US-A-5,564,897描述了氣體渦輪組件，其中，在壓縮機部分，在所有情況下，導向葉片列的導向葉片分別安裝在一個環形段上并能夠與環形段一起安裝和拆卸。然而，環形段的緊固設計成這樣的方式，即為了拆卸，必須將壓縮機的整個外罩拆卸下來。
發明內容
因此，本發明的目的是以這樣的方式設計一種氣體渦輪組件，以使得其可避免現有技術中的缺陷，尤其是能夠徹底簡化導向葉片的安裝和拆卸，并能夠盡可能地降低葉片工作游隙。
該目的通過權利要求1的全部技術特征來實現。本發明的實質包括在所有情況下將導向葉片列的導向葉片保持在多個分離環形段中，所述環形段與至少一個導向葉片列構成一個整環，以及將所述環形段可拆卸地緊固到一外部承載結構上，通過這種方式，在保持所述承載結構的同時，所述環形段與緊固到其上的導向葉片一起能夠單獨地從所述承載結構上除去，。由此可以直接拆除和重裝導向葉片而不需要像這樣拆卸氣體渦輪組件。
根據本發明的一優選改進方案，其安裝/拆卸尤其簡單，其中在任何情況下，所述環形段承載多個相鄰導向葉片列的壓縮機導向葉片或渦輪導向葉片。
根據本發明的另一優選改進方案，氣體渦輪組件的安裝/拆卸能夠更進一步地簡化，其中燃燒室呈環形形狀并由多個環形段構成，所述環形段可分離地緊固在承載結構上并能在保持承載結構的同時從承載結構上拆卸下來，在該情況下，尤其是燃燒室可以在其中設置多個燃燒器，這些燃燒器被分配給各環形段并可與它們一起拆除。
本發明的承載結構的優選設計的特征在于，該承載結構包含多個環形承載盤，所述承載盤在軸向一個接一個地同軸分布并彼此間隔開，并通過在軸向延伸的多個縱向構件彼此連接，且所述環形段設置在相鄰承載盤之間。
在該情況下，本發明同樣也可以很容易地與從DE 195 44 011中獲知的承載結構的冷卻相結合。如前面介紹，其提供了在氣體渦輪組件全負荷條件下確定葉片游隙以達到最小值的有利可能。
與現有技術中公知的承載結構冷卻相結合，本發明還更進一步地提供了以下優點，即導向葉片的拆卸能夠在氣體渦輪組件關閉后立即或者至少是相對較短的時間內開始。
更進一步的實施例可從從屬權利要求中獲知。
下面將通過示范性實施例并結合附圖對本發明進行更詳細的說明，其中圖1表示現有技術中具有一外部承載結構的氣體渦輪組件的縱剖結構圖。
圖2表示圖1中的承載結構的透視圖。
圖3表示圖1中氣體渦輪組件中的導向葉片和轉動葉片的布置情況的放大詳細圖。
圖4表示與圖1相對比的本發明氣體渦輪組件的優選示范性典型實施例。
圖5表示轉子圓周上承載結構中的環形段的布置情況的放大圖。
圖6表示一橫截面，其更清楚地示出了圓周方向的環形段的布置情況。
具體實施例方式
圖4示出了與圖1相對比的根據本發明的氣體渦輪組件的優選示范性實施例。該氣體渦輪組件30中與圖1所示相同的各部件采用同樣的附圖標記表示。
圖4中的氣體渦輪組件30和圖1中的氣體渦輪組件29之間的本質區別在于外罩或外部承載結構7、7′的結構、壓縮機1和渦輪2中導向葉片的固定、燃燒室3或3′的形狀和結構。
此外，在氣體渦輪組件30中，所述外罩或承載裝置7′包括兩個十字形軸承支撐件9，縱向構件10′和多個承載盤14′，從而具有與圖2類似的結構。然而，與圖1相反，沒有為每個導向葉片列提供的承載盤，但是，替代的是，有極少幾個彼此之間的間隙顯著較大的承載盤14′。雖然承載盤14也可以直接攜帶導向葉片，但是它們實際上的任務是使環形段RS1、RS2、RS3、RS5可以固定到承載結構7′上。在每種情況下，多個(例如5到10個)所述環形段RS1、RS2、RS3、RS5分別形成一環繞轉子軸4的內部絕緣環，該環與轉子軸4同心并相繼地排列在多個(在圖4的例子中為兩個)導向葉片列的內部。在每種情況下，環形段RS1、RS2、RS3、RS5排列并固定在相鄰承載盤14′之間，并能夠被單獨地安裝和拆卸。在此情況下，環形段例如可以以法蘭連接方式固緊在承載盤上，圖中僅示意性地示出了螺桿或雙頭螺栓25。環形段也可以通過插接件懸掛在承載結構的承載盤中。在此情況下，如果環形段RS1、RS2、RS3、RS4、RS5相對于承載結構，尤其是相對于承載盤14′有一些位移的話，對于不同的熱膨脹補償是很有利的，雖然為了將環形段以這樣的方式固定到承載盤上，即避免轉子4和環形段或轉動葉片之間的刷傷，必須在徑向上采取適當的措施。布置在軸向位置上的環形段也可以彼此固緊在一起；然而，它們同樣也可以彼此對接，以使它們相互間可以位移，這對于熱膨脹的補償是很有利的。用氣密方式將彼此間可相對位移的各部件密封的措施對本領域技術人員來說是熟知，例如可參考蓄熱段的布置。
圖5表示環形段的布置情況的放大圖。如關于圖3所述，承載結構的承載盤14′設有冷卻管19。承載結構的良好冷卻允許在運轉中具有極小葉片游隙和最小的間隙尺寸。一環形段RS2在兩承載盤之間軸向排列。它承載了三個導向葉片列的導向葉片LE。在安裝狀態下，導向葉片列的葉片LE與安裝在轉子軸4上的轉動葉片列的轉動葉片LA沿軸向交替排列。圖6概略地示出了環形段RS2的軸向區域的截面圖。這里，例如，8個環形段RS2排列在圓周上，它們一起構成一罩環并支撐導向葉片LE。如上所述，這些8個環形段可以用螺釘彼此緊固；但是，它們也可以同樣有利地彼此對接，以使彼此間可以位移，這對于補償熱膨脹是很有利的。用氣密方式將彼此間可相對位移的各部件密封的措施對本領域技術人員來說是熟知，例如可參考蓄熱段的布置。同時，具有轉動葉片LA的轉子軸4(這里無法看見)居中地布置。由圖中可明顯看出，當與承載結構之間的連接和如果適宜的話與另一個環形段之間的連接解除后，每個環形段RS2沿徑向很容易地被拆卸。環形段以法蘭方式連接到承載結構上，例如，可利用在圖5僅示意性示出的螺釘或雙頭螺栓連接件25。如果環形段RS1、RS2、RS3、RS4、RS5相對于承載結構(尤其是相對于承載盤14′)有一些移位性的話，對于不同的熱膨脹補償是很有利的，雖然為了將環形段以這樣的方式固定到承載盤上，即避免轉子4和環形段或轉動葉片之間的刷傷，必須在徑向上采用適當的措施。盡管是可位移的結構，為了實現工作介質的密封，在示范性的實施例中，密封件26(例如密封帶)引入環形段和承載盤的凹槽中。這些密封件在凹槽內具有游隙，從而允許由凹槽尺寸基本上預先確定的相鄰組件之間的可動性。在運轉期間，當機器中流動的工作介質和周圍環境之間出現壓力差時，這些密封帶由于壓力差而被壓到凹槽壁上，從而達到密封效果。同樣，用于密封在圓周方向上彼此對接的環形段的密封帶26僅僅在圖6中以示意性的方式示出。
本發明類型的結構具有以下優點如果導向葉片被損傷，它能很快地被消除，因為總體上氣體渦輪組件的一開口基本上不再是必需的了。具有損傷導向葉片的環形段能夠簡單地拆卸并被更換。外罩或承載結構7′在該情況下保持不變。另外，當采用如圖3中類似的方法設有內絕緣件時，環形段的溫度相對較低，因此，關閉后的一較短冷卻時間可供拆卸該環形段。
導向葉片列的分段和與此相關的優點優選擴展到壓縮機1(環形段RS1、...、RS3)和葉輪2(環形段RS5)上。當采用具有呈環形布置的多個燃燒器的環形燃燒室3′時，裝配/拆卸能夠被進一步簡化。在該情況下，燃燒室3′也可以包括多個環形段RS4，這些環形段可分離地固定在承載結構7′或9、10′、14′上，且在承載結構的維護期間能夠從承載結構7′或9、10′、14′上拆卸下來，例如當其中一個燃燒器28必須維修或更換時。
總的來說，本發明導致了氣體渦輪組件中的導向葉片列的安裝/拆卸的實質性簡化。
附圖標記列表1 壓縮機2 渦輪3、3′燃燒室4 轉子軸5 壓縮機轉動葉片6 渦輪轉動葉片7、7′外罩(承載結構)8 流動方向9 十字形軸承支撐件10、10′ 縱向構件11環12環、外環13肋14、14′ 葉片承載件、承載盤15凹槽16葉片基座17壓縮機導向葉片(導向葉片列)
18 渦輪導向葉片(導向葉片列)19 冷卻管20 內殼21 流道22 蓄熱段23 耐壓環24 環形空隙25 螺釘或雙頭螺栓連接26 密封件、密封帶27 熱保護層28 燃燒器29、30 氣體渦輪組件RS1、...、RS5環形段
權利要求
1.一種氣體渦輪組件(30)，包括至少一個壓縮機(1)、至少一個燃燒室(3′)和至少一個渦輪(2)以及一公共轉子軸(4)，其中，在壓縮機(1)內的公共轉子軸(4)上布置了多排壓縮機轉動葉片(5)，在渦輪(2)內布置了多排渦輪轉動葉片(6)，上述轉動葉片在通流方向上分別與壓縮機導向葉片(17)和渦輪導向葉片(18)的導向葉片列交替排列，所述導向葉片列緊固在一圍繞著轉子軸(4)的結構(7′或9、10′、14′)上，其特征在于，導向葉片列的壓縮機導向葉片(17)和/或渦輪導向葉片(18)緊固在多個分離環形段(RS1、...、RS3或RS5)上，該多個環形段彼此相鄰地設置在圓周方向上，并與至少一個導向葉片列一同構成一整環，所述環形段(RS1、...、RS3或RS5)可分離地緊固在支撐結構(7′或9、10′、14′)上，以使得環形段(RS1、...、RS3或RS5)與緊固在其上的壓縮機導向葉片(17)或渦輪導向葉片(18)一起在保持支撐結構(7′或9、10′、14′)的同時可獨立地從支撐結構(7′或9、10′、14′)上拆卸下來。
2.如權利要求1所述的氣體渦輪組件，其特征在于，每個環形段(RS1、...、RS3或RS5)承載著在通流方向上相鄰的多個導向葉片列的壓縮機導向葉片(17)或渦輪導向葉片(18)。
3.如權利要求1或2所述的氣體渦輪組件，其特征在于，燃燒室(3′)具有環形形狀，并包含多個環形段(RS4)，這些環形段可分離地緊固在承載結構(7′或9、10′、14′)上，并能在保持支撐結構(7′或9、10′、14′)的同時從支撐結構(7′或9、10′、14′)上拆卸下來。
4.如權利要求3所述的氣體渦輪組件，其特征在于，多個燃燒器(28)布置在燃燒室(3′)內，其中該燃燒器(28)被分配給各環形段(RS4)并可與這些環形段一起被拆卸。
5.如權利要求1至4之一所述的氣體渦輪組件，其特征在于，支撐結構(7′)包括多個環形支撐盤(14′)，所述支撐盤沿軸向一個接一個地同軸布置并彼此隔開，并通過在軸向延伸的多個縱向構件(10′)彼此連接，其中環形段(RS1、...、RS5)布置在相鄰支撐盤(14′)之間。
6.如前述權利要求之一所述的氣體渦輪組件，其特征在于，所述環形段通過法蘭連接方式與支撐結構連接。
7.如前述權利要求之一所述的氣體渦輪組件，其特征在于，所述導向葉片(17、18)的環形段(RS1、...、RS3；RS5)在其內側具有絕緣件。
8.如前述權利要求之一所述的氣體渦輪組件，其特征在于，所述支撐結構(7′)具有用于施加冷卻流體的適宜部件(19)。
9.如前述權利要求之一所述的氣體渦輪組件，其特征在于，所述支撐結構(7′)具有用于熱絕緣的功能層(27)。
全文摘要
本發明涉及一種氣體渦輪組件(30)，它包括一壓縮機(1)、一燃燒室(3′)和一渦輪(2)，在壓縮機(1)內的公共轉子軸(4)上布置了多排壓縮機轉動葉片(5)，在渦輪(2)內布置了多排渦輪轉動葉片(6)，上述轉動葉片在通流方向上分別與壓縮機導向葉片(17)和渦輪導向葉片(18)的導向葉片列交替排列，所述導向葉片列緊固在一圍繞著轉子軸(4)的結構(7′或9、10′、14′)上。其中，導向葉片列的壓縮機導向葉片(17)和/或渦輪導向葉片(18)保持在多個分離環形段(RS1、…、RS3或RS5)上，該多個環形段彼此相連并與至少一個導向葉片列一同構成一整環，所述環形段(RS1、…、RS3或RS5)可分離地緊固在支撐結構(7′或9、10′、14′)上，以使得環形段(RS1、…、RS3或RS5)與緊固在其上的壓縮機導向葉片(17)或渦輪導向葉片(18)一起在保持支撐結構(7′或9、10′、14′)的同時可獨立地從支撐結構(7′或9、10′、14′)上拆卸下來，從而可簡化所述氣體渦輪組件(30)的安裝/拆卸。
文檔編號F01D25/24GK1589361SQ02823031
公開日2005年3月2日 申請日期2002年11月13日 優先權日2001年11月20日
發明者安德烈亞斯·格布哈特 申請人:阿爾斯通技術有限公司