專利名稱：殼體的部件，尤其是渦輪機的殼體的部件的制作方法
技術領域：
本發明涉及殼體的部件，尤其是用于燃氣輪機、蒸汽輪機或壓縮機的殼體的部件， 該部件由整塊材料構成，其中，該部件包括空腔，所述空腔沿著燃氣輪機、蒸汽輪機或壓縮機的旋轉軸線的圓周延伸，該空腔包括徑向外壁和徑向內壁、用于將冷卻介質供應到空腔中的入口孔、用于將冷卻介質從空腔中排出的出口孔，該徑向內壁設置有用于支撐至少翼片或朝向轉子葉片的轉子密封件或用于這些翼片或密封件的承載件的機構。此外，本發明涉及一種渦輪機或壓縮機，尤其是燃氣輪機，該燃氣輪機包括殼體，該殼體包括至少一個前面提到的部件。
背景技術：
尤其是燃氣輪機、蒸汽輪機或壓縮機的旋轉式設備通常以其動力輸出量或吸入量、效率和制造成本來評估。在燃氣輪機中，價格與動力輸出量的比對于消費者而言是重要的經濟指標。考慮到平均使用壽命和對于整個使用壽命期間預測的燃料價格，簡單的數學計算允許進行第一次預估，該第一次預估協助購買者做決定。從供應者的方面來看，考慮到用于提高效率的大多數技術措施，低的制造成本和高的效率是相互矛盾的。在DE 39 41 174A1中公開了一種效率提高的可行方案。該公開文本的教導是，關于效率的有利效果可以由徑向轉子間隙的降低來獲得，徑向轉子間隙的降低可通過利用從壓縮機或燃氣輪機中排出的冷空氣冷卻內殼體來實現，所述內殼體安裝在的外殼體中。內殼體的冷卻降低了該部件的熱膨脹，并且該收縮降低了在靜止密封件和旋轉葉片或者靜止葉片和旋轉密封件之間的徑向間隙。因此，由在燃氣輪機的熱氣體路徑中的第二氣流引起的損失降低，并且效率或總動力輸出量增加。然而，這樣的解決方案是昂貴的。取決于燃料價格，帶有低效率的更廉價的機器可更好地投入市場。
發明內容
因此，本發明的目的是，提高一種開頭所提到的類型的機器的效率，而不顯著提高制造成本。另一個目的是，簡化帶有高效率的開頭所提到的類型的機器來增強可利用性。公開了一種殼體的部件，尤其是用于渦輪機的，優選燃氣輪機、蒸汽輪機或壓縮機的殼體的部件，該部件由整塊材料構成，其中，該部件包括空腔，所述空腔沿著燃氣輪機、蒸汽輪機或壓縮機的旋轉軸線的圓周延伸，該空腔包括徑向外壁和徑向內壁、用于將冷卻介質供應到空腔中的入口孔、用于將冷卻介質從空腔中排出的出口孔，該徑向內壁設置有用于支撐至少翼片或朝向轉子葉片的密封件或用于這些翼片或密封件的承載件的機構。根據本發明，徑向內壁被認為是殼體部件的獨立部分，與徑向外壁相比，該徑向內壁沿著相對于旋轉軸線明顯更小的平均半徑延伸。這些壁在其尺寸的第二個維度中實際上遵循與旋轉軸線有關的圓周路徑。術語“軸向”、“徑向”、“圓周”總是參照旋轉軸線。
根據本發明，通過降低部件的數量來降低制造成本，因為殼體構造為整塊材料。有利的不僅是必要儲存容量的減小，還有在設計和制造以及裝配的復雜性方面的降低。尤其在旋轉式設備領域中，為了在考慮到啟動和停機的短暫狀態的情況下避免在移動的和靜止的部件之間的任何接觸，必須謹慎地調整轉子間隙。不同殼體部件相對彼此的常規連接和支撐也是一項精密的任務，該任務顯著地提高了成本。根據本發明，通過降低的葉片尖端間隙提高總的能量輸出量和效率，因為殼體的內部件具有降低了的溫度，進而具有與轉子膨脹相關的尤其在徑向方向上降低了的熱膨脹。本發明的優選的實施方式設置有空腔的開放端部，該開放端部位于空腔的一個軸向側上，徑向內壁和徑向外壁在該處不由部件的整塊式的材料連接。這樣的設計造成了徑向內壁的基本上自由的端部，并且使承載靜止部件的徑向內壁的大的徑向移動成為可能， 所述靜止部件朝向旋轉部件，與旋轉部件共同形成轉子密封。此外，可通過將用于支撐翼片或徑向內壁的密封件的機構定位在接近于空腔的開放端部的軸向一半來提高轉子密封件的靜止部件相對于旋轉部件的徑向位移的可能性。此夕卜，這個影響可隨著徑向內壁在機器的軸向方向上延伸得更長而提高。出于相同的原因，在相應最大尺寸處，空腔的軸向長度與徑向長度的比大于2. 5。當雙重的殼體設計成具有內部的熱殼體和外部的冷殼體時，通常避免了在殼體在徑向方向上分離時的高應力問題，由此提出的設計方案優選具有在幾何形狀上最優化的比例，該比例適于滿足機械完整性。該優化目標可通過徑向內壁設置有相比徑向外壁更小的徑向厚度來實現。優選地，在最薄的壁厚度的相應位置處，徑向內壁與徑向外壁的徑向厚度的比在0.3至0.8之間。為了獲得合理的冷卻介質消耗量，并且為了將冷卻效果限制在如下區域，在所述區域，降低了的熱膨脹改變徑向間隙，有利的是，徑向內壁或徑向外壁設置有用于安裝覆蓋件的機構，該覆蓋件密封空腔的開放端部。這個覆蓋件應安裝到徑向壁中的僅一處，因為期望改變徑向間隙的移動可通過其它方式來阻止。為了由本發明獲得最高的經濟效益，合理的是，將所述部件作為鑄件制造。優選的是，該部件構造為殼體圓周部段的部件。本發明的優選應用領域是將該部件合并到燃氣輪機中。優選地，根據本發明的兩個所述部件一起安裝在水平的分割平面中，該分割平面緊鄰于或一致于或/且平行于燃氣輪機的旋轉軸線。然而，根據本發明的該部件也可構造為不帶有殼體的水平的分割平面的桶式部件，該桶式部件提高了機械整體性，但可能具有在裝配和設計方面的缺點。當殼體完成時，整合在根據本發明的部件中的空腔優選在空腔的軸向平面中在整個圓周上延伸，以用于獲得在整個圓周上期望的均勻地間隙控制。優選地，為了獲得所期望的冷卻效果，冷卻介質是由來自燃氣輪機的壓縮機的排氣以足夠質量流構成的空氣。在供應冷卻介質的管路中的控制閥可設置為用于調節空腔的冷卻和由此造成的間隙降低，該間隙降低尤其在短暫運行期間是顯著有利的。另一優選實施方式設置有到至少一個翼片內通道的管道，該管道連接到空腔出口，用于通過冷卻介質冷卻翼片。因為在現代的高溫且高效率的燃氣輪機中，至少在動力渦
5輪機的在燃燒室后面的第一級中的燃氣輪機熱氣體路徑中的冷卻部件是相當普遍的，所以通過使用冷卻介質或者說來自壓縮機排氣的空氣降低徑向間隙，不顯著提高燃氣輪機的冷卻空氣消耗量。根據這種實施方式，全部的冷卻空氣量也可用于冷卻在熱氣體路徑中的這些部件。帶有類似優點地，翼片通道可連接到冷卻介質供應裝置或轉子的接收裝置，所述冷卻介質供應裝置朝待冷卻的旋轉部件的方向噴射冷卻介質，所述接收裝置利用通道系統將同樣的冷卻介質供應給在熱氣體路徑中的轉子部件。在熱氣體路徑中的翼片和部件優選為轉子葉片，其可設置有如下整體，在該處，表面與這些部件中的冷卻通道連接，用于一定量的冷卻介質的排氣，并且為了提高燃氣輪機的最大熱氣體溫度，在熱氣體路徑中的這些部件的表面上形成冷卻膜。連續冷卻或從空腔開始以及以在熱氣體通道中的部件繼續，弓丨起了非常高的冷卻效率或低的冷卻空氣消耗量，連續冷卻或從空腔開始實現燃氣輪機的徑向間隙控制。
參考下面結合附圖實施本發明的當前最佳方式的說明，本發明的上述特性和其它特征及優點以及實現它們的方法變得更清楚，并且發明本身得到更好的理解，其中圖1示出在沿燃氣輪機的旋轉軸線的方向上的縱向剖視圖；并且圖2示出在圖1中以羅馬數字II標出的細節。
具體實施例方式圖1示出穿過沿著旋轉軸線2的燃氣輪機1的部分剖視圖，其描述了燃燒室3的出口和動力渦輪機4的第一級。圖2示出了渦輪機殼體11的細節，這些細節對于本發明而
言是重要的。轉子5沿旋轉軸線2延伸，該轉子包括轉子盤6，轉子葉片7安裝到這些轉子盤上。 為熱燃燒氣體8的過程氣體沿著裝備有引導翼片10和轉子葉片7的熱氣體路徑流過燃氣輪機1。熱燃燒氣體8可局部達到高達2000°C的溫度，該溫度可能超過位于熱氣體路徑9 中的組件的材料性質。引導翼片10是靜止的，并且直接或間接地安裝到殼體11上。多個引導翼片10和多個轉子葉片7的對形成渦輪機級12，所述引導翼片和轉子葉片各自構造成環繞的翼片排或葉片排翼片及葉片在其分別安裝到殼體或轉子的相對的端部處設置有轉子密封件13，以用于避免熱燃燒氣體從旁路經過相應的翼片或葉片。這些轉子密封件13是迷宮式的，并且允許靜止的和旋轉的部件由于徑向間隙而相對移動。根據本發明，燃氣輪機1的效率隨著在轉子密封件13中的徑向間隙的受控制的降低而升高。殼體11包括部件14，該部件設置有空腔15，該空腔沿著旋轉軸線2的圓周延伸。 圖片僅示出了部件14，該部件實際上與殼體11的另一個部件14在有關本發明的特征方面是相同的，其中，兩個部件14在水平的分割平面16中聯接在一起，該分割平面沿著旋轉軸線2延伸。空腔15包括徑向外壁16和徑向內壁17，該徑向內壁17比徑向外壁18更薄。兩個徑向的壁沿圓周延伸。此外，空腔15設置有用于將冷卻介質20供應到空腔15中的入口孔19和用于將冷卻介質20排出的出口孔21。部件14連同徑向外壁17和徑向內壁18 — 起由整塊材料形成，并且通過鑄造制成。空腔15包括軸向的開放端部22，并且徑向內壁18 與徑向外壁17在開放端部22處不由部件14的整塊材料連接。在開放端部處的斷開造成了準自由端部，該端部允許徑向內壁18的足夠的靈活性。開放端部22由覆蓋件23密封，該覆蓋件安裝到徑向內壁18或徑向外壁17中的一個上；在這個示例中，封閉了徑向內壁18。 覆蓋件23基本上是環，該環出于安裝目的可設置有在水平分割平面16中的分割縫。覆蓋件23允許徑向內壁18和徑向外壁17的由于與其中僅一個的剛性連接而引起的相對移動。 當將冷卻介質20通過入口孔19供應到空腔15中時，尤其是徑向內壁18的熱膨脹降低，這引起在旋轉軸線2的方向上的收縮。在轉子密封件13中的間隙減小，這引起更低的泄漏， 并且提高了動力渦輪機4的效率。為了增強間隙降低的效果，在最薄壁的相應位置處，徑向內壁18的和徑向外壁17 的徑向厚度的比是0.65。此外，在相應的最大尺寸處，空腔15的軸向長度與徑向距離的比大于2. 5，在這里是3. 1。徑向內壁18支撐轉子密封件13，該轉子密封件密封通向動力渦輪機4的第一級的轉子葉片7的徑向縫隙。該轉子密封件13安裝到徑向內壁18的自由端部M上。通常，用于支撐這些轉子密封件13或翼片10的機構位于徑向內壁18的優選接近于空腔的開放端部22的軸向一半。通常從燃氣輪機1的未描述的壓縮機級中抽出的冷卻介質20通過出口離開空腔 15，并且進入動力渦輪機4的第二級的翼片10。較小一部分通過第二出口孔25離開空腔 15，并且為了冷卻目的而直接噴射到在第一級的轉子葉片7前面的熱氣體路徑9中。通到引導翼片10的內通道沈中的部分冷卻介質20的冷卻引導翼片10，并且隨后被引導到供應裝置27。供應裝置將冷卻介質20的流觀供應到設置在下游轉子葉片7的轉子盤6上的接受孔四中。冷卻介質20通過另一個通道系統13冷卻轉子葉片7，并且最終穿過在葉片表面中的孔噴射到熱氣體路徑9中。所噴射的冷卻介質20在轉子葉片7的表面上形成冷卻層。
權利要求
1.殼體(11)的部件(14)，尤其是燃氣輪機(1)、蒸汽輪機或壓縮機的殼體(11)的部件，所述部件由整塊材料構成，其中，所述部件(14)包括空腔(15)，所述空腔(1 沿所述燃氣輪機(1)、蒸汽輪機或壓縮機的旋轉軸線O)的圓周延伸，所述空腔(15)包括徑向外壁 (17)和徑向內壁(18)、用于將冷卻介質(20)供應到所述空腔(15)中的入口孔(19)、用于將所述冷卻介質00)從所述空腔(15)排出的出口孔01)，所述徑向內壁(18)設置有用于支撐至少翼片(10)或朝向轉子葉片(7)的轉子密封件(13)或用于這些翼片(10)或密封件(1 的承載件的機構，其特征在于，所述空腔(15)包括在所述空腔(15)的一個軸向側上的開放端部(22)，在該處所述徑向內壁(18)和所述徑向外壁(17)不由所述部件(14)的整塊材料連接。
2.根據權利要求1所述的部件(14)，其中，用于支撐的機構位于所述徑向內壁(18)的軸向一半，所述徑向內壁的軸向一半相比于所述空腔(15)的另一軸向一半，更接近所述開放端部(22)。
3.根據前述權利要求1或2中至少一項所述的部件(14)，其中，所述徑向內壁(18)具有比所述徑向外壁(17)更小的徑向厚度。
4.根據權利要求3所述的部件(14)，其中，在最薄的壁厚度的相應位置處，所述徑向內壁(18)與所述徑向外壁(17)的徑向厚度的比在0.3至0.8之間。
5.根據前述權利要求1至4之一所述的部件(14)，其中，在相應最大尺寸處，所述空腔 (15)的軸向長度與徑向距離的比大于2. 5。
6.根據前述權利要求1至5中至少一項所述的部件(14)，其中，所述徑向內壁(18)或所述徑向外壁(17)設置有用于安裝覆蓋件03)的機構，所述機構密封所述空腔(15)的所述開放端部02)。
7.根據前述權利要求1至6中至少一項所述的部件(14)，其中，所述部件(14)是鑄件。
8.渦輪機，尤其是燃氣輪機(1)，包括殼體(11)，所述殼體包括至少一個根據前述權利要求1至7中至少一項所述的部件(14)。
9.根據權利要求8所述的渦輪機，其中，用于支撐至少一個翼片(10)或朝向轉子葉片 (7)的轉子密封件(13)的機構支撐動力渦輪機(4)的第一級的至少一個翼片(10)或朝向轉子葉片⑵的轉子密封件(13)。
10.根據權利要求8、9中的至少一項所述的渦輪機，其中，所述殼體(11)設置有分割平面(16)。
11.根據權利要求8至10中至少一項所述的渦輪機，其中，所述空腔(15)在整個圓周上延伸。
12.根據權利要求8至11中至少一項所述的渦輪機，其中，冷卻介質00)作為來自燃氣輪機(1)的壓縮機的排氣的空氣。
13.根據權利要求8至12中至少一項所述的渦輪機，其中，通向翼片(10)的至少一個內通道06)的管道連接到所述空腔(15)的出口上，以用于通過所述冷卻介質OO) 來冷卻所述翼片(10)。
14.根據權利要求13所述的渦輪機，其中，所述翼片(10)的所述至少一個內通道06) 連接到冷卻介質供應裝置(XT)上，所述冷卻介質供應裝置將所述冷卻介質OO)噴射到設置在所述轉子( 處的接收裝置09)中，所述冷卻介質OO)被供應到轉子冷卻通道系統(13)中。
15.根據前述權利要求13和14中至少一項所述的渦輪機，其中，所述翼片(10)和/或所述轉子冷卻通道系統(1 設置有孔，所述冷卻介質00)通過所述孔噴射到所述渦輪機的熱氣體路徑(9)中，以用于在所述翼片(10)或所述轉子(5)的部件上構建冷卻膜層。
全文摘要
本發明涉及一種殼體(11)的部件(14)，尤其是燃氣輪機(1)、蒸汽輪機或壓縮機的殼體(11)的部件，所述部件由整塊材料構成。此外，涉及一種包括上面類型的部件的渦輪機。為了提高效率，而不增加制造成本，本發明提出，所述部件(14)包括空腔(15)，空腔沿燃氣輪機(1)、蒸汽輪機或壓縮機的旋轉軸線(2)的圓周延伸，所述空腔(15)包括徑向外壁(17)和徑向內壁(18)、用于將冷卻介質(20)供應到空腔(15)中的入口孔(19)、用于將冷卻介質(20)從空腔(15)排出的出口孔(21)，徑向內壁(18)設置有用于支撐至少翼片(10)或朝向轉子葉片(7)的轉子密封件(13)或用于這些翼片(10)或密封件(13)的承載件的機構。
文檔編號F01D25/26GK102459823SQ201080027318
公開日2012年5月16日 申請日期2010年4月16日 優先權日2009年4月17日
發明者安德斯·哈格馬克 申請人:西門子公司