气体涡轮组件 【技术领域】
本发明涉及涡轮领域。其涉及如权利要求1的前序部分所述的气体涡轮组件。
背景技术
这种气体涡轮组件的工作介质的温度可能随当前的工作状态较快地改变。尤其在启动和关断以及负载变化期间，工作介质流过的组件在一个大的范围内被加热或冷却，但是其它组件经历了较慢的温度变化。
已知的气体涡轮组件具有为工作介质提供路径的内壳层和为内壳层提供支持和定中心作用的外罩。该外罩和内壳层具有相对较轻的质量。因此，它们能较快地被加热并能较快地再次冷却。相反，压缩机和涡轮的转子因为它们的高质量，加热和冷却都持续基本较长的时间。考虑到上述组件的不同热膨胀效果，叶片的游隙必须是这样的，即在所有运转条件下都能避免转动叶片紧靠内壳层的刷擦和导向叶片紧靠转子轴的刷擦。在热启动的情况下要求最大的游隙。为了确保该叶片游隙，必须允许一个比其自身所必需的游隙更大的游隙，以供全负荷使用。然而，这降低了气体涡轮组件的效率。
在已知的气体涡轮组件中装备了一个外罩，后者承担了内壳层地承载功能以及由于工作介质所产生的压力负荷。由于该双重功能，外罩不能最佳地适合于这两个任务之一，因为在该情况下另一个相应的功能必然会降低。
尤其是，在每个叶片更换期间，气体涡轮组件必须在一中平面处被打开，这需要高强度的劳动。此外，只有在设备充分冷却的情况下才能开始更换叶片。这导致长时间的停工，并伴随着气体涡轮组件动力输出的相应中断。
为了使气体涡轮组件能够更简单和更快地被安装和拆卸，在其它外的解决方案中，外罩具有多部件式设计。在这些解决方案中，各种外罩部件通过法兰在轴线方向和分型面上彼此连接。然而，这样的设计是复杂并昂贵的。
如图1到3中所再现的气体涡轮组件是DE 195 44 011中所推荐的。
图1到3中所示的气体涡轮组件29由压缩机1、涡轮2和布置在其间的燃烧室3组成。压缩机1和涡轮2装配在承载了多排压缩机转动叶片5和涡轮转动叶片6的公共转子轴4上(图1)。
气体涡轮组件29具有一个呈承载结构形式的公共外罩7，它包括两个与工作介质流动方向8垂直布置的十字形轴承支撑件9和两个或更多的与之成直角并将十字形轴承支撑件9彼此连接的纵向构件10。各十字形轴承支撑件9由两个同心环11和12构成。为了连接所述环11和12，径向肋13布置在其之间。纵向构件10均匀分布在外环12的圆周上，并用适宜的方式可分离地或不可分离地(例如通过焊接接头)与后者相连(图2)。
设计成环形承载盘的多个叶片承载件14在十字形轴承支撑件9和纵向构件19之间的空间中与转子轴4的轴线成直角地设置并与纵向构件10正交连接。为此目的，承载盘14具有与纵向构件10的形状相配的对应凹槽15(图2)。承载盘14因此可轴向位移地固紧在纵向构件10上。为了固定承载盘14的轴向位置，应当另外用螺钉(未示出)将其紧固在纵向构件10上。非正规或整体连接或本领域所公知的各种类型连接的组合均是可行的。相应数量的压缩机导向叶片17和叶轮导向叶片18(图1、3)通过叶片基座16固紧在承载盘14上。
十字形轴承支撑件9、纵向构件10和承载盘14装配在压缩机1的下游区域和涡轮的侧面，其内部具有与压缩机1连接并能被液态或气态冷却流体作用的冷却管或其它适宜的装置(图2、3)。这些部件或冷却管19同样可以横向排列。也可以通过外部冷却源进行冷却。
压缩机1和涡轮2在每种情况下都具有内壳20(图1)，其与转子轴4的表面一起构成工作介质的流道21并使所述流道与外部隔离。为此目的，多个蓄热段22可分离地布置在压缩机1和涡轮2的相邻导向叶片列17、18的叶片基座16之间的轴线方向上，并与叶片基座16一起构成内壳20(图1、3)。
涡轮2的相邻导向叶片列18的承载盘14在所有情况下都通过可分离地布置的耐压环23连接(图1、3)。类似的耐压环23布置在相邻导向叶片列17的承载盘14之间的压缩机1的下游区域内(图1)。在各耐压环23和相应的蓄热段22之间构成了环形空隙24(图3)。环形空隙24与压缩机1相连。它们当然也可以从外部通入外部冷却介质。承载盘14在其内部以已知的方式具有燕尾导轨和呈对应形状的叶片基座16，以锁定压缩机和涡轮的导向叶片17、18。
外罩7和承载盘14由于它们的冷却总是具有基本恒定的温度。压缩机和涡轮的导向叶片17、18的叶片基座16在承载盘14上也维持不变的半径。因此，能够为全负荷点设计最小的叶片游隙。同时，即使在热启动的情况下，也没有导向叶片17、18与转子轴4或转动叶片5、6与蓄热段22刷擦的危险。因此在效率增加的同时，关于涡轮2和压缩机1的工作游隙也能减小。
叶片的更换发生在笼式外罩7或承载结构的外部，换句话说通过这些结构进行叶片更换。为此目的，首先要移开耐压环23，随后更换蓄热段22，所述段22在流动方向8上布置在承载盘14的上游，其具有压缩机或涡轮导向叶片17、18。一个简单的辅助装置(这里未示出)用于支撑叶片。此后，承载盘14在其凹槽15内沿流动方向8相反的方向被水平地移动。这样，压缩机和涡轮的导向叶片17、18可以自由地接近，所以能够进行拆卸。最后，结果是，也为压缩机或涡轮的转动叶片5、6的更换提供了空间。安装以相反的顺序进行。
十字形轴承支撑件9、纵向构件10和承载盘14优选另外覆盖有用于热绝缘的功能层、由陶瓷/矿物材料组成的热保护层27(图2、3)。该热保护层27同样设置在耐压环23上(图3)。当然也可以使用热保护垫块。为了确保连接的稳定性，这些组件的各连接区域没有设计热保护层27。
然而，如图1到3所示的解决方案带来一些问题，尤其是压缩机导向叶片17或涡轮导向叶片18的复杂安装/拆卸所引起的问题(见上述涉及叶片更换的说明)。
US-A-5,127,797和US-A-5,564,897描述了气体涡轮组件，其中，在压缩机部分，在所有情况下，导向叶片列的导向叶片分别安装在一个环形段上并能够与环形段一起安装和拆卸。然而，环形段的紧固设计成这样的方式，即为了拆卸，必须将压缩机的整个外罩拆卸下来。
【发明内容】
因此，本发明的目的是以这样的方式设计一种气体涡轮组件，以使得其可避免现有技术中的缺陷，尤其是能够彻底简化导向叶片的安装和拆卸，并能够尽可能地降低叶片工作游隙。
该目的通过权利要求1的全部技术特征来实现。本发明的实质包括在所有情况下将导向叶片列的导向叶片保持在多个分离环形段中，所述环形段与至少一个导向叶片列构成一个整环，以及将所述环形段可拆卸地紧固到一外部承载结构上，通过这种方式，在保持所述承载结构的同时，所述环形段与紧固到其上的导向叶片一起能够单独地从所述承载结构上除去，。由此可以直接拆除和重装导向叶片而不需要像这样拆卸气体涡轮组件。
根据本发明的一优选改进方案，其安装/拆卸尤其简单，其中在任何情况下，所述环形段承载多个相邻导向叶片列的压缩机导向叶片或涡轮导向叶片。
根据本发明的另一优选改进方案，气体涡轮组件的安装/拆卸能够更进一步地简化，其中燃烧室呈环形形状并由多个环形段构成，所述环形段可分离地紧固在承载结构上并能在保持承载结构的同时从承载结构上拆卸下来，在该情况下，尤其是燃烧室可以在其中设置多个燃烧器，这些燃烧器被分配给各环形段并可与它们一起拆除。
本发明的承载结构的优选设计的特征在于，该承载结构包含多个环形承载盘，所述承载盘在轴向一个接一个地同轴分布并彼此间隔开，并通过在轴向延伸的多个纵向构件彼此连接，且所述环形段设置在相邻承载盘之间。
在该情况下，本发明同样也可以很容易地与从DE 195 44 011中获知的承载结构的冷却相结合。如前面介绍，其提供了在气体涡轮组件全负荷条件下确定叶片游隙以达到最小值的有利可能。
与现有技术中公知的承载结构冷却相结合，本发明还更进一步地提供了以下优点，即导向叶片的拆卸能够在气体涡轮组件关闭后立即或者至少是相对较短的时间内开始。
更进一步的实施例可从从属权利要求中获知。
【附图说明】
下面将通过示范性实施例并结合附图对本发明进行更详细的说明，其中
图1表示现有技术中具有一外部承载结构的气体涡轮组件的纵剖结构图。
图2表示图1中的承载结构的透视图。
图3表示图1中气体涡轮组件中的导向叶片和转动叶片的布置情况的放大详细图。
图4表示与图1相对比的本发明气体涡轮组件的优选示范性典型实施例。
图5表示转子圆周上承载结构中的环形段的布置情况的放大图。
图6表示一横截面，其更清楚地示出了圆周方向的环形段的布置情况。
【具体实施方式】
图4示出了与图1相对比的根据本发明的气体涡轮组件的优选示范性实施例。该气体涡轮组件30中与图1所示相同的各部件采用同样的附图标记表示。
图4中的气体涡轮组件30和图1中的气体涡轮组件29之间的本质区别在于外罩或外部承载结构7、7′的结构、压缩机1和涡轮2中导向叶片的固定、燃烧室3或3′的形状和结构。
此外，在气体涡轮组件30中，所述外罩或承载装置7′包括两个十字形轴承支撑件9，纵向构件10′和多个承载盘14′，从而具有与图2类似的结构。然而，与图1相反，没有为每个导向叶片列提供的承载盘，但是，替代的是，有极少几个彼此之间的间隙显著较大的承载盘14′。虽然承载盘14也可以直接携带导向叶片，但是它们实际上的任务是使环形段RS1、RS2、RS3、RS5可以固定到承载结构7′上。在每种情况下，多个(例如5到10个)所述环形段RS1、RS2、RS3、RS5分别形成一环绕转子轴4的内部绝缘环，该环与转子轴4同心并相继地排列在多个(在图4的例子中为两个)导向叶片列的内部。在每种情况下，环形段RS1、RS2、RS3、RS5排列并固定在相邻承载盘14′之间，并能够被单独地安装和拆卸。在此情况下，环形段例如可以以法兰连接方式固紧在承载盘上，图中仅示意性地示出了螺杆或双头螺栓25。环形段也可以通过插接件悬挂在承载结构的承载盘中。在此情况下，如果环形段RS1、RS2、RS3、RS4、RS5相对于承载结构，尤其是相对于承载盘14′有一些位移的话，对于不同的热膨胀补偿是很有利的，虽然为了将环形段以这样的方式固定到承载盘上，即避免转子4和环形段或转动叶片之间的刷伤，必须在径向上采取适当的措施。布置在轴向位置上的环形段也可以彼此固紧在一起；然而，它们同样也可以彼此对接，以使它们相互间可以位移，这对于热膨胀的补偿是很有利的。用气密方式将彼此间可相对位移的各部件密封的措施对本领域技术人员来说是熟知，例如可参考蓄热段的布置。
图5表示环形段的布置情况的放大图。如关于图3所述，承载结构的承载盘14′设有冷却管19。承载结构的良好冷却允许在运转中具有极小叶片游隙和最小的间隙尺寸。一环形段RS2在两承载盘之间轴向排列。它承载了三个导向叶片列的导向叶片LE。在安装状态下，导向叶片列的叶片LE与安装在转子轴4上的转动叶片列的转动叶片LA沿轴向交替排列。图6概略地示出了环形段RS2的轴向区域的截面图。这里，例如，8个环形段RS2排列在圆周上，它们一起构成一罩环并支撑导向叶片LE。如上所述，这些8个环形段可以用螺钉彼此紧固；但是，它们也可以同样有利地彼此对接，以使彼此间可以位移，这对于补偿热膨胀是很有利的。用气密方式将彼此间可相对位移的各部件密封的措施对本领域技术人员来说是熟知，例如可参考蓄热段的布置。同时，具有转动叶片LA的转子轴4(这里无法看见)居中地布置。由图中可明显看出，当与承载结构之间的连接和如果适宜的话与另一个环形段之间的连接解除后，每个环形段RS2沿径向很容易地被拆卸。环形段以法兰方式连接到承载结构上，例如，可利用在图5仅示意性示出的螺钉或双头螺栓连接件25。如果环形段RS1、RS2、RS3、RS4、RS5相对于承载结构(尤其是相对于承载盘14′)有一些移位性的话，对于不同的热膨胀补偿是很有利的，虽然为了将环形段以这样的方式固定到承载盘上，即避免转子4和环形段或转动叶片之间的刷伤，必须在径向上采用适当的措施。尽管是可位移的结构，为了实现工作介质的密封，在示范性的实施例中，密封件26(例如密封带)引入环形段和承载盘的凹槽中。这些密封件在凹槽内具有游隙，从而允许由凹槽尺寸基本上预先确定的相邻组件之间的可动性。在运转期间，当机器中流动的工作介质和周围环境之间出现压力差时，这些密封带由于压力差而被压到凹槽壁上，从而达到密封效果。同样，用于密封在圆周方向上彼此对接的环形段的密封带26仅仅在图6中以示意性的方式示出。
本发明类型的结构具有以下优点：如果导向叶片被损伤，它能很快地被消除，因为总体上气体涡轮组件的一开口基本上不再是必需的了。具有损伤导向叶片的环形段能够简单地拆卸并被更换。外罩或承载结构7′在该情况下保持不变。另外，当采用如图3中类似的方法设有内绝缘件时，环形段的温度相对较低，因此，关闭后的一较短冷却时间可供拆卸该环形段。
导向叶片列的分段和与此相关的优点优选扩展到压缩机1(环形段RS1、...、RS3)和叶轮2(环形段RS5)上。当采用具有呈环形布置的多个燃烧器的环形燃烧室3′时，装配/拆卸能够被进一步简化。在该情况下，燃烧室3′也可以包括多个环形段RS4，这些环形段可分离地固定在承载结构7′或9、10′、14′上，且在承载结构的维护期间能够从承载结构7′或9、10′、14′上拆卸下来，例如当其中一个燃烧器28必须维修或更换时。
总的来说，本发明导致了气体涡轮组件中的导向叶片列的安装/拆卸的实质性简化。
附图标记列表
1 压缩机
2 涡轮
3、3′ 燃烧室
4 转子轴
5 压缩机转动叶片
6 涡轮转动叶片
7、7′ 外罩(承载结构)
8 流动方向
9 十字形轴承支撑件
10、10′ 纵向构件
11 环
12 环、外环
13 肋
14、14′ 叶片承载件、承载盘
15 凹槽
16 叶片基座
17 压缩机导向叶片(导向叶片列)
18 涡轮导向叶片(导向叶片列)
19 冷却管
20 内壳
21 流道
22 蓄热段
23 耐压环
24 环形空隙
25 螺钉或双头螺栓连接
26 密封件、密封带
27 热保护层
28 燃烧器
29、30 气体涡轮组件
RS1、...、RS5 环形段