CN105298915B - 用于燃气涡轮的压缩机组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮的压缩机组件。本发明整体涉及压缩机组件，并且更一般地涉及用于燃气涡轮的压缩机。根据优选实施例，本解决方案教导在由压缩机的外部壳体和内部静叶支架形成的腔体内定位分离器元件或隔膜，以将腔体分成两个子腔体。这有利地导致在凸缘放气抽取器的定位和腔体定尺寸方面更灵活的设计，因为凸缘位置不必像没有分离器元件时那样为流的边界。

Description

用于燃气涡轮的压缩机组件

技术领域

本发明整体涉及压缩机组件，并且更一般地涉及用于燃气涡轮的压缩机。

背景技术

如熟知的，在燃气涡轮中，冷却空气被从压缩机抽出。在稳态操作期间，冷却空气被抽出以用于冷却涡轮叶片的目的。在诸如启动和停机的瞬时操作期间，通常更大量的空气被抽出和释放到大气环境，以支持燃气涡轮的稳定操作并且避免例如压缩机中的失速。这种瞬时抽气被称为放气。

一般来讲，空气流被从压缩机环带抽吸通过泄放管道或槽口，并且收集在腔体中。腔体具有凸缘，流从该凸缘抽入发动机的外部管道系统中。这样的构型在不同的周向位置重复。在瞬态操纵中，流经由管道系统导引至涡轮以用于冷却或释放到大气环境。

腔体由压缩机壳体中的浇注空间或由压缩机静叶支架(常常称为C.V.C.)与压缩机外部壳体之间的开放空间形成。

更具体地，启动条件对于压缩机是潜在地危险的，因为压缩机在偏离设计条件的情况下操作。因此，存在流的较大失配，导致在叶片和静叶上的大入射角。这导致流分离。此外，在部分速度下，由于不充分的压缩，通过压缩机的体积流量变得太高。这导致偏离设计的轴向速度，该速度与叶片的恰当旋转速度不匹配。

为了改善此现象，通过在启动期间从指定的抽取点抽取大量空气来减小体积流量。空气接着将在放气系统中被清除。此外，在正常操作期间从主通道抽取显著减少量的空气，以用于冷却目的。

简言之，最佳压缩机泄放腔体的存在对于确保上述过程在启动和正常操作期间平稳地发生至关重要。一个重要的方面是腔体的尺寸，其必须容纳所需量的抽气。腔体的尺寸应迁就用于启动和正常操作两者的抽取的空气。

然而，为了实现最佳泄放流量，不仅在泄放系统的功能方面，而且在整个压缩机机械的整个结构和几何形状方面存在约束。

例如，小的泄放槽口将是期望的，因为它减小压缩机的轴向长度，并且因此减小成本。类似地，小的泄放腔体将减小成本并且也满足空间约束。

另一方面，从空气动力学角度来看，最佳泄放系统将是具有低流量损耗的系统。这较大程度上考虑了从抽气点直到管线的整个泄放系统。

知道流型对于最小化由于旋流导致的损失是重要的，并且对于改善腔体的几何形状(尤其是在拐角处的倒圆)是重要的。作为示例，图1示出了采用矩形形式的泄放腔体中的流态拓扑。流从泄放槽口离开并进入泄放腔体，由于流的突然旋转，其在泄放出口处立即形成旋流。这形成S形旋流，其中相邻的旋流来自腔体底部侧壁。此S形旋流的结果是形成在腔体中在向上方向上的流，该流接着分裂成移动远离彼此的两个90°的流。

当流到达拐角边缘时，它们形成旋流，并且再次竖直地向下移动，接近底部拐角边缘，形成旋流。然后，整个流态拓扑重复。

泄放腔体的构型对于放气连接中的流态拓扑具有影响。在泄放腔体中出现不同的流态拓扑是由于流从泄放槽口进入腔体。此外，旋流系统取决于圆周位置、放气质量流量和腔体的构型。腔体的高度在逼近沿着腔体的摩擦损耗的幅度中起重要作用。这可从CFD计算获得，然后可以进行关于来自不同流长度的各个颗粒的进一步计算，从而得到对摩擦损耗的更好逼近。

本领域已知的解决方案趋于在如上所述的设计和空气动力学方面进行折衷，以实现泄放和放气系统的最佳可能设计。

现有技术的关键点在于，根据腔体宽度和放气连接的凸缘位置，通常形成导致高的流量损耗的一系列旋涡。

发明内容

本发明的目的是通过提供一种压缩机组件来解决上述技术问题。

此外，本发明的目的还有提供一种用于燃气涡轮的压缩机。

根据将在以下具体实施方式中仅出于示例性而非限制性目的描述的优选实施例，本发明的解决方案教导在腔体内定位分离器元件或隔膜，其用来将由压缩机的外部壳体和内部静叶支架形成的腔体分隔成两个子腔体。如将从本发明的示例性和非限制性实施例的描述显而易见的，这有利地导致在凸缘放气抽取器的定位和腔体定尺寸方面更灵活的设计，因为凸缘位置不必像没有分离器元件或隔膜时那样为流的边界。此时可以在间隙和抽取流的压力损失方面优化部件。

根据优选实施例，分离器元件的存在减少了腔体中的热传递。事实上，通过提供两个子腔体，一个子腔体经历高的热传递，而另一个子腔体不暴露于高流速。

分离器元件由此用来以有利方式引导流，例如，减少旋涡数。这样减少了流量损耗。

根据优选实施例，腔体内壁也可例如利用绝缘材料或利用填充空气的腔体进行局部绝缘。

附加地和/或备选地，分离器元件可设有通气孔，以对后面的子腔体进行通气，即，在用于冷却或启动目的的流抽取不发生的地方的子腔体。有利地，由于潜在的泄漏，通气孔平衡相邻腔体的相邻子腔体之间的温度和压力，并且也可消除不可取的压差。

附图说明

本发明的上述目的和许多伴随优点将变得更易于了解，因为当结合附图时，通过参照以下具体实施方式，上述目的和许多伴随优点将变得更好理解，在附图中：

图1示出了泄放腔体中的流态拓扑的示例，该泄放腔体为矩形的；

图2-4示出了根据现有技术的三个备选的压缩机组件的侧剖视图，其中，用于抽取流的槽口位于沿着压缩机的轴向发展的三个不同位置处；

图5-8示出了根据本发明的压缩机组件的三个备选方案的侧剖视图，其中，用于抽取流的槽口位于沿着压缩机的轴向发展的三个不同位置处；

图9示出了在图5-8中描绘的分离器元件的细节。

具体实施方式

参照图2，在侧剖视图中示出了根据现有技术的压缩机的压缩机组件100。压缩机包括能够沿着轴线A旋转的转子200。

压缩机组件100包括大体上用附图标记3标示的压缩机外部壳体，外部壳体又包括放气开口4，放气开口4提供到外部管道系统(未示出)的必要的连接装置，以输送从压缩机抽出的空气流，从而有助于启动阶段和涡轮叶片冷却。与压缩机外部壳体3一体化的是静叶支架，压缩机的定子静叶50固定到静叶支架。在此图中，静叶支架部分30和40限定泄放管道或槽口5。压缩机组件100布置成使得外部壳体3与静叶支架30和40一起限定腔体6，以用于收集通过泄放管道5接收自压缩机的流体流。备选地，用于聚积流体流的腔体可由位于压缩机外部壳体中的浇注腔体形成。

流接着聚集在腔体内并且通过上文详述的放气开口4馈送到外部。应当理解，图1所示构型可沿着压缩机环带的轴向发展重复多次。更具体地，腔体6可具有相邻的腔体6'和6''，腔体6'由公共的静叶支架30部分地限定，并且腔体6''由公共的静叶支架40部分地限定。

在图1的布置中，由于泄放管道5定位在腔体6的中部周围，腔体中的温度大约类似于压缩机环带中。事实上，如熟知的，压缩机环带中的压缩空气的温度在由图中的箭头A指示的流动方向上轴向增加。在腔体和环带中具有基本上相同的温度有益于低的间隙和应力。然而，如上文参照图1所述，由腔体中的流经历的旋涡和旋流导致高的空气动力学损失。

在下面的图3和图4中所示布置基本上类似于图2的布置，区别在于，在图3中，腔体温度比起下面的环带平均更高，而在图4中，温度平均较低。在空气流通过放气开口4的放气期间，相比压缩机静叶支架30、40和转子200的材料温度，腔体中的流体的温度可以显著不同。例如，这可能发生在热再启动时，此时空气是冷的，但材料仍是热的。这会导致压缩机静叶支架的不期望的快速收缩和因此压缩机叶片的摩擦。

现在参照图5，示出了根据本发明的压缩机组件1。相对于此前的图2-4中所示的已知布置，根据本发明的压缩机组件1包括分离器元件7或隔膜，其位于腔体6中并且布置在其中，以将腔体6分成两个子腔体61和62。分离器元件7优选地沿着径向方向R径向布置在压缩机组件1中且在外部壳体3和静叶支架30之间。由于该解决方案，分离器元件将腔体分成第一子腔体61(其中高热传递被接受)和第二子腔体62，第二子腔体62相反不以相同的方式暴露于高流速和不期望的温度。分离器元件的定位可接着用来以有利方式引导流，并且例如用来减少旋涡数。结果，流量损耗由此减少。

优选地，可用绝热层81覆盖腔体6的一个或多个内壁。在燃气涡轮结构中大体上用来在瞬态期间使腔体的内壁绝缘(从而减少内壁的变形)的绝热层的示例通常可以是具有非常低的热导率的陶瓷基涂层。

存在许多技术来施加这些涂层。对于大的结构部件来说，APS (大气等离子喷涂)或HVOF (高速火焰喷涂)是更有用的。

备选地或附加地，也可以通过在壁的表面上形成凹部和经由具有低热导率的金属片屏蔽壁而将另外的绝缘提供至腔体的内壁并且特别地提供至压缩机静叶支架的壁。这样，有利地，在腔体内壁和金属表面之间插置绝热空气层。

优选地，分离器元件7也可包括在其表面上的通气孔(未示出)，以对子腔体62通气。这避免了由分离器元件7密封的子腔体由于潜在的泄漏而被相邻腔体6'的空气充满。元件7上的通气孔可消除不期望的压差。

后续的图6和7以与针对现有技术描述的类似的方式示出了具有两种不同构型的根据本发明的压缩机组件1，并且相应地：在图6中，腔体中的流的温度平均高于压缩机环带的对应部分中的流的温度；在图7中，腔体中的流的温度平均低于压缩机环带的对应部分中的流的温度。

现在参照下面的图8，示出了其中腔体6的多个内壁用绝热材料81覆盖的示例。此外，分离器元件7具有上端72和下端73，其位于嵌入腔体6的相应的相对内壁中的对应凹槽内。在此处描述的非限制性示例中，元件7插置在压缩机外部壳体3和压缩机静叶支架4之间。

优选地，分离器元件7可以是分裂成两个半部的金属片板。在一些情况下，它可能是更复杂的片材焊接构造，该构造包括加强肋，以具有更好地适应振动或发动机固有频率的频率响应。

根据稳态温度和在两个子腔体中预计的压差，可以选择不同的钢合金。对于冷应用来说，用于压力施加的钢经证明是合适的。对于较热的应用来说，可能需要耐热钢(铬基)。还必须特别注意氧化行为，因为碎屑会飞过管道并且完全堵塞涡轮冷却装置。

如上所述，分离器可以插入形成到腔体的内壁中的凹槽内。由于在泄放子腔体61和相邻子腔体62之间的压差，分离器元件7被压向流动方向。分离器元件7也可固定(借助于例如螺钉/焊接连接)到铸件中的一个，例如静叶支架或压缩机外部壳体，然后滑入其它部件中。用于在避免任何固定连接的同时确保分离器元件朝铸件的精确定位的中间选项是提供支撑元件(例如，焊接件/螺接支撑件/定位销)，该支撑元件限定其径向位置(与铸件中的一个同心)，但允许径向相对位移(一个部件比另一个部件增长得快)。这样，由于热应力导致的位移被引导但不受约束。这也避免了附加的连接，并且通过让分离器元件作为独立部分而有利于制造和维护。

参照最后的图9，根据是否必须确保腔体的两个子腔体之间的密封，分离器元件7的两个半部可能必须螺接到彼此(在左图中)。另一个更简单的备选方案是在两个半部之间具有密封唇缘(在右图中)。

虽然已结合优选实施例充分地描述了本发明，但显而易见的是，不考虑应用被这些实施例限制而由所附权利要求的内容限制的情况下，可以在本发明的范围内引入修改。

Claims (12)

1.一种用于燃气涡轮的压缩机(2)的压缩机组件(1)，所述压缩机组件(1)包括：

- 压缩机外部壳体(3)，其包括至少一个放气开口(4)；

- 静叶支架(30, 40)，其限定泄放管道(5)；

所述压缩机组件(1)布置成使得所述压缩机外部壳体(3)和所述静叶支架(30, 40)限定用于收集流体流的腔体(6)，所述腔体(6)适于通过所述泄放管道(5)接收流体并且通过所述放气开口(4)向外部馈送流体，

所述压缩机组件(1)的特征在于，其包括位于所述腔体(6)中的分离器元件(7)，以将所述腔体(6)分成两个子腔体(61, 62)，所述两个子腔体(61, 62)中的第一子腔体(61)与所述泄放管道(5)处于流体连接，且与所述放气开口(4)处于流体连接，并且所述两个子腔体(61, 62)中的第二子腔体(62)被所述静叶支架(30, 40)、所述压缩机外部壳体(3)和所述分离器元件(7)密封；

其中，所述分离器元件(7)沿着所述压缩机的径向方向R延伸。

2.根据权利要求1所述的压缩机组件(1)，其中，所述分离器元件(7)布置在所述压缩机外部壳体(3)和所述静叶支架(30)之间。

3.根据权利要求1所述的压缩机组件(1)，其中，所述腔体(6)的至少内壁(9)覆盖有绝热层。

4.根据权利要求3所述的压缩机组件(1)，其中，所述绝热层包括涂层材料(81)。

5.根据权利要求4所述的压缩机组件(1)，其中，所述涂层材料(81)为陶瓷基涂层。

6.根据权利要求3所述的压缩机组件(1)，其中，所述绝热层包括定位在所述腔体(6)的所述内壁上的金属片，所述内壁具有多个凹部，以在所述内壁和所述金属片之间建立绝热空气层。

7.根据权利要求1至6中的任一项所述的压缩机组件(1)，其中，所述分离器元件(7)包括在其表面上的通风孔。

8.根据权利要求1至6中的任一项所述的压缩机组件(1)，其中，所述分离器元件(7)具有位于对应的凹槽内的上端和下端(72, 73)，所述凹槽嵌入所述腔体(6)的相应的相对内壁中。

9.根据权利要求1至6中的任一项所述的压缩机组件(1)，其中，所述分离器元件(7)包括彼此相连的两个半部。

10.根据权利要求9所述的压缩机组件(1)，其中，所述两个半部由螺接元件连接。

11.根据权利要求9所述的压缩机组件(1)，其中，所述两个半部借助于密封唇缘连接。

12.一种用于燃气涡轮的压缩机(2)，其特征在于，其包括根据权利要求1至11中的任一项所述的压缩机组件(1)。