具有外壳屏蔽件的燃烧部段的制作方法

具有外壳屏蔽件的燃烧部段
1.本发明涉及燃气涡轮机的燃烧部段，该燃烧部段包括环形燃烧室和环形燃烧外壳，其中，燃烧外壳包括具有用于防止温度快速变化的装置的不同部段。
2.从现有技术来看，具有环形燃烧室的燃气涡轮机是公知的。在通常的布置结构中，燃烧外壳布置在燃烧室的外部。此外，根据燃烧室相对于流动通道和压缩机以及膨胀涡轮机的布置结构，燃烧外壳还包括布置在燃烧室的上游并沿径向方向延伸的上游部段。为了获得足够的刚度并且也为了使燃烧室能够固定，燃烧外壳的另一内部段布置成更靠近转子轴线，该转子轴线从上游部段的径向内端部开始沿轴向方向延伸。由于内部段的位置，其被压缩空气流过，并且由于靠近燃烧室的布置结构而进一步被加热。这导致了内部段的热膨胀，特别是在燃气涡轮机启动时进一步导致了热应力。
3.为了避免燃气涡轮机的各部件处的临界应力，启动过程会减慢或者应用额外的冷却特征。
4.本发明的任务是简化冷却特征，并且由此使燃气涡轮机能够快速启动。
5.该任务通过根据权利要求1所述的燃烧部段来解决。有利的解决方案是从属权利要求的主题。
6.通用的燃烧部段有意地是燃气涡轮机的一部分。因此，燃气涡轮机限定了转子轴线并且具有上游侧和下游侧。燃气涡轮机还包括相对于燃烧部段布置在上游侧的压缩机部段和相对于燃烧部段布置在下游的膨胀涡轮部段。
7.每个燃烧部段均包括燃烧室。在此，燃烧室是围绕转子轴线的环形燃烧室。此外，燃烧部段包括位于燃烧室的上游的具有沿周向方向分布的若干燃烧器的燃烧器装置。
8.在燃气涡轮机的压缩机部段的下游，至少部分地在燃烧部段内布置有环形压缩机扩散器。压缩机扩散器包括限定了通过压缩机扩散器的流动通道的环形内扩散器壁和环形外扩散器壁。在此，外扩散器壁的位于外扩散器壁的下游侧的壁端部与本发明进一步相关。
9.燃烧部段还包括至少部分地围绕环形燃烧室的环形燃烧外壳。在此，燃烧外壳具有外部段壁和上游部段壁以及内部段壁。外部段壁沿着转子轴线延伸并且相对于燃烧室布置在径向外侧。上游部段壁从外部段壁的上游端部径向向内延伸，并且因此其相对于燃烧室布置在上游。在一般的解决方案中，燃烧器装置穿透上游部段壁，但是也可能的是燃烧器装置也被燃烧外壳覆盖并且因此位于上游部段壁的下游。内部段壁从上游部段壁的径向内端部开始沿着转子轴线延伸。在此，内部段壁位于径向外侧的燃烧器装置与径向内侧的压缩机扩散器之间。
10.因此，外扩散器壁在轴向方向上至少部分地与内部段壁重叠。因此，壁端部在轴向方向上位于上游部段壁与内部段壁的下游端部之间。
11.为了保护燃烧部段免受热应力，在燃烧部段内布置有屏蔽件。尽管燃烧室对燃烧部段的部件造成高的热负荷，但是屏蔽件布置在内部段壁的面向转子轴线的一侧。有必要将在屏蔽件与内部段壁之间的自由空间保持为内部段壁的长度的至少一半长度。因此，外扩散器壁的壁端部需要沿轴向方向布置在屏蔽件的上游端部与屏蔽件的中部之间。因此，压缩空气的流首先经过外扩散器壁并且进一步经过屏蔽件。
12.需要注意的是，不必要的是，屏蔽件与内部段壁没有接触或者自由空间沿着屏蔽件的整个长度连续。首先，可以应用一些附接装置来将屏蔽件附接至内部段壁。其次，在屏蔽件的开端和/或末端处，内部段壁与屏蔽件之间的自由距离可以减小到零。
13.通过在内部段壁的内侧布置屏蔽件可以修改压缩机部段部件的位移，特别是在燃气涡轮机启动时，与在内部段壁的内侧没有屏蔽件的一般解决方案相比，以这种方式热应力显著减小。
14.为了实现由于屏蔽件引起的改进，没有必要在上游部段壁处也布置屏蔽件。相反，有利的是，屏蔽件的上游端部与上游部段壁的径向内端部之间在轴向方向上存在距离。
15.原则上存在两种可能性来实现屏蔽件与内部段壁之间的自由空间(也可以结合)。首先，可以在内部段壁处附接间隔开的屏蔽件，其中，内部段壁在面向转子轴线的内侧具有连续的内表面，例如筒形径向内侧。但是有利的是在内部段壁处的径向内侧布置凹部。因此，特别地将屏蔽件布置在凹部内，使得内部段壁的位于屏蔽件上游和屏蔽件下游的径向内侧以及进一步地屏蔽件的径向内侧形成连续的内光滑表面。
16.如果给出了凹部，则凹部的底面是内部段壁在屏蔽件区域内的径向内侧。如果径向内侧与屏蔽件一起提及，则相对于内部段壁的内侧而言，与屏蔽件处于相同的轴向位置的内部段壁是指常规的内部段壁。
17.屏蔽件与内部段壁之间在径向方向上的自由空间的尺寸应当足以实现热保护特征。因此，有利的是，屏蔽件与内部段壁的径向内侧之间的自由空间(自由距离)是从内部段壁的径向外侧到屏蔽件的径向内侧的布置结构的厚度的至少0.1倍。在此，特别有利的是，自由距离是该布置结构的厚度的至少0.15倍。(其中，自由距离和厚度在相同的轴向位置处确定。)
18.为了将该布置结构的尺寸保持在有用的范围内，应当保持小的自由空间。因此，有利的是，屏蔽件的径向外侧与内部段壁的径向内侧之间的自由距离是从内部段壁的径向外侧到屏蔽件的径向内侧的布置结构的厚度的至多0.3倍。在此，特别有利的是，自由空间是该布置结构的厚度的至多0.2倍。
19.根据外扩散器壁的相对位置来优化自由空间是更有益的。在此，有利的是，屏蔽件的径向外侧与内部段壁的径向内侧之间的自由距离是从屏蔽件到外扩散器壁的距离的至少0.5倍。还特别有利的是，自由距离是屏蔽件与外扩散器壁之间的距离的至少0.7倍。
20.另一方面，有利的是，屏蔽件的径向外侧与内部段壁的径向内侧之间的自由距离是从屏蔽件到外扩散器壁的距离的至多1.5倍。还特别有利的是，自由距离是屏蔽件与外扩散器壁之间的距离的至多0.9倍。
21.如果在内部段壁的外侧附接有内覆盖部，则可以有利地实现进一步防止快速热传递到燃烧外壳中、特别是传递到内部段壁中。因此，内覆盖部在内部段壁处布置成与屏蔽件相反。在此，内覆盖部与内部段壁之间有必要具有内间隙。
22.由于在内部段壁的外侧关于空间的问题较少，因此可以将内覆盖部附接到内部段壁上。为了封闭在下游侧的内间隙，更有利的是，内覆盖部包括朝向内部段壁的弯折部。在此，特别有利的是，弯折部与内部段壁接触。
23.关于屏蔽件和自由空间，优选的是，内间隙在内部段壁与内覆盖部(没有弯折部)之间具有约为屏蔽件的径向外侧与内部段壁的径向内侧之间的自由空间的尺寸的宽度。在
此，有利的是，宽度是自由距离的至少0.6倍和至多1.5倍。特别有利的是，宽度是自由距离的至少0.8倍和至多1.2倍。
24.类似地，如果在上游部段壁的下游侧附接有上游覆盖部，则可以有利地实现防止热快速传递到燃烧外壳中、特别是传递到上游部段壁中。在此，上游覆盖部与上游部段壁之间有必要具有上游间隙。
25.由于在下游部段壁的下游侧关于空间的问题较少，因此可以将上游覆盖部附接到上游部段壁上。为了在径向外侧封闭上游间隙，更有利的是，上游覆盖部包括朝向上游部段壁的弯折部。在此，特别有利的是，弯折部与上游部段壁接触。
26.关于屏蔽件和自由空间，优选的是，上游间隙在上游部段壁与上游覆盖部(没有弯折部)之间具有约为屏蔽件的径向外侧与内部段壁的径向内侧之间的自由空间的尺寸的宽度。在此，有利的是，宽度是自由距离的至少0.6倍和至多1.5倍。特别有利的是，宽度是自由距离的至少0.8倍和至多1.2倍。
27.为了优化上游部段壁与内部段壁之间的边缘中的燃烧外壳的热保护，更有利的是将上游覆盖部与内覆盖部连接。通过该解决方案，从内间隙到上游间隙的连续间隙可以通过内覆盖部和上游覆盖部与内部段壁和上游部段壁之间的保护距离来实现。
28.以下附图示出了用于在燃烧外壳处使用屏蔽件的示例性解决方案。
29.图1示出了燃气涡轮机的示意性草图；
30.图2示出了创造性燃烧部段的示例；
31.图3示出了根据图2的在燃烧外壳处的屏蔽件和覆盖部的布置结构。
32.在图1中，示出了燃气涡轮机02的示意性草图，燃气涡轮机02在燃气涡轮机02的上游侧03具有压缩机部段06并且在燃气涡轮机02的下游侧04具有膨胀涡轮部段09。在压缩机部段与膨胀涡轮部段之间定位有燃烧部段01。在此，燃烧部段01包括环形类型的燃烧室07。在燃烧部段07的上游侧03附接有燃烧器装置08，该燃烧器装置08包括沿周向方向分布的若干燃烧器。燃烧室07被燃烧外壳11覆盖，其中，燃烧外壳11被燃烧器装置08的燃烧器穿透。
33.在图2中，示出了用于创造性燃烧部段01的示例性设计。燃烧室07绕转子轴线延伸。燃烧器装置08的燃烧器位于相对于燃烧室07的上游侧。在该示例性解决方案中，燃烧外壳11由外部段壁12和上游部段壁13以及内部段壁14构建，外部段壁12布置在燃烧室07的径向外侧，上游部段壁13布置在燃烧室07的上游侧并且被燃烧器装置08的燃烧器穿透，内部段壁14相对于燃烧器装置08布置在径向内侧。
34.燃烧部段还包括压缩机扩散器15，该压缩机扩散器15附接在压缩机部段06的下游侧并且相对于内部段壁14位于面向转子轴线的一侧。在该布置结构中，扩散器由压缩机扩散器15的径向外侧的外扩散器壁16和压缩机扩散器15的径向内侧的内扩散器壁19构建。
35.本发明可以通过图3的详细视图进一步解释。如图所示，在内部段壁14处附接屏蔽件21，在内部段壁14与屏蔽件21之间具有自由空间。在该示例性解决方案中，自由空间22由凹部22实现。为了在屏蔽件21的上游和屏蔽件21的下游与内部段壁14实现光滑的内表面，如附图中所示出的，屏蔽件21被布置在凹部22内。该凹部产生内部段壁14的径向内侧与屏蔽件21的径向外侧之间的自由距离24——相对于同一轴向位置。
36.具有内部段壁14和屏蔽件21的布置结构限定了该布置结构的在屏蔽件21的位置处从屏蔽件21的径向内侧到内部段壁14的径向外侧的厚度23。在该示例性解决方案中，使
用了该布置结构的厚度23的约四分之一的自由距离24。
37.接下来可以看到的是外扩散器壁16的壁端部18，该壁端部18在轴向方向上定位在屏蔽件21的上游端部与屏蔽件21的中部之间。如附图中所示出的，从壁端部18到屏蔽件21的距离与自由距离24大约相同。
38.作为进一步的改进，使用了布置在内部段壁14处的径向外侧的内覆盖部25和布置在上游部段壁13处的下游侧的上游覆盖部28。在内覆盖部25处应用内间隙26并且在上游覆盖部28处应用上游间隙29来保护燃烧外壳11，特别是在上游部段壁13与内部段壁14之间的拐角处防止由于燃气涡轮机02的启动而引起的快速热膨胀。作为进一步的选择，在覆盖部25、28两者处布置有弯折部27、30，弯折部27、30各自与相应的部段壁13、14接触。

技术特征：
1.一种燃气涡轮机(02)的燃烧部段(01)，所述燃气涡轮机(02)具有转子轴线和上游侧(03)以及下游侧(04)并且包括压缩机部段(06)和所述燃烧部段(01)以及膨胀涡轮部段(09)，所述燃烧部段(01)包括：-环形燃烧室(07)，以及-燃烧器装置(08)，所述燃烧器装置(08)位于所述燃烧室(07)的上游，以及-环形压缩机扩散器(15)，所述环形压缩机扩散器(15)位于所述压缩机部段(06)的下游，所述环形压缩机扩散器(15)具有环形内扩散器壁(19)和环形外扩散器壁(16)，所述环形外扩散器壁(16)具有位于所述下游侧的壁端部，以及-环形燃烧外壳(11)，所述环形燃烧外壳(11)具有外部段壁(12)和上游部段壁(13)以及内部段壁(14)，所述外部段壁(12)沿着所述转子轴线延伸并且相对于所述燃烧室(07)布置在径向外侧，所述上游部段壁(13)沿着径向方向延伸并且相对于所述燃烧室(07)布置在所述上游侧，所述内部段壁(14)沿着所述转子轴线延伸并且布置在所述燃烧器装置(08)与所述压缩机扩散器(15)之间，其中，所述外扩散器壁(16)与所述内部段壁(14)在轴向方向上部分重叠，其特征在于，所述内部段壁(14)在面向所述转子轴线的一侧附接有屏蔽件(21)，在所述屏蔽件(21)与所述内部段壁(14)之间具有至少为所述内部段壁(14)的长度的一半长度的自由空间，其中所述壁端部在轴向方向上布置在所述屏蔽件(21)的上游端部与中部之间。2.根据权利要求1所述的燃烧部段(01)，其中，所述屏蔽件(21)的上游端部与所述上游部段壁(13)在轴向方向上间隔开。3.根据权利要求1或2所述的燃烧部段(01)，其中，所述内部段壁(14)包括凹部(22)，所述凹部(22)与所述上游部段壁(13)且与所述内部段壁(14)的下游端部间隔开并且被所述屏蔽件(21)覆盖；其中，特别地，所述内部段壁(14)的位于所述屏蔽件(21)的上游和下游的径向内侧和所述屏蔽件(21)的径向内侧形成连续的表面。4.根据权利要求1至3中的一项所述的燃烧部段(01)，其中，从所述屏蔽件(21)到所述内部段壁(14)的径向内侧的自由距离(24)是从所述内部段壁(14)的径向外侧到所述屏蔽件(21)的径向内侧的厚度(23)的至少0.1倍和至多0.3倍、特别是至少0.15倍和/或至多0.2倍。5.根据权利要求1至4中的一项所述的燃烧部段(01)，其中，从所述屏蔽件(21)到所述内部段壁(14)的径向内侧的自由距离(24)是从所述屏蔽件(21)到所述外扩散器壁(16)的距离的至少0.5倍和至多1.5倍、特别是至少0.7倍和/或至多0.9倍。6.根据权利要求1至5中的一项所述的燃烧部段(01)，其中，在所述内部段壁(14)的外侧附接有内覆盖部(25)，在所述内部段壁(14)的外侧与所述内覆盖部(25)之间具有内间隙(26)。7.根据权利要求6所述的燃烧部段(01)，其中，所述内覆盖部(25)在所述内覆盖部(25)的下游端部处包括弯折部(27)，所述弯折部(27)特别地与所述内部段壁(14)接触。
8.根据权利要求6或7所述的燃烧部段(01)，其中，所述内间隙(26)的宽度是从所述屏蔽件(21)到所述内部段壁(14)的径向内侧的自由距离(24)的至少0.6倍和至多1.5倍、特别是至少0.8倍和/或至多1.2倍。9.根据权利要求1至8中的一项所述的燃烧部段(01)，其中，在所述上游部段壁(13)的下游侧附接有上游覆盖部(28)，在所述上游部段壁(13)的下游侧与所述上游覆盖部(28)之间具有上游间隙(29)。10.根据权利要求9所述的燃烧部段(01)，其中，所述上游覆盖部(28)在所述上游覆盖部(28)的径向外端部处包括弯折部(30)，所述弯折部(30)特别地与所述上游部段壁(13)接触。11.根据权利要求9或10中的一项所述的燃烧部段(01)，其中，所述上游间隙(29)的宽度是从所述屏蔽件(21)到所述内部段壁(14)的径向内侧的自由距离(24)的至少0.6倍和至多1.5倍、特别是至少0.8倍和/或至多1.2倍。12.根据权利要求9至11中的一项所述的燃烧部段(01)，其中，所述内覆盖部(25)与所述上游覆盖部(28)连接，使得从所述内覆盖部(25)和所述上游覆盖部(28)到所述内部段壁(14)和所述上游部段壁(13)具有连续间隙(26、29)。

技术总结
本发明涉及一种燃气涡轮机(02)的燃烧部段(01)，该燃烧部段包括环形燃烧室(07)、位于燃烧室(07)的上游的燃烧器装置(08)、环形压缩机扩散器(15)和环形燃烧外壳(11)。燃烧外壳(11)具有外部段壁(12)和上游部段壁(13)以及内部段壁(14)。内部段壁(14)沿着转子轴线延伸并且布置在燃烧器装置(08)与压缩机扩散器(15)之间。为了改进对燃烧外壳(11)的热保护，内部段壁(14)在面向转子轴线的一侧附接有屏蔽件(21)，在屏蔽件与内部段壁之间至少具有自由空间。因此，压缩机扩散器的外扩散器壁沿轴向方向延伸直到屏蔽件(21)的上游半部。向方向延伸直到屏蔽件(21)的上游半部。向方向延伸直到屏蔽件(21)的上游半部。


技术研发人员：米卡埃尔
受保护的技术使用者：西门子能源全球有限两合公司
技术研发日：2021.10.12
技术公布日：2023/9/23