用于燃氣輪機的殼體的制作方法
【專利摘要】一種用于環(huán)罐式燃氣輪機的殼體，包括：壓縮空氣段(40)，位于最后一排壓縮機葉片(26)和第一排渦輪葉片(28)之間，所述壓縮空氣段(40)包括多個開口(50)，其中單個燃燒器/改進管組件(64)延伸穿過每個開口(50)；以及與各自的開口(50)結合的一個頂部帽(68)，所述頂部帽(68)用于圍繞相應的燃燒器/改進管組件(64)并密封該開口(50)。由所述壓縮空氣段(40)所密封的體積不大于一截錐(54)的體積，所述截錐(54)的上游端(56)由與最后一排壓縮機葉片(26)對應的殼體的內直徑來限定，下游端(60)由與第一排渦輪葉片(28)對應的殼體的內直徑來限定。
【專利說明】用于燃氣輪機的殼體[0001 ] 關于聯(lián)邦政府贊助研發(fā)的聲明
[0002]本發(fā)明的研發(fā)由美國能源部授權的合約N0.DE-FC26-05NT42644提供部分支持。因此，美國政府能夠享有本發(fā)明的某些權利。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明涉及用于燃氣輪機的殼體。具體地，本發(fā)明涉及壓縮機和渦輪之間的殼體部分。
【背景技術】
[0004]傳統(tǒng)工業(yè)的燃氣輪機由環(huán)形發(fā)動機殼體圍繞。發(fā)動機殼體通常包括用螺栓連接到一起的渦輪殼體、壓縮機殼體和燃燒器殼體。在環(huán)罐式燃氣輪機中，燃燒器以環(huán)形陣列的方式繞燃氣輪機中心線布置。相比壓縮機和靠近燃燒器的渦輪部件，這些燃燒器更加徑向向外地延伸。因此，為了圍繞所述燃燒器，壓縮機殼體必須相比壓縮機和渦輪殼體的相鄰部分要徑向向外地突出。在某些設計中，燃燒器和徑向外部端延伸穿過燃燒器殼體并且由蓋(頂部帽)圍繞。但是，即使在使用頂部帽的殼體中，燃燒器殼體也仍舊徑向向外地突出。此外，出現的改進的過渡設計重新定位燃燒器使其更加徑向向外。因此，在本領域中存在提高殼體設計的空間。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]下面將參考附圖對本發(fā)明進行解釋，附圖中:
[0006]圖1示出用于具有傳統(tǒng)的燃燒器及過渡段的環(huán)罐式燃氣輪機的殼體的部分剖視圖。
[0007]圖2示出用于燃氣輪機的殼體的壓縮空氣段的實施方式的剖視圖。
[0008]圖3示出具有頂部帽蓋的壓縮空氣區(qū)域的實施方式的部分剖視圖。
[0009]圖4示出向下游觀察時的壓縮空氣區(qū)域和頂部帽的實施方式的部分視圖。
[0010]圖5示出具有頂部帽蓋的壓縮空氣區(qū)域的另一個實施方式的部分剖視圖。
[0011]圖6示出具有頂部帽蓋的壓縮空氣區(qū)域的又一個實施方式的部分剖視圖，其中壓縮空氣段作為擴散道的一部分使用。
【具體實施方式】
[0012]本發(fā)明的發(fā)明人已經認識到，當燃氣輪機采用改進的過渡部燃燒系統(tǒng)時，可以對傳統(tǒng)的用于環(huán)罐式燃燒器的 燃燒器殼體設計進行改進。在美國專利7721547中，Bancalari等人公開了一種改進的過渡部燃燒系統(tǒng)的示例。與傳統(tǒng)的環(huán)罐式燃氣輪機燃燒器的設計相似，改進的過渡部燃燒系統(tǒng)包括圍繞燃氣輪機的中心線環(huán)形放置的燃燒器陣列。但是，在改進的過渡設計中，去掉了通常存在于傳統(tǒng)燃氣輪機中的第一排輪片。取而代之地，燃燒氣體從燃燒器沿著直流路徑流動，直到被加速到適于被傳送至第一排渦輪葉片的速度。在某些改進的過渡設計中，燃燒氣體在被傳送至第一排渦輪葉片時仍保持直流路徑。在另外的改進的過渡設計中，燃燒氣體與來自鄰近燃燒器的燃燒氣體混合，單個混合流被傳送至第一排渦輪葉片。但是，在所有的這些改進的過渡設計中，燃燒器徑向朝外定向成較大角度，以實現燃燒氣體的合適流動方向。因此，為了圍繞采用傳統(tǒng)環(huán)形燃燒器殼體的燃燒器，大體上環(huán)形的燃燒器殼體將是必需的。
[0013]本發(fā)明已經設計了一種獨特的殼體，用于采用改進的過渡燃燒器設計的燃氣輪機。與通過螺栓連接將壓縮機殼體、燃燒器殼體和渦輪機殼體連接起來的現有燃燒殼體設計不同，本文公開的燃氣輪機殼體設計根本上去除了傳統(tǒng)的燃燒器殼體，并用被稱為“壓縮空氣殼體”的部件來代替該燃燒器殼體，所述“壓縮空氣殼體”包括壓縮空氣環(huán)形部分和多個燃燒器組件蓋。(此處所說的燃燒器組件是指燃燒器以及相應的將燃燒氣體傳遞至第一排渦輪機葉片的必要導管。)該壓縮空氣段主要圍繞燃氣輪機的從最后一排壓縮機葉片到第一排渦輪葉片的部分。在最后一排壓縮機葉片的壓縮機殼體與第一排渦輪葉片的渦輪殼體之間，該壓縮空氣段主要采用非常可行和直接的路線，并且清楚地留出了用于讓燃燒器組件徑向延伸穿過的開口。該開口用獨立的蓋來覆蓋，所述蓋被稱為“頂部帽”，用于圍繞燃燒器組件的延伸穿過壓縮空氣段的那一部分并且密封所述開口。
[0014]因此，比起現有技術，這種設計提供了環(huán)繞燃燒器的殼體的更小環(huán)形部分(壓縮空氣段)和更能夠圍繞燃燒器組件的更牢固的頂部帽。使用更牢固的頂部帽來圍繞更多燃燒器組件使得環(huán)形部分的半徑大量減小。殼體環(huán)形部分的半徑減小使得壁更薄和環(huán)形部分的整體尺寸更小。借助于其形狀，頂部帽能夠很好地吸收由沒有被環(huán)形部分圍繞的壓縮空氣所產生的力。具體地，由于呈大體圓柱形狀，所以該頂部帽能夠很好地吸收繞其周圍的力，并且由于徑向朝外端表面的區(qū)域較小，所以在徑向向外端部上的力是可以進行控制的。因此，可以使用幾個重量輕、價格相對便宜并且可以被控制的頂部帽，用于減少壁的厚度和環(huán)形部分的整體尺寸。
[0015]參考附圖，圖1示出現有技術中具有燃燒器12和過渡部14的傳統(tǒng)工業(yè)燃氣輪機
10。傳統(tǒng)的燃燒器殼體16經由壓縮機殼體-燃燒器殼體凸緣裝置22而聯(lián)接至壓縮機殼體20的后端18。傳統(tǒng)的燃燒器殼體16具有燃氣輪機10的長度24，從大約最后一排壓縮機葉片26到大約第一排渦輪葉片28。傳統(tǒng)的燃燒器殼體16經由燃燒器殼體-渦輪殼體凸緣裝置34而連接至渦輪機殼體32的前端30?？梢钥吹?，壓縮機殼體16包括凸出部分36，該凸出部分36從燃氣輪機的中心線38徑向向外延伸，超過了壓縮機殼體20的后端18以及渦輪殼體32的前端30。內容物39包括壓縮空氣，并且該壓縮空氣在壓縮機殼體16上產生較大的力。隨著凸出部分36的半徑增加，作用在燃燒器殼體16上的力也指數地增加。因此，傳統(tǒng)的燃燒器殼體16必須又厚又重，以承受由壓縮空氣產生的力。
[0016]圖2示出壓縮空氣殼體的代表性示意圖，該壓縮空氣殼體包括壓縮空氣段40 (殼體的環(huán)形部分)，該段40的上游端42附接至壓縮機殼體20的后端18，下游端44附接至渦輪殼體32的前端30。該壓縮空氣段40可以被認為具有上游部分46和下游部分48。該下游部分48可具有繞燃氣輪機中心線陣列放置的多個開口 50，所述開口定位成使燃燒器組件(為示出)能夠穿過開口徑向向外延伸。所述開口 50的尺寸能夠加工成允許接近和去除穿過開口的單個燃燒器組件(未示出)。該壓縮空氣段可包括上半部分和底部部分，這兩個部分繞轉子(未示出)結合在一起。[0017]可以看到，相比于傳統(tǒng)的燃燒器殼體16，壓縮空氣段40圍繞的體積更小。具體地，壓縮空氣段40圍繞的是由該壓縮空氣段40的內表面52所徑向限定的體積，此時不考慮開口 50的存在。換句話說，在開口 50形成之前，由壓縮空氣段40圍繞的體積將具有與壓縮空氣段40的內表面53 —致的徑向外表面。應理解，壓縮空氣段40可以采用多種形狀/輪廓來形成燃氣輪機的從壓縮機殼體20的后端18到渦輪殼體32的前端之間的長度。無論選擇什么輪廓，優(yōu)選的設計因素都是使壓縮空氣段40的半徑在沿燃氣輪機的長度24上的所有位置處(即半徑輪廓)均最小。因此，這使由所圍繞的壓縮空氣作用在壓縮空氣段40上的力最小。
[0018]還應該理解，雖然使半徑輪廓最小是一個設計因素，用于減少所要求的厚度(為了承受力)和整體尺寸(為了簡化加工和運輸等)，但是還要考慮其它因素，諸如其它結構要求，包括附接點、圓角半徑控制、接近性(access)等。因此，該設計并不限于特定的半徑輪廓或體積或表面區(qū)域等。一般而言，由壓縮空氣段40所圍繞的體積會稍微大于由截錐54 (虛線示出)所圍繞的體積，該截錐的上游端由壓縮機殼體20的后端18的周長58限定，下游端由渦輪殼體32的前端30的周長60限定。在某些實施方式中，由壓縮空氣段40所圍繞的體積將大致等于或小于由截錐54所圍繞的體積。在多個實施方式中，壓縮空氣段40的內表面52部分可以具有大于截錐54的直徑，同時所圍繞的體積依然小于由截錐54所圍繞的體積。
[0019]在其它的實施方式中，圍繞的總體積基本等于或稍微大于由截錐54所圍繞的體積。在某些實施方式中，該半徑總是等于或小于截錐54在相同的軸向位置的半徑。但是，當與現有技術的凸出部分36相比時，壓縮空氣段40所圍繞的體積將明顯較小。由于半徑輪廓、體積、有效表面區(qū)域等均減小，壓縮空氣段40受到的來自被圍繞在里面壓縮空氣的力將減小，因此相比現有技術中的燃燒器殼體將會更輕、更小、更便宜并且更易于運輸。
[0020]圖3示出在燃氣輪機中的壓縮空氣段40的實施方式，頂部帽68圍繞燃燒器/改進管組件64的改進管66的一部分，所述燃燒器/改進管組件64包括燃燒器12和改進管66。使用本領域技術人員已知的方式，該頂部帽68可以通過螺釘或者其它方式連接至壓縮空氣段40。正如所看到的，由壓縮空氣段40和頂部帽68所圍繞的壓縮空氣量將受到由頂部帽68所圍繞的燃燒器/改進管組件64的長度的影響。頂部帽68越長，壓縮空氣段40的下游部分48將會越小。隨著下游部分48的尺寸減小，壓縮空氣段40所受到的力也隨之減少。在一個實施方式中，該頂部帽68可圍繞燃燒器12和改進管66的組合長度的大部分。在這個實施方式中還可以清楚看到，壓縮空氣段40在沿燃氣輪機中心線38上的一些或全部位置上具有比截錐54更大的半徑。這是能夠讓人接受的，因為頂部帽68對燃燒器12和改進管66圍進的的組合長度比現有技術設計圍進的組合長度要多，因此，壓縮空氣段40相比現有技術仍受到更小的力。還可以看到，單獨的擴散器70包括擴散器外壁72和擴散器內壁74。在某些設計中，頂部帽中心線76會與垂直于燃氣輪機的中心線38的平面相交，呈大約30°或者更小的角度a。在一個實施方式中，該角度α大約17°。
[0021]圖4示出沿著燃氣輪機的中心線38從上游看向下游時的壓縮空氣段40的一部分?？梢钥吹剑擁敳棵?8可以形成角度以使頂部帽中心線76不與燃氣輪機的中心線38相交。這可能因為多種設計原因而發(fā)生。例如，放置在頂部帽68內的改進過渡管組件的縱軸會與燃氣輪機的中心線38相交。實際上，某些改進過渡管組件的縱軸可以傾斜，與圖4所示的頂部帽68的傾斜方式類似。在這種設計中，當在圖4中從上游側觀看時，改進過渡管組件的縱軸與渦輪入口環(huán)相切，該環(huán)位于第一排渦輪葉片28 (未示出)的直接上游。在某些改進的過渡設計中，改進的過渡管組件可以與之前鄰近渦輪入口環(huán)布置的環(huán)形箱形成為一體，該渦輪入口環(huán)依次位于第一排渦輪葉片28(未示出)的上游。同樣地，在這樣的設計中，當如圖4所示從上游觀看時，改進的過渡管組件的縱軸與環(huán)形箱相切。類似地，當如圖4所示從上游觀看時，頂部帽中心線76還可以與渦輪入口環(huán)和/或普通的環(huán)形箱相切。當頂部帽中心線76與改進的過渡管組件的縱軸一致時尤其如此。開口 50可以根據需要采用多種形狀，以適應燃燒器組件(未示出)的任何傾斜，諸如采用橢圓形。多種定向是設計選擇的問題，并且認為包括在本發(fā)明的范圍內。
[0022]圖5示出壓縮空氣段40的另一個實施方式。在這個實施方式中，壓縮空氣段40的上游部分46從壓縮機殼體20的后端18軸向延伸，直到與下游部分48相交。相交的確切點由上游部分48的角度來決定，并且受到在頂部帽中心線76與垂直于燃氣輪機的中心線38的平面78之間的角度α的影響。
[0023]圖6示出另一個實施方式。在這個實施方式中，壓縮空氣段40的上游部分46還起到擴散器外壁72的作用。在這種實施方式中，上游部分46可包括如圖所示的彎曲部分，或者根據需要具有任何形狀。上游部分46可以平滑彎曲到下游部分48，進一步地，上游部分46和/或下游部分48的內表面80可以平滑彎曲，其中一部分與頂部帽68的內表面82結合。同樣地，擴散器內壁74的外表面84也可以平滑彎曲，其中一部分與頂部帽68的內表面82結合，以有效地將壓縮空氣導入頂部帽68中，并最終進入燃燒器12。
[0024]本發(fā)明的殼體能夠使環(huán)形部分大幅減少其半徑。因此，環(huán)形部分可由更薄的壁制成，這減少了成本和重量。此外，環(huán)形部分在整體尺寸上更小，使得更容易控制和運輸該環(huán)形部分，這也節(jié)約了成本。此外，更小的殼體使燃氣輪機能夠安裝在更靠近地面的位置，這進一步節(jié)約成本。
[0025]雖然本文示出并描述了本發(fā)明的多種實施方式，但是應理解這些實施方式僅以示例性方式給出。在不脫離本發(fā)明范圍的情況下可以進行多種變形、改變和替換。因此，本發(fā)明只受權利要求書的精神和范圍限制。
【權利要求】
1.一種用于環(huán)罐式燃氣輪機的殼體，包括: 壓縮空氣段，位于最后一排壓縮機葉片和第一排渦輪葉片之間，所述壓縮空氣段包括多個開口，單個燃燒器/改進管組件延伸穿過每個開口 ；以及 與各自的開口結合的一個頂部帽，用于圍繞相應的燃燒器/改進管組件并密封該開Π, 其中，由所述壓縮空氣段所密封的體積不大于一截錐的體積，所述截錐的上游端由與最后一排壓縮機葉片對應的殼體的內直徑來限定，下游端由與第一排渦輪葉片對應的殼體的內直徑來限定。
2.如權利要求1所述的殼體，其中，每個燃燒器的縱軸與垂直于燃氣輪機縱軸的平面相交，所成角度小于30°。
3.如權利要求1所述的殼體，其中，所述壓縮空氣段的最大內直徑不超過渦輪外殼的最小內直徑。
4.如權利要求1所述的殼體，其中，所述壓縮空氣段的上游部分還起到擴散器的外壁的作用。
5.如權利要求1所述的殼體，其中，所述壓縮空氣段的上游部分從壓縮機外殼軸向延伸，所述壓縮空氣段的下游部分在渦輪殼體的最小直徑處與所述渦輪殼體的上游部分連接，所述壓縮空氣段的下游部分包括所述多個開口。
6.如權利要求5所述的殼體，其中，所述下游部分包括只足夠接受所述頂部帽的長度。
7.一種用于環(huán)罐式燃氣輪機的殼體，包括: 壓縮空氣段，位于最后一排壓縮機葉片和第一排渦輪葉片之間，所述壓縮空氣段包括多個開口，單個燃燒器/改進管組件延伸穿過每個開口 ；以及 與各自的開口結合的一個頂部帽，用于環(huán)繞燃燒器/改進管組件的改進管的一部分和燃燒器并密封該開口，所述燃燒器/改進管組件穿過該開口。
8.如權利要求7所述的殼體，其中，所述頂部帽環(huán)繞所述燃燒器/改進管組件的組合軸向長度的大部分。
9.如權利要求7所述的殼體，其中，所述壓縮空氣段的上游部分從壓縮機殼體軸向延伸，所述壓縮空氣段的下游部分在渦輪殼體的最小直徑處與所述渦輪殼體的上游部分連接，所述壓縮空氣段的下游部分包括所述多個開口。
10.如權利要求9所述的殼體，其中，所述下游部分包括只足夠接受所述頂部帽的長度。
11.如權利要求7所述的殼體，其中，所述壓縮空氣段包括上游部分，所述上游部分在下游方向上徑向向外彎曲并且形成擴散器的外壁。
12.如權利要求7所述的殼體，其中，每個頂部帽的尺寸允許延伸穿過的燃燒器/改進管組件能夠撤出。
13.一種用于環(huán)罐式燃氣輪機的殼體，包括: 壓縮空氣段，位于最后一排壓縮機葉片和第一排渦輪葉片之間，所述壓縮空氣段包括多個開口，單個燃燒器/改進管組件延伸穿過每個開口 ； 其中，所述壓縮空氣段的上游部分還起到擴散器的外壁的作用。
14.如權利要求13所述的殼體，其中，所述上游部分在下游方向上徑向向外彎曲并且形成擴散器的外壁。
15.如權利要求14所述的殼體，其中，所述壓縮空氣段的上游部分的內表面與所述頂部帽的內表面一起平滑地彎曲。
16.如權利要求15所述的殼體，其中，所述頂部帽的內表面還與擴散器內壁的外表面一起平滑地彎曲。
17.如權利要求13所述的殼體，其中，所述壓縮空氣段的上游部分從壓縮機殼體軸向延伸，所述壓縮空氣段的下游部分在渦輪殼體的最小直徑處與所述渦輪殼體的上游部分連接，所述壓縮空氣段的下游部分包括所述多個開口。
18.如權利要求17所述的殼體，其中，所述下游部分包括只足夠接受所述頂部帽的結構。
19.如權利要求13所述的殼體，其中，所述開口具有橢圓形狀以容納燃燒器/改進管組件的定向 。
【文檔編號】F23R3/46GK103975130SQ201280059756
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年10月2日 優(yōu)先權日:2011年10月4日
【發(fā)明者】D.J.韋布, D.A.利特爾, R.C.查倫 申請人:西門子能量股份有限公司