重型燃气涡轮发动机、其排气气体外壳及其改装方法与流程

重型燃气涡轮发动机、其排气气体外壳及其改装方法
1.相关申请的交叉引用本专利申请要求在2021年12月20日提交的欧洲专利申请号21425070.6的优先权，其整个公开内容通过引用并入文中。
技术领域
2.本发明涉及用于重型燃气涡轮发动机的排气气体外壳（casing）、重型燃气涡轮发动机以及改装重型燃气涡轮发动机的方法。


背景技术：

3.如已知的那样，高操作温度导致燃气涡轮发动机中的构件变形。虽然热膨胀需要措施以避免过度应力和功能损失（例如，使密封泄漏），但通常造成可逆的影响，而长期暴露于高温可引起永久变形。
4.这是非常常见的问题，并且可影响若干构件，包括排气气体外壳。具体地，排气气体外壳布置在涡轮（在此热气体膨胀）的出口处，并且通过下游凸缘连接到扩散器。排气气体外壳还收容后转子轴承。尽管热气体的内部能量的很大部分已在涡轮中被提取和转化成机械功，但排气气体外壳内的温度仍然足够高以通过塑性变形和蠕变而造成不可逆的影响。例如，塑性贡献常常是导致凸缘水平变形的主要因素。塑性变形和蠕变二者可造成转子轴承的壳体（housing）下垂。这种事件特别危险，因为位于叶片尖端和涡轮外壳之间的间隙在操作中保持尽可能地小以避免泄漏和提高效率。因此，叶片尖端可进入与涡轮外壳接触并被侵蚀或断裂。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种用于重型燃气涡轮发动机的排气气体外壳、重型燃气涡轮发动机和改装重型燃气涡轮发动机的方法，其容许克服或至少减少上文限制。
6.根据本发明，提供有一种用于重型燃气涡轮发动机的排气气体外壳，包括：罩壳（shell），其限定热气体路径并且具有下游凸缘；环形冷却结构，其围绕罩壳的邻近下游凸缘的至少周向部分延伸并且构造成用以围绕罩壳输送冷却空气；其中，环形冷却结构由罩壳在内部限定并且由附接到罩壳的至少环形盖结构在外部限定。
7.环形冷却结构容许减轻排气气体外壳的罩壳暴露于高温的影响，特别是在下游凸缘的附近，其通常是关键区域。环形冷却结构由罩壳本身在内部限定。因此，通过环形冷却结构供给的冷却空气沿着罩壳本身周向地与罩壳直接接触地流动，因此提供有效的冷却作用。具体地，盖结构也可被优化以通过环形盖结构的设计以有效的方式提供冷却效果。结果，可有利地防止罩壳在下游凸缘的区域中的永久变形。
8.环形冷却结构极为简单，并且可容易地设计成用以最小化占用的空间，而不影响
冷却作用。此外，由于构成（construction）简单，冷却环形结构可通过改装而容易地安装在现有的燃气涡轮发动机中，并且现有的罩壳不需要大量返工。
9.根据本发明的一方面，罩壳包括在分割平面处彼此连结的第一半罩壳和第二半罩壳，并且其中，环形冷却结构包括围绕第一半罩壳延伸的第一冷却通道和围绕第二半罩壳延伸的第二冷却通道。
10.冷却通道提供对相应半罩壳的冷却，并且基本上不改变排气气体外壳的总体结构，特别是在分割平面处。因此，一旦第一和第二冷却通道已施加到相应的半罩壳，则不需要采取特别措施，例如用以确保排气系统可根据检查和维护活动的需要而被拆卸。
11.根据本发明的一方面，环形冷却结构包括附接到第一半罩壳并且界定第一冷却通道的第一支架（carter）和附接到第二半罩壳并且界定第二冷却通道的第二支架。
12.支架是极为简单和廉价的结构，其可容易地设计和施加到新的燃气涡轮发动机以及现有的机器。因此，可得到灵活和有效的解决方案。
13.根据本发明的一方面，第一支架和第二支架包括相应的圆柱形侧向壁和相应的环形前壁，所述环形前壁从相应的侧向壁径向地向内延伸，并且其中，罩壳具有截头圆锥形形状，籍此第一冷却通道和第二冷却通道具有三角形截面。
14.根据本发明的一方面，第一支架和第二支架的圆柱形侧向壁附接到罩壳的下游凸缘的径向外边缘。
15.以这种方式，冷却通道和整体盖结构的设计简单并且紧凑，并且即使在可利用空间不足的情况下也有利于安装。
16.根据本发明的一方面，第一冷却通道和第二冷却通道在相应的第一周向端部处具有相应的入口连接器并且在相应的第二周向端部处具有相应的出口连接器。
17.因此，冷却空气全都沿着第一冷却通道和第二冷却通道的长度输送，并且确保最佳的冷却作用。
18.根据本发明的一方面，第一冷却通道和第二冷却通道的入口连接器和出口连接器固连到罩壳，而非承载在第一支架和第二支架上。
19.虽然第一支架和第二支架可相对弱，但罩壳确保了耐受由若干因素（例如热膨胀、压力梯度、振动）造成的应力所需的机械强度。因此，实际上消除了由于环形冷却结构的存在而导致的结构损坏的风险。
20.根据本发明的一方面，第一冷却通道的第一周向端部邻近第二冷却通道的第二周向端部，并且第一冷却通道的第二周向端部邻近第二冷却通道的第一周向端部。
21.第一冷却通道和第二冷却通道在下游凸缘附近到达罩壳的大部分周向限度（extent），这因此基本上以其整体地受到保护以免暴露于高温的不利影响。
22.根据本发明的一方面，提供有一种燃气涡轮发动机，其包括压缩机、燃烧器组件、涡轮和排气系统，其中，排气系统包括如上文所限定的排气气体外壳。
23.根据本发明的一方面，燃气涡轮发动机包括冷却空气供给系统，其联接到环形冷却结构并且构造成用以供给冷却空气流，其中，排气系统包括位于排气气体外壳下游的扩散器以及环形冷却结构排放到扩散器中。
24.空气在传送通过第一冷却通道和第二冷却通道时被加热，并且再次与传送通过扩散器的排气气体混合。因此，在冷却过程中积累的热能变得可用于在燃气涡轮发动机下游
的进一步处理，例如在联合循环功率装备的热交换器中。因此，装备的整体效率不受影响。
25.根据本发明的一方面，压缩机包括提取室，以及冷却空气供给系统包括联接到提取室和联接到第一冷却通道和第二冷却通道的入口连接器的专用管道系统，该专用管道系统优选地包括联接到第一冷却通道的第一专用供给管和联接到第二冷却通道的第二专用供给管，该第一专用供给管和第二专用供给管在提取室处具有相应的单独的提取点并且构造成用以分别地将校准空气流供给到第一冷却通道和第二冷却通道。
26.专用管道容许驱动校准空气流朝向环形冷却系统。具体地，使用专用而非通用的管道系统，可精确和准确地校准适当量的冷却空气供给，籍此避免了从压缩机过量地提取空气并且不显著地影响燃气涡轮发动机的效率。
27.根据本发明的一方面，冷却空气供给系统包括至少风扇，该风扇联接到第一冷却通道和第二冷却通道的入口连接器并且构造成用以将空气从外部供给到第一冷却通道和第二冷却通道。
28.外部风扇的使用简化了管道系统，因为风扇或多个风扇可如由可利用空间所容许的那样方便地放置在排气气体外壳附近，因此降低了设计复杂性，以避免与燃气涡轮发动机的其它管道或结构相交。
29.根据本发明，还提供有一种改装重型燃气涡轮发动机的方法，该发动机包括带有罩壳的排气气体外壳，该罩壳界定热气体路径并且具有下游凸缘，该方法包括将环形冷却结构施加到罩壳，该环形冷却结构围绕罩壳的邻近下游凸缘的至少周向部分延伸，其中，施加环形冷却结构包括将环形盖结构附接到罩壳，籍此环形冷却结构由罩壳在内部限定并且由盖结构在外部限定。
30.根据本发明的一方面，罩壳包括在分割平面处彼此连结的第一半罩壳和第二半罩壳，并且施加环形冷却结构包括将第一支架附接到第一半罩壳，该第一支架界定围绕第一半罩壳延伸的第一冷却通道，以及将第二支架附接到第一半罩壳，该第二支架界定围绕第二半罩壳延伸的第二冷却通道。
31.根据本发明的一方面，第一支架和第二支架包括相应的圆柱形侧向壁和相应的环形前壁，该环形前壁从相应的侧向壁径向地向内延伸，并且其中，附接第一支架和第二支架包括将第一支架和第二支架的圆柱形侧向壁附接到罩壳的下游凸缘的径向外边缘。
32.由于简单的设计，故环形冷却结构需要很少的空间和附加的构件，并且可容易地施加到现有的机器，由此改善冷却、防止排气气体外壳的永久变形、减少维护活动的需要，以及最终延长寿命。
附图说明
33.现在将参照附图描述本发明，这些附图示出了本发明的许多非限制性实施例，其中：-图1是根据本发明实施例的包括排气气体外壳的燃气涡轮发动机的截面顶平面视图；-图2是图1的排气气体外壳的后视图，其中为清楚起见移除了部件；-图3是图2的排气气体外壳的透视后视图；-图4是图2的排气气体外壳的顶平面视图；-图5是图2的排气气体外壳的底平面视图；-图6是图2的排气气体外壳的第一放大细节的侧截面视图；-图7是图2的排气气体外壳的第二放大细节的侧截面视图；-图8是图1的燃气涡轮发动机的左前透视图，其中为清楚起见移除了部件；-图9是图1的燃气涡轮发动机的右前透视图，其中为清楚起见移除了部件；以及-图10是根据本发明另一实施例的燃气涡轮发动机的截面顶平面视图。
具体实施方式
34.参照图1，数字1限定燃气涡轮发动机，其包括压缩机2、燃烧器组件3、涡轮5、排气气体外壳7和轴向排气扩散器8，它们全都关于纵向轴线（在图2中由a表示）延伸。在一个实施例（未示出）中，扩散器可为径向扩散器。此外，燃气涡轮发动机包括冷却空气供给系统9，其将从压缩机2提取的相对新鲜的空气流输送到燃气涡轮发动机1的热部件，包括排气气体外壳7和轴向排气扩散器8。
35.压缩机2向第一燃烧器组件3供应从外部抽取的压缩空气流。至少一个提取室4接收来自压缩机3的中间级的处于中间压力的泄放空气。来自提取室4并且可能地来自附加提取室的空气被供应到燃烧器组件3和燃气涡轮的热部件，用于冷却目的。
36.在一个实施例中，燃烧器组件3包括两个筒仓燃烧器10。然而，燃烧器组件可具有不同的类型，例如具有单个级或连续级的环形或罐形或罐环形燃烧器。
37.涡轮5接收来自燃烧器组件3的热气流并且使其膨胀以提取机械功，该机械功被传递给外部使用者，典型地是发电机（在此未示出）。
38.然后，热气体被输送穿过排气气体外壳7和排气扩散器8。排气气体外壳7和排气扩散器8直接在涡轮5的下游沿着纵向轴线a延伸。
39.参照图2至图7，排气气体外壳7包括排气毂11（图2和图3）和罩壳12，它们分别地限定排气流路13的一部分的内边界和外边界。支柱14将排气毂11连接到罩壳12。
40.排气气体外壳7的罩壳12具有截头圆锥形形状（图3和图4），并且通过上游凸缘15连接到涡轮5和通过下游凸缘17连接到扩散器8（还参见图6和图7）。此外，罩壳12包括第一上半罩壳12a和第二下半罩壳12b，它们在水平分割平面p处彼此连结。
41.排气气体外壳7还包括环形冷却结构20，该环形冷却结构围绕罩壳12的邻近下游凸缘17的至少周向部分延伸。在一个实施例中，环形冷却结构20继而包括围绕第一半罩壳12a延伸的第一冷却通道22和围绕第二半罩壳12b延伸的第二冷却通道23。第一冷却通道22由附接到第一半罩壳12a的第一支架25界定，以及第二冷却通道23由附接到第二半罩壳12b的第二支架26界定。因此，环形冷却结构20由罩壳12在内部限定并且由环形盖结构在外部限定，在图2至图4的实施例中，该环形盖结构由第一支架25和由第二支架26形成并且附接到罩壳12。
42.第一支架25和第二支架26包括相应的圆柱形侧向壁27、28和相应的环形前壁29、30（如图5中更详细地例示），该环形前壁从相应的侧向壁27、28径向地向内延伸。在一个实施例中，第一支架25和第二支架26的圆柱形侧向壁27、28附接（例如焊接或铜焊）到罩壳12的下游凸缘17的径向外边缘17a。前壁29、30直接地附接（例如焊接或铜焊）到罩壳12。由于罩壳12具有截头圆锥形形状，故第一冷却通道22和第二冷却通道23具有三角形截面。然而，
可在备选方案中使用不同的支架构造，因此冷却通道的截面也可具有不同的形状，例如梯形或大致四边形。
43.第一冷却通道22和第二冷却通道23在相应的第一周向端部处具有相应的入口连接器31、32和在相应的第二周向端部处具有相应的出口连接器33、34。第一冷却通道22的第一周向端部邻近第二冷却通道的第二周向端部，并且第一冷却通道的第二周向端部邻近第二冷却通道的第一周向端部。因此，入口连接器31、32和出口连接器33、34以此种方式布置，使得空气在第一冷却通道22和第二冷却通道23中沿相同的周向方向流动，即在二者中沿顺时针方向或在二者中沿逆时针方向。此外，第一冷却通道22和第二冷却通道23的入口连接器31、32和出口连接器33、34固连到罩壳12，而非承载在第一支架25和第二支架26上。
44.冷却空气供给系统9联接到环形冷却结构20并且构造成用以将冷却空气流供给到第一冷却通道22和第二冷却通道23中。具体地，冷却空气从压缩机2的提取室4获取并且通过专用管道系统被供给到第一冷却通道22和第二冷却通道23的入口连接器31、32，该专用管道系统包括联接到第一冷却通道22的第一专用供给管35和联接到第二冷却通道23的第二专用供给管36。第一专用供给管35和第二专用供给管36在提取室4处具有相应的单独的提取点4a、4b，并且被设计成用以分别地将校准空气流供给到第一冷却通道22和第二冷却通道23。有利地，第一冷却通道22和第二冷却通道23也是不同的，并且与冷却空气供给系统9的其它构件是分开的。
45.在图2至图9的实施例中，环形冷却结构20通过出口连接器33、34以及第一排放管37和第二排放管38排放到扩散器8中（图8和图9）。
46.根据图10的实施例，在燃气涡轮发动机100中，冷却空气供给系统109包括联接到第一冷却通道22和第二冷却通道23的入口连接器31、32的风扇110、111。风扇110、111被构造成用以将空气从外部供给到第一冷却通道22和第二冷却通道23。在未示出的实施例中，可使用单个风扇来供给第一冷却通道22和第二冷却通道23二者。
47.排气气体外壳7可初始地提供有环形冷却结构20，或另外地，环形冷却结构20可通过改装而在下游凸缘17处施加到罩壳12。在这种情形中，第一支架25和第二支架26分别地例如通过焊接或铜焊而附接到第一半罩壳12a和第二半罩壳12b。更准确地，罩壳12可由热绝缘材料（在图6和图7中由40表示）层包封，该热绝缘材料最初至少部分地被移除。然后，第一支架25和第二支架26的圆柱形侧向壁27、28附接到下游凸缘17的外边缘17a，并且环形前壁29、30直接地附接到第一半罩壳12a和第二半罩壳12b。一旦第一支架25和第二支架26已附接，则入口连接器31、32和出口连接器33、34通过第一冷却通道22和第二冷却通道23的相应端部而固定到罩壳12。热绝缘材料40再次放置就位并且覆盖第一支架25与第二支架26。这是可能的，因为冷却通道22、23的尺寸小并且因为热绝缘材料40可被压缩到此种程度以容纳冷却通道22、23。
48.最后，清楚的是，可对排气气体外壳和文中所述的方法进行修改和变型而不背离如在所附权利要求中所限定的本发明的范围。

技术特征：
1.一种用于重型燃气涡轮发动机的排气气体外壳，包括：罩壳（12），其界定热气体路径（13）并且具有下游凸缘（17）；环形冷却结构（20），其围绕所述罩壳（12）的邻近所述下游凸缘（17）的至少周向部分延伸并且构造成用以围绕所述罩壳（12）输送冷却空气；其中，所述环形冷却结构（20）由所述罩壳（12）在内部限定并且由附接到所述罩壳（12）的至少环形盖结构（25、26）在外部限定。2.根据权利要求1所述的排气气体外壳，其中，所述罩壳（12）包括在分割平面（p）处彼此连结的第一半罩壳（12a）和第二半罩壳（12b），并且其中，所述环形冷却结构（20）包括围绕所述第一半罩壳（12a）延伸的第一冷却通道（22）和围绕所述第二半罩壳（12b）延伸的第二冷却通道（23）。3.根据权利要求2所述的排气气体外壳，其中，所述环形冷却结构（20）包括附接到所述第一半罩壳（12a）并且界定所述第一冷却通道（22）的第一支架（25）和附接到所述第二半罩壳（12b）并且界定所述第二冷却通道（23）的第二支架（26）。4.根据权利要求3所述的排气气体外壳，其中，所述第一支架（25）和所述第二支架（26）包括相应的圆柱形侧向壁（27、28）和相应的环形前壁（29、30），所述环形前壁从相应的所述侧向壁（27、28）径向地向内延伸，并且其中，所述罩壳（12）具有截头圆锥形形状，籍此所述第一冷却通道（22）和所述第二冷却通道（23）具有三角形截面。5.根据权利要求4所述的排气气体外壳，其中，所述第一支架（25）和所述第二支架（26）的所述圆柱形侧向壁（27、28）附接到所述罩壳（12）的所述下游凸缘（17）的径向外边缘（17a）。6.根据权利要求2至5中任一项所述的排气气体外壳，其中，所述第一冷却通道（22）和所述第二冷却通道（23）在相应的第一周向端部处具有相应的入口连接器（31、32）和在相应的第二周向端部处具有相应的出口连接器（33、34）。7.根据从属于权利要求3的权利要求6所述的排气气体外壳，其中，所述第一冷却通道（22）和所述第二冷却通道（23）的入口连接器（31、32）和出口连接器（33、34）固连到所述罩壳（12），而非承载在所述第一支架（25）和所述第二支架（26）上。8.根据权利要求6或7所述的排气气体外壳，其中，所述第一冷却通道（22）的第一周向端部邻近所述第二冷却通道（23）的第二周向端部，以及所述第一冷却通道（22）的第二周向端部邻近所述第二冷却通道（23）的第一周向端部。9.一种燃气涡轮发动机，包括压缩机（2）、燃烧器组件（3）、涡轮（5）和排气系统（7、8），其中，所述排气系统（7、8）包括根据前述权利要求中任一项所述的排气气体外壳（7）。10.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机，包括冷却空气供给系统（9；109），其联接到所述环形冷却结构（20）并且构造成用以供给冷却空气流，其中，所述排气系统（7、8）包括在所述排气气体外壳（7）下游的扩散器（8）以及所述环形冷却结构（20）排放到所述扩散器（8）中。11.根据从属于权利要求6的权利要求10所述的燃气涡轮发动机，其中，所述压缩机（2）包括提取室（4）以及所述冷却空气供给系统（9）包括专用管道系统（35、36），所述专用管道系统联接到所述提取室（4）和联接到所述第一冷却通道（22）和所述第二冷却通道（23）的所述入口连接器（31、32），所述专用管道系统（35、36）优选地包括联接到所述第一冷却通道
（22）的第一专用供给管（35）和联接到所述第二冷却通道（23）的第二专用供给管（36），所述第一专用供给管（35）和所述第二专用供给管（36）在所述提取室（4）处具有相应的单独的提取点（4a、4b）并且构造成用以分别地将校准空气流供给到所述第一冷却通道（22）和所述第二冷却通道（23）。12.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其中，所述冷却空气供给系统（109）包括至少风扇（110、111），所述风扇联接到所述第一冷却通道（22）和所述第二冷却通道（23）的所述入口连接器（31、32）并且构造成用以将空气从外部供给到所述第一冷却通道（22）和所述第二冷却通道（23）。13.一种改装重型燃气涡轮发动机（1；100）的方法，所述燃气涡轮发动机（1；100）包括带有罩壳（12）的排气气体外壳（7），所述罩壳界定热气体路径（13）并且具有下游凸缘（17），所述方法包括将环形冷却结构（20）施加到所述罩壳（12），所述环形冷却结构（20）围绕所述罩壳（12）的邻近下游凸缘（17）的至少周向部分延伸，其中，施加所述环形冷却结构（20）包括将环形盖结构（25、26）附接到所述罩壳（12），籍此所述环形冷却结构（20）由所述罩壳（12）在内部限定并且由所述盖结构在外部限定。14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述罩壳（12）包括在分割平面（p）处彼此连结的第一半罩壳（12a）和第二半罩壳（12b），并且其中，施加所述环形冷却结构（20）包括将第一支架（25）附接到所述第一半罩壳（12a），所述第一支架（25）界定围绕所述第一半罩壳（12a）延伸的第一冷却通道（22），以及将第二支架（26）附接到所述第一半罩壳（12a），所述第二支架（26）界定围绕所述第二半罩壳（12b）延伸的第二冷却通道（23）。15.根据权利要求14所述的方法，所述第一支架（25）和所述第二支架（26）包括相应的圆柱形侧向壁（27、28）和相应的环形前壁（29、30），所述环形前壁从相应的所述侧向壁（27、28）径向地向内延伸，并且其中，附接所述第一支架（25）和所述第二支架（26）包括将所述第一支架（25）和所述第二支架（26）的所述圆柱形侧向壁（27、28）附接到所述罩壳（12）的所述下游凸缘（17）的径向外边缘（17a）。

技术总结
本发明涉及重型燃气涡轮发动机、其排气气体外壳及其改装方法。具体地，一种用于重型燃气涡轮发动机的排气气体外壳，包括罩壳（12），其界定热气体路径（13）并且具有下游凸缘（17）；以及环形冷却结构（20），其围绕罩壳（12）的邻近下游凸缘（17）的至少周向部分延伸并且构造成用以围绕罩壳（12）输送冷却空气。环形冷却结构（20）由罩壳（12）在内部限定并且由附接到罩壳（12）的至少环形盖结构（25、26）在外部限定。26）在外部限定。26）在外部限定。


技术研发人员：F
受保护的技术使用者：安萨尔多能源公司
技术研发日：2022.11.30
技术公布日：2023/6/27