燃氣輪機的燃燒室的製作方法

2023-05-31 12:58:46 1

專利名稱：燃氣輪機的燃燒室的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於燃氣輪機的燃燒室，流動的壓縮空氣流可沿軸線通過燃氣輪機從壓縮機部段流往渦輪部段，其中，氣流相對於軸線有扭轉。
本發明尤其涉及從氣流中製備一股支流，以便將這股支流用於為運行燃氣輪機的其它目的。這種支流的一種已知的應用是冷卻渦輪部段和冷卻設在壓縮機部段與渦輪部段之間並由氣流流過的燃燒室。在傳統的用於發電的功率為100兆瓦及其以上的固定式燃氣輪機中便有必要這樣做，因為渦輪進口前的氣流經燃料燃燒後被加熱到溫度超過1000℃，渦輪部段和燃氣輪機其它部段的構件由此受到很高的熱負荷。在這樣的熱負荷之下，有時沒有冷卻便不能承受。最好將從氣流中抽取的空氣用作為冷卻劑。也已經有人建議在空氣中摻入其它物質，尤其是水蒸氣。
因為導引分出來用於冷卻的空氣系統往往是分支，以及壓縮空氣氣流中用於燃燒的主要部分在燃燒室中遭受的壓力損失，為了要保證有高的熱力學效率通常維持得很低，所以可以預先考慮一種可能性提高分流空氣的靜壓。為此當然可採用一個鼓風機或壓縮機，這樣做總是意味著高昂的設備性費用支出和降低淨效率，因為運行鼓風機或壓縮機所需的能量，最終還是必須要由燃氣輪機本身提供，並因而不再能饋給供電網中提供使用。因此，原則上應避免使用鼓風機或壓縮機。
由EP 0193838B1、US-Patent Re.33896、EP 0224817B1、US-Patent4749029、EP 0483554A1、和EP 0489193A1，可知設計燃氣輪機的燃燒器和燃燒室以及將這樣的燃燒室與渦輪部段連接起來的熱燃氣通道的一般原則。上述最後一個文獻中涉及的是用於燃氣輪機的形式上為所謂的環形燃燒室的燃燒室，並給出了冷卻此環形燃燒室構件的指示。
在EP 0447886A1中描述了藉助於空氣的支流冷卻燃氣輪機轉子零件。
由US-Patent 5207064可知一種帶有一燃氣輪機燃燒室的設備。此設備包括燃燒室本身，和配屬於燃燒室的裝置以及從流過燃燒室的壓縮空氣流中提取支流的裝置。這些支流的一部分供入所謂的引燃噴嘴，它們在每一個支流中燃燒供入的全部燃料中的一小部分，以及，使在此氣流中其它地方進行的並為此供入燃料的主要部分的燃燒穩定化。在其它地方抽取的另外的支流用於冷卻燃燒室。這些支流總是在那些按規定要使用此支流的地方附近的氣流中提取，用於引燃噴嘴的支流在此設備的進氣區抽取，用於冷卻燃燒室外壁的在外壁附近，以及，用於冷卻燃燒室內壁的在此內壁附近抽取此支流。燃燒室本身設計為圓環形的，並圍繞著燃氣輪機的一個轉子，此轉子將設在燃燒室後面的渦輪部段與設在燃燒室前面的壓縮機部段連接起來。
本發明的目的是提供一種本文前言所述類型的燃燒室，它的結構簡單，為了抽取支流只設置並不昂貴的裝置，以及，此燃燒室可儘可能無損失地導引氣流和基本上沒有附加的裝置而保持通暢。
為達到上述目的提出了一種用於燃氣輪機的燃燒室，流動的壓縮空氣流可沿軸線從壓縮機部段到渦輪部段流過此燃氣輪機，其中，氣流相對於軸線有扭轉，燃燒室在進口有一個環形通道和入流段，用以從氣流中分出一股支流，以及，入流段有用於從支流中消除扭轉的裝置，以及，入流段與冷卻燃燒室的冷卻通道和與使燃燒室中的燃燒穩定化的引燃噴嘴連接。
按照本發明的意圖，用於從氣流中分出支流的許多不同的裝置合併為一個唯一的設在燃燒室進口的入流段，在此入流段中通過消除扭轉並因而結合減速製備好一股提高了靜壓的支流，這一入流段通過相應的帶有冷卻燃燒室的冷卻通道的裝置和與使燃燒室中的燃燒過程穩定化的引燃噴嘴連通。此外，除了所需要的向氣流中供入燃料而可能必須的供料裝置外，燃燒室可以沒有其它裝置而保持通暢。因此，氣流可基本上自由地流過燃燒室，所以基本上避免了熱力學損失。
可以理解，按本發明分出的支流中扭轉的減少並不是通過耗散，亦即摩擦進行的，而是在基本上避免渦流的情況下通過偏轉進行的，以便達到儘可能大地提高支流中的靜壓，並因而從由此而產生的優點中獲得儘可能全面和廣泛的好處。支流最好是氣流中流過環形通道的一個圓環形局部區的部分，因為以此方式可以保證，在分開時不會失去扭轉。作適當設計的入流段與冷卻通道的連接，最好通過適當的管道進行。
從支流中消除扭轉的裝置最好是作適當設計和排列的導流葉片。
此外，為了將燃料供入氣流最好設肋，將這些肋安排成，使通過它們供入氣流中的燃料，在由引燃噴嘴提供的引領火焰處點燃。設置適當的燃料管道系統，用於將燃料不僅供往引燃噴嘴，而且供往肋。在此設計的範圍內，引燃噴嘴所具有的數量最好是肋所具有的數量之半，或與肋的全部數量相當。因此產生了這樣的配置每一個引燃噴嘴配一個肋，或每一個引燃噴嘴配兩個肋，通過適當地確定一個引燃噴嘴和一個肋或兩個肋彼此的相對位置可以充分利用這一配置，使氣流中在引燃噴嘴提供引領火焰的區域內具有非常高的燃料濃度，這有助於提高燃料-空氣混合物的點火性能，並因而有助於燃燒穩定性。
剛才所介紹的設計的進一步改進特徵在於，燃燒室與渦輪部段相連，氣體必須通過導向葉片環才流入渦輪部段，其中，肋的數量等於導向葉片的數量。在適當地確定肋和導向葉片彼此相對位置的情況下，這一設計可以使由於將燃料供入氣流時的不均勻性造成的、在氣流中溫度分布的局部最高值總是位於兩個導向葉片之間，所以導向葉片上所受到的溫度負荷明顯地低於氣流中出現的最高溫度。這種結構可以在有目的地非均質地將燃料供入一個適當設計的裝置中時，通過有目的地提高溫度分布的最高值，達到提高氣流的起熱力學決定性作用的平均溫度的目的，與此同時並不增加導向葉片的熱負荷。所以，按本發明最終可以提高燃氣輪機的熱力學效率。
設有供應燃料的肋的燃燒室中最好沒有其它裝置，以便氣流能基本上無幹擾地經燃燒室流過。這種燃燒室以特殊方式避免了例如在渦流和/或在昂貴的內部裝置處可能產生的熱力學損失，並因而在獲得高效率方面有很大優點。
由附圖可見本發明的實施例。在每個附圖中只表示了那些對於說明本發明實施例為有意義的構件。其中互相對應的構件用相同的符號表示。附圖是局部簡化的和/或略有走樣的，且尤其不能看作是一種具體實施形式的準確比例的描述。附圖中

圖1、圖2和圖3為在一臺燃氣輪機中的燃燒室視圖；圖4為燃燒室最佳實施形式的視圖。
圖1表示燃氣輪機中的區部截面，即壓縮機部段18的一部分、渦輪部段19的一部分，以及在兩者之間形式上為環形燃燒室的燃燒室6。此結構布置相對於軸線3是軸對稱的。壓縮機部段18提供壓縮氣體亦即壓縮空氣流2，壓縮空氣流沿軸線3螺旋形傳送，因此相對於軸線3存在扭轉。在圖2和3中表示了這一點。氣流2大部分流入燃燒室6，在燃燒室6進口處的環形通道4中從氣流2引出一股支流1。這一股支流1流入在環形通道4圓環形局部區5中的入流段8中，並在那裡首先遇到導流葉片11，它們從支流1中基本上消除扭轉。在導流葉片11之後，支流1基本上平行於軸線3地流入集氣腔20，並從那裡供往多個使用地點。通過向外的管10，一部分支流1流入環形通道4外側13後面的冷卻通道14中，並因而可以冷卻燃燒室6；其中的一部分經冷卻空氣孔22重新進入燃燒室6，一部分在燃燒室6後面重新與氣流2混合。支流1的另一部分通過向裡指的管9進入環形通道4內側12後面，並在那裡同樣進入冷卻通道14，在那裡冷卻燃燒室6。這一部分支流1在燃燒室6後面局部重新進入氣流2；另一部分通過在內側12上所設的冷卻空氣孔22直接流入燃燒室6。支流1的還有一部分流往引燃噴嘴7，在那裡摻入經燃料管道系統17供入的燃料。此引燃噴嘴7用於在一定程度上預熱氣流2和穩定在燃燒室6中的燃燒，這一燃燒提供了要輸送給氣流2中熱量的主要部分。在燃燒室6中的燃燒通過燃料實現，燃料通過裝在燃燒室6中的肋15的燃料管道系統17送入，再從那裡經噴嘴16噴入氣流2中。在燃燒室6中的燃燒是在保持氣流2的扭轉的情況下進行的，由此帶來在提高燃氣輪機熱力學效率方面的各種優點。渦輪部段19在其面對燃燒室6的這一端設有固定的導向葉片21，它們總是可看作是燃氣輪機中熱負荷最高的構件，並在實際上就如同燃燒室6那樣更加倍地需要冷卻。從氣流2中分出的支流1同樣也用於這一目的；由圖1中由於它是簡圖所以沒有表示。導向葉片21和渦輪部段19其他構件的冷卻系統的設計，可參閱所引用的現有技術文獻和有關的專業書籍。燃燒室6環繞著燃氣輪機轉子24。在燃燒室6與轉子24之間有一個密封裝置23，例如迷宮密封裝置，它保證氣流2全部進入燃燒室6。
圖2中表示沿圖1中線II-II所指示的方向對入流段8的前視圖。氣流2的扭轉用彎曲的箭頭表示。軸線3表示為十字交叉。由圖可明顯看出，入流段8包括了環形通道4中一個圓環形局部區5。還可看見導流葉片11，它們被定位為，使它們能減少並最好基本消除進入入流段8中的支流1的扭轉，以提高靜壓。由圖中還可看出指向裡面或指向外面的管9和10，如上所述，支流1的一些部分通過它們分別流往為它們所確定的目的地，尤其是流入燃燒室6的冷卻通道14。
圖3表示相應於圖1中線III-III垂直於軸線3通過燃燒室6的橫截面。在這裡同樣用彎曲的箭頭象徵性地表示氣流2的扭轉。由圖中可見帶噴嘴16的肋15以及導向葉片21，後者已屬於渦輪部段19。肋15和導向葉片21的數量和排列方式彼此調諧，以便將由於氣流2造成的導向葉片21的熱負荷保持得較低，由於所選擇的肋15的幾何形狀，氣流2被不均勻加熱。
圖4表示在垂直於軸線3的視圖中的入流段8連同向外延伸的管10以及引燃噴嘴7。由圖明顯可見，每根管10具有扁平橫截面的形狀；這一剖面形狀定向為，使螺旋形地繞軸線3運動的氣流2受到的阻力儘可能小。
本發明涉及的燃氣輪機燃燒室設計為儘可能無幹擾和低損失地導引通過它流動的壓縮空氣，以及它可以從氣流中分出一股支流並將其製備成非常適用於多種目的，尤其用於冷卻的目的和用於穩定化的目的。
權利要求
1.一種燃氣輪機(6、18、19)的燃燒室(6)，從壓縮機部段(18)流向渦輪部段(19)的壓縮空氣流(2)，可沿軸線(3)流過燃燒室，其中，氣流(2)相對於軸線(3)具有扭轉，其特徵在於在燃燒室(6)進口，設有一個環形通道(4)，以及設有一個入流段(8)，用以從氣流(2)分出一股支流(1)，入流段(8)有一個用於消除支流(1)中扭轉的裝置(11)，以及，入流段(8)與冷卻燃燒室(6)的冷卻通道(14)和與使燃燒室(6)中的燃燒穩定化的引燃噴嘴(7)連通。
2.按照權利要求1所述的燃燒室(6)，其特徵在於入流段(8)沿環形通道(4)的一個圓環形局部區(5)延伸，並通過管(9、10)與冷卻通道(14)連接。
3.按照權利要求1或2所述的燃燒室，其特徵在於從支流(1)中消除扭轉的裝置(11)是導流葉片(11)。
4.按照上述任一項權利要求所述的燃燒室(6)，它有將燃料供入氣流中的肋(15)，其中，燃料在引燃噴嘴(7)所提供的引領火焰處點燃和燃燒，以及此燃燒室有燃料管道系統(17)，用以將燃料不僅供往引燃噴嘴(7)，而且供往肋(15)。
5.按照權利要求4所述的燃燒室，其特徵在於引燃噴嘴(7)所具有的數量，是肋(15)所具有數量的一半或與肋(15)的全部數量相當。
6.按照權利要求5所述的燃燒室(6)，它與渦輪部段(19)相連，氣流必須通過導向葉片環(21)才流入渦輪部段(19)，其中，肋(15)的數量等於導向葉片(21)的數量。
7.按照權利要求4至6中任一項所述的燃燒室(6)，在此燃燒室中環形通道(4)的後面，只安裝了一些肋(15)。
全文摘要
本發明涉及一種用於燃氣輪機的燃燒室，流動的壓縮空氣流可沿軸線通過燃氣輪機從壓縮機部段流往渦輪部段，其中，氣流相對軸線有扭轉。在這種情況下，在燃燒室的進口設有一個環形通道，以及設有一個入流段，用以從氣流分出一股支流，入流段有一個用於消除支流中扭轉的裝置，以及，入流段與冷卻燃燒室的冷卻通道和與使燃燒室中的燃燒穩定化的引燃噴嘴連通。此燃燒室在避免熱力學損失方面是一種特別有利的設計，並能分出一股支流，它既特別適用於冷卻又適用於達到穩定化的目的。
文檔編號F23R3/22GK1139476SQ95191343
公開日1997年1月1日 申請日期1995年1月24日 優先權日1994年1月24日
發明者赫爾穆特·馬霍恩 申請人:西門子公司