CN102203509A - 燃气轮机燃烧室的燃烧器插座和燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃气轮机燃烧室(25)的燃烧器插座(41)，它具有带冷侧(43)和热侧(44)以及构成燃烧器插板(42)边界的边缘(46)的燃烧器插板(42)。边缘(46)具有至少部分环形地从冷侧(43)伸出的边挡(51)。在燃烧器插板(42)内构成一个燃烧器口(45)用于插入燃烧器(27)。

Description

燃气轮机燃烧室的燃烧器插座和燃气轮机
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机燃烧室的燃烧器插座，它有一个插入燃烧器的燃烧器口。此外本发明涉及一种燃气轮机。
背景技术
燃气轮机燃烧室有燃烧器侧的端部和涡轮侧的端部。涡轮侧的端部是开口的以及允许在燃烧室内产生的高温燃气流向涡轮。在燃烧器侧的端部往往存在燃烧器插座，它有抗热的热侧和冷却的冷侧。将燃烧器插入燃烧器插座的一个口内。在燃气轮机运行时，通常来自压气机的冷却空气从燃烧器插座的燃烧器口沿冷侧流向其外边缘，冷却空气从那里流入燃烧室。在US2005/0016178A1中介绍了单管燃烧室内燃烧器插座的例子。
在环形燃烧室，亦即环形地绕涡轮转子延伸的燃烧室的情况下，通常沿环形燃烧室周向并列地布置多个燃烧器插座。此时流过燃烧器插座冷侧的冷却空气，流入燃烧室沿径向的外壁与沿径向的内壁之间。此外冷却空气还可以通过沿周向相邻的燃烧器插座之间的间隙引入燃烧室。例如在EP1557607A1中介绍了这种环形燃烧室。还存在与之不同的可能性，冷却空气不是离开燃烧器插座的燃烧器口，而是朝燃烧器口方向导引，然后通过燃烧器口边缘与插入的燃烧器之间的环形间隙引入燃烧室，如EP1767855A1所述。
图1示意表示环形燃烧室的燃烧器插座。此图通过在其冷侧103的剖切透视图表示环形燃烧室的燃烧器插座。在燃烧器插座100冷侧103中央有一个其中可插入燃烧器的口105。燃烧器插座借助在燃烧器插座100的一个从冷侧伸出的区段109内的环形横挡107，固定在燃气轮机机匣内一个支承结构上。
在燃气轮机燃烧室运行期间可能在其中发生压力波动，这种压力波动会激励燃烧器插座高频振动。它们使燃烧器插座受载并缩短其使用寿命。为了增强燃烧器插座的刚性和导引冷却空气，燃烧器插座100的冷侧103设有一些肋111。此外存在支承螺钉113，它们在图1中仅示意表示。螺钉113和肋111成为支承部分，冷侧通过它们支靠在燃气轮机机匣内的支承结构上。在这种燃烧器插座中，沿燃烧器插座周缘可导致形成不均匀的间隙，在间隙大的地方会造成冷却空气的过量供应。此外，由于除了肋111还存在支承螺钉113造成静力学过定位，因为燃烧器插座100除了支靠在肋111上外，同时还应支承在螺钉上。
发明内容
与此现有技术相比，本发明要解决的技术问题是，提供一种用于燃气轮机燃烧室的有利的燃烧器插座。另一个技术问题是，提供一种有利的燃气轮机燃烧室以及一种有利的燃气轮机。
第一个技术问题通过按权利要求1的燃烧器插座得以解决，第二个技术问题通过按权利要求9的燃气轮机燃烧室或按权利要求13的燃气轮机得以解决。从属权利要求包含本发明的一些有利的设计。
按本发明的燃气轮机燃烧室的燃烧器插座具有带冷侧和热侧的燃烧器插板。在燃烧器插板内设计一个燃烧器口用于插装燃烧器。燃烧器插座具有构成燃烧器插板边界的外边缘，它有一个至少部分环形并从冷侧伸出的边挡。在这里，边缘可基本上设计为圆形，例如在单管燃烧室的情况下，或，例如在环形燃烧室的情况下，它有圆环段边缘的形状。原则上也可能是其他轮廓形状，这取决于燃烧室的形状。
与如已参见图1说明的现有技术的燃烧器插座相比，按本发明的燃烧器插座的边挡导致提高固有频率。因此，与由现有技术已知的燃烧器插座相比，燃烧室工作时燃烧器插座的振动荷载减小。此外，在燃气轮机燃烧室工作时边挡完全支承在燃气轮机外壳内的支承结构上，从而沿整个边缘存在一个均匀的间隙，优选地零间隙。为了在存在零间隙的情况下不切断冷却空气流，按本发明的一项扩展设计，边挡设有流过冷却流体的口。为了实现所述的口，边挡可以有一些城垛(Zinnen)，在城垛之间形成口，和/或，在边挡中设计有通孔，例如钻孔。通过借助城垛或孔在边挡中制成规定的口，可以通过恰当选择城垛尺寸或孔的内径，准确调整流过边挡的冷却空气量。在为城垛的情况下，它们可例如通过切断边挡造成。但有利的是，不切断边挡而代之以令边挡在城垛区从冷侧伸出比边挡的其余区域更远的量。除了所说明的口外，也可以考虑其他形式的口，例如凹槽。
优选地，边挡环形地围绕整个边缘。因此燃烧器插座边缘的刚性特别强。
按本发明的燃烧器插座一项特别的设计，燃烧器口被一个从冷侧伸出并设置环形横档的环形壁板区围绕。燃烧器插板除此之外设计为扁平的，亦即它不存在其他结构，例如在现有技术中存在的肋。在按本发明的燃烧器插座的情况下，这种肋是多余的，因为业已证实，即使没有这种肋冷却空气也能实现均匀的分布。在按本发明的燃烧器插座中也不需要肋增强刚性的功能。
总之，按本发明的燃烧器插座可以节省冷却空气，因为不产生不均匀的间隙尺寸，在供给冷却空气时这种不均匀的间隙尺寸会导致过量供应。因此，减少在燃烧室内的冷却空气输入，导致燃气轮机低的有害物质排放量，以及导致较高的涡轮前温度，其结果是又可以提高燃气轮机效率。此外在边缘间隙内开口的情况下，例如以城垛或通孔的形式，通过恰当选择口的横截面，可以明确调整流入燃烧室内的冷却空气量。此外，可以实现在边挡或城垛端面与支承结构或燃烧室壁之间形成零间隙。最后，按本发明燃烧器插座的设计还可以降低成本，因为取消了加强螺钉并因而与前言所述燃烧器插座相比需要的构件较少。
按本发明的燃气轮机燃烧室有至少一个燃烧器、至少一个围绕燃烧室内腔的燃烧室壁和一个在燃烧器一侧的燃烧室端壁。它包括一个按本发明的燃烧器插座，燃烧器插座的燃烧器插板构成燃烧室端壁，其中燃烧器插板的热侧面朝燃烧室内部。在按本发明的燃烧室内，燃烧室壁在单管燃烧室的情况下设计为圆柱形。在环形燃烧室的情况下则存在两个燃烧室壁，亦即沿径向的燃烧室外壁和沿径向的燃烧室内壁。
因此可以在按本发明的燃气轮机燃烧器内实现采用按本发明的燃烧器插座可获得的优点。
在按本发明的燃气轮机燃烧室中，可以在由所述至少一个燃烧器插座构成的燃烧室端壁与至少一个燃烧室壁之间存在间隙，它允许冷却空气从燃烧器插座的冷侧流入燃烧室内。
在设计为环形燃烧室的燃气轮机燃烧室的情况下，它有一个在燃烧室内壁与燃烧室外壁之间形成的环形的燃烧室内腔，在燃烧器一侧的燃烧室端壁尤其可以由一些沿环形燃烧室圆周方向并列设置的燃烧器插座构成。在相邻的燃烧器插座之间可以存在间隙，它们允许冷却空气在燃烧器插座之间流入环形燃烧室内。
按本发明的燃气轮机配备有至少一个燃气轮机燃烧室，它设计为按本发明的燃气轮机燃烧室。此外，按本发明的燃气轮机包括一个冷却流体库，例如一个与压气机出口连接的燃烧室充气箱，其中燃烧器插板的冷侧与冷却流体库流动连接。这种燃气轮机可以实现具有按本发明的燃烧器插座的燃烧室的优点。
附图说明
由下面参见附图对实施例的说明中，给出本发明的其他特征、特性和优点。
图1表示按现有技术的燃烧器插座；
图2表示燃气轮机局部纵剖面；
图3表示环形燃烧室的部分剖切透视图；
图4表示按本发明的燃烧器插座；
图5表示图4所示燃烧器插座的边缘；
图6表示燃烧器插座边缘的详图；以及
图7表示变更的燃烧器插座边缘的详图。
具体实施方式
图2表示燃气轮机纵剖面。它包括压气机部段3、燃烧室部段5和涡轮部段7。轴9延伸通过燃气轮机1的所有部段。轴9在压气机部段3内配备有压气机工作叶片11环，以及在涡轮部段7内配备有涡轮工作叶片13环。在工作叶片环之间，在压气机部段3内有压气机导向叶片15环，以及在涡轮部段7内有涡轮导向叶片17环。导向叶片基本上沿径向从燃气轮机装置1的机匣19向轴9延伸。
在燃气轮机1运行时，空气23通过压气机3的空气进口21吸入并由压气机工作叶片11压缩。压缩空气引向设在燃烧室部段5内的燃烧室25，在本实施例中它设计为环形燃烧室，在燃烧室中还通过至少一个燃烧器27喷入气态或液态燃料。由此形成的空气-燃料混合物被点燃并在燃烧室25内燃烧。沿流动路经29，高温燃气从燃烧室25流入涡轮部段7，它们在那里膨胀和冷却，并与此同时将冲量传给涡轮工作叶片13。涡轮导向叶片17在这里起喷嘴的作用，以优化在工作叶片13上的冲量传输。轴9通过冲量传输造成的旋转，可利用于驱动消耗器，例如发电机。膨胀和冷却后的燃气最终通过出口31从燃气轮机1排出。
图2中表示的燃气轮机环形燃烧室25，在图3中表示为立体的局部剖切视图。由图可以看出燃烧室外壁33和燃烧室内壁35。不仅燃烧室外壁33而且燃烧室内壁35均配备有抗高温燃气的砌衬，它们由热屏元件37构成。在本实施例中作为热屏元件采用陶瓷热屏件。燃烧室面朝涡轮部段7那一端有一个高温燃气出口39，在燃烧室25内部产生的高温燃气可通过它流向涡轮。在环形燃烧室25的与高温燃气出口39的对置端，存在一个由燃烧器插座41构成的燃烧室端壁。在每个燃烧器插座41内安装一个燃烧器27。燃烧器插座41在这里不直接与燃烧室外壁33和燃烧室内壁35连接，而是安装在支承结构上(未表示)，支承结构则固定在燃气轮机的机匣上。一方面在各个燃烧器插座41之间以及另一方面在外壁33与内壁35之间均留有间隙，间隙允许冷却空气沿各自壁流入燃烧室内部。此外，将燃烧器插座41布置为，使得它们之间，亦即沿周向在燃烧器插座41相邻的边缘之间，也留有间隙，这种间隙允许冷却空气进入燃烧室内部。
在图4中，用局部剖切透视图表示燃烧器插座。它包括带冷侧43和热侧44的燃烧器插板42，热侧44应面朝燃烧室内部(在图4中看不到热侧)。冷侧43与压气机的出口流动连接，所以压缩空气可为了冷却的目的流过冷侧43，以便将热侧的温度保持在燃烧器插座41的材料能接受的水平上。此外，热侧施加隔热涂层，例如形式上为陶瓷涂层，以减少对冷却空气的需求量。
燃烧器插座41在其中心有一个口45，燃烧器27的出口可以插入其中。口45以燃烧器插板42的一个从冷侧43伸出的区段47为界。从伸出的区段47出发，延伸一个沿口45的径向延伸的环形横挡，燃烧器插座41可借助它固定在支承结构上。
在本实施例中，燃烧器插座41的整个外边缘46设有从冷侧43伸出的边挡51，它赋予边缘46更高的刚性，以及保证提高燃烧器插板42的固有频率。在图5和6中表示边缘46和边挡51的详图。
边挡51有城垛53，它们由边挡51的一些区段构成，这些区段比边挡51的其余区段54从冷侧43伸出更远的距离。当燃烧器插座固定在支承结构上以及构成部分燃烧室端壁时，城垛52将离冷却侧43最远的端面55零间隙地支靠在支承结构的支承面上。此时在城垛53之间形成窗口57，在伸出的壁段47的区域内通常由压气机输入的冷却空气，可通过这种窗口流入燃烧室中。于是冷却空气可为了冷却沿冷侧42流过，冷侧42除边挡51和伸出的壁段47外完全设计为扁平的。在城垛53之间的窗口57，意味着是用于流动的冷却空气有规定流通载面的口，因为城垛53的端面5零间隙地靠放在支承结构上。通过恰当选择城垛53之间边挡区段54的宽度和高度与城垛53高度和宽度的比例关系，可以针对性地调整流入燃烧室内的冷却空气量。基于边挡51赋予边缘46更高的刚性，也不会在城垛面55与支承面之间产生间隙的重大差异，所以为冷却空气存在并由窗口决定的流动截面，在燃气轮机运行时也基本上保持不变。由此与现有技术相比，显著减小由于增大间隙尺寸造成的冷却空气过量供应，其结果是再次导致减小向燃烧室内的冷却空气加入量，并因而最终使有害物质排放减少和提高涡轮前温度。
虽然在图4至6所示实施例中边挡51设有城垛53，以确定用于冷却空气的窗口57，但也存在可能性，边挡51可以从冷侧43均匀地伸出。此时冷却空气通道可以借助钻孔形式的通孔59实现。图7表示按本发明的燃烧器插座一种相应的实施例。
尽管在本实施例中边挡沿燃烧器插座41整个外边缘46延伸，但可以考虑另一些实施方案，其中燃烧器插座41外边缘46的这些区域内没有边挡51。此外，可以采用圆柱形燃烧室设计方案。在这些设计方案中燃烧器插座的外边缘基本上圆形，以及至少沿部分圆周，优选地围绕整个圆周存在边挡。
本发明可以提高燃烧器插座的固有频率并与此同时可以有目的地调整燃烧室内流入的冷却空气，从而使冷却空气只能通过预定的间隙流出。与之相关联，得到本发明的其他优点，例如燃烧器插座更长的使用寿命，以及当节省供给燃烧器的冷却空气时，由于节省燃烧器插座处的冷却空气，在设有按本发明的燃烧器插座的燃气轮机功率相同时，降低有害物排放。与之不同，在排放相同时可以得到更高的功率。

Claims (13)

1.一种用于燃气轮机燃烧室(25)的燃烧器插座(41)，该燃烧器插座具有带冷侧(43)和热侧(44)的燃烧器插板(42)，其中，在燃烧器插板(42)内设计一个燃烧器口(45)用于插装燃烧器(27)，以及该燃烧器插座具有构成燃烧器插板(42)边界的边缘(46)，其特征为：所述边缘(46)具有至少部分环形地从冷侧(43)伸出的边挡(51)。
2.按照权利要求1所述的燃烧器插座，其特征为，边挡(51)具有用于流过冷却流体的口(57、59)。
3.按照权利要求2所述的燃烧器插座(41)，其特征为，边挡(51)具有城垛(53)，以及在城垛(53)之间形成口(57)。
4.按照权利要求3所述的燃烧器插座(41)，其特征为，城垛(53)由边挡区段构成，它们比其余边挡区段(54)从冷侧(43)伸出更远。
5.按照权利要求2所述的燃烧器插座(41)，其特征为，在边挡(51)中的口由通孔(59)构成。
6.按照权利要求2所述的燃烧器插座(41)，其特征为，在边挡(51)中的口由切槽构成。
7.按照前列诸权利要求之一所述的燃烧器插座(41)，其特征为，边挡(51)环形地围绕整个边缘(46)。
8.按照前列诸权利要求之一所述的燃烧器插座(41)，其特征为，燃烧器口(45)被一个从冷侧(43)伸出并设有环形横档(49)的环形壁板区(47)围绕，以及燃烧器插板(42)除此之外设计为扁平的。
9.一种燃气轮机燃烧室(25)，它有至少一个燃烧器(27)、至少一个围绕燃烧室内腔的燃烧室壁(33、35)和一个在燃烧器一侧的燃烧室端壁，其特征为：存在至少一个按照前列诸权利要求之一所述的燃烧器插座(41)，它的燃烧器插板(42)构成至少部分燃烧室端壁，其中燃烧器插板(42)的热侧(44)面朝燃烧室内部。
10.按照权利要求9所述的燃气轮机燃烧室(25)，其特征为，在由所述至少一个燃烧器插座(41)构成的燃烧室端壁与至少一个燃烧室壁(33、35)之间存在间隙。
11.按照权利要求9或权利要求10所述的燃气轮机燃烧室(25)，其特征为，它设计为环形燃烧室，有一个在燃烧室内壁(35)与燃烧室外壁(33)之间形成的环形的燃烧室内腔，以及，在燃烧器一侧的燃烧室端壁由一些沿环形燃烧室(25)圆周方向并列设置的燃烧器插座(41)构成。
12.按照权利要求11所述的燃气轮机燃烧室(25)，其特征为，在相邻的燃烧器插座(41)之间存在间隙。
13.一种具有至少一个燃气轮机燃烧室(25)的燃气轮机(1)，其特征为：
-所述至少一个燃气轮机燃烧室(25)是一种按照权利要求8至11之一所述的燃气轮机燃烧室，
-存在一个冷却流体库，以及
-燃烧器插板(42)的冷侧(43)与所述冷却流体库流动连接。
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