CN104373959A - 具有压降优化的衬垫冷却的燃气涡轮的燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有压降优化的衬垫冷却的燃气涡轮的燃烧器。公开了一种借助于对流冷却来有效地冷却燃气涡轮燃烧器的衬垫(7)的设计。

Description

具有压降优化的衬垫冷却的燃气涡轮的燃烧器
技术领域
本发明涉及燃气涡轮，并且针对一种具有空气冷却燃烧器的燃气涡轮。
背景技术
从市场上已知了具有空气冷却燃烧器的燃气涡轮。例如，申请人成功地制作出以GT24/GT26为名的此类燃气涡轮。图1示出了穿过燃气涡轮GT24/GT26的示意性和简化的横截面。
图1中并未示出该燃气涡轮的转子或旋转轴线。这意味着图1中所示的构件中的一些具有环形几何形状。
从图1中的左侧开始，进入焚烧器(没有参考标号)中的压缩空气以参考标号1标示。压缩空气1给送到焚烧器中，其产生均一的贫燃料/空气混合物。
燃料和空气的该混合物在第一燃烧器2中焚烧，形成单个环形的火焰环。该火焰环具有内循环区，其将自由空间中的火焰稳定在燃烧区内。
离开第一燃烧器2的热排出气体在进入第二燃烧器5的第二焚烧器4之前移动穿过高压涡轮级。
请求得到专利保护的本发明针对第一燃烧器2和/或第二燃烧器5。
如可从图1看到的那样，燃烧器2和5沿径向方向由衬垫7界定。这些衬垫7为燃烧器2和5的外壁，且经历由火焰引起的高温。
衬垫7通过使用压缩冷却空气的冲击冷却和对流冷却来冷却。冷却空气流过环形通道9。环形通道9由盖板11(在燃烧器5的情况下)或载体结构(在燃烧器2的情况下)界定。
冷却空气从左向右流过图1中的通道9。冷却空气由燃气涡轮(未示出)的压缩机输送，燃气涡轮还将压缩空气输送至第一焚烧器1中。
由于压缩空气需要机械能，故目标总是在于减小通道9中的冷却空气消耗和/或冷却空气的压降，因为这会提高燃气涡轮的效率和功率输出。
现有技术的燃气涡轮具有第一燃烧器2的通道9中相对于Pin(压缩机端部压力)大约2%到3%的压降。
如前文所述，在图1中，冷却空气流动图形从左到右。这意味着"上游"相当于图1(和图2到5)的"左侧上"。用语"下游"涉及图中的更右侧部分。总之，用语"上游"和"下游"涉及冷却空气的流动方向。
发明内容
请求得到专利保护的本发明的目的在于减小燃烧器的冷却空气的压降，且/或减少冷却燃气涡轮的第一燃烧器和/或第二燃烧器所需的冷却空气的量。
该目的通过包括衬垫和盖板的燃气涡轮的燃烧器实现，其中衬垫和盖板界定用于冷却空气的通道，且其中盖板在其上游端处形成用于冷却空气的通道的起始处的喷嘴。
这样，由通道的进入口处的冷却空气的紊流引起的压降减小。结果，冷却空气的压降显著地减小。
请求得到专利保护的喷嘴的几何形状可类似于拉瓦尔(laval)喷嘴的第一部分。其还可在纵向方向上为圆形或抛物线形。
出于冷却空气的甚至更好流动和/或易于制造的原因，喷嘴的几何形状还可不同以上示例。
例如，有可能通过冷却空气流的1-D、2-D或3-D流动模拟来优化喷嘴的几何形状。
通过将盖板的起始处(在通道的上游侧处)设计为喷嘴，相比于从现有技术获知的管状或圆柱形盖板，压降可显著减小。通过将喷嘴引至盖板的起始处而预计相对于Pin最多0.5%的压降减小。
还有可能通过在衬垫中钻泻流孔来减小压降，且泻流孔中的至少一个为衬垫的局部厚度的1.4倍以上。
这样，有可能有效地冷却衬垫的上游端，而没有从现有技术已知的冲击冷却。冲击冷却对于减小衬垫的温度很有效，但引起冷却空气的高压降。因此，冷却空气必须压缩到高压，这减小了燃气涡轮的总体效率。
通过避免衬垫的上游端处的冲击冷却，有可能进一步显著地减小压缩空气的压降。冲击冷却使用相对于压缩机端部压力通常0.5%到1.5%的压降。
请求得到专利保护的本发明的另一个重要方面在于提供很长的泻流孔。这意味着请求得到专利保护的燃烧器衬垫的泻流孔中的至少一些大于15mm。
高达15mm的长度允许借助于激光将泻流孔制造到衬垫中。超过15mm的厚度不可借助于激光产生。
在请求得到专利保护的本发明的另一个实施例中，完成了超过15毫米的请求长度，将请求泻流孔中的至少一些由衬垫和覆盖件中的凹槽部分地界定。
这些凹槽可覆盖大于15mm的泻流孔的长度。这些凹槽可与衬垫7的铸造一起铸造。为了完成这些很长的泻流孔，将请求由覆盖件覆盖这些凹槽。这导致泻流孔大于15mm且可按需要设计。例如，泻流孔可弯曲以优化从衬垫到流过泻流孔的冷却空气的热传递。
请求得到专利保护的本发明的另一个方面在于在泻流孔的区段上，泻流孔的纵轴线平行于衬垫的至少一个表面。
这意味着泻流孔很有效地冷却衬垫的上游端处的某些区域。因此，不需要衬垫的该区域的冲击冷却。
在此情况下，如果泻流孔的纵轴线平行于衬垫的纵轴线则优选。
为了便于制造这些泻流孔，将请求的是，在泻流孔平行于衬垫的至少一个表面的区段中，衬垫具有大于衬垫的通道区段的厚度。该通道区段位于泻流孔的下游。
这样，有可能具有衬垫的上游端处的长泻流孔，且还有可能借助于激光产生前15mm的这些泻流孔。泻流孔的附加长度例如可通过钻孔来制作。还有可能钻取泻流孔的整个长度。
在请求得到专利保护的本发明的另一个实施例中，盖板且尤其是盖板的喷嘴部分沿轴向方向在至少一列泻流孔上延伸。
这意味着泻流孔在衬垫的上游端处冷却衬垫，且在衬垫的更下游部分中，其为流过供应对流冷却的通道的冷却空气。
在本发明的另一个有利实施例中，具有泻流冷却的区段和具有对流冷却的区段沿轴向方向略微重叠。因此，衬垫的所有区域适当地冷却，且没有局部过热出现。
如果在衬垫的上游端处，成列的泻流孔沿衬垫的轴向方向延伸大于5cm的长度，优选大于10cm，或甚至大于15cm，已经证明是有利的。
有可能通过铸造或通过选择性激光熔化来产生衬垫。通过铸造衬垫，例如，有可能将凹槽形成到铸造模具中。这样，泻流孔的该部分的尺寸和几何形状几乎无限制，且可设计成实现最佳的冷却效果。
在衬垫由选择性激光熔化产生的情况下，甚至有可能具有三维弯曲的泻流孔。选择性激光熔化的技术使得能够就泻流孔的尺寸和几何形状而言具有甚至更大的自由度。
附图及其描述中公开了其它优点和特征。
附图说明
图1示出了燃气涡轮(现有技术)的横截面；
图2示出了包括若干列泻流孔的请求得到专利保护的本发明的第一实施例，以及
图3到5示出了泻流孔的其它实施例。
具体实施方式
从请求得到专利保护的第一实施例开始，可以看到盖板11的上游端弯曲以形成喷嘴13。
在纵向截面中，喷嘴13可为圆形和/或抛物线形。其还可具有拉瓦尔喷嘴的进入口的形状。
冷却空气流由若干箭头15示出。出于清楚的原因，不是所有这些箭头都具有参考标号15。
箭头17在图2到5中从左到右示出了冷却空气的总体流动方向。换言之：箭头17始于衬垫7的上游端或起始处，且指向衬垫7的下游端(未示出)。该箭头17平行于衬垫7的纵向方向。
如可从图2看到的那样，该实施例包括在衬垫7的上游端处的若干列的泻流孔19。
各列的泻流孔19沿周向围绕衬垫7布置。因此，从图2中的各列，仅一个泻流孔19在图2中示出。
如可从图2进一步看到那样，成列的泻流孔19沿轴向方向从衬垫7的起始处朝衬垫7的下游端延伸。
这些成列的泻流孔19的轴向延伸在图2中借助于线21示出。
如由从衬垫7的起始处朝衬垫7的端部的线23所示，衬垫7由对流冷却来冷却。在衬垫7的上游起始处，对流冷却通过成列的泻流孔19实现。这些成列的泻流孔比喷嘴13(的起始处)延伸至更下游。
进一步在泻流孔的下游，通道9中的冷却空气的对流冷却由衬垫7的外表面上的紊流器25加强。该意味着紊流器25覆盖通道9的壁的一部分。
由于泻流孔19在与衬垫7的轴向方向(参看箭头17)成大约30到45度的角下钻取，故它们是衬垫7的局部厚度的约1.4倍。
泻流孔19与衬垫7的轴向方向(参看参考标号17)之间的角为影响泻流孔的冷却效应的一个可能性。泻流孔19越长，则泻流孔19内的对流冷却越强。
显然，泻流孔19的数目为影响本发明的对流冷却的该部分的冷却效应和冷却空气需求的另一个可能性。
在对流冷却的起始处，冷却空气15具有可为大约17bar的压力Pin。
由于通道9中的不可避免的压降，故冷却空气15在通道9的端部处具有减小的压力Pin减Δp。
由于喷嘴30减小这些压力损失且完全没有冲击冷却，故压降Δp显著低于具有局部冲击冷却的现有技术。
根据该实施例的压降Δp为Pin的大约百分之1至百分之2。
在具有局部冲击冷却的常规冷却系统中，压降Δp为Pin的大约百分之2-3。
如可从该实施例看到的那样，通过仔细地设计喷嘴13和通过避免任何冲击冷却，压降Δp相比于具有局部冲击冷却的现有技术显著地减小。
图3示出了具有甚至更长的泻流孔19的请求得到专利保护的第二实施例。在该实施例中，泻流孔19在衬垫7的上游端处钻取。在壁27的下游，泻流孔19由凹槽29构成，凹槽29可与衬垫7及其紊流器25一起铸造。这些凹槽29通过覆盖件31闭合，导致通道状的泻流孔。覆盖件31可通过螺钉、焊接或固定销固定到衬垫7上。
通过铸造凹槽29，有可能使泻流孔19的长度延伸超过15mm。如果衬垫7由钢或耐热合金制成，则15mm为借助于激光钻取泻流孔19的极限。
另外，该实施例仅具有从衬垫7的起始处起的对流冷却。在衬垫7的上游端处，存在各个泻流孔19内的对流冷却。该实施例包括仅一列沿周向布置的泻流孔19。这些泻流孔19相比于衬垫7的厚度而很长。由于将泻流孔19的钻取部分与泻流孔的区段组合的可能性，故它们可为衬垫7的厚度的5到10倍，其中它们由凹槽29及其覆盖件31构成。
在图4中，示出了请求得到专利保护的另一个实施例。另外，泻流孔19相比于衬垫的厚度而很长。在该实施例中，泻流孔19为弯曲的，且它们还包括钻取部分(其在衬垫7的上游端的左侧)，以及第二部分33，第二部分33又可通过铸造凹槽且以覆盖件来覆盖这些凹槽从而制成。
还有可能的是通过选择性激光熔化来连同泻流孔19的区段33和紊流器25制造整个衬垫。该制造方法包括以一种方式局部地熔化金属粉末，该方式使得具有其包括泻流孔的复杂几何形状的衬垫7通过局部地熔化金属粉末来产生。选择性激光熔化为本领域的技术人员已知的方法，且因此在本申请中不会详细描述。
在该实施例中，区段33在喷嘴13的起始处沿纵向方向终止。还有可能伸长区段33，直到其延伸到通道9中。
另外，仅存在衬垫7的对流冷却，这导致减小的压降Δp。
图5示出了具有相比于衬垫7的局部厚度而很长的泻流孔19的另一个实施例。为了能够制造或多或少平行于衬垫7的表面35的泻流孔19，一些情况下需要增大发生泻流的上部中的衬垫的厚度(图3到5中的条21)。

Claims (12)

1. 一种燃气涡轮的燃烧器，包括衬垫(7)和盖板(11)，其中所述衬垫(7)和所述盖板(11)界定用于冷却空气的通道(9)，其特征在于，在所述通道(9)的上游起始处，所述盖板(11)具有喷嘴(13)的形状。
2. 根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述衬垫(7)包括泻流孔(19)，且所述泻流孔(19)中的至少一个的长度为所述衬垫(7)的局部厚度的1.4倍以上。
3. 根据前述权利要求中的一项所述的燃烧器，其特征在于，所述泻流孔(19)中的至少一个的长度大于15mm。
4. 根据前述权利要求中的一项所述的燃烧器，其特征在于，所述泻流孔(19)中的至少一些由所述衬垫(9)中的凹槽(29)和覆盖件(31)部分地界定。
5. 根据前述权利要求中的一项所述的燃烧器，其特征在于，在所述泻流孔(19)的区段上，所述泻流孔(19)的纵轴线平行于所述衬垫(7)的至少一个表面。
6. 根据权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，在该区段中，所述衬垫(7)具有大于所述衬垫(7)的通道区段中的厚度。
7. 根据前述权利要求中的一项所述的燃烧器，其特征在于，所述盖板(11)或所述喷嘴(13)沿轴向方向在至少一列泻流孔(19)上延伸。
8. 根据前述权利要求中的一项所述的燃烧器，其特征在于，所述成列的泻流孔(19)沿所述衬垫(7)的轴向方向延伸大于5cm的长度，优选大于10cm，或大于15cm。
9. 根据前述权利要求中的一项所述的燃烧器，其特征在于，所述衬垫(7)通过铸造或通过选择性激光熔化而制成。
10. 根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，所述泻流孔(19)在所述铸造或所述选择性激光熔化期间至少部分地生成。
11. 根据前述权利要求中的一项所述的燃烧器，其特征在于，用于冷却空气的所述通道(9)为环形。
12. 一种燃气涡轮，包括至少一个压缩机、至少一个燃烧器(2,5)、至少一个涡轮，其特征在于，所述至少一个燃烧器(2,5)为根据前述权利要求中的一项的燃烧器。
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