CN105531543A - 具有火焰管端部区域的管式燃烧室和燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃气轮机(1)的管式燃烧室(22)，其具有：燃烧室顶端部(24)，至少一个第一燃烧器装置(11，26)设置在所述燃烧室顶端部上；基本上构成为圆柱形的火焰管(28)，所述火焰管围住第一燃烧区(30)并且包括圆柱形的火焰管端部区域(32，46，52，72)；和转移通道(36)，其中圆柱形的火焰管端部区域(28)伸入到转移通道中并且所述转移通道将火焰管与可设置在涡轮机入口区域上的燃烧室出口(34)流体地连接，其中圆柱形的火焰管端部区域包括多个冷却通道(44，48，54，66，70)，多个冷却通道基本上平行于火焰管端部区域的侧表面在火焰管端部区域的内部中伸展。根据本发明的管式燃烧室实现降低燃气轮机的有害物质排放。为此，冷却通道构成和/或设置为，使得与火焰管端部区域(32，46，52，72)的承受较高热负荷的区域(42)相比，承受较低热负荷的区域(50)平均由更少的冷却空气穿流。

Description

具有火焰管端部区域的管式燃烧室和燃气轮机
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机的管式燃烧室以及管式燃烧室的壳体部件。壳体部件构成为管式燃烧室端部区域。
背景技术
燃气轮机在最简单的情况下包括用于提供压缩空气的压缩机、至少一个燃烧室和涡轮机。
燃烧室为了将燃料导入到燃烧室内部中而包括至少一个燃烧器。导入到燃烧室中的燃料在与由压缩机提供的燃烧空气反应的情况下在燃烧室的至少一个燃烧区中转换成热的工作气体。
借助热的工作气体，将涡轮机置于转动中，使得轴被驱动。传递给轴的旋转能的一部分用于驱动压缩机。旋转能的剩余部分能够用于驱动工程机械、尤其发电机。
燃烧室的直接包围燃烧室内部的内壳体尤其在至少一个燃烧区的区域中承受高的热量输入。
本发明涉及一种具有燃烧室顶端部的管式燃烧室，在所述燃烧室顶端部上设置有燃烧器设备。管式燃烧室包括从燃烧室顶端部延伸至过渡区域的基本上构成为圆柱形的、具有圆柱形的端部区域的火焰管。圆柱形的端部区域也能够称作为“冷却环(CoolingRing)”。火焰管基本上包围燃烧设备的燃烧区。管式燃烧室能够包括其他的燃烧器装置，所述燃烧器装置将燃料导入到布设在下游的燃烧区中。圆柱形的火焰管端部区域伸入到管式燃烧室壳体的构件部件中，所述构件部件用于将从火焰管中流出的热气转移至涡轮机并且包括布设在上游的入口区域和布设在下游的出口区域，其中转移件的入口区域通常能够具有圆形的横截面并且转移件的出口区域能够匹配于环区段的轮廓。在本发明的范围中，用“过渡装置(Transition)”表示转移件。火焰管也能够称作“篮(Basket)”。从现有技术中已知：火焰管的圆柱形的端部区域设有冷却空气通道，因为所述端部区域承受燃烧器火焰的尤其高的热量输入。冷却空气通道基本上平行于圆柱形的端部区域的侧表面伸展，即在火焰管端部区域的内部中伸展。冷却空气通道的伸展方向例如能够平行于火焰管的纵轴线或主流动方向指向。冷却空气通道的进入开口位于火焰管的外侧。冷却空气通道的排出开口设置成，使得将冷却空气导入到燃烧室的内部中。特别地，排出开口能够位于火焰管的内侧或者端部区域的布设在下游的端侧上。提高流动穿过圆柱形的火焰管端部区域的冷却空气量改进该构件的冷却。但是，这引起不利地提高NOx的有害物质排放，因为冷却空气不能够用作为燃烧空气并且引起CO不利的提高，因为出自冷却空气通道中的冷的空气引起在燃烧室中的冷的束，使得减缓在该区域中的CO燃耗反应(Ausbrandreaktion)。通常这称作CO燃耗反应的“抑制(Quenching)”。
本发明基于类型相关的管式燃烧室，所述管式燃烧室在燃烧室顶端部处包括至少一个第一燃烧器设备，具有基本上圆柱形地构成的火焰管(所述火焰管围住第一燃烧区并且包括圆柱形的火焰管端部区域)，和-转移通道，其中圆柱形的火焰管端部区域伸入到转移通道中并且转移通道将火焰管与能设置在涡轮机入口区域上的燃烧室出口流体地连接，-其中圆柱形的火焰管端部区域包括多个冷却通道，多个所述冷却通道基本上平行于火焰管端部区域的侧表面在火焰管端部区域的内部中伸展。
发明内容
本发明的目的是：提出一种类型相关的管式燃烧室，借助所述管式燃烧室能够降低有害物质排放。
根据本发明，所述目的在类型相关的管式燃烧室中通过如下方式实现：冷却通道在火焰管端部区域中构成和/或设置为，使得与火焰管端部区域的承受较高热负荷的区域相比，承受较低热负荷的区域平均由更少的冷却空气穿流。
冷却环的根据本发明的构造实现节约冷却空气，所述冷却空气因此提供用于降低作为燃烧空气的NOx。同时，燃烧室的内部中的较冷的区域还不必借助来自冷却环的冷却空气进一步冷却，使得根据本发明也引起降低CO有害物质排放。因为仅在冷却环的承受较低热负荷的区域中节约冷却通道的数量或冷却空气量，所以尽管降低冷却空气量而能够确保构件的充分冷却。
在下面的描述和从属权利要求中说明本发明的有利的设计方案，其特征能够单独地并且以彼此间任意的组合应用。
能够有利地提出：燃烧器装置在燃烧室顶端部上包括多个燃烧器，所述燃烧器沿着燃烧室的环周环形地设置，使得在运行期间分别在一个燃烧器的下游构成火焰管的沿流动方向变宽的、承受较高热负荷的区域，所述承受较高热负荷的区域延伸至火焰管端部区域中，其中所述承受较高热负荷的区域之间的区域承受较低热负荷。
火焰管的在燃烧器出口下游的承受较高热负荷的区域能够基本上构成为是三角形的。燃烧器装置能够由设置在中央的点火燃烧器和多个主旋流发生器构成。主旋流发生器能够环形地围绕点火燃烧器设置，其中每个主旋流发生器包括由壳体包围的(优选圆柱形的)预混合路径连同沿流动方向延伸的设置在中央的燃烧器喷管。为了产生流动穿过预混合路径的流体的涡流将涡流叶片设置在预混合路径中，所述涡流叶片能够支撑在燃烧器喷管上并且能够延伸至包围预混合路径的壳体。预混合路径的排出开口能够称作为燃烧器出口。
有利地还能够提出：冷却通道基本上平行于燃烧室的纵轴线延伸。
冷却通道的该设置具有小的制造成本。冷却通道能够是直的孔，所述孔能够通过不同的制造方法(例如打孔、火花腐蚀或例如电化学剥离)来制造。
也能够视作为是有利的是：与在火焰管端部区域的承受较低热负荷的区域中的冷却通道中的一个相比，设置在承受较高热负荷的区域中的至少一个冷却通道具有更大的直径。
这实现例如借助均匀地围绕环周分布的冷却通道实施本发明。根据本发明，所述冷却通道在承受较强热负荷的区域中的直径能够选择得比在承受较低热负荷的区域中更大。例如所有冷却空气通道或仅一部分冷却通道能够在承受较强热负荷的区域中以较大的直径构成。
根据本发明的也能够有利地与前述设计方案组合的另一有利的设计方案，与在至少一个承受较低热负荷的区域中相比，在至少一个承受较高热负荷的区域中的冷却通道平均具有距直接相邻的冷却通道更小的间距。
用于将冷却通道引入冷却环中的工具能够以相应的间距设置在环上，使得能够并行地进行通道的制造。于是，能将冷却环以相对于燃烧器的相应的定向固定在火焰管上。
也能够视作为有利的是：圆柱形的火焰管端部区域由至少两个圆柱形的子区域组成，所述子区域分别在垂直于圆柱轴线伸展的切面上拼接，其中在承受不强热负荷的区域中伸展的至少一个冷却通道以直线延伸穿过切面，和/或在承受较高热负荷的区域中伸展的至少一个通道由设置在上游的子区域中的冷却通道拼接，所述设置在上游的子区域中的冷却通道经由沿着切面伸展的冷却通道部段与在设置在下游的子区域中伸展的至少一个冷却通道流体连接。
组成的通道具有的优点是：通常在下游变宽的承受较强热负荷的区域能够更好地被供应，因为冷却通道能够遵循区域的形状。至少两件式的冷却环的应用还实现：将不同数量的冷却通道引入到冷却环的部件中，其中在切面的下游将多个冷却通道连接到布设在上游的冷却通道上。为此，引入到切面中的槽(所述槽能够仅引入到火焰管端部区域的子区域的一个端侧中或引入到两个端侧中)将布设在上游的冷却通道与布设在下游的至少一个冷却通道连接。
优选地，多个冷却通道借助于至少一个这样的组成的冷却通道遵循沿主流动方向变宽的、承受较高热负荷的区域的伸展走向。
这实现承受较强热负荷的区域的冷却。
也能够有利地提出：组成的冷却通道在切面上扇形地展开成至少两个冷却通道。
这实现尤其均匀地冷却承受较强热负荷的区域。
为了使冷却通道部段不限定扇形地展开的冷却通道的冷却空气的划分，能够有利地提出：沿着切面伸展的冷却通道部段的横截面积至少是在下游连接到冷却通道部段上的至少两个冷却通道的各横截面积的两倍。优选地，该横截面积基本上是在下游连接的冷却通道的横截面积的三倍。
本发明的另一目的是：提出开始提出的管式燃烧室的火焰管端部区域，借助其能够降低有害物质排放。
根据本发明，所述目的在开始提出类型的火焰管端部区域中通过如下方式实现：所述火焰管端部区域是根据权利要求1至9中任一项所述的管式燃烧室的组成部分。
本发明的另一目的是：提出具有至少一个开始提出的管式燃烧室的燃气轮机，借助所述管式燃烧室能够降低有害物质排放。
根据本发明，所述目的在开始提出类型的燃气轮机中通过如下方式实现：其包括根据权利要求1至9中任一项所述的至少一个管式燃烧室。
附图说明
本发明的其他适宜的设计方案和优点是参考附图中的图的本发明的实施例的描述的主题，其中相同的附图标记表示相同作用的构件。
在此示出：
图1示意地示出贯穿根据现有技术的燃气轮机的纵截面，
图2示意地示出贯穿根据现有技术的管式燃烧室的纵截面，
图3极度示意地简化地示出根据现有技术的火焰管的展开，
图4极度示意地简化地示出具有根据第一实施例的根据本发明构成的火焰管端部区域的火焰管的展开，
图5极度示意地简化地示出具有根据第二实施例的根据本发明构成的火焰管端部区域的火焰管的展开，以及
图6极度示意地简化地示出具有根据第三实施例的根据本发明构成的火焰管端部区域的火焰管的展开。
具体实施方式
图1示出根据现有技术的燃气轮机1的示意截面图。燃气轮机1在内部具有围绕旋转轴线2转动支承的转子3连同轴4，所述转子也称作为涡轮机转子。沿着转子3抽吸壳体6、压缩机8、具有多个燃烧室10的燃烧系统9、涡轮机14和排气壳体15依次排列。燃烧室10分别包括燃烧器装置11和壳体12，所述壳体为了防止受热气影响而用防热罩20包覆。
燃烧系统9与例如环形的热气通道相通。在那里，多个依次连接的涡轮机级形成涡轮机14。每个涡轮机级都由叶片环形成。在工作介质的流动方向上观察，在热气通道中，由转子叶片18形成的排接着由导向叶片17形成的排。导向叶片17在此固定在定子19的内壳体上，相反一排转子叶片18例如借助于涡轮机叶片盘安置在转子3上。例如将发电机(未示出)耦联在转子3上。
在燃气轮机运行期间，将空气由压缩机8穿过抽吸壳体6抽吸和压缩。将在压缩机8的涡轮机侧的端部上提供的压缩空气引导至燃烧系统9并且在那里在燃烧器装置11的区域中与燃料混合。混合物随后借助于燃烧器装置11在形成工作气体流的情况下在燃烧系统9中燃烧。工作气体流从那里沿着热气通道流动经过导向叶片17和转子叶片18。工作气体流在转子叶片18上以传递脉冲的方式减压，使得转子叶片18驱动转子3并且所述转子驱动耦联在其上的发电机(未示出)。
图2示出燃气轮机的管式燃烧室22。将燃烧器装置26设置在燃烧室顶端部24上。所述燃烧器装置包括中央的点火燃烧器和围绕所述点火燃烧器设置的多个主燃烧器。燃烧器装置通入到圆柱形构成的火焰管28中，所述火焰管围住第一燃烧区30并且包括圆柱形的火焰管端部区域32。为了将火焰管端部区域32与燃烧室出口34流体连接，转移通道36(过渡装置)设置在燃烧室出口34和火焰管端部区域32之间。圆柱形的火焰管端部区域伸入到转移通道36中。在火焰管28和转移通道之间的过渡的区域中是借助于弹簧密封件密封的环形的通道，所述通道预防这两个构件火焰管和过渡装置之间的热应力。转移通道在布设在其上游的端部处借助于保持钩37固定在燃气轮机的外壳体(未示出)上。因为主燃烧器在其燃烧器出口的下游分别在第一燃烧区30中产生火焰，所以布设在燃烧器出口下游的区域中的热负荷强于在该区域之间的区域中的热负荷。因此，火焰管端部区域32承受围绕环周不均匀的热负荷。
图3示出根据现有技术的火焰管28的展开的极度示意简化的视图。燃烧室中的主流动方向用箭头38表明，以便能够在图3中应用术语上游和下游。区域40标识燃烧器装置的两个燃烧器的燃烧器出口。燃烧器能够为所谓的主旋流发生器，所述主旋流发生器分别包括预混合路径，其中预混合路径的出口能够称作燃烧器出口。在此，在燃烧器出口的下游形成火焰管的变宽的(在此三角形表示的)区域42，所述区域承受较强热负荷(显著更高的壁温度)。锥形表明通过火焰提高篮壁温度，其涉及篮的沿流动方向越来越大的环周。该视图为原理草图，所述原理草图大致地描述在燃耗系统中的情况。区域42伸展至火焰管端部区域32中。火焰管端部区域32由冷却通道44穿过，所述冷却通道平行于主流动方向38延伸并且均匀地彼此隔开。这引起均匀地冷却构件。如可识别的那样，通过冷却通道也冷却还未观察到提高的壁温度的区域。
图4示出根据本发明的第一实施例的火焰管28的展开。火焰管端部区域46具有在此平行于主流动方向38(所述主流动方向平行于燃烧室的纵轴线伸展)延伸的冷却通道48。所述冷却通道根据本发明设置成，使得与火焰管端部区域46的承受较高热负荷的区域42相比，承受较低热负荷的区域50平均由更少的冷却空气穿流。这在所示出的实施例中通过如下方式引起：与在承受较低热负荷的区域50中相比，在承受较高热负荷的区域42中的冷却通道48具有距直接相邻的冷却通道48更小的间距。当例如与在火焰管端部区域46的承受较低热负荷的区域50中的一个或多个冷却通道48相比，设置在承受较高热负荷的区域42中的一个或多个冷却通道具有更大的直径时，能够实现相同的效果。冷却通道是直孔。冷却空气分布根据本发明匹配于热负荷的不均匀的分布。
图5示出具有根据本发明的第二实施例的火焰管端部区域52的火焰管28的展开。根据本发明的火焰管端部区域52由两个圆柱形的子区域58和60组成，所述子区域分别在垂直于圆柱轴线62伸展的切面64处拼接。火焰管端部区域52中的冷却通道在承受较强热负荷的区域42之间分别包括在承受不强热负荷的区域50中伸展的冷却通道66，所述冷却通道66以直线延伸穿过切面64。火焰管端部区域52也包含在承受较高热负荷的区域42中伸展的通道54，所述通道由设置在上游的子区域58中的冷却通道拼接，所述冷却通道经由沿着切面64伸展的冷却通道部段68与在设置在下游的子区域60中伸展的冷却通道流体连接。冷却通道54的构成方式适合于遵循在下游变宽的、承受较强热负荷的区域42的伸展走向，由此区域42也在子区域60中在其整个宽度之上由冷却通道穿过。冷却通道部段68能够通过沟槽在子区域的对切面限界的端侧中构成。
图6示出火焰管端部区域72的第三实施例。火焰管端部区域72与图5中示出的实施例的区别在于：在承受较强热负荷的区域42中的组成的冷却通道70在切面64上扇形地展开成两个冷却通道(展开成多于两个冷却通道同样是可行的)。因此在图6中示出的实施例中，子区域60中的冷却通道数量高于在子区域58中的冷却通道数量。
这一方面具有的优点是：在子区域58中以及在子区域60中，承受强的热负荷的区域42中的冷却通道能够具有距直接相邻的冷却通道相同的间距(均匀的冷却)。另一优点是：通过偏转在冷却通道部段68中的通道中的冷却流体的流来干扰冷却流体的热学的和流体动力学的边界层，这引起在布设在下游的子区域60中的冷却通道的进入区域中的热传递的提高。(该另外的效果也在上述附图的组成的通道中出现)。因此，能够可靠地避免火焰管端部区域的区域42的过热并且由于承受不强热负荷的区域50的较少的冷却而节约冷却空气。在所示出的实例中应当注意：冷却通道部段中沿着切面的环形槽不限定在子区域60中的冷却通道上的空气分布。尤其有利的是冷却通道部段的横截面积大约为连接在下游的通道的各横截面积的三倍。

Claims (11)

1.一种用于燃气轮机(1)的管式燃烧室(22)，其具有：
-燃烧室顶端部(24)，至少一个第一燃烧器装置(11，26)设置在所述燃烧室顶端部上；
-基本上构成为圆柱形的火焰管(28)，所述火焰管围住第一燃烧区(30)并且包括圆柱形的火焰管端部区域(32，46，52，72)；和
-转移通道(36)，其中圆柱形的所述火焰管端部区域(28)伸入到所述转移通道中并且所述转移通道将所述火焰管与能设置在涡轮机入口区域上的燃烧室出口(34)流体地连接，
-其中圆柱形的所述火焰管端部区域包括多个冷却通道(44，48，54，66，70)，多个所述冷却通道基本上平行于所述火焰管端部区域的侧表面在所述火焰管端部区域的内部中伸展，
其特征在于，
所述冷却通道构成和/或设置为，使得与所述火焰管端部区域(32，46，52，72)的承受较高热负荷的区域(42)相比，承受较低热负荷的区域(50)平均由更少的冷却空气穿流。
2.根据权利要求1所述的管式燃烧室(22)，
其特征在于，
所述燃烧器装置(11，26)在所述燃烧室顶端部上包括多个燃烧器，所述燃烧器沿着所述燃烧室(22)的环周环形地设置，使得在运行期间分别在一个燃烧器的下游构成所述火焰管(28)的沿流动方向变宽的、承受较高热负荷的区域(42)，所述承受较高热负荷的区域延伸至所述火焰管的所述火焰管端部区域(32，46，52，72)中，其中所述承受较高热负荷的区域之间的区域(50)承受较低热负荷。
3.根据权利要求1或2所述的管式燃烧室(22)，
其特征在于，
所述冷却通道(44，48，54，66，70)基本上平行于所述燃烧室的纵轴线延伸。
4.根据上述权利要求中任一项所述的管式燃烧室(22)，
其特征在于，
与在所述火焰管端部区域(32，46，52，72)的承受较低热负荷的区域(50)中的冷却通道中的一个冷却通道相比，设置在承受较高热负荷的区域(42)中的至少一个冷却通道具有更大的直径。
5.根据上述权利要求中任一项所述的管式燃烧室(22)，
其特征在于，
与在至少一个承受较低热负荷的区域(50)中相比，在至少一个承受较高热负荷的区域(42)中的冷却通道(48)平均具有距直接相邻的冷却通道更小的间距。
6.根据上述权利要求中任一项所述的管式燃烧室(22)，
其特征在于，
圆柱形的所述火焰管端部区域(52，72)由至少两个圆柱形的子区域(58，60)组成，所述子区域分别在垂直于圆柱轴线(62)伸展的切面(64)上拼接，其中在承受不强热负荷的区域(50)中伸展的至少一个冷却通道(66)以直线延伸穿过所述切面(64)，和/或在承受较高热负荷的区域(42)中伸展的至少一个通道(54，70)由设置在上游的子区域中的冷却通道拼接，所述设置在上游的子区域中的冷却通道经由沿着所述切面伸展的冷却通道部段(68)与在设置在下游的子区域中伸展的至少一个冷却通道流体连接。
7.根据权利要求6所述的管式燃烧室(22)，
其特征在于，
多个冷却通道借助于至少一个这样的组成的冷却通道(54，70)遵循沿主流动方向变宽的、承受较高热负荷的区域(42)的伸展走向。
8.根据权利要求7所述的管式燃烧室(22)，
其特征在于，
组成的冷却通道(54，70)在所述切面的下游扇形地展开成至少两个冷却通道。
9.根据权利要求8所述的管式燃烧室，
其特征在于，
沿着所述切面伸展的所述冷却通道部段的横截面积至少是在下游连接到冷却通道部段上的至少两个冷却通道的各横截面积的两倍。
10.一种管式燃烧室的圆柱形的火焰管端部区域，
其特征在于，
所述火焰管端部区域是根据权利要求1至9中任一项所述的管式燃烧室的组成部分。
11.一种具有至少一个管式燃烧室的燃气轮机，
其特征在于，
至少一个管式燃烧室根据权利要求1至9中任一项构成。
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