CN106133293B - 燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃气轮机(1)，包括压缩机(2)，中间壳体(12)，至少一个燃烧室(28)，膨胀轮机(26)，和热交换器(68)。每个燃烧室(28)经由内壳体(24)流体地连接至膨胀轮机(26)，内壳体(24)被引导穿过中间壳体(12)的内部(10)。压缩机(2)与中间壳体(12)的内部(10)通过环形充气室(16)流体地分隔，该环形充气室(16)连接至压缩机(2)的出口(8)，并且具有多个排放管线(20)，在运行期间，排放管线(20)连接至热交换器(68)的冷侧(72)。每个燃烧室(28)被设计为筒仓燃烧室(22)，并且每个筒仓燃烧室(28)具有界定燃烧室(34)的内壁(30)，和围绕内壁(30)由此形成腔(38)的外壁(40)。内壁(30)过渡至内壳体(24)中，并且腔(38)过渡至中间壳体(12)的内部(10)中。

Description

燃气轮机
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机，包括压缩机，中间壳体，至少一个燃烧室和膨胀轮机，其中所述或每个燃烧室经由内壳流体地连接至膨胀轮机，内壳被引导穿过中间壳体的内部空间。
背景技术
在燃气轮机中，燃料的燃烧热转化为机械功。描述该转换的热力循环近似地符合焦耳循环。
在那种情况下，首先，压缩机室压缩含氧工作气体，该工作气体实际一般为空气，在此过程中，气体温度从起始温度T1加热至T2，且压力增加。在第二步中，由于温度进一步上升至T3，通过点燃混合燃料以恒定压力将热量供给燃烧室中的工作气体。然后，被压缩和被加热的工作气体通过膨胀做机械功，并且在此程中经由叶片驱动涡轮机。这样，温度下降至T4。压力也下降。在涡轮机处获得的一些机械功可用于第一步中的压缩。最后，通过冷却以恒定的压力从工作气体提取余热，由此，温度降回至T1。对于近似理想气体，该过程的效率由下式给出：η＝1-(T4-t1)/(T3-T2)。
由于越来越多工业化国家广泛采用可再生能源发电，使用燃气轮机的热电厂的重要性显著增加。与使用太阳能或风能发电天然地相关联的规划可靠性的缺失必须由发电过程中足够的储备能力来平衡，这种储备能力也能够尽快地提供所需电力。在这种情况下，由于所使用的燃料的价格波动性，使用燃气轮机运行的电厂相比在热力学上更低效的燃煤发电厂或甚至核反应堆具有显著的优点。
燃气轮机的效率作为所产生的能量与所使用的燃料总能量含量的比值远远低于50％，即使是在现代设施中，由于由燃烧提供的热量被作为余热丢弃，并且从而工作气体膨胀后的余热能量含量不再被使用。
然而，通过使用该余热可增加效率，例如，通过在第二回路中使用余热来运行第二热电厂的汽轮机(称为“联合循环”技术)。这允许根据可以供给汽轮机的余热的程度来提高效率。然而，在效率上的这种改进意味着增加系统的复杂性，因为现在必须连接整个蒸汽回路和燃气轮机，并与燃气轮机在控制方面进行协调，所有这些都增加了电厂的投资成本。此外，由于燃气轮机部件的尺寸，许多现有使用燃气轮机的热电厂不易于改装为带有蒸汽回路。
在这种情况下，一种可能的进一步解决方案可以使用燃气轮机的废气余热，通过集成于回热器过程以在供应燃料的燃烧热之前进一步加热第一步中预压缩的工作气体。由于在许多燃气轮机中，预压缩的工作气体的温度T2低于余热温度T4，在理想模式中，对应于该差T4-T2的热量不需要通过燃料包含的能量提供给工作气体，而可以节省，这导致效率相应地增加。
在这种情况下，该集成特别是现有的燃气轮机系统集成于回热器过程的技术实现产生了一个问题，其中，在这种情况下由于燃气轮机中的空间限制，特别是压缩机区域中的空间限制，移除预压缩的工作气体并将其传送到热交换器中特别重要。
US3367403A和GB2232720A的教导解决了该问题，其可以描述从燃气轮机的废气中的热返回到预压缩的工作气体。
然而，在现有技术中已知的这些解决方案的情况下，由于在燃气轮机的燃烧室中出现的高温(高达1400℃)，界定燃烧室的内壁的材料经受高热负荷。特别地，由于接触内壁的两侧的介质间的温差变化达数百度，该高温增加了材料中的热应力。因此，由于大温差这些热应力愈发导致微观裂纹，该内壁的累积材料疲劳是可以预料的。
发明内容
本发明的目的是避免现有技术中燃气轮机存在的这些缺点。特别地，需要避免的是，界定燃烧室的内壁材料被应力热加载到该内壁的寿命产生不期望减少的点。
根据本发明，通过一种燃气轮机实现此目的，该燃气轮机包括压缩机，中间壳体，至少一个燃烧室，膨胀轮机和热交换器，其中所述或每个燃烧室经由内壳流体地连接到膨胀轮机，该内壳被引导穿过中间壳体的内部空间，其中压缩机与中间壳体的内部空间被环形充气室流体地分离，该环形充气室连接至压缩机的出口并且具有多个排放管线，在运行中，该排放管线连接至热交换器的冷侧。
根据本发明，还提供了，所述或每个燃烧室被设计为筒仓燃烧室。在此方面，充气室可设置在内壳和压缩机之间，该内壳从所述或每个燃烧室延伸至膨胀轮机，由于只有充气室自身需要相对于现有概念进行配置，所以其在结构上特别有利。
此外，根据本发明，所述或每个筒仓燃烧室具有界定燃烧空间的内壁和外壁，其中外壁围绕内壁从而形成腔，其中内壁过渡至内壳中并且其中该腔过渡至中间壳体的内部空间中。由于燃烧室的双壁结构，气体可充满该腔以更好地冷却内壁，因此降低所述负载能力要求并从而降低费用。
因此，本发明有别于现有技术的其他方法，如US3228190A中教导的。虽然该文献确实还提供了在筒仓燃烧室的内壁和外壁间形成腔，但其不能特别地教导该腔过渡至中间壳体的内部空间中，并且压缩室与中间壳体的内部空间被环形充气室流体地分隔。此外，US3228190A描述了一个实施例，必须要求中间壳体的内部空间与充气室经由过渡直接流体地连接。因此热解耦是不可能的，并且因为在所述US3228190A中冷却作用是优先的，所以是不可取的。然而，这是以内壁的材料疲劳为代价的，其将由本发明的技术特征来避免。
在这种情况下，热交换器的冷侧应理解为向一个区域的所有流入管线，在这个区域中，在热交换器中，流经热交换器的工作气体和热供应之间发生热转移。特别地，在这种情况下，热交换器可以由燃气轮机的余热供应热，并且特别地，这种情况下可输送热交换器中加热的工作气体到燃烧室的所述或每个燃烧器以供应氧气。在这种情况下，压缩机应理解为燃气轮机中所有的独立和分立单元，用于压缩工作气体的技术目的并被设置在所述或每个燃烧器的上游。
除上述提及的优势外，本发明还基于以下考虑：
燃气轮机的设计要求在流体动力学、材料与热力学和数学计算方面的复杂建模，这很大程度上需通过对原型进行实际测试来验证。因此，对现有燃气轮机系统的任何修改也需要对所述模型和计算进行调整。因此具有相当大优势的是，配置一个机制用于移除预压缩的工作气体和用于先验地传送其至热交换器，使得其可以以最小的结构修改被集成到现有的燃气轮机设计中。此外，这还打开了以相对较少的支出改造已服役的在其中没有热交换器的燃气轮机的可能性。
在小范围修改的条件下，首先似乎明显的是，将用于移除该工作气体的所述或每个流出管线直接设置于压缩机的出口处。但是，本发明的一个重要发现是，此方法在流动方面存在缺点，因为其可能在压缩机的出口处在其横截面区域上在各自的流出管方向上产生压力梯度。这可能导致湍流及压缩机内压力分布非常不均匀，这将大大降低压缩过程的效率，即每单位所使用的能量的压缩功。
相反，以及尽管压缩机和内壳之间的空间有限，本发明提出在中间壳体内在压缩机出口处提供充气室，所述或每个流出管线从该充气室被路由至热交换器。在该充气室内有利的压力分布是可能的，而不需要对燃气轮机的实质性结构变化。关于该设计的新产生的支出限于引导工作气体在压缩室的出口、在充气室自身和在各自的流出管线中流动。
优选地，充气室与中间壳体的内部空间通过一个壁分隔，该壁从压缩机的出口延伸直至该中间壳体。特别地，在这种情况下，所述或每个排放管线被引导穿过燃气轮机围绕压缩机的那部分壳体，并在壁连接处连接至中间壳体。在基于燃气轮机被构造或改造的现有设计中，中间壳体中的安装空间有限，例如由于压缩机出口靠近内壳，这种方法是特别有利的。在某种情况下，压缩机出口在这种情况下可以适应于可用的安装空间，例得导流装置当在轴向方向上看时被歧管路由离开中间壳体。特别地，歧管在这种情况下可做成旋转对称的，使得分隔充气室和中间壳体内部空间的壁由从岐管边缘延伸到中间壳体的多个分隔板形成。特别地，中间壳体在这种情况下可以在壁连接处具有周向槽，以提高壁的流体分隔效果。
方便地，压缩室出口被设计为环形出口扩压器。这是在燃气轮机中特别经常选择的设计变量，由于通过扩压器，在此降低工作气体的流速，有可能为工作气体实现进一步的压力增加。此外，环形扩压器提供了尽可能均匀的压力分布和从压缩机流入充气室的工作气体的均匀质量流。特别地，出口扩压器在这种情况下可以在轴向方向上具有远离中间壳体的岐管，岐管减少了充气室要求的安装空间，因为充气室从而可以被设置于压缩机附近。
由于充气室中特别均匀的压力分布和从充气室流入所述或每个排放管线的工作气体的特别均匀的质量流，对于多个排放管线特别可能导致旋转对称地远离充气室，或对于多个组的排放管线每个导致旋转对称地远离充气室。
已进一步证明是有利的，如果可以经由旁路建立所述或每个排放管线和中间壳体的内部空间之间的直接流体连接。这使得有可能将部分预压缩的工作气体经由旁路被引导至中间壳体的内部空间中，其中工作气体可围绕内壳流动。因为在运行中在燃烧室中燃烧的燃料和工作气体的混合物经由内壳被输送到膨胀轮机，内壳可以暴露于高温下，这可能导致对内壳材料的特定负载能力要求。通过使部分预压缩的工作气体围绕内壳流动，可能实现降低所述要求的冷却效果。
此外，从排放管线到中间壳体的内部空间的旁路使得有可能使中间壳体内部空间与燃烧室的燃烧空间和过渡至其中的内壳内部空间保持处于近似的压力。这些空间之间微小的压差简化了内壳的结构配置。
便利地，在这种情况下，旁路具有多个阀和多个管道，每个管道连接阀，其中所述或每个排放管线和中间壳体的内部空间之间的连接在各种情况下经由阀和管道通过。一个或多个阀的存在使得特别简单地控制从压缩室流入中间壳体的内部空间的预压缩工作气体的质量流，因此冷却效果特别是在内壳处。
便利地，所述或每个阀在这种情况下被设置在中间壳体内部各自的排放管线上。因此，相应的管道不需要通过中间壳体被引出燃气轮机，这相对于现有设计最小化了必要的结构变化。
备选地，所述或每个阀可以被设置在燃气轮机外部各自的排放管线上。这对于以下情况是有利的，如果在运行期间对所述或每个阀需要特别简单的可访问性，例如如果不打算在长期使用中运行燃气轮机，而期望频烦地启动并在某个运行时间后关闭，由此可能导致特定的流体控制要求。
便利地，所述或每个筒仓燃烧室的内壁具有多个孔。此类型孔由于压差而允许预压缩的工作气体少量地从腔流入燃烧室，在此其有助于冷却内壁材料。这进一步降低了用于内壁的材料需要设计的温度。
有利地，内壳具有多个孔。此类型孔由于压差而允许预压缩的工作气体少量地从中间壳体的内部空间流入内壳的内部空间，在此其有助于冷却内壁材料。这进一步降低了用于内壳的材料所需要设计的温度。
本发明进一步说明了一种具有以上描述的燃气轮机的热电厂。燃气轮机的优点及其改良可以在这种情况下以相应的形式转移至该热电厂。
附图说明
下面参考附图对本发明的示例性实施例进行更详细地解释，，其中示意地：
图1示出了在压缩机出口处具有充气室的燃气轮机的细节的轴向截面示意图，
图2示出了具有筒仓燃烧室的燃气轮机的截面示意图，以及
图3示出了使用具有热交换器的燃气轮机的热电厂。
在所有图中相互对应的零件和变量在每种情况下被提供为相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了燃气轮机1的细节的局部示意图。该燃气轮机1包括压缩机2，压缩机2具有压缩室4，其通向被设计为出口扩压器6的出口8。在这种情况下，出口扩压器6具有继续远离中间壳体12的内部空间10的呈U型横截面的岐管14。充气室16经由该出口扩压器6与压缩机2连接并且通过壁17与中间壳体12的内部空间10分隔。在这种情况下，周壁17由周向隔板18组成，其从岐管14的外边缘19径向延伸至中间壳体12。从该充气室16，排放管线20被引导穿过连接到中间壳体12并围绕压缩机2的前壳体22，并被连接至热交换器(以图中未更具体示出的方式)。
内壳24将筒仓燃烧室(未示出)的燃烧空间连接至膨胀轮机26，内壳24被引导穿过该中间壳体12。在燃气轮机1运行期间，空气作为工作气体在压缩机2中被压缩。该气体流经出口扩压器6进入充气室16，并经排放管线20和管线系统(图中未示出)被引导至热交换器，部分空气返回到中间壳体12的内部空间10。此处，预压缩的空气可帮助冷却内壳24，其中燃烧的燃料-空气混合物通过内壳24从燃烧空间流至膨胀轮机26从而升高的温度在该内壳处升高。通过部分返回至内壳内的部空间的空气的冷却作用，内壳材料可被设计为较低的最高温度。
图2示出了具有筒仓燃烧室28的燃气轮机1的截面示意图。在这种情况下，其是在膨胀轮机的方向上充气室的后面的角度。筒仓燃烧室28包括内壁30，内壁与燃烧管座32一起界定燃烧管36的燃烧空间34。内壁30和燃烧管座32被外壁40围绕，从而形成腔38。燃烧器44经由燃烧管座32中的开口42通向燃烧空间34。
内壁30在其径向内端过渡至内壳24中，使燃烧空间34流体地连接至内壳24的内部空间。外壁40过渡至中间壳体12中，使腔38直接连接至中间壳体12的内部空间10。在相反端46，内壳24过渡至另一筒仓燃烧室(图中未更详细示出)的内壁，该另一筒仓燃烧室与筒仓燃烧器28基本上结构相同且对称。
充气室(此处未示出)被设置在内壳24的前面，并通过岐管连接到压缩机的出口扩压器。此处以横截面示出的两条排放管线20从充气室通过中间壳体12引开。排放管线20引向热交换器(此处未更详细示出)的冷侧。管道56，58在每种情况下经由阀52，54从排放管线20通过中间壳体12引回中间壳体12的内部空间10。与内壁30一样，内壳24也有多个孔60。
在燃气轮机1运行期间，被压缩机预压缩的气体经由充气室被移除并在热交换器的冷侧方向上经由排放管线20被引导。在这种情况下，阀52，54和管道56，58分别形成旁路62，64，通过控制所述质量流部分空气可经由该旁路流回至中间壳体12的内部空间10中并且因此也流入内壁30和外壁40之间的腔38中。因此，预压缩的空气能够帮助冷却内壳42和内壁30，在燃烧室34中燃烧的燃料-空气混合物在其上流过。在这种情况下，孔60的结果是，经由旁路62，64返回的压缩空气可以流入燃烧管36或内壳24的内部，这进一步提高了冷却效果。借助于用于冷却的空气的质量流(这可以使用阀52，54来控制)，在这种情况下能够设定一个最大热动力学效率的运行点。
空气必须从热交换器的热侧以不是本发明的主题的一部分的方式返回，用于向燃烧器44提供氧气的目的。
图3示出了使用具有热交换器68的燃气轮机1的热电厂66的示意图。排放管线20从靠近压缩机2的充气室(图中未示出)引入中间壳体12至管线系统70，管线系统70具有通过该中间壳体12引回的旁路62。管线系统70连接至热交换器68的冷侧72。管线76从热交换器68的热侧在两个筒仓燃烧器28的方向上引导。
从充气室获得的空气通过排放管线20被引导至管线系统70。部分该空气然后经由旁路62被引导返回至中间壳体12的内部空间用于冷却的目的。剩余空气通过管线系统70被引导至热交换器68，空气在被来自筒仓燃烧室28的余热流围绕的薄壁管78中被加热。以此种方式被加热的空气现在经由管线76被引导至筒仓燃烧器28，在此其以不形成本发明的主题的一部分的方式被添加至各自的燃烧器的氧气供应。
虽然本发明已经通过优选实施例的方式详细地描述和说明了本发明，但本发明并不局限于该示例性实施例。在不脱离本发明保护范围的前提下，本领域技术人员可以得到其他变体。

Claims (10)

1.一种燃气轮机(1)，包括压缩机(2)，中间壳体(12)，至少一个燃烧室(28)，膨胀轮机(26)和热交换器(68)，其中所述或每个燃烧室(28)经由内壳(24)流体地连接至所述膨胀轮机(26)，所述内壳(24)被引导穿过所述中间壳体(12)的内部空间(10)，
其中所述压缩机(2)与所述中间壳体(12)的所述内部空间(10)通过环形充气室(16)流体地分隔，所述环形充气室(16)连接至所述压缩机(2)的出口(8)并且具有多个排放管线(20)，在运行中，所述排放管线(20)连接至所述热交换器(68)的冷侧，其特征在于，
所述或每个燃烧室被设计为筒仓燃烧室(28)并且所述或每个筒仓燃烧室(28)具有界定燃烧空间(34)的内壁(30)和外壁(40)，其中所述外壁(40)围绕所述内壁(30)从而形成腔(38)，其中所述内壁(30)过渡至所述内壳(24)中并且其中所述腔(38)过渡至所述中间壳体(12)的所述内部空间(10)中。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机(1)，其中所述充气室(16)与所述中间壳体(12)的所述内部空间(10)通过壁(17)分隔，所述壁(17)从所述压缩机(2)的所述出口(8)延伸直至所述中间壳体(12)。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机(1)，其中所述压缩机(2)的出口(8)被设计为环形出口扩压器(6)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的燃气轮机(1)，其中所述或每个排放管线(20)和所述中间壳体(12)的所述内部空间(10)之间的直接流体连接可经由旁路(62，64)建立。
5.根据权利要求4所述的燃气轮机(1)，其中所述旁路(62，64)具有多个阀(52，54)和多个管道(56，58)，每个所述管道连接至阀(52，54)，并且其中所述或每个排放管线(20)和所述中间壳体(12)的所述内部空间(10)之间的所述连接在各种情况下经由阀(52，54)和管道(56，58)通过。
6.根据权利要求5所述的燃气轮机(1)，其中所述或每个阀(52，54)被设置于所述中间壳体(12)内部各自的排放管线(20)上。
7.根据权利要求5所述的燃气轮机(1)，其中所述或每个阀(52，54)被设置在所述燃气轮机(1)外部各自的排放管线(20)上。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的燃气轮机(1)，其中所述或每个筒仓燃烧室(28)的所述内壁(30)具有多个孔(60)。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的燃气轮机(1)，其中所述内壳(24)具有多个孔(60)。
10.一种热电厂(66)，具有根据权利要求1-9中任一项所述的燃气轮机(1)。
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