CN107076418A - 旁通式热屏蔽元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热屏蔽元件(1)，特别是用于燃烧室(2)的内衬，所述热屏蔽元件具有壁(3)，所述壁具有能施加热介质的热侧(4)和与热侧(4)对置的冷侧(5)，并且所述热屏蔽元件具有邻接于所述壁(3)的、环绕的、延伸超过冷侧(5)的平面的边缘(6)，所述边缘具有远离冷侧(5)放置的自由端部(7)，其中，隔板(8)在两个对置的由所述边缘(6)形成的侧(9)之间从所述壁(3)的冷侧(5)延伸直至所述自由端部(7)的高度，从而在所述壁(3)的冷侧(5)上形成两个彼此分开的第一室(10)和第二室(11)，并且所述第一室(10)具有从冷侧(5)至热侧(4)的开口间隙(12)。此外，本发明涉及一种环形燃烧室(2)和一种气体涡轮机装置(23)。

Description

旁通式热屏蔽元件

技术领域

本发明涉及一种热屏蔽元件，特别是用于燃烧室的内衬。此外，本发明涉及一种环形燃烧室以及一种气体涡轮机装置。

背景技术

在气体涡轮机的轻载运行中，燃烧室中的燃烧温度下降。同时，对于一氧化碳排放量重要的初级区温度同样下降。当所述初级区温度低于最小值时，则增大地产生一氧化碳排放量，并且达到可用的符合一氧化碳排放量的气体涡轮机轻载范围的极限。

在存在法定的一氧化碳排放量极限的情况下，如果对于操作员来说，在不同时超过一氧化碳排放量极限下，不可能继续减小其气体涡轮机的功率，则气体涡轮机的操作员会迫不得已关闭气体涡轮机。

将旁通空气、即压缩空气(Verdichterendluft)输入到燃烧室中实现了补救，所述压缩空气在燃烧器前方分流并且在燃烧区后方输入到燃烧室中。然而，高温气体反应器的壁、例如在压力下运行的气体涡轮机燃烧室的壁需要对其支承结构适当的隔离，以防止热气的侵蚀。陶瓷材料由于其相对于金属材料高的耐热性、耐腐蚀性及其低的导热性特别适用于制造隔离支承结构的热屏蔽。这种热屏蔽例如在EP 0 558 540 B1中被描述，并且在对压缩空气的进行旁通(Bypass)方面必须相应地进行调整。简单地加工开口不能解决该问题，因为燃烧室内的热气流加热陶瓷热屏蔽的表面，并且旁通空气在所述热屏蔽的侧面上用于强冷却。因此，在屏蔽内部产生高的温度梯度，并且由此产生有关的应力，所述应力在运行中导致裂缝和断裂并且导致热屏蔽损耗。

根据WO 2013/135702 A2，旁通空气流的输送应当利用热屏蔽元件实现。为此，热屏蔽元件具有一个壁，所述壁具有朝向燃烧室内部的热侧和对置的冷侧。环绕的边缘在背侧延伸超过冷侧。在此设置，在环绕的边缘中加工大量的孔，冷却空气可以穿过所述孔流入燃烧室中。此外设置，存在第二部分壁与所述壁间隔，所述第二部分壁在两个对置的边缘区段之间延伸。然而，环绕的边缘的位于下游的边缘区段仅仅延伸至部分壁，而不延伸超过所述部分壁。在部分壁的位于上游的端部上，大约在热屏蔽元件中的中心布置有隔板，所述隔板从部分壁延伸至两个邻接的边缘区段的背侧高度。由此还实现了，将旁通空气流引导到部分壁上，所述旁通空气流接着可以顺流而下输出到对置的边缘区段之间。

然而前述解决方案中的缺点在于，为了有利地使旁通空气流入，需要热屏蔽元件中的错位，或者由于在连接的间隙中转向而必须付出更高的压力损失。

发明内容

本发明的一个目的在于，提供一种热屏蔽元件，其能够输送旁通空气，同时具有高的使用寿命并且可以尽可能简单地并且成本低廉地制造和装配。本发明的另一个目的是给出一种具有相应的热屏蔽的环形燃烧室。此外，本发明的目的还在于提供一种用于轻载运行的气体涡轮机装置。

根据本发明，该目的通过根据本发明所述的热屏蔽元件、根据本发明所述的环形燃烧室和根据本发明所述的气体涡轮机装置实现。在本发明中还定义了本发明的有利的扩展方案。

这种类型的热屏蔽元件特别是用作燃烧室的内衬。在此，热屏蔽元件首先包括一个壁，所述壁具有能施加热介质的热侧和与热侧对置的冷侧。此外，热屏蔽元件包括邻接于所述壁并环绕地包围所述壁的边缘。在此，所述边缘远离热侧突出于冷侧地延伸。与所述壁的具体造型无关地，以热侧的俯视视角观察，所述边缘可以分成两个彼此对置的第一边缘区段。第二边缘区段位于所述壁的端部上，所述第二边缘区段与这两个第一边缘区段彼此连接，并且基本上垂直于所述第一边缘区段延伸。第三边缘区段与第二边缘区段对置，所述第三边缘区段同样与这两个第一边缘区段彼此连接，并且基本上垂直于所述第一边缘区段延伸。

根据本发明设置，在热屏蔽元件内部提供一个穿通部，通过所述穿通部实现将旁通空气输送到燃烧室内部中。为此，所述壁具有至少一个开口间隙，由此将所述壁分成在该开口间隙一侧上的第一壁区段和在该开口间隙另一侧上的第二壁区段。此外设置，远离热侧的隔板邻接于开口间隙地与第二壁区段连接。就此而言，冷侧上的第二壁区段区段式地由两个第一边缘区段、第二边缘区段和与第二边缘区段对置地布置的隔板包围。与此相对地，第一壁区段同样区段式地由两个第一边缘区段、第三边缘区段和与第三边缘区段对置地邻接于隔板地布置的开口间隙包围。

由此在所述壁的冷侧上构造两个彼此分开的第一和第二室，其中，第一室具有从冷侧至热侧的开口间隙。通过所述双室方案将热屏蔽元件的内部分成两部分。第一室用作旁通通道的延伸部。热屏蔽元件均匀地接入到旁通中。通过在特别是在旁通通道和开口间隙之间极小的距离的情况下开口间隙直接邻接于隔板，有利于在开口间隙上具有低压力损失的均匀流动过程。

在本发明的另一个有利的实施方式中，开口间隙沿着两个对置的第一边缘区段之间的整个隔板延伸，从而可以实现以足够的质量流量均匀地旁通流动。

环绕的边缘以及冷侧上的隔板的形状或延伸首先是不重要的。就此而言，边缘区段和隔板相对彼此和/或在区段内部可以具有弯折部或缝隙，并且因此在冷侧上具有不同的高度。然而有利的是，环绕的边缘和隔板延伸直至远离冷侧的自由端部。在此，自由端部相当于与热侧或冷侧隔开间距的(无弯折部或缝隙的)面。

在此特别有利地，自由端部构造为平坦的。热屏蔽元件在远离热侧的背面上的平面构型不仅有利于装配而且有利于制造。

在另一个实施方式中，隔板向开口间隙倾斜。由此，在从热侧观察热屏蔽元件时，隔板部分地位于开口间隙上方。由此可以实现旁通流在进入燃烧室中时中性的流出角度，因为旁通空气否则必须逆着燃烧气体流动。此外，所述间隙在其他情况下朝向火焰敞开，并且引起吸入热气体。

有利的是，隔板具有多个孔，所述孔的轴线指向第一壁区段的冷侧的表面。当第二室构造为相对平坦时，则可以在那里进行连续的、大面积的冲击式冷却。为此所使用的冷却空气实现了在缺少旁通流的情况下附加地用于阻隔开口间隙。为此，冷却空气可以从第二室穿过隔板中的孔流到第一室中。

适宜地，在第二室中从第二壁区段出发布置固定装置，所述固定装置有利地垂直地从所述壁远离热侧地延伸。

还适宜地，热屏蔽元件由金属制造。典型地，所述热屏蔽元件实现为铸造构件。

一种类型的环形燃烧室包括外壳、一定数量的热屏蔽元件，所述热屏蔽元件可拆卸地固定在外壳的朝向燃烧室内部的内侧上。此外，环形燃烧室包括也称为旁通通路的、在外壳的外周上延伸的环形通道，在旁通运行中旁通空气流被引导通过所述环形通道。旁通空气流可以经过开口被输送给环形通道，其中，环形通道具有朝向燃烧室内部的环形间隙，旁通空气流可以穿过所述环形间隙输送至燃烧室内部。在此，环形通道以及环形间隙可以构造为环绕的。如果确保了使旁通空气流相当均匀地分配在外周上，则环形通道和/或环形间隙也可以多次中断并且就此而言由各个扇区段构成。

新型的环形燃烧室通过使用多个前述的根据本发明的和/或对此有利的热屏蔽元件实现。

在此特别有利的，热屏蔽元件布置为使得第一室位于环形间隙上。就此而言，隔板位于环形间隙的一侧上，第三边缘区段位于环形间隙的另一侧上。这实现了特别有利地使旁通空气流从环形间隙穿过第一室并且穿过开口间隙流入到各个热屏蔽元件中。

在本发明的一种有利的实施方式中，外壳具有用于冲击式冷却热屏蔽元件的开口。

在此适宜的是，用于冲击式冷却第一室中的第一壁区段的开口布置在外壳的环形通道中，并且在所述开口中布置有小管，所述小管朝向热侧突出于外壳延伸直到第一室中。由此，冷却空气可以有针对性地被引导到第一室的第一壁区段上。因此，所述区域不仅可以对流地冷却，而且可以通过冲击式冷却来冷却。

此外特别有利的是，避免旁通空气流和/或冷却空气横向流动。为此，在第一变型中设置，热屏蔽元件至少部分地以自由端部靠置在外壳上。通过所述靠置，在很大程度上阻止自由端部和外壳之间的横向流动。可想而知特别有利的是，实现在环形的边缘上以及沿着隔板靠置在外壳上。

在第二变型中，在热屏蔽元件的自由端部和外壳之间设置密封件。同样有利的是，密封件不是区段式地存在，而是环绕式地存在。在此，还可以有利地设置，密封件由弹性材料制造，从而尽管在自由端部和/或外壳的成型中以及在振动时有微小的误差，也实现了可靠的密封性。为了可靠地固定密封件，所述密封件嵌入到环绕的边缘或隔板中并且突出于自由端部。

此外可以设置，将第一变型和第二变型组合用于密封，其方式是，部分地设置使自由端部靠置在外壳上，并且部分地、特别是在具有较高的压力差的区域中在自由端部和外壳之间设置密封件。

针对气体涡轮机装置的目的通过具有根据本发明的环形燃烧室的气体涡轮机装置实现。

附图说明

示例性地结合附图详细地阐述本发明。附图示意性但未按比例地示出：

图1以前视图示出根据本发明的具有第二室的热屏蔽元件的冷侧，

图2以后视图示出根据本发明的具有第二室的热屏蔽元件的冷侧，

图3以剖视图示出热屏蔽元件，

图4示出根据本发明的热屏蔽元件的热侧，

图5示出旁通方案，

图6示出冷却空气管理，

图7示出具有根据本发明的热屏蔽元件的环形燃烧室的局部图，

图8以纵向截面图根据一个实施例示出根据本发明的气体涡轮机装置的图示。

具体实施方式

图1至4示意性并且示例性地示出根据本发明的金属的热屏蔽元件1，其具有壁3，所述壁具有能施加热介质的热侧4和与热侧4对置的冷侧5。图1至3示出冷侧5，图4示出热侧4。

环绕的、突出于冷侧5延伸的、具有远离冷侧5的自由端部7的边缘6邻接于壁3。在此，所述壁包括两个对置的第一边缘区段56和横向于所述两个第一边缘区段56延伸的第二边缘区段57和与所述第二边缘区段57对置的第三边缘区段58。隔板8在两个对置的、由边缘6形成的侧9之间从壁3的冷侧5延伸直至自由端部7的高度，从而在壁3的冷侧5上形成两个彼此分开的第一室10和第二室11，并且第一室10具有从冷侧5至热侧4的开口间隙12，所述开口间隙直接与隔板8连接并且沿着整个隔板8延伸。由此，壁3被分成两个区段，也就是说分成第一壁区段51和第二壁区段52。隔板8朝向开口间隙12倾斜并且具有多个孔13，所述孔的轴线14指向第一室10中的冷侧5的表面。

此外在图1至3中示出，在第二室11中布置有固定装置15，所述固定装置基本上垂直地从所述壁延伸。例如通过与固定装置15连接的盘形弹簧叶片组实现热屏蔽元件1的装配。

图5和6示出具有一定数量根据本发明的热屏蔽元件1的环形燃烧室2的截面图。根据图5要说明旁通方案。图5的环形燃烧室2包括外壳16、一定数量根据本发明的热屏蔽元件1以及称为旁通通路的、在外壳16的外周上延伸的环形通道17，所述热屏蔽元件可拆卸地固定在外壳16的内侧上，在旁通运行中旁通空气流被引导通过所述环形通道，所述环形通道具有通到燃烧室内部19的环形间隙18。热屏蔽元件1此时这样布置，其第一室10位于环形间隙18上。除了根据本发明的金属的热屏蔽元件1以外，燃烧室2在金属的热屏蔽元件1的上游具有多行陶瓷的热屏蔽元件24，其中在图5中示出仅仅一行陶瓷的热屏蔽元件，以及在根据本发明的金属的热屏蔽元件1下游具有无开口间隙12的一行另外的金属的热屏蔽元件25。

图6描述了冷却空气管理。旁通空气26从环形通道17输入热屏蔽元件1的第一室10，并且穿过开口间隙12到达燃烧室内部19。外壳16具有用于热屏蔽元件1的冲击式冷却27的、特别是用于所述热屏蔽元件的第二室11的第一开口20。通过隔板8中的孔13还可以将用于第二室11的冲击式冷却27的空气用于阻隔开口间隙12以阻止从燃烧室内部19中吸入热气体(所谓的阻隔空气28)。

此外，用于第一室10的冲击式冷却29的第二开口21被设置在外壳16的环形通道17中。在所述第二开口21中布置有小管22，所述小管延伸直到第一室10中。所述布置用于第一室10的冲击式冷却29。

图7以俯视图示出环形燃烧室2的局部图，所述环形燃烧室具有根据本发明的热屏蔽元件1、陶瓷的热屏蔽元件24和另外的金属的热屏蔽元件25。

图8以纵向截面图示意性并且示例性地示出根据本发明的气体涡轮机装置23。所述气体涡轮机装置包括压缩机区段30、燃烧室区段31和涡轮机区段32。轴33延伸穿过气体涡轮机装置23的所有区段。在压缩机区段30中装备有带压缩机工作叶片34的凸缘的轴33，并且在涡轮机区段32中装备有涡轮机工作叶片35的凸缘。在工作叶片凸缘之间，压缩机导向叶片36的凸缘位于压缩机区段30中，并且涡轮机导向叶片37的凸缘位于涡轮机区段32中。导向叶片从气体涡轮机装置23的壳体38基本上在径向方向上延伸至轴33。

在气体涡轮机装置23运行中，通过压缩机区段30的空气入口40吸入空气39，并且由压缩机工作叶片34压缩。经压缩的空气被输送给布置在燃烧室区段31中的燃烧室2，所述燃烧室在本实施例中例如构造为环形燃烧室2。一定数量的热屏蔽元件1、24、25构成热屏蔽41，所述热屏蔽元件可拆卸地固定在外壳16的内侧上。也将气态的或液态的燃料通过至少一个燃烧器42喷入到环形燃烧室2中。由此产生的空气燃料混合物被点燃，并且在燃烧室2中燃烧。沿着流动路径43，热的燃烧废气从燃烧室2流入到涡轮机区段32中，在所述涡轮机区段中所述燃烧废气膨胀并且冷却，并且在此将动量传递到涡轮机工作叶片35上。在此，涡轮机导向叶片37用作用于优化至涡轮机工作叶片35上的动量传递的喷嘴。通过动量传递引起轴33的旋转被用于驱动用电器、例如发电机。降压和冷却后的燃烧气体最后通过出口44从气体涡轮机装置23排出。

Claims (13)

1.一种热屏蔽元件(1)，特别是用于燃烧室(2)的内衬，所述热屏蔽元件具有一件式或多件式的壁(3)，所述壁(3)具有能施加热介质的热侧(4)和与所述热侧(4)对置的冷侧(5)，并且所述热屏蔽元件具有邻接于所述壁(3)的、远离所述热侧(4)延伸的环绕的边缘(6)，所述环绕的边缘(6)包括至少两个对置的第一边缘区段(56)、横向于所述第一边缘区段(56)延伸的第二边缘区段(57)和与所述第二边缘区段(57)相对布置的第三边缘区段(58)，

其特征在于，

所述热屏蔽元件具有穿过所述壁(3)的开口间隙(12)，所述开口间隙将所述壁(3)分成第一壁区段(51)和第二壁区段(52)，并且所述热屏蔽元件具有邻接于所述开口间隙(12)布置的隔板(8)，所述隔板(8)与所述第二壁区段(52)连接并且在两个第一边缘区段(56)之间远离所述热侧延伸。

2.根据权利要求1所述的热屏蔽元件(1)，其特征在于，所述开口间隙(12)在两侧延伸直至所述第一边缘区段(56)。

3.根据权利要求1或2所述的热屏蔽元件(1)，其特征在于，所述环绕的边缘(6)和所述隔板(8)延伸直至自由端部(7)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的热屏蔽元件(1)，其特征在于，所述隔板(8)至少在所述开口间隙(12)的区域中是倾斜的。

5.根据权利要求4所述的热屏蔽元件(1)，其特征在于，所述隔板(8)具有多个孔(13)，所述孔(13)的轴线(14)指向所述第一壁区段(51)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的热屏蔽元件(1)，其特征在于，在所述第二壁区段(52)上布置有至少一个从所述冷侧延伸出的固定装置(15)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的热屏蔽元件(1)，其特征在于，所述热屏蔽元件(1)由金属制造。

8.一种环形燃烧室(2)，包括外壳(16)、一定数量的热屏蔽元件(1)和在所述外壳(16)的外周上延伸的环形通道(17)，所述热屏蔽元件(1)可拆卸地固定在所述外壳(16)的内侧上，空气旁通流能够被输送给所述环形通道(17)，并且所述环形通道(17)具有朝向燃烧室内部(19)开口的环形间隙(18)，其中，所述热屏蔽元件(1)邻接于所述环形间隙(18)布置，其特征在于根据前述权利要求中任一项所述的热屏蔽元件(1)。

9.根据权利要求8所述的环形燃烧室，其特征在于，所述环形间隙(18)布置在所述隔板(8)和第三边缘区段(58)之间。

10.根据权利要求8或9所述的环形燃烧室(2)，其特征在于，所述外壳(16)具有用于冲击式冷却所述热屏蔽元件(1)的第一开口(20)。

11.根据权利要求10所述的环形燃烧室(2)，其特征在于，在所述外壳(16)上布置有用于冲击式冷却所述第一壁区段(51)的第二开口(21)，并且在所述第二开口(21)中布置有小管(22)，所述小管(22)朝向热侧地伸出所述外壳(16)。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的环形燃烧室(2)，其特征在于，所述热屏蔽元件(1)至少区段式地、特别是环绕式地以自由端部(7)靠置在所述外壳(16)上；和/或至少区段式地、特别是环绕式地在所述热屏蔽元件的自由端部和所述外壳(16)之间布置有弹性的和/或装入所述边缘(6)中的密封件。

13.一种气体涡轮机装置(23)，具有根据权利要求8至12中任一项所述的环形燃烧室(2)。