CN1092777C - 燃气轮机的燃烧室 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃气轮机的燃烧室，流动的压缩空气流可沿轴线通过燃气轮机从压缩机部段流往涡轮部段，其中，气流相对轴线有扭转。在这种情况下，在燃烧室的进口设有一个环形通道，以及设有一个入流段，用以从气流分出一股支流，入流段有一个用于消除支流中扭转的装置，以及，入流段与冷却燃烧室的冷却通道和与使燃烧室中的燃烧稳定化的引燃喷嘴连通。此燃烧室在避免热力学损失方面是一种特别有利的设计，并能分出一股支流，它既特别适用于冷却又适用于达到稳定化的目的。

Description

燃气轮机的燃烧室
本发明涉及一种用于燃气轮机的燃烧室，流动的具有扭转的压缩空气流可沿轴线通过燃气轮机从压缩机部段流往涡轮部段并流入燃烧室的进口，该燃烧室在其进口设有一个环形通道，以及设置在环形通道中的入流段，用以从气流分出一股支流。该入流段与使燃烧室中的燃烧稳定化的引燃喷嘴连通。
这样一种燃烧室由US-Patent 5 207 064可知。
本发明尤其涉及从气流中制备一股支流，以便将这股支流用于为运行燃气轮机的其它目的。这种支流的一种已知的应用是冷却涡轮部段和冷却设在压缩机部段与涡轮部段之间并由气流流过的燃烧室。在传统的用于发电的功率为100兆瓦及其以上的固定式燃气轮机中便有必要这样做，因为涡轮进口前的气流经燃料燃烧后被加热到温度超过1000℃，涡轮部段和燃气轮机其它部段的构件由此受到很高的热负荷。在这样的热负荷之下，有时没有冷却便不能承受。最好将从气流中抽取的空气用作为冷却剂。也已经有人建议在空气中掺入其它物质，尤其是水蒸气。
因为导引分出来用于冷却的空气系统往往是分支，以及压缩空气气流中用于燃烧的主要部分在燃烧室中遭受的压力损失，为了要保证有高的热力学效率通常维持得很低，所以可以预先考虑一种可能性：提高分流空气的静压。为此当然可采用一个鼓风机或压缩机，这样做总是意味着高昂的设备性费用支出和降低净效率，因为运行鼓风机或压缩机所需的能量，最终还是必须要由燃气轮机本身提供，并因而不再能馈给供电网中提供使用。因此，原则上应避免使用鼓风机或压缩机。
由EP 0193838B1、US-Patent Re.33896、EP 0224817B1、US-Patent4749029、EP 0483554A1、和EP 0489193A1，可知设计燃气轮机的燃烧器和燃烧室以及将这样的燃烧室与涡轮部段连接起来的热燃气通道的一般原则。上述最后一个文献中涉及的是用于燃气轮机的形式上为所谓的环形燃烧室的燃烧室，并给出了冷却此环形燃烧室构件的指示。
在EP 0447886A1中描述了借助于空气的支流冷却燃气轮机转子零件。
由US-Patent 5207064可知一种带有一燃气轮机燃烧室的设备。此设备包括燃烧室本身，和配属于燃烧室的装置以及从流过燃烧室的压缩空气流中提取支流的装置。这些支流的一部分供入所谓的引燃喷嘴，它们在每一个支流中燃烧供入的全部燃料中的一小部分，以及，使在此气流中其它地方进行的并为此供入燃料的主要部分的燃烧稳定化。在其它地方抽取的另外的支流用于冷却燃烧室。这些支流总是在那些按规定要使用此支流的地方附近的气流中提取，用于引燃喷嘴的支流在此设备的进气区抽取，用于冷却燃烧室外壁的在外壁附近，以及，用于冷却燃烧室内壁的在此内壁附近抽取此文流。燃烧室本身设计为圆环形的，并围绕着燃气轮机的一个转子，此转子将设在燃烧室后面的涡轮部段与设在燃烧室前面的压缩机部段连接起来。
本发明的目的是提供一种本文前言所述类型的燃烧室，它的结构简单，为了抽取支流只设置并不昂贵的装置，以及，此燃烧室可尽可能无损失地导引气流和基本上没有附加的装置而保持通畅。
为达到上述目的提出了一种用于燃气轮机的燃烧室，流动的具有扭转的压缩空气流可沿轴线通过燃气轮机从压缩机部段流往涡轮部段并流入燃烧室的进口，该燃烧室在其进口设有一个环形通道，以及设置在环形通道中的入流段，用以从气流分出一股支流。该入流段与使燃烧室中的燃烧稳定化的引燃喷嘴连通。其中入流段具有用于从支流中消除扭转的装置，以及入流段与冷却燃烧室的冷却通道连通。
按照本发明的意图，用于从气流中分出支流的许多不同的装置合并为一个唯一的设在燃烧室进口的入流段，在此入流段中通过消除扭转并因而结合减速制备好一股提高了静压的支流，这一入流段通过相应的带有冷却燃烧室的冷却通道的装置和与使燃烧室中的燃烧过程稳定化的引燃喷嘴连通。此外，除了所需要的向气流中供入燃料而可能必须的供料装置外，燃烧室可以没有其它装置而保持通畅。因此，气流可基本上自由地流过燃烧室，所以基本上避免了热力学损失。
可以理解，按本发明分出的支流中扭转的减少并不是通过耗散，亦即摩擦进行的，而是在基本上避免涡流的情况下通过偏转进行的，以便达到尽可能大地提高支流中的静压，并因而从由此而产生的优点中获得尽可能全面和广泛的好处。支流最好是气流中流过环形通道的一个圆环形局部区的部分，因为以此方式可以保证，在分开时不会失去扭转。作适当设计的入流段与冷却通道的连接，最好通过适当的管道进行。
从支流中消除扭转的装置最好是作适当设计和排列的导流叶片。
此外，为了将燃料供入气流最好设肋，将这些肋安排成，使通过它们供入气流中的燃料，在由引燃喷嘴提供的引领火焰处点燃。设置适当的燃料管道系统，用于将燃料不仅供往引燃喷嘴，而且供往肋。在此设计的范围内，引燃喷嘴所具有的数量最好是肋所具有的数量之半，或与肋的全部数量相当。因此产生了这样的配置：每一个引燃喷嘴配一个肋，或每一个引燃喷嘴配两个肋，通过适当地确定一个引燃喷嘴和一个肋或两个肋彼此的相对位置可以充分利用这一配置，使气流中在引燃喷嘴提供引领火焰的区域内具有非常高的燃料浓度，这有助于提高燃料-空气混合物的点火性能，并因而有助于燃烧稳定性。
刚才所介绍的设计的进一步改进特征在于，燃烧室与涡轮部段相连，气体必须通过导向叶片环才流入涡轮部段，其中，肋的数量等于导向叶片的数量。在适当地确定肋和导向叶片彼此相对位置的情况下，这一设计可以使由于将燃料供入气流时的不均匀性造成的、在气流中温度分布的局部最高值总是位于两个导向叶片之间，所以导向叶片上所受到的温度负荷明显地低于气流中出现的最高温度。这种结构可以在有目的地非均质地将燃料供入一个适当设计的装置中时，通过有目的地提高温度分布的最高值，达到提高气流的起热力学决定性作用的平均温度的目的，与此同时并不增加导向叶片的热负荷。所以，按本发明最终可以提高燃气轮机的热力学效率。
设有供应燃料的肋的燃烧室中最好没有其它装置，以便气流能基本上无干扰地经燃烧室流过。这种燃烧室以特殊方式避免了例如在涡流和/或在昂贵的内部装置处可能产生的热力学损失，并因而在获得高效率方面有很大优点。
由附图可见本发明的实施例。在每个附图中只表示了那些对于说明本发明实施例为有意义的构件。其中互相对应的构件用相同的符号表示。附图是局部简化的和/或略有走样的，且尤其不能看作是一种具体实施形式的准确比例的描述。附图中：
图1、图2和图3为在一台燃气轮机中的燃烧室视图；
图4为燃烧室最佳实施形式的视图。
图1表示燃气轮机中的区部截面，即压缩机部段18的一部分、涡轮部段19的一部分，以及在两者之间形式上为环形燃烧室的燃烧室6。此结构布置相对于轴线3是轴对称的。压缩机部段18提供压缩气体亦即压缩空气流2，压缩空气流沿轴线3螺旋形传送，因此相对于轴线3存在扭转。在图2和3中表示了这一点。气流2大部分流入燃烧室6，在燃烧室6进口处的环形通道4中从气流2引出一股支流1。这一股支流1流入在环形通道4圆环形局部区5中的入流段8中，并在那里首先遇到导流叶片11，它们从支流1中基本上消除扭转。在导流叶片11之后，支流1基本上平行于轴线3地流入集气腔20，并从那里供往多个使用地点。通过向外的管10，一部分支流1流入环形通道4外侧13后面的冷却通道14中，并因而可以冷却燃烧室6；其中的一部分经冷却空气孔22重新进入燃烧室6，一部分在燃烧室6后面重新与气流2混合。支流1的另一部分通过向里指的管9进入环形通道4内侧12后面，并在那里同样进入冷却通道14，在那里冷却燃烧室6。这一部分支流1在燃烧室6后面局部重新进入气流2；另一部分通过在内侧12上所设的冷却空气孔22直接流入燃烧室6。支流1的还有一部分流往引燃喷嘴7，在那里掺入经燃料管道系统17供入的燃料。此引燃喷嘴7用于在一定程度上预热气流2和稳定在燃烧室6中的燃烧，这一燃烧提供了要输送给气流2中热量的主要部分。在燃烧室6中的燃烧通过燃料实现，燃料通过装在燃烧室6中的肋15的燃料管道系统17送入，再从那里经喷嘴16喷入气流2中。在燃烧室6中的燃烧是在保持气流2的扭转的情况下进行的，由此带来在提高燃气轮机热力学效率方面的各种优点。涡轮部段19在其面对燃烧室6的这一端设有固定的导向叶片21，它们总是可看作是燃气轮机中热负荷最高的构件，并在实际上就如同燃烧室6那样更加倍地需要冷却。从气流2中分出的支流1同样也用于这一目的；由图1中由于它是简图所以没有表示。导向叶片21和涡轮部段19其他构件的冷却系统的设计，可参阅所引用的现有技术文献和有关的专业书籍。燃烧室6环绕着燃气轮机转子24。在燃烧室6与转子24之间有一个密封装置23，例如迷宫密封装置，它保证气流2全部进入燃烧室6。
图2中表示沿图1中线II-II所指示的方向对入流段8的前视图。气流2的扭转用弯曲的箭头表示。轴线3表示为十字交叉。由图可明显看出，入流段8包括了环形通道4中一个圆环形局部区5。还可看见导流叶片11，它们被定位为，使它们能减少并最好基本消除进入入流段8中的支流1的扭转，以提高静压。由图中还可看出指向里面或指向外面的管9和10，如上所述，支流1的一些部分通过它们分别流往为它们所确定的目的地，尤其是流入燃烧室6的冷却通道14。
图3表示相应于图1中线III-III垂直于轴线3通过燃烧室6的横截面。在这里同样用弯曲的箭头象征性地表示气流2的扭转。由图中可见带喷嘴16的肋15以及导向叶片21，后者已属于涡轮部段19。肋15和导向叶片21的数量和排列方式彼此调谐，以便将由于气流2造成的导向叶片21的热负荷保持得较低，由于所选择的肋15的几何形状，气流2被不均匀加热。
图4表示在垂直于轴线3的视图中的入流段8连同向外延伸的管10以及引燃喷嘴7。由图明显可见，每根管10具有扁平横截面的形状；这一剖面形状定向为，使螺旋形地绕轴线3运动的气流2受到的阻力尽可能小。
本发明涉及的燃气轮机燃烧室设计为尽可能无干扰和低损失地导引通过它流动的压缩空气，以及它可以从气流中分出一股支流并将其制备成非常适用于多种目的，尤其用于冷却的目的和用于稳定化的目的。

Claims (6)

1.一种用于燃气轮机(6，18，19)的燃烧室(6)，流动的具有扭转的压缩空气流(2)沿一轴线(3)通过燃气轮机从压缩机部段(18)流往涡轮部段(19)并流入燃烧室的进口，该燃烧室在其进口设有一个环形通道(4)，以及设置在环形通道中的入流段(8)，用以从气流分出一股支流(1)，该入流段(8)与使燃烧室(6)中的燃烧稳定化的引燃喷嘴(7)连通，其特征在于：入流段(8)具有用于从支流(1)中消除扭转的导流叶片(11)，以及入流段(8)还与冷却燃烧室(6)的冷却通道(14)相连通。
2.按照权利要求1所述的燃烧室(6)，其特征在于：入流段(8)沿环形通道(4)的一个圆环形局部区(5)延伸，并通过管(9、10)与冷却通道(14)连接。
3.按照权利要求1或2所述的燃烧室(6)，它有将燃料供入气流中的肋(15)，其中，燃料在引燃喷嘴(7)所提供的引燃火焰处点燃和燃烧，以及此燃烧室有燃料管道系统(17)，用以将燃料不仅供往引燃喷嘴(7)，而且供往肋(15)。
4.按照权利要求3所述的燃烧室，其特征在于：引燃喷嘴(7)所具有的数量，是肋(15)所具有数量的一半或与肋(15)的全部数量相当。
5.按照权利要求4所述的燃烧室(6)，它与涡轮部段(19)相连，气流必须通过导向叶片环(21)才流入涡轮部段(19)，其中，肋(15)的数量等于导向叶片(21)的数量。
6.按照权利要求3所述的燃烧室(6)，在此燃烧室中环形通道(4)的后面，只安装了一些肋(15)。
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