CN110030578A - 用于燃气涡轮的筒式燃烧器和包括此筒式燃烧器的燃气涡轮 - Google Patents

Abstract

一种用于燃气涡轮的筒式燃烧器，该筒式燃烧器包括：至少一个喷燃器；在喷燃器下游且限定内燃烧室的至少一个衬套；阻尼器，其包括限定阻尼容积的阻尼器本体，该阻尼容积在衬套周围外部包绕且与燃烧室流体地连接；其中阻尼器本体与衬套间隔开以便在阻尼器本体和衬套之间形成冷却间隙，存在至少一个阻尼器颈部，其用作衬套和阻尼器本体之间的冷却间隙中的桥接件以用于使阻尼容积与燃烧室流体地连接；其中阻尼器本体和衬套之间的冷却间隙设有冷却装置，该冷却装置构造成用于增加阻尼器本体和衬套与间隙中经过的冷却空气之间的热传递。

Description

用于燃气涡轮的筒式燃烧器和包括此筒式燃烧器的燃气涡轮

相关申请的交叉引用

此申请要求享有于2017年11月15日提交的申请号为17201899.6的欧洲专利申请的优先权，通过引用包括该欧洲专利申请的公开内容。

技术领域

本发明涉及一种用于动力设备的燃气涡轮的筒式燃烧器。特别地，本发明涉及一种设有阻尼器的筒式燃烧器。此外，本发明涉及一种包括上文提到的筒式燃烧器的用于动力设备的燃气涡轮。

背景技术

如已知的那样，用于动力设备的燃气涡轮（在下文中仅为燃气涡轮）包括设有上游压缩机部分、燃烧器部分和下游涡轮部分的转子。用语下游和上游参考通过燃气涡轮的主气流的方向。特别地，压缩机包括供有空气的入口和压缩经过的空气的多个叶片。离开压缩机的压缩空气流到压室（即，由外壳界定的封闭容积）中，且从那里流到燃烧器中。在燃烧器内部，压缩空气与至少一种燃料混合。燃料和压缩空气的混合物流到燃烧器内部的燃烧室中（在该处，此混合物燃烧）。所得到的热气体离开燃烧器，且在涡轮中膨胀，从而在转子上做功。

为了实现高效率，需要高的涡轮入口温度。然而，由于此高温，生成高的NOx排放。

为了减少这些排放且提高操作灵活性，现今已知执行连续燃烧循环的特定类型的燃气涡轮。

大体上，连续燃气涡轮包括串联的两个燃烧器，其中每个燃烧器设有相关的喷燃器和燃烧室。沿着主气流方向，上游燃烧器称为“预混合”燃烧器且由压缩空气供给。下游燃烧器称为“连续”或“再热”燃烧器且由离开第一燃烧室的热气体供给。根据第一类型的连续燃气涡轮，两个燃烧器通过称为高压涡轮的涡轮叶片级物理地分离。

沿着主气流，该第一类型的连续燃气涡轮包括压缩机、第一燃烧器、高压涡轮、第二燃烧器和低压涡轮。压缩机和两个涡轮可连接至共同的转子，该转子围绕轴线旋转且由同心壳包围。

现今已知第二类型的连续燃气涡轮，其中该类型的燃气涡轮未设有高压涡轮，且预混合和再热喷燃器在共同的筒形壳内部一个在另一个下游直接地布置。根据该类型的连续燃气涡轮，多个筒式燃烧器提供成布置为围绕涡轮轴线的环。每个筒式燃烧器设有衬套（即，限制内燃烧室的壳），其分成相对于再热喷燃器分别在上游和下游的两个部分。衬套的上游部分称为预混合衬套，而下游部分称为连续衬套且在下游与面向涡轮的凸缘（称为相框（picture frame））连接。通常，连续衬套和相框实现为称为过渡管道的单个件，其构造成用于使离开燃烧器的热气体朝涡轮（特别是朝涡轮的第一导叶）引导。例如，再热喷燃器可以以延伸跨过流通道的多个单燃料或双燃料喷射器指状物的形式实现。优选地，这些喷射器指状物可以以优选地具有叶状后缘的流线体的形式实现。

当然，根据现有技术的实践，可能实现带有单个燃烧级且因此包括限定单个燃烧室的单个衬套和单个喷燃器的筒式燃烧器。

提到了上文描述的不同类型的燃气涡轮（即，带有单个或两个燃烧级的筒式燃烧器），因为本发明可应用在所有这两种不同类型的筒式燃烧器中。

在操作期间，在燃烧室内部可生成压力振荡，这可引起机械损坏且限制操作状态。通常燃气涡轮必须在贫乏（lean）模式中操作以符合污染排放。在此操作模式期间，喷燃器火焰对于流扰动极为敏感，且可容易与燃烧室的动态耦合以导致热声不稳定。为此，燃烧室通常设有阻尼装置，以便抑制这些压力振荡。

传统的阻尼器包括用作谐振器容积的阻尼器容积以及将阻尼器容积流体地连接至燃烧室的颈部。

为了减小阻尼器的安装尺寸，现今已知围绕燃烧室布置阻尼器容积。此类安装适合于筒式燃烧器，且考虑到围绕筒式燃烧器的设置，此类阻尼器称为“环形”阻尼器。

US8490744公开了如上文描述的环形阻尼器。特别地，US8490744公开了用于具有单个燃烧级的燃气涡轮的筒式燃烧器，其中筒式燃烧器包括：喷燃器；布置在喷燃器下游且限定内燃烧室的衬套；以及阻尼器，其包括在衬套外部包绕的且与燃烧室流体地连接的阻尼器容积。根据US8490744，为了最大限度地减小阻尼器的安装尺寸，阻尼器容积的内壁对应于衬套，且阻尼器颈部在衬套中提供的多个通孔中收缩。

从该现有技术出发，现今需要改进在衬套周围包绕的阻尼器的前面描述的构造。

发明内容

本发明的主要目标在于提供设有包绕在衬套周围的新阻尼器的筒式燃烧器。

为了实现上文提到的目标，本发明提供用于燃气涡轮的筒式燃烧器，其包括：

- 至少一个喷燃器；

- 在喷燃器下游且限制内燃烧室的至少一个衬套；

- 阻尼器，其包括限制阻尼容积的阻尼器本体，该阻尼容积在衬套周围外部包绕且与燃烧室流体地连接。

特别地，上文提到的阻尼器可认为是谐振器装置或声阻尼器。

根据本发明的以上大体描述，筒式燃烧器可设有单个燃烧级或串联布置的两个燃烧级。在第一种情况（单个燃烧级）下，筒式燃烧器包括喷燃器，其下游随后是限定燃烧室且将热气流朝涡轮引导的衬套。用语下游参考热气体主流方向。限定燃烧室的衬套的截面可为圆形的或方形/矩形的。

根据本发明的主要方面，阻尼器本体是环形的且布置成与衬套间隔开，即，阻尼器本体具有面向衬套的外表面的内表面，以便在阻尼器本体和衬套之间产生冷却间隙或通道。在衬套和阻尼器本体之间的此冷却间隙中，存在至少一个阻尼器颈部，其用作将阻尼容积与燃烧室流体地连接的桥接件。此外，为了提高通过冷却通道的冷却空气的冷却效果，根据本发明，阻尼器本体与衬套之间的冷却间隙设有冷却装置，例如，多个扰流条（tripstrip）或扰流子元件或其它不同类型的冷却装置。此冷却装置可放置在衬套的外表面上和/或阻尼器本体的内壁上。

阻尼器颈部的端部可与衬套和/或阻尼器本体齐平，或备选地可至少部分在燃烧室内部和/或在阻尼容积中突出。用语“内”参考燃烧器轴线。

有利地，根据以上技术特征，可能在阻尼器本体与衬套之间产生受控的对流冷却空气流（下文中将描述的是，此冷却空气是由压缩机在压室中输送的压缩空气），且因此可独立地调整通过阻尼器本体的吹扫空气而不影响衬套冷却。这样，阻尼器吹扫空气的减少（例如，用于优化阻尼效果）不涉及对衬套冷却的任何不利影响。

根据备选实施例，阻尼器本体可完全地或仅部分地包绕衬套。优选地，阻尼器本体完全地包绕衬套，且阻尼容积可分成多个子容积。

当然，阻尼器可包括使燃烧室与阻尼容积连接的多个阻尼器颈部。

如前面提到的那样，阻尼器包括构造成用于使吹扫空气进入阻尼容积中的至少一个吹扫空气入口。根据备选实施例，吹扫空气入口可位于阻尼器本体的外壁上或面向衬套的阻尼器本体的内壁上。优选地，在该最后的实施例中，吹扫空气入口可位于阻尼器颈部和阻尼器本体之间。在此情况下，通过冷却间隙的冷却空气的部分进入阻尼容积中用作吹扫空气。根据本发明，还可能向阻尼器提供两个吹扫空气入口，其中第一吹扫空气入口位于阻尼器颈部和阻尼器本体之间，且第二吹扫空气入口位于阻尼器本体的外壁上。

优选地，筒式燃烧器是连续筒式燃烧器，且包括串联的第一喷燃器、限定第一燃烧室的第一衬套、随后的喷燃器和限定随后的燃烧室的随后的衬套。在此构造中，阻尼器至少与随后的衬套相关联。

前面已将本发明描述为涉及筒式燃烧器。然而，本发明还涉及包括此筒式燃烧器的用于动力设备的燃气涡轮，其中此筒式燃烧器优选为连续筒式燃烧器。

应理解的是，前面的大体描述和以下详细描述均是示例性的，且旨在提供如要求保护的发明的进一步说明。本发明的其它优点和特征将从以下描述、附图和权利要求显而易见。

认为是新颖的发明的特征在所附权利要求中详细阐述。

附图说明

在适当参考附图仔细阅读详细描述之后，本发明的另外的益处和优点将变得显而易见。

然而，本发明自身可结合附图参考本发明的以下详细描述（其描述本发明的示例性实施例）来最好地理解，在附图中：

- 图1是设有具有单个燃烧级的筒式燃烧器的用于动力设备的燃气涡轮的示意图；

- 图2是用于设有串联的预混合和再热喷燃器的用于动力设备的燃气涡轮的筒式燃烧器的示意图；

- 图3是本发明的第一实施例的示意图；

- 图4是图3的一部分的放大视图；

- 图5是本发明的第二实施例的示意图；以及

- 图6是图5的一部分的放大视图的示意图；

- 图7是可认为是图4和图6的前述实施例的混合的本发明的第三实施例的示意图。

具体实施方式

与附图结合，本发明的技术内容和详细描述在下文中根据优选实施例（不用来限制其实施范围）描述。根据所附权利要求作出的任何等同的变型和修改全部由本发明所要求保护的权利要求覆盖。

现在将参考附图来详细描述本发明。

现在参考图1，图1是用于动力设备的燃气涡轮（其可设有根据本发明的筒式燃烧器）的示意图。特别地，图1公开燃气涡轮1，其具有轴线9且包括压缩机2、燃烧器部分4和涡轮3。如已知的那样，环境空气10进入压缩机2，且压缩空气离开压缩机2且进入压室16（即，由外壳17限定的容积）中。压缩空气37从压室16进入燃烧器中，该燃烧器包括环形地布置为围绕轴线9的环的多个筒式燃烧器4。在图1的描述中，用语环形、径向、轴向、内和外参考轴线9，而用语下游和上游参考气体主流。每个筒式燃烧器4包含单个燃烧级，且包括喷燃器5，在该处压缩空气37与至少一种燃料混合。此混合物然后在燃烧室6中燃烧，且所得到的热气体朝下游涡轮3流动。燃烧室6由衬套7限制。涡轮3包括由导叶托架14支承的多个导叶12（即，定子叶片）以及由转子8支承的多个叶片13（即，转子叶片）。在涡轮3中，热气体膨胀从而在转子8上做功，且以排气11的形式离开涡轮3。

现在参考图2，图2是可根据本发明来改进的不同类型的筒式燃烧器的示意图。特别地，图2公开了筒式燃烧器4，该筒式燃烧器4具有串联的两个燃烧级且容纳在外壳17的相关的入口孔中，从而限定压室16，其中压缩空气由压缩机2输送。筒式燃烧器4具有轴线24，且包括沿气流M串联的第一燃烧器或预混合燃烧器18以及第二燃烧器或连续燃烧器19。特别地，第一燃烧器18包括第一或预混合喷燃器20以及第一燃烧室21。连续燃烧器19包括连续喷燃器22和第二燃烧室23。喷燃器轴线24平行于气流方向M，且连续喷燃器22可包括多个燃料喷射器，特别是双燃料和运载空气的喷射器。根据图2的实施例，燃料由燃料喷枪25供给至连续喷燃器22，该燃料喷枪25在第一燃烧室21外部轴向地延伸直到连续喷燃器22。燃烧室21、23由衬套7界定。特别地，预混合燃烧室21由衬套7的上游部分限制，且连续燃烧室21由连续衬套26限制，该连续衬套26是用于将热气体朝涡轮引导的过渡管道27的部分。

现在参考图3-图7，图3-图7是本发明的两个备选实施例的示意图。在这些图中，参考数字7大体上指的是衬套，且因此可对应于图1的筒式燃烧器4的单个衬套7，而且对应于图2的连续衬套26。以相同的方式，在图3-图7中，参考数字6大体上指的是燃烧室，且因此可对应于图1的筒式燃烧器4的燃烧室6，而且对应于图2的连续燃烧室23。

图3-图7公开环形阻尼器28，其包括阻尼器本体29，该阻尼器本体29限定在衬套7周围外部包绕的阻尼容积30。阻尼器本体28与衬套7间隔开，以便于在阻尼器本体29和衬套7之间形成冷却间隙31。图3-图7中的标记C指的是冷却空气，即，在冷却间隙31中经过的由压室中的压缩机输送的压缩空气。阻尼器颈部32使阻尼容积30与燃烧室6连接，且用作衬套7和阻尼器本体29之间的冷却间隙31中的桥接件。

如公开的那样，阻尼器颈部32可焊接至衬套7，且阻尼器本体29与阻尼器颈部32连接或整体结合。

根据图3-图4的实施例，阻尼器吹扫空气P通过吹扫空气入口33进入阻尼容积30，该吹扫空气入口33在阻尼器本体29的外壁上实现。因此，在此实施例中，吹扫空气流P与通过冷却间隙31的冷却空气C分隔。

根据图5-图6的实施例，吹扫空气入口以间隙34的形式实现，该间隙34在阻尼器颈部32和阻尼器本体29之间实现。在此实施例中，通过冷却间隙31的冷却空气C的部分进入阻尼容积30变为吹扫空气P。因此，在此实施例中，通过冷却间隙31的冷却空气C的部分进入阻尼容积30用作吹扫空气流P。

图7公开了可认为是图4和图6的前述实施例的混合的实施例。实际上，图7的实施例设有两个吹扫空气入口33、34，其中第一吹扫空气入口34位于阻尼器颈部32和阻尼器本体29之间，且第二吹扫空气入口33位于阻尼器本体29的外壁上。

虽然本发明已关于如上文提到的其优选实施例进行说明，应理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可作出许多其它可能的修改和变型。因此，可构想出的是，所附的一项或多项权利要求将覆盖落入本发明的真实范围内的此类修改和变型。

Claims (14)

1.一种用于燃气涡轮（1）的筒式燃烧器，所述筒式燃烧器（4）包括：

- 至少一个喷燃器（5, 20, 22）；

- 在所述喷燃器（5, 20, 22）下游且限定内燃烧室（6, 21, 23）的至少一个衬套（7,26）；

- 阻尼器（28），其包括限定阻尼容积（30）的阻尼器本体（29），所述阻尼容积（30）在所述衬套（7, 26）周围外部包绕且与所述燃烧室（6, 23）流体地连接；所述阻尼器本体（29）与所述衬套（7, 26）间隔开以便在所述阻尼器本体（29）和所述衬套（7, 26）之间形成冷却间隙（31），存在至少一个阻尼器颈部（32），其用作所述衬套（7, 26）和所述阻尼器本体（29）之间的所述冷却间隙（31）中的桥接件以用于使所述阻尼容积（30）与所述燃烧室（6, 23）流体地连接；其中所述阻尼器本体（29）和所述衬套（7, 26）之间的所述冷却间隙（31）设有冷却装置，所述冷却装置构造成用于增加所述阻尼器本体（29）和所述衬套（7, 26）与所述间隙（31）中经过的冷却空气之间的热传递。

2. 根据权利要求1所述的筒式燃烧器，其特征在于，所述阻尼器本体（29）完全地或部分地包绕所述衬套（7, 26）。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的筒式燃烧器，其特征在于，所述阻尼容积（30）分成多个子容积。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的筒式燃烧器，其特征在于，所述阻尼器（28）包括多个阻尼器颈部（32）。

5. 根据前述权利要求中的任一项所述的筒式燃烧器，其特征在于，所述阻尼器（28）包括至少一个吹扫空气入口（33, 34）。

6.根据权利要求5所述的筒式燃烧器，其特征在于，吹扫空气流与通过所述冷却间隙（31）的冷却空气分离，且所述吹扫空气入口（33）位于所述阻尼器本体（29）的外壁上。

7.根据权利要求5所述的筒式燃烧器，其特征在于，通过所述冷却间隙（31）的冷却空气的部分进入所述阻尼容积用作吹扫空气流。

8. 根据权利要求5所述的筒式燃烧器，其特征在于，所述阻尼器（28）包括吹扫空气入口（34），其位于面向所述衬套（7, 26）的所述阻尼器本体（29）的内壁上。

9.根据权利要求8所述的筒式燃烧器，其特征在于，所述吹扫空气入口（34）位于所述阻尼器颈部（32）和所述阻尼器本体（29）之间。

10.根据权利要求8或权利要求9所述的筒式燃烧器，其特征在于，所述阻尼器（28）包括位于所述阻尼器本体（29）的外壁上的第二吹扫空气入口（33）。

11. 根据权利要求1所述的筒式燃烧器，其特征在于，所述冷却装置包括布置在所述衬套（7, 26）上和/或所述阻尼器本体（29）上的多个扰流条。

12. 根据权利要求1所述的筒式燃烧器，其特征在于，所述冷却装置包括布置在所述衬套（7, 26）上和/或所述阻尼器本体（29）上的多个扰流子元件。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的筒式燃烧器，其特征在于，所述筒式燃烧器（4）包括串联的第一喷燃器（20）、第一衬套、随后的喷燃器（22）和随后的衬套（26）；所述阻尼器本体（29）包绕所述随后的衬套（26）。

14.一种用于动力设备的燃气涡轮；所述燃气涡轮（1）具有轴线（9）且沿着气流方向包括：

- 用于压缩环境空气的压缩机部分（2），

- 用于将压缩物与至少一种燃料混合和燃烧的燃烧器（4），

- 至少一个涡轮（3），其用于使离开所述燃烧器（4）的燃烧的热气流膨胀且在转子（8）上做功；

其中所述燃烧器（4）是根据前述权利要求中的任一项所述的筒式燃烧器。