CN110030583B

CN110030583B - 燃气涡轮的筒形燃烧器及包括此筒形燃烧器的燃气涡轮

Info

Publication number: CN110030583B
Application number: CN201811579455.8A
Authority: CN
Inventors: M.T.莫勒; D.潘内尔; C.高普; I.拜布赞科; V.A.尤兹贝科娃
Original assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Current assignee: Ansaldo Energia Switzerland AG
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2018-12-24
Publication date: 2022-07-08
Anticipated expiration: 2038-12-24
Also published as: RU2017145745A; CN110030583A; RU2761262C2; EP3505725B1; EP3505725A1; RU2017145745A3

Abstract

一种用于燃气涡轮的筒形燃烧器，筒形燃烧器包括：至少喷燃器；限定具有燃烧器轴线的燃烧室的至少衬套；其中衬套包括：内管状本体；至少部分地叠盖内管状本体且与内管状本体间隔开以限定冷却空气间隙的外管状本体；其中外管状本体包括与内管状本体的中间部分联接的上游端。

Description

燃气涡轮的筒形燃烧器及包括此筒形燃烧器的燃气涡轮

相关申请的交叉引用

本申请请求享有2017年12月26日提交的俄罗斯专利申请No. 2017145745的优先权，其公开内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种用于发电站的燃气涡轮的筒形燃烧器。具体而言，本发明涉及形成用于发电站的燃气涡轮的筒形燃烧器的冷却衬套的冷壳和热壳之间的界面，即，密封界面。

此外，本发明涉及包括上文提到的筒形燃烧器的用于发电站的燃气涡轮。

背景技术

如已知的，用于发电站的燃气涡轮组件(在下文中仅为燃气涡轮)包括具有轴线且设有上游压缩机区段、燃烧器区段和下游涡轮区段的转子。用语下游和上游参照穿过燃气涡轮的主气流的方向。具体而言，压缩机包括供有空气的入口，以及压缩经过的空气的多个叶片。离开压缩机的压缩空气流入仓室，即，由外壳界定的封闭容积，且从该处进入燃烧器中。在燃烧器内，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入燃烧室，在该处，混合物燃烧。所得的热气体离开燃烧器，且在涡轮中膨胀，从而对转子做功。

为了实现高效率，需要高涡轮入口温度。然而，由于此高温，故生成高NOx排放。

为了减少这些排放并提高操作灵活性，如今已知执行连续燃烧循环的特定种类的燃气涡轮。

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对的喷燃器和燃烧室。沿着主气流方向，上游燃烧器称为“预混”燃烧器，且由压缩空气进给。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进给。根据第一种类的连续燃气涡轮，两个燃烧器由被称为高压涡轮的涡轮叶片的级物理地分离。

如今，已知第二种类的连续燃气涡轮，其中此类燃气涡轮未设有高压涡轮，且预混喷燃器和再热喷燃器在共同的筒形壳内布置成一个直接地另一个的下游。根据此类连续燃气涡轮，多个筒形燃烧器提供成布置为围绕转子轴线的环。每个筒形燃烧器设有衬套，即，限制燃烧室的壳，其分成分别相对于再热喷燃器在上游和下游的两个部分。衬套的上游部分被称为预混衬套，而下游部分被称为连续衬套，且在下游与被称为相框状部件(pictureframe)的面向涡轮的凸缘连接。通常，连续衬套和相框状部件实现为称为过渡管的单个件，其构造成用于朝涡轮、具体是朝涡轮的第一导叶引导离开燃烧器的热气体。例如，再热喷燃器可以延伸穿过流动通道的多个单或双燃料喷射器指状部的形式实现。优选地，这些喷射器指状部可以优选具有叶形后缘的流线型本体的形式实现。由于高的热气体温度，故再热喷燃器未设有任何火花发生器，且燃烧作为自燃开始。

当然，根据现有技术的实践，有可能实现具有单个燃烧级且相应地包括单个喷燃器和限定单个燃烧室的单个衬套的筒形燃烧器。

列举了上述不同种类的燃气涡轮(即，具有单个或两个燃烧级的筒形燃烧器)，因为本发明可应用于所有这两种不同种类的筒形燃烧器。

筒形燃烧器的衬套由被称为热壳且限制燃烧室的内管状本体和被称为冷壳的外管状本体限定。该冷壳在外面覆盖热壳的至少部分，与热壳间隔开来用于实现冷却空气通道，且限定外衬套直径。具体而言，冷壳和热壳在下游端处固定至彼此，即，此下游端固定至典型地为相框状部件的公共结构，而冷壳的上游部分用滑动特征(热壳的中间部分)叠盖。筒形燃烧器包括燃烧器外壳，其构造成与设在燃气涡轮外壳中的相关端口孔联接。间隙存在于燃烧器衬套与燃烧器外壳之间，间隙允许压缩空气到达联接至热壳的上游端的喷燃器，具体是预混喷燃器。因此，此间隙在里面由冷壳在下游限制，且由热壳在上游限制。冷壳的上游端与热壳之间的上述滑动联接允许以完全不同的温度工作的这些元件的相对移动。

根据现有技术实施，一些不同种类的密封设在冷壳的上游端之间的滑动界面处。例如，US7007482公开了固定至热壳的外表面且滑动联接至冷壳的上游端的所谓“呼啦圈式密封件”。备选地，已知的是，代替呼啦圈式密封件，将具有活塞环的滑动界面设在冷壳的上游端与热壳之间。通过保持热壳限定的燃烧室直径和燃烧器外壳的内径恒定，现有技术的上述解决方案由于用作热壳与冷壳之间的间隔件的呼啦圈式密封件或活塞环的存在而导致了使燃烧器衬套与燃烧器外壳之间存在的间隙减小的缺陷。该间隙尺寸减小的结果在于使穿过间隙的压缩空气的压降增大。令人遗憾的是，为了扩大间隙尺寸，不可能增大燃烧器外壳的直径，实际上，该构件的尺寸取决于构造成用于支承筒形燃烧器的端口孔的尺寸。此外，为了扩大间隙尺寸，不可能减小热壳的直径。实际上，较小的热壳涉及较高的热气体速度，这降低了燃烧器的燃烧性能。

从此现有技术出发，如今需要改善冷壳的端部与热壳之间的前述密封滑动界面，以便不影响衬套与外燃烧器壳之间的空气间隙。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种用于燃气涡轮的筒形燃烧器，其中筒形燃烧器包括：

- 至少喷燃器；

- 限定具有燃烧器轴线的燃烧室的至少衬套。

衬套包括：

- 内管状本体，或热壳；以及

- 至少部分地叠盖内管状本体，且与内管状本体间隔开以限定冷却空气间隙的外管状本体或冷壳。

在该构造中，外管状本体包括与内管状本体的中间部分联接的上游端。

上文列出的筒形燃烧器特征是现有技术水平中已知的，且表示具有单个燃烧级的筒形燃烧器，以及具有两个连续燃烧级的筒形燃烧器。根据具有两个连续燃烧级的此第二种类的筒形燃烧器，每个燃烧器沿热气体方向串联地包括第一喷燃器、第一燃烧室、第二喷燃器、第二燃烧室，以及面向涡轮区段的过渡管。如已知的，热壳从被称为相框状部件的过渡管的下游端延伸至第一喷燃器。冷壳从相框状部件延伸，或从非常接近相框状部件的地方延伸，且最终在第一喷燃器与第二喷燃器之间的中间位置沿衬套与外燃烧器壳之间的空气间隙连接至热壳。

重要的是，冷壳的上游端与热壳之间的联接将是密封联接。根据现有技术水平，如前文所提及的，该联接通过焊接彼此的两个壳，或通过密封元件(呼啦圈式密封件或活塞环)置于冷壳的内表面与热壳的外表面之间来执行。第一现有技术不允许壳的相对移动，但不影响间隙的尺寸。第二现有技术允许壳的相对移动，但使间隙减小且使压降增大。

本发明的主要范围在于允许壳的相对移动，而不影响间隙的尺寸。根据本发明的总体定义，外管状本体的上游端与内管状本体之间的联接是直接表面接触联接。换言之，外管状本体的上游端的内表面抵靠在内管状本体的外表面上，而对于外管状本体相对于内管状本体至少沿平行于燃烧器轴线的轴向方向的相对滑动没有任何约束。根据本发明的直接表面接触联接构造成实现密封联接。

有利地，根据以上解决方案，可应用于具有两个连续燃烧级中的单个的燃烧器中的该解决方案一方面允许适于补偿不同工作温度的壳的相对移动，实际上冷壳的端部简单地抵靠在热壳上而没有任何轴向滑动约束，且另一方面，本发明不影响间隙的尺寸，实际上，密封联接未在壳之间设有任何附加密封元件。此外，该密封元件可经受磨损，而导致相关筒形燃烧器的异常行为，且该单个“坏的”筒形燃烧器可驱动整个燃气涡轮设备的排放性能。

根据本发明的另一个方面，直接表面接触联接包括至少冷却空气通道，其构造成用于使燃烧室与布置在衬套外面的仓室容积，即，衬套与外燃烧器壳之间的间隙连接。实际上，直接表面接触联接限定由冷壳覆盖的热壳的一部分，且因此该叠盖部分需要另外的冷却特征。根据本发明，冷却空气通道构造成独立于外管状本体相对于内管状本体的轴向相对滑动保持敞开。出于此原因，根据优选实施例，冷却空气通道包括多个贯通槽口，其具有在外管状本体的上游端中获得的至少轴向延伸，以及在内管状本体沿径向与槽口对应的部分中获得的至少通道。该冷却特征允许独立于外管状本体相对于内管状本体的相对滑动实现具有已知泄漏比率的密封联接，且从一个燃烧器到另一个燃烧器以及在整个操作时间内不会变化。

根据本发明的另一方面，直接表面接触联接还能够使外管状本体还沿以燃烧器轴线为中心的周向方向相对于内管状本体相对滑动。因此，冷却空气通道构造成也独立于外管状本体相对于内管状本体的周向相对滑动保持敞开。出于此原因，根据优选实施例，内管状本体中获得的每个通道包括内管状本体的外表面中获得的周向凹槽，以及使周向凹槽与燃烧室连接的多个喷射孔。优选地，喷射孔相对于以燃烧器轴线为中心的径向方向倾斜，以实现沿内管状本体的内表面的膜冷却。

本发明可优选用于连续的筒形燃烧器，其中燃料经由在第一燃烧室内沿燃烧器轴线延伸的中心喷管供应至第二喷燃器。实际上，在此情况下，由于喷管的存在已经使燃烧室失去可用容积，故不可限制燃烧室的直径。然而，本发明还可应用于其它种类的连续筒形燃烧器，例如，其中连续喷燃器的燃料供应布置在燃烧室外的连续筒形燃烧器。

前文已经将本发明描述为指的是筒形燃烧器。然而，本发明还可涉及用于发电站的燃烧器，包括此筒形燃烧器，其中优选该筒形燃烧器是连续筒形燃烧器。

将理解的是，以上总体描述和以下详细描述两者都是示例性的，且旨在提供如要求保护的本发明的进一步阐释。本发明的其它优点和特征将根据以下描述、附图和权利要求而显而易见。

附图说明

在适当参照附图来仔细阅读详细描述之后，本发明的其它益处和优点将变得显而易见。

然而，可通过参照连同附图描述了本发明的示例性实施例的本发明的以下详细描述来最佳地理解本发明，在附图中：

- 图1为设有具有单个燃烧级的筒形燃烧器的用于发电站的燃气涡轮的示意图；

- 图2为串联地设有预混喷燃器和再热喷燃器的用于发电站的燃气涡轮的筒形燃烧器的示意图；

- 图3为图2中标为标号III的部分的放大视图；

- 图4为图3中标为标号IV的部分的放大视图；

- 图5为图4中标为标号V的部分的放大视图；

- 图6和图7为图5中公开的部分的其它视图。

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被描述，优选实施例不用于限制其执行范围。根据所附权利要求制作出的任何等同的变型和改型全部都由本发明提出的权利要求涵盖。

现在将参照附图来详细描述本发明。

现在参看图1，图1是用于发电站的燃气涡轮的示意图，其可设有根据本发明的喷燃器。具体而言，图1公开了具有轴线9且包括压缩机2、燃烧器区段4和涡轮3的燃气涡轮1。如已知的，压缩机包括由环境空气进给的入口，环境空气一旦被压缩，则离开压缩机2并进入仓室16，即，由外壳17限定的容积。压缩空气从仓室16进入燃烧器区段，燃烧器区段包括围绕轴线9环形布置的多个筒形燃烧器4。用语下游和上游是指气体主流方向。每个筒形燃烧器4包括至少喷燃器5，在喷燃器5处，压缩空气与至少燃料相混合。该混合物然后在燃烧室6中燃烧，且所得的热气体在向下游连接至涡轮3的过渡管7中流动。涡轮3包括由导叶载体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，从而对转子8做功，且以排出气体11的形式离开涡轮3。

现在参看图2，图2是可应用于图1的燃气涡轮且可与本发明一起提供的筒形燃烧器的示意图。具体而言，图2公开了一种筒形燃烧器4，其包括连接至限定仓室16的外壳17的相关端口孔25的燃烧器外壳35，压缩空气由压缩机2输送至仓室16。筒形燃烧器4具有轴线24，且沿气流M串联地包括第一燃烧器或预混燃烧器18，以及第二燃烧器或再热燃烧器19。具体而言，第一燃烧器18包括第一或预混喷燃器20，以及第一燃烧室21。再热燃烧器19包括再热喷燃器22和第二燃烧室23。再热喷燃器可包括横过喷燃器布置以用于将燃料喷射到穿过的热气体中的多个燃料喷射器26，特别是双燃料和承载空气喷射器。根据图2的实施例，燃料由燃料喷管27进给至燃料喷射器26，燃料喷管27沿轴向延伸穿过第一燃烧室21直至再热喷燃器22。在第二燃烧室23下游，筒形燃烧器4包括用于将热气流引导至涡轮3的过渡管28。备选地，燃料喷管27可布置在燃烧室21外。

燃烧室21,23由衬套29界定，衬套29包括具有由热气流直接接触并加热的内表面的内管状本体30或热壳，以及至少部分地覆盖热壳的外管状本体31或冷壳。冷却空气间隙32存在于热壳30与冷壳31之间。根据图2的公开实施例，冷却空气是压缩空气的从仓室穿过冷壳31的下游部分中获得的冷却孔33的部分。参照衬套的用语“下游”是指接近涡轮的部分，而用语“上游”是指接近预混喷燃器20的部分。如所公开的，冷壳31的上游端34联接至热壳30的面向外燃烧器壳35的中间部分。在下文中将详细地描述冷壳31的上游端34与热壳30之间的此类联接。间隙36存在于外燃烧器壳35与衬套之间，以用于允许压缩空气从仓室16到达预混喷燃器20。此间隙36在下游由冷壳31和外燃烧器壳35限定，且在上游由热壳30和外燃烧器壳35限定。

现在参看图3，图3为图2中标为标号III的部分的放大视图。具体而言，图3在放大视图中公开了间隙36和连接至热壳30的中间部分的冷壳31的上游端34。箭头M限定燃烧器内的热气体方向。

现在参看图4，图4为图3中标为标号IV的部分的放大视图。具体而言，图4公开了冷壳31的上游端34与热壳30之间的联接。该联接在于滑动接触联接38，其中冷壳31的上游端34的内表面向外抵靠在热壳30的外表面上，而没有至少沿平行于燃烧器轴线24的轴向方向的任何滑动约束。轴向滑动在图4中由标号R表示。箭头C'代表冷却空气流。

根据本发明，冷壳31的上游端34的内表面与热壳30的外表面之间的接触是没有任何其它元件(例如，密封元件，如呼啦圈式密封件或活塞环)介入的直接接触。

为了冷却由冷壳31的上游端34覆盖和接触的热壳30的部分，该叠盖式滑动接触联接还包括适用于独立于热壳30与冷壳31之间的相对滑移来确保了冷却效果的特定冷却特征。

参看图5，图5为图4中标为标号V的部分的放大视图。在该图中，箭头R表示相对于燃烧器轴线24的径向方向。图5公开了热壳30的与冷壳31的上游端34接触的外表面中实现的两个凹槽10。此外，图5公开了使凹槽10与由热壳30限制的燃烧室连接的喷射孔15的存在。根据公开的实施例，喷射孔15相对于径向方向R倾斜，具体而言，其中倾斜方向朝主热气体方向M。

参看图6和图7，图6和图7为图5中公开的部分的其它视图。具体而言，这些图允许理解，即使冷壳31抵靠热壳30，空气如何可从间隙36到达凹槽10，以及该冷却特征如何独立于热壳30与冷壳31之间的相对滑动来执行。根据图6的实施例，凹槽10是周向凹槽10，其沿以燃烧器轴线24为中心的周向方向(图6中以箭头C表示)延伸。冷壳31的上游端34包括多个贯通槽口37，其沿轴向方向M从上游端34的边缘延伸超过凹槽10。根据该解决方案，空气可自由地穿过槽口37到达凹槽10，且可从凹槽10穿过喷射孔15到达燃烧室。具体而言，如图7中公开那样，喷射孔15也相对于轴向方向M倾斜。因此，热壳30的部分的冷却由经过槽口37的凹槽10中的冷却空气的冲击，由凹槽10内的对流冷却，或由面向燃烧室的内表面处的膜冷却确保。冷却特征独立于热壳30与冷壳31之间沿轴向方向的相对滑动，因为在轴向滑动的情况下，槽口37显示了轴向延伸，使得在任何情况下都可从间隙36接近凹槽10。当然，还在沿周向方向相对滑动的情况下，在任何情况下都可从间隙36接近凹槽10。优选地，凹槽10是铣槽，且喷射孔15为激光钻孔的喷射孔。

尽管关于如上文提到的其优选实施例阐释了本发明，但将理解的是，可作出许多其它可能的改型和变型，而不脱离本发明的范围。因此，可设想，所附一项或多项权利要求将覆盖落入本发明的范围内的此类改型和变型。

Claims

1.一种用于燃气涡轮(1)的筒形燃烧器，所述筒形燃烧器包括：

- 至少一个喷燃器；

- 限定具有燃烧器轴线(24)的燃烧室的至少一个衬套；

其中所述衬套包括：

- 内管状本体(30)；

- 至少部分地叠盖所述内管状本体(30)且与所述内管状本体(30)间隔开以限定冷却空气间隙(32)的外管状本体(31)；

其中所述外管状本体(31)包括与所述内管状本体(30)的中间部分联接的上游端(34)；

其中所述外管状本体(31)的所述上游端(34)与所述内管状本体(30)之间的所述联接是所述外管状本体(31)的所述上游端(34)的内表面抵靠在所述内管状本体(30)的外表面上的直接表面接触联接(38)，

其中所述直接表面接触联接(38)构造成用于允许所述外管状本体(31)相对于所述内管状本体(30)至少沿平行于所述燃烧器轴线(24)的轴向方向的相对滑动且用于独立于所述相对滑动实现密封联接；

其中所述直接表面接触联接(38)包括至少一个冷却空气通道，其构造成用于使所述燃烧室与布置在所述衬套外的仓室容积连接；

其中所述冷却空气通道包括在所述外管状本体(31)的所述上游端(34)中获得的多个轴向贯通槽口(37)，以及在所述内管状本体(30)与所述轴向贯通槽口(37)相对应的部分中获得的至少一个通道。

2.根据权利要求1所述的筒形燃烧器，其特征在于，所述轴向贯通槽口(37)始于所述外管状本体(31)的所述上游端(34)的端部边缘。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的筒形燃烧器，其特征在于，所述直接表面接触联接(38)允许所述外管状本体(31)相对于所述内管状本体(30)还沿以所述燃烧器轴线(24)为中心的周向方向(C)的相对滑动。

4.根据权利要求3所述的筒形燃烧器，其特征在于，所述内管状本体(30)中获得的每个通道包括在所述内管状本体(30)的所述外表面中获得的周向凹槽(10)，以及使所述周向凹槽(10)与所述燃烧室连接的多个喷射孔(15)。

5.根据权利要求4所述的筒形燃烧器，其特征在于，所述周向凹槽(10)沿整个所述内管状本体(30)延伸。

6.根据权利要求4所述的筒形燃烧器，其特征在于，所述周向凹槽(10)通过铣削实现。

7.根据权利要求4所述的筒形燃烧器，其特征在于，所述喷射孔(15)相对于以所述燃烧器轴线(24)为中心的径向方向(R)倾斜。

8.根据权利要求7所述的筒形燃烧器，其特征在于，所述喷射孔(15)具有方向朝主热气体方向(M)的倾斜。

9.根据权利要求4所述的筒形燃烧器，其特征在于，所述喷射孔(15)由激光钻孔实现。

10.根据权利要求1或权利要求2所述的筒形燃烧器，其特征在于，所述筒形燃烧器包括串联的第一喷燃器(20)、第一燃烧室(21)、第二喷燃器(22)、第二燃烧室(23)和过渡管(28)；所述外管状本体(31)从所述过渡管(28)的下游端延伸直至所述第一喷燃器(20)与所述第二喷燃器(22)之间的中间位置。

11.根据权利要求10所述的筒形燃烧器，其特征在于，所述筒形燃烧器包括构造成与所述燃气涡轮的端口孔(25)联接的外燃烧器壳(35)；所述衬套(29)和所述外燃烧器壳(35)间隔开，以便实现间隙(36)。

12.根据权利要求10所述的筒形燃烧器，其特征在于，所述筒形燃烧器包括燃料喷管(27)，其在所述第一燃烧室(21)内沿所述燃烧器轴线(24)延伸以用于将燃料进给至所述第二喷燃器(22)。

13.一种用于发电站的燃气涡轮；所述燃气涡轮(1)具有轴线(9)，且沿气体流动方向包括：

- 用于压缩环境空气的压缩机区段(2)，

- 用于混合且燃烧压缩空气与至少一种燃料的燃烧器区段(4)，

- 用于使离开所述燃烧器的燃烧热气流膨胀并对转子(8)做功的至少一个涡轮区段(3)；

其中所述燃烧器区段(4)包括至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的筒形燃烧器。