CN113819488A - 具有燃烧室空气旁路的燃气轮机的组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃气轮机的组件，具有燃烧室、旋流器、布置在燃烧室的内部空间中的燃烧区和空气供给装置，空气流能够经由该空气供给装置供给到燃烧室，其中，在从空气供给装置到旋流器的能够由空气流过的过渡区域中，形成增压室，并且邻接增压室的组件包括旋流器和燃烧室、封闭燃烧室的盖，其中，该组件包括作为燃烧室空气旁路的空气传导通道，该空气传导通道设计成引导通过空气供给装置流入组件中的空气流的一部分从增压室通过盖并通过旋流器经过燃烧区引导进入燃烧室，使得通过空气供给装置引导的空气流分成通过旋流器进入燃烧区的主流和引导经过燃烧区的旁路流。

Description

具有燃烧室空气旁路的燃气轮机的组件
技术领域
本发明涉及具有燃烧室空气旁路的燃气轮机。
背景技术
在现有技术中已经已知燃气轮机的多种变型，其部分地还包括燃烧室空气旁路。
基本上，燃气轮机是用于发电或提供驱动的机器，其中燃料或空气和燃料的混合物燃烧，以便产生化学动力。燃气轮机的主要部件基本上是涡轮机、压缩机和位于其间的燃烧室。
为了产生机械动力，空气在压缩机中被压缩，与燃料混合，并且混合物被供给到实际燃烧室，其中混合物在燃烧区中被点燃或燃烧。在燃烧期间产生的热气体在随后的涡轮机中膨胀。
根据发生混合物在燃烧区中的燃烧的温度或燃烧区中火焰燃烧有多热，涡轮机的排放发生变化，使得涡轮机根据燃烧温度排放不同量的氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和其他废气物质。
由于排放值是合法调节的，期望将燃烧温度和因此将燃烧保持在有利的范围内。在燃气轮机的部分负荷操作期间，其中燃烧的温度是不利的并且因此燃烧是不完全的，在现有技术中为此经常使用燃烧室空气旁路，从压缩机流入燃烧室的空气的一部分通过该燃烧室空气旁路被引导经过燃烧区。
为此，已知的燃气轮机提供的是，管朝外部穿过外部压力壳体，在所述外部压力壳体中引导从压缩机流到燃烧室的空气，并且在另一位置中，所述管引导穿过压力壳体和界定燃烧室的燃烧室壁进入燃烧室。
然而，这具有多个缺点。最初，由于部件的不同温度或操作温度，在管本身上和在由管连接的部件上出现高温度梯度或膨胀，因此需要补偿器以便平衡部件的不同膨胀。此外，燃烧室或整个燃气轮机的使用寿命缩短，因为通过不同部件的强制连接，附加的应力被引入到这些部件中。以这种方式设计的燃烧室空气旁路系统另外非常复杂和昂贵，因为除了高温之外，这些系统还暴露于大的压力梯度。
发明内容
因此，本发明基于如下目的：克服上述缺点，并且提供一种具有燃烧室空气旁路的燃气轮机，其成本尽管是在燃烧室空气旁路的情况下仍然较低，并且其寿命尽管是在燃烧室空气旁路的情况下仍然较长。
该目的通过根据专利权利要求1的特性特征组合来实现。
根据本发明，提出了一种用于燃气轮机的组件或用于燃气轮机的燃烧室组件，并且根据本发明的另一方面，提出了一种具有这种组件的燃气轮机。该组件包括燃烧室、也被称为旋流发生器的旋流器、布置在燃烧室的内部空间中的燃烧区和空气供给装置，其中，空气流，特别是从在上游被流动连接的压缩机流入的空气流，经由空气供给装置供给到燃烧室。在供给到旋流器的空气的过渡区域中，形成或提供了增压室，所述空气可流过所述旋流器，其中增压室也可被称为前室，用于空气流入旋流器或通过旋流器进入燃烧室。此外，邻接空气空间、旋流器和燃烧室的组件包括封闭燃烧室的盖，该盖优选地在一侧或两侧上封闭燃烧室，并且可以另外地抵靠旋流器或形成旋流器，并且在前侧上界定或封闭增压室。根据本发明，还提供的是，该组件包括作为燃烧室空气旁路的空气传导通道，其设计成将通过空气供给装置进入所述组件的一部分空气流从增压室通过盖并通过旋流器经过燃烧区引导进入燃烧室。因此，优选地在燃气轮机的部分负荷操作中或部分负荷操作期间，通过空气供给装置引导的空气流被分成通过旋流器引导到燃烧区中的主流和通过空气传导通道引导经过燃烧区的旁路流。通过以这种方式设计的空气传导通道或其从增压室穿过盖和旋流器到燃烧室中的延伸部，仅连接了在燃气轮机的操作时具有相同或相似温度的部件，从而在空气传导通道或与其邻接的部件上不出现温度差，并且因此不出现高的温度梯度或压力梯度，从而在没有为此必须采取的诸如设置补偿器的复杂措施的情况下，改善了燃烧室的操作点或在燃烧室中出现的燃烧的操作点。
因此，有利的变型提供了，空气传导通道的温度和/或邻接空气传导通道的温度的温度曲线从空气流入空气传导通道的流入侧到空气流出空气传导通道的流出侧波动或变化最大10%，优选地最大5%，进一步优选地最大1%。因此，可以提供的是，空气传导通道仅引导通过诸如盖、旋流器和燃烧室壁的部件，这些部件在操作期间具有相同或至少相似的温度，这些温度彼此例如最大相差10%。通过例如至少部分地形成为管的空气传导通道，因此优选仅将在操作期间具有相同或相似的温度和相同或相似的材料特性的部件热连接和/或机械连接，从而在空气传导通道上或沿着空气传导通道不出现温度梯度和/或膨胀梯度。
为了能够有利地设计空气传导通道，进一步的改进方案提供了，空气传导通道至少部分地由管道形成。
附加地或替代地，空气传导通道可以至少部分地由盖形成，从而例如空气传导通道的穿过盖的区段可以由盖一体地形成。
除此之外，可以提供的是，空气传导通道至少部分地由旋流器形成。与盖一样，旋流器或其材料可以一体地形成空气传导通道。当例如提供导向叶片或其他导向体时，流经旋流器的主流在流入燃烧室时将通过所述导向叶片或其他导向体而经受旋流，这些导向叶片或其他导向体可至少部分地设计成中空的，使得旁路流可流经导向体，并且旁路流的空气不能进入主流或与主流分开地被引导。然而，替代地，也可以容易地提供通向导向体和旁路流中或在导向体和旁路流之间的管道。
有利的特别是一实施例，在该实施例中，空气传导通道从增压室穿过盖通到外部区域中，该外部区域优选布置在盖的背离燃烧室的一侧上。空气传导通道设计成在盖的背离燃烧室的一侧上的外部区域中使旁路流改变方向。此外，空气传导通道从外部区域穿过盖通向旋流器中，其中旁路流优选地保持与主流完全隔离。空气传导通道从旋流器通到燃烧室的在主流的流动方向上布置在燃烧区之后和/或相对于燃烧区偏移的区段中，使得通过旁路流引导到燃烧室中的空气不能流入燃烧区中并且因此不参与燃烧。空气传导通道的引导通过外部区域的区段例如可以由管形成，该区段在其长度和其路线方面设计成使得从盖的出口到盖的入口，该区段基本上保持其温度。替代地，空气传导通道也可以完全在盖中延伸，然而由此，该空气传导通道变得更加复杂和昂贵。
为了能够调节或控制通过空气传导通道的空气流或旁路流的流率，并且因此也调节或控制主流的流率，进一步的改进方案另外提供的是，在空气传导通道中布置阀，并且优选地布置比例阀。进一步优选地，这种阀沿着空气传导通道的在外部区域中的区段布置和/或甚至布置在外部区域中，因此，阀可以容易地被安装和维护。
为了将盖和旋流器以及优选地穿过它们或由它们形成的空气传导通道的区段热耦合，在另一变型中，提供的是，盖和旋流器彼此一体地形成或至少形成为一个部件。
为了能够有利地将旁路流分配和引入燃烧室中，在一实施例中，空气传导通道附加地将旁路流引导到形成在燃烧室中的环形空间中，该环形空间环形地围绕燃烧区。优选地，环形空间邻接燃烧室壁，并且至少部分地由燃烧室壁界定。因此，环形空间的位置优选地相对于燃烧室的旋转轴线或中心轴线沿径向方向和/或轴向方向移动到燃烧区，利用旁路流从该环形空间流入的空气可环形地分布并引入到燃烧室的邻接环形空间的区段中。
当在一种变型中提供多个空气传导通道时，这些空气传导通道可以将空气沿着各自的旁路流在彼此分开的空间中引入燃烧室中。例如，也可以提供多个环形空间，其在每种情况下部分地环形地或半环形地围绕燃烧区。当提供多个空气传导通道时，这些通道优选地各自遵循所描述的路线并且具有用于控制空气流率的阀。
为了能够有利地将通过旁路流输送到燃烧室中的空气引导到燃烧室或引导到燃烧室中，使得空气不流入燃烧区中并且不参与在那里进行的燃烧，在同样有利的变型中，在环形空间上设置至少一个流动体，所述流动体例如能够形成为流入开口或喷嘴。通过流动体，旁路流或通过旁路流流入的空气被引入燃烧室的位于环形空间外部的区段中。优选地，设置多个流动体，所述多个流动体以均匀的距离环形地布置在环形空间上或与环形空间环形地布置，使得旁路流环形地围绕燃烧区中形成的热气体流入，优选地不会不利地影响燃烧区中的燃烧。
然后，由旁路流输送到燃烧室中的空气可与热气体一起从燃烧室输送到实际涡轮机中，热气体通过由主流输送到燃烧区中的空气的燃烧而产生。
因此，另一有利的变型提供的是，至少一个流动体或多个流动体设计成将旁路流引入或喷射到燃烧室的位于环形空间外部的区段中，使得在燃烧室中的旁路流不穿过燃烧区或传送到燃烧区，并且因此在燃烧区中发生的主流的燃料和空气的混合物的燃烧不受影响并且优选地不受到负面影响。特别地，通过至少一个流动体引入的旁路流的空气被在燃烧期间产生的并且在涡轮机的方向上引导的热气体拖动。
优选地，燃烧室是管状燃烧室，从而因此燃烧室被管状地形成，其在技术语言中也被称为“罐式”。在此，具有旋流器的盖以及燃烧室中的燃烧区优选地设置在管状燃烧室的背离实际的涡轮机的前端或区段处。
此外，在一种有利的变型中的燃气轮机或组件包括包围燃烧室、与燃烧室间隔开的压力壳体或外压力壳体，其中，空气供给装置通过在界定燃烧室的燃烧室壁和环形地包围燃烧室壁的压力壳体之间的空气空间形成。因此，空气空间优选地也围绕燃烧室环形地延伸。
上面公开的特征可以以任何方式组合，只要这在技术上是可能的并且这些特征不彼此矛盾。
附图说明
本发明的其他有利的进一步改进方案的特征在于从属权利要求，或者通过附图连同本发明的优选实施例的描述一起更详细地被示出。附图示出了：
图1是燃烧室的摘图，该燃烧室具有布置在其上的压力壳体、旋流器和盖；
图2是形成在燃烧室中的压力空间的摘图。
附图是示例性地示意的。附图中相同的附图标记表示相同的功能相同和/或结构特征。
具体实施方式
图1示出了燃气轮机的一部分或燃气轮机的组件的一部分，并且更准确地说，示出了实施为管状燃烧室的燃烧室10的摘图，围绕该燃烧室，压力壳体20沿周向方向环形地布置，并且旋流器30布置在燃烧室10的前侧上，并且盖40在前侧上封闭燃烧室10。在图1示出并包括上述部件的组件(实际燃烧室10、压力壳体20、旋流器30、盖40)也可以以其整体被称为燃烧室，其中，这里，发生燃烧的实际部件称为燃烧室10。
通过在上游被流体连接的压缩机压缩的空气沿着空气流S0流动通过空气空间21，该空气空间由压力壳体20围绕燃烧室10的环形布置或燃烧室壁12之间的距离限定，该燃烧室壁围绕燃烧室10的中心轴线在周向方向上包围燃烧室10，并且从而在径向方向上界定燃烧室10。因此，空气空间21本身也围绕燃烧室10环形地形成。空气流S0也从在上游被连接的压缩机环形地流动通过空气空间21到形成增压室（plenum）22的旋流器30的前室（pre-chamber），其中在图1中仅示例性地示出和指定一个可能的流动路径。事实上，所示流动路径仅示例性地应用于从压缩机流入的空气流S0，其也可以称为基本流，并且还应用于在下文中解释的主流S1和旁路流S2。
至少在燃气轮机的部分负荷操作中，通过借助于阀70适当地打开空气传导通道60，将沿着空气流S0流入增压室22的空气分成主流S1和旁路流S0。沿着主流S1流动的空气流过旋流器30，并且在此过程中形成涡流或经受涡流。从旋流器30流出的经旋流作用的空气沿着主流S1流入或喷射到燃烧室10中，其先前且优选地在旋流器30和/或由旋流器30和/或盖40环形围绕的空间中与燃料混合，或由此产生的空气和燃料的混合物在燃烧室10中被点燃或燃烧，使得燃烧在燃烧室10中的燃烧区13中稳定，并且火焰在燃烧区13中燃烧。
火焰的工作范围以及因此在燃烧区中的燃烧的工作范围尤其取决于经由主流S1供给的空气和燃料的比率。该混合物也可以被称为空气-燃料混合物。
当燃烧室10操作得太稀时，一氧化碳排放严重增加。这限制了燃气轮机在部分负荷范围内的操作范围。为了保持低排放并增加在燃烧区13发生的燃烧的操作范围或燃烧室10的操作范围，可以通过打开或调节阀70来引导沿气流S0流入的到达空气沿旁路流S1通过空气传导通道60、经过燃烧区13，使得较少的空气被供给到火焰，从而避免一氧化碳排放。
根据本发明，在图1中以摘图示出的燃气轮机或组件中，提供了通过空气空间21流入旋流器30的增压室22的一部分空气通过盖40排出，结果形成了通过空气传导通道60的旁路流S2。沿旁路流S2输送的空气体积或从通过空气空间20流入的空气分流的空气量由阀70或阀70的阀位置控制。
沿旁路流S2流动的空气通过在此示例性地管状地形成的空气传导通道60从盖40被引导至阀70，通过旋流器30回到盖40，并且进入旋流器30下游的环形空间14。
环形空间14在图2中通过摘图和被放大的方式被示出。通过空气传导通道60输送到环形空间14中的空气经由一个或至少一个流动体15引入或喷射到燃烧室10中，使得燃烧区13中的火焰或燃烧不会受到负面影响。通过这种方式或通过空气传导通道60从其在增压室22中或增压室22上的流入侧61到其在环形空间14中或环形空间14上的、穿过盖40和旋流器30的流出侧62的路线，仅有近似具有相同材料温度的部件被互连，并且这些部件甚至在没有由空气传导通道60形成的燃烧室空气旁路的情况下被互连。
在其实施例中，本发明并不限于上述优选的示例性实施例。相反，可以想到使用所示解决方案的多个变型，即使这些变型具有基本上不同类型的实施例。
附图标记列表
10 燃烧室
11 燃烧室的内部空间
12 燃烧室壁
13 燃烧区
14 环形空间
15 流动体
20 压力壳体
21 空气空间
22 增压室
30 旋流器
40 盖
60 空气传导通道
61 空气传导通道的流入侧
62 空气传导通道的流出侧
70 阀
S0 引导通过空气空间的空气流
S1 主流
S2 旁路流。

Claims (14)

1.一种用于燃气轮机的组件，具有燃烧室(10)、旋流器(30)、布置在所述燃烧室(10)的内部空间(11)中的燃烧区(13)和空气供给装置，空气流能够经由所述空气供给装置供给到所述燃烧室(10)，
其中在所述空气从所述空气供给装置到所述旋流器(30)能够流经的过渡区域中，形成增压室(22)，并且邻接所述增压室(22)的组件包括所述旋流器(30)和所述燃烧室(10)，以及封闭所述燃烧室(10)的盖(40)，
其特征在于，所述组件包括作为燃烧室空气旁路的空气传导通道(60)，所述空气传导通道设计成用于将通过所述空气供给装置流入所述组件中的空气流的一部分从所述增压室(22)通过所述盖(40)并且通过所述旋流器(30)经过所述燃烧区(13)引导到所述燃烧室(10)中，使得通过所述空气供给装置引导的空气流(S0)分成通过所述旋流器(30)进入所述燃烧区(13)中的主流(S1)和引导经过所述燃烧区(13)的旁路流(S0)。
2.根据权利要求1所述的组件，
其中，所述空气传导通道(60)的温度和/或邻近所述空气传导通道(60)的温度的温度曲线从所述空气流入所述空气传导通道(60)的流入侧(61)到所述空气流出所述空气传导通道(60)的流出侧(62)最大变化10%。
3.根据权利要求1或2所述的组件，
其中，所述空气传导通道(60)至少部分地由管道形成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的组件，
其中，所述空气传导通道(60)至少部分地由所述盖(40)形成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的组件，
其中，所述空气传导通道(60)至少部分地由所述旋流器(30)形成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的组件，
其中，所述空气传导通道(60)从所述增压室(22)穿过所述盖(40)通向外部区域中，
所述空气传导通道(60)被形成用于在所述盖(40)的背离所述燃烧室(10)的一侧上的外部区域中使所述旁路流(S2)转向，
所述空气传导通道(60)从所述外部区域穿过所述盖(40)通向所述旋流器(30)中并且从所述旋流器(30)通向所述燃烧室(10)的在所述主流(S0)的流动方向上布置在所述燃烧区(13)之后和/或相对于所述燃烧区(13)偏移的区段中。
7.根据前述权利要求中任一项所述的组件，
其中，在所述空气传导通道(60)中布置有阀(70)，通过所述阀能够调节所述旁路流的流率。
8.根据前述权利要求中任一项所述的组件，
其中，所述盖(40)和所述旋流器(30)彼此一体地形成。
9.根据前述权利要求中任一项所述的组件，
其中，所述空气传导通道(60)将所述旁路流(S2)引导到形成在所述燃烧室(10)中的环形空间(14)中，所述环形空间环形地围绕所述燃烧区(13)。
10.根据前述项权利要求所述的组件，
其中，在所述环形空间(14)上设置至少一个流动体(15)，通过该流动体将所述旁路流(S2)引导到所述燃烧室(10)的位于所述环形空间(14)外部的区段中。
11.根据前述项权利要求所述的组件，
其中，所述至少一个流动体(15)形成为用于将所述旁路流(S2)引入所述燃烧室(10)的位于所述环形空间外部的所述区段中，使得所述燃烧室(10)中的所述旁路流(S2)不穿过所述燃烧区(13)，并且因此不影响所述主流(S1)的燃料和空气的混合物在所述燃烧区(13)中发生的燃烧。
12.根据前述权利要求中任一项所述的组件，
其中，所述燃烧室(10)为管状燃烧室。
13.根据前述权利要求中任一项所述的组件，
还包括围绕燃烧室(10)的压力壳体(20)，
其中，所述空气供给装置由在界定所述燃烧室(10)的燃烧室壁(12)和环形地包围所述燃烧室壁(12)的所述压力壳体(20)之间的空气空间(21)形成。
14.一种燃气轮机，具有根据前述权利要求中任一项所述的组件。
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