CN114562743A - 用于燃气涡轮筒形燃烧器的过渡管 - Google Patents

Abstract

一种用于针对发电厂的燃气涡轮组件的筒形燃烧器的过渡管；过渡管是管状组件，管状组件包括构造成用于联接到筒形燃烧器的燃烧室的第一端和构造成用于联接到燃气涡轮组件的涡轮的第二端；过渡管包括：内管状体，其具有与热气体接触的内表面，以及外表面；外管状体，其具有内表面，以及与冷却空气接触的外表面；其中在内管状体和外管状体之间存在间隙，以形成由内管状体的外表面和外管状体的内表面限定的冷却通道；其中外管状体设有多个孔，以允许冷却空气进入冷却通道；其中内管状体的外表面设有多个肋。

Description

用于燃气涡轮筒形燃烧器的过渡管

相关申请的交叉引用

本专利申请请求享有2020年11月27日提交的欧洲专利申请号20210265.3的优先权，其全部公开内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明的技术领域涉及用于发电厂的燃气涡轮组件领域。具体而言，本发明涉及燃气涡轮筒形燃烧器的过渡管，其中如本技术领域的技术人员已知的，用语“过渡管”是指构造成用于朝布置在筒形燃烧器下游的涡轮组件引导热气体的筒形燃烧器的下游构件。在本技术领域中，本发明涉及如何改进上面的过渡管的冷却以便允许提高热气体温度的技术问题。而且，本发明涉及一种设有上述过渡管的筒形燃烧器，并且涉及一种包括多个这种筒形燃烧器的用于发电厂的燃气涡轮。

背景技术

众所周知，用于发电厂的燃气涡轮组件(在下文中仅是燃气涡轮)是包括转子的组件，转子设有上游压缩机、燃烧器组件和至少一个下游涡轮。用语“下游”和“上游”是指穿过燃气涡轮的主气流的方向。具体而言，压缩机包括供应有空气的入口，以及压缩通过的空气的多个叶片。离开压缩机的压缩空气流入仓室(plenum)，即封闭容积，并从那里流入燃烧器组件。在燃烧器组件内，压缩空气与至少一种燃料混合。燃料和压缩空气的混合物燃烧，并且产生的热气体离开燃烧器组件并在涡轮中膨胀，从而对转子做功。

根据称为筒形燃烧器燃气涡轮的特定类型的燃气涡轮，燃烧器组件以多个筒形燃烧器的形式实现，多个筒形燃烧器环形地或周向地布置为围绕涡轮轴线的环，并且由限定仓室的外壳支承。每个筒形燃烧器设有至少一个烧嘴、至少一个燃烧室，以及用于朝向涡轮引导热气体的由金属材料(例如高温金属合金)制成的过渡管。正如在前一节中已经提到的，过渡管是筒形燃烧器的下游构件(也称为“衬套”)，并且其以管状体的形式实现，该管状体具有连接到燃烧室出口的基本上带有圆形横截面的上游端，以及连接到涡轮入口的带有基本矩形或正方形横截面的下游端。过渡管的下游端也称为“画框件(picture frame)”。

如上所述，过渡管是构造成用于将热气体流从燃烧室出口引导至涡轮入口的构件，并因此暴露于极高的流动温度。事实上，例如，热气体的温度可能达到1800K或更高。与燃气涡轮发动机的其它构件的情况一样，鉴于这种高热气体温度，过渡管需要冷却以便避免由过热造成的损坏，并增加使用寿命。出于此冷却目的，过渡管包括以具有与热气体接触的内表面的内管状体形式的热壳，以及以围绕内管状体布置并具有与仓室中的压缩空气接触的外表面的外管状体形式的冷壳。内管状体和外管状体之间的空间限定用于取自仓室的冷却空气(即由压缩机输送的压缩空气)的冷却通道。为此，外管状体设有多个冷却空气入口，例如冲击冷却孔，从而实现可基本上垂直于内管状体的外表面引导的冷却空气流。

根据现有技术的惯例，内管状体，具体是面向冷却通道的内管状体的外表面，以具有一厚度的光滑表面的形式实现，该光滑表面构造成抵抗燃烧器内生成的压力负载。

为了改善冷却性能，期望减小内管状体的壁厚。然而，此厚度减少可能不利地影响该构件的结构强度。

因此，现今需要优化过渡管的设计，即最小化内管状体的壁厚，以在不影响该构件的结构强度的情况下改善冷却效果。确实改善的冷却性能允许提高热气体温度，并且因此提高燃气涡轮组件的效率和输出。

发明内容

因此，本发明的主要目的是提供一种适用于克服现有技术实践中的缺陷的用于燃气涡轮筒形燃烧器的过渡管。具体而言，本发明的范围是提供一种用于燃气涡轮筒形燃烧器的过渡管，其具有这样的设计：该设计依据由于改进的冷却特征引起的更大结构抗力而允许更高的点火温度和更长的使用寿命。

为了实现上文提及目的，本发明提供了一种用于针对发电厂的燃气涡轮组件的筒形燃烧器的过渡管，其中众所周知，过渡管以管状组件的形式实现，该管状组件包括构造成联接到筒形燃烧器的燃烧室的第一端(优选地具有圆形横截面)和构造成联接/面向燃气涡轮组件的涡轮的第二端(优选地具有矩形或正方形横截面)。在这种构造中，过渡管包括：

-内管状体(或热壳)，其具有与离开燃烧室的热气体接触的内表面，以及外表面，以及

-外管状体(或冷壳)，其具有面向内管状体的外表面的内表面，以及与在燃气涡轮组件的仓室(即压缩机出口与筒形燃烧器入口之间的封闭容积)中流动的冷却空气接触的外表面。

众所周知，为了冷却目的，在内管状体和外管状体之间存在间隙，从而形成由内管状体的外表面和外管状体的内表面限定的冷却通道。外管状体设有多个空气入口(例如，冲击冷却孔)，允许部分冷却空气从仓室进入冷却通道。

根据本发明的主要特征，内管状体的外表面不是如根据现有技术那样的光滑表面或板状表面，而是设有多个肋。这些肋改善了结构强度，并提供了该构件结构强度的更好分布。事实上，根据本发明，过渡管可具有取决于肋的存在而随位置变化的结构强度，使得该构件可根据需要局部地更硬或更弱。这种可变的结构强度有助于平衡过渡管中的应力分布，允许更好的循环寿命和蠕变寿命性能。因此，有可能在不影响安全结构强度的情况下降低内管状体的厚度，并从而改善该构件的冷却。内管状体的较高冷却效率允许提高燃气涡轮的热气体温度，并因此提高燃气涡轮组件的效率和功率输出。

根据本发明的实施例，提供了多个第一肋，其中这些肋彼此平行并且在内管状体的外表面上沿第一方向延伸，第一方向优选地是轴向方向，即平行于主热气体流的方向。

根据本发明的实施例，提供了多个第二肋，其中这些肋彼此平行并且在内管状体的外表面上沿第二方向延伸，第二方向优选地正交于上文提及的第一方向。

如所引用的，多个第一肋允许在内管状体和外管状体之间的间隙中限定多个平行通道(优选轴向通道)。在此情况下，优选地，在外管状体中获得的孔布置成面向这些平行通道的多个平行排。

优选地，多个第一肋(优选轴向肋)中的肋具有大于多个第二肋中的肋的高度。

例如，肋构造成在内管状体的外表面上形成矩阵图案或多个六边形-六边形图案或多个菱形-菱形图案。

优选地，过渡管(至少内管状体)通过增材制造技术制造，例如SLM(选择性激光熔化)。

本发明还涉及一种用于针对发电厂的燃气涡轮组件的筒形燃烧器。该筒形燃烧器包括至少一个烧嘴、至少一个燃烧室，以及如所要求保护的用于将热气体从燃烧室朝向燃气涡轮组件的涡轮引导的过渡管。然而，总的来说，本发明适用于具有过渡管的任何燃气涡轮，即单级燃烧器、两级燃烧器和轴向分级燃烧器。

优选地，筒形燃烧器构造成涉及两个燃烧级。在此情况下，筒形燃烧器包括串联的第一烧嘴、燃烧室、第二烧嘴、第二燃烧室和所要求保护的过渡管。

本发明还涉及一种用于发电厂的燃气涡轮组件。该燃气涡轮具有轴线，并且包括：

-用于压缩空气的压缩机，

-用于接收离开压缩机的压缩空气的仓室，

-多个筒形燃烧器，其用于将离开仓室的压缩空气与至少一种燃料混合并燃烧，

-用于使离开筒形燃烧器的燃烧热气体流膨胀并对转子做功的涡轮；

其中每个筒形燃烧器包括所要求保护的过渡管。

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从以下描述、附图和权利要求中清楚。

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清楚。

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

-图1是适合设有本发明的燃气涡轮实例的示意图；

-图2为图1中标记为II的部分的示意图；

-图3是过渡管的实施例的示意图；

-图4是图3的过渡管的部分的截面视图；

-图5和图6是图4中标记为II的部分的放大视图，其中图5是现有技术的示意图，而图6是本发明的实施例；

-图7是根据本发明的过渡管的部分的透视图；

-图8是根据本发明的过渡管的示意图；

-图9和10是体现本发明的不同方式的示意图。

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描述，而不用于限制其执行范围。根据所附权利要求书制作出的任何等同的变型和改型所有都由本发明要求保护的权利要求书覆盖。

现在将参照附图来详细描述本发明。

参看图1，图1是沿轴向纵向平面剖开的燃气涡轮组件的侧立面视图，该燃气涡轮组件可设有根据本发明的多个过渡管。具体而言，图1公开了整体上以参考标记1表示的燃气涡轮组件的简化视图。燃气涡轮组件1包括压缩机2、燃烧器组件3和涡轮4。压缩机2和涡轮4沿主轴线A延伸。图1的实例中公开的燃烧器组件3是筒形燃烧器组件，其包括围绕轴线A布置成环的多个筒形燃烧器5。每个筒形燃烧器5可构造成用于生成两级燃烧或顺序分级燃烧，或单级燃烧。燃气涡轮发动机1的压缩机2提供压缩气流，该气流与燃料混合并在每个筒形燃烧器5中燃烧。由压缩机2输送的气流的部分从主流分开，并供应到燃烧器组件3和涡轮区段4以用于冷却目的。

现在参看图2，图2为图1中标为参考标记II的部分的放大视图。具体而言，图2公开了可设有根据本发明的过渡管的筒形燃烧器5的实例。图2中公开的这种筒形燃烧器5涉及两个燃烧级。事实上，图2中公开的筒形燃烧器5包括第一级燃烧器6、第二级燃烧器7和过渡管8，它们按顺序布置并限定热气路径。更确切地说，第一级燃烧器6包括第一级烧嘴单元9和第一级燃烧室10。第二级燃烧器7布置在第一级燃烧器6的下游，并且包括第二级烧嘴单元11和第二级燃烧室12。第二级燃烧器7通过过渡管8进一步联接到涡轮4(这里未示出)。第二级燃烧室12沿平行于热气体主流M的轴向方向M延伸。在该实施例中，第二级燃烧室12包括外衬套13和内衬套14，其中外衬套13距内衬套一定距离地围绕内衬套14，使得在外衬套13与内衬套14之间限定了对流冷却通道15。

图3是过渡管的实施例的示意图。如图3中公开的，过渡管8以管状组件的形式实现，该管状组件具有：联接到第二燃烧室的具有圆形横截面的第一端22，以及面向涡轮组件的具有正方形横截面的第二端23(热气体流出口或也称为画框件)。众所周知，过渡管8构造成用于将热气体流M朝向涡轮引导。如所公开的，过渡管8的管状组件包括由外管状体21(称为冷壳，因为其外表面17与在仓室16中循环的压缩空气或冷却空气直接接触)覆盖的内管状体20(称为热壳，因为其内表面18与热气体流M直接接触)。如图4中公开的，在内管状体20和外管状体21之间存在间隙，形成由内管状体20的外表面和外管状体21的内表面限定的冷却通道24，并且其中部分压缩空气可进入以冷却内管状体20。为了允许空气进入冷却通道24，外管状体21设有多个冲击孔25或其它流动入口装置，因为空气正交地冲击内管状体20的外表面。在图3和4的实施例中，孔仅在外管状体21的下游部分中实现。然而，也可在外管状体21的其它上游部分，即朝向端部22的部分中提供附加的孔。

图5和图6是图4中标为V的部分的放大视图，其中图5是现有技术的示意图，而图6是本发明的实施例。参考标记C是指冷却空气。根据图5中所示的现有技术，内管状体20(具体是面向冷却通道24的外表面27)以具有一厚度的平坦表面的形式实现，该表面构造成抵抗燃烧室内生成的压力负载。出于冷却原因，期望减小内管状体20的壁厚。然而，平坦表面的厚度减少影响该构件的结构强度。图6是本发明的实施例，其允许减小内管状体20的厚度以改善冷却效果而不影响构件的结构强度。为了实现该结果，根据本发明，内管状体20的外表面27(即面向冷却通道24的表面27)设有多个肋28。这些肋28改善了该构件的结构强度。因此，有可能在改善冷却效果的同时减小厚度，而在确保安全结构强度方面没有任何问题。作为示例，根据申请人的测试，约5mm的恒定壁厚可降低至2mm到3mm。此外，本发明允许使用增材制造技术(例如SLM)来生产该构件。

图7是根据本发明的过渡管的部分的透视图，其中内管状体20的外表面27设有多个轴向肋28(即平行于热气体流M的肋)和多个周向肋29(即与轴向肋28正交的肋)。在该实例中，轴向肋28相对于周向肋29显示出更大的高度，使得基本上沿多个轴向通道引导冷却空气C。如图8中公开的，图7的实施例允许在内管状体20的外表面27上实现矩阵图案。具体而言，根据图8的实施例，内管状体20以两个壳的形式实现，即由轴向焊接线19连接的外壳和内壳(图8中未公开)。在该实例中，肋仅设在外壳的外表面中。

图9和图10是体现本发明的不同方式的示意图，其中肋构造成用于在内管状体20的外表面27上实现不同的图案。例如，在图9中，肋形成六边形图案，而在图10中，肋在内管状体20的外表面27上形成菱形图案。

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，可制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，可构想出的是，所附一项或多项权利要求将覆盖落入本发明的真正范围内的此类改型和变型。

Claims (15)

1.一种用于针对发电厂的燃气涡轮组件(1)的筒形燃烧器(5)的过渡管(8)；所述过渡管(8)是管状组件，所述管状组件包括构造成用于联接到所述筒形燃烧器(5)的燃烧室的第一端(22)和构造成用于联接到所述燃气涡轮组件(1)的涡轮(4)的第二端；所述过渡管(8)包括：

-内管状体(20)，其具有与热气体(M)接触的内表面(18)，以及外表面(27)；

-外管状体(21)，其具有内表面(26)，以及与冷却空气(C)接触的外表面(17)；

其中，在所述内管状体(20)和所述外管状体(21)之间存在间隙，形成由所述内管状体(20)的外表面(27)和所述外管状体(21)的内表面(26)限定的冷却通道(24)；

其中，所述外管状体(21)设有多个孔(25)，允许冷却空气(C)进入所述冷却通道(24)；

其中，所述内管状体(20)的外表面(27)设有多个肋(28)。

2.根据权利要求1所述的过渡管，其中，提供多个第一肋(28)，这些肋平行于彼此并在所述内管状体(20)的外表面(27)上沿第一方向延伸。

3.根据权利要求2所述的过渡管，其中，提供多个第二肋(29)，这些肋平行于彼此并在所述内管状体(20)的外表面(27)上沿第二方向延伸。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的过渡管，其中，所述多个第一肋(28)中的肋为平行于所述热气体方向(M)的轴向肋，从而在所述冷却通道(24)中形成多个轴向通道。

5.根据权利要求4所述的过渡管，其中，所述外管状体(21)的孔(25)布置成面向所述轴向通道的多个轴向排。

6.根据前述权利要求3至权利要求5中任一项所述的过渡管，其中，所述多个第二肋(29)中的肋正交于所述多个第一肋(28)中的肋。

7.根据前述权利要求3至权利要求6中任一项所述的过渡管，其中，所述多个第一肋(28)中的肋具有大于所述多个第二肋(29)中的肋的高度。

8.根据前述权利要求3至权利要求7中任一项所述的过渡管，其中，所述肋构造成用于在所述内管状体(20)的外表面(27)上形成矩阵图案。

9.根据前述权利要求3至权利要求7中任一项所述的过渡管，其中，所述肋构造成用于在所述内管状体(20)的外表面(27)上形成多个六边形-六边形图案。

10.根据前述权利要求3至权利要求7中任一项所述的过渡管，其中，所述肋构造成用于在所述内管状体(20)的外表面(27)上形成多个菱形-菱形图案。

11.根据前述权利要求中任一项所述的过渡管，其中，所述内管状体(20)以外壳和内壳的形式实现；至少所述外壳设有所述肋(28,29)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的过渡管，其中，所述过渡管(8)由增材制造技术生产。

13.一种用于针对发电厂的燃气涡轮组件(1)的筒形燃烧器(5)，其中，所述筒形燃烧器(5)包括至少一个烧嘴(9,11)、至少一个燃烧室(10,12)，以及用于将热气体从所述燃烧室(10,12)朝向所述燃气涡轮组件(1)的涡轮(3)引导的过渡管(8)；其中，所述过渡管(8)根据前述权利要求中的任一项实现。

14.根据权利要求13所述的筒形燃烧器，其中，所述筒形燃烧器(5)包括串联的第一烧嘴(9)、燃烧室(10)、第二烧嘴(11)、第二燃烧室(12)、连接到所述第二燃烧室(12)的所述过渡管(8)。

15.一种用于发电厂的燃气涡轮；所述燃气涡轮(1)具有轴线(A)，并且包括：

-用于压缩环境空气的压缩机(2)，

-用于接收离开所述压缩机(2)的压缩空气的仓室(16)，

-多个筒形燃烧器(5)，其用于将离开所述仓室(16)的所述压缩空气与至少一种燃料混合并燃烧，

-用于使离开所述筒形燃烧器(5)的燃烧热气体流膨胀并对转子做功的涡轮(3)；

其中，每个筒形燃烧器(5)根据前述权利要求13或权利要求14中任一项实现。

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