CN1187556C - 气体涡轮机及其燃烧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种安装在喷嘴部分(11)的下游的燃烧室部分(14)。所述燃烧室部分(14)从喷嘴部分(11)的下游端延伸至气体涡轮机的入口，并将燃烧预混合气体所产生的燃烧气体供给气体涡轮机。燃烧室部分(14)由内管和尾管形成为一体。燃烧室(10)具有用于冷却燃烧室(10)的壁表面的壁冷却装置。在燃烧室部分(14)的内壁上形成凹槽。用于引入进行冷却操作的空气的入口被安装在燃烧室部分(14)的外壁上。所引入的空气以结合的方式进行模冷却和对流冷却。这样，可以提高燃烧气体的温度，从而获得具有较高效率的气体涡轮机。

Description

气体涡轮机及其燃烧室

技术领域

本发明涉及一种燃烧室，可以使具有低热量的燃料有效燃烧。本发明还涉及一种具有上述燃烧室的气体涡轮机。

背景技术

图8示出一种普通的燃烧室。燃烧低卡燃料的气体涡轮机配备了燃烧室1。在燃烧室1中，当燃料通过主喷嘴3喷入喷嘴部分2时，被燃烧室部分4点燃的燃料燃烧产生燃烧气体。所述燃烧气体提供给位于其下游的气体涡轮机(图中未示出)。燃烧室部分4包括一个和喷嘴部分2相连的内管5和一个与内管相连的尾管6。

在上述燃烧室1中，必须冷却燃烧室部分4的壁。这种冷却操作使用经过空气压缩机压缩的压缩空气。换句话说，燃烧室部分4的壁由如图9所示的外壁7a和内壁7b组成。外壁7a上形成空气入口7c，内壁7b上形成了多个凹槽7d。空气压缩机输出的空气由外壁7a上的空气入口7c导入。空气沿着内壁7b上的凹槽7d流动。这样，通过对流冷却操作实现冷却内壁7b。用于上述对流冷却操作的空气沿着内壁7b的内表面流动并对内壁7b进行模冷却操作。因此，采用模冷却操作和对流冷却操作相结合的方式实现冷却燃烧室的壁。

由比如具有700千卡的高炉气体或者提供给燃烧室1的煤气燃料所产生的热量，低于由普通气体涡轮机燃料如天然气所产生的热量。在这种燃烧低卡燃料的气体涡轮机的燃烧室中，为了获得高温，必须在涡轮机的入口处增加燃料数量。当燃料数量增加时，所供给的用于燃烧的空气随着燃料数量的增加相应的也要增加。因此，用于冷却操作的空气相应减少。这意味着缺少用于冷却燃烧室1的壁的空气(以下称为壁冷却空气)。

目前，仅具有低入口温度如1100℃的气体涡轮机已经出现，这种气体涡轮机中没有充足的壁冷却空气。

在这种普通气体涡轮机中，从效率角度来看，要求在涡涡轮机的入口处具有高温。因此，供应燃烧气体的燃烧室需要在更高的温度下进行工作。

另一方面，向气体涡轮机供应高温燃烧气体的燃烧室受到高温作用。为了燃烧室能安全工作，必须在燃烧室中具有更强的冷却能力。然而，在普通燃烧室1和使用普通燃烧室1的气体涡轮机中，因为大量空气被用于燃烧，所以用来冷却燃烧室1壁所必须的空气量不足。因此，所产生的问题是很难获得一种在充分的燃烧能力和冷却能力之间取得平衡的燃烧室。对于在燃烧低卡燃料的气体涡轮机中所使用的燃烧室来讲这个问题更为突出。

本发明是基于以上所述问题的考虑设计的。本发明的目的是在更高温度下燃烧气体从而实现气体涡轮机的高效工作。

发明内容

为了达到上述目的，本发明具有以下特征。

本发明的第一方面，燃烧室由一个产生燃烧气体的内管和一个引导燃烧气体至涡轮机的尾管组成。在本发明的这个方面，形成了具有单体结构的燃烧室部分，在所述结构中内管和尾管是一个整体，在燃烧室中使用低卡燃料。

在本发明所述的燃烧室中，就从喷嘴部分到气体涡轮机的入口的整个结构而言，内管和尾管形成为一体。为了实现这点，必须冷却的内管和尾管的表面积要小于普通气体涡轮机的表面积。因此，可以用更少的用于冷却操作的空气完成更有效的冷却操作。另外，冷却操作需要更少的空气；从而，更多的空气可以被用于燃烧。所以，可以通过与更多的燃料反应，实现气体在更高温度下燃烧。

在本发明的第二方面中，燃烧室还包括具有内管和尾管的用于冷却燃烧室壁的壁冷却装置。

在本发明的燃烧室中，通过进行壁冷却操作可以实现有效冷却操作；这样增加了用于燃烧的空气量。所以，更多的空气与更多的燃料反应；从而可以在更高温度下燃烧。

在本发明所述燃烧室的第三方面中，壁冷却装置以相结合的方式进行模冷却操作和对流冷却操作。

在这种燃烧室中，通过模冷却操作和对流冷却操作可以进行双重冷却。这样做，可以用更少的空气有效实现冷却操作。因此，更多的空气与更多的燃料反应；并且由于燃烧使用的空气增加，所以可以在更高温度下进行燃烧。

在本发明的燃烧室的第四方面中，壁冷却装置用空气和蒸汽混合进行冷却操作。

在本发明的这种燃烧室中，由于使用蒸汽来冷却壁，所以可以减少用于冷却壁的空气量。用于燃烧的空气增加；更多的空气与更多的燃料反应，因此可以在更高温度下进行燃烧。

在本发明的燃烧室的第五方面中，壁冷却装置使用蒸汽进行冷却操作。

在本发明的这种燃烧室中，由于仅用蒸汽来冷却壁，所以用于冷却壁的空气量减少。用于燃烧的空气增加，因而更多的空气和更多的燃料反应，所以可以在更高温度下进行燃烧。

在本发明的这种燃烧室中，减少了用于冷却的空气。否则，用于冷却的空气不是必要的。因此，能用于燃烧的空气增加了。更多的空气和更多的燃料反应，所以即使使用廉价的低卡燃料也可以在更高的温度下进行燃烧。

在本发明的第六个方面中，气体涡轮机包括一个用于压缩空气的空气压缩机，一个上述任何一个方面所述的燃烧室和一个涡轮机，从燃烧室导入的燃烧气体膨胀而转动转轴从而使涡轮机产生轴输出功率。

在这种气体涡轮机中，燃烧室中的冷却空气的数量减少。否则，可不需要用于冷却的空气。因此，可增加用于燃烧的空气量。更多的空气和更多的燃料反应，所以可以在更高温度下进行燃烧。从而，实现气体涡轮机高效工作。

如上面所解释的，按照本发明的第一个方面，用更少的空气可以进行更有效的冷却操作。并且，冷却操作需要更少的空气，因此更多的空气可被用于燃烧。从而可以通过与更多的燃料反应实现气体在更高温度下进行燃烧。另外，用于冷却的空气减少。否则，用于冷却的空气不再必要。因此，被用于燃烧的空气增加。更多的空气和更多的燃料反应，因此即使在使用廉价的低卡燃料的情况下也可以在更高温度下进行燃烧。

按照本发明的第二个方面，通过进行壁冷却操作可以实现有效的冷却操作，因而，增加了用于燃烧的空气量。从而，更多的空气和更多的燃料反应，所以可以在更高温度下进行燃烧。

按照本发明的第三个方面，通过模冷却操作和对流冷却操作可以进行双重冷却操作。这样，可以用更少的空气进行有效的冷却操作。因此，更多的空气与更多的燃料反应，因为用于燃烧的空气增加，所以可以在更高温度下进行燃烧。

按照本发明的第四个方面，通过使用蒸汽来冷却壁，用于冷却壁的空气的数量增加。用于燃烧的空气增加了，因而更多空气与更多燃料反应，所以可以在更高温度下进行燃烧。

依照本发明的第五个方面，通过仅用蒸汽来冷却壁，用于冷却壁的空气数量减少。用于燃烧的空气增加，因而更多的空气与更多的燃料反应，因此可以在更高温度下进行燃烧。

依照本发明的第六个方面，在燃烧室中冷却空气的数量减少。否则，用于冷却的空气不是必要的。因此，用于燃烧的空气增加。更多的空气与更多的燃料反应，因此，可以在更高温度下进行燃烧。从而实现气体涡轮机更高效工作。

附图说明

图1所示为依照本发明第一个实施例的燃烧室的剖面图；

图2所示为图1所示燃烧室的燃烧室部分的壁冷却装置的内部结构图；

图3所示为依照本发明第二个实施例的燃烧室的剖面图；

图4所示为图3所示燃烧室的燃烧室部分中壁冷却装置的内部结构图；

图5所示为依照本发明第三个实施例的燃烧室的剖面图；

图6所示为图5所示燃烧室的燃烧室部分中壁冷却装置的内部结构图；

图7所示为依照本发明的一个气体涡轮机的实施例的剖面图；

图8所示为一个普通的燃烧室；和

图9所示为在普通的燃烧室中壁冷却装置的内部结构。

具体实施方式

下面对照附图对本发明的实施例加以说明。

第一个实施例

图1和图2为本发明所述燃烧室的第一方面。更准确地说，图1是燃烧室的剖面图。图2为该燃烧室的用于冷却操作的重要部分。图1所示的燃烧室使燃料燃烧，产生燃烧气体，驱动涡轮机(图中未示出)。燃烧室10具有喷嘴部分11。

在喷嘴部分11中含有引导喷嘴12和主喷嘴13。将被空气压缩机(图中未示出)所压缩的空气供应给喷嘴部分11，与从引导喷嘴12处提供的燃料混合。在此处点燃空气和燃料的混合物；从而在该处形成引导火焰。

主喷嘴13喷射燃料。引导火焰点燃燃料。被点燃的燃料和空气压缩机所压缩的空气反应。因此，燃烧扩散并且产生燃烧气体。

在喷嘴部分11的下游部分，形成了具有单体结构的燃烧室部分14，其中内管和尾管形成为一体。燃烧室部分14的壁具有由图2所示内壁16和外壁17形成的双壁结构。燃烧室部分14和喷嘴部分11形成了燃烧室。燃烧室部分14从喷嘴部分11的下游端延伸至图中未示出的涡轮机的入口处。燃烧室部分14把燃烧室中所产生的燃烧气体送至涡轮机。具体来讲，燃烧室部分14的上游端与喷嘴部分的下游端通过图1所示的安装在喷嘴部分11中的弹簧联接件15相连。燃烧室部分14的下游端安装在涡轮机入口处。

如上所述，在燃烧室10中，喷嘴部分11和具有单体结构的燃烧室部分14连接起来。当燃烧气体被送入涡轮机(图中未示出)时，涡轮机被燃烧气体推动旋转并产生轴输出功率。

在燃烧室10中具有用于冷却燃烧室10的壁的壁冷却装置。在该壁冷却装置中，进行对流冷却操作和模冷却操作，使空气压缩机(图中未示出)所压缩的压缩空气从形成燃烧室部分14的外壁17的入口17a引入外壁17，压缩空气沿着在内壁16中形成的多个凹槽16a流动，实现对流冷却操作，以及压缩空气沿内壁16的内表面流动，进行模冷却操作。也就是说，壁冷却装置以结合方式进行对流冷却操作和模冷却操作。在此，图2中用附图标记17b表示冷却剂的排出口。

在本实施例中，燃烧室10具有上述结构。当从引导喷嘴12喷入的引导燃料进一步从喷嘴部分11喷入时，形成引导火焰并在那里点燃。在上述条件下，当燃料由喷嘴13喷入时，燃料和空气的混合物在燃烧室部分14中燃烧，产生燃烧气体。同时，在该处产生的燃烧气体供应给安装在燃烧室部分14的下游处的气体涡轮机的入口。这样，涡轮机转动，从而获得轴输出功率。

这里，燃烧室10包括喷嘴部分11和燃烧室部分14。燃烧室部分14具有单体结构。所以，需要冷却的燃烧室部分14的表面积小于具有燃烧室部分14的普通燃烧室的表面积，所述燃烧室部分14不具有单体结构。

因此，由于需要冷却的燃烧室部分14的表面积减少，所以提供给壁冷却装置的用于冷却用途的空气量也减小。因此，即使在提供给壁冷却装置的空气量减少或者燃料是低卡燃料的情况下，仍然可以得到具有1300℃-1500℃能量的高温气体涡轮机。因此，可以获得高温气体涡轮机。

如上所述，燃烧室10也包括喷嘴部分11和燃烧室部分14。所以可以简化燃烧室10的结构；从而，本发明所述气体涡轮机的制造费用减少。

此外，在本实施例中，壁冷却装置利用空气对壁冷却部分同时进行对流冷却操作和模冷却操作。因此，在本发明的燃烧室中，冷却操作是以相结合的方式进行的。所以，既可以减少用于冷却壁的空气量又可以提高冷却效率。这样，用于冷却燃烧室部分14的壁的单位表面积的空气量减少。

在本发明实施例所述的燃烧室10中，燃烧室部分14的表面积与普通的燃烧室部分相比减少了60％-80％。用于冷却壁的空气量与普通燃烧室部分相比也减少了30％-40％。

第二个实施例

图3和图4所示为本发明的第二个实施例。本发明的第二个实施例与第一个实施例的不同之处在于其壁冷却装置用空气和蒸汽进行冷却操作。也就是说，壁冷却装置具有导管，用来将被空气压缩机压缩的空气送至在燃烧室部分14中的外壁17的入口17a。如图3所示，壁冷却装置还具有蒸汽供给部分18，将蒸汽提供给入口17a。

在本实施例中，至于提供给蒸汽供给部分18的蒸汽，使用一部分在废热回收锅炉(图中未示出)中所用的空气，所述废热回收锅炉在组合设备中使用。蒸汽和在操作燃烧室10的过程中从入口17a引入的空气一起被喷入外壁17。蒸汽和空气都在燃烧室部分14上的内壁16的表面和内表面上起作用。因此，通过由空气和蒸汽的模冷却操作和对流冷却操作相结合，该壁的表面实现冷却。

在本实施例中，喷嘴部分11和燃烧室部分14相连；所以可以获得和第一个实施例同样的效果。另外，壁冷却装置同时混合使用蒸汽和空气，因此通过使用蒸汽进行冷却操作可以减少用于冷却操作的空气。从而，减少用于冷却燃烧室的壁的空气量。

第三个实施例

图5和图6所示为本发明的第三个实施例。

在第三个实施例中，壁冷却装置仅用蒸汽进行冷却操作。也就是说，如图6所示，在本实施例的壁冷却装置中，入口18a和出口18b与燃烧室部分14的外壁17相连。从入口18a引入的蒸汽通过燃烧室部分14上的内壁16中的凹槽16a，并且在此处进行对流冷却操作，从出口18b排出。按照上述方式冷却燃烧室部分14。如图5所示，入口18a安装在燃烧室部分14的外壁的下游端和燃烧室部分14的外壁的上游端。另外，出口18b安装在外壁17的上游处的入口18a和外壁17的下游处的入口18a之间。

如上所述，当燃烧室10的壁表面仅用蒸汽进行冷却时，不必再使用用于冷却的空气。所以空气压缩机所供给的全部空气可以用作燃烧使用。在本实施例中，燃烧室部分14具有单体结构，其中内管和尾管形成为一体。因此，整个燃烧室的表面积减少。壁的冷却操作也可以仅由蒸汽来进行。也就是说，用于壁表面冷却的空气量为零。可以得到使用低卡燃料并具有1300℃-1500℃能量的燃烧室。

当本发明的气体涡轮机利用使用低卡燃料燃烧的燃烧室时，可以减少用于冷却壁的空气量。否则不需要空气。因此，在壁冷却操作中，必须冷却的表面积减少，所以不需使用用于冷却操作的空气。从而提高冷却效率。因而，这种壁冷却操作对于提高使用高温燃烧气体的气体涡轮机的效率是很有益处的。

图7为本发明所述气体涡轮机的一个实施例。即图7所示气体涡轮机20具有一个本发明的燃气室10。

在气体涡轮机20中，被引导至此的空气被空气压缩机21压缩。将被压缩的空气供给燃烧室10，用以如图1和图3所示的燃烧用途和冷却用途。燃烧室喷嘴11将燃料供给燃烧室部分14，与压缩空气混合并在那里燃烧。用这种方法产生高温高压气体并将其送入气体涡轮机22。高温高压气体膨胀，并通过固定在涡轮机22上的靠近壳体的定子叶片和安装在转轴附近的转子叶片，因此，在转子叶片附近的转轴转动，从而产生轴输出功率。

在本发明的上述实施例中，仅示出了在使用低卡燃料的气体涡轮机中所用的燃烧室。很显然本发明也可用于使用高卡燃料的气体涡轮机的燃烧室。

Claims (6)

1.一种燃烧室(10)，包括：用于产生燃烧气体的内管(5)；和用于将燃烧气体引导至涡轮机的尾管(6)，其中形成了具有单体结构的燃烧室部分，在所述结构中内管(5)和尾管(6)形成为一体，在燃烧室中使用低卡燃料。

2.按照权利要求1所述的燃烧室(10)还包含一种壁冷却装置，所述壁冷却装置用于冷却具有内管(5)和尾管(6)的燃烧室(10)的壁。

3.按照权利要求2所述的燃烧室(10)，其中壁冷却装置以相结合的方式进行模冷却操作和对流冷却操作。

4.按照权利要求2所述的燃烧室(10)，其中壁冷却装置同时使用空气和蒸汽进行冷却操作。

5.按照权利要求2所述的燃烧室(10)，其中壁冷却操作使用蒸汽进行冷却操作。

6.一种气体涡轮机(20)包括：用于压缩空气的空气压缩机(21)；按照权利要求1-5中的任何一个权利要求所述的燃烧室(10)；涡轮机(22)，所述涡轮机(22)通过从燃烧室(10)中引入的燃烧气体的膨胀而转动，产生轴输出功率。

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