CN1836097A - 布置在一种燃气轮机的压缩机和燃烧室之间的扩散器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有一个环形燃烧室(4)和一个扩散器(27)的燃气轮机(1)，所述扩散器(27)布置在所述环形燃烧室(4)的上游，可以使流体以基本与一个涡轮纵轴(9)平行的流动方向流过，并且，扩散器上的至少部分区域离所述涡轮纵轴(9)的距离小于离所述环形燃烧室(4)的距离，在所述扩散器(27)中，可以在一个分流点(36)处将一种压缩气体(K)分成若干个分流(K_i，K_a)，其中，所述分流(K_i，K_a)中的至少一个分流是一个冷却气流；所述扩散器(27)具有一个主致偏区(30)，所述主致偏区(30)与所述涡轮纵轴(9)成一角度朝向所述环形燃烧室(4)。

Description

布置在一种燃气轮机的压缩机和燃烧室之间的扩散器

技术领域

本发明涉及一种具有一个环形燃烧室和一个扩散器的燃气轮机，所述扩散器布置在所述环形燃烧室的上游，可以由流体以基本与一个涡轮纵轴平行的流动方向流过，并且与所述涡轮纵轴之间的间隔距离比与所述环形燃烧室之间的间隔距离小，在所述扩散器中，可以在一个分流点处将一压缩气体分成复数个分流。

背景技术

燃气轮机在很多领域中用于驱动发电机或做功机器。这是一个将一种燃料的内能转化为涡轮轴的旋转运动的过程。为此要在燃烧室中燃烧燃料，同时输入经过空气压缩机压缩后的空气。在燃烧室中由于燃料的燃烧而产生的、具有高温高压的工作介质被输入一个布置在燃烧室下游的涡轮机组，在这个涡轮机组中，工作介质会经历一个减压过程，从而可以用于之后的工作过程。

除了可达到的功率和一种紧凑的结构外，在设计上述燃气轮机时所追求的另一个目标就是使其具有特别高的效率。其中由于热动力的原因，原则上可以通过提高工作介质流出燃烧室、进入涡轮机组时所具有的出口温度来提高燃气轮机的效率。因此，使用这种燃气轮机时理想的、同时也能达到的工作介质温度为约1200℃至1300℃。

当工作介质具有如此之高的温度时，与之接触的零部件会受到高热负荷的不利影响。为了确保相关部件仍然起效的同时还能具有较长的使用寿命，一般会对相关部件，特别是涡轮机组的移动叶片和/或导向叶片进行冷却。此外还可以用一种冷却剂，特别是冷却空气，对燃烧室进行冷却。

DE 195 44 927 A1公布了一种燃气轮机，它具有一个布置在一个燃烧室的上游、通向一个扩散器的空气压缩机。其中，扩散器可以对压缩空气进行分流，将其中一部分压缩空气用来冷却结构零件，例如燃气轮机的涡轮叶片。但是，连在扩散器上的冷却空气支管只适合输送从空气压缩机中出来的空气流中的一小部分。而主空气流在流过扩散器时朝燃烧室方向偏转，并作为燃烧用空气被输入燃烧室。这样就可以——至多有所局限地——对布置在扩散器下游的，也就是从流过涡轮的工作介质的流动方向上来看，布置在下游的部件进行冷却。

此外，DE 196 39 623公布了一种具有一个扩散器的燃气轮机，在这种燃气轮机中，通过一个插在扩散器出口中的管子进行冷却空气的注入。同时，通过一块C形薄板改变用于在环形燃烧室中进行的燃烧过程的压缩空气的方向，使其流向燃烧器。这样，不管在冷却空气的提取过程中还是在燃烧用空气的输送过程中，都有可能产生本应避免的流动损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有一个环形燃烧室的紧凑型燃气轮机，通过这种燃气轮机可以对压缩机空气进行符合先进流体技术的引导，从而实现对热负荷零部件特别均匀有效的冷却。

根据本发明，这个目的通过一种具有权利要求1所述特征的燃气轮机而达成。这种燃气轮机具有一个环形燃烧室和一个布置在该环形燃烧室上游的环形扩散器，该扩散器至少部分地布置在涡轮纵轴和环形燃烧室之间。扩散器可以使流体以基本与涡轮纵轴平行的方向流过，并可以将一种压缩气体分成若干个分流。根据本发明，所述扩散器具有一个主致偏区，该主致偏区与涡轮纵轴成一锐角指向远离涡轮纵轴，朝向燃烧室的内侧壁。从流过扩散器的气体(主要为空气)的流动方向上看，主致偏区的下游布置了一个分流点，在这个分流点处，可以借助一个分流元件将流过扩散器的气体分成复数个分流。横截面呈楔形的环形分流元件布置在扩散器的两个发散性的壁，即在径向上位于内侧的内侧壁和在径向上位于较外侧的外侧壁之间。分流元件的两个朝着扩散器内侧壁和外侧壁的致偏侧面在分流点处相交，形成一个锐角。一条穿过这两个致偏侧面的相交点的角平分线与涡轮纵轴相交，形成一个大于15°的分束锐角。

从轴向上看，主致偏区位于压缩机的下游、环形燃烧室的上游，分流元件则布置在环形燃烧室和涡轮纵轴之间。这种几何结构可以使得燃气轮机具有一种紧凑的结构，特别是其轴向上的结构可以有所精简。此外，对压缩冷却剂进行分流后可以减少流动损失。

通过使用一个从气流的流动方向上看朝向环形燃烧室的部件对流过扩散器的气流进行引导，可以对在径向上与涡轮纵轴之间存在一定间距的结构零件，尤其是环形燃烧室进行特别有效的冷却。根据一种优选方案，由扩散器分成的两个分流在完成冷却任务后还用于燃烧。

根据一种有利的改进方案，扩散器位于分流点后面的外侧壁和分流元件上与这部分外侧壁对面的外侧致偏侧面大致垂直于涡轮纵轴。这样可以确保微损耗地将外侧分流输送到外侧流体传导空间中。由此可以达到直接而迅速输送分流的目的。

当燃气轮机的燃烧室不是环形燃烧室时，例如在一个具有复数个所谓的筒形燃烧室(Can-Brennkammer)的燃气轮机中，向外侧燃烧室外壳输送冷却空气相当简单。在具有复数个筒形燃烧室的燃气轮机中，各个筒形燃烧室布置在一个围绕涡轮纵轴安置的圆环上，并在环形方向上彼此间存在着一定间距。这样就可以通过将冷却空气输送到各个筒形燃烧室之间，来达到向在径向上位于外侧的燃烧室外壳输送冷却空气的目的。

此外，扩散器的内侧壁和分流元件上与该内侧壁相对的内侧致偏侧面大致与涡轮纵轴平行，可以确保微损耗地将内侧分流输送到内侧流体传导空间中。从压缩机出口到流体传导空间之间对内侧分流实行波形引导，这种引导方式与直线引导相比在分流的压力耗损和流动损失方面都是一种改进。

一种优选的设计方案是，在分流点处离开扩散器的压缩气体被直接导入一个流体传导空间，该流体传导空间建立了与环形燃烧室炉壁冷却空间流体连接。根据一种优选方案，这个流体传导空间的外侧与燃烧室壁邻接，从而可以对燃烧室壁进行额外的冷却。

根据一种优选方案，可以对环形燃烧室进行封闭式冷却。其中，优选情况下为燃烧用空气的冷却介质以与燃气逆流的形式流过环形燃烧室的一个炉壁间隙。流过燃烧室壁的燃烧用空气优选地至少是之前流过扩散器的压缩空气的一个分流。一种优选方案是，将流过扩散器的空气作为冷却空气全部输送到环形燃烧室的壁上，然后再将其作为燃烧用空气输送到环形燃烧室中。在扩散器的分流点处对空气流进行分流的作用是，可以向环形燃烧室的若干部件，例如一个内侧外壳或一个外侧外壳，均匀地输送冷却空气。

如果环形燃烧室具有至少在一个断面内基本呈平面的燃烧室后壁，那么，环形燃烧室的“壁面角”指的就是燃烧室后壁和涡轮纵轴之间所成的角。优选地通过下述方案可以实现对燃烧室壁均匀而全面的冷却，即，分流元件的分束角和燃烧室后壁的壁面角之间的大小之差不超过20°，特别是不超过15°。

优选地通过一个与下侧分通道连通的管子来排放用于冷却涡轮的冷却空气。由此可以对压缩机空气流进行进一步分流。如果上述管子插在下侧分通道中，且其开口朝向流体，就可以以特别有利的方式输出涡轮冷却空气。

本发明的优点主要在于，可以在一个燃气轮机中将依次用作冷却空气和燃烧用空气的压缩空气微压力耗损地从一个空气压缩机经过一个紧凑的扩散器输送到环形燃烧室中，其中，通过一个布置在扩散器出口上的分流元件可以向环形燃烧室均匀地输送冷却空气。

附图说明

下面根据附图对本发明的一个实施例作进一步说明，其中：

图1为一种燃气轮机的半剖视图；以及

图2为一种扩散器和图1所示燃气轮机的一个燃烧室的横截面图。

两个附图中相对应的部件用相同的参考符号标注。

具体实施方式

图1所示的燃气轮机1具有一个用于生成燃烧用空气的压缩机2、一个环形燃烧室4和一个用于驱动压缩机2和一个发电机(图中未显示)或一个做功机器的涡轮6。其中，涡轮6和压缩机2布置在一个又称为涡轮转子的公用涡轮轴8上，发电机或做功机器也和这个涡轮轴8相连，该涡轮轴8可以绕其中心轴9旋转。

环形燃烧室4配备了一定数目、用于燃烧液态或气态燃料的燃烧器10。此外，环形燃烧室4的燃烧室壁23上配有一个炉壁内衬24。

涡轮6具有一定数目、和涡轮轴8相连的可旋转移动叶片12。移动叶片12呈环状地布置在涡轮轴8上，从而组成了一定数目的移动叶片列。此外，涡轮6还包括一定数目的固定导向叶片14，这些导向叶片同样呈环状固定在涡轮6的一个内壳16上，并组成一定数目的导向叶片列。其中，移动叶片12的作用是通过对流过涡轮6的烟气或工作介质M进行脉冲传输来驱动涡轮轴8；而导向叶片14的作用是引导工作介质M从两个(从工作介质M的流动方向上来看)连续的移动叶片列或移动叶片环之间流过。一对连续的由一导向叶片环14或一导向叶片列和一移动叶片环12或一移动叶片列组成的称为涡轮级。

每个导向叶片14都具有一个又称为叶根19的、用于将导向叶片14固定在燃气轮机1中的平板18。每个移动叶片12以类似的方式通过一个又称为平板18的叶根19固定在涡轮轴8上，其中，每个叶根19分别支承着一个沿着一个叶片轴延伸的成型叶身20。

涡轮6的内壳16上、在两个相邻导向叶片列的导向叶片14彼此隔开的平板18之间分别布置了一个导环21。其中，每个导环21的外表面同样受到流过涡轮6的热工作介质M的影响，并在径向上和与其相对的移动叶片12的外端22之间隔着一个间隙。这些布置在相邻导向叶片列之间的导环21主要起到的是防护元件的作用，可以防止内壁16或其他外壳内装结构零件发生由流过涡轮6的热工作介质M引起的热过负荷现象。

为了达到较高的效率，所述燃气轮机1设计能使用具有较高出口温度的工作介质M，其中，“出口温度”指的是工作介质M从环形燃烧室4中出来时所具有的温度，“较高”指的是约1200℃至1300℃。

可以将经过压缩机2压缩后的冷却空气用作冷却剂K对燃烧室壁23进行冷却。冷却空气K在燃烧室壁23和炉壁内衬24之间的炉壁间隙或炉壁内衬间隙26中以与工作介质M逆流的形式流向燃烧器10。又用作燃烧用空气的冷却空气K以压缩机2为起点通过一个扩散器27朝环形燃烧室4的方向输送。通过扩散器27的明确分配后，冷却和燃烧用空气K一方面被输送到一个外侧燃烧室外壳28上，另一方面被输送到一个内侧燃烧室外壳29上。

图2显示的是扩散器27如何引导冷却空气K流动的详图。扩散器27具有一个和压缩机2相连的主致偏区30。压缩后的冷却空气K以与中心轴或涡轮纵轴9平行的方向从压缩机2中流出，进入扩散器27的主致偏区30。这个从轴向上看布置在压缩机2和环形燃烧室4之间的主致偏区30在横截面扩径的同时在径向上向外延伸，也就是偏离涡轮纵轴9。这样就导致用作冷却剂K的压缩气体在主致偏区30中的流速变小。如果扩散器27的内侧壁和外侧壁上会出现流体分离现象，那么这种流体分离现象只有在流速很低以及压力耗损相应很低的情况下才会出现。

从冷却空气K的流动方向来看，主致偏区30的下游端31上布置了一个与外侧燃烧室外壳29毗连的分流元件32。从其横截面来看，这个布置在环形燃烧室4和涡轮纵轴9之间的分流元件32具有一个呈近似三角形的、又称为分流叉33的部分，这个部分带有一个外侧致偏侧面34和一个内侧致偏侧面35。致偏侧面34、35相交后构成一个朝向主致偏区30的分流顶尖36，该分流顶尖36具有一个小于90°，特别为60°的锐角。构成一个分流点的分流顶尖或分流倒角36将流过扩散器27的主致偏区30的冷却空气K大致均匀地分成了一个外侧冷却空气流K_a和一个内侧冷却空气流K_i。外侧冷却空气流K_a通过一个外侧流体传导空间37被输送到一个外侧燃烧室外壳28上，而内侧冷却空气流K_i则通过一个内侧流体传导空间38被输送到一个内侧燃烧室外壳29上。

在分流元件32上对冷却空气K进行分流的扩散器27又称为分流扩散器(Splittdiffusor)。流过主致偏区30的冷却空气K以近似C状的形态在径向上向外(以涡轮纵轴9为基准)朝分流元件32上的分流顶尖36偏转。一条作为角平分线39的直线从弯曲的致偏侧面34、35之间穿过分流顶尖36，与涡轮纵轴9相交，形成一个大约为45°的分束角α。该角平分线39与下侧燃烧室外壳29形成一个近似直角。从分流顶尖36出发的内侧冷却空气流K_i在经过内侧致偏侧面35时先偏转成水平的，也就是平行于涡轮纵轴9的流动方向，随后，在流经燃烧室壁23的外侧时重新偏转成在径向上朝内，也就是朝着涡轮纵轴9的流动方向。这样，内侧冷却空气流K_i在主致偏区30中作为未经分流的冷却空气K的一部分首先循着一条大致呈C形的弯曲轨迹在径向上向外流动，同时速度有所减慢，随后又循着一条大致呈反向C形的弯曲轨迹在径向上朝内流动。总体而言，内侧冷却空气流K_i经过扩散器27、而后进入内侧流体传导空间38的流动轨迹是一条大致呈双S形的轨迹。这条轨迹具有足够大的曲率半径，可以确保在冷却空气流动过程中只会产生较低的能量损耗。

此外，扩散器27的下游端31上在外侧流体传导空间37和内侧流体传导空间38的方向上都布置了挡板元件或紧固元件41。

外侧冷却空气流K_a流过分流叉33时方向发生偏转，即在径向上(垂直于涡轮纵轴9)向外流动。其后，外侧冷却空气流K_a流过外侧燃烧室外壳28，进入炉壁内衬间隙或炉壁冷却间隙26。与内侧冷却空气流K_i的流动一样，这里同样使用较大的偏转半径来引导外侧冷却空气流K_a的流动，并且，在此过程中并不出现突兀的横截面扩展。通过冷却空气流或分流K_a、K_i，燃烧室外壳28、29又从外部得到了冷却。

燃烧器10大致布置在燃烧室后壁42的中部。一条穿过燃烧室后壁42的直线与涡轮纵轴9相交，形成一个大约为45°的壁面角β。这样，壁面角β的大小就与分束角α的大小大约一致。围绕分束角α、朝涡轮纵轴9倾斜的分流元件32将主致偏区30分成了一个上侧分通道43和一个下侧分通道44，这两个分通道具有大致相同的横截面。例如当外侧燃烧室外壳和内侧燃烧室外壳29需要不同的冷却空气量时，通过将分流元件32布置在内侧燃烧室外壳29的侧旁，也就是通过沿内侧燃烧室外壳29布置分流元件32，同样可以实现在扩散器27中对冷却空气流进行目的明确的不对称分配。

通过一个插在下侧分通道44中的管子45进行涡轮冷却空气的提取。管子45的末端46具有和潜望镜一样的形状，其开口朝向内侧冷却空气流K_i，这样，一部分内侧冷却空气流K_i就可以作为涡轮冷却空气流入管子45。涡轮冷却空气在管子45的另一端上流入一个沿着转子延伸的环形通道47，再由该环形通道输向涡轮6，用于冷却移动叶片12和导向叶片14。

Claims (11)

1.一种具有一个朝涡轮纵轴(9)倾斜的环形燃烧室(4)的燃气轮机(1)，

所述环形燃烧室(4)具有一个燃烧室后壁(42)，一条穿过所述燃烧室后壁(42)的壁面线与所述涡轮纵轴(9)相交，形成一个至少为30°的壁面锐角β，

所述燃气轮机(1)具有一个压缩机(2)，从轴向上看，所述压缩机(2)的下游布置着一个在径向上至少部分地位于所述环形燃烧室(4)和所述涡轮纵轴(9)之间的扩散器(27)，在所述扩散器(27)中，可以在一个分流点(36)处通过一个由两个致偏侧面(34，35)构成的楔形分流元件(32)将一种压缩气体(K)分成复数个分流(K_i，K_a)，

其中，所述的两个致偏侧面(34，35)在所述分流点(36)处成一小于90°的角，一条从所述的两个致偏侧面(34，35)之间穿过的角平分线(39)与所述涡轮纵轴(9)相交，形成一个大于15°的分束锐角α，

其中，所述扩散器(27)具有一个布置在所述分流点(36)上游的主致偏区(30)，所述主致偏区(30)与所述涡轮纵轴(9)成一锐角朝向所述环形燃烧室(4)的一个横向地延伸至所述燃烧室后壁(42)的内侧燃烧室外壳(29)。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机(1)，其特征在于，

与在径向上位于外侧的外侧分流(K_a)邻接的外侧致偏侧面(34)和所述扩散器(27)的位于所述分流点(36)后面、与所述致偏侧面(34)相对的外侧壁大致垂直于所述涡轮纵轴(9)。

3.根据权利要求1或2所述的燃气轮机(1)，其特征在于，

与在径向上位于内侧的内侧分流(K_i)邻接的内侧致偏侧面(35)和所述扩散器(27)的位于所述分流点(36)后面、与所述致偏侧面(35)相对的内侧壁大致与所述涡轮纵轴(9)平行。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机(1)，其特征在于，

所述的在径向上位于内侧的内侧分流(K_i)离开所述扩散器(27)后能够以朝所述涡轮纵轴(9)倾斜的流动方向流动。

5.一种权利要求1至4中任一权利要求所述的燃气轮机(1)，且其具有一个属于所述环形燃烧室(4)的、设计成内侧燃烧室外壳(29)和外侧燃烧室外壳(28)的炉壁冷却间隙(26)。

6.一种权利要求5所述的燃气轮机(1)，且其具有一个与所述环形燃烧室(4)邻接的、将所述扩散器(27)与所述炉壁冷却间隙(26)连接起来的流体传导空间(37，38)。

7.一种权利要求1至6中任一权利要求所述的燃气轮机(1)，且其具有一个封闭冷却的环形燃烧室(4)。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的燃气轮机(1)，其特征在于，

以逆流冷却的方式对所述环形燃烧室(4)进行冷却。

9.根据权利要求1至8中任一权利要求所述的燃气轮机(1)，其特征在于，

所述分束角α和所述壁面角β之间的大小之差不超过20°。

10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的燃气轮机(1)，其特征在于，

通过一个与下侧分通道(44)连通的管子(45)来提取用于冷却涡轮的冷却空气。

11.根据权利要求10所述的燃气轮机(1)，其特征在于，

所述管子(45)插在所述的下侧分通道(44)中，且其开口朝向流体。

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