CN87101982A - 燃气透平的燃烧装置 - Google Patents

Abstract

所公开的燃气透平冷却装置中，在燃烧室衬套和尾管外围设有一流套，它足以超过它们的全长。在流套上靠近透平的区域中有一组小孔，用以对尾管外壁冲击冷却。在此小孔更靠近燃烧室衬套的地方还设有导入冷却空气的开孔。于是尾管外壁和燃烧室衬套外壁都由在尾管、燃烧室衬套和流套之间的空气流动所冷却。

Description

本发明涉及燃气透平的燃烧装置。尤其涉及套管式燃气透平燃烧装置。其中燃烧室衬套的壁和尾管是由压缩空气来冷却的。

如在美国专利第3652181号中所述，燃气透平的燃烧室尾管的传统冷却装置包括有设在燃烧室尾管一段上的冷却套。经过冷却套上加工成的一些小孔使喷入的冷却流体冲到尾管表面，来冷却尾管壁。冷却管壁后的冷却流体再经过尾管下游部份作成的一些透孔加入初级燃气流中。

为了增大燃气透平的效率，提高燃烧温度将是最有效的。

但是作为冷却流体的空气，其流率是有限的。相应于提高燃烧温度，燃烧室衬套和燃烧室尾管的冷却就不够了。因此，强烈要求提供燃烧室衬套和燃烧室尾管的高效冷却系统。

按照先有的技术，因一部份空气消耗于燃烧室尾管的冷却，用于冷却燃烧室衬套的空气流率就降低了，以致不能进一步提高燃烧温度。而且，冷却尾管以后加入初级燃气流的冷却空气，是在高温初级燃气流和低温冷却空气流的双层状态下导入透平机的。这将对透平机的定叶片和动叶片有不利影响。此外，因冷却套能增强冷却效果，冷却套是焊接固定在燃烧室尾管上，但由于燃烧室尾管和冷却套之间的温差将使热应力增大。这是可靠性降低的一个因素。

通常的冷却套式装置的构造是使经过冷却套中作成的一些小孔提供的喷气流，在冲击尾管壁后再经尾管上的通孔导入初级燃气流中。因此，需要在冷却套内部外部和尾管之间有一个压差来使冷却流体流动。为了产生这一压差，需要增加燃烧室部份的压力损失。这一需要将引起燃气透平工作效率的降低。

此外，在为了保持固定的燃烧温度，要消耗一部份冷却流体来冷却燃烧室尾管的情况下，一个温度的分布或者梯度〔＝（最大燃烧温度-平均燃烧温度）/（平均燃烧温度-冷却空气温度）〕除在往尾管出口处导入冷却空气之外还被不利地影响。这一温度梯度的下降将在透平机的定叶片和动叶片中产生金属温度的“高点”，这将是透平机损坏的一个原因。

在燃气透平中，由压缩机供来的排出口空气被导入燃烧室衬套和尾管所限定的燃烧室，在冷却燃烧室衬套和尾管的同时送入燃烧室衬套中燃烧。

在上述的先有技术中，冷却流体从装在尾管下游端的冷却套的一些小孔，在冲击尾管外壁冷却外壁后，由尾管壁上作成的通孔加入到初级燃气中。部份冷却流体消耗于冷却燃烧室尾管，意味着相应减少了供燃烧室衬套冷却的冷却流体的量。因此，就不能使燃烧室衬套的金属温度在容许温度以下。于是降低燃烧温度是不可避免的。

而且，为了使冷却流体经过冷却套以给定的流率流入尾管中，需要在冷却套外和尾管内之间给与一定压差。相应地，降低了燃气透平的效率。

本发明的目的是提供一个燃气透平燃烧装置，它能把冷却尾管用过的冷却流体，几乎全部导入燃烧室衬套作为燃烧空气，由此透平机效率得到改善，并且把燃烧室套管的金属温度限定在容许温度以下。

这一目的和另外的目的由提供的一种燃气透平燃烧装置达到了， 其中设有套在燃烧室尾管外圆周，并与尾管外壁隔开的流套，流套用来作为冷却尾管的组成部份，从而在尾管固定环部份通过冷却流体进行对流冷却，冷却流体是由流套下游端的开口导入的，尾管中的初级燃气流率高而且尾管金属温度也高的下游部分通过冷却流体喷气流进行冲击冷却，冷却流体是由流套中的一些小孔供给的，下游部份的上游区金属温度相对低些，采用冷却流体在尾管和流套之间按给定流率流动进行对流冷却。

依照本发明的燃烧装置中，冷却流体由压缩机提供，经过冲击冷却和对流冷却之间的分界部份所形成的一些开孔部分和形成冲击冷却的一些小孔导入流套，冷却流体的各流体被汇集进入上游端并导入燃烧室衬套侧。于是流进燃烧室衬套侧的冷却空气，依照希望的分配比例，从燃烧室衬套上的稀释空气孔、燃烧空气孔、离心喷嘴和冷却空气孔导入燃烧室衬套。在流套内的燃烧室衬套外面设有空气导板，以使从稀释空气孔供给的影响温度梯度的空气流平稳导入。流套在纵向分为两件，分开的两件是在所述燃烧室衬套和尾管之间的连结点附近经压配合成为一整体。流套和燃烧室之间的间隙是从尾管一端向远逐渐减小的。所述间隙的设计，是使冷却空气沿着空隙流动的流率保持为常数。

在附图中：

图1所示为燃烧室的剖面图，所用的透平燃烧装置是依照本发明的一个实施例。

图2所示为图1中的燃气透平燃烧室尾管的断面积变化曲线图。

图3所示为图1中的燃气透平燃烧室尾管中的传热系数变化曲线图。

图4所示为图1中的燃气透平燃烧装置尾管及其相连部份的放大视图。

图5A和图5B所示为图4中的燃气透平燃烧装置尾管流套开口附近的压力分布。

图6所示为燃气透平燃烧装置中的压力损失和热效率差之间的关系曲线图。

图7所示为图1中的燃气透平燃烧装置的燃烧衬套及其相连部份的放大图。

图8所示为冷却空气流率、燃烧室衬套金属温度和可达燃烧温度之间的关系曲线图。

图9所示为燃气透平燃烧装置出口处的温度分布或梯度。

参照附图，现在说明依照本发明的燃气透平的燃烧装置。

燃气透平燃烧装置的燃烧室包括一组燃烧室衬套3、燃烧室衬套3的流套4，尾管5、尾管5的流套6和被压缩机排气箱1a和1b所包围的腔室内的燃料喷嘴7，以及透平机壳2。

压缩机8排出的空气，经尾管流套6的开口，进入尾管5和尾管流套6之间，在冷却尾管5同时流往上游端。空气沿着燃烧室衬套3的流套4被导入燃烧室衬套3。

由燃料喷嘴7补充的燃料在燃烧室衬套3中燃烧。结果，高温燃气经燃烧室衬套3和尾管5的内部导入透平机9。尾管5作为燃烧室衬套3和透平机9之间的过渡部份。因此，尾管5属于三维形状，它在与燃烧室衬套3连接的圆形部份和透平机9扇形装配部份之间是连续的。因此从图2可清楚看出，尾管5的断面从燃烧室衬套3一端到透平机9一端变小。所以，由于图2所示的断面变动和尾管5形状的方向变动，在尾管5中的初级燃气的流率有很大变化。这一流率变化将影响相对于尾管5的壁面的传热系数。图3表示传热率和尾管5位置的关系。该传热系数的变化将导致尾管5的金属壁温度的变化。

与尾管5上游端比较，下游端金属壁温度高因此必需增强那里的冷却作用。

图4表示出图1的燃烧室中尾管5的细节。在尾管5与燃烧室衬套3压配合部份有环5a，尾管5还有固定环5C，它的厚度相对大些，以防止与透平机9相对的出口部份变形，在环5a和固定环5c之间是尾管体。现在参照图4来说明用以把尾管5金属温度降低到容许温度以下的冷却装置。

从压缩机8来的冷却流体，经过开口10，尾管流套6上的一组小孔11和开孔12，进入尾管5和尾管流套6之间，以冷却尾管5。为了冷却固定环5C，流套6的开口10让冷却流体沿着固定环5c的侧表面流动。

流套6的一组小孔11是加工在尾管5内初级燃气流温度高的区域，特别是加工在尾管5的高温金属壁处。这些区域中，尾管5和尾管流套6的间隙减小了。这种结构对于冷却特别有用，因为它把由设在流套6的一组喷射孔冲射出的冷却流体的冲击冷却和产生于冷却流体从开口10到上游端的对流冷却结合起来了。流套6的开孔部分12是用来往流套6导入除从开口10和一组小孔11导入的冷却尾管5所必需的冷却流体以外的所有其余冷却流体。从开孔12导入的冷却流体和从开口10和那组小孔11导入的冷却流体汇合在一起，在尾管5和流套6之间流往上游端。在尾管5的这一段是由对流冷却的，使尾管金属壁温度可低于容许温度。

图5A和5B是在如图4所示冷却尾管5的冷却流体分布情况下各部份的压力关系。

假设在流套6的开口10之前的压力用P₂表示，小孔11内的内压力用P₁表示，开孔12以内的压力用P₃表示。再假设冷却流体在开孔12下游端的流率用V表示。P₂相当于压缩机8的出口压力。在图5B中，压力P₂和P₃的压差与冷却流体流率V之间的关系，用点线P₂₃来表示。并且，从小孔11导入的冷却流体将依据压力P₂和P₃之间的压差流过小孔11。从小孔11来的冷却流体在流套6内往燃烧室上游端流动，并与从开孔12导入的冷却流体汇合。冷却流体的流率V和P₂及P₃的压差之间的关系用实线P₁₃表示。压力P₁₃表示出由于冷却流体流率的“喷射器作用”从压力P₁到压力P₃的回复。

结果，这一结构中的压力损失可由图5B表示，与按照以前的技术，在冲击冷却及流体流入尾管5的情况下具有的压力损失b比较，有明显减少。

因此，按照本发明可以使冷却流体按最佳分布流动，没有任何压力损失，以使尾管5的金属壁温度低于容许水平。

图6表示燃气透平热效率差值和燃烧室压力损失值的关系。通常燃烧室压力的1%的压力损失相当于燃气透平热效率的0.2%。与普通方法比较，依照本发明将增强这一效果并超过这样的水平。

图7表示图1所示燃烧室衬套的细节。

在尾管5和流套6之间流动的冷却空气，由燃烧室衬套的流套4引导向上游流动冷却燃烧室衬套3的外圆周表面，再经冷却孔、稀释空气孔和燃烧空气孔进入燃烧室衬套3。

在燃烧室衬套流套4中设有稀释空气导板13。稀释空气导板13是用来使冷却流体从稀释空气孔平稳地流动。于是燃烧室衬套3的温度不均将得到改善，而且透平机的可靠性能大幅度提高。

此外，在有的情况，不是使全部冷却流体来冷却尾管，而是一部份冷却流体走旁路直接通过燃烧室衬套流动，这样能平稳地控制空气分布和冷却流体的流动。

燃烧室衬套3的金属温度在很大程度上取决于冷却流体经过燃烧室衬套3流动的流率。流率降低将导致燃烧室衬套金属温度的升高。这种关系表示在图8中。

依照通常的技术，耗损1%的用于冷却尾管5的冷却流体，将引起燃烧室衬套金属温度升高约20℃。于是燃烧室衬套内的燃烧温度必须依据金属温度的升高来降低。从提高燃气透平温度的观点来看这是不希望的。

此外，这样构造的尾管5中，设有在下游端的尾管支持凸台5b，还在尾管5的出口部份设有固定环5C，如图4所示。因这些部份的形状与别的部份有所不同，可能产生金属温度的“高点”。为了避免高点，可经尾管5上的通孔流通一定量的冷却流体，其流体流通的程度理应不影响上述实施例的优点。

现在参照图9来说明燃烧装置温度的分布或梯度。从燃烧室衬套来的燃气被稀释空气所搅动并与它混合。在由外到内的温差条件下，燃气被导入燃烧室尾管5。当燃气从燃烧室尾管5的圆形进口处到它的扇形出口处流动时，温度的分布或梯度为中央部份的温度高，而关于径向和周向的圆周部份处的温度低，燃气带着这种温度梯度导入透平机9。这种温度梯度对透平机将产生叶片金属温度的高点，它是降低可靠性的因素。

按照通常的技术，在冷却尾管的冲击空气经过尾管上的通孔导入尾管的情况下，保持较低温度的圆周部份会进一步降温，这样，相对于这个较低温度保持较高温度的中央部份就更显著了。这起因于燃气透平的连续排气温度控制。

按照本发明，因冷却流体不通过尾管流动，这种不希望有的现象可以避免，而且温度梯度也可抑制在尽可能低的水平。

Claims (18)

1、一个燃气透平机燃烧装置其特征在于包括：

一个园柱形燃烧室衬套，在它的外壁加工出一些冷却空气孔。

一个尾管把所述的燃烧室衬套和透平部份相互连接。

一个包围所述燃烧室衬套和所述尾管的透平机壳，所述透平机壳是与压缩空气源连通的。

用于往所述燃烧室衬套中提供燃料的燃料供给装置。

一个包围所述燃烧室衬套和所述尾管的流套，它足以超过它们的全长，并在它与所述尾管外壁和所述燃烧室衬套外壁之间贯穿有冷却空气间隙。

一组用于冲击冷却的小孔，位于所述流套上透平一端的第一区域。

一些空气输入通孔，用以冷却衬套的外壁，它们被加工在所述流套上的第二区域，比第一区域更靠近所述燃烧室衬套。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述流套为分开的两件组成，所述的分开件是在所述燃烧室衬套和所述尾管之间的连接点附近经压配合成为一整体套的。

3、根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述尾管外壁和流套内有所述小孔的第一区域之间的间隙，比所述尾管外壁和所述第二区域之间的间隙要小些。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述流套和所述尾管的所述外壁之间的间隙，是从有所述小孔的第一区域到所述燃烧室衬套增大的。

5、一个燃气透平燃烧装置其特征在于：

一个园柱形燃烧室衬套，在它的外壁加工有一些冷却空气孔。

一个燃料喷嘴，设在所述燃烧室衬套的一头。

一个把所述燃烧室衬套中生成的燃气导入透平部份的尾管。

一个包围所述燃烧室衬套和所述尾管的流套，它足以超过它们的全长，其间贯穿着间隙。

往所述流套和所述尾管之间的间隙导入冷却空气的装置，所述冷却空气导入装置具有在所述流套上靠近所述透平部份的第一区域上作出的一组小孔。

把已经导入所述流套和所述尾管之间的全部冷却空气，经过所述间隙导向所述燃烧室衬套外壁的装置。

6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述流套在比所述一组小孔的第一区域更靠近所述燃烧室衬套的位置有第二区域，通过所述第二区域所加工出的孔来导入冷却空气。

7、根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述尾管的透平部份一端设有固定环，所述固定环的外周和所述流套的透平部份一端之间形成有圆形冷却空气导入开口。

8、根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述流套为分开的两件组成，所述的分开件是在所述燃烧室衬套和所述尾管之间的连接点附近经压配合成为一整体套的。

9、一个燃气透平燃烧装置其特征在于：

一个带有压缩空气进口的机壳;

一个在外壁加工有冷却空气孔的燃烧室衬套，所述燃烧室衬套装在所述机壳内;

把燃料供到所述燃烧室衬套内，以在所述燃烧室衬套中生成高温燃气的装置;

一个连接到所述燃烧室衬套一端的尾管，用以把燃气导入透平部份;

一个包围所述燃烧室衬套和所述尾管的流套，它足以超过它们的全长，在它与所述尾管外壁和所述燃烧室衬套外壁之间贯穿着冷却空气的间隙;

一个冲击冷却装置，它具有一组小孔，所述小孔是在所述流套上靠透平部份一端的第一区域上加工出的;

一个具有空气导入通孔的衬套外壁冷却装置，所述通孔是在所述流套上比第一区域更靠近所述燃烧室衬套的第二区域上加工出的。

10、根据权利要求9所述的装置，其特征在于流套和尾管外壁之间的间隙，是从有小孔的所述第一区域到燃烧室衬套逐渐增大的。

11、根据权利要求9所述的装置，其特征在于所述间隙的设计是按照冷却空气沿着间隙流动的流率保持为常数。

12、根据权利要求9所述的装置，其特征在于流套和燃烧室衬套之间的间隙，是从尾管一端向远逐渐减小。

13、根据权利要求9所述的装置，其特征在于所述流套在其纵向为两件，分开的位置在所述燃烧室衬套和所述尾管之间连接处的附近。

14、一种燃气透平燃烧装置具有流套，它以予定的间隔套在与燃烧室衬套和透平部份相互连接的尾管外围，所述装置有一个改进，其特征在于所述尾管下游端的高温区域，在那里尾管金属外壁温度高的地方是处于冲击和对流冷却状态之下，在那里冷却流体经过流套上的孔对着尾管壁冲射，而且冷却空气在流套和尾管外壁之间的通道中流向上游，在低温区域而不是高温区域在那里尾管金属温度低的地方是处在对流冷却状态之下，在那里致少有一部份冷却流体是在流套和尾管之间的通道中流动。

15、根据权利要求14所述的装置，其特征在于冷却流体在所述冲击和对流冷却状态之后汇合成所述对流冷却状态的冷却流体。

16、根据权利要求14所述的装置，其特征在于冷却流体在所述冲击和对流冷却之下所降低的压力被冷却流体流率的喷射器作用所恢复，用以在冲击和对流冷却的上游作对流冷却，这样降低了燃烧压力中的压力损失。

17、根据权利要求14所述的装置，其特征在于所述流套的透平一端是敞开的，一部份冷却流体是在其透平一端流入的。因此冷却了尾管的固定环。

18、根据权利要求14所述的装置，其特征在于流套设有空气流动档板，以使在尾管和流套之间流向燃烧室衬套上游的冷却空气可以从燃烧室衬套的稀释空气孔平稳导入。

Images