用于燃氣渦輪機的燃燒器的燃燒室的制作方法
【專利摘要】提供了用于燃氣渦輪機(10)的燃燒器(16)的燃燒室(20)。燃燒室(20)包括圍繞燃燒室(20)的軸線環(huán)形地布置的多個區(qū)段，每個區(qū)段包括：徑向內(nèi)壁部分(54)和徑向外壁部分(56)；第一部段(62)，其包括用于安裝噴燃器(17)的開口(63)；以及第二部段(64)，在第二部段(64)處，至少一個翼型件(52)在所述區(qū)段的徑向內(nèi)壁部分(54)和徑向外壁部分(56)之間延伸。
【專利說明】用于燃氣渦輪機的燃燒器的燃燒室
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及燃燒器，并且更具體地涉及燃氣渦輪機的燃燒室。
【背景技術】
[0002]在燃氣渦輪機中，燃料從燃料源輸送至燃燒器，在燃燒器中，燃料與空氣混合并點燃以產(chǎn)生通常稱為工作氣體的熱燃燒產(chǎn)物?？梢岳斫?，所產(chǎn)生的工作氣體的量取決于燃燒器中燃料與空氣的適當而有效的混合。
[0003]當前，旋流器在燃燒器中使用以在空氣中生成旋流，從而使空氣與燃料適當?shù)鼗旌?。燃料與空氣的適當混合導致燃氣渦輪機的效率增加，因為通過燃料和空氣混合物的后續(xù)燃燒進行的工作氣體的生成更加高效。這也減少了由燃料和空氣混合物的燃燒產(chǎn)生的NOx氣體的量。
[0004]然而，由于在燃燒器(combustor)中布置旋流器和噴燃器(burner)的復雜性,諸如在美國專利申請N0.US2007/0283700(A1)中那樣的目前可用的燃燒器不能夠提供燃料和空氣的有效混合。
[0005]因此，本發(fā)明的目的是提供一種在燃燒器中的改進布置，以用于在燃燒器的燃燒室內(nèi)有效地混合燃料和空氣并且因此增加效率。
[0006]該目的通過提供根據(jù)權利要求1所述的燃燒器的燃燒室和根據(jù)權利要求15所述的燃氣渦輪機來實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供了用于燃燒器的燃燒室，其為包括多個圍繞燃燒室的軸線環(huán)形地布置的區(qū)段的環(huán)形燃燒室，每個區(qū)段包括:徑向內(nèi)壁部分和徑向外壁部分；第一部段，其包括用于安裝噴燃器的開口 ；和第二部段，在該處，至少一個翼型件(airfoil)在區(qū)段的徑向內(nèi)壁部分和徑向外壁部分之間延伸。通過在對應于燃燒室的相對的第一端部和第二端部的相應的第一部段和第二部段處具有噴燃器和翼型件，用于燃料與空氣的混合的空間增加。此外，翼型件增加了穿過其的空氣中的旋動，從而增加了燃料與空氣的混合。存在于第二端部處的翼型件引導工作介質(zhì)通過位于燃燒室的第二端部處的出口。
[0008]在一個實施例中，區(qū)段包括在翼型件所處的第二部段處的至少一個空氣入口，使得通過空氣入口進入該區(qū)段的空氣被旋動。由于空氣的旋流的增加，這種布置增加了燃料與空氣之間的混合。
[0009]在一個實施例中，第一部段和第二部段位于燃燒室的第一端部和第二端部處，這增加了用于燃料與空氣的有效混合的空間。
[0010]在一個實施例中，翼型件和壁部分由單件材料形成，這增加了區(qū)段的尺寸穩(wěn)定性。
[0011]在一個實施例中，翼型件和壁部分為鑄件，這消除了對機加工和焊接的需求。此夕卜，翼型件和壁部分將為單件并且將表現(xiàn)出具有增加的強度的一致性質(zhì)。
[0012]在另一個實施例中，兩個相鄰區(qū)段被分配給一個噴燃器，這允許空氣與燃料的更多混合，然后由噴燃器點燃。
[0013]在另一個實施例中，每個區(qū)段包括兩個翼型件以增加空氣在燃燒室中的旋動。
[0014]在一個實施例中，每個區(qū)段包括具有通道的內(nèi)表面和外表面，該通道用于限定在內(nèi)表面和外表面之間的空氣，其中通道中的空氣被從翼型件傳導。這樣的布置確?？諝夂腿剂显谌紵鲀?nèi)部適當?shù)鼗旌稀?br> [0015]在一個實施例中，區(qū)段的外表面被硬焊(braze)，這確保來自壓縮機的空氣保持在燃燒器內(nèi)。
[0016]在一個實施例中，翼型件和壁部分由合金形成，這增加了區(qū)段的強度并且能夠經(jīng)受高溫。
[0017]在一個實施例中，合金為鎳基Y'強化合金。這類鑄造合金的蠕變強度顯著高于傳統(tǒng)的燃燒器合金，這導致提高的尺寸穩(wěn)定性。此外，Y '合金為延展性的，并且因此賦予基質(zhì)強度，而不降低合金的斷裂韌度。
[0018]在另一個實施例中，合金為IN738LC。IN738LC為鎳基超合金，其表現(xiàn)出與目前使用的熱障涂層系統(tǒng)的相容性。
[0019]在另一個實施例中，合金為CM247CC。CM247CC也是鎳基超合金，它也與目前存在的熱障涂層系統(tǒng)相容，并且能夠形成保護性氧化鋁層，這在抗氧化性方面提供了相比其它合金的顯著改進。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]現(xiàn)在將參照本發(fā)明的附圖闡述本發(fā)明的上述和其它特征。圖示實施例旨在說明而不限制本發(fā)明。附圖包含下列各圖，其中貫穿說明書和附圖類似的數(shù)字表示類似的部件。
[0021]圖1是燃氣渦輪機的示意圖；以及
圖2是根據(jù)本發(fā)明的技術的方面的燃燒器及其燃燒室的示意圖。
【具體實施方式】
[0022]圖1是描繪內(nèi)部部件的燃氣渦輪機10的示意圖。燃氣渦輪機10包括轉子13，轉子13安裝成使得它能沿旋轉軸線12旋轉、具有軸11并且也被稱為渦輪轉子。
[0023]燃氣渦輪機10包括進氣外殼14、壓縮機15、具有燃燒室20的燃燒器16、渦輪18、以及沿轉子13彼此相隨的排氣外殼19。燃燒室20是具有多個同軸布置的噴燃器17的環(huán)
形燃燒室。
[0024]環(huán)形燃燒室20與環(huán)形熱氣體通道21連通，在環(huán)形熱氣體通道21處，舉例來說，四個連續(xù)的渦輪級22形成渦輪18。
[0025]可以注意到，每個渦輪級22由例如兩個葉片或靜葉環(huán)形成。如在從燃燒室20到渦輪18的工作介質(zhì)23的流動方向中可見，在熱氣體通道21中，導向靜葉40的排25之后是由轉子葉片30形成的排35。導向靜葉40固定到定子53的內(nèi)部外殼48，而排35的轉子葉片30例如借助于渦輪盤43裝配到轉子13。
[0026]圖1中未示出的發(fā)電機聯(lián)接到轉子13。在燃氣渦輪機10的操作期間，壓縮機15通過進氣外殼14吸入空氣45并將其壓縮。在壓縮機15的渦輪側端部處提供的壓縮空氣傳送到噴燃器17，在這里與燃料混合?；旌衔锝又谌紵?0中燃燒，形成工作介質(zhì)23。從那里，工作介質(zhì)23沿著熱氣體通道21流動經(jīng)過導向靜葉40和轉子葉片30。工作介質(zhì)23在轉子葉片30處膨脹，轉移其動量，從而使轉子葉片30驅動轉子13，而轉子13繼而驅動聯(lián)接到它的發(fā)電機。
[0027]此外，當燃氣渦輪機10在操作中時，暴露于熱工作介質(zhì)23的部件經(jīng)受熱應力。如在工作介質(zhì)23的流動方向上可見，第一渦輪級22的導向靜葉40和轉子葉片30與環(huán)形燃燒室20內(nèi)襯的隔熱磚一起經(jīng)受最高的熱應力。這些部件通常由諸如油的冷卻劑冷卻。
[0028]可以理解，燃氣渦輪機10的部件由諸如鐵基、鎳基或鈷基的超合金的材料制成。更具體地，渦輪靜葉40和/或葉片30和燃燒室20的部件由以上提及的超合金制成。
[0029]燃燒室20在本發(fā)明設想的構型中為環(huán)形燃燒室20，其包括多個噴燃器17，噴燃器17圍繞旋轉軸線12周向布置并且通向公共的燃燒室且生成火焰。為了實現(xiàn)高效率，燃燒室20設計用于大約1000攝氏度至1600攝氏度的工作介質(zhì)23的溫度。為了在對材料不利的甚至這樣的操作參數(shù)下實現(xiàn)長的使用壽命，在其面向工作介質(zhì)23的一側上，燃燒室壁設有由隔熱元件形成的內(nèi)襯。
[0030]現(xiàn)在參看圖2，分別描繪了根據(jù)本發(fā)明的技術的方面的燃燒器16和其燃燒室20的示意圖。燃燒器16包括在本發(fā)明設想的構型中為環(huán)形燃燒室的燃燒室20，其包括圍繞軸線12周向布置的多個區(qū)段。圖2示出了通過這些區(qū)段中的一個的橫截面。作為示例，總共20個區(qū)段將形成燃燒室20。每個區(qū)段包括內(nèi)壁部分54和外壁部分56。
[0031]可以注意到，內(nèi)壁部分54和外壁部分56從軸線12徑向向外定位。
[0032]根據(jù)本發(fā)明的技術的方面，區(qū)段具有第一部段62和第二部段64，其具有安裝在第一部段62處的開口 63處的噴燃器和在第二部段64處的諸如導向靜葉的翼型件52。
[0033]然而，可以注意到，第一部段可以在第一端部處，而第二部段可以在第二端部處，其中第一端部和第二端部彼此相對。為了進行說明，術語“第一部段”與“第一端部”和“第二部段”與“第二端部”可互換使用。
[0034]如前所述，燃燒室20包括在第一端部62處的開口 63，如圖2所描繪的。噴燃器17安裝在第一端部62處的開口 63處。來自壓縮機15的空氣經(jīng)由面板72且通過翼型件52導入燃燒室20并與燃料混合。燃料經(jīng)由燃料管69導入燃燒室?？諝夂腿剂匣旌衔镉蓢娙计?7點燃以產(chǎn)生工作介質(zhì)23。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的技術的方面，翼型件52存在于第二端部64處。翼型件52在內(nèi)壁部分54和外壁部分56之間延伸。來自壓縮機15的壓縮空氣被導入翼型件52,如由附圖標記51所指示的。翼型件52中的空氣51被旋動以產(chǎn)生湍流，這確保空氣與燃料在燃燒室20中的有效混合。
[0036]燃燒器區(qū)段包括內(nèi)表面60和外表面58,在內(nèi)表面60和外表面58之間形成通道70以將空氣從翼型件52傳導到通道70?？諝馀c通過燃料管69供應的燃料混合，并且由噴燃器17點燃以生成火焰68，從而產(chǎn)生用于渦輪的工作介質(zhì)23。該工作介質(zhì)23由在第二端部64處存在的翼型件52引導通過出口離開燃燒室20。
[0037]另外，燃燒器16可包括在端壁處的冷卻孔或冷卻管，以供應用于冷卻燃燒室20的壁的冷卻空氣。
[0038]如前所述，面板72位于燃燒室20內(nèi)部的第一部段或第一端部62處，其充當亥姆霍茲面板以將空氣抽入燃燒室20。面板72與翼型件52 —起充當亥姆霍茲諧振器并且將把空氣保持在室20內(nèi)部以確?？諝馀c燃料的有效混合，從而實現(xiàn)更好的燃燒。
[0039]如前所述，燃燒室20包括多個區(qū)段。各區(qū)段以使得兩個區(qū)段分配到一個噴燃器17的方式布置成彼此相鄰。此外，每個區(qū)段包括位于彼此相鄰處的兩個翼型件52。區(qū)段中的內(nèi)壁部分54、外壁部分56和翼型件52由一件式材料形成。更具體地,翼型件52、內(nèi)壁部分54和外壁部分56被鑄造以產(chǎn)生單件材料。
[0040]根據(jù)本發(fā)明的技術的方面，翼型件52和壁部分54、56由諸如合金的材料制成，例如鎳基超合金。這些合金能夠經(jīng)受可能超出650攝氏度的高溫。翼型件52和壁部分54、56由諸如鎳基Y’(gamma prime)強化合金的同類合金鑄造。
[0041]可以注意到，內(nèi)壁54和外壁56可涂有熱障涂層以提供針對熱氣體的高溫的保護。因此，可以注意到，在本發(fā)明的技術中的合金選擇成與熱障涂層相容的。此外，可以注意到，諸如鎳基Y’強化合金的合金包括比在燃燒器中使用的傳統(tǒng)合金更高量的鋁。鋁的存在增加了施加到壁的熱障涂層的壽命。
[0042]另外，用于鑄造燃燒室的區(qū)段的合金選擇為具有較好的可鑄性且能夠鑄造諸如燃燒室20的區(qū)段的大部件，例如IN738LC，該合金為鎳基超合金并且具有按重量％計為鈷
8.59、鉻 16.08、鋁 3.43、硅 0.18、碳 0.11、磷 0.01、鐵 0.50、硼 0.05、硫 0.01、鎢 2.67、鉭
1.75、锘0.90、鈦3.38、錳0.03、銅0.03和其余為鎳的化學組成。
[0043]備選地，諸如CM247CC的合金可用于鑄造區(qū)段，該合金也是鎳基超合金。該合金具有按重量％計為鈷10、鉻8、鑰0.5、鎢9.5、鋁5.65、鉭3、鉿1.5、鋯0.1、碳0.1和其余為鎳的組成。
[0044]雖然已參照具體實施例描述了本發(fā)明，但這種描述并非意圖在限制性意義上被理解。在參考本發(fā)明的描述之后，本發(fā)明的所公開的實施例和備選實施例的各種修改對于本領域的技術人員將顯而易見。因此可以設想，在不脫離所限定的本發(fā)明的實施例的情況下，可以進行這樣的修改。
【權利要求】
1.一種用于環(huán)形燃燒器(16)的燃燒室(20)，包括圍繞所述燃燒室(20)的軸線環(huán)形地布置的多個區(qū)段，每個區(qū)段包括: -徑向內(nèi)壁部分(54)和徑向外壁部分(56), -第一部段(62)，其包括用于安裝噴燃器(17)的開口(63)，以及 -第二部段(64)，在所述第二部段(64)處，至少一個翼型件(52)在所述區(qū)段的所述徑向內(nèi)壁部分(54)和徑向外壁部分(56)之間延伸， 其特征在于 每個區(qū)段包括內(nèi)表面(60)和外表面(58)，在所述內(nèi)表面和所述外表面之間限定通道(70)，其中，來自所述翼型件(52)的空氣被傳導到所述通道(70)中。
2.根據(jù)權利要求1所述的燃燒室(20)，其中，所述區(qū)段包括在所述第二部段(64)處的至少一個空氣入口，其中，所述翼型件定位成使得通過所述空氣入口進入所述區(qū)段的空氣(51)被旋動。
3.根據(jù)權利要求1所述的燃燒室(20)，其中，所述第一部段(62)和所述第二部段(64)位于所述燃燒室(20)的相對的第一端部(62)和第二端部(64)處。
4.根據(jù)權利要求3所述的燃燒室(20)，其中，位于所述第一端部(62)下游的所述第二端部(64)包括出口以 排放工作介質(zhì)(23)。
5.根據(jù)權利要求1至4中的任一項所述的燃燒室(20)，其中，每個區(qū)段包括兩個翼型件(52)，所述翼型件在相應的所述區(qū)段的所述徑向內(nèi)壁部分(54)和所述徑向外壁部分(56)之間延伸。
6.根據(jù)權利要求1所述的燃燒室(20)，其中，所述外表面(58)被硬焊。
7.根據(jù)權利要求1至5中的任一項所述的燃燒室(20)，還包括位于所述第一端部(62)處的面板(72)以用于將壓縮空氣抽入所述燃燒室(20)。
8.根據(jù)權利要求1至7中的任一項所述的燃燒室(20)，其中，所述翼型件(52)和壁部分(54，56)由合金形成。
9.根據(jù)權利要求8所述的燃燒室(20)，其中，所述合金為鎳基(強化合金、IN738LC或CM247CC中的一種。
10.根據(jù)權利要求1至9中的任一項所述的燃燒室(20)，其中，所述翼型件(52)和所述壁部分(54，56)為一件式材料。
11.根據(jù)權利要求1至10中的任一項所述的燃燒室(20)，其中，所述翼型件(52)和壁部分(54，56)為鑄件。
12.根據(jù)權利要求11所述的燃燒室(20)，其中，兩個相鄰的區(qū)段被分配到一個噴燃器(17)。
13.—種包括根據(jù)權利要求1至12中的任一項所述的燃燒室(20)的燃燒器(16)。
14.一種燃氣渦輪機(10)，包括: -燃燒器(16)，其具有根據(jù)權利要求1至12中的任一項所述的環(huán)形燃燒室(20)。
【文檔編號】F23R3/00GK104040259SQ201280066062
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年12月21日 優(yōu)先權日:2012年1月5日
【發(fā)明者】M.哈澤爾奎斯特, F.魯本斯德費爾 申請人:西門子公司