带有组合的罐状环形燃烧室的燃气轮机及操纵该燃气轮机的方法

专利名称：带有组合的罐状环形燃烧室的燃气轮机及操纵该燃气轮机的方法
技术领域：
本发明涉及燃气轮机领域，更具体地说，涉及可能产生燃烧振荡(combustion oscillation)的燃气轮机的工作条件。
背景技术：
燃气轮机广泛用于发电以及用在喷气式飞机中。在燃气轮机中，空气和燃料在燃烧室中燃烧，产生热气流。热气流在涡轮机部分膨胀，从而转动轴。这样产生的回转能量的一部分用于驱动压缩机，并为燃烧室提供压缩的空气。
减少排放，尤其是减少一氧化氮NOx的排放的努力导致了稀薄燃烧的概念，这时，空气和燃料不直接在燃烧火焰中混合，而是事先混合，即在与实际燃烧区不同的区域内混合。在混合后，将很均匀的混合物送入燃烧区。这种燃料和空气的预先混合的优点是，可以实现较低的燃料空气比，导致较低的火焰温度，于是排放的NOx少。另一方面，通过稀薄燃烧过程，更易于发生火焰不稳定，这又会导致燃烧振荡。燃烧振荡是由火焰不稳定引起的压力波动和燃烧室壁的声学反射之间的正耦合产生的一种声学模式。燃烧振荡会产生大的噪声，并可导致燃气轮机元件大范围损坏。
德国公开的专利申请DE 4339094 A1提出了一种通过将惰性流体喷入燃烧区中，由此重新分配燃烧区并干扰形成燃烧振荡的机理，来抑制燃烧振荡的方法。这种方法应用于环形燃烧室，这种燃烧室由于通常由其几何形状限定的空间较大而特别容易受燃烧振荡的影响。该方法属于主动不稳定性控制范畴，这是因为燃烧振荡受到监视，并利用一个闭环主动控制循环来抑制。然而，主动不稳定性控制是一种复杂和昂贵的方法，使操纵燃气轮机所需的设备的成本大大增加。
WO 00/12939提出了一种带有环形燃烧室的燃气轮机，其中多个燃烧器连接到该环形燃烧室上。这里，环形燃烧室中的燃烧振荡的问题通过被动措施来避免在几个燃烧器的小孔周围安装圆柱形装置，这使得火焰位置偏移，因而使在燃烧室中发生的声学模式失调(detum)。被动措施通常比主动不稳定性控制廉价，但是，由静态措施通常只抑制特定的频带。
US 5309710提出了一种燃气轮机的罐状燃烧室。罐状燃烧室不容易产生燃烧振荡。然而，罐状结构更复杂并昂贵，并且不如环形燃烧室那样容易保养。此外，环形燃烧室在涡轮机入口处提供更均匀的温度和压力分布，而这在罐状燃烧室中是难以获得的。

发明内容
考虑到上述问题，本发明提供了一种基本上可避免燃烧振荡的燃气轮机和操纵该燃气轮机的方法。本发明还有利地提供了一种可使得在涡轮机入口处的热气流的压力和温度分布均匀的燃气轮机及操纵该燃气轮机的方法。另外，本发明还提供了一种容易保养的燃气轮机及操纵该燃气轮机的方法。本发明的另一个优点是提供了一种可以以合理的工程努力和花费实现大量生产，并且元件特性可最大限度地可反复的方法。本发明的再一个优点是提供了一种需要较少冷却的燃气轮机和操纵燃气轮机的方法。本发明还有利地提供了一种需要较低的结构复杂性并因而成本较低的燃气轮机及操纵它的方法。另外，本发明提供了一种工作相对稳定的燃气轮机及操纵燃气轮机的方法。作为进一步的优点，本发明提供了一种降低对热气体的密封的密封要求的燃气轮机及操纵该燃气轮机的方法。
更具体地说，本发明提供了一种燃气轮机，它包括用于空气/燃料混合物燃烧，由此产生热气流的燃烧室；以及带有涡轮机入口的涡轮机。热气流可被引导通过该涡轮机入口，其中，燃烧室包括一个靠近涡轮机入口的环形部分，和一个罐状部分。该罐状部分包括多个罐状燃烧室，每个燃烧室连接到环形部分上，并通过相应的罐出口向环形部分开放。罐状燃烧室与环形燃烧室的结合，使相应的单个概念的优点得以综合，由此避免了相应的单个概念的缺点。特别是，在罐状部分内的单独燃烧避免了火焰不稳定性的耦合，从而避免了燃烧振荡。另外，由于该环形部分，使涡轮机入口处的温度和压力均匀。另外，在环形燃烧室内的交叉点火(cross-ignition)可保证在所有工作条件下稳定工作。另外，燃烧室需要冷却的总的表面与罐状燃烧室或元件相比较少，因此对冷却的要求降低。
优选的是，每个罐状燃烧室具有一个头部和从所述头部向所述罐出口延伸的侧壁。燃料和空气通过该头部引入至罐状燃烧室中。主要的燃烧区限定为可见火焰的区域。每一罐状燃烧室的侧壁的延伸部的尺寸优选地确定为使得每一罐状燃烧室基本上包围一个完整的主燃烧区。在另一优选实施例中，每一个罐状燃烧室的侧壁的延伸部的尺寸确定为它不明显超过主燃烧区。通过基本上包围所有的主燃烧区，可实现不同火焰之间的高度解耦。在侧壁不明显超过主燃烧区的情况下，可以避免燃烧室不必要的增大，因而可保持冷却要求和制造成本较低。
环形部分具有沿着所述热气流的方向测量的环形部分轴向延伸部，并且，罐状部分具有沿着热气流方向测量的罐状部分轴向延伸部，环形部分轴向延伸部分优选地至少为罐状部分轴向延伸部分的一半。这可保证来自罐状燃烧室的单个热气流可以充分合并，因此可使温度和压力高度均匀。
涡轮机入口至少部分地由叶片支撑结构形成，该叶片支撑结构承载位于涡轮机内的叶片，而该环形部分优选地连接到叶片支撑结构上，并因而由后者支撑。因为这些元件彼此之间没有相对运动，因此，作为一个主要优点，燃烧室和涡轮机之间的间隙的密封较容易。
每一罐状燃烧室优选地连接到环形部分上，并由此被环形部分支撑。于是，由于这些元件彼此之间没有相对运动，因此，罐状燃烧室和环形部分之间的间隙的密封变得非常容易。此外，与只具有一个罐的燃烧室相比，罐状燃烧室的支撑不那么复杂，这是因为前者通常需要从外壳加以支撑。于是成本降低。在另一优选实施例中，罐状燃烧室与环形部分的每个连接设计成每个罐状燃烧室可以容易单个地从环形部分上拆下，因而形成一种如下的结构，即通过简单更换单独一个罐状燃烧室即可容易进行维修。
罐状燃烧室优选地沿着环形部分的圆周等距地分布，由此，在相邻的罐状燃烧室的相应侧壁之间限定了中空的空间。该中空空间可以用来引入冷却流体，用于冷却该罐状燃烧室。
环形部分优选地设计有一个径向向外定位的外壳，和一个径向向内定位的内壳。其中，从外壳延伸至内壳的肋靠近罐状部分定位，并且每个所述罐状燃烧室以其侧壁连接到至少一个所述肋上。
优选的是，侧壁为扩散器形状，因此，将从罐状燃烧室排出的热气流扩散至环形部分中。
本发明还提供了一种燃气轮机，该燃气轮机带有用于燃烧空气/燃料混合物、由此产生主要的热气流的燃烧室；以及带有主要热气流可通过其引导的涡轮机入口的涡轮机。其中，该燃烧室包括第一级，在第一级中，在限定为可见火焰的区域的不同的主燃烧区中，产生单独的热气流，每个燃烧区彼此隔开，其中，燃烧室的第一区后为第二区，在第二区中，各单独的热气流集合到一起，形成主要的热气流。第二区优选地设计成保证各单独热气体流适当地互相混合，由此使主要热气流中的温度分布均匀。
另外，本发明提供了一种用于减小在燃气轮机中的燃烧振荡的方法。该方法包括下列步骤将空气和燃料导入多个不同的燃烧区中；在彼此隔离的所述不同的燃烧区中，燃烧所述空气和燃料，由此产生单独的热气流，并由此基本上避免在所述不同燃烧区中出现的火焰不稳定性的声学耦合；将所述各单独的热气流合并成主要的热气流，由此使温度和压力分布基本上均匀，并将主要的热气流通过涡轮机入口送入。这个方法的优点对应于燃气轮机的上述优点。


本发明的一些特征、优点和益处已经得以描述，其他的随着结合附图进行的说明将会了解到，图中图1为燃气轮机的示意图；图2示出在环形燃烧室中的燃烧；图3示意性示出本发明对图2所示结构上的改进；图4示出连接到环形燃烧室上的多个罐状燃烧室；图5示出带有连接到环形燃烧室上的罐状燃烧室的燃气轮机的纵截面图；图6和图7示出连接到环形燃烧室上的罐状燃烧室的三维视图。
具体实施例方式
下面，参照附图来更全面地描述本发明，图中示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可用多种不同的形式来实现，因此不应局限于在此描述的实施例。而是，提供这些图示的实施例，以便这个公开物全面和完整，并将对本领域技术人员全面传达本发明的范围。附图中，相同的附图标记标识相同的元件。
图1示意性地示出一个燃气轮机1。该燃气轮机1包括一个压缩机3，一个燃烧室5和一个涡轮机7。涡轮机7与压缩机3一起安装在轴9上。空气11在压缩机3内被压缩，并导至燃烧室5。另外，燃料13被导入压缩机5中，与空气11混合，以提供空气/燃料混合物15。空气/燃料混合物15燃烧，由此产生热气流17。热气流17通过涡轮机入口19导入涡轮机7中，在此再通过静叶片(vane)和动叶片(blade)(没有示出)的布置，将能量传递至转动的轴9上。转动能量部分用于驱动压缩机3。转动能量的另一部分可用于驱动发电机。
图2示出一个环形燃烧室5。燃烧器21起到一个空气/燃料混合物15的供给器的作用，该混合物以可见的火焰燃烧，限定了一个主要的燃烧区23。会发生火焰不稳定性，造成压力脉冲，而压力脉冲又可诱使火焰不稳定性更大。特别是，相邻的燃烧器21可以互相声学耦合，从而互相诱导如箭头27所示的火焰不稳定性。通过压力脉冲自燃烧室壁反射，可以由火焰的不稳定性产生稳定的燃烧振荡。
图3示出燃烧室5的新概念。燃烧室5包括罐状部分33和环形部分35。罐状部分33由多个罐状燃烧室31构成，每个燃烧室与该环形部分35连接，并通过相应的罐出口37向环形部分35开放。空气11和燃料13通过每一个罐状燃烧室31的相应的头部39引入，由此形成空气/燃料混合物15。侧壁41从每一个罐状燃烧室31的头部延伸至相应的罐出口37。空气/燃料混合物15在每一个罐状燃烧室31中的由可见火焰25限定的主燃烧区23中燃烧，由此每一个罐状燃烧室产生单独的热气流42。单个或分量的热气流42在环形部分35中合并，形成主要的热气流17。结果，在进入涡轮机17之前，主要的热气流17的温度和压力变得很均匀。另外，即使在极其稀薄的燃烧条件下，也可以建立不同火焰23之间的交叉点火，这可以改善工作的稳定性。优选的是，空气11和燃料13至少部分地经历预先混合，形成空气/燃料混合物15，由此实现稀薄燃烧，如果适宜的话，该稀薄燃烧可以通过扩散火焰加以稳定。
侧壁41的尺寸确定为它们完全包围相应的燃烧区23。这导致火焰25的声学解耦，于是可避免燃烧振荡。然而，侧壁41基本上不超过燃烧区23的延伸部，由此保持罐状部分33合理的小。
图4更具体地示出环形部分35组件的三维视图。该环形部分由外壳51和包围一个环形空间54的内壳53构成。外壳51以及内壳53的内表面由热屏蔽件55覆盖，以保护不受热气损害。罐状部分33的罐状燃烧室31基本上沿着环形部分35的圆周方向等距离地分布。
图5示出支撑在燃气轮机1中的燃烧室5的纵截面。压缩机3具有动叶片61和静叶片63，它们利用轴9的回转压缩空气11，并将空气11通过压缩机的扩散器65引导至由外壳体69形成的空间67中。压缩空气11主要引导至燃烧室5中，但一部分空气11用于冷却燃烧室5和涡轮机7。外壳体69也包围涡轮机7的叶片支撑结构71。这个叶片支撑结构71支撑叶片73。在二个相应的静叶片73的排之间，动叶片75安装在轴9上。叶片支撑结构71也支撑固定到叶片支撑结构71上的燃烧室5的环形部分35。于是，环形部分35和涡轮机7之间的相对运动非常小，这导致阻止热气在环形部分35和涡轮机7之间的间隙排出的密封很容易。此外，罐状燃烧室31固定在环形部分35上，这又导致环形部分35和罐状燃烧室31之间的相对运动非常小，于是阻止热气在间隙中排出的密封很容易。此外，不需要从外壳体69支撑燃烧室5，因此实现了不复杂且不昂贵的结构。在热气流的方向上，罐状部分33具有一个罐状部分延伸部C，而环形部分35具有一个环形部分延伸部A。延伸部A至少为罐状部分延伸部C的一半。
图6和图7示出罐状燃烧室31与环形部分35连接的三维视图。环形部分35具有从外壳51延伸至内壳53的肋91。罐状燃烧室31以其侧壁41连接到肋91上。侧壁41为扩散器形状，并具有凸缘85，通过凸缘它们连接到环形部分35上。每个单独的罐状燃烧室31都容易拆下进行保养。头部39开口83，其中可以安装燃烧器。
图6进一步示出具有双重壁结构的罐状燃烧室31。该结构包括一个外壁101和由外壁101包围的内壁103。在外壁101和内壁103之间形成一个中空的空间或开口105，该中空的空间或开口105是为了导入冷却流体而提供。特别是，在一个封闭的冷却循环与燃烧室内的热气隔离开的蒸汽可以用作冷却流体。内壁103可以形成为圆柱103a，其带有一个焊接的凸缘103。内壁103通过导向件107安装在外壁101内，并固定在叉形支撑109中。在相邻的罐状燃烧室31之间，用于冷却流体的空间105变窄。于是，在这个区域111中提供了冲击冷却，以便改善冷却效率。内壁103的低成本设计和容易安装使得在保养过程中可以完全更换这个内壁103。
已经如此描述了本发明，显然本发明可以以多种方式变化。这些变化并不认为是偏离本发明的精髓和范围，且意图在于对于本领域技术人员来说是显而易见的所有这种修改包含在所附权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种燃气轮机，它包括用于产生热气流的燃烧室，所述燃烧室包括多个容许空气和燃料在其内燃烧的罐状元件，和单独一个环形元件，该环形元件用于环形定向所述多个罐状元件，并合并所述燃烧，从而基本上可避免燃烧振荡。
2.如权利要求1所述的燃气轮机，还包括用于产生压缩空气的压缩机，以及将所述空气引导至所述罐状元件的装置。
3.如权利要求2所述的燃气轮机，其中，所述燃烧的所述合并形成热气流，并且，所述燃气轮机还包括用于将所述热气流转换为机械能的涡轮机。
4.如权利要求3所述的燃气轮机，其中，所述涡轮机包括用于接收所述热气流的入口。
5.如权利要求3所述的燃气轮机，还包括机械连接所述涡轮机、燃烧室和压缩机的轴。
6.如权利要求1所述的燃气轮机，其中，所述罐状元件包括具有用来接收燃料和空气的入口的头部、排出所述气流的出口、以及连接所述头部和出口的侧壁。
7.如权利要求6所述的燃气轮机，其中，所述罐状元件包括限定燃烧区的第一区域，燃烧区限定为所述燃烧的可见的火焰的第二区域。
8.如权利要求7所述的燃气轮机，其中，所述第一区域基本上等于所述第二区域。
9.如权利要求6所述的燃气轮机，其中，所述环形元件和罐状元件包括在所述热气流的流动方向上延伸的轴向延伸部，并且，所述环形元件的轴向延伸部包括所述罐状元件的轴向延伸部的总面积的至少一半。
10.如权利要求4所述的燃气轮机，其中，所述涡轮机的所述入口局部由叶片支撑结构形成，所述叶片支撑结构在其上容纳叶片，并位于所述涡轮机内，所述环形元件与所述叶片支撑结构连接并由其支撑。
11.如权利要求1所述的燃气轮机，其中，所述罐状元件由所述环形元件支撑。
12.如权利要求11所述的燃气轮机，其中，所述罐状元件可单独从所述环形元件上拆下。
13.如权利要求12所述的燃气轮机，其中，每个所述罐状元件通过至少一个接头与所述环形元件连接，该接头便于所述罐状元件的拆卸。
14.如权利要求6所述的燃气轮机，其中，所述罐状元件沿着所述环形元件的圆周等距离分布，并在相邻的罐状元件的相应侧壁之间限定中空的空间。
15.如权利要求6所述的燃气轮机，其中，所述环形元件包括外壳，位于所述外壳内的内壳，从所述外壳延伸至所述内壳的肋，使得所述罐状燃烧室通过至少一个所述肋连接到所述环形元件上。
16.如权利要求6所述的燃气轮机，其中，所述侧壁为扩散器形状。
17.如权利要求1所述的燃气轮机，其中，所述罐状元件和环形元件布置成基本上实现声学解耦，并基本上避免燃烧振荡。
18.如权利要求1所述的燃气轮机，其中，每个所述的罐状燃烧室包括双重的壁，所述双重壁包括一个外壁、一个内壁、以及由外壁与内壁配合限定的中空空间，所述中空空间将冷却流体导入所述外壁和所述内壁之间。
19.一种燃气轮机，包括用于燃烧空气和燃料的混合物以产生主要的热气流的燃烧室，所述燃烧室包括第一和第二区域，所述第一区域限定一个其中发生单独燃烧并产生分量热气流的区域，所述第一区域具有基本上由所述燃烧的可见火焰限定的一个区域，而所述第二区域限定一个区域，在该区域内，在进入涡轮机入口之前，所述分量热气体流合并而形成所述主要的热气流，由此可以使主要气流的温度分布基本上均匀；以及涡轮机，它带有用于接收和引导所述主要热气流的涡轮机入口。
20.如权利要求19所述的燃气轮机，其中，第二区域基本上为环形。
21.如权利要求20所述的燃气轮机，其中，所述第一区域包括多个单独的燃烧区，这些燃烧区围绕所述第二区域基本上等距离分布。
22.一种用于减少燃气轮机中燃烧振荡的方法，包括下列步骤将空气和燃料导入多个不同的燃烧区中；在所述不同的燃烧区中，燃烧所述空气和燃料；在所述区域中产生单个的热气流，由此基本上避免在所述不同的燃烧区中产生火焰不稳定性的声学耦合；以及将所述单个热气流合并成主要的热气流，由此使合并的单个的热气流的所述温度分布基本上均匀。
23.如权利要求22所述的方法，还包括通过涡轮机入口送入所述主要热气流的步骤。
24.如权利要求22所述的方法，其中，所述主要热气流的压力由所述合并步骤而基本上均匀。
全文摘要
本发明提供了一种燃气轮机，其具有包括多个罐状燃烧室元件和一个环形元件的燃烧室。在罐状燃烧室中进行隔离燃烧，以产生单个的热气流分量。在环形部分中，热气流分量合并。通过使燃烧火焰解耦，可以基本上避免燃烧振荡。于是，实现了温度和压力均匀，并且通过交叉点火实现了燃烧稳定。
文档编号F23R3/42GK1505745SQ02808791
公开日2004年6月16日 申请日期2002年4月18日 优先权日2001年4月27日
发明者格哈德·西蒙, 威廉·舒尔腾, 戴维·阿姆斯, 彼得·蒂曼, 格哈德 西蒙, 舒尔腾, 蒂曼, 阿姆斯 申请人:西门子公司