用于燃气涡轮机的燃烧器的燃烧室的制作方法
【专利摘要】提供了用于燃气涡轮机(10)的燃烧器(16)的燃烧室(20)。燃烧室(20)包括围绕燃烧室(20)的轴线环形地布置的多个区段，每个区段包括：径向内壁部分(54)和径向外壁部分(56)；第一部段(62)，其包括用于安装喷燃器(17)的开口(63)；以及第二部段(64)，在第二部段(64)处，至少一个翼型件(52)在所述区段的径向内壁部分(54)和径向外壁部分(56)之间延伸。
【专利说明】用于燃气涡轮机的燃烧器的燃烧室
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃烧器，并且更具体地涉及燃气涡轮机的燃烧室。
【背景技术】
[0002]在燃气涡轮机中，燃料从燃料源输送至燃烧器，在燃烧器中，燃料与空气混合并点燃以产生通常称为工作气体的热燃烧产物。可以理解，所产生的工作气体的量取决于燃烧器中燃料与空气的适当而有效的混合。
[0003]当前，旋流器在燃烧器中使用以在空气中生成旋流，从而使空气与燃料适当地混合。燃料与空气的适当混合导致燃气涡轮机的效率增加，因为通过燃料和空气混合物的后续燃烧进行的工作气体的生成更加高效。这也减少了由燃料和空气混合物的燃烧产生的NOx气体的量。
[0004]然而，由于在燃烧器(combustor)中布置旋流器和喷燃器(burner)的复杂性,诸如在美国专利申请N0.US2007/0283700(A1)中那样的目前可用的燃烧器不能够提供燃料和空气的有效混合。
[0005]因此，本发明的目的是提供一种在燃烧器中的改进布置，以用于在燃烧器的燃烧室内有效地混合燃料和空气并且因此增加效率。
[0006]该目的通过提供根据权利要求1所述的燃烧器的燃烧室和根据权利要求15所述的燃气涡轮机来实现。
【发明内容】
[0007]本发明提供了用于燃烧器的燃烧室，其为包括多个围绕燃烧室的轴线环形地布置的区段的环形燃烧室，每个区段包括:径向内壁部分和径向外壁部分；第一部段，其包括用于安装喷燃器的开口 ；和第二部段，在该处，至少一个翼型件(airfoil)在区段的径向内壁部分和径向外壁部分之间延伸。通过在对应于燃烧室的相对的第一端部和第二端部的相应的第一部段和第二部段处具有喷燃器和翼型件，用于燃料与空气的混合的空间增加。此外，翼型件增加了穿过其的空气中的旋动，从而增加了燃料与空气的混合。存在于第二端部处的翼型件引导工作介质通过位于燃烧室的第二端部处的出口。
[0008]在一个实施例中，区段包括在翼型件所处的第二部段处的至少一个空气入口，使得通过空气入口进入该区段的空气被旋动。由于空气的旋流的增加，这种布置增加了燃料与空气之间的混合。
[0009]在一个实施例中，第一部段和第二部段位于燃烧室的第一端部和第二端部处，这增加了用于燃料与空气的有效混合的空间。
[0010]在一个实施例中，翼型件和壁部分由单件材料形成，这增加了区段的尺寸稳定性。
[0011]在一个实施例中，翼型件和壁部分为铸件，这消除了对机加工和焊接的需求。此夕卜，翼型件和壁部分将为单件并且将表现出具有增加的强度的一致性质。
[0012]在另一个实施例中，两个相邻区段被分配给一个喷燃器，这允许空气与燃料的更多混合，然后由喷燃器点燃。
[0013]在另一个实施例中，每个区段包括两个翼型件以增加空气在燃烧室中的旋动。
[0014]在一个实施例中，每个区段包括具有通道的内表面和外表面，该通道用于限定在内表面和外表面之间的空气，其中通道中的空气被从翼型件传导。这样的布置确保空气和燃料在燃烧器内部适当地混合。
[0015]在一个实施例中，区段的外表面被硬焊(braze)，这确保来自压缩机的空气保持在燃烧器内。
[0016]在一个实施例中，翼型件和壁部分由合金形成，这增加了区段的强度并且能够经受高温。
[0017]在一个实施例中，合金为镍基Y'强化合金。这类铸造合金的蠕变强度显著高于传统的燃烧器合金，这导致提高的尺寸稳定性。此外，Y '合金为延展性的，并且因此赋予基质强度，而不降低合金的断裂韧度。
[0018]在另一个实施例中，合金为IN738LC。IN738LC为镍基超合金，其表现出与目前使用的热障涂层系统的相容性。
[0019]在另一个实施例中，合金为CM247CC。CM247CC也是镍基超合金，它也与目前存在的热障涂层系统相容，并且能够形成保护性氧化铝层，这在抗氧化性方面提供了相比其它合金的显著改进。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]现在将参照本发明的附图阐述本发明的上述和其它特征。图示实施例旨在说明而不限制本发明。附图包含下列各图，其中贯穿说明书和附图类似的数字表示类似的部件。
[0021]图1是燃气涡轮机的示意图；以及
图2是根据本发明的技术的方面的燃烧器及其燃烧室的示意图。
【具体实施方式】
[0022]图1是描绘内部部件的燃气涡轮机10的示意图。燃气涡轮机10包括转子13，转子13安装成使得它能沿旋转轴线12旋转、具有轴11并且也被称为涡轮转子。
[0023]燃气涡轮机10包括进气外壳14、压缩机15、具有燃烧室20的燃烧器16、涡轮18、以及沿转子13彼此相随的排气外壳19。燃烧室20是具有多个同轴布置的喷燃器17的环
形燃烧室。
[0024]环形燃烧室20与环形热气体通道21连通，在环形热气体通道21处，举例来说，四个连续的涡轮级22形成涡轮18。
[0025]可以注意到，每个涡轮级22由例如两个叶片或静叶环形成。如在从燃烧室20到涡轮18的工作介质23的流动方向中可见，在热气体通道21中，导向静叶40的排25之后是由转子叶片30形成的排35。导向静叶40固定到定子53的内部外壳48，而排35的转子叶片30例如借助于涡轮盘43装配到转子13。
[0026]图1中未示出的发电机联接到转子13。在燃气涡轮机10的操作期间，压缩机15通过进气外壳14吸入空气45并将其压缩。在压缩机15的涡轮侧端部处提供的压缩空气传送到喷燃器17，在这里与燃料混合。混合物接着在燃烧室20中燃烧，形成工作介质23。从那里，工作介质23沿着热气体通道21流动经过导向静叶40和转子叶片30。工作介质23在转子叶片30处膨胀，转移其动量，从而使转子叶片30驱动转子13，而转子13继而驱动联接到它的发电机。
[0027]此外，当燃气涡轮机10在操作中时，暴露于热工作介质23的部件经受热应力。如在工作介质23的流动方向上可见，第一涡轮级22的导向静叶40和转子叶片30与环形燃烧室20内衬的隔热砖一起经受最高的热应力。这些部件通常由诸如油的冷却剂冷却。
[0028]可以理解，燃气涡轮机10的部件由诸如铁基、镍基或钴基的超合金的材料制成。更具体地，涡轮静叶40和/或叶片30和燃烧室20的部件由以上提及的超合金制成。
[0029]燃烧室20在本发明设想的构型中为环形燃烧室20，其包括多个喷燃器17，喷燃器17围绕旋转轴线12周向布置并且通向公共的燃烧室且生成火焰。为了实现高效率，燃烧室20设计用于大约1000摄氏度至1600摄氏度的工作介质23的温度。为了在对材料不利的甚至这样的操作参数下实现长的使用寿命，在其面向工作介质23的一侧上，燃烧室壁设有由隔热元件形成的内衬。
[0030]现在参看图2，分别描绘了根据本发明的技术的方面的燃烧器16和其燃烧室20的示意图。燃烧器16包括在本发明设想的构型中为环形燃烧室的燃烧室20，其包括围绕轴线12周向布置的多个区段。图2示出了通过这些区段中的一个的横截面。作为示例，总共20个区段将形成燃烧室20。每个区段包括内壁部分54和外壁部分56。
[0031]可以注意到，内壁部分54和外壁部分56从轴线12径向向外定位。
[0032]根据本发明的技术的方面，区段具有第一部段62和第二部段64，其具有安装在第一部段62处的开口 63处的喷燃器和在第二部段64处的诸如导向静叶的翼型件52。
[0033]然而，可以注意到，第一部段可以在第一端部处，而第二部段可以在第二端部处，其中第一端部和第二端部彼此相对。为了进行说明，术语“第一部段”与“第一端部”和“第二部段”与“第二端部”可互换使用。
[0034]如前所述，燃烧室20包括在第一端部62处的开口 63，如图2所描绘的。喷燃器17安装在第一端部62处的开口 63处。来自压缩机15的空气经由面板72且通过翼型件52导入燃烧室20并与燃料混合。燃料经由燃料管69导入燃烧室。空气和燃料混合物由喷燃器17点燃以产生工作介质23。
[0035]根据本发明的技术的方面，翼型件52存在于第二端部64处。翼型件52在内壁部分54和外壁部分56之间延伸。来自压缩机15的压缩空气被导入翼型件52,如由附图标记51所指示的。翼型件52中的空气51被旋动以产生湍流，这确保空气与燃料在燃烧室20中的有效混合。
[0036]燃烧器区段包括内表面60和外表面58,在内表面60和外表面58之间形成通道70以将空气从翼型件52传导到通道70。空气与通过燃料管69供应的燃料混合，并且由喷燃器17点燃以生成火焰68，从而产生用于涡轮的工作介质23。该工作介质23由在第二端部64处存在的翼型件52引导通过出口离开燃烧室20。
[0037]另外，燃烧器16可包括在端壁处的冷却孔或冷却管，以供应用于冷却燃烧室20的壁的冷却空气。
[0038]如前所述，面板72位于燃烧室20内部的第一部段或第一端部62处，其充当亥姆霍兹面板以将空气抽入燃烧室20。面板72与翼型件52 —起充当亥姆霍兹谐振器并且将把空气保持在室20内部以确保空气与燃料的有效混合，从而实现更好的燃烧。
[0039]如前所述，燃烧室20包括多个区段。各区段以使得两个区段分配到一个喷燃器17的方式布置成彼此相邻。此外，每个区段包括位于彼此相邻处的两个翼型件52。区段中的内壁部分54、外壁部分56和翼型件52由一件式材料形成。更具体地,翼型件52、内壁部分54和外壁部分56被铸造以产生单件材料。
[0040]根据本发明的技术的方面，翼型件52和壁部分54、56由诸如合金的材料制成，例如镍基超合金。这些合金能够经受可能超出650摄氏度的高温。翼型件52和壁部分54、56由诸如镍基Y’(gamma prime)强化合金的同类合金铸造。
[0041]可以注意到，内壁54和外壁56可涂有热障涂层以提供针对热气体的高温的保护。因此，可以注意到，在本发明的技术中的合金选择成与热障涂层相容的。此外，可以注意到，诸如镍基Y’强化合金的合金包括比在燃烧器中使用的传统合金更高量的铝。铝的存在增加了施加到壁的热障涂层的寿命。
[0042]另外，用于铸造燃烧室的区段的合金选择为具有较好的可铸性且能够铸造诸如燃烧室20的区段的大部件，例如IN738LC，该合金为镍基超合金并且具有按重量％计为钴
8.59、铬 16.08、铝 3.43、硅 0.18、碳 0.11、磷 0.01、铁 0.50、硼 0.05、硫 0.01、钨 2.67、钽
1.75、锘0.90、钛3.38、锰0.03、铜0.03和其余为镍的化学组成。
[0043]备选地，诸如CM247CC的合金可用于铸造区段，该合金也是镍基超合金。该合金具有按重量％计为钴10、铬8、钥0.5、钨9.5、铝5.65、钽3、铪1.5、锆0.1、碳0.1和其余为镍的组成。
[0044]虽然已参照具体实施例描述了本发明，但这种描述并非意图在限制性意义上被理解。在参考本发明的描述之后，本发明的所公开的实施例和备选实施例的各种修改对于本领域的技术人员将显而易见。因此可以设想，在不脱离所限定的本发明的实施例的情况下，可以进行这样的修改。
【权利要求】
1.一种用于环形燃烧器(16)的燃烧室(20)，包括围绕所述燃烧室(20)的轴线环形地布置的多个区段，每个区段包括: -径向内壁部分(54)和径向外壁部分(56), -第一部段(62)，其包括用于安装喷燃器(17)的开口(63)，以及 -第二部段(64)，在所述第二部段(64)处，至少一个翼型件(52)在所述区段的所述径向内壁部分(54)和径向外壁部分(56)之间延伸， 其特征在于 每个区段包括内表面(60)和外表面(58)，在所述内表面和所述外表面之间限定通道(70)，其中，来自所述翼型件(52)的空气被传导到所述通道(70)中。
2.根据权利要求1所述的燃烧室(20)，其中，所述区段包括在所述第二部段(64)处的至少一个空气入口，其中，所述翼型件定位成使得通过所述空气入口进入所述区段的空气(51)被旋动。
3.根据权利要求1所述的燃烧室(20)，其中，所述第一部段(62)和所述第二部段(64)位于所述燃烧室(20)的相对的第一端部(62)和第二端部(64)处。
4.根据权利要求3所述的燃烧室(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 排放工作介质(23)。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的燃烧室(20)，其中，每个区段包括两个翼型件(52)，所述翼型件在相应的所述区段的所述径向内壁部分(54)和所述径向外壁部分(56)之间延伸。
6.根据权利要求1所述的燃烧室(20)，其中，所述外表面(58)被硬焊。
7.根据权利要求1至5中的任一项所述的燃烧室(20)，还包括位于所述第一端部(62)处的面板(72)以用于将压缩空气抽入所述燃烧室(20)。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的燃烧室(20)，其中，所述翼型件(52)和壁部分(54，56)由合金形成。
9.根据权利要求8所述的燃烧室(20)，其中，所述合金为镍基(强化合金、IN738LC或CM247CC中的一种。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的燃烧室(20)，其中，所述翼型件(52)和所述壁部分(54，56)为一件式材料。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的燃烧室(20)，其中，所述翼型件(52)和壁部分(54，56)为铸件。
12.根据权利要求11所述的燃烧室(20)，其中，两个相邻的区段被分配到一个喷燃器(17)。
13.—种包括根据权利要求1至12中的任一项所述的燃烧室(20)的燃烧器(16)。
14.一种燃气涡轮机(10)，包括: -燃烧器(16)，其具有根据权利要求1至12中的任一项所述的环形燃烧室(20)。
【文档编号】F23R3/00GK104040259SQ201280066062
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2012年12月21日 优先权日:2012年1月5日
【发明者】M.哈泽尔奎斯特, F.鲁本斯德费尔 申请人:西门子公司