用于燃气轮机的筒形燃烧室的制作方法

在燃气轮机中，燃料的燃烧热量被转换为机械功。描述该转换的热动力循环大约对应于焦耳循环。

在该方面中，第一含氧工作气体(实践中通常是空气)由压气机室压缩，在该过程期间其从起始温度T₁加热到T₂，并且压力增大。在第二步骤中，热量通过燃烧混合的燃料而以恒定压力被供应至燃烧室中的工作气体，其结果是，温度进一步升高到T₃。压缩的、被加热的工作气体随后通过膨胀执行机械功并且在该过程中经由叶片驱动涡轮机。在如此做时，温度下跌到T₄。压力也下降。在涡轮机处获得的一些机械功可以被用于第一阶段的压缩。在最后阶段中，废热通过冷却从处于恒定压力的工作气体提取，由此温度下降回T₁。为了接近理想气体，该过程的效率由给出。

作为在越来越多的工业化国家中可再生能量生成的广泛采用的结果，使用燃气轮机的热电厂被置有更大重要性。缺少与使用太阳能或风能的能量生成自然关联的计划可靠性必须在发电中被充分的储备能力均衡，其也能够尽可能快地提供需要的功率。在该情况下，由于使用的燃料的挥发性，使用燃气轮机操作的发电厂比起热动力上更迟钝的煤燃烧的发电厂或甚至核反应堆而言具有显著的优势。

作为生成的能量除以使用的燃料的总能含量的比值的燃气轮机的效率远低于50％，即使是在现代的装置中，因为由燃烧供应的热量作为废热被丢弃，因而在工作气体膨胀之后的废热的能含量不再被使用。

然而，通过使用该废热，例如通过使用在第二回路中的废热来操作第二热电厂的蒸汽轮机(其被称为“组合循环”技术)，效率可以被增大。这允许通过可以被供应到蒸汽轮机的废热的程度来改进效率。然而，该效率改进暗示系统复杂度的增加，因为其现在需要将整个蒸汽回路连接到燃气轮机并且在控制方面将其与后者协调，所有的这些均增加电厂的投资成本。此外，由于后者的部件的维度，具有燃气轮机的许多现有热电厂不能容易地用蒸汽回路进行改造。

在该方面中，一种可能的进一步方案可以通过集成到回热器过程中使用燃气轮机的排放气体的废热以在供应燃料的燃烧热量之前进一步加热在第一步骤中被预压缩的工作气体。由于在许多燃气轮机中，预压缩的工作气体的温度T₂低于废热温度T₄，在理想模型中对应于该差异T₄-T₂的热的量不需要通过燃料的能含量被供应至工作气体，但可以被节省，这导致对应的效率增加。

在该方面中，由特别是现有的燃气轮机系统与回热器过程的集成的技术实施产生一个未解决的问题，其中来自热交换器的工作气体的再循环在此具有特别的重要性。

本发明具有在燃气轮机中以可能最简单的方式从热交换器再循环工作气体的目标。

根据本发明，用燃气轮机的筒形燃烧室(在操作中可以耦合到热交换器)得以实现该目标，其包括：火焰管，由内壁和火焰管基底形成并且界定燃烧空间；外壁，围绕内壁、形成腔体；环形室，至少部分围绕外壁并且具有多个流入线，其中流入线在燃气轮机的操作期间可以被流体地耦合到热交换器的热侧；以及多个燃烧器，每个均在出口侧上经由火焰管基底中的开口开放到燃烧空间中，并且其供氧器被流体地连接到环形室。

在该方面中，热交换器的热侧被理解为所有的排放线，从在热交换器中的该区域发生流通后者的工作气体与热量供应之间的热交换。特别地，在该方面中对于热交换器可能的是被由燃气轮机产生的废热的热量供应，并且特别地，燃气轮机可以具有压气机，一部分工作气体从其被供应到热交换器以用于加热。

在该方面中，本发明基于以下考虑：

燃气轮机的设计需要在流体动力学、材料和热动力学上复杂的建模以及若干计算，其在很大程度上必须被原型上的实际测试所验证。因而，对现有的燃气轮机系统的任何修改也需要该模型和计算被适配。因而可观的优点是配置用于从热交换器再循环工作气体至燃烧室的机构，先验地使得其可以被集成到具有最小结构改变的现有燃气轮机设计中。而且，这也开辟了以相对小的花费改造不提供热交换器的已经投产的燃气涡轮机的可能性。

在最小修改的条件下，因而有利的是不改变火焰管的几何特征，其在设计过程中是特别复杂的部件，由于在工作气体和燃料的混合的燃烧的高温以及排放气体的期望前转因而形成到膨胀涡轮机。因而，内壁和火焰管基底保持不变。

为了对外壁的最小修改，重要的是确保在内壁与外壁之间的腔体优选充有由燃气轮机的压气机预压缩的工作气体的一定比例，特别是以便于因而从外部冷却内壁，其在操作期间被暴露到燃烧空间中的高燃烧温度。优选地，在来自热交换器的工作气体的再循环的环境中这也列入考虑。也列入考虑的是，在来自热交换器的工作气体要被返回至多个燃烧器的事件中，为了混合的燃料与工作气体的均匀燃烧，工作气体要作为尽可能均匀的质量流并处于尽可能均匀的压力被供应至个体燃烧器的相应的供氧器。

对本发明实质的实现现在要在外壁的外部提供至少部分地围绕外壁的环形室并且具有多个流入线，在燃气轮机的操作期间，工作气体经由流入线可以从热交换器的热侧向燃烧器再循环。环形室使得可能将工作气体在尽可能均匀的压力处供应至多个燃烧器的相应的氧气供应。在该方面中，从环形室到燃烧器的流体连接可以被配置使得外壁仅需要微小修改。

在该方面中，环形室优选形成开环，即，环形室并不整体围绕外壁。取决于流入线的数目以及与燃烧器或每个燃烧器的连接的配置，这可以是流体上有利的。特别是在一个流入线和多个到燃烧器的连接的情况下，这抑制在环形室中不理想的扰流。

在本发明的一个有利配置中，筒形燃烧室包括布置在火焰管基底以上的集气室，以及多个连接件，其中环形室经由连接件或每个连接件被连接到集气室，并且燃烧器或每个燃烧器被流体连接到集气室以用于氧气供应，并且其中在内壁与外壁之间的腔体局部地与集气室流体分离。

局部化的流体分离要被理解为意味着在筒形燃烧室本身中或在其紧邻处中不存在集气室与腔体之间的直接流体连接，除了通过燃烧器。在以下，除非另有说明，分离始终应被理解为以与以上的解释类似的方式的局部化流体分离。

通过布置在火焰管基底之上并且至少部分地围绕燃烧器或每个燃烧器的集气室，可能的是在燃烧器或每个燃烧器的区域中实现特别均匀的压力分布。这在多个燃烧器的情况下是特别有利的，因为在该情况下来自工作气体(其被热交换器再循环加热)的每个燃烧器的氧气供应以相同压力被实质地填充，这有助于均匀燃烧。

因为在内壁与外壁之间的腔体优选被填充有由燃气轮机的压气机预压缩的工作气体的一定比例，在集气室与腔体之间的分离防止该比例的工作气体能与已经被热交换器加热的集气室中的工作气体混合，这将本导致效率损失。在该方面中，火焰管基底应当优选在一侧上或两侧上被特别阻热的材料加强。

在本发明的可替代实施例中，筒形燃烧室包括对应于多个燃烧器的多个连接桩，每个均被连接到环形室，其中腔体在火焰管基底以上延伸，并且其中燃烧器或每个燃烧器被通过外壁导向火焰管基底中的相应开口的连接桩包围，使得供氧器被流体连接到环形室并且局部地与腔体流体分离。

燃烧器的供氧器与环形室经由对应的连接桩的直接连接允许针对来自热交换器的工作气体的再循环的特别经济的设计。这仅要求对外壁的相关的结构性改变，通过其形成相应的连接桩的路径。凭借腔体在火焰管基底上延伸的事实，其可以通过由燃气轮机的压气机预压缩的工作气体而被冷却，对于内壁也是一样的情况。与现有设计相反的是，这并不导致在火焰管基底的热载荷能力方面增大的需求。

在该方面中，连接桩或每个连接桩优选地具有至少一个膨胀补偿器。膨胀补偿器使得其能够在连接桩处均衡热应力，其可作为连接桩的内部的工作气体和在腔体中绕连接桩的外部流动的工作气体的不同温度的结果而升高。在腔体中预压缩的工作气体可以在350℃-400℃的温度，而热交换器加热工作气体高至550℃。

在该方面中，如果火焰管基底具有多个孔则是附加的优点。该类型的孔允许预压缩的工作气体作为压力差的结果以小量从腔体流动到燃烧室中，在该处其有助于冷却火焰管基底的材料。这降低了针对用于火焰管基底的材料需要被设计的温度。

内壁优选具有多个孔。这降低了针对用于内壁的材料需要被设计的温度。

方便地，火焰管基本上是圆筒形的。这要被理解为直角圆柱体，其基底是轴对称的或具有高阶旋转对称性。这样的形状允许特别简单的构造，具有在腔体内以及燃烧空间内均相对有利的压力分布。

在该方面中，燃烧器或每个燃烧器在火焰管基底中的布置是特别旋转对称的，其具有在燃烧空间中的压力分布上的正面效果并且促进在每个燃烧器中的均匀质量流。这有利于与燃料混合并被燃烧的工作气体的膨胀，因而有助于有利的效率的程度。

在本发明的进一步有利实施例中，外壁包括罩件，其被设置凸缘到外壁上并且在火焰管基底上的区域上延伸。特别地，这样的罩件使得能够设置燃料线到燃烧器以及从环形室到燃烧器的连接桩或从环形室到集气室的连接件的路径，并且提供用于每个燃烧器的突起部的其他开口。这些措施特别地简化用于与热交换器一起使用的现有燃气轮机的改造。

本发明还指示了燃气轮机以及具有对应的燃气轮机的热电厂。在该方面中，燃气轮机包括上述类型的至少一个筒形燃烧室，以及特别被设计为回热器的热交换器，其中燃气轮机的压气机被流体连接到回热器的冷侧，并且其中回热器的热侧经由流入线或每个流入线被流体连接到环形室。

在该方面中，筒形燃烧室及其改良可被适当地传递至燃气涡轮并且至包括燃气涡轮的热电厂。

本发明的示例实施例将在以下参照附图以更多细节进行解释，其中说明性地：

图1以横截面表示示出了具有环形室和连接到其的集气室的筒形燃烧室，

图2以横截面表示示出了具有环形室的筒形燃烧室，连接桩从该环形室导向个体燃烧器，

图3以平面图示出了具有被设计为开环的环形室的筒形燃烧室，以及

图4以平面图示出了具有燃气轮机的热电厂。

在每种情况下互相对应的部分和变量在所有附图中提供有相同的附图标记。

图1以横截面表示示出了用于燃气轮机的筒形燃烧室1，其并未示出更多细节。筒形燃烧室1包括内壁2，其由外壁6包围，形成腔体4。内壁2与邻接的火焰管基底8一起界定火焰管12的基本上圆筒形的燃烧空间10。在火焰管基底8的被定向远离燃烧空间10并且通过支撑结构14在那里被加强的该侧上，布置有集气室16，其经由连接件18被连接到环形室20，该环形室20在外壁6以外围绕筒形燃烧室1。流入线22从回热器(在该图中未示出)导向环形室20。燃烧器从集气室16经由开口26开放到燃烧室10中。

集气室16在燃烧器24之上被带凸缘的罩件28界定，在带凸缘的罩件28上设置有用于燃烧器24的排气阀30，并且连接件18由该处导向环形室20。在该配置中，罩件28被设置凸缘到周向环32上，其中罩件28和环32被相应地理解为外壁6的部分。与没有回热器的配置相比，集气室16和连接件18增大了在火焰管基底8之上所需的安装空间。在此，所需的高度凭借环32被获得。

从燃气轮机的压气机(未以更多细节示出)，预压缩的工作气体的部分被供应至回热器并由此被加热。由回热器加热的工作气体经由流入线22运输到环形室20中，由此其经由连接件18传递到集气室16中，在其中其可以流入到用于燃烧器24的相应供氧器34中。在燃烧器24中，由回热器加热的压缩的工作气体与燃料混合并且在火焰管12的燃烧空间10中被燃烧，排放气体和废气经由火焰管12被移除到回热器，在该处废热被用来加热预压缩的工作气体。

以未以更多细节所示的方式，预压缩的工作气体的另一部分被运输到腔体4中。腔体4与集气室16通过延伸火焰管基底8的分隔板36而被分开。在该方面中，上至分隔板36的高度的在内壁2中的小孔38可以有助于冷却内壁2。通过腔体4流动的、预压缩的工作气体可以处于300℃-400℃的温度。在燃烧器24的该区域中的温度可以大于1400℃。火焰管基底8的材料和内壁2的材料必须被设计用于产生的燃烧温度，这导致成本，例如对于陶瓷板。

经由内壁2中的孔38流到燃烧空间10中的预压缩的工作气体在该区域冷却内壁2，作为温度下跌的结果，使得在该处的材料可以被设计用于较低的温度范围。在该方面中孔38被做得很小使得流通孔38以用于冷却内壁2的工作气体的量尽可能小(具有期望的最小冷却功率的边界条件)，并且特别使得腔体4中的压力不存在显著损耗。由于被回热器加热的工作气体可以在高至600℃的温度，通过火焰管基底8中的对应的孔的冷却效果将更小，出于该原因在此优选的是针对高燃烧温度以不同的方式设计火焰管基底8的材料。

图2以横截面表示示出了用于燃气轮机的筒形燃烧室1的另一可能配置，其并未示出更多细节。在该情况下，在内壁2与外壁6之间形成的腔体4在火焰管基底8上延伸。通过设置凸缘到环32上的罩件28被形成路径的连接桩40的每一个连接桩从环形室20导向燃烧器24。连接桩40随后包围用于相应的燃烧器24的供氧器34上至进入到燃烧空间10的其开口26，使得供氧器34与腔体4局部地流体分离。由回热器加热的预压缩的工作气体因而经由流入线22、环形室20和对应的连接桩40直接被供应到相应的燃烧器24的供氧器34。相应的燃烧器24可以经由连接桩40中的排气阀42被连接到燃料供应。为了更好地适应由于在连接桩40内部和外部的不同温度导致的热应力上升，膨胀补偿器43被集成到每个连接桩中。

在该配置中，火焰管基底8还可以具有小孔38以用于冷却该材料。

图3以平面图示出了具有被设计为开环的环形室20的筒形燃烧室1。从环形室20连接到流入线22，周向被布置的六个连接件18导向集气室16，在其中布置有八个燃烧器24。

图4以示意性平面图示出了具有燃气轮机46的热电厂44，该燃气轮机具有两个筒形燃烧室1。从腔体(在每种情况下不详细示出)，线系统50经由排放线48导向被设计为回热器52的热交换器54的冷侧51。在该热交换器中，经由线系统50被供应到回热器52的预压缩工作气体在细管56中被燃气轮机46的燃烧过程的废热所加热。加热的工作气体从回热器52的热侧57、经由线系统58、被供应至筒形燃烧室1的相应的流入线22，在该处其进入相应的集气室并流到燃烧器的供氧器中，在该处其与燃料混合并且在燃烧空间中燃烧。这产生废热，其在回热器52中加热预压缩的工作气体。第一集气室、燃烧器、它们的供氧器以及燃烧空间在附图中并未详细示出。

虽然本发明已经通过优选示例实施例被更详细地示出及描述，但本发明并不由该示例实施例所限制。其他变体可由此被本领域技术人员衍生而不脱离本发明的保护范围。

本发明可以进一步包括以下主题：

一种用于燃气轮机(46)的筒形燃烧室(1)，在操作中能够被耦合到热交换器(54)，所述筒形燃烧室(1)包括火焰管(12)，由内壁(2)和火焰管基底(8)形成并且界定燃烧空间(10)；外壁，围绕内壁(2)、形成腔体(4)；环形室(20)，至少部分围绕外壁(6)并且具有多个流入线(22)，其中流入线(22)在燃气轮机(46)的操作期间可以被流体地耦合到热交换器(54)的热侧(57)；以及多个燃烧器(24)，每个均在出口侧上经由火焰管基底(8)中的开口(26)开放到燃烧空间(10)中，并且其供氧器(34)被流体地连接到环形室(20)。

如以上所述的筒形燃烧室(1)，其中环形室(20)形成开环。

如以上所述的筒形燃烧室(1)，包括布置在火焰管基底(8)以上的集气室(16)，以及多个连接件(18)，其中环形室(20)经由连接件(18)或每个连接件(18)被连接到集气室(16)，并且燃烧器(24)或每个燃烧器(24)被流体连接到集气室(16)以用于氧气供应，并且其中在内壁(2)与外壁(6)之间的腔体(4)局部地与集气室(16)流体分离。

可替代地，如上所述的筒形燃烧室(1)包括对应于多个燃烧器(24)的多个连接桩(40)，每个均被连接到环形室(20)，其中腔体在火焰管基底(8)以上延伸，并且其中燃烧器(24)或每个燃烧器(24)被通过外壁(6)导向火焰管基底(8)中的相应开口(26)的连接桩(40)包围，使得供氧器(34)被流体连接到环形室(20)并且局部地与腔体(4)流体分离。在进一步的实施例中，连接桩或每个连接桩可以具有至少一个膨胀补偿器(43)。可替代地或附加地，火焰管基底(8)可以具有多个孔(38)。

如以上所述的筒形燃烧室(1)，其中内壁(2)具有多个孔(38)。

如以上所述的筒形燃烧室(1)，其中火焰管(8)基本上是圆筒形的。

如以上所述的筒形燃烧室(1)，其中在火焰管基底(8)中的燃烧器(24)或每个燃烧器(24)的布置是旋转对称的。

如以上所述的筒形燃烧室(1)，其中外壁包括在火焰管基底(8)上的整个区域上延伸的带凸缘的罩件(28)。

燃气轮机，包括如上所述的至少一个筒形燃烧室(1)，以及特别被设计为回热器(52)的热交换器(54)，其中燃气轮机(46)的压气机被流体连接到回热器(52)的冷侧(51)，并且其中回热器(52)的热侧(57)经由流入线(22)或每个流入线(22)被流体连接到环形室(20)。

具有如上所述的燃气轮机(46)的热电厂。