专利名称：燃气轮机的扩散器以及发电用的燃气轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种权利要求1前序部分的燃气轮机以及权利要求13前序部分的扩散器。
背景技术：
DE 196 39 623公开了一种发电用的燃气轮机，它包括压缩机和环状燃烧室。在压缩机和环状燃烧室之间设置扩散器，它使得由压缩机在环状压缩机出口提供的压缩空气在设置于环状燃烧室端部的燃烧炉方向偏转。对此，其扩散器具有导流结构以及横截面呈C形的金属偏转板，它由与流道相交的固定件固定。另外，在扩散器中为了取出冷却空气，与转子同轴地设置多个在圆周上分开固定的引出管，它们在压缩机出口引出冷却空气并输送到燃气轮机的涡轮机级(turbine stages)。
固定C形金属偏转板会阻塞由扩散器形成的流道。同样，设置引出管会对在扩散器中流动的且输送到燃烧炉的空气产生干扰，由此产生流动损失。此外，为了给涡轮机级提供足够的冷却空气，在圆周上分布的多个管具有尽可能小的直径，以便不仅引出压缩机出口中部流出的压缩空气，而且引出在压缩机出口边缘的压缩空气。
FR 2 706 533也公开了一种涡轮机组的扩散器，为了调节舱室压力、给机身去冰或机械起动飞机的驱动装置，在扩散器中引出分流。在扩展的扩散器流道中设置楔形的分配件，它先将压缩机端空气流分成两股分流。接着，通过设置在其分配件尖部后面的开口从内分流引出第三分流，它通过将分配件支承在外壁上的空心筋条向外导引。这样引出的第三分流用于上述目的。在FR 2 706 533公开的另一结构中，其扩散器具有支承分配件的内筋条和外筋条。其内筋条具有输出分流的开口，它将输出的第三分流引入筋条的空腔中。
由于这样引出的第三分流用于除冰或例如调节舱室压力，对空气流的污染度、压力和温度要求较低。
一方面为了提高效率，另一方面为了避免或减小由于颗粒的堆积阻塞板式开口或薄膜式孔或使其横截面变窄，对影响冷却空气的固定式燃气轮机叶片提出的要求较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以引出分流的紧凑扩散器和具有这种扩散器的燃气轮机，可以使涡轮机叶片通过流体动力学改善冷却空气分流的引出。另外，其分流的污染度、压力和温度可以满足在燃气轮机中作为冷却流体使用的要求。
针对其燃气轮机提出的发明目的由权利要求1的特征实现。优选方案在从属权利要求中给出。
对燃气轮机提出的技术方案是，其开口设置在朝向流动方向的分配件35的前沿，其开口由在外壁和内壁之间的中间区域的环状缝口49构成，用于输出作为冷却流体使用的分流。压缩流体的分配在节省位置的扩散器中进行，其扩散器使得引出的用于涡轮机级的冷却流体有利于流动、不易产生旋流损失。同时，有利于在接续的使用范围即环状燃烧室壁的方向进一步导向剩余的流体。由于支承件呈流线形构成，分出的流体相互交叉而不会产生阻碍和流动损失。
通常可能的是，采用特别的干净且低温的冷却流体。在冷却流体中存在的悬浮粒子被沉淀在碰撞(impingement)冷却部件的碰撞冷却口，该沉淀冷却部件例如涡轮机叶片，该涡轮机叶片承受热气，并在最坏的情况下均匀阻塞这些碰撞冷却口。
由于在压缩机出口和环状流道中产生的流体涡旋，使得通过机械方式没有过滤出的悬浮粒子和颗粒流到其流道的径向内外边缘上。同时，在其流道的径向内外边缘产生比在其中间部分更高温且更低压力的流体。因此，其环状口准确设置在通常适合于冷却涡轮机级流体流动的位置。由此，在形成的动压力(dynamic pressure)下，通常适合于冷却的流体自动流入分配件并因此与剩余的不太适合于涡轮机冷却的流体分开。剩余的且以后用于燃烧的流体比输出的冷却流体要热且压力较低。
通过同轴的环状缝口，在环状分配件的整个圆周上进行作为冷却流体的流体输出。所形成的环状缝口比背景技术引出管的直径要小。因此，最低温、最干净和最高压的流体作为冷却流体在压缩装置出口或扩散器入口输出。
在一优选结构中，分配件通过在环状缝隙中设置的轴向分布筋条加强和加固，其筋条经环形缝隙的整个圆周分布。其筋条同时作为已输出冷却流体分配件中的导向件，使得它在支承件方向导向。有利的是，其环状缝口沿圆周分段。
形成其流道的壁在设置在分配件之前形成的流道部分扩散。因此，实现流体中的增压，它对于输出冷却流体的压力起到积极作用。
如果其环状分配件借助两壁呈楔形构成且设置在扩散器的两扩散壁之间的中部，由此，它通过壁和与其相对的扩散器的壁形成流体的环状分流通道，将用于燃烧剂燃烧的流体分成两束基本相等的分流。径向上处于内部的流体分流在用于燃烧之前冷却径向上处于内部的环形燃烧室壁，而径向向外导引的分流冷却径向上处于外部的环形燃烧室壁。
如果两分流通道在其流动长度上的横截面基本相同(substantially constant)，可以实现两分流的特别不易损失的流动分布。
为了可靠固定其分配件且损耗很小地使得输出的冷却流体与径向上处于内部的分流相遇，在内部导向冷却流体的空心支承件支承在径向上处于内部的内壁上。因此，可以损耗很小地使得由流动流体中部的分配件引出或输出的冷却流体朝着转子方向偏转。
输出的冷却流体径向向内地穿过支承件，通过流体动力学有利于涡轮机级，可以特别简单地使得其输出流体流到涡轮机单元。为此，支承件的空腔与径向向内的环状通道连通，该环状通道设置在燃烧室和转子之间并使得冷却流体继续流到涡轮机。
适合的是，其流体是压缩空气。
具有喷嘴的管穿过外支承件空腔延伸，其喷嘴在流动方向的开口下游，并且将用于产生蒸发热的流体喷射入冷却流中，这样使涡轮机级可以使用一特别低温的冷却流体。由此，需要的冷却空气较少，这样形成较小地开口并可以节省冷却空气。同时，扩散器和分配件结构紧凑。由于节省了冷却空气，提高了燃气轮机的效率。
适合的是，一管穿过外支承件的空腔延伸，其管通向设置在分配件中的通道，该通道与径向上处于内部的分流通道连通，使得燃烧剂进入分流通道。
为了降低成本，其液体是水。
针对扩散器提出的发明目的由权利要求13的技术特征实现。其优点与上述实施方案相同。
下面参照附图描述本发明。其中图1为设置在压缩机出口和环形燃烧室之间的具有分配件的扩散器图；图2为分段的分配件的一部分示意图；图3为燃气轮机的纵向局部截面图。
具体实施例方式
图3示出了燃气轮机1，它具有绕转轴3旋转支承的转子5。沿其转子5，其燃气轮机1包括压缩机7、环状燃烧室9以及涡轮机13，其涡轮机13由四个连续的涡轮机级构成。在其环状燃烧室9的圆周上分配设置多个燃烧炉11。
压缩机7吸入外界空气，将其压缩并输送到其下游的扩散器15，其扩散器固定在压缩机7的环状燃烧室侧的端部。在扩散器15中，经压缩的空气被分配。空气的大部分沿着环状燃烧室9导向用于冷却，接着与燃烧剂混合并借助环状燃烧空间17中的燃烧炉11通过形成的热工作介质19燃烧。工作介质19在涡轮机13中的热气通道21中流过导流叶片23和动叶片25。工作介质19的膨胀作用到固定在转子5上的动叶片25上并驱动它。作用到转子5上的转动能用于驱动发电机或发动机。
图1详细示出了设置在压缩机7和环状燃烧室9之间的扩散器15。其扩散器15从扩散器入口27首先在轴向朝着燃烧室9延伸。一流道29由在径向处于内部的内壁31和在径向处于外部的外壁33限定。两壁31、33在流体F的流动方向扩散。
在流道29的另一方向上，在扩散器15中与转子5同轴地设置一环状的且其横截面呈楔形的分配件35。
其分配件35具有在径向上处于内部的与内壁31相对的壁37和在径向上处于外部的与外壁33相对的壁39。其壁37与在径向上处于内部的内壁31一起形成分流41的分流通道45。另一分流43的另一分流通道47由壁39和在径向上处于外部的外壁33限定。
环状分配件35在其朝向流动流体F的前沿(leading edge)48上具有环状缝口49。
在径向上处于外部的壁33与壁39之间延伸一上支承件53，它呈筋条形或流线形。在壁37与径向上处于内部的内壁31之间延伸同样形状的下支承件55。借助支承件53、55其环状分配件35定位保持在环状扩散器15中。支承件53、55均是空心的。下支承件55一方面与环状缝口49连通且另一方面与同轴围住转子5的环状通道57连通。
从外面经其上支承件53，径向延伸一水管59，它从流动方向上看在环状缝口49下游的分配件35处终结。在朝向分配件35的水管59端部固定一喷嘴63。在远离其端部，水管59与水源连接。
穿过其上支承件53的另一燃烧剂管61延伸入分配件35并与通入第一分流通道45的通道连通。燃烧剂B可以被输入到燃烧剂管61。
在燃气轮机1工作时，由压缩机7压缩的作为流体F的空气经扩散器入口27流入扩散器15。楔形分配件35将流体F分成两束基本相等的分流41、43以及中部分流51。分流51在前沿48区域流入环状缝口通道49并在流体流动中被吸出或输出。
第一分流41被引向径向上处于内部的环状燃烧室壁，由此，分流41沿着燃烧室壁流动，对燃烧室壁进行冷却，并接着在燃烧炉11与燃烧剂混合。其混合物在燃烧室9中燃烧，形成加热工作介质19。
在另一分流通道47中流动的分流43在排出扩散器15后被引向径向上处于外部的环状燃烧室壁，并由此进入燃烧炉11同样与燃烧剂混合并接着在燃烧室17中燃烧，形成加热工作介质19。
中部的分流51流入分配件35并在其下支承件55的方向偏转，由此在转子5的方向穿过空心支承件55并进入环状通道57。其分流51作为冷却流体与旋转轴3平行地导入到涡轮机级中并用于冷却导流叶片23和动叶片25。
其中部分流51作为冷却流体使用会带来有利的特性。在流道29中的压缩空气特别是在扩散器15的径向上处于内部和外部的壁31、33区域很容易被颗粒污染，但在它们之间的中部分流基本没有颗粒。另外，在该区域在压力最高时温度最低，因此，其分流用于冷却在涡轮机中设置的叶片。
在环状缝口49下游通过水管49喷入的水H2O可以使得中部分流51的温度进一步降低。喷嘴62将水H2O雾化成小水珠，由此可以被简单地蒸发，吸收分流51中的热量。这样可以进一步减少所需要的冷却流体的量并由此还可以将在径向延伸的口特别是环状缝口49变窄。
与分流41混合的燃烧剂通过燃烧剂管61喷入。在冷却径向上处于内部的燃烧室壁时，其混合物被加热，这在燃烧时会对工作介质19中的NOx含量起到积极作用即减低NOx含量。在流动方向远位于分配流体F之后在分流通道45的下游区域输入燃烧剂B，由此避免燃烧剂B的回流并避免与分流51混合。
图2示出了在流动方向上观察的分配件35。其分配件35借助其下支承件55被支承在径向上处于内部的内壁上并借助其上支承件53支承在在这里未示出的径向上处于外部的外壁33上。壁37、39分别通过与其相对的扩散器15的壁31、33形成分流通道45、47。
其分配件35在其朝向压缩机7的一侧具有环状缝口49，它借助径向延伸的筋65被分段。
流体F在扩散器15中从压缩机7以分配件35方向流动并被分成三束分流41、43、51。
中部的分流51流入环状缝口49中并通过空心分配件35的内部结构转到转子5的方向，接着流过空心下支承件55并供给到环状通道57中，由此分流51在轴向被引导到涡轮机级中并用于冷却变热的导流叶片和动叶片，以便通过减低冷却空气的污染度，确定地延长回弹薄膜式冷却口的寿命。
权利要求
1.一种用于发电的燃气轮机(1)，包括一与转动支承的转子(5)同轴设置的轴流式压缩机，用于压缩吸入的气态流体(F)，其气态流体(F)的至少一部分在其下游的燃烧室中通过形成的热工作介质用于燃烧剂的燃烧；一在轴流式压缩机和燃烧室之间与转子(5)同轴设置的环状扩散器(15)，用于分配和转向流体(F)，其扩散器由外壁(33)和内壁(31)构成；一环状分配元件(35)，相对于转子(5)被共轴地设置，通过多个中空筋条形的支承件(55)被支承于壁(31，33)，其中在扩散器(15)中至少形成一朝着流体流动方向的开口，用于输出流体(F)的分流(51)；其特征在于其开口设置在朝向流动方向的分配件(35)的前沿(48)上，其开口由在外壁(33)和内壁(31)之间的中间区域的环状缝口(49)构成，用于输出作为冷却流体使用的分流(51)。
2.如权利要求1的燃气轮机(1)，其特征在于其环状缝口(49)沿圆周分段。
3.如权利要求1或2的燃气轮机(1)，其特征在于设置在扩散器(15)中的分配件(35)上游的流道(29)部分在流体(F)流动方向扩散。
4.如权利要求1-3之一的燃气轮机(1)，其特征在于其环状分配件(35)借助两支腿形壁(37、39)呈楔形构成且设置在扩散器(15)的两扩散壁(31、33)之间的中部，由此，它通过壁(37、39)和与其相对的扩散器(15)的壁(31、33)形成流体的环状分流通道(45、47)。
5.如权利要求4的燃气轮机(1)，其特征在于两分流通道(45、47)在其流动长度上的横截面基本相等。
6.如权利要求1-5之一的燃气轮机(1)，其特征在于在内部导向冷却流体的支承件(55)支承在径向上处于内部的内壁(31)上。
7.如权利要求1-6之一的燃气轮机(1)，其特征在于输出的分流(51)穿过内支承件(55)在转子(5)的方向被导引。
8.如权利要求1的燃气轮机(1)，其特征在于支承件(55)的空腔与径向进一步内置的环状通道(57)连通。
9.如权利要求1-8之一的燃气轮机(1)，其特征在于其流体是压缩空气。
10.如权利要求1-9之一的燃气轮机(1)，其特征在于具有喷嘴(62)的管(59)穿过外支承件(53)空腔延伸，其喷嘴(62)在流动方向通向所述开口的后面，并通过喷嘴(62)喷入液体，在冷却流中产生蒸发潜热。
11.如权利要求1-10之一的燃气轮机(1)，其特征在于一管(61)穿过外支承件(53)的空腔延伸，其管(61)通向设置在分配件(35)中的通道，该通道与径向上处于内部的分流通道(45)连通，使得燃烧剂(B)进入分流通道(45)。
12.如权利要求10的燃气轮机(1)，其特征在于其液体是水(H2O)。
13.发电用燃气轮机(1)的扩散器(15)，包括一扩散器入口(27)，在该扩散器入口(27)流体(F)的流动方向上跟随着扩散器出口，并在它们之间通过形成的流道扩散延伸径向上处于内部的内壁(31)和径向上处于外部的外壁(33)以及在它们之间与燃气轮机(1)的转子(5)同轴设置的环状分配件(35)由多个空心筋条形支承件(53、55)支承在壁(31、33)上；至少一开口，它用于输出流体(F)的分流(51)并对着流体流动方向在扩散器(15)中设置；其特征在于其开口设置在朝向流动方向的分配件(35)的前沿上，其开口由在外壁(33)和内壁(31)之间的中间区域的环状缝口(49)构成，用于输出作为冷却流体使用的分流(51)。
全文摘要
本发明涉及一种用于发电的燃气轮机(1)，包括一与转动支承的转子(5)同轴设置的轴流式压缩机，用于压缩吸入的气态流体(F)，其气态流体(F)的至少一部分在后置的燃烧室(9)中通过形成的热工作介质用于燃烧剂的燃烧；一在压缩机(7)和燃烧室(9)之间与转子(5)同轴设置的环状扩散器(15)，用于分配和转向流体(F)，其中流体的一部分借助在流动方向上设置的分配件(35)输出，作为环状燃烧室(9)后接的涡轮机级的冷却流体。为了使得扩散器(15)紧凑且通过流动技术分出用于冷却的空气而减低燃气轮机的成本，建议与转子(5)同轴设置的环状分配件(35)至少具有对着流动方向的开口且其分配件由多个空心的筋条形支承件(53，55)支承在扩散器(15)上，由此，借助其开口输出的冷却流体在转子(5)方向被导引。
文档编号F02C6/08GK1875222SQ200480023486
公开日2006年12月6日 申请日期2004年7月16日 优先权日2003年8月18日
发明者彼得·蒂曼 申请人:西门子公司