具有冷却套管的燃烧室制造技术

本发明专利技术涉及具有冷却套管的燃烧室。本发明专利技术涉及燃烧室(26)，其包括套管区段(15)，套管区段(15)至少部分地封闭导管壁(10)，以沿着导管壁(10)的外表面在套管区段(15)和导管壁(10)之间的通道中导引冷却气体(16)。套管区段(15)具有从导管壁(10)朝外的一个主入口开口(17)，其中，主入口开口(17)的横截面积大于通往套管区段(15)的所有冷却开口的横截面积的总和的70%。本公开进一步包括这种燃烧室(26)的燃气涡轮(1)。

【技术实现步骤摘要】

本公开涉及用于燃烧室的冷却组件，更特别地，涉及具有沿着燃烧室的壁来导引冷却气体的冷却套管的组件。
技术介绍
功率发生循环的热力学效率取决于其工作流体的最高温度，在例如燃气涡轮的情况下，最高温度是离开燃烧器的热气的最高温度。热气的最高可行温度受到燃烧排放的限制，也受到与这个热气接触的金属的运行温度极限的限制，而且受到将这些部件冷却到它们的金属温度极限以下的能力的限制。冷却形成高级重型燃气涡轮的热气流路径的热气导管壁是困难的，而且目前已知的冷却方法都有性能损失，即，导致功率和效率降低。冷却暴露于热燃烧气体的燃烧器壁对于确保燃气涡轮的寿命是至关重要的。已经提出了用于沿着燃烧室壁导引冷却气体的冷却套管。例如已经在EP 13190131中公开了以冲击冷却沿着燃烧室导引冷却气体的一系列套管。为了对导管进行冲击冷却，在离导管的外表面不远处设置套管。冲击套管包含孔阵列，压缩冷却气体通过孔阵列排出，以产生空气射流阵列，其冲击在导管的外表面上，并且冷却外表面。在冲击之后，冷却气体在由导管和冲击套管界定的冷却路径中流向导管的一端。必须从围绕燃烧室的所有周向方向提供冲击冷却。用以供应套管冷却的充足冷却气体供应可能是困难的，因为包围燃气涡轮中的燃烧器组件的稳压室中的空间有限。这些空间约束可导致用于套管冷却的供应通道中的横截面小，这又会提高冷却组件的压降。压降提高会导致冷却气体供应压力要求相应地提高，这对于燃气涡轮的整体性能是有害的。
技术实现思路
本公开的目标是提出一种允许在冷却气体流中的压降低的情况下高效地冷却导管壁的燃烧室。在此语境中，燃烧室可包括燃烧器的发生燃烧的区段。它还可包括所谓的过渡区。这是在主燃烧区下游的区域，在该区域中，燃烧器的横截面积沿下游方向在燃烧区和将热气流导引向涡轮入口的出口之间逐渐减小。如果燃烧器安装在吸气式燃气涡轮中，则冷却气体可为已经被燃气涡轮的压缩机压缩的空气。冷却气体可为任何其它气体或气体混合物。对于烟道气再循环到压缩机入口中的燃气涡轮，例如它可为空气和烟道气的混合物。公开的燃烧室包括套管区段，套管区段至少部分地封闭导管壁(也被称为燃烧室壁)，用于沿着导管壁的外表面导引套管区段和导管壁之间的通道中的冷却气体。导管壁本身在运行期间导引热气流路径中的热气流，热气流路径具有上游端和下游端。套管区段具有一个主入口开口，主入口开口从导管壁朝外，以将冷却气体供应到冷却通道中。主入口开口的横截面积大于通往套管区段的所有冷却开口的横截面的总和的70%。在另一个实施例中，主入口开口的横截面积甚至大于通往套管区段的所有冷却开口的横截面积的总和的80%。当安装在燃气涡轮中时，燃烧室的单个主入口开口可定向成使其面向压缩机稳压室中出现最高压力且得到充足的冷却气体馈送，以对套管和导管壁之间的冷却通道进行馈送的区域。根据特定实施例，主入口开口是唯一通往套管区段的冷却开口。根据燃烧室的另一个实施例，主入口开口朝向燃烧器的一侧定向。此语境中的一侧表示例如在燃烧室具有长方形或梯形横截面的情况下，主入口开口仅从燃烧室的一侧向夕卜，其它三侧是封闭的。在实际上为圆柱形或卵形的情况下，一个开口以相对于燃烧室的纵向轴线为例如可小于90°或小于60°的开度角朝一方向打开。当安装好时，主入口开口例如可面向燃气涡轮的轴线。根据燃烧室的另一个实施例，主入口开口的定向垂直于燃烧器的轴向延伸。为了允许在套管和导管壁之间的冷却通道中良好地分配冷却气体，主入口开口的若干有利几何形式是可行的。根据一个实施例，主入口开口具有圆形形状。圆形形状可用来沿所有方向从入口开口均等地分配冷却气体。根据燃烧室的另一个实施例，主入口开口具有长方形形状。长方形主入口开口可布置成使得较大的延伸垂直于燃烧室的轴向延伸。根据燃烧室的又一个实施例，主入口开口具有三角形形状。三角形形状例如可具有定向成垂直于燃烧室的轴向延伸的底边，并且其它两边以一角度沿上游方向延伸，即，三角形主入口开口的高度平行于燃烧器的轴向延伸。冷却气体可朝侧部馈送，以及沿上游方向从沿上游方向定向的这两侧馈送。根据又一个实施例，主入口开口具有肾形。肾形冷却开口可具有连接主入口开口的两个圆形扩大部的基线，其中，基线在垂直于燃烧器的轴向延伸的导管壁的表面上沿周向方向延伸。换句话说，肾形的长边可垂直于燃烧室的轴向延伸而延伸。肾形的横截面朝燃烧室的侧部增大，因而允许大量冷却气体流到燃烧室的两侧，这对于将冷却气体供应到与主入口开口相对的冷却通道区段可为有利的。在燃烧室的另一个实施例中，套管和导管壁之间的冷却通道的高度沿周向方向围绕燃烧室和/或沿燃烧室的轴向方向从主入口开口减小。随着离主入口开口的距离增加，如果流通道的高度恒定，则有效流面积增加。为了使通道中的流速保持恒定，流通道的高度必须随离主入口开口的距离的增加而减小，直到冷却气体相对于燃烧室的轴向延伸沿周向方向围绕燃烧器壁分布。在达到最小高度之前，冷却通道的高度例如可为离主入口开口的几何中心的距离的线性函数。在达到最小高度之后，高度可保持恒定。在已经达到最小高度之后，通道高度也可再次增加，以补偿在冷却气体沿着热导管壁流动时被加热所引起的体积流增加。可选择通道高度的增加量，使得流速实际上保持恒定。在燃烧室的另外的实施例中，主入口开口包括钟形口，以在运行期间回收流入的冷却气体中的动压力。典型地，燃气涡轮的压缩机稳压室中流入的冷却气体具有高速度。可至少部分地回收流入的气体中的动能，并且通过钟形口将其用来提高冷却气体的静压力。在燃烧室热传递的另一个实施例中，在导管壁上应用增强器。备选地或者另外，可在套管区段上应用热传递增强器。热传递增强器会提高导管壁的热传递和冷却。导管壁上的面向冷却通道那一侧的热传递增强器典型地可比套管上的热传递增强器更好地提高热传递。但是，由于制造和成本原因，在套管上应用热传递增强器可为有利的。热传递增强器例如可为紊流器。在许多可行形状之中，紊流器可具有90°弯头、V形，或者W形，以加强热传递。另外或者备选地，可应用销场或粗糙表面作为热传递增强器。另外或者结合起来，冷却气体可通过辅助入口开口供应，以局部地冷却热负载高的区域，或者冷却通道中的冷却气体不足的区域。另外或者结合起来，冲击冷却孔可用来局部地冷却热负载高的区域，或者冷却通道中的冷却气体不足或不合适的区域。根据一个实施例，导管壁的不到20%的可用冷却质量流量可用于进行冲击冷却和/或辅助冷却。在燃烧室的又一个实施例中，用于导引冷却气体的一个肋布置在套管和导管壁之间的通道中。根据另一个实施例，肋至少部分地沿周向方向围绕燃烧器延伸，以将冷却气体从主入口开口那一侧导引到燃烧器的相对的侧。这种肋例如可沿周向从主入口开口围绕导管壁延伸。肋也可将冷却气体流分成两个流向。例如冷却流可分成沿轴向方向的第一局部流和沿围绕导管壁的周向方向的第二轴向流。也可使用肋来使冷却气体流转向或弯曲。例如流首先可沿围绕燃烧器的周向方向导引，然后转弯转向到与燃烧室中的热气的主流方向逆流的方向。在燃烧室的另一个实施例中，在肋中引入孔口，以允许有从冷却通道的在肋的一侧的第一区段到冷却通道的在肋的另一侧的第二区段的交叉流。如果冷却通道的第一区段中的压力高于第二区段，则这种孔口可为有利的。这种压差例如是由于从主入口开口到孔口的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃烧室(26)，其包括套管区段(15)，所述套管区段(15)至少部分地封闭导管壁(10)，以沿着所述导管壁(10)的外表面在所述套管区段(15)和所述导管壁(10)之间的通道中导引冷却气体(16)，其中，所述导管壁(10)在运行期间导引热气流路径中的热气流(9)，所述热气流路径具有上游端和下游端，其特征在于，所述套管区段(15)具有从所述导管壁(10)朝外的一个主入口开口(17)，其中，所述主入口开口(17)的横截面大于通往所述套管区段(15)的所有冷却开口的横截面积的总和的70%。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：MT茂雷，U本兹，B邦库特，
申请(专利权)人：阿尔斯通技术有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH