专利名称：燃气轮机的燃烧室结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于燃气涡轮机的燃烧室结构，其具有许多分立的燃烧室，它们伸进一共同的环形燃烧室并配置成一圆圈形状。本发明还涉及一种燃气涡轮机，其具有按照本发明设计的燃烧室结构。
背景技术：
燃气轮机既在发电领域中广泛应用，也广泛用作驱动喷气式飞机的装置。在燃气轮机中，空气/燃料混合物在燃烧室中被点燃，而由燃烧产生的炽热气流在涡轮机空间内膨胀，在那里热气流与包括各导向叶片和涡轮叶片的结构相接触，并推动配置在轴上的涡轮叶片转动，并因而轴本身转动。作为示例，用于发电的发电机现在可以借助于如此生成的转动能量工作。
由于空气/燃料混合物的燃烧导致很高的温度，在现代高效燃气轮机中可以超过大约2000℃，所以，涡轮机在燃烧室区域以及在流动方面随后的区域中必须加以冷却，以避免过热和因而对涡轮机材料的损害。
多种尝试的解决方案既在燃烧室结构方面，也在所需的冷却方面都是已知的。在燃烧室结构方面，首先公知是设置封闭环形空间形式的连续环形燃烧室，此空间经由一环形间隙开口到第一涡轮机空间内。在环形燃烧室中，空气/燃料混合物被点燃，而形成环状热气流，该气流经过间隙流进涡轮机空间中，在那里驱动涡轮叶片。这类解决方案的一项问题是，除了燃烧过程中不希望有的振动噪声之外，环形燃烧室受到空间限制。由于环形燃烧室完全容放在涡轮机壳体之内，所以燃烧室的容积就不能增大，或者只能在相当大的结构成本下予以增大。不过，这种容积增大是希望有的，以便先进的燃烧原理得以实施。
另外一种可能的燃烧室结构在于多部分技术方案。许多分立的燃烧室(公知为罐状燃烧室)围绕各分立燃烧室开口到其中的环形空间以圆圈的方式予以配置。环形空间用作下游环形燃烧室，以致实际的燃烧发生在两部分之内。空气/燃料混合物送入每一分立燃烧室内，并在分立燃烧室中被点燃。然后，燃烧在分立燃烧室内开始，并经由一过渡区域蔓延入环形燃烧室。在环形燃烧室中，来自分立燃烧室的气流结合起来形成环状气流，其本身又通入涡轮机空间，以驱动涡轮机叶片。这一类型的设计具有的优点是，空气/燃料混合物的燃烧可以在各分立燃烧室中被触发，并因而可以以局部受限的方式进行和控制。于是，有可能降低或避免燃烧时不希望的波动，后者与不希望有的噪音形成相关联。各分立燃烧室还可能伸出实际的涡轮机壳体，使得前者可以不依赖于涡轮机设计而构造并可以随需要而实际扩展。比如，为新颖和改进的燃烧原理所需的较大燃烧室容积可以在不使涡轮机的基本设计原理，特别是装在涡轮机壳体中的涡轮机的基本设计原理必须彻底修正的前提下予以实现。
现代燃气涡轮机一般借助于流体流，一般为冷却空气流予以冷却。在此情况下，基本上采用两种不同的原理。其中首先是所公知的冲击式冷却，其中冷却流体流被引导到有待冷却的表面上，冲击这一表面而促成冷却。第二种原理是对流冷却，其中，冷却流体吸收所生成的热量并通过对流使其弥散。冲击式冷却的缺点是，为了产生冲击有待冷却的表面的气流，需要一压力梯度。由于在现代燃气轮机中，由涡轮机获得的一些涡轮轴转动能量被利用，以压缩产生空气/燃料混合物所需的空气，而该空气也往往用作冷却流体，所以，如果必须额外产生一压降用于冷却目的，则会使涡轮机效率损失。对于最佳燃烧来说，高压下的进入空气是有利的，而因此任何压力损失都会降低燃烧效率。然而，对于有效的冲击式冷却，为了将相应的空气射流传送到有待冷却的表面上，高压损失是必须的。此外，在如可以用高压燃烧空气所达到的高效燃烧的情况下，会产生较高的温度，这导致冷却要求提高并因而当采用冲击式冷却时需要较高的压降。
在对流冷却的情况下情况是不同的，其中为了产生空气射流，并不需要较高的压降。这类冷却在涡轮机效率方面是有利的，但在这种冷却模式下，在冷却效率方面存在一些困难。比如，在对流冷却情况下，冷却流体，比如用于随后燃烧的进入的燃烧空气，必须能够流到有待冷却的各个区域而不受阻碍，以便形成充分的冷却效果。在许多燃烧室结构中，由于一些设计原因，达不到这一点，因此还常采用降低涡轮机效率的冲击式冷却。
美国专利4719748给出了在燃烧室结构中使用冲击冷却的一个示例，该燃烧室在带有开口到一环形空间内的分立燃烧室。在此文件中说明的冲击式冷却装置中，各分立燃烧室与燃气轮机的涡轮机分段之间的过渡区域由一冲击套筒围绕。在冲击套筒与过渡区域壁之间形成中间容积，而冲击套筒具有多个开口。冷却气体穿过这些开口流向过渡件的壁，冲撞此壁并因而起到冷却作用。此种类型的冷却原理要求冲击套筒外侧与内部容积之间具有一较高的压降，以便使冷却气体的射流流到过渡区域的壁的表面上，并在该位置提供用于冷却的冲击。如以上已经说明那样，这一压力损失降低了涡轮机的效率。
发明内容
在该现有技术基础上进行研究，本发明基于如下目的，即，进一步以如下方式开发在序言中所述的那种类型的燃烧室结构，即该燃烧室结构可以在尽可能放弃采用冲击式冷却的情况下，采用高效对流冷却方法冷却。
为达到这一目的，本发明提出，在序言中所述类型的燃烧室结构中，在通向分立燃烧室的过渡区域内的环形燃烧室具有周期性起伏的高度，并在相邻的分立燃烧室之间的区域内为最小。
以这种方式设计燃烧室装置使得通过所形成的从分立燃烧室到下游环形燃烧室的良好过渡，实现对热气体基本上更直线性地流动导引。此外，以这种方式设计环形燃烧室与分立燃烧室之间的过渡区域还使得用于对流冷却的冷却流体可以顺利地流到外侧上。
为了按照本发明来设计分立燃烧室与环形燃烧室之间的过渡区域，限定环形燃烧室的壁优选地是设计成波浪形状。在此情况下，环形燃烧室的壁以最大高度和最小高度的开口在过渡区域内交替形成的方式布置。
如果从形成有周期性起伏高度的过渡区域开始朝向在流动方面连接在燃烧室结构下游的涡轮机空间(延伸)的环形燃烧室连续地汇入圆周方向上高度一致的环形空间内，可以导致热气流平顺并和缓地分流。以这种方式，在过渡区域内从各分立燃烧室进入环形燃烧室的热气流均匀分布，并均质化而形成单一的环状气流。连续的过渡使得燃烧室结构内部的压力损失保持在较低水平上，使得可以获得较高的涡轮机效率。
为了能够达到合乎预定目标的对流冷却，按照本发明的更为良好的改进，提出燃烧室结构的壳体设计成双壳形式，且在内壳与外壳之间留有间隙空间，而外壳的形状以两个壳体之间的距离大致恒定的方式匹配于内壳的形状。采用这一类型的一种双壳壳体结构，可能实现对用于对流冷却的冷却剂的良好导引，内壳和外壳的形状意味着为冷却目的而在间隙空间中导引的冷却流体均匀地到达所有要被冷却的区域，从而确保最佳冷却。由于壳体内壳和外壳的形状，在环形燃烧室与分立燃烧室之间的过渡区域内，间隙空间均匀地转换成为分立的间隙空间，它们从在环形燃烧室两侧延伸的双环处围绕着各分立燃烧室。这种转换是连续地并以逐渐过渡方式发生的，因此，有可能冷却流体流动平缓地变换而没有大的压力损失。在这方面避免压力损失也有助于获得所需的涡轮机高效率。
最后，在环形燃烧室装置的优选结构中，分立燃烧室的横截面是圆环状的并优选地设计成圆柱形状。这一类型的分立燃烧室的横截面形状一方面代表对高效燃烧适宜的几何形状，而另一方面使热气流利用上述过渡区域从如此制成的分立燃烧室平稳地过渡到环形燃烧室内。
最后，本发明提供了一种采用如上所述的燃烧室结构的新型燃气轮机。
本发明的其他优点和特点将从以下参照附图对示例性实施例的详细说明显现，图中图1示出根据本发明的一种燃烧室结构的透视局部剖视图，该燃烧室结构在分立燃烧室与环形燃烧室之间具有波动的过渡区域；图2示出在图1剖面线II-II上截取的根据本发明的燃烧室装置的剖视图，此图说明了以凸缘方式装在燃烧室装置上的其他零部件；图3示出根据本发明的燃烧室结构的环形燃烧室的壳体内壳一部分的透视图，以及图4示出根据本发明的燃烧室结构的环形燃烧室的一部分外壳的透视图。
具体实施例方式
在这些图中，相同的零件配有相同的附图标记。
图1示出根据本发明的燃烧室装置1的局部剖面透视图。基本上布置成圆圈形状并为圆柱构造的多个分立燃烧室2开口在一共同的环形燃烧室3内。环形燃烧室3具有带外壳8和内壳6的双壳壳体。分立燃烧室的壳体也都具有双壳结构，带有相应的内壳5和外壳7(见图2)。为了操纵配备根据本发明的燃烧室结构1的燃气轮机，空气/燃料混合物送入每一分立燃烧室2内，在那里被点燃。在第一阶段中，随后，燃烧在各分立燃烧室2中发生，而然后也持续到共同的环形燃烧室3内。
燃烧期间形成的热气体膨胀并从分立燃烧室2开始扩展到环形燃烧室3内，而后经由在环形燃烧室3出口一侧上留出的间隙，朝涡轮机空间4(见图2)前进，在那里，它将机械能传递给涡轮机轴。
各分立燃烧室2与共同的环形燃烧室3之间的过渡区域具有波动的结构。环形燃烧室壳体的内壳6和外壳8二者都具有波动的形状。在涡轮机空间方向上，过渡区域的波动形状并入具有恒定高度的环形空间中。这种几何形状允许从各分立燃烧室2进入环形燃烧室3和最后进入涡轮机空间4均匀过渡(见图2)。以这种方式，有可能实现从燃烧室装置1流出而进入涡轮机空间4的非常均匀的流动，使得涡轮机高效地工作。具体地说，以这种方式，可能防止炽热气体在某些点处以集中方式进入涡轮机空间，这会导致在涡轮机中这些位置处的不希望有的温度峰值。因此，不需要加强位于涡轮机空间之内的叶片的冷却。
燃烧室结构1壳体的双壳结构在图2中是显而易见，此图以对应于图1的剖面线II-II的剖面的形式示出了通过燃烧室结构1的剖面。在此图示中，燃烧室装置1集成在燃气轮机中。此图再次图示了各分立燃烧室2、环形燃烧室3，并也图示了在流动方面连接于环形燃烧室3下游的涡轮机空间4。环形燃烧室3和各分立燃烧室2都为两件结构并以凸缘方式彼此连接。环形燃烧室3和各分立燃烧室2二者都具有双壳结构的壳体，分别带有内壳6或6，并分别带有外壳8或7。内壳5、6与外壳7、8之间留有间隙空间9。间隙空间9用于通过冷却流体，该冷却流体经过环形燃烧室3外壳8上的开口15进入。在本示例性实施例中，所用的冷却流体是用于随后燃烧的空气。这种空气经过开口15进入间隙空间9并分别沿着环形燃烧室3或各分立燃烧室2的内壳6或5流动。流动的空气用于燃烧室内壳5、6的对流冷却并最终以预热的形式流进各分立燃烧室2中。
在通向分立燃烧室2的过渡区域中的环形燃烧室3的内壳6和外壳8二者的波动结构导致用于对流冷却的空气从双环结构经由支柱连接的双环平缓地流进分立燃烧室2附近的多个小环中，没有形成在流动方面为不利的任何台阶或棱边。内壳6和外壳8的几何构型，及因此的从环形燃烧室3到各分立燃烧室2的过渡区域中间隙空间9的几何构型可将以对流方式的冷却气流均匀地带到有待冷却的所有炽热表面上，从而对流冷却作用达到最大。因此可以将使的压力损失最大并因此降低涡轮机效率的冲击式冷却保持在最低水平上。
图3和4各自示出环形燃烧室3内壳6和外壳8的部分结构透视图。可以看出，在通向环形燃烧室的过渡区域内，内壳交替地具有凹槽10和连接板(web)11，凹槽10的形状匹配于分立燃烧室2内壳5的形状。连接板11竖立在各分立燃烧室之间。凹槽10平缓地延伸到位于涡轮机空间方向上的端部12，变得较平较窄并最终伸进具有恒定高度的区域中。这个恒定高度的区域形成出口环形间隙，该出口环形间隙朝向涡轮机空间的方向。
在图4中环形燃烧室的一部分外壳8的透视图中，可以看到一些圆形开口13，它们在一圆弧上彼此邻接定位地布置，用于连接圆柱形分立燃烧室2。在各开口13之间，可以看到一些收缩部14，它们伸进已经留在各开口13之间的狭窄连接板16中。在组装燃烧室结构时，收缩部14位于连接板11附近。因此，在从环形燃烧室3到分立燃烧室2的过渡区域内，内壳6和外壳8形成类似波浪的表面，留下与波浪形结构类似的间隙空间，并且在开口13区域内合并入围绕分立燃烧室2的分立环形间隙内。
根据本发明的环形燃烧室结构首先导致从分立燃烧室经由环形燃烧室均匀并一致地导引热气流进入涡轮机空间，其次，由于同样的冷却气流的均匀、平缓的流动导引，导致有待冷却的燃烧室结构的炽热表面的对流冷却效率最高，使得压力损失最大并因此降低涡轮机效率的冲击式冷却被减至最小。除了新型的燃烧室结构之外，本发明还涉及利用这一燃烧室结构的燃气轮机。
权利要求
1.一种用于燃气轮机的燃烧室结构，具有多个分立的燃烧室(2)，它们开口到一共同的环形燃烧室(3)内，并基本上配置成圆圈形状，其特征在于，在通向分立燃烧室(2)的过渡区域中，环形燃烧室(3)具有周期性起伏并在相邻的各分立燃烧室(2)之间区域中最小的高度。
2.如权利要求1所述的燃烧室装置，其特征在于，在通向各分立燃烧室(2)的过渡区域内，环形燃烧室(3)的壁在环形燃烧室(3)圆周方向上设计成波动形式。
3.如权利要求1或2所述的燃烧室装置，其特征在于，从过渡区域开始到在流动方面为环形燃烧室(3)的下游的涡轮机空间(4)的环形燃烧室(3)的内部形状连续地并入在圆周方向高度恒定的环形空间中。
4.如上述权利要求中任一项所述的燃烧室装置，其特征在于，燃烧室结构的壳体为双壳结构，具有内壳(5，6)和外壳(7，8)，在间隙空间(9)的参与下，内壳(5，6)和外壳(7，8)配置成彼此离开一定距离，而内壳(5，6)和外壳(7，8)基本上彼此平行地延伸，彼此保持基本上不变的距离。
5.如上述权利要求中任一项所述的燃烧室装置，其特征在于，具有环形横截面的分立燃烧室(2)。
6.如权利要求5所述的燃烧室装置，其特征在于，圆柱形的分立燃烧室(2)。
7.一种燃气轮机，其特征在于如权利要求1至6中任一项所述的燃烧室结构(1)。
全文摘要
本发明公开了一种燃烧室结构。为了开发一种用于燃气轮机的燃烧室结构，该燃烧室结构具有多个开口到共同的环形燃烧室(3)内并以可利用对流冷却来高效冷却、同时也尽可能地放弃利用冲击式冷却方式配置成圆圈形状的分立燃烧室(2)，本发明提出在这种类型的燃烧室结构(1)中，在通向分立燃烧室(2)的过渡区域内，环形燃烧室(3)具有周期性起伏并在相邻的各分立燃烧室(2)之间区域内最小的高度。
文档编号F01D9/02GK1405496SQ02130530
公开日2003年3月26日 申请日期2002年8月14日 优先权日2001年8月14日
发明者彼得·蒂曼 申请人:西门子公司