专利名称：燃气轮机的燃烧室中间段的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃气轮机，包括一个燃烧室装置和一个连接在燃烧室装置下游的涡轮机腔室，其中，燃烧室装置由许多分别由进口段和收敛为导向涡轮机腔室的环形间隙的过渡段构成的单个燃烧室组成，以及，单个燃烧室的纵轴线相对于一条由涡轮机腔室的轴向伸展方向确定的机器轴线成一个夹角。
在先有技术中已知此类燃气轮机。借助一个总是连接在燃烧室装置单个燃烧室上游的燃烧器，点燃由燃料和含氧的可燃气体组成的混合物，混合物在燃烧室装置的单个燃烧室内燃烧。由燃料和可燃气体组成的混合物燃烧所产生的热燃气膨胀并朝连接在燃烧室装置下游的涡轮机腔室的方向加速。在这里，各单个燃烧室由一总体上圆柱形的进口段和一个过渡段组成，在该过渡段内，带有圆形横截面的热燃气流收敛为具有圆环扇形段形状的横截面的热燃气流，所以在多个单个燃烧室的末端形成一个总体上圆环形横截面的热燃气流。它进入涡轮机腔室并在那里与一个由导向叶片和工作叶片组成的叶片装置相撞击，热燃气流推动该叶片装置运动。借助该原理实现与工作叶片连接的涡轮轴的旋转，它可以应用于不同的目的，例如用于发电或推进喷气式飞机。
出自于结构方面的原因，燃烧室装置的单个燃烧室相对于由涡轮机腔室轴向伸展方向确定的机器轴线成一夹角。由于此角度，导致起先沿单个燃烧室轴线延伸的热燃气流必须朝机器轴线方向转向。
单个燃烧室的这样一种具有一个过渡到燃气轮机涡轮机腔室内的过渡区的装置已公开在US 4,719,748中。在其所公开的装置中，在单个燃烧室圆柱形入口段内产生的热燃气流，经该过渡段朝涡轮机腔室方向转向，其中，环形的导入涡轮机腔室内的进口间隙基本上与机器轴线同轴地定向。热燃气流从沿单个燃烧室相对于机器轴线成一角度延伸的轴线的方向转向为平行于机器轴线的方向，在此装置中的单个燃烧室过渡段内完成。为此，过渡段靠近涡轮轴方向的内壁和远离涡轮轴的外壁设计为有相应的转向，它们迫使热燃气流从平行于燃烧室轴线延伸的流动方向成为沿平行于机器轴线延伸的流动方向。在此方案中存在的问题是，在半径设计为比较小的转向区内，热燃气流在进口区撞击在单个燃烧室的壁上，使此壁遭受巨大的机械负荷和热负荷。这导致单个燃烧室在过渡段内被强烈加热，从而又要求加强冷却。在上述US 4,719,748中，这一点在过渡段区域内通过一种要求压力降的冲击式冷却来考虑。为了冷却单个燃烧室如此成形的过渡段所需要的压力降或所需要的附加的冷却气体的量，总体上降低了涡轮效率并因而认为是不利的。除此之外，在US 4,719,748中所表示的单个燃烧室的冷却需要更高的结构性费用，因为单个燃烧室沿其全长必须采用一种双壳式机匣。
从此现有技术出发，本发明的目的是创造一种燃气轮机，其中明显降低单个燃烧室过渡段内的热负荷和机械负荷并因而可以降低在此区域内的冷却要求。
为达到此目的，本发明建议，至少一个单个燃烧室的过渡段和涡轮机腔室的一个相应的进口区设计为，使从该至少一个单个燃烧室流入涡轮机腔室内的燃气流转向为沿机器轴线的方向基本上在涡轮机腔室的进口区内完成。
通过采用按本发明的单个燃烧室过渡段和涡轮机腔室进口区的设计，使热燃气流转向为沿机器轴线的方向不再几乎全部在单个燃烧室过渡段内进行，而是转移到主要在涡轮机腔室的进口区内进行，现在，设在涡轮机腔室进口区内的涡轮构件，尤其是设在那里的导向叶片受到与转向相关的机械负荷及热负荷。这些构件基于原本就存在的热应力因而设计为铸造件，与燃烧室通过变形构成的过渡区相比，能好得多地将由于燃气流转向产生的附加的热负荷排出。通过在过渡段区域内基本上直线导引热燃气流显著减轻了热负荷，从而能大大降低在此区域内的冷却耗费。由此，在过渡段内单个燃烧室的材料应力与现有技术相比降低，这在总体上对于该结构部分的耐久性和使用寿命起有利的作用。可以免去在冷却单个燃烧室过渡段方面大量付出这种可能性，使其结构设计变得更加容易并尤其允许有更大的设计自由度。
按本发明的一项有利的进一步发展，至少一个单个燃烧室的过渡段分别有一个靠近涡轮轴的内壁和一个远离涡轮轴的外壁，其中，单个燃烧室的内壁和外壁基本上直线地或和缓地朝机器轴线方向弯曲地延伸。朝机器轴线的方向和缓弯曲意味着是一种大半径的弯曲，此时，热燃气流的转向沿一个宽大的弧形进行，从而可在此区域内避免热负荷峰值。当过渡段的内壁或外壁基本上直线导引时，基本上完全取消了基于燃气流转向造成的热和机械的附加负荷。
按本发明的一项可能的设计，单个燃烧室过渡段的外壁基本上直线延伸，反之，内壁和缓地、亦即按大的半径弯曲延伸。
按本发明另一项有利的特征，在涡轮机腔室内设置具有基本上平行于机器轴线定向的导向叶片平台的导向叶片，其中，至少一个导向叶片平台在涡轮机腔室的进口区内朝燃烧室纵轴线方向折角地延伸。以此方式，使折角的或弯曲地延伸的导向叶片平台承担热燃气流转向的任务，并承受因转向产生的附加的热负荷和机械负荷。因为导向叶片如上面已提及的是铸件并且作为这种铸件具有杰出的导热能力，从而可以方便地排出在此部位因热燃气流转向产生的附加的热负荷并可以采取比较简单的冷却措施。
按本发明另一项有利的设计，为了单个燃烧室过渡段的进一步卸荷，导向叶片平台在进口区朝单个燃烧室的方向延长。以此方式热燃气流很早就已经可以撞击在导向叶片平台的延长区上并通过此部分朝机器轴线方向转向。此外，采用这样一种在涡轮机腔室进口区内朝单个燃烧室方向延长的导向叶片平台，可以增大热燃气流的转向半径，并由此可将转向所产生的热负荷及机械负荷分布在一个更大的范围内。
在本发明的燃气轮机另一种设计形式中，导向叶片平台在涡轮机腔室内采用内部和外部导向叶片平台的形式，其中，内部导向叶片平台设在涡轮轴附近，而外部导向叶片平台远离涡轮轴。为了热燃气流转向，在此所述至少一个内部和/或至少一个外部导向叶片平台可设计为朝机器轴线折角和/或延长。
若按本发明的另一项有利的进一步发展，规定单个燃烧室的横截面沿燃气流的方向基本上不变，则导致单个燃烧室在过渡段内进一步减小热负荷和机械负荷。通过沿热燃气流的方向避免横截面积减小，降低了在过渡段的区域内由于横截面变狭窄引起附加的单个燃烧室壁的热负荷和机械负荷。
优选地，在一台燃气轮机中所有的单个燃烧室和相应的进口区均设计为具有一个或多个上述特征。
本发明的其他特征和优点由下面借助附图对实施形式的说明中给出。其中
图1是按照本发明燃气轮机的第一种实施形式的单个燃烧室与涡轮机腔室之间的过渡段的局部视图；以及图2是按照本发明燃气轮机的第二种实施方式的单个燃烧室与涡轮机腔室之间的过渡段的与图1对应的局部视图。
在这些图中相同的部分采用同样的附图标记。
图1在第一种实施方式中表示了按本发明的涡轮机1的一部分。可以看出一个单个燃烧室3过渡到燃气轮机1的一涡轮机腔室2中。该单个燃烧室3本身由一进口段4和一过渡段5组成。在这里进口段4设计为有圆形截面的圆柱形，过渡段5将进口段4的圆形截面收敛为具有圆环扇形分段形状的横截面。在按本发明的燃气轮机1内排列多个这种单个燃烧室3，它们在过渡段5的出口侧确定出一个导入涡轮机腔室2内的环形间隙。
在单个燃烧室3上游连接有一燃烧器6，它点燃由含氧的可燃气体和燃料组成的混合物。真正的燃烧接着在燃气轮机1的单个燃烧室3内进行，在此过程中产生的热燃气沿单个燃烧室通过进口段4和过渡段5朝涡轮机腔室2的方向流动。单个燃烧室3沿轴向伸展方向基本上沿燃烧室轴线B延伸，燃烧室轴线设置为相对于沿涡轮机腔室2纵向定向的机器轴线M成一夹角。
由于单个燃烧室3相对于机器轴线M的这种成夹角的布局，要求在单个燃烧室3内产生的并朝涡轮机腔室2方向流动的热燃气流转向，使热燃气流平行于机器轴线M冲击在设在涡轮机腔室2内的导向叶片和工作叶片上。在现在这一布局中，这一转向基本上在涡轮机腔室进口处的进口区9内进行。在这里，单个燃烧室3过渡段5的一个远离涡轮轴的外壁8基本上直线延伸，它对于热燃气流不提供作用面。在此上部区内，热燃气流的转向通过朝单个燃烧室3方向折角的外部导向叶片平台10实施。在本实施方式中，靠近涡轮轴的内壁7和缓弯曲，也就是说具有大半径的弯曲弧形。沿此弧形完成热燃气流的第一次和缓的转向，此转向在去涡轮机腔室2的进口区9内结束。通过图示的单个燃烧室3的过渡段5和涡轮机腔室2进口区9这一系统的设计，使热燃气流主要的转向在涡轮机腔室2的进口区9内完成，进而使得由热燃气流转向所产生的热负荷大部分发生在涡轮机腔室2的进口区9内。在那里，热负荷尤其被导向叶片平台10和11承受，它们作为铸件有杰出的导热能力并因而可在没有对所述附加热负荷有附加的冷却费用高支出的情况下也能被冷却降温。由此可降低这样设计的单个燃烧室3且尤其是过渡段5所承受的热负荷，其结果是明显降低此区域内的冷却要求，并因而使此构件的结构简化和价格降低。
图2表示的本发明另一种实施方式与图1所示实施方式的区别在于，单个燃烧室3过渡段5内壁7′以及在涡轮机腔室2进口区9内的内部导向叶片平台11′有不同设计。在此实施方式中，除外部导向叶片平台10外，内部导向叶片平台11′也朝燃烧室3的方向弯曲，内壁7′也相应地更平坦。采取这些措施，热燃气流所需转向又进一步更多地从单个燃烧室4的过渡段5转移到涡轮机腔室2的进口段9内，并因而转移到燃气轮机1可承受热负荷的部分。这导致具有上述优点的单个燃烧室3的进一步卸荷。
在所表示的两种实施方式中，外部导向叶片平台10或内部导向叶片平台11或11′朝单个燃烧室3的方向延长，以便更好地保证单个燃烧室3在热燃气流转向的关键区域内的热卸荷。
本发明提供了一种燃气轮机，其中通过将热燃气流的转向朝涡轮机腔室2的方向转移实现了单个燃烧室3过渡段5的卸荷，这导致在此区域内可显著降低冷却要求。在本发明中承受热负荷的导向叶片平台作为铸件比成型燃烧室的冷却要简单得多，所以总体上降低了用于冷却要花费的费用。
权利要求
1.一种燃气轮机，其包括一个燃烧室装置和一个连接在燃烧室装置下游的涡轮机腔室(2)，其中，该燃烧室装置由许多单个燃烧室(3)构成，这些单个燃烧室(3)分别由进口段(4)和收敛为导向涡轮机腔室(2)的环形间隙的过渡段(5)组成，以及，所述各单个燃烧室(3)的纵轴线(B)相对于一条由涡轮机腔室(2)的轴向伸展方向确定的机器轴线(M)成一个夹角，其特征在于至少一个单个燃烧室(3)的过渡段(5)和所述涡轮机腔室(2)的一个相应的进口区(9)按这样的方式设计，即，使从该至少一个单个燃烧室(3)流入涡轮机腔室(2)内的燃气流转向为沿机器轴线(M)的方向基本上在涡轮机腔室(2)的进口区(9)内完成。
2.按照权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于所述至少一个单个燃烧室(3)的过渡段(5)具有一个靠近涡轮轴的内壁(7，7′)和一个远离涡轮轴的外壁(8)，其中，该内壁(7，7′)和外壁(8)基本上直线地或和缓地朝机器轴线(M)方向弯曲延伸。
3.按照权利要求2所述的燃气轮机，其特征在于所述过渡段(5)的外壁(8)基本上直线延伸。
4.按照权利要求2或3所述的燃气轮机，其特征在于所述过渡段(5)的内壁(7，7′)按大半径和缓弯曲地延伸。
5.按照上述任一项权利要求所述的燃气轮机，其特征在于设在涡轮机腔室内的导向叶片具有基本上平行于机器轴线(M)定向的导向叶片平台，其中，至少一个导向叶片平台(10，10，11′)在涡轮机腔室(2)的进口区(9)内朝燃烧室纵轴线(B)的方向折角。
6.按照权利要求5所述的燃烧室，其特征在于至少一个导向叶片平台(19，11；11′)在涡轮机腔室(2)的进口区(9)内朝单个燃烧室(3)的方向延长。
7.按照权利要求5和6所述的燃气轮机，其特征在于在涡轮机腔室内设有靠近涡轮轴的内部导向叶片平台和远离涡轮轴的外部导向叶片平台；以及，在涡轮机腔室(2)的进口区(9)内至少一个内部导向叶片平台(11；11′)和/或至少一个外部导向叶片平台(10)沿燃烧室纵轴线(B)的方向折角和/或朝单个燃烧室(3)的方向延长。
8.按照上述任一项权利要求所述的燃气轮机，其特征在于所述单个燃烧室(3)的横截面沿燃气流方向基本上不变。
9.按照上述任一项权利要求所述的燃气轮机，其特征在于所有单个燃烧室(3)的过渡段(5)和涡轮机腔室(2)所有相应的进口区(9)设计为，使从单个燃烧室(3)流入涡轮机腔室(2)内的燃气流转向为沿机器轴线(M)的方向基本上在涡轮机腔室(2)的进口区(9)内完成。
全文摘要
本发明涉及一种燃气轮机(1)，其包括一个燃烧室装置和一个连接在燃烧室装置下游的涡轮机腔室(2)，其中，该燃烧室装置由一些分别由进口段(4)和收敛为导向涡轮机腔室的环形间隙的过渡段(5)构成的单个燃烧室(3)组成，以及，单个燃烧室的纵轴线(B)相对于一条由涡轮机腔室(2)的轴向伸展方向确定的机器轴线(M)成一个夹角。为了改善这种燃气涡轮，明显降低单个燃烧室在过渡段内的热负荷和机械负荷，并因而能降低在此区域内的冷却要求，本发明建议，至少一个单个燃烧室(3)的过渡段(5)和涡轮机腔室(2)的一个相应的进口区(9)设计为，使从该至少一个单个燃烧室(3)流入涡轮机腔室(2)内的燃气流转向为沿机器轴线(M)的方向基本上在涡轮机腔室(2)的进口区(9)内完成。
文档编号F23R3/42GK1549886SQ02817050
公开日2004年11月24日 申请日期2002年8月28日 优先权日2001年9月3日
发明者彼得·蒂曼, 彼得 蒂曼 申请人:西门子公司