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CN1258643C - 燃气轮机 - Google Patents

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CN1258643C CNB021186871A CN02118687A CN1258643C CN 1258643 C CN1258643 C CN 1258643C CN B021186871 A CNB021186871 A CN B021186871A CN 02118687 A CN02118687 A CN 02118687A CN 1258643 C CN1258643 C CN 1258643C
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Abstract

本发明涉及一种燃气轮机(5)，它具有一个主燃烧室(10)，一个至少用于空气冷却所述燃气轮机(5)各分级(25，27)的导向叶片(26，29)和导向环(28，38)的冷却系统和/或一个主气道。沿热燃气主流向(H)，在所述主燃烧室(10)后面设置一个副燃烧室(34)，并向该室内送入已用于冷却位于所述副燃烧室(34)前面的燃气轮机(5)分级(25)的冷却空气(15)。特别优选的是，用于冷却燃气轮机(5)的各个分级(25，27)的冷却空气(15)也被用于发挥助燃作用。这样可实现燃气轮机(5)的功率提升，而无需增加燃料输入量。

Description

燃气轮机
                         技术领域
本发明涉及一种燃气轮机，它具有一个燃烧室，一个用于空气冷却所述燃气轮机各分级的至少一个导向叶片和导向环的冷却系统和一个主气道。
                         背景技术
美国专利文献US-PS 5,083,422中描述了一种用于飞机发动机的燃气轮机。这种燃气轮机具有一个燃烧室，燃烧室内引入压气机压缩的冷却空气，所述冷却空气的绝大部分供燃烧室内设置的燃烧器进行燃烧用。另一部分冷却空气用于冷却燃烧室内腔对面的燃烧室内壁。在燃烧室内设置有燃烧器的区域内，燃烧室的内壁被一个外壳包围，外壳上具有流通冷却空气的孔。所述内壁本身在该区域内具有不透气结构。
所述另一部分冷却空气穿过所述内壁的外壳上的孔进入，并且以这种方式冷却位于燃烧室内腔对面一侧的内壁。该内壁上还有一个孔，通过该孔使穿过外壳上的孔流入的冷却空气进入内腔，使得冷却空气能够与内腔里面流动的热燃气相混合。这样便可保证用于冷却燃烧室侧壁的空气随后能够被用于燃烧。在总体上不仅用于冷却燃烧室，而且使为燃烧所提供的空气量，根据燃气轮机上能够产生的功率，得到了更好的充分利用，因为冷却空气对于燃烧而言没有“损失”。此外在燃气轮机的燃烧室侧壁上，通常还要在工作期间至少对导向叶片和导向环进行冷却。为此通常同样采用冷却空气，并使其流过和/或经过所述的部件。至于将这部分冷却空气用于燃烧，则在上述文献中没有说明。
该冷却空气并不能顺利地用于燃烧，因为冷却空气在其冷却路径上损失了过多的压力，可能已无法返回燃烧室，在燃烧室内实现助燃。
上述已有技术并没有提供如何将至少冷却导向叶片和导向环的冷却空气同样用于燃烧的解决方案。
                     发明内容
本发明所要解决的技术问题是，将所有可供支配的空气量在一多级燃气轮机中更好地加以利用。此外本发明所要解决的技术问题还在于采用简单的手段来改善燃气轮机的功率。本发明的另一个所要解决的技术问题是，降低燃气轮机的有害物质排放。
以上技术问题的解决方案是提供一种燃气轮机，它具有一个主燃烧室，一个用于空气冷却所述燃气轮机各分级的至少一个导向叶片和/或导向环的冷却系统和一个主气道，沿热燃气的主要流向，在所述主燃烧室后面设置一个副燃烧室，并向该室内送入用于冷却位于所述副燃烧室前面的燃气轮机分级的冷却空气。
燃气轮机，特别是用于产生电能的燃气轮机大多包括若干由导向叶片和工作叶片构成的分级，从而将热烟气内包含的能量逐级抽出，尽可能有效地将其转换成旋转动能，并且在用于发电的情况下，通过涡轮机后面连接的发电机转换成电能。
当热燃气穿过燃气轮机的某级时，热燃气仅将其能量的一部分传递给该级的工作叶片，所以热燃气穿过该级后始终还具有能够转换成转动能的能量可供支配。因此在公知的燃气轮机中有多级前后串联，从而尽可能充分利用热燃气的能量。燃气轮机例如可以包括3级，如一个高压级，一个中压级和一个低压级。每级的导向叶片和工作叶片以及导向环，其结构和设计均要与各级上的压力状况匹配。为了避免这些部件上出现热过载，至少要用冷却空气对每级的导向叶片和/或导向环进行冷却。为了不使该冷却空气在燃烧中损失掉，根据本发明将这部分冷却空气送入副燃烧室，以便在燃烧中利用，该室位于热燃气方向上的主燃烧室后面。
在所述副燃烧室内产生的热燃气随后被送入燃气轮机的下一级。
本发明通过这种方式，用于冷却燃气轮机某一级的冷却空气可以用在副燃烧室内的燃烧中，所以总体上利用了尽可能多的冷却空气用于燃烧。
通过以上方式可以实现多级涡轮机的功率提升，因为用于冷却某一级涡轮机的冷却空气被用于副燃烧室的燃烧，从而额外提供了驱动下一级涡轮机的能量，而无需扩大涡轮机空气供应系统的尺寸。
此外，根据本发明还能够实现将迄今为止所需的燃料分配给两个燃烧室。也就是说，为实现功率提升，不需要提高燃料的输入量。如果增加燃料输入量，则将会增加与温度相关的有害物质排放，例如氮氧化物。所以在通过本发明实现功率提升时，不必担忧有害物质排放会增加。
另外，涡轮机叶片不会由于所实现的功率提升而增加很大的热负荷，因为功率提升并不需要增加燃料输入量，而后者则会升高工作温度，从而导致燃气轮机各级的热负荷增加。
在本发明的一个优选方案中，所述副燃烧室在热燃气主方向上与主气道汇合的位置是处在前一个分级之后，在后一个分级之前。
流经设置在副燃烧室之前的一个燃气轮机分级的热燃气，在流经设置在副燃烧室之后的一个燃气轮机分级之前，可与副燃烧室内产生的热燃气相混合。这种混流例如在其中存在的温度和压力分布方面实际上是均匀的，所以后一个分级的导向叶片和工作叶片以及导向环受到均匀的载荷作用。
所述副燃烧室优选具有一个封闭的冷却系统，向该系统内送入用于冷却所述燃气轮机的前一个分级的冷却空气。所述副燃烧室的这种冷却系统例如可按以下方式构成，所述副燃烧室的内壁被一个外壁包围，因此在所述副燃烧室的内壁和外壁之间构成一个间隙，它可作为封闭的冷却空气系统内的冷却空气通道。
冷却空气流过或经过设置在副燃烧室之前的燃气轮机分级的部件，例如导向叶片和/或导向环后，接着被送入副燃烧室的封闭冷却空气通道内。此时冷却空气对副燃烧室的燃烧室内壁的外侧进行冷却，因为它沿此外侧经过。
冷却空气穿过内壁上的至少一个孔，从封闭的冷却空气系统进入副燃烧室的燃烧腔，此处它与由一个压气机产生且进入所述副燃烧室的气流相混合，并用于燃烧。
所述副燃烧室的封闭式冷却系统提供的优点是，冷却所述副燃烧室内壁的外侧时，空气不会损失，否则损失的空气将无法用于副燃烧室内的燃烧。通过该方式可以改善副燃烧室的效率。
在本发明的另一个优选的方案中，向所述封闭的冷却系统内还送入用于冷却热燃气主方向上位于所述副燃烧室后面的燃气轮机分级的冷却空气。
燃气轮机每级的重要部件，例如导向叶片和导向环必须在运行中防止受到热过载，因此必须进行冷却。为了将冷却设置在副燃烧室之后的燃气轮机分级的冷却空气用于副燃烧室内的燃烧，同样将该冷却空气送入副燃烧室的封闭式冷却系统，随后用于副燃烧室内的燃烧。
通过该方式提高了副燃烧室的效率。
所述冷却空气最好通过一个溢流管送入位于所述副燃烧室后面的分级，该溢流管与位于所述副燃烧室前面的分级连通。
这样可保证用于冷却两个所述分级的冷却空气，在两个分级区域内实际上具有相同的压力状况。通过该方式可以对分别冷却所述分级之一的冷却空气分量进行输送，该冷却空气实际上以相同的分量进入副燃烧室用于燃烧。
如果在两路所述冷却空气气流之间出现了一个不容忽视的压力差，则两路气流之一可能会将另一路顶回，使后者无法或只有一部分用于副燃烧室内的燃烧。因此本发明的一个改进在于进一步提高燃烧效率。
所述副燃烧室优选设置在两个隔离板之间，该隔离板将所述副燃烧室和与其相邻的其中充满由压气机产生的压力气体的涡轮机区域隔开。
在设置在副燃烧室之前和之后的燃气轮机分级的区域内，与副燃烧室区域相比较存在的不同压力关系，可使冷却空气优选从上述涡轮机分级的区域出发，进入副燃烧室所在的区域内；所述隔板可保证所述区域之间的压力不平衡，从而保持存在一个压力降。
                          附图说明
下面对照附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
附图表示本发明所述燃气轮机的燃烧室结构。
                        具体实施方式
燃气轮机5包括一个主燃烧室10，其燃烧室内腔通过一个燃烧室内腔壁11a封闭。主燃烧室10与外界由一个燃烧室外壁11b隔开，使得燃烧室内腔壁11a和燃烧室外壁11b之间形成一个冷却空气通道20。
在燃气轮机5工作过程中，由压气机产生的压气机气体混合物12被送入主燃烧室10，在该室内通过未画出的位于主燃烧室10内的燃烧器进行燃烧，形成热燃气混合物，然后该热燃气混合物顺序驱动涡轮机分级25和27的工作叶片30和32。
在主燃烧室10的冷却空气通道20内送入冷却空气15，对燃烧室内壁11a背向主燃烧室10的一侧进行冷却。所述冷却空气15穿过孔16进入主燃烧室10的内腔，从而作为氧气的供应载体产生助燃作用。冷却空气15还通过一个扩散器17被引向涡轮机分级25的导向叶片26，将导向叶片26冷却。从导向叶片26流出的冷却空气随后经过导向环28，将其冷却。
在主燃烧室10的后面是一个沿热燃气主方向H布置的副燃烧室34。
冷却空气15被引入所述副燃烧室34的冷却空气通道35。
一路压气机气体混合物14被引入所述副燃烧室34，以在此处通过未画出的燃烧器实现燃烧，形成一路副热燃气流，它沿方向N从副燃烧室34排出。
冷却空气15在副燃烧室34的冷却空气通道35内穿过孔37进入副燃烧室34的内腔，并在此处作为氧气的供应载体起到助燃作用。
冷却空气15经一个溢流管40被引入另一个涡轮机分级27。冷却空气在此处沿导向环28流动，并将其冷却，随后进入导向叶片29。此后冷却空气15从导向叶片29的一侧排出，该侧也曾引入过冷却空气。
从导向叶片29排出的冷却空气15随后进入副燃烧室34的冷却空气通道35内。由导向叶片29进入冷却空气通道35的冷却空气15分量穿过孔37，在副燃烧室34的内腔里产生助燃作用。
除了所述经过导向叶片的冷却空气通路外，如图中的实施例所示，冷却空气15还被导入工作叶片30、32，并将其冷却。冷却空气15在此情况下被工作叶片30、32的自由端反射，并且从相应的工作叶片的同一侧排出，该侧即为冷却空气进入的一侧。在其排出的位置上，冷却空气经一个通道输入导向叶片29，然后穿过该导向叶片29随后进入副燃烧室34的冷却空气通道中。从此处出发穿过出口37进入副燃烧室的燃烧腔内。
所述副燃烧室34以其副热燃气通道45在分级25后面汇入主热燃气通道40中。在此处，沿方向N流动的由副燃烧室34产生的副热燃气流与沿方向H流动的由主燃烧室10产生的主热燃气流混合在一起。
该混合气流经过涡轮机分级27的导向叶片29，驱动涡轮机分级27的工作叶片32转动。
在本发明的附图所示的实施例中，实际上所有用于冷却涡轮机分级25和27的冷却空气15在冷却过程完成后，均被用于助燃。因此特别实现了燃气轮机的功率提升，而无需提高燃料输入量。此外，尽管燃气轮机得到功率提升，也不会增加叶片的热负荷以及有害物质排放，特别是氮氧化物的排放。在许多情况中，通过本发明所述燃气轮机甚至可以实现减小叶片的热负荷以及降低有害物质的排放。

Claims (5)

1.一种燃气轮机(5)，它具有一个主燃烧室(10)，一个至少用于空气冷却所述燃气轮机(5)各分级(25，27)的导向叶片(26，29)和导向环(28，38)的冷却系统和/或一个主气道，其特征在于，沿热燃气主流向(H)，在所述主燃烧室(10)后面设置一个副燃烧室(34)，并向该室内送入已用于冷却位于所述副燃烧室(34)前面的燃气轮机(5)分级(25)的冷却空气(15)，所述副燃烧室(34)具有一个封闭的冷却系统(35)，向该系统内送入用于冷却所述燃气轮机(5)的位于所述副燃烧室(34)前面的前一个分级(25)的冷却空气(15)。
2.如权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，所述副燃烧室(34)沿热燃气主流向(H)与主气道汇合的位置是处在前一个分级(25)之后，在后一个分级(27)之前。
3.如权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，向所述封闭的冷却系统(35)内还送入用于冷却沿热燃气主流向(H)位于所述副燃烧室(34)后面的燃气轮机(5)分级(27)的冷却空气(15)。
4.如权利要求3所述的燃气轮机，其特征在于，所述冷却空气(15)通过一个溢流管(40)送入位于所述副燃烧室(34)后面的分级(27)，该溢流管与位于所述副燃烧室(34)前面的分级(25)连通。
5.如权利要求1至4中任一项所述的燃气轮机，其特征在于，所述副燃烧室(34)设置在隔离板之间，该隔离板将所述副燃烧室(34)和与其相邻的其中充满由压气机产生的压力气体的涡轮机区域隔开。
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