專利名稱：燃氣輪機的開路冷卻的構件、燃燒室和燃氣輪機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種燃氣輪機的開路冷卻的構件，它有遭遇熱燃氣的外壁，外壁至少部分構成用于第一種介質的第一空腔的邊界以及在此外壁內設有一些通孔，這些通孔一方面通入空腔內以及另一方面通入熱燃氣腔內，以及，有至少一個第二空腔用于摻合第二種介質，第二空腔與通孔處于流通連接狀態(tài)。此外，本發(fā)明涉及一種燃燒室和一種燃氣輪機。
燃燒室壁和燃氣輪機葉片在燃氣輪機按規(guī)定運行時承受高的物理負荷。為了使燃燒室和葉片能耐受此高的負荷，規(guī)定冷卻這些構件。若采用空氣作冷卻劑，則從連接在燃燒室上游帶有擴壓器的壓氣機提取空氣，而這些空氣不再參與燃燒過程。其結果是提高了火焰溫度和NOx排放量。
燃燒室壁或開路式或閉路式冷卻。在這里開路冷卻設計為對流冷卻、氣膜冷卻或通過在燃燒腔內冷卻空氣排出進行沖擊冷卻。閉路式冷卻需要較高的結構性費用以及由于冷卻空氣導引和冷卻本身導致高的壓力損失。
為了減小這種提取冷卻空氣引起的負面效應，已知要添加燃料。按先有技術這已知稱為冷卻空氣再加熱或按一種擴展的意義也稱分級燃燒。
對此，US 5125793公開了一種燃氣輪機的渦輪葉片，它有一個圍繞一個空腔的雙層壁式外壁。在此雙層壁式外壁內設空氣的流動通道。液態(tài)燃料在空腔內流動，燃料通過通孔噴入處于雙層壁內的流動通道中，并在那里遭遇催化劑。通過催化劑將燃料吸熱地分解成至少一種可以燃燒的氣體從而冷卻葉片?？諝鈱⒋藲怏w輸送到一個出口，此混合物從那里流入渦輪并可以在那里燃燒。
此外，由US 6192688已知一種燃氣輪機燃燒室，它有許多空心的浮裝的輻條，在它們的空腔內流動一種燃料?？涨煌ㄟ^一些孔與燃燒腔連接。在一個設在輻條外壁內的供應通道中將附加的空氣導向這些孔，以便與燃料結合得到一種可燃燒的混合物，在燃氣輪機運行期間混合物供入燃燒室內以減少NOx。
這些已知設計方案的缺點是，為了摻混冷卻空氣和燃料需要提供一個容積，在該容積內反應組分可能通過自燃或回火在構件內點燃。因此在有些情況下形成穩(wěn)定的燃燒過程，從而會失去燃料空氣混合物的冷卻作用，或可能由于在內部發(fā)生的燃燒導致構件損壞。
因此本發(fā)明的目的是提供一種燃氣輪機構件、燃燒室和燃氣輪機，用它們可以減少上述缺點。
此目的通過權利要求1的特征達到。在從屬權利要求中給出本發(fā)明其他有利的設計。
本發(fā)明基于如下考慮即，使冷卻劑和燃料在相互獨立的通道內分別進行導引。因此，這兩種介質摻合成一種可燃混合物要在吹入熱燃氣前不久才實施。由此避免此可以燃燒的混合物在構件本身內，亦即在流動通道外部和/或在燃燒室外部，通過回火或自燃被點燃。
為達到這一點，令第二空腔通過設在外壁內的供應通道構成，它們通過橫向通道與設計為直通孔的通孔連接，所以兩種介質要在直通孔內部才能混合。
此外，本發(fā)明建議了一種用于燃氣輪機的帶有一種壁元件的燃燒室，該壁元件有一種如前所述的結構。
本發(fā)明回避由先有技術已知的雙層壁式設計。因此，迄今在雙層壁之間形成的第二空腔可作為供應通道埋入外壁內，供應通道經單獨的橫向通道與通孔連接。由此第一次可基本上完全避免在構件內形成混合容積，從而基本上可以避免在構件內產生回火和自燃。此外，采用一種設計為燃燒室壁元件的所述構件可以減少開路冷卻時的火焰溫度增高，因為冷卻空氣現在可以沒有上述富含燃料的缺點。因此本發(fā)明允許增大冷卻空氣流而不會對燃燒帶來負面的影響。
此外，采用本發(fā)明可以影響火焰音效(Flammenakustik)，尤其是使其失諧。為此可例如設置通孔，使冷卻空氣流入燃燒室的燃燒腔內。燃料通過設在構件外壁內的供應通道供入，燃料在流入通孔時與冷卻空氣混合并由此形成一種可燃的混合物?；鼗鸬靡员苊?，因為在橫向通道匯入通孔前在供應通道之一內或空腔內不存在能點燃的混合物。由此可以避免上述不希望的、有時危險的狀態(tài)。
按另一項設計建議，外壁有許多直通孔、許多在直通孔之間延伸的供應通道以及許多將供應通道與直通孔相互交聯的另一些橫向通道。通過通道與直通孔的這種網狀結構，可以獲得一種均勻地流入燃燒室內的由燃料和冷卻空氣組成的混合物。此外，可以更均勻地冷卻構件，從而可以避免局部過熱。
此外建議，構件有至少兩個可互相結合的層。例如一個層可以有所述通道，而第二層在燃燒室一側由一種特別穩(wěn)定的材料構成?？梢赃_到構件高的承載能力。
還建議，所述通道在層結合側加工在這些層之一的至少一個層表面內。因此通道可以通過銑削或類似的材料切削工藝加工在一個層的表面內，在這種情況下通過組合相鄰的層構成封閉的通道。因此，通道可以借助已知的以及便宜的方法加工在構件內。
按另一項有利的設計建議，空腔可以與第一流體源連接以及供應通道可以與第二流體源連接。兩種流體亦即介質均可用于冷卻葉片，由此可減少冷卻所需的空氣量，并向燃燒過程提供更多的空氣量，從而可以降低高的火焰溫度以及減少NOx排放。葉片原則上與用于燃燒室的壁元件基于同一個設計原理。在這里同樣基本上不存在混合容積，從而基本上避免回火和自燃。可以提高燃氣輪機在葉片受損方面的可靠性。如在燃燒室中那樣，可以對燃燒沒有負面作用地增加冷卻空氣流以及使火焰聲效諸如爆震失效。
此外按本發(fā)明建議，兩個流體源之一是氧化劑源，以及另一個流體源是燃料源。從而有利地可以使可燃的混合物要在直通孔匯入燃氣輪機流動通道內的區(qū)域中才形成，為此將通道的出口安排在離直通孔匯入流動通道內的出口足夠近的地方。
本發(fā)明還建議了一種燃氣輪機，它有一個按本發(fā)明的燃燒室?？梢酝ㄟ^供入燃料大大減少如上所述的負面作用，在這里，按本發(fā)明的燃燒室可以在自燃和回火方面可靠地工作。此外可以有利地影響火焰聲效，從而降低引起的負荷和磨損。
此外，本發(fā)明建議了一種燃氣輪機，它有設計為葉片的所述構件。通過增大冷卻空氣流量改善對于透平單元的葉片的冷卻效果，其中葉片可以設計為固定的導向葉片和旋轉的工作葉片，在這種情況下可以基本上避免對燃燒的負面作用。采用按本發(fā)明的設計還可以對火焰聲效的失諧施加影響，進一步減少磨損現象。
下面借助附圖所示實施方式對本發(fā)明的其他優(yōu)點和特征予以詳細說明。各附圖中基本上相同的部件用同樣的附圖標記表示。此外，各附圖所示實施方式中涉及相同的特征和功能可參見對

圖1所示實施方式的說明。
附圖中圖1表示按本發(fā)明的燃燒室壁元件的剖面；圖2表示沿線II-II通過圖1所示壁元件的剖面；圖3表示在按本發(fā)明的壁元件中的通道系統(tǒng)的示意圖；圖4表示在燃氣輪機流動通道內一個葉片的示意圖；以及圖5表示一個按本發(fā)明的葉片的剖面。
圖1表示一個按本發(fā)明設計為壁元件2的構件的剖面圖。該構件有許多通孔3，冷卻空氣可通過它們進入燃燒室。此外壁元件2有一些橫向通道4，它們的一端分別匯入通孔3內。可通過連接通道9將一種流體燃料供入，它經橫向通道4導向通孔3，以及在那里引入冷卻空氣流內。圖2表示所述用于供入燃料的通道系統(tǒng)。壁元件2有兩個可互相結合的層6、7。在層6結合側的層表面內通過銑削加工出通道系統(tǒng)。通過將這兩層6、7相互結合就構成封閉的通道4和9。
圖3表示對于壁元件2的層6表面的俯視圖，通道4和9加工在壁元件2內。連接通道9與壁元件設計為一體。
在本設計中，燃燒室由許多壁元件2模塊化地構成。壁元件2也可有利地用作熱屏、襯里等。
圖4示意表示燃氣輪機流動通道的一部分，在這里設有一個葉片10。通孔12匯入設計為流動通道11的熱燃氣腔21內，在通孔12的出口區(qū)內示意表示了橫向通道13的匯入。
圖5表示這一葉片10的剖面。按此設計，一葉片壁14圍繞一個空腔15，在此葉片壁14中制有通孔12。通過空腔15可以供入冷卻空氣，冷卻空氣通過通孔12進入流動通道11中。此外，葉片壁14中制有一個由供應通道13組成的系統(tǒng)，供應通道13經橫向通道4分別與通孔12連接。供應通道13與一個流體燃料源流通連接起來。按此設計，葉片14設計為雙層，它由一個外層16和一個直接構成空腔15的內層17組成。該內層17在其面朝外層16的那一側有通過銑削加工出的槽，這些槽構成包括供應通道13在內的通道系統(tǒng)。
按本發(fā)明，空氣作為葉片10的冷卻空氣經通孔12作為氧化劑導入流動通道11內。在橫向通道13的入口，流體燃料引入葉片壁14的通孔12內，從而形成可燃的混合物。
當所述構件設計成燃燒室的壁元件2時，空氣作為冷卻劑和氧化劑通過壁元件2的通孔3導入燃燒室內。同時，在冷卻空氣流動路徑中的在橫向通道4的通道出口5處的區(qū)域內，將一種流體燃料導入冷卻空氣內，從而同樣形成一種可燃的混合物。
據此得出，可燃的混合物要在通孔3、12去往燃氣輪機的燃燒室或流動通道11中的出口區(qū)域內才形成。以此方式防止在各自的通道系統(tǒng)內產生回火和由此引起的破壞。此外，通過有針對性地改變燃料供入可以影響火焰聲效。這同樣可對燃氣輪機的磨損及可靠性帶來有利的影響。
在各附圖中表示的具體實施方式
僅用于說明本發(fā)明而并不僅僅受限于這幾個具體實施方式
。因此，例如尤其可以改變通道及通孔的數量及布局，以及也可以改變制造方法，但這些都并不離開本發(fā)明的保護范圍。在本發(fā)明的框架內也可以使用不同于空氣的其他流體，例如氮、二氧化碳或液態(tài)物質。尤其是也包括一種現已存在的冷卻系統(tǒng)與本發(fā)明的組合。
權利要求
1.一種燃氣輪機的開路冷卻的構件，其具有一個遭遇熱燃氣的外壁(20)，該外壁至少部分構成用于第一種介質的第一空腔(15)的邊界以及在此外壁內設有通孔(3、12)，該通孔(3、12)一方面通入所述空腔(15)內以及另一方面通入熱燃氣腔(21)內，以及，所述構件還具有至少一個第二空腔用于摻合第二種介質，第二空腔與所述通孔(3、12)處于流通連接狀態(tài)，其特征為所述第二空腔通過設在外壁(20)內的供應通道(9、13)構成，該供應通道(9、13)通過橫向通道(4)與設計為直通孔的通孔(3、12)連接，使得所述兩種介質只是在所述直通孔內才能混合。
2.按照權利要求1所述的構件，其特征為所述外壁(20)有許多直通孔、許多在這些直通孔之間延伸的供應通道(9、13)以及許多將所述供應通道(9、13)與直通孔相互交聯的另一些橫向通道(4)。
3.按照權利要求1或2所述的構件，其特征為所述外壁(2)有至少兩個可互相結合的層(6、7；16、17)。
4.按照權利要求1、2或3所述的構件，其特征為在所述兩個層(6、7)之間的通道(4、9、13)加工在至少一個層表面(6)內。
5.按照權利要求1至4之一所述的構件，其特征為所述第一空腔(15)可以與一第一流體源連接以及所述供應通道(9、13)可以與一第二流體源連接。
6.按照權利要求5所述的構件，其特征為所述兩個流體源之一是氧化劑源，以及另一個流體源是燃料源。
7.按照權利要求1至4之一所述的構件，其特征為所述構件是燃燒室的壁元件(2)或是燃氣輪機的葉片(10)。
8.一種燃氣輪機的燃燒室，其包括一個設計為壁元件(2)的按照權利要求1至7之一所述的構件。
9.一種燃氣輪機，其包括一個按照權利要求8所述的燃燒室。
10.一種燃氣輪機，其包括一個設計為葉片的按照權利要求1至7之一所述的構件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃氣輪機的開路冷卻的構件，它有一個遭遇熱燃氣的外壁(20)，外壁至少部分構成用于第一種介質的第一空腔(15)的邊界以及在外壁內設有一些通孔(3、12)，它們一方面通入空腔(15)內以及另一方面通入熱燃氣腔(21)內，以及有至少一個第二空腔用于摻合第二種介質，第二空腔與通孔(3、12)處于流通連接狀態(tài)。為了提供一種燃氣輪機構件，以便用它可以在燃料供入冷卻空氣內時減少回火和自燃，本發(fā)明建議，第二空腔通過設在外壁(20)內的供應通道(9、13)構成，它們通過橫向通道(4)與設計為直通孔的通孔(3、12)連接，由此使得所述兩種介質要在直通孔內部才能摻合。此外，本發(fā)明還建議具有一個這種構件的燃氣輪機燃燒室和燃氣輪機。
文檔編號F23R3/00GK1806094SQ200480016653
公開日2006年7月19日 申請日期2004年6月16日 優(yōu)先權日2003年7月4日
發(fā)明者斯蒂芬·霍夫曼 申請人:西門子公司