專利名稱：氣體渦輪機(jī)及其燃燒室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃燒室，可以使具有低熱量的燃料有效燃燒。本發(fā)明還涉及一種具有上述燃燒室的氣體渦輪機(jī)。
在上述燃燒室1中，必須冷卻燃燒室部分4的壁。這種冷卻操作使用經(jīng)過空氣壓縮機(jī)壓縮的壓縮空氣。換句話說，燃燒室部分4的壁由如圖9所示的外壁7a和內(nèi)壁7b組成。外壁7a上形成空氣入口7c，內(nèi)壁7b上形成了多個(gè)凹槽7d?？諝鈮嚎s機(jī)輸出的空氣由外壁7a上的空氣入口7c導(dǎo)入?？諝庋刂鴥?nèi)壁7b上的凹槽7d流動(dòng)。這樣，通過對流冷卻操作實(shí)現(xiàn)冷卻內(nèi)壁7b。用于上述對流冷卻操作的空氣沿著內(nèi)壁7b的內(nèi)表面流動(dòng)并對內(nèi)壁7b進(jìn)行模冷卻操作。因此，采用模冷卻操作和對流冷卻操作相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)冷卻燃燒室的壁。
由比如具有700千卡的高爐氣體或者提供給燃燒室1的煤氣燃料所產(chǎn)生的熱量，低于由普通氣體渦輪機(jī)燃料如天然氣所產(chǎn)生的熱量。在這種燃燒低卡燃料的氣體渦輪機(jī)的燃燒室中，為了獲得高溫，必須在渦輪機(jī)的入口處增加燃料數(shù)量。當(dāng)燃料數(shù)量增加時(shí)，所供給的用于燃燒的空氣隨著燃料數(shù)量的增加相應(yīng)的也要增加。因此，用于冷卻操作的空氣相應(yīng)減少。這意味著缺少用于冷卻燃燒室1的壁的空氣(以下稱為壁冷卻空氣)。
目前，僅具有低入口溫度如1100℃的氣體渦輪機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)，這種氣體渦輪機(jī)中沒有充足的壁冷卻空氣。
在這種普通氣體渦輪機(jī)中，從效率角度來看，要求在渦渦輪機(jī)的入口處具有高溫。因此，供應(yīng)燃燒氣體的燃燒室需要在更高的溫度下進(jìn)行工作。
另一方面，向氣體渦輪機(jī)供應(yīng)高溫燃燒氣體的燃燒室受到高溫作用。為了燃燒室能安全工作，必須在燃燒室中具有更強(qiáng)的冷卻能力。然而，在普通燃燒室1和使用普通燃燒室1的氣體渦輪機(jī)中，因?yàn)榇罅靠諝獗挥糜谌紵?，所以用來冷卻燃燒室1壁所必須的空氣量不足。因此，所產(chǎn)生的問題是很難獲得一種在充分的燃燒能力和冷卻能力之間取得平衡的燃燒室。對于在燃燒低卡燃料的氣體渦輪機(jī)中所使用的燃燒室來講這個(gè)問題更為突出。
本發(fā)明是基于以上所述問題的考慮設(shè)計(jì)的。本發(fā)明的目的是在更高溫度下燃燒氣體從而實(shí)現(xiàn)氣體渦輪機(jī)的高效工作。
本發(fā)明的第一方面，燃燒室由一個(gè)產(chǎn)生燃燒氣體的內(nèi)管和一個(gè)引導(dǎo)燃燒氣體至渦輪機(jī)的尾管組成。在本發(fā)明的這個(gè)方面，內(nèi)管和尾管是一個(gè)整體。
在本發(fā)明所述的燃燒室中，就從噴嘴部分到氣體渦輪機(jī)的入口的整個(gè)結(jié)構(gòu)而言，內(nèi)管和尾管形成為一體。為了實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，必須冷卻的內(nèi)管和尾管的表面積要小于普通氣體渦輪機(jī)的表面積。因此，可以用更少的用于冷卻操作的空氣完成更有效的冷卻操作。另外，冷卻操作需要更少的空氣；從而，更多的空氣可以被用于燃燒。所以，可以通過與更多的燃料反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)氣體在更高溫度下燃燒。
在本發(fā)明的第二方面中，燃燒室還包括具有內(nèi)管和尾管的用于冷卻燃燒室壁的壁冷卻裝置。
在本發(fā)明的燃燒室中，通過進(jìn)行壁冷卻操作可以實(shí)現(xiàn)有效冷卻操作；這樣增加了用于燃燒的空氣量。所以，更多的空氣與更多的燃料反應(yīng)；從而可以在更高溫度下燃燒。
在本發(fā)明所述燃燒室的第三方面中，壁冷卻裝置以相結(jié)合的方式進(jìn)行模冷卻操作和對流冷卻操作。
在這種燃燒室中，通過模冷卻操作和對流冷卻操作可以進(jìn)行雙重冷卻。這樣做，可以用更少的空氣有效實(shí)現(xiàn)冷卻操作。因此，更多的空氣與更多的燃料反應(yīng)；并且由于燃燒使用的空氣增加，所以可以在更高溫度下進(jìn)行燃燒。
在本發(fā)明的燃燒室的第四方面中，壁冷卻裝置用空氣和蒸汽混合進(jìn)行冷卻操作。
在本發(fā)明的這種燃燒室中，由于使用蒸汽來冷卻壁，所以可以減少用于冷卻壁的空氣量。用于燃燒的空氣增加；更多的空氣與更多的燃料反應(yīng)，因此可以在更高溫度下進(jìn)行燃燒。
在本發(fā)明的燃燒室的第五方面中，壁冷卻裝置使用蒸汽進(jìn)行冷卻操作。
在本發(fā)明的這種燃燒室中，由于僅用蒸汽來冷卻壁，所以用于冷卻壁的空氣量減少。用于燃燒的空氣增加，因而更多的空氣和更多的燃料反應(yīng)，所以可以在更高溫度下進(jìn)行燃燒。
在本發(fā)明所述燃燒室的第六方面中，在燃燒室中使用低卡燃料。
在本發(fā)明的這種燃燒室中，減少了用于冷卻的空氣。否則，用于冷卻的空氣不是必要的。因此，能用于燃燒的空氣增加了。更多的空氣和更多的燃料反應(yīng)，所以即使使用廉價(jià)的低卡燃料也可以在更高的溫度下進(jìn)行燃燒。
在本發(fā)明的第七個(gè)方面中，氣體渦輪機(jī)包括一個(gè)用于壓縮空氣的空氣壓縮機(jī)，一個(gè)上述任何一個(gè)方面所述的燃燒室和一個(gè)渦輪機(jī)，從燃燒室導(dǎo)入的燃燒氣體膨脹而轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸從而使渦輪機(jī)產(chǎn)生軸輸出功率。
在這種氣體渦輪機(jī)中，燃燒室中的冷卻空氣的數(shù)量減少。否則，可不需要用于冷卻的空氣。因此，可增加用于燃燒的空氣量。更多的空氣和更多的燃料反應(yīng)，所以可以在更高溫度下進(jìn)行燃燒。從而，實(shí)現(xiàn)氣體渦輪機(jī)高效工作。
如上面所解釋的，按照本發(fā)明的第一個(gè)方面，用更少的空氣可以進(jìn)行更有效的冷卻操作。并且，冷卻操作需要更少的空氣，因此更多的空氣可被用于燃燒。從而可以通過與更多的燃料反應(yīng)實(shí)現(xiàn)氣體在更高溫度下進(jìn)行燃燒。
按照本發(fā)明的第二個(gè)方面，通過進(jìn)行壁冷卻操作可以實(shí)現(xiàn)有效的冷卻操作，因而，增加了用于燃燒的空氣量。從而，更多的空氣和更多的燃料反應(yīng)，所以可以在更高溫度下進(jìn)行燃燒。
按照本發(fā)明的第三個(gè)方面，通過模冷卻操作和對流冷卻操作可以進(jìn)行雙重冷卻操作。這樣，可以用更少的空氣進(jìn)行有效的冷卻操作。因此，更多的空氣與更多的燃料反應(yīng)，因?yàn)橛糜谌紵目諝庠黾?，所以可以在更高溫度下進(jìn)行燃燒。
按照本發(fā)明的第四個(gè)方面，通過使用蒸汽來冷卻壁，用于冷卻壁的空氣的數(shù)量增加。用于燃燒的空氣增加了，因而更多空氣與更多燃料反應(yīng)，所以可以在更高溫度下進(jìn)行燃燒。
依照本發(fā)明的第五個(gè)方面，通過僅用蒸汽來冷卻壁，用于冷卻壁的空氣數(shù)量減少。用于燃燒的空氣增加，因而更多的空氣與更多的燃料反應(yīng)，因此可以在更高溫度下進(jìn)行燃燒。
依照本發(fā)明的第六個(gè)方面，用于冷卻的空氣減少。否則，用于冷卻的空氣不再必要。因此，被用于燃燒的空氣增加。更多的空氣和更多的燃料反應(yīng)，因此即使在使用廉價(jià)的低卡燃料的情況下也可以在更高溫度下進(jìn)行燃燒。
依照本發(fā)明的第七個(gè)方面，在燃燒室中冷卻空氣的數(shù)量減少。否則，用于冷卻的空氣不是必要的。因此，用于燃燒的空氣增加。更多的空氣與更多的燃料反應(yīng)，因此，可以在更高溫度下進(jìn)行燃燒。從而實(shí)現(xiàn)氣體渦輪機(jī)更高效工作。
圖4所示為圖3所示燃燒室的燃燒室部分中壁冷卻裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖5所示為依照本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例的燃燒室的剖面圖；圖6所示為圖5所示燃燒室的燃燒室部分中壁冷卻裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖7所示為依照本發(fā)明的一個(gè)氣體渦輪機(jī)的實(shí)施例的剖面圖；圖8所示為一個(gè)普通的燃燒室；和圖9所示為在普通的燃燒室中壁冷卻裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
在噴嘴部分11中含有引導(dǎo)噴嘴12和主噴嘴13。將被空氣壓縮機(jī)(圖中未示出)所壓縮的空氣供應(yīng)給噴嘴部分11，與從引導(dǎo)噴嘴12處提供的燃料混合。在此處點(diǎn)燃空氣和燃料的混合物；從而在該處形成引導(dǎo)火焰。
主噴嘴13噴射燃料。引導(dǎo)火焰點(diǎn)燃燃料。被點(diǎn)燃的燃料和空氣壓縮機(jī)所壓縮的空氣反應(yīng)。因此，燃燒擴(kuò)散并且產(chǎn)生燃燒氣體。
在噴嘴部分11的下游部分，形成了具有單體結(jié)構(gòu)的燃燒室部分14，其中內(nèi)管和尾管形成為一體。燃燒室部分14的壁具有由圖2所示內(nèi)壁16和外壁17形成的雙壁結(jié)構(gòu)。燃燒室部分14和噴嘴部分11形成了燃燒室。燃燒室部分14從噴嘴部分11的下游端延伸至圖中未示出的渦輪機(jī)的入口處。燃燒室部分14把燃燒室中所產(chǎn)生的燃燒氣體送至渦輪機(jī)。具體來講，燃燒室部分14的上游端與噴嘴部分的下游端通過

圖1所示的安裝在噴嘴部分11中的彈簧聯(lián)接件15相連。燃燒室部分14的下游端安裝在渦輪機(jī)入口處。
如上所述，在燃燒室10中，噴嘴部分11和具有單體結(jié)構(gòu)的燃燒室部分14連接起來。當(dāng)燃燒氣體被送入渦輪機(jī)(圖中未示出)時(shí)，渦輪機(jī)被燃燒氣體推動(dòng)旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生軸輸出功率。
在燃燒室10中具有用于冷卻燃燒室10的壁的壁冷卻裝置。在該壁冷卻裝置中，進(jìn)行對流冷卻操作和模冷卻操作，使空氣壓縮機(jī)(圖中未示出)所壓縮的壓縮空氣從形成燃燒室部分14的外壁17的入口17a引入外壁17，壓縮空氣沿著在內(nèi)壁16中形成的多個(gè)凹槽16a流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對流冷卻操作，以及壓縮空氣沿內(nèi)壁16的內(nèi)表面流動(dòng)，進(jìn)行模冷卻操作。也就是說，壁冷卻裝置以結(jié)合方式進(jìn)行對流冷卻操作和模冷卻操作。在此，圖2中用附圖標(biāo)記17b表示冷卻劑的排出口。
在本實(shí)施例中，燃燒室10具有上述結(jié)構(gòu)。當(dāng)從引導(dǎo)噴嘴12噴入的引導(dǎo)燃料進(jìn)一步從噴嘴部分11噴入時(shí)，形成引導(dǎo)火焰并在那里點(diǎn)燃。在上述條件下，當(dāng)燃料由噴嘴13噴入時(shí)，燃料和空氣的混合物在燃燒室部分14中燃燒，產(chǎn)生燃燒氣體。同時(shí)，在該處產(chǎn)生的燃燒氣體供應(yīng)給安裝在燃燒室部分14的下游處的氣體渦輪機(jī)的入口。這樣，渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而獲得軸輸出功率。
這里，燃燒室10包括噴嘴部分11和燃燒室部分14。燃燒室部分14具有單體結(jié)構(gòu)。所以，需要冷卻的燃燒室部分14的表面積小于具有燃燒室部分14的普通燃燒室的表面積，所述燃燒室部分14不具有單體結(jié)構(gòu)。
因此，由于需要冷卻的燃燒室部分14的表面積減少，所以提供給壁冷卻裝置的用于冷卻用途的空氣量也減小。因此，即使在提供給壁冷卻裝置的空氣量減少或者燃料是低卡燃料的情況下，仍然可以得到具有1300℃-1500℃能量的高溫氣體渦輪機(jī)。因此，可以獲得高溫氣體渦輪機(jī)。
如上所述，燃燒室10也包括噴嘴部分11和燃燒室部分14。所以可以簡化燃燒室10的結(jié)構(gòu)；從而，本發(fā)明所述氣體渦輪機(jī)的制造費(fèi)用減少。
此外，在本實(shí)施例中，壁冷卻裝置利用空氣對壁冷卻部分同時(shí)進(jìn)行對流冷卻操作和模冷卻操作。因此，在本發(fā)明的燃燒室中，冷卻操作是以相結(jié)合的方式進(jìn)行的。所以，既可以減少用于冷卻壁的空氣量又可以提高冷卻效率。這樣，用于冷卻燃燒室部分14的壁的單位表面積的空氣量減少。
在本發(fā)明實(shí)施例所述的燃燒室10中，燃燒室部分14的表面積與普通的燃燒室部分相比減少了60％-80％。用于冷卻壁的空氣量與普通燃燒室部分相比也減少了30％-40％。第二個(gè)實(shí)施例圖3和圖4所示為本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例。本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例與第一個(gè)實(shí)施例的不同之處在于其壁冷卻裝置用空氣和蒸汽進(jìn)行冷卻操作。也就是說，壁冷卻裝置具有導(dǎo)管，用來將被空氣壓縮機(jī)壓縮的空氣送至在燃燒室部分14中的外壁17的入口17a。如圖3所示，壁冷卻裝置還具有蒸汽供給部分18，將蒸汽提供給入口17a。
在本實(shí)施例中，至于提供給蒸汽供給部分18的蒸汽，使用一部分在廢熱回收鍋爐(圖中未示出)中所用的空氣，所述廢熱回收鍋爐在組合設(shè)備中使用。蒸汽和在操作燃燒室10的過程中從入口17a引入的空氣一起被噴入外壁17。蒸汽和空氣都在燃燒室部分14上的內(nèi)壁16的表面和內(nèi)表面上起作用。因此，通過由空氣和蒸汽的模冷卻操作和對流冷卻操作相結(jié)合，該壁的表面實(shí)現(xiàn)冷卻。
在本實(shí)施例中，噴嘴部分11和燃燒室部分14相連；所以可以獲得和第一個(gè)實(shí)施例同樣的效果。另外，壁冷卻裝置同時(shí)混合使用蒸汽和空氣，因此通過使用蒸汽進(jìn)行冷卻操作可以減少用于冷卻操作的空氣。從而，減少用于冷卻燃燒室的壁的空氣量。第三個(gè)實(shí)施例圖5和圖6所示為本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例。
在第三個(gè)實(shí)施例中，壁冷卻裝置僅用蒸汽進(jìn)行冷卻操作。也就是說，如圖6所示，在本實(shí)施例的壁冷卻裝置中，入口18a和出口18b與燃燒室部分14的外壁17相連。從入口18a引入的蒸汽通過燃燒室部分14上的內(nèi)壁16中的凹槽16a，并且在此處進(jìn)行對流冷卻操作，從出口18b排出。按照上述方式冷卻燃燒室部分14。如圖5所示，入口18a安裝在燃燒室部分14的外壁的下游端和燃燒室部分14的外壁的上游端。另外，出口18b安裝在外壁17的上游處的入口18a和外壁17的下游處的入口18a之間。
如上所述，當(dāng)燃燒室10的壁表面僅用蒸汽進(jìn)行冷卻時(shí)，不必再使用用于冷卻的空氣。所以空氣壓縮機(jī)所供給的全部空氣可以用作燃燒使用。在本實(shí)施例中，燃燒室部分14具有單體結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)管和尾管形成為一體。因此，整個(gè)燃燒室的表面積減少。壁的冷卻操作也可以僅由蒸汽來進(jìn)行。也就是說，用于壁表面冷卻的空氣量為零?？梢缘玫绞褂玫涂ㄈ剂喜⒕哂?300℃-1500℃能量的燃燒室。
當(dāng)本發(fā)明的氣體渦輪機(jī)利用使用低卡燃料燃燒的燃燒室時(shí)，可以減少用于冷卻壁的空氣量。否則不需要空氣。因此，在壁冷卻操作中，必須冷卻的表面積減少，所以不需使用用于冷卻操作的空氣。從而提高冷卻效率。因而，這種壁冷卻操作對于提高使用高溫燃燒氣體的氣體渦輪機(jī)的效率是很有益處的。
圖7為本發(fā)明所述氣體渦輪機(jī)的一個(gè)實(shí)施例。即圖7所示氣體渦輪機(jī)20具有一個(gè)本發(fā)明的燃?xì)馐?0。
在氣體渦輪機(jī)20中，被引導(dǎo)至此的空氣被空氣壓縮機(jī)21壓縮。將被壓縮的空氣供給燃燒室10，用以如圖1和圖3所示的燃燒用途和冷卻用途。燃燒室噴嘴11將燃料供給燃燒室部分14，與壓縮空氣混合并在那里燃燒。用這種方法產(chǎn)生高溫高壓氣體并將其送入氣體渦輪機(jī)22。高溫高壓氣體膨脹，并通過固定在渦輪機(jī)22上的靠近殼體的定子葉片和安裝在轉(zhuǎn)軸附近的轉(zhuǎn)子葉片，因此，在轉(zhuǎn)子葉片附近的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生軸輸出功率。
在本發(fā)明的上述實(shí)施例中，僅示出了在使用低卡燃料的氣體渦輪機(jī)中所用的燃燒室。很顯然本發(fā)明也可用于使用高卡燃料的氣體渦輪機(jī)的燃燒室。
權(quán)利要求
1.一種燃燒室(10)，包括用于產(chǎn)生燃燒氣體的內(nèi)管(5)；和用于將燃燒氣體引導(dǎo)至渦輪機(jī)的尾管(6)；其中內(nèi)管(5)和尾管(6)形成為一體。
2.按照權(quán)利要求1所述的燃燒室(10)還包含一種壁冷卻裝置，所述壁冷卻裝置用于冷卻具有內(nèi)管(5)和尾管(6)的燃燒室(10)的壁。
3.按照權(quán)利要求2所述的燃燒室(10)，其中壁冷卻裝置以相結(jié)合的方式進(jìn)行模冷卻操作和對流冷卻操作。
4.按照權(quán)利要求2所述的燃燒室(10)，其中壁冷卻裝置同時(shí)使用空氣和蒸汽進(jìn)行冷卻操作。
5.按照權(quán)利要求2所述的燃燒室(10)，其中壁冷卻操作使用蒸汽進(jìn)行冷卻操作。
6.按照權(quán)利要求1-5中的任何一個(gè)權(quán)利要求所述的燃燒室(10)，其中在燃燒室中使用低卡燃料。
7.一種氣體渦輪機(jī)(20)包括用于壓縮空氣的空氣壓縮機(jī)(21)；按照權(quán)利要求1-6中的任何一個(gè)權(quán)利要求所述的燃燒室(10)；渦輪機(jī)(22)，所述渦輪機(jī)(22)通過從燃燒室(10)中引入的燃燒氣體的膨脹而轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生軸輸出功率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種安裝在噴嘴部分(11)的下游的燃燒室部分(14)。所述燃燒室部分(14)從噴嘴部分(11)的下游端延伸至氣體渦輪機(jī)的入口，并將燃燒預(yù)混合氣體所產(chǎn)生的燃燒氣體供給氣體渦輪機(jī)。燃燒室部分(14)由內(nèi)管和尾管形成為一體。燃燒室(10)具有用于冷卻燃燒室(10)的壁表面的壁冷卻裝置。在燃燒室部分(14)的內(nèi)壁上形成凹槽。用于引入進(jìn)行冷卻操作的空氣的入口被安裝在燃燒室部分(14)的外壁上。所引入的空氣以結(jié)合的方式進(jìn)行模冷卻和對流冷卻。這樣，可以提高燃燒氣體的溫度，從而獲得具有較高效率的氣體渦輪機(jī)。
文檔編號F02C7/18GK1415897SQ0214808
公開日2003年5月7日 申請日期2002年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月29日
發(fā)明者萬代重實(shí), 太田將豐, 田中克則, 西田幸一 申請人:三菱重工業(yè)株式會(huì)社