低燃烧动态和排放的燃气涡轮发动机的燃烧室衬套的改进孔排列

摘要

一种具有内壳和外壳的燃气轮机燃烧室。所述内壳具有内壁元件(501)，其具有第一孔排列和第二孔排列。所述内壁元件包围燃烧炉容积。所述第一孔排列具有以第一面密度布置的第一孔，所述第二孔排列具有以第二面密度布置的第二孔，所述第一面密度不同于所述第二面密度。所述外壳具有外壁元件(502)，其具有另外的第一孔排列和另外的第二孔排列。所述外壳的外壁元件(502)包围所述内壳的内壁元件(501)，使得在两者之间形成间隙。所述另外的第一孔排列具有以另外的第一面密度布置的另外的第一孔，所述另外的第二孔排列具有以另外的第二面密度布置的另外的第二孔，所述另外的第一面密度不同于所述另外的第二面密度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于燃气轮机的燃烧室的壳体以及一种用于制造燃气轮机的燃烧室的方法。

背景技术

在燃气轮机的技术领域中，目的是降低产生环境污染物，比如各种氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)和未燃烧的碳氢化合物(UHC)。因此，目的是在燃气轮机的燃烧室中实现一种可靠稳定的稀薄燃烧的燃烧过程。

为了提供稀薄燃烧的燃烧过程，引导特别是靠近燃烧室前端(燃烧过程在此开始)的更多空气与燃烧炉中的燃料进行混合。这是通过重新平衡有效面积来实现的，该有效面积是燃烧罐的累积孔面积和燃烧炉即旋流器的面积。然而，通过引导更多的空气流过前端，燃烧室促进燃烧不稳定性，这是与稀薄燃烧的燃烧相关联的固有问题。

为了抑制燃烧不稳定性特别是燃烧室内的燃烧动态，燃烧室壳体的壁元件设置有气体交换通过其而发生的孔。

GB 2 309 296 A公开了一种燃气涡轮发动机燃烧炉，其中该燃烧炉包括内燃烧炉壁和外燃烧炉壁。阻尼孔形成到燃烧炉壁。阻尼孔均匀地布置在壁部分上，即各阻尼孔彼此之间具有相同的距离。

EP 1 104 871 A1公开了一种用于燃气涡轮发动机的燃烧室，其中该燃烧室是双壁燃烧室。该双壁燃烧室的内壁和外壁包括泻流孔(effusion hole)，以便提供冲击冷却。泻流孔均匀地分布在有效的内壁或外壁上。

EP 1 321 713 A2公开了一种燃气轮机燃烧室的改进的火焰管。冷却空气可被引导通过火焰管的各个壁的孔。

发明内容

本发明的目的可以是提供一种具有降低的燃烧不稳定性及更低排放的燃烧室。

此目的可以通过根据独立权利要求所述的用于燃气轮机的燃烧室的壳体、用于燃气轮机的燃烧室以及用于制造燃气轮机的燃烧室的方法来解决。

根据本发明的第一方面，提出了一种用于燃气轮机的燃烧室的壳体。所述壳体包括壁元件，其包括第一孔排列和第二孔排列。所述第一孔排列包括第一孔，流体可流过该第一孔。所述第一孔排列还包括所述第一孔的第一面密度。所述第二孔排列包括第二孔，流体可流过该第二孔。所述第二孔排列还包括所述第二孔的第二面密度。所述第一面密度不同于所述第二面密度。

根据本发明的其它方面，提出了一种用于燃气轮机的燃烧室。所述燃烧室包括：内壳，其包括上述壳体的特征；和外壳，其也可以包括上述壳体的特征。所述外壳的外壁元件至少部分地包围所述内壳的内壁元件，使得在所述内壁元件与所述另外的外壁元件之间形成间隙。

术语“内”和“外”是指所述内外壁元件相对于壁元件与燃烧室中的火焰容积之间的距离的相对位置。所述燃烧室的中心轴线可以是(例如形成为圆柱形的)燃烧室(比如罐型燃烧室)的对称线，即穿过火焰区域，或者其可以例如与燃气轮机(比如环形燃烧室)的转子中心线平行或甚至重合。

根据本发明的另一方面，提出了一种用于制造燃气轮机的燃烧室的方法。根据该方法，包括第一孔的第一孔排列形成为内壳体的内壁元件，其中流体可流过该第一孔，并且其中所述第一孔排列包括所述第一孔的第一面密度。此外，根据该方法，包括第二孔的第二孔排列形成为所述内壁元件，其中流体可流过该第二孔，并且其中所述第二孔排列包括所述第二孔的第二面密度。所述第一面密度不同于所述第二面密度。

术语“面密度”(表面密度)限定每单位面积的孔的数量。例如，如果两个相邻的孔排列包括不同的面密度，则所述相邻孔排列中的每个包括不同数量的孔。这导致孔在相应的孔排列上非均匀分布。

因此，通过本发明，用于燃烧室的壳体的壁元件包括具有所述第一面密度的第一孔排列和具有所述第二面密度的第二孔排列。因此，壁元件的孔分布不均匀，并且特别适于沿着所述壁元件流动的相应流体的相应流动特性。

用于燃气轮机的燃烧室的壳体可以是围绕例如燃烧室的燃烧容积的内壳。所述壳体还可以是部分地围绕所述内壳的外壳。因此，通过应用内壳和外壳，可以形成双壁燃烧室(即双层衬套)。间隙可以存在所述内壳与所述外壳之间。沿着外壁元件流动的流体，例如冷却流体/气体，可以通过所述外壁元件的第一和第二孔进入该间隙，用于冷却目的。该流体还可以从该间隙流过所述内壁元件的第一和第二孔进入燃烧室的燃烧空间，用于冷却目的。

双层衬套的内壳体的内壁包围燃烧室的燃烧炉容积。围绕所述内壳且从而围绕该燃烧炉容积，外壳的外壁以提供间隙的方式包围这样的双层衬套的内壁。因此，该间隙也围绕着燃烧炉容积。冷却流体流可流过外壁的相应孔进入该间隙。冷却流体还从这两个壁元件之间的间隙流过所述内壁的孔进入燃烧室的燃烧炉容积。

因此，通过燃烧室的传统方法，用于燃烧室的壳体的壁元件的孔均匀地分布。在传统方法中，第一孔排列和第二孔排列包括相应孔的一个且相同的面密度。根据本发明的本发明方法，孔非均匀地分布在燃烧室的(内外)壳体中。因此，孔的分布可以专为燃烧室的(燃烧的)流体的流动参数以及专为冷却气体的流动参数而定制。因此，燃烧室内的燃烧动态可得到降低。因此，壳体和其他燃烧部件的寿命因例如壁元件的温度分布的波动的减少而变得更长。此外，通过壁部的减少的燃烧动态，涡轮机放率和涡轮机的运行温度可以增加，而不会影响燃烧室壳体的寿命。因此，氮(NOx)排放同样可以得到减少，例如通过采用稀薄燃烧运行燃气轮机，即通过燃气轮机内更低的引燃燃料分流。总之，以非均匀的方式布置孔，并且通过将孔的图案布置在相应的孔排列中，燃烧室可以以更低的氮(NOx)排放运行，因为例如更多的空气可被输送至燃烧过程，用于提供稀燃燃烧。此外，火焰温度因稀燃燃烧而得以降低。

根据进一步的示例性实施例，所述壁元件形成用于绕着燃烧室的中心轴线沿着圆周方向至少部分地延伸。一般而言，燃烧室形成为圆筒形(或圆锥形)。例如，中心轴线形成燃烧室的例如对称轴线。根据进一步的示例性实施例，所述第一孔排列的第一孔沿着所述圆周方向相继地形成到所述壁元件中，用于形成第一孔的至少一个第一排。

根据进一步的示例性实施例，所述第二孔排列的第二孔沿着所述圆周方向相继地形成到所述壁元件中，用于形成第二孔的至少一个第二排。在整个圆周上观察，第一孔的数量例如等于第二孔的数量，但是对于每排孔，在第一排孔与第二排孔之间的面密度不同。

根据进一步的示例性实施例，所述第二孔排列的第二孔沿着所述圆周方向相继地形成到所述壁元件中，用于形成第二孔的至少一个第二排。因为所述第一孔排列中的第一孔包括的第一面密度不同于所述第二孔排列的第二孔的第二面密度，所以第一孔的数量例如不同于所述第二孔的数量。

就包括所述第一排和第二排的上述示例性实施例来说，第一排的数量不同于第二排的数量。另外或者可替代地，第一排中的第一孔的数量不同于第二排的第二孔的数量。这导致第一面密度不同于第二面密度，并且因此第一和第二孔沿着壁元件非均匀分布。

根据进一步的示例性实施例，所述第一孔排列的第一孔沿着第一方向相继地形成到所述壁元件中。所述第一方向不同于所述圆周方向，用于形成第一孔的至少一个另外的第一排。

特别地，根据进一步的示例性实施例，所述第一方向与所述圆周方向之间的第一角度在约10°和约80°之间，特别是在约30°和约60°之间。因此，所述第一孔排列到壁元件中，使得所述另外的第一排沿着相应的(例如管状)壁元件以螺旋的方式布局。

根据进一步的示例性实施例，所述第二孔排列的第二孔沿着第二方向相继地形成到所述壁元件中。所述第二方向不同于所述圆周方向和/或不同于所述第一方向，用于形成第二孔的至少一个另外的第二排。

特别地，根据进一步的示例性实施例，所述第二方向与所述圆周方向之间的第二角度在约10°和约80°之间，特别是在约30°和约60°之间。通过所述另外的第一排和所述另外的第二排，相应的第一和/或第二孔沿着相应的第一和第二方向相继地形成，使得相应的另外的第一排和相应的另外的第二排可形成沿着壁元件绕着中心轴线的螺旋(即螺旋形)走向。

根据该方法的进一步的示例性实施例，相对于所述内壁元件，布置外壳的外壁元件，使得所述外壁元件至少部分地包围所述内壁元件，并且使得在所述内壁元件与所述外壁元件之间形成间隙。

根据该方法的进一步的示例性实施例，另外的第一孔排列形成为外壁元件，其中，所述另外的第一孔排列包括另外的第一孔，另外的流体(例如冷却流体/气体)可流过所述另外的第一孔。所述另外的第一孔排列包括所述另外的第一孔的另外的第一面密度。此外，包括另外的第二孔的另外的第二孔排列形成为外壁元件，其中，另外的流体(例如冷却流体/气体)可流过所述另外的第二孔，其中，所述另外的第二孔排列包括所述第二孔的另外的第二面密度。所述另外的第一面密度不同于所述另外的第二面密度。

所述内和/或外壁的总的孔面积遍及所述壁分布，从而形成具有不同孔密度的条带或区域。分布的标准取决于流动参数，其例如可以是所述流体和/或另外的流体的温度、流速、流动方向和/或湍流。

因此，通过上述方法，所述第一孔和第二孔的布置得以设计和形成，同时考虑到了相应流体的流动参数。因此，提供了孔的有效的孔分布且从而所述流体和所述另外的流体沿着相应壁元件的改进的引导。由此，燃烧室的效率也因适当的孔排列而得以实现。

例如，在该方法的开始，壁元件中的孔排列的孔可以均等地分布，且因此包括相等的面孔密度。接着，可以将一些孔从现有的孔排列中移除，使得形成分别的孔排列之间的非均等的分布和非相等的孔密度。接着，在流动试验中测量总的孔面积如何减少，作为确认。接着，计算如何加工且布置相应的孔，以获得标称流动参数并实现了良好的阻尼特性。接着，将相应的孔分布在相应的孔排列中，使得形成孔的不均匀的分布和/或不均匀的面密度，以便分别与计算出的标称流动参数和燃烧室的总的有效流动面积相匹配。

通过上述发明，燃烧室内的流体的燃烧动态可以得到降低。换句话说，所述内壁元件和外壁元件可以以非均匀且定制的方式穿孔。因此，由于燃烧动态的降低，燃烧室部件和位于下游的涡轮机级部件的寿命因减少的火焰波动和温度分布而得以实现。此外，NOx排放得到减少，因为由于减少的燃烧动态，可以应用更低的引燃燃料分流(引燃燃料/[引燃燃料+主要燃料])。

必须指出的是，已经参照不同的主题对本发明的实施例进行了说明。特别地，已经参照装置类型权利要求对一些实施例进行了说明，而已经参照方法类型权利要求对其他实施例进行了说明。然而，本领域技术人员要从上述以及下面的描述中明白，除非另有说明，除了属于一种类型的主题的特征的任意组合之外，涉及不同主题的特征之间的特别是所述装置类型权利要求的特征和所述方法类型权利要求的特征之间的任意组合同样被认为是随本申请而公开。

附图说明

根据下文所要描述的实施例的示例，本发明的上述方面及其他各方面变得显而易见，并且参照实施例的示例对其进行解释。参照本发明并不局限于此的实施例的示例，本发明将在下文中得到更加详细地描述。

图1示出了根据本发明示例性实施例的具有第一和第二排孔的燃烧室的壳体；

图2示出了根据本发明示例性实施例的具有第一和第二排孔的燃烧室的壳体；

图3和图4示出了在根据本发明示例性实施例的燃烧室的相应壳体中的孔图案的抽象视图；

图5示出了包括内外壳体的燃烧室的示意图；以及

图6示出了用于制造根据本发明示例性实施例的壳体的方法的示意图。

具体实施方式

各图中的图示是示意性的。要指出的是，在不同的图中，相似或相同的元件带有相同的附图标记。

图1示出了用于燃气轮机的燃烧室100的壳体。该壳体包括壁元件101，其包括第一孔排列I和第二孔排列II。第一孔排列I包括第一孔110，流体可以流过该第一孔110。第一孔排列I包括第一孔110的第一面密度。

第二孔排列II包括第二孔120，流体可以流过该第二孔120。第二孔排列II包括第二孔120的第二面密度。

所述第一面密度不同于所述第二面密度。也就是说，每单位面积的第一孔110的数量不同于每单位面积的第二孔120的数量。换句话说，相对于第二孔排列II中的第二孔120，第一孔110的分布具有不同的图案和/或不同的数量和/或不同的大小(例如孔直径)。

例如，如可以从图1中得到，第一孔排列I、第二孔排列II以及例如第三孔排列III包括相同的面积大小。此外，第一孔排列I、第二孔排列II以及第三孔排列III可以限定这样的面单元，也就是该面单元可以限定这些孔的相应的第一、第二和/或第三面密度。

在图1中，第一孔排列I内的第一孔110的密度分别高于第二孔排列II和第三孔排列III各自的第二面密度和第三面密度。

更多的孔可以布置在壁元件101的上游前端，因为火焰位于此。例如，如图1示例性地示出，第一孔排列I可以具有三个第一排111，位于更下游的第二孔排列II可以具有两个第二排121，以及位于更远下游的第三孔排列III可以具有一个第三排131。

特别地，如图1所示，沿着燃烧室100的中心轴线102，相对于流体的流动方向，燃烧室100包括在燃烧室100的上游位置燃烧炉部分104(例如前端部分)。沿着中心轴线102，相对于流体的流动方向，在燃烧室100的下游端部，燃烧气体排出燃烧室100，并且例如进一步流至燃气轮机的涡轮机级。如可从图1中得到，相应的孔110、120、130的面密度从燃烧室100的上游端至下游端是减小的。通过图1中孔110、120、130的示例性分布，第一孔排列I的第一孔110沿着圆周方向103相继地形成到壁元件101中，用于形成所述第一孔110的第一排111。邻近第一排111且沿着下游方向，第二孔排列II的第二孔120沿着圆周方向103相继地形成到壁元件101中，用于形成例如第二孔120的两个第二排121。此外，如图1所示，第三孔排列III的第三孔113沿着圆周方向103相继地形成到壁元件101中，用于形成所述第三孔130的至少三个第三排131。

例如，如果各孔排列I、II、III包括相同的限定面积，则孔110、120、130的数量和排111、121、131的数量沿着从燃烧室100的上游端至燃烧室100中的下游端的方向减少。换句话说，例如，所述两个第二排121之间的距离小于所述第三排131之间的距离。例如，燃烧室100的上游端的第一排111之间的距离可以是燃烧室100的下游部分的第三排131之间的距离的一半。

在图1中，如图1所示的孔排列I、II、III可以被施加至内壁元件501(参照图5)(内衬套)。由于从燃烧室100上游端至燃烧室100下游端的沿着中心轴线102的非均匀的孔分布，燃烧室下游部分的孔的面密度低于上游部分的孔的面密度。此外，相比于均匀布置的孔排列，还可以实现特别是在壁元件101上游部分的适当的泻流冷却。此外，通过如图1所示的孔分布，燃烧室100内的燃烧动态的适当的阻尼特性得以实现。分别基于燃烧室有效面积的所期望的减少和通过贯穿内壁的分别的孔110、120、130的冷却流体的所期望的质量流量，得出轴向排111、121、131的这种布置。

图2示出了燃烧室100，其中，壁元件101包括第一孔排列I和第二孔排列II。所述第一孔排列I的第一孔110沿着第一方向201相继地形成到壁元件101中。第一方向201不同于圆周方向103，用于形成第一孔110的至少一个另外的第一排211。

另外或者可替代地，所述第二孔排列II的第二孔120沿着第二方向202相继地形成到壁元件101中。第二方向202不同于圆周方向103，用于形成第二孔120的至少另外一个第二排221。

如可以从图2中得到，另外的第一排211可以包括例如两个第一孔110。另外的第二排221包括例如三个第二孔120。因此，第二孔排列II中的第二孔120的面密度高于第一孔排列I中的第一孔110的面密度。

此外，如图2所示，通过分别沿着第一和第二方向布置的孔110、120，形成了沿着壁元件101围绕中心轴线102的螺旋(螺旋形)走向。换句话说，图2中的相应孔110、120相对于圆周方向103以倾斜的方式(以螺旋形图案)布置。

特别地，包括如图2所示的孔图案的壳体可以用于具有外壁元件502(参照图5)的外壳。特别地，倾斜的另外的第一排211、221的第一方向和第二方向可以处于与燃烧室100内的燃烧气体的螺旋运动相同的方向。此外，两个相邻的倾斜的另外的排211、221之间的间距沿着圆周方向103可以或是均匀的或是非均匀的，取决于通过各个孔110、120、130的所需的流动参数。

包括图1中所示的内壳和图2中所示的外壳的燃烧室100具有令人惊讶的效果：高效的冷却性能、燃烧室中高效的火焰动态阻尼以及稳定的火焰特性。

图3示出了如图2所示的孔图案的更抽象的视图。在图3中，特别地，示出了燃烧室100的外壳的外壁502(参照图5)的孔图案。在图3中，示例性地示出了第一孔排列I和第二孔排列II。第一孔110沿着另外的第一排211相继地布置。另外的第一排211沿着第一方向201延伸。第一角度α1限定在第一方向201与圆周方向103之间。

第二孔120沿着第二方向202相继地布置在第二孔排列II中，并且形成了另外的第二排221。第二角度α2限定在第二方向202与圆周方向103之间。

如图3所示，另外的第一排211和另外的第二排221相对于圆周方向103具有螺旋形(倾斜)走向。特别地，如图3所示，沿着圆周方向103，各个另外的排211、221之间的距离在彼此之间是不同的。例如，如在第一孔排列I中所示，第一孔排列I包括3对另外的第一排211，其中在每对另外的第一排211之间存在的距离比每两个另外的第一排211之间的更大，其限定了各对另外的第一排211。

相比之下，如在第二孔排列II中所示，第二孔排列II包括两对另外的第二排221以及一个另外的第二排排列，所述另外的第二排排列包括三个另外的第二排221。

因此，沿着所示圆周方向，每个另外的排211、221之间的距离不同，从而提供孔110、120的非均匀分布。

图4示出了如在图1中示意性所示的孔图案的抽象视图。特别地，当图4所示的孔图案在被应用至燃烧室100的内壳的内壁501(参照图5)时可能是有利的。第一孔110的第一排111和第二孔120的第二排121沿着轴线方向102相继地布置，其中所述第一排111和第二排121相对于圆周方向103是平行的。第一孔排列I中的第一排111之间的距离小于第二孔排列II的第二排121之间的距离。

为了更好地观察，图5示出了双层壁罐型的燃烧室100的横截面。内壳的内壁501包围燃烧室100的燃烧炉容积。在该内壳周围，外壳的外壁502以设置有间隙的方式围绕内壁501。冷却流体流503可流过外壁502的相应孔110、120到该间隙中。冷却流体流503形成冷却流体流504的至少一部分，所述冷却流体流504从这两个壁元件501、502之间的间隙通过内壁501的孔110、120、130流入燃烧室100中。冷却流体流504可能小于或大于冷却流体流503，取决于冷却流体是否已被添加至这两个壁元件501和502之间的间隙或从其中移除。

如图5所示，内壁501和外壁502围绕着中心轴线102，并且由此形成燃烧室100的筒状部。

图6示出了校准和布置所期望的内壁元件501和外壁元件502的孔排列I、II、III的方法。在步骤601中，限定初始燃烧室设计。初始燃烧室设计可以包括在内壁元件501中和/或在外壁元件502中的均匀或非均匀分布的孔图案。

接着，在额定工作条件下对燃烧室进行操作、测量或分析，使得内壁元件501和外壁元件502分别暴露于冷却流体流503和另外的冷却流体流504。冷却流体以其分别的运行流动参数流过内壁元件501和外壁元件502的分别的孔。

接着，在步骤602中，决定内壁元件501的孔排列I、II、III。内壁元件501的有效面积由内壁元件501的孔110、120、130的总数来确定。同样地，在步骤603中，决定外壁元件502的孔排列I、II、III。外壁元件(外衬套)502的有效面积由外壁元件502的孔120、130、140的总数来确定。

接着，在步骤605中，基于内壁元件501的孔排列I、II、III和外壁元件502的孔排列I、II、III，确定总的燃烧室100的有效面积。

此外，确定离开内壁元件501进入燃烧室100的燃烧空间中的流体的流动参数(例如，另外的冷却流体流504的速度)(参照步骤604)。

接着，在步骤606中，将冷却流体503、504的流动参数的确定的值和组合的内外壁元件501、502(即燃烧室100)的几何参数与冷却流体503、504的例如速度的标称值和燃烧室100的有效面积进行比较。

如果测得的流动参数和/或燃烧室100的几何参数的标称值不对应于相应的标称值，则在步骤607中，对内壁元件501和/或外壁元件502中的相应孔的第一面密度、另外的第一面密度、第二面密度和/或另外的第二面密度且由此分别的孔图案进行单独地修改，直至达到流动参数/几何参数的标称值。

如果达到标称值，则内壁元件501和外壁元件502的孔图案的最终设计得以实现(参照步骤608)。

因此，通过如图6所示的上述方法，在燃烧室的实际工作条件下，实现内壁元件501和外壁元件502的定制及优化的壁图案，从而设计出优化的流体流动及有效的燃烧室100。在传统的方法中，孔图案在被计算出并且给定的表面上平均地分布。通过本方法，确定给定表面内的孔图案，使用如图6所示及如上所述的反复过程平衡了在阻尼方面的要求和在表面上分配冷却空气方面的要求。换句话说，孔图案专为燃烧室100及燃烧室100所安装至的燃气轮机的工作条件而定制。

为了清楚起见，在上述各附图中，不是所有的孔110、120、130和排111、121、131、211、221被标有分别的附图标记。

应当注意的是，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。此外，结合不同实施例所描述的元件可被组合。还应当注意的是，权利要求中的附图标记不应当被解释为限制权利要求的范围。