具有壁冷却的燃烧室

本发明与具有室壁的燃气涡轮的环形燃烧室有关，该燃烧室包括在燃烧室出口处的冷却特征。

众所周知，在燃气涡轮的环形燃烧室中，会出现超过制成室壁的材料的允许温度的高温。因此，通常使用冷却特征。这里，已知引导从燃气涡轮的压缩机沿着燃烧室的室壁输送的压缩空气。燃烧室的下游布置有膨胀涡轮。特别是在室壁的端部连接至膨胀涡轮，很难保证足够的冷却。如已知的解决方案，在室壁的下游边缘布置有若干冷却孔。因此，在燃烧室与膨胀涡轮的连接处，冷却流可以直接穿过室壁进入热气流路径。

为了进一步提高效率，有必要尽可能地防止任何冷却空气的损失。本发明的任务是减少进入燃烧室和/或膨胀涡轮的冷却空气流。

该解决方案通过根据权利要求1和权利要求2的本发明得以解决。权利要求11中规定了一种具有发明的燃烧室的燃气涡轮。优选解决方案是从属权利要求的主题。

燃气涡轮的通用燃烧室包括围绕转子轴线的环形燃烧集气室。该燃气涡轮还包括布置在燃烧室的上游侧的多个燃烧器和布置在燃烧室的下游侧的具有涡轮入口的膨胀涡轮。

燃烧室由室壁实现，该室壁包括位于燃烧集气室的径向内侧的内室壁和位于燃烧集气室的径向外侧的外室壁。室壁还包括在燃烧集气室的上游侧的头端壁，这与本发明无关。为了确保室壁的刚性并能够对膨胀涡轮进行密封，室壁还包括在室集气室的下游端的从内室壁的下游端径向向内延伸的内端壁和从外室壁的下游端径向向外延伸的外端壁，内端壁和外端壁两者都靠近涡轮入口布置。

为了能够对室壁进行冷却，燃烧室还包括布置在与室壁一定距离处的空气导引件。这导致在室壁与空气导引件之间形成冷却通道。冷却通道具有从室壁到空气导引件的宽度，该宽度可以是恒定的，但在从燃烧室的下游端到上游侧的空气导引件的长度上也是不同的。

从室壁开始的端壁处的区域是关于过热的最关键区域。为了保证该区域的充分冷却，对于该解决方案有必要将空气导引件布置在与端壁一定距离处。在这种情况下，相关的是，从空气导引件到相应的端壁的距离需要至少是相应冷却通道宽度的最小宽度的0.5倍。但是，冷却通道的最小宽度的2倍的最大值不得超过从相应的空气导引件到相应端壁的最小距离的位置(该位置应靠近室壁)。在这种情况下，从通道壁到相应的空气导引件的最小距离是冷却通道的最小宽度。

为了防止端壁过热，通常的解决方案包括随着室壁的延伸而继续延伸的突出部。此外，冷却孔通常布置在靠近室壁的端壁中，或在端壁处直接布置在室壁中。

为了避免过热并节省冷却空气，发明的解决方案在与端壁连接的室壁处包括没有任何突出部的拐角。此外，在拐角处必须流体密封，没有任何冷却孔。

为了能够对拐角进行必要的冷却，应考虑相应室壁的厚度与拐角的厚度之间的某种关系。此处，设置成拐角的厚度不大于相邻空气导引件的长度内的相应室壁的最低厚度的2倍。

显然，与具有内室壁、内端壁和内拐角的内侧部一样，同样适用于具有外室壁、外端壁和外拐角的外侧部。

原则上所有部件，即内室壁、外室壁、内部空气导引件和外部空气导引件都采用环形设计，并且进一步内拐角和外拐角应具有旋转形状。这通常导致冷却通道沿周向方向的宽度恒定，并且从空气导引件到端壁沿周向方向的距离也恒定。

如果存在关于冷却通道的宽度的任何局部差异，例如，由于零件被分成上部部分和下部部分，则需要采用由最小自由横截面/流动面积(垂直于冷却通道内的冷却空气的流动)计算的中间距离，而不是冷却通道的最低宽度。类似地，如果从空气导引件到端壁的距离存在任何局部差异，则需要采用由最小自由横截面/流动面积计算的中间距离，而不是从空气导引件到端壁的最小距离。

具有环形燃烧集气室并且因此具有环形内室壁和环形外室壁的环形燃烧室的构思，发明的解决方案的两个实现方式是可能的。在第一实施方式中，燃烧室包括内部空气导引件，该内部空气导引件如之前所述布置在流体密封内拐角处。在第二实施方式中，燃烧室包括外部空气导引件，该外部空气导引件如之前所述布置在流体密封外拐角处。在第三实施方式中，在内侧部以及在外侧部，在相应流体密封拐角处布置有空气导引件(第一实施方式和第二实施方式的组合)。

发明的解决方案防止了冷却空气的损失。为了确保室壁的冷却，在拐角处提供了空气导引件特殊布置结构。这使得边缘能够利用冷却空气的流动进行冷却，冷却空气然后可以进一步用作燃烧空气。

如果冷却流具有相反的方向，则措辞“下游”和“上游”总是关于流动通过燃烧集气室的热气体的方向独立地使用。

为防止室壁局部过热，应避免拐角处的尖锐边缘。相反，尤其有利的是，内拐角和外拐角分别具有弯曲形状。这关于引导热气从集气室流入膨胀涡轮是不利的，但避免拐角处的冷却孔更有益于调整弯曲拐角。

为了能够对拐角进行有益的冷却，应考虑室壁的厚度与拐角的厚度之间更精确的关系。此处，如果内拐角的厚度不大于室壁的在相邻的内部空气导引件的长度内的最低厚度的1.5倍，则是有利的。显然，同样的情况也适用于外拐角，因为其厚度有利地不大于外室壁的在外部空气导引件的区域中的最低厚度的1.5倍。如果拐角的厚度不大于相应室壁的在相邻空气导引件的长度内的最低厚度，则尤其有利。

为了在拐角处实现有利的冷却流动，以及在室壁与空气导引件之间沿着冷却通道进一步流动，有利的是沿从拐角到燃烧集气室的上游侧的方向增加冷却通道的宽度或保持至少恒定的宽度，该宽度意味着从通道壁到空气导引件的距离。

为了在拐角处实现有利的冷却流动，如果内部空气导引件在其端部靠近内拐角处具有从内拐角偏移的弯曲形状，和/或如果外部空气导引件在其端部靠近外拐角处具有从外拐角偏移的弯曲形状，则进一步有利。

利用径向肋的布置结构，可以实现空气导引件的有效固定。因此，在内部空气导引件与内室壁之间和/或在内部空气导引件与内端壁之间布置内部径向肋是有利的。类似地，在外部空气导引件与外室壁之间和/或在外部空气导引件与外端壁之间布置外部径向肋是有利的。

为了能够在燃烧室与膨胀涡轮之间有利地安装密封件，有利的是在径向内侧的内端壁处布置内座部。此处，使用径向向内敞开的凹槽来安装内密封件是特别有利的。类似地，有利的是，在径向外侧的外端壁处布置外座部是有利的。此处，使用径向向外敞开的凹槽来安装外密封件是特别有利的。

为了能够在燃烧室的长度上充分冷却室壁，并进一步沿着室壁引导附加冷却空气，进一步有利的是布置与室壁间隔开的空气导引板，以使得压缩空气能够在室壁与空气导引板之间附加流动。

因此，有利的是，内部空气导引板布置在内室壁的径向内侧。还设置成内部空气导引板以下游端的短部段在径向内侧与内部空气导引件的上游端重叠。这导致在内部空气导引件与内部空气导引板之间产生作为敞开空间的内部空气入口。

同样有利的是，外部空气导引板布置在外室壁的径向外侧。还设置成外部空气导引板以下游端的短部段在径向外侧与外部空气导引件的上游端重叠。这导致在外部空气导引件和外部空气导引板之间产生作为敞开空间的外部空气入口。

如上所述的新发明燃烧室实现了一种新的发明的燃气涡轮，其包括位于燃烧室上游的压缩机和位于燃烧室下游的膨胀涡轮，其中，涡轮入口布置成与燃烧室相邻。此外，在上游侧的燃烧室的头端还安装了多个燃烧器。

涡轮入口布置成与燃烧室相邻导致内拐角与涡轮入口之间存在内间隙，并且类似的在外拐角与涡轮入口之间存在外间隙。为了能够从发明的燃烧室得到最佳益处，有利的是将涡轮入口布置成在距燃烧室一定距离处。

因此，将内拐角布置成距涡轮入口的距离为内拐角与外拐角之间的距离的至多0.1倍是有利的。将内间隙的宽度限制为内拐角与外拐角之间距离的0.07倍是特别有利的。类似地，将外拐角布置成距涡轮入口的距离为内拐角与外拐角之间的距离的至多0.1倍是有利的。此外，将外间隙的宽度限制为内拐角与外拐角之间距离的0.07倍是特别有利的。

进一步有利的是，将空气导引件布置在距涡轮入口一定距离处。这导致了从内部空气导引件到涡轮入口的距离具有内间隙的宽度的至少1.5倍的有益布置结构。类似有益的将外部空气导引件布置成距涡轮入口的距离具有外间隙的宽度的至少1.5倍。如果空气导引件与涡轮入口之间的距离是相应间隙宽度的至少2倍，则特别有利。

此处，如果空气导引件与涡轮入口之间的距离不大于相应间隙宽度的3倍，则进一步有利。如果从内部空气导引件到涡轮入口的距离是内间隙宽度的至多2.5倍，则特别有利。同样，如果从外部空气导引件到涡轮入口的距离是外间隙宽度的至多2.5倍，则类似特别有利。

燃烧室到涡轮入口的这种有益布置结构以及空气导引件相对于拐角的布置结构进一步导致有利的冷却效果。

为了防止在燃烧室与涡轮之间的间隙中，更具体地，分别在内端壁与涡轮入口之间以及在外端壁与涡轮入口之间的间隙中产生不需要的冷却流，在内端壁与涡轮入口之间的内侧布置内密封件和/或在外端壁与涡轮入口之间布置外密封件是进一步有利的。在此，密封件应沿径向方向延伸，并且安装在端壁中，优选地分别安装在内凹槽中和外凹槽中。

在下图中，用于发明的燃烧室01的示例作为剖面切割部分地示出，其中示出了靠近下游布置的膨胀涡轮的(为了本发明相关)区域。在图的底部，示意示出了转子轴线09。涡轮入口08布置在燃烧室01的下游侧，涡轮入口08部分地示出在图的右侧。燃烧室01包括内部的燃烧集气室02，其中，具有燃烧集气室02的燃烧室01具有围绕转子轴线09的环形形状。

在燃烧集气室02的面向转子轴线09的径向内侧，燃烧室01包括内室壁11，其中，在燃烧集气室02的相对径向外侧，布置有外室壁21。靠近涡轮入口08，在内侧部布置有内端壁13，并且在外侧部布置有外端壁23。内端壁13和外端壁23两者都沿径向方向延伸，其中，内端壁13和外端壁23两者还包括环形凹槽18、28，环形凹槽18、28在内侧部径向向内敞开并且在外侧部径向向外敞开。

内室壁11与内端壁13形成内拐角12，并且外室壁与外端壁形成外拐角22。此处，优点在于拐角为流体密封。

燃烧室01还包括在面向转子轴线09的内侧部距内室壁11一定距离处的内部空气导引件14，该内部空气导引件14与内室壁11大致平行延伸并且下游端靠近内拐角12。在内室壁11与内部空气导引件14之间建立了内部冷却通道16，该内部冷却通道16的宽度从下游端延伸到上游侧。类似地，在外侧部上，在外室壁21的外侧部上布置有外部空气导引件24。同样地，在外室壁21与外部空气导引件24之间建立了具有从下游端到上游侧的宽度增加的外部冷却通道26。

接下来，部分地示出了从面向转子轴线09的内室壁11偏移的内部空气导引板15。空气导引板15的下游端与空气导引件14的上游端重叠。在空气导引板15的下游端与空气导引件14的上游端之间实现了内部空气入口17。同样的再次适用于外侧部。外部空气导引板25布置成从外室壁21偏移，并且与外部空气导引件24重叠，并且具有中间外部空气入口27。

在燃气涡轮的操作中，作为冷却空气的压缩空气可以沿着端壁13、23部分地围绕空气导引件14、24流动，而不是沿着拐角12、22和室壁11、21流动。另一部分冷却空气被引入通过空气入口17、27以冷却室壁11、21。

接下来，示出了内密封件19和外密封件29，以防止在拐角12、22、端壁13、23和涡轮入口08之间的间隙10、20中出现不受控制的冷却流动。

接下来示出的是具有弯曲形状的拐角12、22的优选形状，以及空气导引件14、24相对于拐角12、22和相对于涡轮入口08的优选布置结构。