CN101029739A - 组装燃气轮机的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于燃气轮机(10)的燃烧室(16)。燃烧室包括：燃烧室罩组件，该燃烧室组件包括限定燃烧腔(30)至少一部分的外燃烧室罩(32)，外燃烧室罩具有限定燃烧腔输入孔的径向延伸第一端(34)和限定燃烧腔输出孔的轴向延伸第二端(38)，第一端过渡到第二端以限定燃烧室罩的拱形横截面；气室组件(50)，连接到从气室组件向下游延伸的第一端，气室组件包括旋流器(120)，旋流器具有多个绕着旋流器圆周地定位的旋流叶片(122)；以及燃料喷嘴(64)，以径向结构位于旋流器中。

Description

组装燃气轮机的方法和设备
技术领域
本发明总地涉及燃烧室，尤其是涉及燃气轮机燃烧室。
背景技术
涉及全球的空气污染导致了在国家和国际上更加严格的排放标准。飞机由环境保护局(EPA)标准和国际民间航空组织(ICAO)标准管理。这些标准规定了在机场附近飞机的氮氧化物(NOx)、未燃碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)的排放，这些化学物质在机场会导致光化烟雾问题。通常，发动机排放分为两个类别：那些由于高火焰温度形成的(NOx)，和那些由于低火焰温度而使燃料-空气反应无法进行完全形成的(HC和CO)。
至少一些已知的燃气轮机燃烧室包括10至30个混合器组件，其将高速空气与细燃料喷雾混合。这些混合器组件通常由位于涡流器中心的燃料喷嘴组成，涡流器用来将引入的空气涡流化并混合，以提高燃烧稳定性。在传统的燃气轮机燃烧系统中，燃料喷嘴沿轴向方向插入气室组件中。该方法导致在燃烧室设计阶段必须解决的几个缺陷。轴向构造的燃料喷嘴在气室表面上游需要敞开的体积，以允许燃料喷嘴的插入和取出而无需移开燃烧室。这个额外的体积或封装给发动机增加了额外的长度、成本和/或重量，却未给发动机的运行带来任何好处。另外，需要长燃料喷嘴杆将燃料喷嘴末端连接到气室组件的凸缘，这也给发动机增加了成本和/或重量，并且不利地影响燃料喷嘴的固有频率和/或在燃料喷嘴中的热传递。
发明内容
一方面，本发明提供了一种组装燃气轮机的方法。该方法包括提供具有限定燃烧腔的燃烧室罩组件的燃烧室。外燃烧室罩的径向延伸第一端限定了燃烧腔输入孔，轴向延伸第二端限定了燃烧腔输出孔。第一端过渡到第二端以形成燃烧室罩的拱形横截面形状。气室组件连接到从该气室组件向下游延伸的燃烧室罩第一端。燃料喷嘴位于形成在气室组件之上的旋流器中，并构造成径向结构。
在另一方面，本发明提供了一种用于燃气轮机的燃烧室。该燃烧室包括燃烧室罩组件，该燃烧室罩组件包括限定燃烧腔至少一部分的外燃烧室罩。外燃烧室罩具有限定燃烧腔输入孔的径向延伸第一端，限定燃烧腔输出孔的轴向延伸第二端。第一端过渡到第二端以形成燃烧室罩的拱形横截面形状。气室组件连接到从该气室组件向下游延伸的燃烧室罩第一端。该气室组件包括旋流器，该旋流器具有多个绕着旋流器圆周地定位的旋流叶片。燃料喷嘴以径向结构位于旋流器中。
在另一方面，本发明提供了一种燃气轮机。该燃气轮机包括限定压缩机排出孔的压缩机。燃烧室连接到压缩机。燃烧室包括限定了燃烧腔的罩组件。罩组件的外燃烧室罩具有限定燃烧腔输入孔的径向延伸第一端和限定燃烧腔输出孔的轴向延伸第二端。气室组件连接到第一端。气室组件包括旋流器，旋流器具有多个绕着旋流器圆周地定位的旋流叶片。燃料喷嘴以径向结构位于旋流器中。该燃气轮机还包括连接到燃烧室的涡轮喷嘴组件。
附图说明
图1为典型燃气轮机的示意图；
图2为可与图1中所示的燃气轮机一起使用的燃烧室的截面图；
图3为图2所示燃烧室的局部放大图；
图4为图3所示燃烧室的部分沿着线A-A的截面图；
图5为图2所示燃烧室的混合器组件沿着线B-B的截面图；以及
图6为图2所示燃烧室的可选混合器组件沿着线B-B的截面图。
具体实施方式
图1为燃气轮机10的示意图，包括低压压缩机12、高压压缩机14和燃烧室16。燃气轮机10还包括高压涡轮18和低压涡轮20。
运行时，空气流过低压压缩机12，压缩空气从低压压缩机12供应到高压压缩机14。高压缩空气被传送到燃烧室16。来自燃烧室16的气流(图1中未示出)驱动涡轮18和20绕着燃气轮机10的纵向轴线22旋转。
图2为同和图1中所示燃气轮机10相类似的燃气轮机一起使用的燃烧室16的截面图。图3为图2中所示燃烧室16的局部放大截面图。在一个实施例中，燃气轮机10为可从CFM国际(CFM International)获得的CFM发动机。在另一个实施例中，燃气轮机10为可从俄亥俄州辛辛那提的通用电气公司(General Electric Company，Cincinnati，Ohio)获得的GE90发动机。
各燃烧室16包括由环状的径向外罩32和径向内罩33限定的燃烧区或燃烧腔30。更具体地，外罩32限定了燃烧腔30的外边界，内罩33限定了燃烧腔30的内边界。外罩32和内罩33在环状燃烧室壳体35径向内部，该环状燃烧壳体35在套32和33周围圆周地延伸。
如图2中所示，外罩32和内罩33限定了第一端或输入端34，其绕着燃烧腔30径向轴36圆周地定位，并沿着关于燃气轮机10的纵向轴线22的径向方向延伸。外罩32和内罩33还限定了大致相对的输出端38，其绕着燃烧腔30的纵向轴40(大致垂直于径向轴36)圆周地定位，并平行于关于纵向轴线22的轴向方向且沿着该方向延伸。如图2中所示，燃烧腔30具有拱形形状，输入端34过渡到输出端38，以引导燃烧气体通过煅烧腔30从径向延伸的输入端34至轴向延伸的输出端38。在可选实施例中，燃烧腔30由外罩32和内罩33限定，使得输入端34构造成在基本平行于纵向轴线40的角度与基本平行于径向轴线36的角度之间，如图2中所示，输出端38定位为圆周地环绕着燃烧腔30的纵向轴线40。
燃烧室16还包括关于输入端34安装的环状气室组件50，如图2和3所示。气室组件50限定了燃烧腔30的上游端，混合器组件52圆周地围绕气室组件50而相隔，以将燃料和空气的混合物传送至燃烧腔30。
各混合器组件52包括引燃混合器54、主混合器56以及在这两者之间延伸的中心体58。中心体58限定了在引燃混合器54下游并与其流体连通的腔室60。腔室60在上游端具有与燃烧室16的径向轴线36同轴的对称轴62。引燃燃料喷嘴64延伸进腔室60，并关于对称轴62对称地安装。引燃燃料喷嘴64包括用于将燃料滴喷入引燃腔室60的引燃燃料喷射器66。在一个实施例中，引燃燃料喷射器66通过喷射口(未示出)供给燃料。在可选实施例中，引燃燃料喷射器66通过单一的喷雾器(injection simplex sprays)(未示出)供给燃料。
引燃混合器54还包括一对同心安装的涡流器71。更具体地，涡流器71为轴向的涡流器，包括引燃内涡流器72和引燃外涡流器74。引燃内涡流器72为环状的，绕着引燃燃料喷射器66圆周地布置。各涡流器72和74分别包括多个位于引燃燃料喷射器66上游的叶片76和78。选择叶片76和78以提供所需的点火特性、稀燃稳定性、以及在低发动机功率运行期间的低一氧化碳(CO)和碳氢化化合物(HC)排放。
在引燃内涡流器72和引燃外涡流器74之间布置有引燃分流板80，其从引燃内涡流器72和引燃外涡流器74向下游延伸。更具体地，引燃分流板80为环状的，并绕着引燃内涡流器72圆周地延伸，以将流通过内涡流器72的气流从流通过外涡流器74的气流分开。分流板80具有会聚-发散的内表面82，其在发动机低功率运行期间提供了燃料膜表面。分流板80的会聚表面增加了轴向空气速度，以防止火焰锋移向文氏管管颈的上游，从而保护其末端不受过多的辐射热而熔融和变焦，同时分流板80的发散表面降低了流通过引燃混合器54的空气的速度，以允许热气体的再循环。
引燃外涡流器74位于引燃内涡流器72的径向外侧，并位于中心体58的内表面84的径向内侧。更具体地，引燃外涡流器74绕着引燃内涡流器72圆周地延伸，并位于引燃分流板80与引燃壳体86之间。在一个实施例中，引燃内涡流器叶片76使从其流通过的空气在与流通过引燃外涡流器叶片78的空气相同的方向成涡流。在另一个实施例中，引燃内涡流器叶片76使从其流通过后空气成的涡流方向为第一方向，引燃内涡流器叶片78使从其流通过后空气成的涡流方向为第二方向，且第一方向与第二方向相反。
主混合器56包括限定了环状空腔92的环状主壳体90。主混合器56关于引燃混合器54同心地排列，并绕着引燃混合器54圆周地延伸。在引燃混合器54与主混合器56之间延伸有燃料歧管94。更具体地，燃料歧管94绕着引燃混合器54圆周地延伸，并位于中心体58与主壳体90之间。燃料歧管94包括多个穿过壳体90外表面100的喷射口98，用于从燃料歧管94将燃料径向向外地喷进主混合器空腔92。燃料喷射口98有助于周围的燃料-空气在主混合器56之中混合。
在一个实施例中，歧管94包括两排在圆周方向上相隔的喷射口98。在另一个实施例中，歧管94包括不是圆周相隔排列的多个喷射孔98。选择喷射口98的定位以调节燃料-空气的混合程度，来获得低氮氧化合物(NOx)排放，并确保在不同发动机运行条件之下的完全燃烧。另外，还可选择喷射口定位以利于降低或防止燃烧不稳定性。
中心体58将引燃混合器54和主混合器56分开。因此，在引燃操作期间，引燃混合器54避开主混合器56，以利于提高引燃性能稳定性和效率，同时还降低了CO和HC排放。另外，中心体58成形为利于完成将喷进燃烧室16的引燃燃料完全燃尽。更具体地，中心体58的内壁84包括会聚-发散的表面104、尾部护板106和在这两者之间向外延伸的凸缘108，其中凸缘108有利于控制引燃火焰扩散和混合进离开主混合器56的气流。可变地选择凸缘108的定向以利于提高点火特性、高功率运行和低功率运行时的燃烧稳定性、以及低功率运行条件时产生的排放。
在图4所示的一个实施例中，气室组件50包括旋流器120，其具有多个绕着旋流器120圆周布置的旋流叶片122。如图4中所示，在具体实施例中，最尾端的旋流叶片123大于最前端的旋流叶片124。相邻的旋流叶片122的尺寸从最尾端的旋流叶片123至最前端的旋流叶片124逐渐减小。旋流器120包括旋流体125。罩126构造成环绕旋流体125的至少一部分，以限定与位于燃烧室16上游的压缩机排气孔130(如图3中所示)连通的孔或通道128。如箭头132所示，从压缩机排气孔130排出的气流通过通道128进入旋流器120。罩126和更具体地通道128构造成捕集从压缩机排气孔130排出的气体，以利于将气体均匀地供给进旋流叶片122。在该实施例中，罩126与旋流器120整体地形成，以控制间隙134的尺寸。旋流体125和罩126绕着燃烧室16的径向轴线，如对称轴62同轴地布置，并限定了绕着旋流体125的圆周或外围具有均匀径向尺寸的间隙134。可选择地，罩126构造成单独的或独立的部件，并安装到气室组件50上，以限定具有绕着旋流体125圆周变化的径向尺寸的间隙134。
进一步参考图3，在一个实施例中，燃料喷嘴64形成具有安装至固定法兰69的前端部分的燃料喷嘴头68，其中固定法兰形成在或安装在气室组件50上。相对的燃料喷嘴杆70连接到旋流器120，并构造成与扩散器相连通。气流被引导向在燃料喷嘴头68中限定的引燃气体通道。如图3中所示，在一个实施例中，燃料喷嘴64在大致径向结构中位于旋流器120中。在径向结构中，燃料喷嘴64可沿着对称轴62定位，如图5中所示。如图5中所示，燃料喷嘴64沿基本上径向方向插入旋流器120。气体沿径向方向通过气室组件50和输入端34进入燃烧腔30，并沿轴向方向在输出端38排出燃烧腔30。
在可选实施例中，燃料喷嘴64可位于大致径向的结构中，包括圆周部件，如图6中所示。参考图6，通过燃料喷嘴64位于具有圆周部件的大致径向结构中，至少燃料喷嘴64的一部分位于燃烧腔30中，并在内燃烧室罩140以间接入射角定向。在该实施例中，喷嘴头68(图6中未示出)与内罩140之间的更大距离及间接入射角，有利于提高内罩耐久性。由于该结构，向燃烧室16添加了大量涡流，提高了有效燃烧室长度，有利于排放的改善和轮廓/图案因素的改进。
燃料管道130通过引燃喷射器和主喷射器从燃料喷嘴阀排出口(未示出)，或者如果不使用阀则直接从燃料喷嘴入口装置向燃烧室16传送燃料，其中燃料管道130包括引燃燃料管道(未示出)和主燃料管道(未示出)。引燃燃料管道向引燃燃料喷射器66供给燃料，主燃料管道向主混合器56供给燃料，并且主燃料管道包括多个独立的燃料级，用以控制在燃烧室16中产生的氮氧化物排放。燃料管道在引燃管道和主管道之间提供了高导热性，以允许不同的引燃/主流分支彼此冷却而使燃料热沉积(烧焦)最小化。为了使烧焦进一步最小化，主管道燃料浸湿的壁的形状在空气动力学上制成光滑、流线型的，并且没有停滞穴(stagnant pocket)或分流，使得当主燃料流被上游的阀关闭时，可使用空气净化以快速地并有效地从管道去除液体燃料，仅有非常小的燃料残留。主燃料管道网和在喷射孔排出点的静气压设计成确保各管道的分支在关闭主流时有效地空气净化。
在运行中，当燃气轮机10起动，并运行于怠速运行状态时，燃料和空气供给到燃烧室16。在燃气轮机怠速运行期间，燃烧室16只使用引燃混合器54来运行。引燃燃料管道通过引燃燃料喷射器66将燃料喷射至燃烧室16。同时，气流进入引燃涡流器71和旋流器叶片122。引燃气流基本上平行于中心混合器对称轴62地流动，冲击到引燃分流板80上，该分流板将引燃气流以涡流运动引导向从引燃燃料喷射器66排出的燃料。更具体地，气流由凸缘108引导进引燃混合器54下游的引燃火焰区域。引燃气流并不瓦解引燃燃料喷射器66的喷雾图案(未示出)，而是稳定和雾化燃料。通过主混合器56排出的气流沿径向方向进入燃烧腔30。
当燃气轮机10从怠速运行状态加速至提高功率的运行状态时，另外的燃料和空气被引导进燃烧室16。在提高工作率的运行状态期间，除了引燃燃料阶段之外，主混合器56也通过主燃料管道134供给燃料，并通过燃料喷射口98径向向外地喷射。旋流器叶片122有助于径向和圆周向的燃料-空气混合，以为燃烧提供基本上均匀的燃料和空气分配。更具体地，由于歧管94中的燃料压力与混合器空腔92的空气压力之间的不同，通过喷射口98喷射的燃料与从旋流器叶片122排出的气流的径向渗透，迫使径向渗透的燃料在主混合器空腔92之中圆周地延伸，以利于燃料-空气混合，并使主混合器56能够以稀空气-燃料混合物运行。另外，均匀分配的燃料-空气混合物有利于获得完全燃烧，以降低高功率运行NOx排放。
上述燃烧室结构提供了对发动机系统、燃烧室和燃料喷嘴结构的改进。由于燃烧室长度的降低，本发明的燃烧室结构提供了紧凑的发动机。通过降低燃烧室长度从而减少发动机长度，降低了发动机的重量。另外，转子轴长度的降低有利于轴动力学上的改进。
另外，本发明的燃烧室结构对于相应的燃烧室长度提供了更长的有效燃烧室长度。更长的燃烧室长度提高了燃烧室性能。在具体实施例中，如图2中所示，根据本发明的径向TAPS设计与相同发动机封装之中的对于传统TAPS设计的大约2.95英寸的燃烧室长度相比，提供了大约4.34英寸的燃烧室长度。径向TAPS混合器的燃烧室长度的增加通过提供燃烧空气的更高百分比的更好空气/燃料混合，克服了许多限制因素，包括但不限于，内罩的过热和不良的出口温度曲线，而不丧失稀送气区域、起动性能和/或低功率效率。
另外，本发明提供了具有更短的连接法兰至燃料喷嘴头的杆的燃料喷嘴。更短的杆降低了燃料喷射的重量和暴露于热气的表面积，这进一步降低了燃料的热传递。这降低的热传递会减少在燃料喷嘴之中烧焦的风险。并且，更短的杆有利于减少燃料管道容积。因此，在停机时只需净化较少的燃料，当开启管道时所需的填充时间更短，这改善了发动机加速响应时间。
尽管已经根据具体实施例描述了本发明，本领域的技术人员应当认识到本发明可在权利要求的实质和范围内做出各种修改。
附图标记
10燃气轮机
12低压压缩机
14高压压缩机
16燃烧室
18高压涡轮
20低压涡轮
22纵向轴线
30燃烧腔
32外罩
34内罩
34输入端
35环状燃烧室壳体
36径向轴线
38输出端
40纵向界线
50气室组件
52混合器组件
54引燃混合器
56主混合器
58中心体
60引燃腔
62对称轴
64燃料喷嘴
66引燃燃料喷射器
68燃料喷嘴头
69固定法兰
70相对燃料喷嘴杆
71涡流器
72引燃内涡流器
74引燃外涡流器
76叶片
78引燃外涡流器叶片
80引燃分流板
82内表面
84内壁
86引燃壳体
90壳体
92主混合器空腔
94燃料歧管
98喷射口
100外表面
104逐步收敛表面
106尾部护板
108凸缘
120旋流器
122旋流叶片
123最尾端旋流叶片
124最前端旋流叶片
125旋流体
126罩
128通路
130排出孔
132箭头
134间隙
140内燃烧室罩

Claims (10)

1.一种用于燃气轮机(10)的燃烧室(16)，所述燃烧室包括：
燃烧室罩组件，包括限定至少一部分燃烧腔(30)的外燃烧室罩(32)，所述外燃烧室罩具有限定燃烧腔输入孔的径向延伸第一端(34)和限定燃烧腔输出孔的轴向延伸第二端(38)，所述第一端过渡到所述第二端以限定所述燃烧室罩的拱形横截面；
气室组件(50)，连接到从所述气室组件向下游延伸的所述第一端，所述气室组件包括旋流器(120)，所述旋流器具有多个绕着所述旋流器圆周地定位的旋流叶片(122)；以及
燃料喷嘴(64)，以径向结构位于所述旋流器中。
2.如权利要求1所述的燃烧室(16)，其中所述旋流器(120)还包括：
主体(125)；以及
罩(126)，其环绕所述主体的至少一部分，所述罩限定了与位于所述燃烧室上游的压缩机排出孔(130)流体连通的通路(128)。
3.如权利要求2所述的燃烧室(16)，其中所述主体与所述罩(126)绕着所述燃烧室的径向轴线(36)同轴地布置，并限定了绕着所述主体的圆周具有均匀径向尺寸的间隙(134)。
4.如权利要求2所述的燃烧室(16)，其中所述主体(125)与所述罩(126)绕着所述燃烧室的径向轴线(36)布置，并限定了具有绕着所述主体的圆周变化的径向尺寸的间隙(134)。
5.如权利要求1所述的燃烧室(16)，其中所述多个旋流叶片(122)的最尾端旋流叶片(123)大于所述多个旋流叶片的最前端旋流叶片(124)。
6.如权利要求5所述的燃烧室(16)，其中所述多个旋流叶片中各相邻旋流叶片(122)的尺寸从所述最前端旋流叶片(124)至所述最尾端旋流叶片(123)增大。
7.如权利要求1所述的燃烧室(16)，其中所述燃料喷嘴(64)还包括：
燃料喷嘴头(68)，具有连接到固定法兰(69)的前端部分；以及
相对的燃料喷嘴杆(70)，连接到所述旋流器(120)，所述燃烧喷嘴杆构造成与扩散器流体连通，并将气流朝着所述燃料喷嘴头中限定的引燃空气通路引导。
8.如权利要求1所述的燃烧室(16)，其中所述燃料喷嘴(64)以具有圆周部件的所述径向结构位于所述旋流器(120)之中，所述燃料喷嘴的至少一部分位于所述燃烧腔(30)之中，并在内燃烧室罩(33)以间接入射角定向。
9.一种燃气轮机(10)，包括：
压缩机(12，14)，限定有压缩机排出孔；
燃烧室(16)，连接到所述压缩机，所述燃烧室包括：
罩组件，限定了燃烧腔(30)，所述罩组件的外燃烧室罩(32)具有限定燃烧腔输入孔的径向延伸第一端(34)和限定燃烧腔输出孔的轴向延伸第二端(38)；
气室组件(50)，连接到所述第一端，所述气室组件包括旋流器(120)，所述旋流器具有多个绕着所述旋流器圆周地定位的旋流叶片(122)；
燃料喷嘴(64)，以径向结构位于所述旋流器中；以及
涡轮喷嘴组件，连接到所述燃烧室。
10.如权利要求9所述的燃气轮机(10)，其中所述气室组件(50)还包括环绕所述旋流器的主体(125)至少一部分的罩(126)，所述罩限定了与所述压缩机排出孔(130)流体连通的通路(128)。
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