CN101514815B - 燃气涡轮机燃烧器火焰稳定器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃气涡轮机燃烧器火焰稳定器，具体而言，提出了一种燃气涡轮机燃烧器(10)，其包括定位于预混室(18)的下游的燃烧室(12)。预混室(18)包括用于进气的至少一个开口(50)。至少一个主燃料喷嘴(14)被布置以将燃料(54)排入预混室(18)。从主喷嘴(14)排出的燃料和预混室(18)内的进气混合以提供燃料气体混合物。辅助燃料喷嘴(16)布置在燃烧室(12)附近，用于在燃烧室(12)处排放燃料。稳定器(32)布置于辅助燃料喷嘴(16)处，以便当辅助燃料喷嘴(16)处的燃料被点燃时定位成紧邻火焰。还提出了一种稳定燃气涡轮机燃烧器(10)中的火焰的方法。

Description

燃气涡轮机燃烧器火焰稳定器
技术领域
本发明一般地涉及燃气涡轮机燃烧器。更具体地，本发明涉及布置于燃气涡轮机燃烧器的燃料喷嘴处的火焰稳定器，籍此燃烧器能够使用更贫乏的预混燃料气体混合物运行，而导致更低的一氧化氮排放。
背景技术
典型地，燃气涡轮机燃烧器具有主燃料喷嘴和辅助燃料喷嘴。此类燃烧器具有四种运行模式，即主模式，贫燃-贫燃模式(lean-lean)，辅助模式，和预混模式。主模式用于仅将燃料输送至主喷嘴时燃烧器的点火。在贫燃-贫燃模式，辅助喷嘴也被点燃，且燃料被输送至主喷嘴和辅助喷嘴。在辅助模式，燃料仅被输送至辅助喷嘴，从而在主喷嘴处熄灭火焰。而在预混模式，燃料被输送至主喷嘴和辅助喷嘴，但是火焰仅存在于辅助喷嘴区域，且预混的燃料气体混合物被优化以获得包括降低的一氧化氮排放在内的理想性能。
为了寻求降低燃烧器的一氧化氮排放，燃烧器常工作在贫燃条件下。然而，在贫燃条件下工作有贫燃熄火的危险。当工作在贫燃条件下并发生变化如流扰动时，就会产生贫燃熄火。如上所讨论的，熄火导致燃烧室转回贫燃-贫燃模式或甚至停机，并相应导致重转换至预混模式或要求重新点火。为了避免贫燃熄火，许多燃烧器运行在较为富燃的条件下，但是这些条件导致更高的火焰温度和更大的一氧化氮排放。
政府的排放法规对于燃气涡轮机的污染排放，如一氧化氮越来越关注。
美国专利No.6,026,644公开了具有促使形成所需火焰形状的湍流促进器的凹陷锥形喷嘴。所公开的火焰形状更为稳定，使得其不易受到流扰动的影响，从而允许更贫燃的运行。
发明内容
提出了一种燃气涡轮机燃烧器，其包含预混室和燃烧室。预混室包括用于进气的至少一个开口。布置至少一个主燃料喷嘴来将燃料排入预混室。从主喷嘴排出的燃料和预混室内的进气混合以提供燃料气体混合物。燃烧室定位在预混室的下游。辅助燃料喷嘴布置成临近该燃烧室，以在燃烧室处排放燃料。稳定器布置于辅助燃料喷嘴处，以便当辅助燃料喷嘴处的燃料被点燃时定位成靠近火焰。稳定器由具有从燃烧器中产生的热流中吸取热量、并保持足以维持火焰点燃的温度的能力的材料构成。
还提出了一种用在燃气涡轮机燃烧器中的燃料喷嘴，其包括燃料喷嘴和布置于燃料喷嘴处的火焰稳定器，以便当燃料喷嘴被点燃时定位成靠近火焰。稳定器由具有从燃烧器中产生的热流中吸取热量、并保持足以维持火焰点燃的温度的能力的材料构成。
提出了一种稳定燃气涡轮机燃烧器中的火焰的方法。该方法包括在燃气涡轮机燃烧器的燃烧室处排放燃料，和当燃烧室的燃料被点燃时将稳定器定位于火焰的附近。稳定器吸收燃烧器中产生的热流的热量、并保持足以维持火焰点燃的温度。
附图说明
图1为本发明的一个示范性实施例的燃气涡轮机燃烧器系统的简化横截面视图；和
图2为图1的燃气涡轮机燃烧器系统的火焰稳定器的横截面视图。
部件清单
10    燃气涡轮机燃烧器
12    燃烧室
14    主燃料喷嘴
16    辅助燃料喷嘴
18    预混室
20    文丘里管
22    燃烧器中心线
24    壁
26    燃烧衬里
28    上壁
30    下壁
32    火焰稳定器
34    伸长的部件
35    表面
36    支架
38    开口
39    表面
46    向外伸出的肩部
48    螺纹部件
50    进口
54    燃料
56    流控制器
60    收缩壁
62    扩张壁
具体实施方式
参见图1，本发明的一个实施例的燃气涡轮机燃烧器一般地示于10处。燃气涡轮机燃烧器10一般包括燃烧室12、主燃料喷嘴14(如此处所示，某些燃气涡轮机在各燃烧器内使用多个喷嘴)、辅助燃料喷嘴16、环形预混室18和文丘里管20。燃烧室12通常是绕燃烧器中心线22的圆柱形并由壁24和燃烧衬里26闭合。大体上圆柱状的燃烧衬里26包括上壁28和下壁30，它们限定了燃烧室12。
燃气涡轮机燃烧器10有四种工作模式，即主模式、贫燃-贫燃模式、辅助模式和预混模式。
主模式用于在燃料54仅被输送至主喷嘴14的情况下点燃燃烧器10。气流通过进口50被供入预混室18。将会了解，为了简化图1，未示出主燃料喷嘴末梢叶片和冷却回路。燃料54通过燃料流控制器56被提供给主燃料喷嘴14。之后燃料气体混合物被火花塞(未示出)或其它常用点燃装置点燃，引发在预混室18内在主燃料喷嘴14处的燃烧。
在贫燃-贫燃模式中，辅助喷嘴16也被点燃，且燃料被分别输送至主喷嘴14和辅助喷嘴16。燃料54的大约60％被供应给主喷嘴14，而燃料54的40％被供应给辅助燃料喷嘴16。辅助喷嘴16被来自主喷嘴14的火焰点燃。这产生理想的热流，使得火焰稳定器32的伸长的部件34被成指数地加热。
在辅助模式中，燃料54仅被输送至辅助喷嘴16，从而熄灭主喷嘴处的火焰。尽管燃烧室12内的燃烧以甚至更高的燃烧率持续，但一氧化氮排放并没有减少。
而在预混模式中，燃料54分别被输送至主喷嘴14和辅助喷嘴16，但是火焰仅存在于辅助喷嘴16处。然后燃料54的大约80％被在主燃料喷嘴14中供应，而燃料的大约20％被供给辅助燃料喷嘴16。来自主燃料喷嘴14的燃料54和从进口50引入的气体混合，以在预混室18内生成燃料气体混合物。此燃料气体混合物未被点燃，并如箭头58所示沿下游方向向燃烧室12移动。文丘里管20的收缩/扩张壁60和62限制了燃料气体混合物的流动。根据伯努利原理，当气流经过收缩壁60时，被文丘里管20引起的流动限制会使得混和物加速，其中速度的增加伴随着压力的降低。相应地，这使得燃料气体混合物加速进入燃烧室12，同时维持燃烧室12内的火焰。燃料气体混合物在燃烧室12内被辅助燃料喷嘴16处的火焰点燃。极大地增强了燃烧室12内的火焰并由此产生增强的热流。
火焰稳定器组件32安装在辅助燃料喷嘴16处。该火焰稳定器组件32利用了燃烧室12中产生的热流。
参见图2，火焰稳定器组件32包括具有大致圆柱体形状的伸长的部件34。尽管已示出并描述了大体圆柱体形状，但将会懂得，其它的形状(如大致圆锥体形状)也可用于限定部件34而不背离本发明的精神或范围。部件34有着足以伸出辅助燃料喷嘴16并靠近或进入火焰的长度。部件34由任何适用的材料制成，该材料具有逐渐加热并保持由热流产生的高温的能力。此类材料包括但不限于钨和钨合金。部件34还包括如由表面35限定的向外张开的其一个末端。
大致圆柱体形状的支架36支撑着部件34，且支架36被固定在辅助喷嘴16中。支架36具有穿过其中的开口38，且该开口的一端被制有螺纹而另一端被制成向内渐缩，如由表面39所限定。部件34被插入支架36的开口38，以便部件34的表面35和支架36的表面39接触或接合。螺纹部件(如，螺钉或螺栓)48被拧入螺纹开口，确保部件34的表面35和支架36的表面39的接合。支架36还包括向外伸出的肩部46，该肩部46抵靠辅助燃料喷嘴16支撑组件32。
燃烧器10可工作在更为贫燃的条件下以进一步减少一氧化氮排放。由于组件34将对从辅助燃料喷嘴16排出的燃料提供持续点火，贫燃熄火会显著地减少。相应地，会有例如流扰动之类可能以其它方式导致熄火的情况；但由于部件34将对辅助燃料喷嘴16排出的燃料提供持续的点火，因此此类熄火将不会发生。
尽管已示出和描述了优选实施例，仍可在不背离本发明的宗旨和范围的情况下对本发明做出不同的改进和替换。相应地，还应懂得已经通过例示而非限制的方式对本发明进行了描述。

Claims (14)

1.一种燃气涡轮机燃烧器(10)，包括：
包括用于进气的至少一个开口(50)的预混室(18)；
布置成将燃料(54)排入所述预混室(18)的至少一个主燃料喷嘴(14)，其中，从该主燃料喷嘴(14)排出的燃料和所述预混室(18)内的吸入的气体混合提供燃料气体混合物；
定位于所述预混室(18)的下游的燃烧室(12)；
布置成邻近所述燃烧室(12)的辅助燃料喷嘴(16)，以在所述燃烧室(12)处排放燃料；以及
布置于所述辅助燃料喷嘴(16)处的稳定器(32)，以便当所述辅助燃料喷嘴(16)处的燃料被点燃时定位成紧邻火焰，所述稳定器具有伸出所述辅助燃料喷嘴的区域并紧邻所述火焰的区域的长度，所述稳定器(32)由配置成吸收来自所述燃烧器(10)内产生的热流的热量的材料构成，所述材料配置成保持源自所述热流的吸收的温度足以维持火焰点燃。
2.如权利要求1所述的燃气涡轮机燃烧器(10)，其特征在于，所述燃气涡轮机燃烧器(10)还包括：
定位于所述预混室(18)和所述燃烧室(12)之间的文丘里管(20)，其中，所述文丘里管(20)限制来自所述预混室(18)的燃料气体混合物的流进入所述燃烧室(12)，同时保持所述燃烧室(12)中的火焰。
3.如权利要求1所述的燃气涡轮机燃烧器(10)，其特征在于，所述稳定器(32)包括：
伸长的部件(34)，其在其一端处定位在所述辅助燃料喷嘴(16)处，而在其另一端处向所述燃烧室(12)突出。
4.如权利要求3所述的燃气涡轮机燃烧器(10)，其特征在于，所述伸长的部件(34)为大致圆柱体状或大致圆锥体状。
5.如权利要求3所述的燃气涡轮机燃烧器(10)，其特征在于，所述燃气涡轮机燃烧器(10)还包括：
支架(36)，其构造成支撑在所述辅助燃料喷嘴(16)处，且在所述辅助燃料喷嘴(16)处接合所述伸长的部件(34)的末端，以保持所述伸长的部件(34)。
6.如权利要求5所述的燃气涡轮机燃烧器(10)，其特征在于：
所述辅助燃料喷嘴(16)处的所述伸长的部件(34)的末端向外张开；且
所述支架(36)具有通过其中的开口(38)，且所述开口(38)的一个末端为渐缩形，其中该伸长的部件(34)被插过所述支架(36)的所述开口(38)，使得向外张开的所述伸长的部件(34)的末端和为渐缩形的所述开口(38)的末端接合。
7.如权利要求6所述的燃气涡轮机燃烧器(10)，其特征在于：
所述支架(36)的所述开口(38)的另一末端带螺纹；且
还包括螺纹部件(48)，其与所述开口(38)的另一末端接合并将所述伸长的部件(34)固定到支架(36)上。
8.如权利要求1所述的燃气涡轮机燃烧器(10)，其特征在于，所述材料包括钨或钨合金。
9.一种用来用在燃气涡轮机燃烧器中的燃料喷嘴，包括：
燃料喷嘴；以及
布置于所述燃料喷嘴处的稳定器，以便当所述燃料喷嘴处的燃料被点燃时定位在火焰区中，所述稳定器具有伸入所述火焰区的长度，所述稳定器由配置成吸收来自所述燃烧器内产生的热流的热量的材料构成，所述材料配置成保持源自所述热流的吸收的温度足以维持火焰点燃。
10.如权利要求9所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述稳定器包括：
伸长的部件，其在其一端处定位在所述燃料喷嘴处，而在其另一端处向所述燃烧室突出。
11.如权利要求10所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述伸长的部件为大致圆柱体状或大致圆锥体状。
12.如权利要求9所述的燃料喷嘴，其特征在于，所述材料包括钨或钨合金。
13.一种稳定燃气涡轮机燃烧器中的火焰的方法，包括：
在所述燃气涡轮机燃烧器的燃烧室处排放燃料；
当燃烧室处的所述燃料被点燃时将稳定器定位在火焰区中，所述稳定器具有伸入所述火焰区的长度；
所述稳定器吸收来自所述燃烧器内产生的热流的热量；以及
所述稳定器由配置成吸收来自所述燃烧器内产生的热流的热量的材料构成，所述材料配置成保持源自所述热流的吸收的温度足以维持火焰点燃。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在预混室中混合燃料和空气，以提供燃料空气混合物；
限制来自所述预混室的所述燃料空气混合物的流进入所述燃烧室；
使所述燃料空气混合物加速进入所述燃烧室；以及
在所述燃烧室中保持火焰。
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