CN101639220B - 用于涡轮机燃烧器的中心体罩及方法 - Google Patents

用于涡轮机燃烧器的中心体罩及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于涡轮机燃烧器的中心体罩及方法。涡轮机包括燃烧器组件(2)，附连到燃烧器组件(2)上的罩组件(40)，在罩组件(40)内的中心体(54)，中心体的具有第一端(59)、第二端(60)和中间部分(61)的壁(57)以及与罩组件(40)可操作地连通的外部紊流器构件(75)。外部紊流器构件(75)与壁(57)间隔开，以形成由中心体的壁(57)与外部紊流器(75)之间的间隙限定的通道(79)。外部紊流器构件(75)包括定位于中心体(54)第二端(60)处的台阶(88)。台阶(88)在中心体(54)第二端(66)周围限定了径向距离。外部紊流器构件(75)形成为具有在大约0.8至大约1.2范围中的相对于中心体(54)的台阶-间隙比。

Description

用于涡轮机燃烧器的中心体罩及方法
技术领域
本发明的示范性实施例涉及涡轮机技术，且更特定而言，涉及用于涡轮机燃烧器衬套的中心体罩。
背景技术
燃气涡轮机包括用于压缩空气的压缩机、燃烧器和涡轮。燃烧器使压缩的空气与燃料混合，以便形成被点燃以产生热气体的可燃混合物。热气体被传递到涡轮来做功。然后，热气体从涡轮机起传送经过排放系统。传送经过排放装置的热气体可能会包括不合乎需要的氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)。为了减少这些不合乎需要的污染物，常规涡轮机采用减少NOx和CO以及其它污染物产生的干式低NOx(DLN)燃烧器。DLN燃烧器调和贫燃料混合物，同时通过允许火焰区空气的一部分与燃料以较低负荷混合来避免不稳定的火焰和火焰喷出(blowout)。
发明内容
根据本发明的一个示范性实施例，涡轮机包括燃烧器组件，附连到燃烧器组件上的罩组件，罩组件中的中心体，中心体的具有第一端、第二端和中间部分的壁以及与罩组件可操作地连通的外部紊流器构件。外部紊流器构件与该壁间隔开，以形成由中心体的壁与外部紊流器之间的间隙限定的通道。外部涡轮器构件包括定位于中心体的第二端处的台阶。该台阶在中心体的第二端周围限定了径向距离。外部紊流器构件形成为具有在大约0.8至大约1.2的范围中的相对于中心体的台阶-间隙比。
根据本发明的另一示范性实施例，用于涡轮机的罩组件包括在罩组件内的中心体，中心体的具有第一端、第二端和中间部分的壁以及与罩组件可操作地连通的外部紊流器构件。外部紊流器构件与壁间隔开，以形成由中心体的壁与外部紊流器构件之间的间隙限定的通道。外部紊流器构件包括定位于中心体第二端处的台阶。该台阶在中心体的第二端周围限定了径向距离。外部紊流器构件形成为具有在大约0.8至大约1.2的范围中的相对于中心体的台阶-间隙比。
根据本发明的又一示范性实施例，一种用于在涡轮机燃烧器中控制排放和提高火焰稳定性的方法包括：传递流体通过燃烧器的罩组件中心体，该中心体包括壁；并引导冷却气流通过由在中心体的壁与具有台阶部分的紊流器部件之间延伸的间隙限定的通道。紊流器构件形成为具有在大约0.8与大约1.2之间的相对于中心体的台阶-间隙比。该台阶-间隙比促进空气/燃料混合并减小燃烧器所需的冷却气流的量。
附图说明
图1是根据本发明的示范性实施例的、包括中心体罩的涡轮机燃烧器组件的截面侧视图；
图2是图1的中心体罩组件的截面侧视图；以及
图3是图2的中心体罩组件的外部紊流器部分的细节视图。
部件列表：
2.用于涡轮机的燃烧器组件
4.外部壳体
6.第一端部
7.第二端部
8.中间部分
9.中部部分
12.端盖组件
14.主喷嘴
15.副喷嘴
20.流动套管
23.衬套组件
26.头端区段
28.文氏管区段
30.头端衬套部分
34.过渡件
37.弧拉密封组件
40.罩组件
54.中心体
57.壁
58.外表面
59.第一端
60.第二端
61.中间部分
65.内部通道
66.(内0)
68.内部紊流器
65.外部紊流器构件
79.通道
81.第一端区段
82.第二端区段
83.中间区段
88.台阶(“t”)
91.台阶-间隙比
96.冷却肋片
99.紊流器部分
具体实施方式
参看图1，大体上以2来表示根据本发明的示范性实施例构造的涡轮机燃烧器组件。燃烧器组件2包括外部壳体4，壳体4具有通过中间部分8延伸到第二端部7的第一端部6，它们共同限定内部部分9。还示出燃烧器组件2包括布置于外部壳体4的第一端部6处的端盖组件12。示出了端盖组件12包括主喷嘴14和副喷嘴15。燃料通过端盖组件12引入，与空气混合且被点燃以形成用来驱动涡轮(未图示)的高温/高压气体。为此目的，燃烧器组件2包括在内部部分9内延伸并容纳有衬套组件23的流动套管20。
如图所示，衬套组件23包括头端区段26，其延伸到文氏管(venturi)区段28，到达端部衬套部分30。端部衬套部分30经由弧拉密封组件(hula seal assembly)37联接到过渡件34上。罩组件40自端盖组件12起、经过头端区段26而朝向文氏管区段28延伸。燃料与空气被引入到罩组件40和头端26内，被混合且被递送到文氏管区段28，在这里，燃料/空气混合物被点燃以形成高温/高压气体，该气体传递到端部衬套部分30，经过过渡件34且朝向涡轮的第一级(未图示)传递。
如图2和图3最佳示出的，罩组件40包括中心体54和罩55。罩组件40安装到头端区段26上并保护副喷嘴组件15。如将在下文中更全面地讨论的，罩组件40还围罩冷却中心体54所需的冷却空气。如图所示，中心体54包括具有外表面58的壁57，其从第一端59通过中间部分61而延伸到第二端60，从而限定了内部通道65。在所示出的示范性实施例中，内部通道65具有大约3英寸(7.62-cm)的直径。但应了解的是，内部通道65的直径可根据本发明的示范性实施例而不同。内部旋流器或紊流器68靠近第二端60而布置于内部通道65内。内部紊流器68向燃料/空气混合物赋予旋流作用以促进混合。
另外根据所示出的示范性实施例，罩组件40包括外部紊流器构件75，其包围沿着壁57从第一端59朝向第二端60延伸的中心体54。更具体而言，外部紊流器构件75安装到罩组件40上但与罩组件40间隔开，以便限定具有宽度“w”的间隙或通道78。冷却空气在离开罩55之前沿着通道78传递。外部紊流器构件75包括经过中间区段83延伸到第二端区段82的第一端区段81。具有高度“s”的台阶88布置于第二端区段82处。也就是说，台阶88在第二端区段82与中间区段83之间限定了径向距离“s”。在任何情况下，根据本发明的一个示范性方面，宽度“w”和径向距离“s”大小设置成使得外部紊流器75包括处于大约0.8至大约1.2的范围中的台阶-间隙比(“s”/“w”)。当然，应了解的是，特定的台阶-间隙比范围可取决于涡轮机大小和/或额定值而不同。根据本发明的另一示范性方面，宽度“w”和径向距离“s”大小设置成使得外部紊流器75包括大约0.9至大约1.1的范围中的台阶-间隙比。根据本发明的又一示范性方面，宽度“w”和径向距离“s”大小设置成使得外部紊流器具有大约1.0的台阶-间隙比。
此外，外部紊流器构件75包括围绕中心体54在周向上延伸的多个冷却肋片96和布置于第二端区段82处的紊流器部分99。冷却肋片96促进从外部紊流器构件75传热。此外，根据本发明的示范性实施例，台阶-间隙比减小了所需的冷却气流的量。更具体而言，台阶增强了越过外部紊流器的外表面的燃料空气混合物的外部混合，同时间隙减小了越过中心体的冷却空气流量。即，对于特定的合乎需要的流率，通过调整台阶-间隙比的大小而减少了涡轮机排放并提高了火焰稳定性。排放的减小和火焰稳定性的提高的组合提高了燃烧效率，这就造成了涡轮机的总体效率提高。通过减小间隙78来减少越过中心体54的空气/燃料量及通过增加台阶86和/或88来提供改进的空气/燃料混合，额外的气流可用于涡轮机中的其它构件/系统。这种额外气流提高了涡轮机的操作效率。
总体而言，该书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使得本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利权的范畴由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员所想到的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求书的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元件，则这些其它实例也意图处在本发明的示范性实施例的范畴内。

Claims (9)

1.一种涡轮机，包括： 
燃烧器组件； 
附连到所述燃烧器组件上的罩组件(40)； 
在所述罩组件内的中心体(54)； 
所述中心体的具有第一端、第二端(60)和中间部分(61)的壁(57)；以及 
与所述罩组件可操作地连通的外部紊流器构件(75)，所述外部紊流器构件(75)与所述壁间隔开，以形成由所述中心体的所述壁与所述外部紊流器构件之间的间隙限定的通道(79)，所述外部紊流器构件(75)包括： 
定位于所述中心体的第二端(60)处的台阶，所述台阶在所述中心体的第二端(60)周围限定了径向距离，其中所述外部紊流器构件形成为具有在0.8至1.2范围中的相对于所述中心体的台阶-间隙比，所述台阶-间隙比为所述径向距离与所述间隙的宽度之比。 
2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述外部紊流器构件(75)包括在0.9与1.1之间的范围中的台阶-间隙比。 
3.根据权利要求2所述的涡轮机，其中所述外部紊流器构件(75)包括1.0的台阶-间隙比。 
4.一种用于涡轮机的罩组件(40)，所述罩组件包括： 
在所述罩组件内的中心体(54)； 
所述中心体的具有第一端、第二端(60)和中间部分(61)的壁(57)；以及 
与所述罩组件可操作地连通的外部紊流器构件(75)，所述外部紊流器构件(75)与所述壁间隔开，以形成由所述中心体的所述壁与所述外部紊流器构件(75)之间的间隙限定的通道(79)，所述外部紊流器构件(75)包括： 
定位于所述中心体的第二端(60)处的台阶，所述台阶在所述中心体的所述第二端(60)周围限定了径向距离，其中所述外部紊流器构件(75)形成为具有在0.8至1.2范围中的相对于所述中心体的台阶-间隙比，所述台阶-间隙比为所述径向距离与所述间隙的宽度之比。 
5.根据权利要求4所述的罩组件，其中，所述外部紊流器构件(75)包括在0.9与1.1之间的范围中的台阶-间隙比。 
6.根据权利要求5所述的罩组件，其中所述外部紊流器构件(75)包括1.0的台阶-间隙比。 
7.一种用于在涡轮机燃烧器中控制排放并提高火焰稳定性的方法，所述方法包括： 
传递流体通过所述燃烧器的罩组件(40)中心体，所述中心体包括壁(57)；以及 
引导冷却气流通过由在所述中心体的所述壁与具有台阶部分的紊流器构件(75)之间延伸的间隙所限定的通道(79)，所述紊流器构件(75)形成为具有在0.8与1.2之间的相对于所述中心体的台阶-间隙比，所述台阶-间隙比为所述台阶部分的高度与所述间隙的宽度之比，所述台阶-间隙比促进空气/燃料混合并减小所述燃烧器所需的冷却气流的量。 
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，引导所述冷却气流通过所述通道包括引导所述冷却气流通过构造成具有0.9与1.1之间的台阶-间隙比的紊流器构件(75)。 
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，引导所述冷却气流通过所述通道包括引导所述冷却气流通过构造成具有1.0的台阶-间隙比的紊流器构件(75)。 
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