CN101644447A - 具有稀释孔的燃气轮机过渡件 - Google Patents

具有稀释孔的燃气轮机过渡件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有稀释孔的燃气轮机过渡件。具体而言，一种燃气轮机过渡件(16)，包括具有前端(26)和后端(28)的通道本体，该通道本体限定用于限制燃烧产物流从燃烧器(10)到涡轮第一级喷嘴(18)的罩壳。多个稀释孔(32)形成在通道本体中，位于从过渡件出口平面中心处的零基准点起计量的选定的X、Y、Z坐标处。

Description

具有稀释孔的燃气轮机过渡件
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃烧器技术，更具体地涉及用于使热燃烧气体在涡轮燃烧器与第一级涡轮喷嘴之间流动的过渡件。
背景技术
众所周知，燃烧常规碳氢化合物燃料的燃气轮机通常产生空气污染排放物。这些排放物通常是氮氧化物、一氧化碳和未燃的碳氢化合物。同样众所周知的是，使分子态氮氧化和使一氧化碳氧化为二氧化碳取决于涡轮燃烧器产生的热气流的温度，该热气流经过渡件流到第一级喷嘴。为了提高与排放物相关的燃烧器性能，气体温度必须在充足的时间期间足够高以氧化一氧化碳，又不会太高以致产生过量的氮氧化物。
已提出各种原理来将反应区温度维持在形成NOx的水平以下或者通过减少高温留置时间使得NOx形成反应没有足够的时间发生，或两者兼备。一种降低燃烧器中的反应区温度的方法是在燃烧前提供稀薄的燃料-空气混合物。该稀薄的混合物可至少部分地通过供应稀释空气到燃烧器衬套以吸收热量并将温升降低至热NOx不会形成的水平来实现。然而，在很多情形中，即使具备稀薄的预混燃料和空气，但是温度太高致使产生不期望的排放物。
也已提出供应稀释空气到燃烧器与第一级喷嘴之间的过渡件。例如，在一种现有技术的过渡件中，两个稀释孔定位在过渡件的出口附近、靠近第一级喷嘴。
在共有的公报No.US 2005/0204741A1中，提供了一种过渡件稀释空气处理系统，其有助于稀释混合和减少排放。具体而言，该稀释空气处理系统在预定的轴向和周向位置处提供稀释空气射流到过渡件中，以在有效利用压缩机排气的同时优化减少排放物。然而，各种现有技术方案还是存在不期望的排放物的问题。
发明内容
在一个示范性但非限制性的实施例中，本发明涉及一种燃气轮机过渡件，其包括：具有前端和后端的通道本体，该通道本体限定用于限制燃烧产物流从燃烧器到涡轮第一级喷嘴的罩壳(enclosure)；以及多个稀释孔，其形成在通道本体中，位于表1所列的选定的X、Y、Z坐标组所限定的位置处，该X、Y、Z坐标从位于过渡件出口平面中心处的零基准点起测量。
在另一方面，本发明涉及一种燃气轮机过渡件，其包括：具有前端和后端的通道本体，该通道本体限定用于限制燃烧产物流从燃烧器到涡轮第一级喷嘴的罩壳；以及多个稀释孔，该多个稀释孔形成在所述通道本体中，位于在表1所列X、Y、Z坐标组中的选定组所限定的位置处，该X、Y、Z坐标组从在过渡件后端位于出口平面中心处的原点测量，其中，该通道本体的长度大致为20英寸，且其中，该多个稀释孔的直径在0.3英寸到1.75英寸的范围内。
在再一方面，本发明涉及一种燃气轮机过渡件，其包括：具有前端和后端且长度大致为20英寸的通道本体，该本体限定用于限制燃烧产物流从燃烧器到涡轮第一级喷嘴的罩壳；以及5到17个形成在该通道本体中的稀释孔，其中，该多个稀释孔的直径在0.3英寸到1.75英寸的范围内，并且组合的开口截面面积在2平方英寸到7.5平方英寸之间，该稀释孔的位置选自表1所列的X、Y和Z坐标组的任意组合。
现在将结合鉴别如下的附图描述本发明。
附图说明
图1是经过常规的燃气轮机燃烧器和过渡件的截面；
图2是根据本发明的一个示范性但非限制性的实施例的结合了稀释孔的过渡件的俯视图；以及
图3是图2所示的过渡件的侧视图；以及
图4是图2和图3所示的过渡件的后端视图，其中示出了基准出口平面的原点。
具体实施方式
现在参照附图，具体参照图1，示出了用于燃气轮机的公知燃烧器10，其包括部分地由燃烧器衬套14所限定的燃烧室12，燃烧器衬套14在其后端与过渡件或通道本体16连接，过渡件或通道本体16限制燃烧产物流使其通向供应燃烧产物(或气体)到以参考标号18表示的第一级涡轮喷嘴的流路。燃烧器10可以是绕涡轮转子以“环管形”阵列设置的若干燃烧器之一，各燃烧器均供应气体到第一级涡轮喷嘴。用于燃烧过程的空气通常由压缩机排气供应，压缩机排气在过渡件和燃烧器衬套外部反向(即，沿着与燃烧气体的流向相反的方向)流到位于各燃烧器前端的进气口。大体上呈圆筒形的流套管18环绕燃烧器衬套14并在燃烧器衬套与流套管之间提供用于供应空气到燃烧器前端的环形通路20。流套管18可设置有用于冲击冷却燃烧器衬套的冷却孔，并且也设置有冷却孔的类似的第二流套管(未示出)可设置在过渡件的周围并与流套管18端对端地连接。在各燃烧器中，与中心喷嘴22以端盖形式结合的初级喷嘴21的阵列供应燃料到燃烧室与来自压缩机的排气相混合，以形成留置在部件12和16上的预混燃烧火焰。
在典型的布置中，燃烧器衬套可具有一个或多个从衬套12排列到过渡件16的稀释孔24，以允许显著地减少排放物和提高预混火焰稳定性。
进一步参照图2-4，本发明涉及稀释孔在过渡件16中的独特布置，稀释孔的数目、尺寸和位置促进稀释空气混合、允许更长的燃烧留置时间(因此也使得能够更稳定地形成燃烧火焰区)、提高火焰稳定性和有助于碳氢化合物的充分燃烧。过渡件16大致是具有前端26和后端28的通道本体或罩壳，通道本体的截面形状从处于前端的大体圆筒形变成处于后端的弯曲矩形。
在一个示范性但非限制性的实施例中，多个稀释孔32(在图3中仅举例示出三个)形成在过渡件16中，精确地沿通道本体并围绕其定位，如沿着从位于过渡件(或通道本体)出口平面中心处的原点或零基准点30起的X、Y和Z坐标按英寸计量。X坐标从原点30沿着上游方向延伸，即沿着与流经过渡件相反的方向延伸。在该示范性实施例中，过渡件的长度约为二十英寸。二十八(28)个稀释孔位置已确定了用于实现减少排放物的可行位置。该二十八个稀释孔位置的X、Y、Z坐标在以下表I中列出。
表I
  孔#   X   Y   Z
  1   14.59   10.26   4.78
  2   16.45   2.21   0
  3   14.59   10.26   -4.78
  4   13.97   12.96   0
  5   15.82   4.91   4.78
  6   15.82   4.91   -4.78
  7   10.63   1.25   -5.6
  8   10.91   1   5.05
  9   8.84   -0.97   2.9
  10   8.84   -0.9   -2.27
  11   6.9   7.44   2
  12   4.59   4.485   -5.23
  13   4.59   3.56   0
  14   4.59   -2.11   0
  15   2.59   0.06   7.647
  16   2.59   -2.21   6.92
  17   2.59   -2.98   4.33
  18   2.59   -2.56   0
  19   2.59   -2.98   4.33
  20   2.59   -1.07   -7.29
  21   4.09   3.7   1.82
  22   4.09   3.12   5.42
  23   4.09   -2.9   4.76
  24   4.09   -2.9   -4.76
  25   4.09   -2.21   -6.92
  26   4.09   3.197   5
  27   4.09   -3.7   1.82
  28   4.09   -3.7   -1.82
设置在过渡件或通道本体16中的稀释孔的数目可在五(5)到十七(17)之间变动，在该示范性实施例中十一(11)为最佳数目。孔32从X、Y和Z坐标确定的孔位置沿着沿过渡件的表面以任意方向在一英寸内的包络线中沿过渡件或通道本体设置。在这一点上，对于该5-17个稀释孔可选择表I所列的二十八个孔位置地点的任意组合。稀释孔直径可在0.3英寸到1.75英寸的范围内并且组合的稀释孔开口截面面积应当在2平方英寸到7.5平方英寸的范围内。稀释孔32可具有在指定范围内的一致的或不同的直径。
所述稀释孔布置允许更长的燃烧留置时间(由于燃烧气体升高的温度)并因此允许额外的CO燃尽。这也使得能够更稳定地形成燃烧火焰区，并提高火焰稳定性而不是在碳氢化合物充分燃烧之前熄灭燃烧过程。最终结果显著减少了有害的排放物和提高了衬套耐用性。
虽然已结合目前认为是最实用和优选的实施例描述了本发明，但是要理解本发明并不限于所公开的实施例，相反而言，本发明旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种改型和等同布置。

Claims (10)

1.一种燃气轮机过渡件(16)，包括：具有前端(26)和后端(28)的通道本体，所述本体限定用于使燃烧产物流局限于从燃烧器(10)到涡轮第一级喷嘴(18)的罩壳；以及多个稀释孔(32)，其形成在所述通道本体中位于表I所列的选定的X、Y、Z坐标组所限定的位置处，所述坐标从位于所述过渡件的出口平面中心处的零基准点计量，从而增加燃烧留置时间、提高预混火焰稳定性和减少排放物。
2.根据权利要求1所述的过渡件，其特征在于，所述多个稀释孔(32)具有在0.3英寸到1.75英寸的范围内的一致直径。
3.根据权利要求1所述的过渡件，其特征在于，所述多个稀释孔(32)中的一些或全部具有在0.3英寸到1.75英寸的范围内的不同直径。
4.根据权利要求1所述的过渡件，其特征在于，所述多个稀释孔(32)具有在2英寸到7.5英寸之间的组合的开口截面面积。
5.根据权利要求1所述的过渡件，其特征在于，所述通道本体在所述前端(26)具有大致圆形截面，以及在所述后端(28)具有弯曲矩形。
6.根据权利要求1所述的过渡件，其特征在于，所述多个稀释孔(32)包括5到17个孔，所述孔的位置选自表I所列的X、Y和Z坐标组的任意组合。
7.根据权利要求6所述的过渡件，其特征在于，所述多个稀释孔(32)包括11个稀释孔，所述稀释孔的位置选自表I所列的X、Y和Z坐标组的任意组合。
8.根据权利要求4所述的过渡件，其特征在于，所述多个稀释孔(32)中的一些或全部具有在0.3英寸到1.75英寸的范围内的不同直径。
9.一种燃气轮机过渡件(16)，包括：具有前端(26)和后端(28)且长度大致为20英寸的通道本体，所述本体限定用于使燃烧产物流局限于从燃烧器(10)到涡轮第一级喷嘴(18)的罩壳；以及5到17个形成在所述通道本体中的稀释孔，其中，所述多个稀释孔具有在0.3英寸到1.75英寸的范围内的直径，以及在2平方英寸到7.5平方英寸之间的组合的开口截面面积，所述稀释孔的位置选自表1所列的X、Y和Z坐标组的任意组合。
10.根据权利要求9所述的过渡件，其特征在于，所述多个稀释孔(32)包括11个孔。
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