CN101672483B - 燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

一种燃气轮机，包括：具有至少一个圆形燃烧室的燃烧器，所述至少一个圆形燃烧室包括衬垫、燃烧帽和过渡件；位于所述燃烧帽和所述衬垫之间的第一倒置呼啦密封；位于所述过渡件和所述衬垫之间的第二倒置呼啦密封；至少一个内部燃料喷嘴，被构造成将预混燃料/空气混合物喷射到所述圆形燃烧室；多个外部燃料喷嘴，围绕至少一个内部燃料喷嘴布置，并且被构造成将预混燃料/空气混合物喷射到所述圆形燃烧室；以及一套歧管，被构造成向所述至少一个内部燃料喷嘴提供燃料/空气混合物，提供给所述至少一个内部燃料喷嘴的燃料/空气混合物比提供给所述多个外部燃料喷嘴的燃料/空气混合物更浓。

Description

燃气轮机
本申请是2005年6月6日提交的、名称为“用于低排放燃气轮机能量生成的方法和装置”、申请号为200510076508.0的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明通常涉及包括气体矿物燃料燃烧的发电，尤其是用于降低重型燃气轮机电力发电机的污染物排放的方法和装置。
背景技术
正如此处所使用的，50Hz F级重型燃气轮机指的是具有大约2400℉(1315℃)量级的额定ISO日燃烧温度的燃气轮机，即燃气轮机中做功流体最高平均温度，功从中被提取，在第一个转动的、提取功的涡轮机叶片或斗的入口平面处测量该温度。在这种燃气轮机中，与进一步提高到目前在50到60Hz F级涡轮机市场中可获得的干燥低NOx(Dry Low NOx，DLN)系统一起，使用已知的预混技术，可获得在修正到15％氧气条件下低于9ppm的NOx排放水平。这种低排放燃气轮机通过组件几何形状、燃烧器中的中心喷嘴、燃料空气供给系统设计以及关键配合组件之间密封的组合和最优化提供非流线形体火焰稳定，所述燃烧器中的中心喷嘴起到用于燃烧系统总体火焰结构的燃烧火焰稳定锚的作用，所述燃料空气供给系统设计包括多个燃料歧管和燃烧器中的引导点。至少一个已知的燃气轮机，通用电气型号为MS 7001 FA的燃气轮机(可从位于CT，Fairfield的通用电气公司获得)已经实现低于9ppm的NOx排放，其运行在60Hz的发电市场。但是，另一个已知的燃气轮机，GE MS9001 FA 50Hz燃气轮机目前保证低于25ppm的NOx排放。
在若干国际区域例如意大利北部和西班牙，正在被推行或已经生效的政府法规将显著地限制允许来自用于发电的50hz重型燃气轮机的NOx排放量。
降低该排放的一种方式是在燃气轮机装置的排气系统上安装选择催化还原(selective catalytic reduction，SCR)装置。SCR装置的安装和运行非常昂贵，要求昂贵的操作助剂例如无水氨作为运行的持续基础，并带来氨排放对环境的风险，氨排放是其运行的副产品。许多国家禁止使用以氨为基础的SCR装置，在这些国家，燃气轮机操作者必须在低于预期设计额定值的更低的燃烧温度下操作，以实现排放达标。当在低于燃气轮机最初的预期设计额定值(在降低涡轮机额定值的技术领域中已知的过程)的燃烧温度下能实现较低的NOx排放时，装置的电力输出和效率被降低，最终导致电力生产者损失收入的机会。
在燃气轮机NOx控制技术的许多早期版本中，可获得大约40到50ppm的最小NOx水平，以熟悉本领域技术的人员已知的方式采用水喷射降低NOx排放。通过使用各种形式的DLN技术，已经实现NOx排放的进一步改善，但是采用该技术的系统因为燃烧的不稳定性以及燃烧动态压力或噪声而具有固有的运行限制。这种系统也能在低排放模式下运行，但仅能覆盖非常有限的燃气轮机负载范围。
发明内容
因而本发明的一些方面提供了一种用于使用燃气轮机产生电力的低排放方法。所述方法包括：预混若干燃料和空气混合物，使用若干燃料喷嘴将燃料和空气混合物喷射到燃烧室，以及调整由至少一个所述喷嘴喷射的燃料空气比率，以便控制燃烧室内部的燃料/空气浓度分配。
在其它方面，本发明提供了一种用于以降低的排放产生能量的燃气轮机。所述燃气轮机被构造用于预混若干燃料和空气混合物，使用若干燃料喷嘴将燃料和空气混合物喷射到燃烧室，以及调整由至少一个所述喷嘴喷射的燃料空气比率，以便控制燃烧室内部的燃料/空气浓度分配。
然而在另一个方面，本发明提供了一种具有至少一个圆形燃烧室的燃烧器的燃气轮机。所述燃气轮机还包括被构造用于将预混燃料/空气混合物喷射到圆形燃烧室的一个或多个内部燃料喷嘴，以及围绕一个或多个内部燃料喷嘴布置的若干外部燃料喷嘴，其被构造用于将预混燃料/空气混合物喷射到圆形燃烧室；所述燃气轮机还包括一套歧管，其被构造用于与提供给所述若干外部燃料喷嘴的燃料/空气混合物相比，提供给所述一个或多个内部燃料喷嘴更浓的燃料/空气混合物。
因而本发明的结构将会被看到满足用于50Hz电力装置NOx排放的最新法规要求，不要求额外处理燃气轮机排气。除降低NOx排放之外，还实现了可接受的火焰稳定性和允许大小的动态压力。
附图说明
图1是低NOx燃气轮机燃烧系统的局部横截面。
图2是如图1所示的外部燃料喷射喷嘴的剖视图。
图3是如图1所示的内部燃料喷射喷嘴的剖视图。
图4是曲线图，显示作为毂和护罩之间径向距离函数的燃料/空气当量比率的计算曲线图，其在出口平面处测量，用于图3所示的内部燃料喷射喷嘴。
图5是修改后的通用电气DLN 2.6+干燥低NOx燃烧系统的气体燃料系统示意图。
图6是燃烧衬垫帽组件的前端面视图。
图7是燃烧衬垫帽组件的后端面视图。
图8是现有技术呼啦(hula)密封和配对管道结构的横截面视图。
图9是倒置的呼啦密封和配对管道结构的横截面视图。
具体实施方式
在本发明的一些结构中，燃气轮机燃烧系统被提供给重型工业燃气轮机，以实现一个或多个优势。这些一个或多个优势包括：(1)低NOx和CO排放，在燃气轮机的排气平面处测量；(b)在低排放运行模式下可接受的火焰稳定性；(c)低燃料/空气比下足够的火焰稳定性和少量的排气余量(lean-blow-out margin)，以实现覆盖宽范围的燃气轮机负载设置(例如，在约35％到100％的满额定负载之间)下的低排放；和/或(d)低燃烧噪声(动态压力波动)。本发明的一些结构满足或超过最新的欧洲调整后的标准：30mg/Nm3NOx(近似修正到15％氧气条件下的14ppm)排放要求。
与本发明的结构结合使用的目前可获得燃气轮机型号的一个实施例是通用电气型号为MS9001FA F级50Hz燃气轮机。但是，本发明的结构也适用于由其它制造商生产的其它燃气轮机型号，无论物理尺寸和有效流通面积是否成比例。应该意识到与这种燃气轮机结合使用的本发明的各种结构在低排放运行模式下可实现满足欧洲调整后的NOx要求的排放水平。更为特殊地，当本发明的结构与通用电气型号为MS9001FA F级50Hz燃气轮机结合使用时，该燃气轮机能在覆盖大约35％到100％的满额定负载的负载范围内产生低于9ppm的Nox(修正到15％氧气条件下)，运行试验已经在单个燃烧器试验台上确认。
本发明的各种结构也提供有效的、贫燃料、预混的有关非流线形体火焰稳定的燃烧系统。通过在燃气轮机燃烧器中使用多重燃料喷嘴和火焰保持机械装置实现有效的非流线形体火焰稳定。一些结构中的多重燃料喷嘴和火焰保持机械装置在特殊应用所要求的若干燃烧室中被复制。该复制导致燃气轮机在保持可接受的火焰稳定性的同时在低NOx和CO排放水平下运行。另外，动态压力被保持在低值，因而燃烧组件的寿命没有被不利地影响。
在一些结构中，选择燃料喷嘴组件的相对物理尺寸、圆形燃烧室端帽的尺寸、以及预混管的相对尺寸以实现排放能力、足够的火焰稳定性和降低的或最小的动态压力波动的理想组合，所述预混管一直向上通到并通过室的端帽，燃料和空气在所述室中完全预混。
本发明的一些结构提供具有至少一个环形燃烧室的燃烧器。多重燃料喷嘴装置安装在环形燃烧室的内部。例如，五个等尺寸的燃料喷嘴等间距地布置在燃烧器中，所述五个燃料喷嘴与环形燃烧室中心的距离相等。五个等尺寸的燃料喷嘴包围位于燃烧室中心处的第六燃料喷嘴。中心燃料喷嘴小于周围的喷嘴，具有不同的结构。燃烧室的控制容量受到管状燃烧衬垫和圆端帽的限制。预混燃料和空气在与圆端帽的物理平面一致的平面处被引入管状燃烧室。中心燃料喷嘴被构造用于比周围的燃料喷嘴接受更浓的燃料-空气混合物。本发明的一些结构控制通过中心燃料喷嘴的燃料流量，以便同时增加燃烧稳定性和降低排放。更为特殊的是，结合周围的喷嘴使用中心燃料喷嘴实现整个燃烧室内部有利的燃料/空气比率浓度分配。而且，在一些结构中，中心燃料喷嘴本身被构造用于产生其自身的局部有利的燃料/空气比率浓度分配(径向向外从中心毂到预混管的外部护罩测量)。
在本发明的一些结构中，提供了用于分段引入燃料和空气的方法，它是燃气轮机转子速度、负载设置和运行模式的函数。燃料和空气通过燃烧室中燃料喷嘴的特殊通道被引入。同时，在一些结构中，当运行气体燃料时，燃气轮机燃烧器具有4个正常运行模式。这些模式支持燃气轮机运行范围的不同部分。在一些结构中，4个气体燃料供给歧管向分布在6个燃料喷嘴之间的4个分离的回路输送气体燃料，所述燃料喷嘴布置在燃烧室中。另外，具有第五歧管在特殊时刻向某些气体燃料回路供给空气，其在燃气轮机燃烧器运行的一些模式中不接受燃料。4个气体燃料歧管之一向扩散回路或者扩散歧管供给燃料。扩散歧管通过扩散燃料通道向外部燃料喷嘴供给燃料，因而在点火、部分转子速度、和零到低负载运行时产生稳定的扩散火焰。3个分离的气体燃料歧管也向3个预混回路，即预混1、预混2、预混3，供给燃料。预混1歧管向中心燃料喷嘴中的单个预混燃料回路供给气体燃料。预混2歧管向外部燃料喷嘴预混回路中的一些供给气体燃料，例如，5个外部燃料喷嘴预混回路中的2个。预混3歧管向剩下的外部燃料喷嘴预混回路供给气体燃料，例如，剩下的5个外部燃料喷嘴预混回路中的3个。
在一些结构中，提供低排放运行模式，其在燃气轮机近似35％到100％额定负载的负载范围内运行。在该模式下，预混1、2和3燃料回路供给燃料，以产生少量的预混燃烧火焰，其产生低NOx排放，同时扩散回路或者不活动，或者由来自净化空气歧管的空气净化。计算机控制系统沿着预定路径调制预混1、预混2和预混3回路之间作为横越近似35％负载到100％负载范围的燃气轮机点燃温度的函数的整个气体燃料流量的比率。选择调制，以降低NOx排放，同时降低燃烧动态压力波动。在低排放模式范围外侧，扩散和预混运行的组合发生在全转子速度、无负载状态和近似35％负载之间。
本发明的一些结构在燃烧帽和衬垫之间、以及衬垫和过渡件之间提供呼啦密封。在一些结构中呼啦密封的倒置布置为燃烧器组件提供密封连接焊接点的改进冷却，同时降低冷却空气的水平。在预混过程中使用过量的冷却空气，以进一步降低一些结构中的NOx排放。
在本发明的一些结构中，参考图1，燃气轮机2设置有若干燃烧器1。(图1中仅显示单个燃烧器1，其以横截面的方式显示。)还设置有压缩机3(局部显示)。燃气轮机2在图1中由单个涡轮机喷嘴4代表。涡轮机和压缩机的转子通过单根共用轴(图中未显示)连接。在运行中，全部压缩机空气的一部分沿着相对于通过压缩机和涡轮机部分的空气流方向的相反方向，从压缩机扩散体的出口(也就是入口孔6)流到燃烧器1，其被用于冷却燃烧器，向燃烧过程供给空气。
燃气轮机2包括围绕燃气轮机外壳5的外缘以环形排列布置的若干燃烧器1。来自压缩机3的高压空气H通过一排空气入口孔6流入燃烧器1，所述入口孔6分配在燃烧器衬垫9出口端附近的过渡件7和流量套筒8中间。输送给燃烧器1的压缩空气通过由燃烧器流量套筒8和燃烧器衬垫9限定的环形通道流到燃烧器入口端(或者同义的，头端)10，此处布置有若干两种不同类型的空气-燃料喷射器。例如，在一些结构中，若干空气-燃料喷射器包括每个燃烧器1的一排五个外部燃料喷嘴11和单个中心喷嘴12。不是所有的结构都具有此处描述的同样数目的内部喷嘴或者同样数目的外部喷嘴。仅仅是以实例的方式，一些结构与此处描述的相比，包括多于一个的中心喷嘴12，所述中心喷嘴由不同数目的外部喷嘴11包围。
在每个燃烧器的入口端，压缩空气和燃料被混合，流入燃烧点燃区域13。当燃气轮机2的起动程序通过与交叉点燃管15(未显示)结合的一个或多个火花塞(未显示)在燃烧器1内执行时，最初实现了点火。一个或多个火花塞延伸通过燃烧器衬垫9中相同数目的接口14。一旦火焰被连续地建立，火花塞就随后从燃烧点燃区域13缩回。在燃烧点燃区域13的相对端，热燃烧气体H流入双层壁的连接每个燃烧器衬垫9的出口端与涡轮机喷嘴4的入口端的过渡件7，以将热燃烧气流H输送给涡轮机2，在此处热气流的焓通过流经固定的和旋转的涡轮机翼剖面(图中未显示)的气体的膨胀转换为涡轮机转子的轴功。
每个燃烧器1包括大致圆柱形的燃烧外壳组件，其包括两部分，也就是前燃烧外壳16和后燃烧外壳17。燃烧外壳16和17通过螺栓接合19连接到压缩机排放外壳20。前燃烧外壳16通过螺栓接合18与后燃烧外壳17连接。前燃烧外壳16的头端由端盖组件21封闭，所述端盖组件可包括燃料和空气供给管、歧管以及用于向燃烧器1供给气体、液体燃料、空气和水(如果希望)的相关的阀，下面将更加详细的对此进行描述。在本发明的一些结构中，端盖组件21被构造成安装基座，以便接受围绕燃烧器1的纵向轴线以环形排列布置的若干(例如，五个)外部燃料喷嘴组件11。参考图6和7，一排外部燃料喷嘴组件11围绕中心燃料喷嘴组件12布置，所述中心燃料喷嘴组件小于外部燃料喷嘴11(在尺寸、空气和燃料流量能力方面)。
再次参考图1，大致圆柱形流量套筒8同中心地安装在燃烧外壳16和17上。流量套筒8在其后端连接双层壁过渡件7的外壁22。压缩机空气流经双层壁过渡件7的外部通道，越过并穿过流量套筒8，到达燃烧器1的头端10。流量套筒8在其前端通过径向凸缘23在螺栓接合18处连接后燃烧外壳17，在螺栓接合18处前燃烧外壳16和后燃烧外壳17被接合。
在本发明的一些结构中，流量套筒8与燃烧器衬垫9同中心地布置，所述燃烧器衬垫在其一端与过渡件7的内壁24连接。参考图6中燃烧衬垫帽组件25的前端面视图，燃烧器衬垫9的相对(前或头)端由燃烧衬垫帽组件25支撑，所述燃烧衬垫帽组件依次由若干支柱26和相关的安装凸缘组件27支撑在燃烧器外壳内部。过渡件7的外壁22和在后燃烧外壳17螺栓连接到压缩机排放外壳20的位置后部延伸的流量套筒8的一部分都在它们各自的外缘表面上形成有一排孔或入口孔6，以便允许空气朝着燃烧器1的上游或头端10，从压缩机3通过孔6反向流入流量套筒8和燃烧器衬垫9之间的环形空间(如图1所示流动箭头K的指示)。
再次参考图1，燃烧衬垫帽组件25支撑若干预混管组件28，每个燃料喷嘴组件11和12周围同中心地安装一个预混管组件。每个预混管组件28在其前端和后端分别通过前板29和后板30支撑在燃烧衬垫帽组件25内部，所述前板和后板的每一个都设置有与末端开口的预混管组件28对齐的开口。每个预混管组件28包括一套由预混管呼啦密封31分隔的两根管，当燃烧衬垫帽组件25从冷的非运行状态到热的运行状态因受热而膨胀时，其允许双管组件改变长度。换句话说，当前支撑板29和后支撑板30之间的距离因整个组件的受热膨胀而改变时，预混管组件28可相应地沿着对称轴线自由膨胀。
在一些结构中，参考图6的燃烧衬垫帽组件25的前端面视图，燃烧衬垫帽组件25包括前支撑板29中的开口32(用于外部燃料喷嘴11和它们的预混管)和开口33(用于中心燃料喷嘴12和其预混管)。在一些结构中，前支撑盖35被包括和安装到前支撑板29。前支撑盖35帮助将每个外部预混管固定在前端上。参考图7中燃烧器衬垫帽25的后端面视图，参考图6所述的类似结构支撑用于内部和外部燃料喷嘴的预混管，但是，额外的特征可包括具有一排溢出冷却孔101的冲击板100。被冷却的冲击板100起到用于帽组件25的辐射屏蔽层的作用，以将其屏蔽免受由运行过程中邻近燃烧点燃区域13(图1)内的燃烧产生的辐射热释放。
在一些结构中，再次参考图1，燃烧衬垫帽组件25的后板30安装到若干向前延伸的浮动环36(一个浮动环用于一个预混管组件28，以大致与后板30的开口对齐的方式布置)，每个浮动环支撑空气涡旋式喷嘴37(此处也可看作“涡旋叶片”)，例如，其整体形成在燃料喷嘴11和12中(此处也可看作“燃料喷射喷嘴”、“燃料喷射器”、或者“燃料喷嘴组件”)。由于该装置，以致在燃烧器衬垫9和流量套筒8之间的环形空间流动的空气在燃烧器1的燃烧器入口端10处(在端盖组件21和燃烧衬垫帽组件25之间)被强制以相反方向流经空气涡旋式喷嘴37和预混管组件28。在每个空气涡旋式喷嘴37内整体制造的燃料通道输送燃料通过一排连续引导气体燃料的孔，依赖于燃气轮机2的运行模式进入通过的空气，因而创造了燃料和空气的混合物，所述混合物随后连续的在燃烧点燃区域13被点火。
图2是图1所示外部燃料喷射喷嘴11的剖视图。图3是图1所示中心燃料喷射喷嘴12的剖视图。每个燃料喷射器喷嘴11和12分别包括凸缘组件38和39(分别显示在图2和3中)，其通过密封的螺栓结合组件连接到端盖组件21的内部(图1所示)。包括但并不必须限于气体燃料和净化空气的流体供给到气体燃料喷射喷嘴11和12的通道。这些流体分别通过凸缘组件38和凸缘组件39被供给，其先前已经通过管道歧管组件(未显示)。端盖组件21因而被供应有燃料和其它工作流体，其以精确的方式通过燃料喷嘴11和12被输送到燃烧点燃区域13(图1所示)。图2所示的液体燃料和水喷射筒90与端盖组件21(图1)的外侧连接。液体燃料和水喷射筒90被安装在每个外部气体燃料喷射喷嘴11的内部。在一些能燃烧作为气体燃料替代物的液体燃料的结构中，提供了液体燃料运行模式。该液体燃料模式通过液体燃料和水喷射筒90将液体燃料和水的喷雾输送到燃烧点燃区域13。这不是深思熟虑的为实现本发明目的的低排放运行模式。在一些不要求液体燃料运行模式的结构中，设置有液体燃料和水喷射筒90的另一种结构(未显示)，其不是被配置用于通过液体燃料或水，而是占据气体燃料喷射喷嘴11内部相当的空间。
再次参考图2，外部气体燃料喷嘴11包括金属片屏或者入口流量调节器40，其具有一排孔和导向叶片，所述孔和导向叶片创造压力降，为供给到燃烧室入口或头端10的输入空气提供方向指引。通过入口流量调节器40的空气随后与通过若干涡旋叶片37的气体燃料混合，每个涡旋叶片具有导向内部预混气体喷射孔41(内部预混孔)和外部预混气体喷射孔42(外部预混孔)的整体通道。同心管组件43布置在燃料喷嘴11中，以形成独立的燃料通道，其允许内部预混气体喷射孔41和外部预混气体喷射孔42之间的燃料流量分配控制。外部燃料喷嘴组件11中的气体燃料的该内部和外部流量分配允许预混燃料和空气的浓度分配的直接控制，其由径向从每个燃料喷嘴11或12的毂44到每个燃料喷嘴11或12的护罩45测量。依赖于特殊燃气轮机应用的设计要求，可选择用于主动或被动输送气体燃料供给的方法作为设计选择，所述气体燃料供给在进入内部和外部预混通道之间的燃料喷嘴凸缘组件38之前在上游划分气体燃料流量。允许预混空气和燃料的浓度分配在一个或多个燃料喷嘴内部被调整到预定值的方法能用于产生最小的NOx排放和最小的燃烧动态压力，所述预定值是燃气轮机2运行状态(例如此处描述的方法)的函数。
在一些结构中，再次参考图1和图2，附加的环形通道92由壁46的内径和液体燃料和水喷射筒90(或者无孔对应物，未显示，其并不通过流体，但占据相等或相当的空间)的外径91形成。环形通道92通向一排扩散燃料计量孔47。扩散燃料计量孔47和环形通道92都被供给气体燃料，能将气体燃料直接喷射到燃烧点燃区域13，并产生扩散型的燃烧火焰，所述燃烧火焰在紧邻燃料喷嘴后顶端48下游的再循环区域93中被稳定。因此，扩散燃烧被用作处于点火和低负载状态下燃烧系统的稳定特征。在各种希望的组合中无论是否具有同时发生的预混燃烧，都可使用作为稳定引燃火焰的扩散燃烧，其都发生在燃烧衬垫帽组件25的后板30下游的燃烧器衬垫9的燃烧点燃区域13中。
在一些结构中，参考图3，较小的中心燃料喷嘴12在设计特征方面与外部燃料喷嘴11类似，除了中心燃料喷嘴12不包含用于内部和外部预混气体燃料的分离通道，也不包含外部燃料喷嘴1具有的液体燃料和水喷射筒或者无孔对应物。在其它功能之中，中心燃料喷嘴12提供并保持燃烧点燃区域13中整个燃烧火焰结构的稳定性。依赖于燃气轮机的运行模式和负载设置，在一些结构中整个火焰结构可包括由所有的六个燃料喷嘴11和12引入的燃烧的燃料和空气。通过保持中心燃料喷嘴12比外部燃料喷嘴11略微高的平均燃料空气比率，外部燃料喷嘴11被提供了更稳定的点火源，因为来自外部喷嘴11的预混燃料和空气混合物在共用的燃烧点燃区域13内与由中心喷嘴12产生的中心燃料和空气燃烧混合物相互作用。中心燃料喷嘴12能被用作燃烧稳定锚。因而，尽管中心燃料喷嘴12自身比外部燃料喷嘴11能产生相对较多的NOx排放，但是中心燃料喷嘴12的稳定效果允许用于完全燃烧器的较大的燃料/空气比率变得相对低，以致整个NOx排放被控制在最小水平。因而，本发明的一些结构实现了在NOx排放与稳定性之间的具有优势的权衡。
在一些结构中，参考图3和4，使用计算方法获得用于中心燃料喷嘴12的预混气体燃料计量孔的最适宜的布置和尺寸，以便确定从毂44到护罩45测量的最适宜的燃料/空气浓度曲线图。使用计算方法以建立目标燃料/空气，或者径向从毂44到护罩45测量的当量比率曲线图。例如，对于本发明的一个结构，下面的表1列出了直径、绝对径向位置、受力面积、每个孔的气体燃料流量、以及孔A、B、C、D和E(全体用孔49指示)的有效流通面积。
表1.中心喷嘴部分模型气孔尺寸分析
(PM1％9.4HEVP)
图4的曲线图描绘了作为毂44和护罩45之间径向距离的函数的燃料/空气当量比率的经计算得到的曲线图，其在管的出口平面55处测量。“当量比率”定义为实际燃料/空气比率除以考虑中燃料的化学计量的燃料/空气比率得到的比率。这种在燃料喷嘴12的出口平面55处当量比率的计算(或者计算机模型内的虚拟测量)可通过使用运行在合适的计算机或者工作站上的可商业获得的计算流体动力学软件完成。
如图4所示，由在个体基础上由孔A、B、C、D和E将燃料引入通过的空气中产生的每个径向当量比率曲线图具有独特的形状。理想目标曲线图102指示中心燃料喷嘴12的最佳性能。由孔A、B、C、D和E的组合产生的合成的整体当量比率的曲线图103被显示，近似与目标一致。
实现在如燃料喷嘴12的预混气体燃料喷嘴装置的出口处产生希望的当量比率曲线图的方法可被应用到如燃气轮机2的燃气轮机以实现低排放。该方法包括构建如此处描述的示例性结构的中心燃料喷嘴12的燃料喷嘴的计算流体动力学模型。该模型用气体燃料和空气流量、温度、以及压力状态这些参数表示。例如，建立燃气轮机实际运行中期望的热量、压力和流量状态，以创建计算模型。构建实验设计(DOE)模型以确定表1所示的那些参数，以及涉及气体喷射孔的尺寸和布置的参数。指导设计参数的几个迭代或调制，以执行计算流体动力学模型。在希望的平面估计模型的结果，例如，图3的平面55。估计计算答案和与希望的目标当量比率曲线图的偏差，以确定是否结果满足希望的规则。如果没有，用不同的参数或者不同的燃料喷嘴结构迭代该方法。使用模型的结果构建样机零件。接着样机零件经实验验证。
图5是修改后的通用电气DLN 2.6+干燥低NOx燃烧系统的气体燃料系统示意图。在一些结构中，4个气体燃料供给歧管56、57、58和59供给燃料，所述燃料最终通过外部燃料喷嘴11的预混气体喷射孔41和42、以及扩散孔47被导入燃烧器1和中心燃料喷嘴12的预混气体燃料孔49(参见图2和图3)。预混1歧管56向中心燃料喷嘴12供给燃料。预混2歧管57向图5所示的相对燃烧衬垫帽组件25布置的5个外部燃料喷嘴11中的2个供给预混燃料。预混3歧管58向图5所示的相对燃烧衬垫帽组件25布置的5个外部燃料喷嘴11中的3个供给预混燃料。扩散或者D5歧管59向存在于5个外部燃料喷嘴11中的5个扩散气体通道供给燃料。在所有运行模式下，不接受燃料供给的通道中的净化空气通过净化空气歧管60、相关的管及阀(未显示)供给到5个外部燃料喷嘴11。
图5描述的燃料输送和供给系统的结构已经被分析和测试。设计分析和测试显示这种结构在燃烧点燃区域13(图1中显示)内提供足够不均匀的燃料供给灵活性，以在低排放预混运行模式中实现稳定性、NOx排放的降低和降低的动态压力波动。这种燃料供给和输送系统结构的灵活性能提供依赖于应用、横越机器运行范围的附加的燃气轮机运行好处，其包括但并不限于因扩散燃烧产生的限制或者降低低负载可见黄色NOx排放烟流的能力，以及在已知的燃料输送和供给系统上改善低负载预混运行NOx能力。
当应用到GE型号为MS9001 FA燃气轮机时，参考图5的气体燃料示意图，图1中描述的燃烧器1的示例性结构具有至少4个或者更多的气体燃料正常运行模式。这些模式被构造以支持燃气轮机2运行范围的不同部分。燃烧器1被点火，在扩散模式下涡轮机转子被加速到95％的速度，同时扩散(D5)歧管59向5个外部燃料喷嘴11的扩散回路供给气体燃料。在扩散模式下，其它3个预混气体燃料歧管56、57和58以及净化空气歧管60都不必供给燃料或者空气，尽管用于这些回路的工作流体可能处于预运行状态，准备转变到这些歧管都使用的运行模式下。在近似95％涡轮机转子速度状态下，向副导向预混模式的转变发生。这种转变启动预混1燃料回路或者歧管56中的燃料流动，允许转子实现全速状态(100％速度)，同时施加到涡轮机转子上的负载最小或者减小。这种运行顺序为转子的所有速度、大于95％速度下的负载、以及无负载状态提供预混1燃料歧管56的常量燃料供给。因此，预混1燃料歧管56在运行中的任意时刻不要求净化空气。在副导向预混模式中，净化空气供给给预混2燃料歧管57和预混3燃料歧管58。从100％转子速度状态一直到最小负载状态之间在预选的燃气轮机参考点燃温度下，当预混3燃料歧管58开始为燃烧器1供给燃料，同时预混2歧管57继续为净化的空气，启动另一个模式转变，转变到导向预混模式。在导向预混模式中，扩散歧管59、预混1歧管56、以及预混3歧管58全都供给燃料。导向预混是一种非常稳定、非低排放的模式，在该模式下，如果希望，当要求大于正常的稳定性，且稍微高于最低可获得值的排放能被容忍时，燃气轮机2可在整个负载范围内运行。
在近似35％负载或者更高处，预定模式转变，转变到预混模式。在运行顺序的该低排放模式下，低NOx排放的好处完全被实现。在预混模式下，通过仅分别流向预混1、2和3歧管56、57和58、作为燃气轮机2参考点燃温度的函数的预定燃料流量实现低排放，同时扩散歧管59不再供给燃料但是用空气净化。在预混模式下，当流向预混燃料歧管56、57和58的全部燃料流量的分配根据参考点燃温度的函数被调节时，通过扩散歧管59的净化空气流量也根据参考点燃温度的函数被调节和计划。因为燃料系统在燃烧点燃区域13内控制轴对称燃料供给的能力和根据燃气轮机参考点燃温度的函数计划净化空气，低排放、可接受的火焰稳定性和低动态压力同时实现。
在一些结构中，参考图1，呼啦密封65用于在交界面62处密封燃烧衬垫帽组件25与燃烧器衬垫9之间的环形间隙。呼啦密封64也用于在交界面63处密封燃烧器衬垫9与过渡件7的内壁24之间的间隙。不提及其特殊应用，如64或者65的呼啦密封通常作为形成于圆形箍内的板簧系统被描述，所述圆形箍用于密封两个同心圆管道之间的滑动交界接合或者环形间隙，通过所述管道同一流体从一个管道穿过另一个。各种呼啦密封结构被应用于密封如图1所示燃气轮机2的燃烧器1的各种位置中圆形邻接管道之间的间隙。例如，如上所述，呼啦密封31用在预混管组件28的一些结构中以保持密封，即使燃烧衬垫帽组件25发生热膨胀。
现有技术呼啦密封66和配对管道结构以类似于图1中所示的横截面的方式在图8中描述。图8描述了交界面63(图1)，在燃烧器衬垫9与过渡件7的内壁24之间可能出现结合现有技术呼啦密封66。在本发明的各种结构中，参考图9，交界面63设置有倒置的呼啦密封82和配对管道。倒置的呼啦密封82结构有效地将朝着燃烧器1头端10(图1)流动的燃烧空气泄漏最小化。在如63的交界面处保存空气有助于降低来自燃烧器1(图1)的NOx排放。
再次参考图8，所示的现有技术呼啦密封66通过焊接点70连接到在燃烧器衬垫9后端的冷却通道护罩67。朝着燃烧器1的头端10流动、通常平行于交界面63的压缩机空气流量72的小部分趋向于沿着由泄漏流量箭头74指示的泄漏路径流动，穿过进一步由泄漏流量箭头75指示的呼啦密封66的外部弓形部分。泄漏流量74和75由燃气轮机运行过程中在衬垫9外侧的压缩机空气流量72和衬垫9内侧的热气体流量73之间的压力差值产生。压缩机空气流量72与热气体流量73相比，处于相对高的静压力和相对低的温度，所述热气体流量包含燃烧后产物，与压缩机空气流量72相比，处于相对高的温度和相对低的静压力状态。
对于现有技术呼啦密封66结构，密封66典型地安装在内部配对管道的外侧直径上，例如，图8的冷却通道护罩67的外侧直径。现有技术呼啦密封66的邻接连接焊接点70的内部安装直径78设置有适当的空隙，以匹配配对管道外部安装直径79。在燃烧器1(图1)的组件中，具有预安装的呼啦密封66的衬垫9沿着热气体流量73相对于过渡件内壁24的同样的方向被装配到过渡件7的内壁24。在图8所示的现有技术结构中，呼啦密封指状件80的顶端面对相反的安装方向，或者与压缩机空气流量72同样的方向。因而，呼啦密封指状件80的顶端在装配过程中没有接触过渡件内壁24的前缘81。在这种结构中呼啦密封指状件80的顶端在燃气轮机运行过程中相比呼啦密封连接焊接点70经受相对冷的热量状态。呼啦连接焊接点70放置在该结构中衬垫的出口平面处邻接向后面对的台阶，因而经受在燃气轮机运行过程中由热气体流量73的通道产生的热量状态。
为了保持呼啦密封焊接点70和现有技术呼啦密封66自身的结构完整性，为了提供对衬垫9后端要求的冷却，小的热交换器出现在衬垫9后端。该热交换器包括若干围绕衬垫9周边分布的冷却通道77。压缩机空气通过若干进入孔68进入，随后如冷却空气流量箭头69所示流入冷却通道77。进入热交换器的压缩机空气冷却流量由压缩机空气流量72和热气体流量73之间的静压力差值驱动，在流量箭头71指示的通道的相对端退出。尽管通过通道的冷却空气流量69、71对热量、呼啦密封66和呼啦密封焊接点70的结构完整性有好处，该流量的特征在于不会参与燃烧过程的可控制泄漏。该可控制泄漏的引入趋向于增加燃烧器1(图1)的NOx排放。
在本发明的一些结构中，参考图9，交界面63包括通过焊接点83与过渡件7的内壁24连接的倒置的呼啦密封82。与图8中阐述的现有技术结构比较，其中焊接点10非常靠近地接近热气体流量73，使用倒置的呼啦密封82的结构有利地使倒置的呼啦连接焊接点83经受相对冷的热量状态，其中呼啦密封泄漏流量74、84不断地通过，且远离热气体流量73。另外，与图8中阐述的现有技术结构比较，倒置的呼啦密封82安装(焊接)到相对冷的壁24，其中由冷却空气流量箭头69和71所示的相对更冷的空气要求穿过热交换器冷却通道77。同时，倒置的呼啦密封82结构比图8所示的现有技术呼啦密封66结构需要通过热交换器冷却通道77的大致较少的冷却空气。因而，要求较少的压缩机空气流量72，因为冷却通道77中的冷却空气69、71和被节省的空气能代替用于燃烧点燃区域13(图1)。与另外发生的相比，使用该节省的空气导致更低的NOx排放。而且，因为衬垫9被插入和装配到带有预装倒置的呼啦密封82的内部配对表面24内部(例如，过渡件内壁24)，所以呼啦密封指状件80的顶端被定向，以致指状件被保护不受装配过程中可能另外发生的损害。
当内部安装管道，例如冷却通道护罩67，由比典型的金属部件更适合较高温度运行的材料形成时，可使用如图9描述的倒置的呼啦密封82结构。(这种材料的一个示例是陶瓷基体组合物。)将呼啦密封与这种材料焊接通常是不可能的，但是如图9所示倒置的呼啦密封82结构能被替代使用。在图1的燃烧器1和本发明的各种其它结构中，有利的是在交界面62和63处使用倒置呼啦密封结构。当在这些交界面使用倒置呼啦密封时，所需冷却空气的净减少导致来自燃烧器1较低的NOx排放。
因而将意识到本发明的各种结构满足50Hz电力装置NOx排放的最新调整要求，不需要对燃气轮机的排气做额外处理。除了降低NOx排放，本发明的各种配置也实现可接受的火焰稳定性和允许大小的动态压力。
尽管本发明已经通过各种特殊的实施例进行了描述，那些熟悉本领域技术的人员会意识到在权利要求书的实质和范围之内，本发明可以经修改后被实施。
部件列表
  1   燃烧器
  2   燃气轮机
  3   压缩机
  4   涡轮机喷嘴
  5   燃气轮机外壳
  6   孔或入口孔
  7   过渡件
  8   流量套筒
  9   燃烧器衬垫
  10   燃烧器入口端或头端
  11   外部燃料喷嘴组件
  12   中心燃料喷嘴组件
  13   燃烧点燃区域
  14   接口
  15   交叉点燃管
  16   前燃烧外壳
  17   后燃烧外壳
  18   螺栓接合
  19   螺栓接合
  20   压缩机排放外壳
  21   端盖组件
  22   外壁
  23   径向凸缘
  24   过渡件内壁或者内部配对表面
  25   燃烧衬垫帽组件
  26   支柱
  27   相关的安装凸缘组件
  28   预混管组件
  29   前支撑板
  30   后支撑板
  31   混合管呼啦密封
  32   开口
  33   开口
  35   前支撑盖
  36   向前延伸的浮动环
  37   空气涡旋式喷嘴或者涡旋叶片
  38   燃料喷嘴凸缘组件
  39   燃料喷嘴凸缘组件
  40   入口流量调节器
  41   预混气体喷射孔
  42   预混气体喷射孔
  43   同心管组件
  44   毂
  45   护罩
  46   壁
  47   扩散燃料计量孔
  48   燃料喷嘴后顶端
  49   预混气体燃料孔
  55   出口平面
  56   预混燃料歧管
  57   预混燃料歧管
  58   预混燃料歧管
  59   扩散歧管
  60   净化空气歧管
  62   交界面
  63   交界面
  64   呼啦密封
  65   呼啦密封
  66   现有技术呼啦密封
  67   冷却通道护罩
  68   进入孔
  69   冷却空气流量
  70   呼啦密封焊接点
  71   冷却空气流量
  72   压缩机空气流量
  73   热气体流量
  74   呼啦密封泄漏流量
  75   呼啦密封泄漏流量
  77   冷却通道
  78   内部安装直径
  79   管外部安装直径
  80   呼啦密封指状件
  81   前缘
  82   倒置的呼啦密封
  83   倒置的呼啦连接焊接点
  84   呼啦密封泄漏流量
  90   水喷射筒
  91   外径
  92   环形通道
  93   再循环区域
  100   被冷却的冲击板
  101   溢出冷却孔
  102   理想目标曲线图
  103   整体当量比率的曲线图

Claims (8)

1.一种燃气轮机，包括：
具有至少一个圆形燃烧室的燃烧器，所述至少一个圆形燃烧室包括衬垫、燃烧帽和过渡件；
位于所述燃烧帽和所述衬垫之间的第一倒置呼啦密封；
位于所述过渡件和所述衬垫之间的第二倒置呼啦密封；
至少一个内部燃料喷嘴，被构造成将预混燃料/空气混合物喷射到所述圆形燃烧室；
多个外部燃料喷嘴，围绕至少一个内部燃料喷嘴布置，并且被构造成将预混燃料/空气混合物喷射到所述圆形燃烧室；以及
一套歧管，被构造成向所述至少一个内部燃料喷嘴提供燃料/空气混合物，提供给所述至少一个内部燃料喷嘴的燃料/空气混合物比提供给所述多个外部燃料喷嘴的燃料/空气混合物更浓。
2.如权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，所述燃气轮机具有五个外部燃料喷嘴和一个内部燃料喷嘴。
3.如权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，所述燃气轮机被构造成使用来自燃料/空气混合物预混过程中的过量的冷却空气来进一步降低NOx的排放。
4.如权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，所述衬垫被插入和装配到所述过渡件的内壁之内。
5.如权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，所述第一倒置呼啦密封和所述第二倒置呼啦密封中的至少一个包括呼啦密封指状件，所述呼啦密封指状件具有顶端，所述呼啦密封指状件的顶端被定向成在装配过程中保护所述呼啦密封指状件。
6.如权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，所述第二倒置呼啦密封在一呼啦密封泄漏流经过处被焊接到一过渡件的内壁，而且焊缝远离热气体流。
7.一种燃气轮机，包括：
具有至少一个圆形燃烧室的燃烧器，所述至少一个圆形燃烧室包括衬垫和燃烧帽；
位于所述燃烧帽和所述衬垫之间的第一倒置呼啦密封；
至少一个内部燃料喷嘴，被构造用于将预混燃料/空气混合物喷射到圆形燃烧室；
若干外部燃料喷嘴，围绕至少一个内部燃料喷嘴布置，被构造用于将预混燃料/空气混合物喷射到圆形燃烧室；以及
一套歧管，被构造用于与提供给所述若干外部燃料喷嘴的燃料/空气混合物相比，提供给所述至少一个内部燃料喷嘴更浓的燃料/空气混合物。
8.如权利要求7所述的燃气轮机，其特征在于，所述至少一个圆形燃烧室还包括过渡件，所述燃气轮机还包括位于所述过渡件和所述衬垫之间的第二倒置呼啦密封。
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