CN101918764B - 冲击冷却型罐式燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种罐式燃烧器，其包括基本上为柱形的壳体，该壳体具有内部、轴线和封闭的轴向端部。封闭的轴向端部包括用于将燃料引入所述壳体内部中的装置。基本上柱形的燃烧器衬套同轴地布置在所述壳体内并构造成与所述壳体一起限定出燃烧空气和稀释空气各自的径向外通道，以及燃烧区和稀释区各自的径向内体积。燃烧区布置成沿轴向邻近所述封闭的壳体端部，而所述稀释区布置成沿轴向远离所述封闭的壳体端部。罐式燃烧器还包括冲击冷却套筒，所述冲击冷却套筒同轴地布置在所述壳体与所述燃烧器衬套之间并且沿轴向自所述封闭的壳体端部起、延伸燃烧区的基本长度。所述套筒具有多个孔，所述孔被定尺寸和分布成引导燃烧空气撞击所述燃烧器衬套的限定出所述燃烧区的部分的径向外表面以进行冲击冷却。基本上所有的所述燃烧空气在被允许进入所述燃烧区之前均流经所述冲击冷却孔。燃烧空气中的一小部分可被用于对紧邻封闭的壳体端部的衬套进行膜冷却。

Description

冲击冷却型罐式燃烧器
技术领域
本发明涉及罐式燃烧器。具体而言，本发明涉及用于燃气涡轮发动机的、冲击冷却型罐式燃烧器。
背景技术
利用罐型燃烧器的燃气涡轮燃烧系统通常易于出现气流的分布不均。由这种不规则性造成的问题在低NOx系统的开发中尤其引人关注。在燃烧器内实现低水平的氮氧化物与火焰温度以及火焰温度在反应区前端部分中的变化密切相关。火焰温度与反应区内的有效燃空比相关，该有效燃空比取决于所采用的燃空比以及在火焰前锋(flame front)之前实现的(燃料和空气的)混合程度。这些因素明显受到燃料和相关空气的局部施加以及混合效率的影响。燃料的均匀施加通常处于设计良好的喷射系统的控制之下，但空气流的局部变化通常并非如此，除非给予特别考虑以校正分布不均。
为实现全球某些地区的法规设定的氮氧化物的现有水平要求：将有效燃空比的标准偏差控制在10％的较低量级内。这种燃烧系统的开发成本高，而且会明显受到其构型的选择是否正确的影响。燃气轮机的制造者对构型采用不同的方案，这些方案看上去直观但通常让人感到开发困难而且成本高。为了进一步说明这些事实，可对图1(即公知的冲击冷却型罐式燃烧器的示意图)的构型进行有用的讨论。
如图1中示意性地示出的，罐式燃烧器10包括壳体12和燃烧器内衬套14，如本领域技术人员可以理解的，该内衬套限定出燃烧区16和稀释区18。另外，现有技术的燃烧器10包括套筒20，该套筒20具有用于引导冷却空气撞击(朝向)衬套14的外表面的冲击冷却孔22。燃烧器10构造成在允许稀释空气通过稀释端口24进入稀释区18之前将稀释空气用作冷却空气。用于燃烧的空气沿着通道26直接流向旋流叶片28，在所述旋流叶片处用于燃烧的空气与燃料混合并被允许进入燃烧区16以进行燃烧。图1还示出了再循环区或模式32，该再循环区或模式通过旋流的空气/燃料混合物以及罐式部件的几何结构建立，用于使燃烧稳定。
图1所示类型的构型可用于冲击冷却优于膜冷却的简单的低NOx燃烧器中。一般而言，在这些低火焰温度燃烧器中使用膜冷却会产生高量级的一氧化碳排放。对火焰筒(衬套)的外部冲击冷却能够降低这种高量级(的一氧化碳排放)。所示构型中最引人关注的(技术)特征在于将冲击空气额外用于稀释。但是，在除了要求低NOx以外、高出口温度也是一性能要求的系统中，旋流/反应区空气流占总空气流的很大部分，因而冷却和稀释空气流受到限制。因此，使这些流动相结合以使整体流动条件得到优化是相当有利的。虽然空气动力学看起来会是令人满意的，但应当看到，旋流/反应区空气流受到任何分布不均的影响，而所述分布不均可能是入流(即在空气通道26内)所固有的。当要求燃烧器具有低的总压力损失时，这种分布不均对旋流/反应区的燃空比和NOx的影响被进一步放大。
发明内容
一种例如用于燃气涡轮发动机中的罐式燃烧器包括基本上柱形的壳体，该壳体具有内部、轴线和封闭的轴向端部，该封闭的轴向端部包括用于将燃料引入所述壳体内部的装置。该罐式燃烧器还包括基本上柱形的燃烧器衬套，该燃烧器衬套同轴地布置在所述壳体内并构造成与所述壳体一起限定出燃烧空气和稀释空气各自的径向外通道以及燃烧区和稀释区各自的径向内体积。燃烧区布置成沿轴向邻近所述封闭的壳体端部，而所述稀释区布置成沿轴向远离所述封闭的壳体端部。罐式燃烧器还包括冲击冷却套筒，所述冲击冷却套筒同轴地布置在所述壳体与所述燃烧器衬套之间并且沿轴向自所述封闭的壳体端部起、延伸燃烧区的主要长度。所述套筒具有多个孔，所述孔被定尺寸和分布成引导燃烧空气撞击(朝向)所述燃烧器衬套的限定出所述燃烧区的部分的径向外表面以进行冲击冷却。基本上所有的所述燃烧空气在被允许进入所述燃烧区之前均流经所述冲击冷却孔。
结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的若干实施方式，所述附图连同说明书用于解释本发明的原理。
附图说明
图1是现有技术的用于燃气轮机的冲击冷却型罐式燃烧器的示意性截面图；以及
图2是根据本发明的用于燃气轮机的冲击冷却型罐式燃烧器的示意性截面图。
具体实施方式
根据本发明，如本文所体现并概括地描述的，罐式燃烧器可包括基本上柱形的壳体，所述壳体具有内部、轴线和封闭的轴向端部。该封闭的轴向端部还可包括用于将燃料引导至壳体内部的装置。如本文所体现的，并且参照图2，罐式燃烧器100包括外壳体112，该外壳体具有内部114、纵向轴线116以及封闭的轴向端部118。壳体112围绕轴线116基本上呈柱形形状，但该壳体也可以根据特定应用的需要而包括不同直径的锥形和/或台阶部段。
封闭端部或“头”端部118包括用于将燃料导入壳体内部114的装置，该装置总体上用120标示。在图2的实施例中，燃料引入装置包括多个短管122，每个短管具有出口孔并且与燃料源124可操作地连接。图2所示的燃料引入装置120构造成用于引入气态燃料(例如，天然气)，但在其它应用中可使用液体燃料、或者(同时使用)气体燃料和液体燃料二者。一般而言，在某些应用中，液体燃料可能需要雾化型喷射器，例如“气力(air blast)”式喷嘴(未示出)，例如本领域所公知的雾化型喷射器。
在燃烧器100的头端部118处还设置有多个旋流叶片126，这些叶片126用于向被允许进入壳体内部114的燃烧空气施加旋流。叶片126构造成提供多个用于燃烧空气的分离通路。目前优选在叶片126的上游设置同样多个短管122并使它们定向成将燃料导入各自的通路的入口，以促进混合和低NOx的燃烧。短管122还可用来计量进入燃烧区140的燃料。
进一步根据本发明，如文中所体现并概括地描述的，罐式燃烧器可包括基本上柱形的燃烧器衬套，该衬套同轴地设置在壳体内并且构造成与壳体共同限定出燃烧空气和稀释空气各自的径向外通道。燃烧器衬套还可构造成分别限定出用于燃烧区和稀释区的径向内体积。燃烧区可布置成沿轴向邻近封闭的壳体端部，而稀释区可布置成沿轴向远离封闭的壳体端部。
如本文所体现的，仍参照图2，燃烧器100包括布置在壳体112内、基本上与轴线116同心的燃烧器衬套130。衬套130可定尺寸并构造成分别限定出用于燃烧空气的外通道132和用于稀释空气的通道134。在图2的实施例中，用于稀释空气的通道134包括多个围绕衬套130的周缘分布的稀释端口136。
衬套130还在壳体内部114限定出沿轴向邻近封闭端部118的燃烧区140，在该燃烧区内，旋流的燃烧空气与燃料的混合物进行燃烧以产生热燃烧气体。结合封闭端部118——包括旋流叶片126——的构型，衬套130以本领域技术人员所公知的方式构造成在燃烧区140中的区域或模式144内提供稳定的再循环。衬套130还在壳体内部114限定出稀释区142，在该稀释区内，燃烧气体与从通道134经稀释端口136(进入)的稀释空气相混合，以降低燃烧气体的温度，所述燃烧气体例如用于在涡轮(未示出)内的膨胀做功。
仍进一步按照本发明，如本文所体现并概括地描述的，罐式燃烧器还可包括冲击冷却套筒，该套筒同轴地布置在壳体与燃烧器衬套之间并沿轴向自封闭的壳体端部起、延伸燃烧区的基本长度。冲击冷却套筒可具有多个孔，这些孔定尺寸并分布成引导燃烧空气撞击(朝向)限定出燃烧区的燃烧器衬套部分的径向外表面以进行冲击冷却。
如本文所体现的，仍参照图2，冲击冷却套筒150被示出同轴地布置在壳体112与衬套130之间。冲击冷却筒套150沿轴向自邻近封闭端部118的位置起、延伸至接近稀释端口136但相对于燃烧气体的轴向流动位于稀释端口136上游的位置处。套筒150包括多个冲击冷却孔152，这些冷却孔围绕套筒150周向地分布并构造和定向成引导来自通道132的燃烧空气撞击(朝向)燃烧区140附近的衬套130的外表面。
明显地，在图2所示的实施例中，基本上所有——也就是说除可能的不可避免的泄漏之外的所有——最终被允许进入燃烧区140的燃烧空气都首先经过冲击套筒150的孔152以提供冷却。对于低NOx构型，燃烧空气可包括供应至罐式燃烧器的总空气(燃烧空气加稀释空气)的约45％到55％。由于穿越/贯穿套筒150的压降，能在旋流叶片120的紧上游使围绕通道132a周缘的流速差大大减小，从而提供了用于贫、低NOx操作的、改善的、更均匀的流动分布。
还可优选地利用少量冲击冷却空气对燃烧器的头端部和/或燃烧器衬套的邻近部分的局部热部位进行膜冷却。如图2中示意性地示出的，可在封闭端部118内设置一个或多个膜冷却狭缝160，向这些狭缝供应已穿过冲击冷却孔152、但通常仍具有一定的冷却能力的燃烧空气。在图2的实施例中，用于膜冷却的空气(约8％的燃烧空气)最终被允许进入燃烧区140，从而可用于同燃料一起进行燃烧。此外，由于用于膜冷却的空气量相对较少以及能够在罐式燃烧器100内建立基本上稳定的再循环模式144，所以少量膜冷却的使用将不会显著影响再循环模式144或显著增加一氧化碳(CO)的生成。
或者可优选的是，冲击冷却套筒150在冲击冷却孔152附近的形状可为沿轴向渐缩的，以获得一截锥形状，该截锥形状具有朝向封闭(头)端部118(在图2中以虚线示出)渐增的直径。在任一情况下，套筒端部154都构造成在燃烧空气已穿过冲击冷却孔152之后、相对于稀释空气通道密封燃烧/冲击冷却空气。
由于上述罐式燃烧器的特征，除之前所论述的使通向旋流叶片的空气流更均匀的优点外，罐式燃烧器还可在旋流叶片内提供更均匀的预混合，从而针对给定的NOx要求提供更高的有效燃空比。并且，上述罐式燃烧器在提供更稳定的再循环模式方面可提供更大的稳定燃烧裕度，还可使传递到涡轮的燃烧产物内的温度偏差(“离散度”)最小化。最后，以上公开的罐式燃烧器还可以使冷却空气需求最大化并提供最小的衬套壁金属温度。
对本领域技术人员显而易见的是，可在不脱离本文所包含的教导的情况下，对公开的冲击冷却型罐式燃烧器进行各种改进和变更。尽管通过对本说明书的考虑和对所公开的设备的实施，实施例对本领域技术人员而言将显而易见，但说明书和示例仅认为是示例性的，本发明的真实范围由以下权利要求和它们的等效方案指出。

Claims (8)

1.一种罐式燃烧器，包括：
基本上柱形的壳体，该壳体具有内部、轴线和封闭的轴向端部，所述封闭的轴向端部包括用于将燃料引入所述壳体内部的装置；
基本上柱形的燃烧器衬套，所述燃烧器衬套同轴地布置在所述壳体内并构造成与所述壳体一起限定出燃烧空气和稀释空气各自的径向外通道，所述燃烧器衬套还限定出燃烧区和稀释区各自的径向内体积，所述燃烧区布置成沿轴向邻近所述封闭的壳体端部，而所述稀释区布置成沿轴向远离所述封闭的壳体端部；以及
冲击冷却套筒，所述冲击冷却套筒同轴地布置在所述壳体与所述燃烧器衬套之间并且沿轴向自所述封闭的壳体端部起到一套筒封闭端部延伸燃烧区的基本长度，所述套筒具有多个孔，所述孔被定尺寸和分布成引导燃烧空气撞击所述燃烧器衬套的限定出所述燃烧区的部分的径向外表面以进行冲击冷却，而被冲击冷却的所述衬套的径向外表面是无孔的，
其中，所述燃烧空气和稀释空气在所述径向外通道中基本上沿轴向朝向所述封闭的壳体端部流动，
其中，所述稀释空气通道包括多个在所述燃烧器衬套中的、用于允许稀释空气沿径向进入所述稀释区的稀释端口；
其中，所述燃烧器衬套和所述封闭的轴向端部构造成，使得基本上所有的所述燃烧空气在被允许进入所述燃烧区之前均流经所述冲击冷却孔。
2.如权利要求1所述的罐式燃烧器，其特征在于，所述燃烧空气中的一部分在已穿过所述冲击冷却孔之后被进一步用于对紧邻所述封闭的壳体端部的衬套的一收缩的端部进行膜冷却。
3.如权利要求2所述的罐式燃烧器，其特征在于，小于或等于8％的所述燃烧空气被用于膜冷却。
4.如权利要求1所述的罐式燃烧器，其特征在于，所述冲击冷却套筒在一位于所述封闭的壳体端部与所述稀释端口之间的轴向位置处终止于所述衬套。
5.如权利要求4所述的罐式燃烧器，其特征在于，所述冲击冷却套筒构造成在燃烧空气已穿过所述冲击冷却孔之后相对于所述稀释空气通道密封所述燃烧空气。
6.如权利要求1所述的罐式燃烧器，其特征在于，所述冲击冷却套筒的形状基本是柱形。
7.如权利要求1所述的罐式燃烧器，其特征在于，所述冲击冷却套筒的形状是截锥形，其中较大的直径布置成沿轴向邻近所述封闭的壳体端部。
8.如权利要求1所述的罐式燃烧器，其特征在于，所述燃烧空气部分占所述燃烧空气和所述稀释空气总量的45％到55％。
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