CN101986034B - 燃气轮机燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及燃气轮机燃烧器。其中，燃气轮机(10)包括压缩机(12)和位于压缩机下游的至少一个燃烧室(14)。燃烧室包括燃烧器(24)，燃烧器具有：内罩(36)，沿燃烧器的至少一部分轴向地延伸；外罩(38)，与内罩径向地分离并沿燃烧器的至少一部分轴向地延伸；和多个定子叶片(40)，在内罩与外罩之间径向地延伸。定子叶片具有邻近内罩的内端(46)和邻近外罩的外端(48)。燃烧器还包括位于定子叶片的内端或外端中的一者处的涡梢(50)。涡梢在内端与内罩或外端与外罩之间提供间隙，且涡梢包括多个燃料端口(52)。燃气轮机还包括位于燃烧室下游的涡轮机(16)。

Description

燃气轮机燃烧器
技术领域
本发明大体而言涉及一种燃气轮机。更具体而言，本发明涉及一种在燃烧之前使燃料与工作流体混合的燃气轮机燃烧器。
背景技术
燃气轮机广泛用于进行发电的商业运营中。燃气轮机一般包括位于前面的压缩机、位于中间周围的一个或多个燃烧室、以及位于后面的涡轮机。压缩机渐进地压缩工作流体，并将经压缩的工作流体排放到燃烧室中。燃烧室使工作流体与燃料混合，并使混合物燃烧以产生具有高温、高压和高速度的燃烧气体。燃烧气体离开燃烧室并流入涡轮机中，在涡轮机中燃烧气体膨胀而产生功。
燃烧气体包括各种量的不期望的排放物，例如未燃烧的碳氢化合物及各种氮氧(NOX)化合物。存在于燃烧气体中的未燃烧的碳氢化合物及NOX化合物的量取决于燃烧的效率和温度。具体而言，燃料的不完全或低效率燃烧导致增多的碳氢化合物排放物。类似地，升高的燃烧温度导致NOX增多的排放物。
为通过提高燃烧效率来减少碳氢化合物和NOX排放物的量，已做出各种努力。例如，美国专利5,259,184(其全部内容出于各种目的而并入本文中)描述了一种在燃烧之前使燃料与工作流体预混合的燃气轮机燃烧器。该燃烧器包括向工作流体施加旋转运动(swirling motion)的环形旋转器(swirler)，而旋转的工作流体与注入的燃料混合以产生用于燃烧的更均匀、更稀薄的燃料混合物。更均匀、更稀薄的燃料混合物提高燃烧效率并降低燃烧温度，从而减少碳氢化合物和NOX排放物。
美国专利6,438,961(其全部内容出于各种目的而并入本文中)描述了一种在燃烧之前使燃料与工作流体混合的改良燃气轮机燃烧器。该燃烧器包括具有内置燃料通道的转动叶片。转动叶片向工作流体和燃料二者施加旋转，以产生燃料与工作流体在燃烧之前的更均匀的混合。
需要对燃料与工作流体在燃烧之前的预混合进行改良，以进一步提高燃烧效率和减少不期望的排放物。
发明内容
本发明的方面和优点将于以下说明中予以陈述，或可从该说明中显而易见，或可通过本发明的实践获知。
本发明的一个实施例是一种用于燃气轮机的燃烧器。该燃烧器包括：内罩，沿燃烧器的至少一部分轴向地延伸；外罩，与内罩径向地分离并沿燃烧器的至少一部分轴向地延伸；以及多个定子叶片，在内罩与外罩之间径向地延伸。定子叶片具有邻近内罩的内端和邻近外罩的外端。燃烧器还包括位于定子叶片的内端或外端中的一者处的涡梢(vortex tip)。涡梢在内端与内罩或外端与外罩之间提供间隙。
本发明的另一实施例是一种燃气轮机。该燃气轮机包括压缩机和位于压缩机下游的至少一个燃烧室。燃烧室包括燃烧器，燃烧器具有：内罩，沿燃烧器的至少一部分轴向地延伸；外罩，与内罩径向地分离并沿燃烧器的至少一部分轴向地延伸；以及多个定子叶片，在内罩与外罩之间径向地延伸。定子叶片具有邻近内罩的内端和邻近外罩的外端。燃烧器还包括位于定子叶片的内端或外端中的一者处的涡梢。涡梢在内端与内罩或外端与外罩之间提供间隙。该燃气轮机还包括位于燃烧室下游的涡轮机。
本发明的替代实施例是一种燃气轮机。该燃气轮机包括压缩机和位于压缩机下游的至少一个燃烧室。燃烧室包括燃烧器，燃烧器具有：内罩，沿燃烧器的至少一部分轴向地延伸；外罩，与内罩径向地分离并沿燃烧器的至少一部分轴向地延伸；以及多个定子叶片，在内罩与外罩之间径向地延伸。定子叶片具有邻近内罩的内端和邻近外罩的外端。燃烧器还包括位于定子叶片的内端或外端中的一者处的涡梢。涡梢在内端与内罩或外端与外罩之间提供间隙，并且涡梢包括多个燃料端口。该燃气轮机还包括位于燃烧室下游的涡轮机。
在阅读本说明书后，所属领域的普通技术人员将会更好地理解这些实施例的特征和方面等等。
附图说明
在本说明书的其余部分(包括参照附图)中，对本发明的全部和使之能够实现的揭露内容(包括对所属领域的技术人员而言最佳的型式)进行更具体地说明，在附图中：
图1是处于本发明范围内的燃气轮机的实施例的平面图；
图2是根据本发明一个实施例的燃烧器的剖面立体图；
图3是根据本发明一个实施例的定子叶片的一部分的立体图；
图4是根据本发明替代实施例的涡流定子组件的平面图；以及
图5是由图4所示的涡流定子组件形成的旋转的涡流的立体表示。
主要元件标记说明
10：燃气轮机      12：压缩机
14：燃烧室        16：涡轮机
18：压缩机叶片    20：燃烧器
22：燃烧腔室      24：燃烧器
26：输入流调节器  28：涡流定子组件
30：混合燃料通道  32：环形通道
34：导流装置      36：内罩
38：外罩          40：定子叶片
42：湍流器        44：机翼
46：内端          48：外端
50：涡梢          52：燃料端口
54：涡流定子组件  56：内罩
58：外罩          60：定子叶片
62：湍流器        64：燃料端口
66：内端          68：外端
70：涡梢          72：间隙
74：支柱          76：涡流旋涡
具体实施方式
现在，将详细参照本发明的各个实施例，本发明的一个或多个实例显示于附图中。本详细说明使用数字和字母符号来指示图式中的特征。图式和说明中的相同或类似的符号用以指示本发明的相同或类似的部件。
每一实例旨在用于解释本发明而非限制本发明。实际上，在不背离本发明的范围或精神的条件下，所属领域的技术人员可明显地对本发明作出修改和改变。例如，作为一个实施例的部分而显示或说明的特征可用于另一实施例，以产生又一实施例。因此，本发明旨在涵盖处于所附权利要求及其等效内容的范围内的这些修改和改变。
图1提供处于本发明范围内的燃气轮机10的实施例。如图1所示，燃气轮机10大体包括位于前面的压缩机12，位于中间周围的一个或多个燃烧室14、以及位于后面的涡轮机16。压缩机12包括多级压缩机叶片18，以渐进地压缩工作流体。压缩机12向燃烧室14排放经压缩的工作流体。每一燃烧室14包括一个或多个燃烧器，燃烧器使工作流体与燃料混合，且混合物然后在燃烧腔室22中燃烧以产生具有高温、高压和高速度的燃烧气体。燃烧气体离开燃烧腔室22并流入涡轮机16中，在涡轮机16中燃烧气体膨胀而产生功。
图2提供根据本发明一个实施例的燃烧器24的剖面立体图。在此实施例中，燃烧器24包括输入流调节器26、涡流定子组件28、以及混合燃料通道30。
输入流调节器26从压缩机12接收经压缩的工作流体并使其准备进入涡流定子组件28中。输入流调节器26包括穿孔壁，穿孔壁形成环形通道32，经压缩的工作流体穿过环形通道32。在经压缩的工作流体进入涡流定子组件28中之前，导流装置34使经压缩的工作流体径向地分布。
涡流定子组件28使燃料与经压缩的工作流体混合，并将涡流旋涡施加到混合物上。涡流定子组件28包括内罩36、外罩38、以及多个定子叶片40。内罩36和外罩38沿燃烧器24的一部分轴向地延伸，以形成燃料和经压缩的工作流体的环形通道。内罩36、外罩38及/或定子叶片40可包括波形壁(contoured wall)或湍流器42(例如浅凹、脊状突起或凸出物)，以扰乱经压缩的工作气体的层流并改良混合。
图3提供根据本发明一个实施例的定子叶片40的立体图。定子叶片40具有机翼形状44并向经压缩的工作流体的流动方向倾斜，使得当经压缩的工作流体流经定子叶片40时，定子叶片40促使经压缩的工作流体围绕内罩36旋转或转动。例如，当工作流体在图3中从左向右经过时，从图3的底部右侧看，定子叶片40促使经压缩的工作流体顺时针方向转动。
如图3所示，定子叶片40具有邻近内罩36的内端46及邻近外罩(显示于图2中，为清楚起见在图3中已省略)的外端48。每一定子叶片40的内端46连接至内罩36。每一定子叶片40的外端48包括涡梢50，涡梢50在每一定子叶片40的外端48与外罩38之间形成间隙。涡梢50与外罩38之间的间隙应足够大以使经压缩的工作流体在涡梢50与外罩38之间通过，但不应大到会不适当地减小由倾斜的定子叶片40施加的旋转。适当的间隙可为内端46与外端48之间的距离的5％-20％。定子叶片40可具有统一的尺寸，以产生一致的间隙。作为另外一种选择，这些定子叶片40可在其长度或宽度上变化，使得涡梢具有轻微不同的半径和不一致的间隙尺寸。
图3所示的实施例还包括位于涡梢50处的燃料端口52，以将燃料引入经压缩的工作流体中。在定子叶片40的机翼44的任一侧或两侧上可包括附加的燃料端口52，以在波动或大功率运转期间引入附加的燃料。尽管图3所示的燃料端口52是圆形的，但是燃料端口可具有适于所使用的特定燃料的任何几何形状。例如，燃料端口52可以是三角形的、矩形的或弯曲的。另外，燃料端口52可以是定向的，以将燃料以期望的角度注入经压缩的工作流体的流中。
倾斜的定子叶片40、机翼表面44、涡梢50及燃料端口52相结合地形成燃料和经压缩的工作流体的混合物的涡流旋转。也就是说，当燃料被注入经压缩的工作流体的流中时，倾斜的定子叶片40和机翼44在燃料和经压缩的工作流体上施加旋转力。同时，涡梢50在流的外边缘形成额外的涡流或旋涡。结果，燃料和经压缩的工作流体的混合得以改良，使得用于燃烧的混合物更加均匀。另外，经压缩的工作流体通常以大约500英尺每秒的相对高的速度流经定子叶片40。当经压缩的工作流体流经定子叶片40时向经压缩的工作流体的流中注入燃料降低被称为火焰稳定(flameholding)的风险-在火焰稳定中，燃料在燃料端口52的附近过早地点火而不是在燃烧室22中点火。
图4提供根据本发明替代实施例的涡流定子组件54的平面图。涡流定子组件54也包括内罩56、外罩58、以及多个定子叶片60。内罩56和外罩58沿燃烧器的一部分轴向地延伸，以形成燃料和经压缩的工作流体的环形通道。内罩56、外罩58、及/或定子叶片60可包括波形壁或湍流器62(例如浅凹、脊状突起或凸出物)，以扰乱经压缩的工作气体的层流并改良混合。另外，内罩56、外罩58、及/或定子叶片60可包括燃料端口64，以将燃料引入旋转的经压缩的工作流体中。这些燃料端口64可在波动或大功率运转期间引入附加的燃料。作为另外一种选择，内罩56及/或外罩58中的燃料端口64可使得不再需要定子叶片60中的燃料端口64，从而允许定子叶片60为实心的。实心的定子叶片更易于制造并大幅节省建造期间的成本。
定子叶片60也向经压缩的工作流体的流的方向倾斜，使得当经压缩的工作流体流经定子叶片60时，定子叶片使得经压缩的工作流体围绕内罩56旋转或转动。例如，当工作流体如图4所示向下通过涡流定子组件54时，从图4的上面看，定子叶片60使得经压缩的工作流体逆时针方向转动。
如图4所示，定子叶片60也具有邻近内罩56的内端66及邻近外罩58的外端68。每一定子叶片60包括以交替顺序位于内端66或外端68处的涡梢70，且定子叶片60的相对端连接至邻近罩56、58。因此，涡梢70在内端66与内罩56或外端68与外罩58之间交替地形成间隙72。涡梢70引起燃料和经压缩的工作流体的涡流，涡流交替地邻近内罩56和外罩58。定子叶片60可具有统一的尺寸，以产生一致的间隙。作为另外一种选择，这些定子叶片60可在其长度或宽度上变化，使得涡梢具有轻微不同的半径和不一致的间隙尺寸。
图4所示的涡流定子组件54可进一步包括支柱74，支柱74在内罩56与外罩58之间径向地延伸并连接至内罩56与外罩58。支柱74在内罩56与外罩58之间提供额外的结构支撑，并可具有机翼形状且如同定子叶片60一样是倾斜的。另外，支柱74可以是中空的并包括燃料端口，以将燃料引入旋转的经压缩的工作流体中。
图5提供由图4所示的涡流定子组件54形成的旋转的涡流的立体表示，为清楚起见，外罩58已移除。如图所示，涡梢70包括燃料端口64。燃料和经压缩的工作流体流经在涡梢70与相应内罩56或外罩58之间所形成的间隙，以形成燃料和经压缩的工作流体的混合物的涡流旋转。此涡流旋转附加在由倾斜的定子叶片60形成的燃料和经压缩的工作流体的涡流上。
所属领域的一般技术人员可理解，在本发明的范围内，可将所例示的各实施例的变化形式相组合而形成其它实施例。例如，涡梢的位置和数目可有所不同，且在涡梢与内罩或外罩之间所形成的间隙的尺寸可随燃烧器的特定设计需求而有所不同。另外，对于每一实施例，燃料端口和湍流器在内罩、外罩及/或定子叶片上的存在和位置可有所不同。
所属领域的技术人员应理解，在不背离所附权利要求及其等效内容中所述的本发明的范围和精神的条件下，可对本文所述的本发明实施例作出修改和改变。

Claims (10)

1.一种用于燃气轮机(10)的燃烧器(24)，包括：
a.内罩(36)，沿所述燃烧器(24)的至少一部分轴向地延伸；
b.外罩(38)，与所述内罩(36)径向地分离并沿所述燃烧器(24)的至少一部分轴向地延伸；
c.多个定子叶片(40)，在所述内罩(36)与所述外罩(38)之间径向地延伸，所述多个定子叶片(40)具有邻近所述内罩(36)的内端(46)和邻近所述外罩(38)的外端(48)；以及
d.涡梢(50)，位于所述多个定子叶片(40)的所述内端(46)处，其中，所述涡梢(50)在所述内端(46)与所述内罩(36)之间包括间隙，所述涡梢形成额外的涡流或旋涡。
2.如权利要求1所述的燃烧器(24)，其特征在于，所述多个定子叶片(40)连接到所述外罩(38)。
3.如权利要求1或2中的任一项所述的燃烧器(24)，其特征在于，所述多个定子叶片(40)中的至少一些具有不同的长度。
4.如权利要求1至2中的任一项所述的燃烧器(24)，其特征在于，在所述内罩(36)、所述外罩(38)或所述多个定子叶片(40)中的至少一者中进一步包括燃料端口(52)。
5.一种燃气轮机(10)，包括：
a.压缩机(12)；
b.至少一个燃烧室(14)，位于所述压缩机(12)的下游，其中，所述至少一个燃烧室(14)包括燃烧器(24)，所述燃烧器(24)包括：
i.内罩(36)，沿所述燃烧器(24)的至少一部分轴向地延伸；
ii.外罩(38)，与所述内罩(36)径向地分离并沿所述燃烧器(24)的至少一部分轴向地延伸；
iii.多个定子叶片(40)，在所述内罩(36)与所述外罩(38)之间径向地延伸，所述多个定子叶片(40)具有邻近所述内罩(36)的内端(46)和邻近所述外罩(38)的外端(48)；以及
iv.涡梢(50)，位于所述多个定子叶片(40)的所述内端(46)处，其中，所述涡梢(50)在所述内端(46)与所述内罩(36)之间包括间隙，所述涡梢形成额外的涡流或旋涡；以及
c.涡轮机(16)，位于所述至少一个燃烧室(14)的下游。
6.如权利要求5所述的燃气轮机(10)，其特征在于，所述多个定子叶片(40)连接到所述外罩(38)。
7.如权利要求5或6中的任一项所述的燃气轮机(10)，其特征在于，所述多个定子叶片(40)中的至少一些具有不同的长度。
8.如权利要求5至6中的任一项所述的燃气轮机(10)，其特征在于，在所述内罩(36)、所述外罩(38)或所述多个定子叶片(40)中的至少一者中进一步包括燃料端口(52)。
9.如权利要求5至6中的任一项所述的燃气轮机(10)，其特征在于还包括多个支柱(74)，所述多个支柱(74)在所述内罩(36)与所述外罩(38)之间径向地延伸并连接到所述内罩(36)和所述外罩(38)上。
10.一种燃气轮机(10)，包括：
a.压缩机(12)；
b.至少一个燃烧室(14)，位于所述压缩机(12)的下游，其中，所述至少一个燃烧室(14)包括燃烧器(24)，所述燃烧器(24)包括：
i.内罩(36)，沿所述燃烧器(24)的至少一部分轴向地延伸；
ii.外罩(38)，与所述内罩(36)径向地分离并沿所述燃烧器(24)的至少一部分轴向地延伸；
iii.多个定子叶片(40)，在所述内罩(36)与所述外罩(38)之间径向地延伸，所述多个定子叶片(40)具有邻近所述内罩(36)的内端(46)和邻近所述外罩(38)的外端(48)；以及
iv.涡梢(50)，位于所述多个定子叶片(40)的所述内端(46)处，其中，所述涡梢(50)在所述内端(46)与所述内罩(36)之间包括间隙，并且所述涡梢(50)包括多个燃料端口(52)，所述涡梢形成额外的涡流或旋涡；以及
c.涡轮机(16)，位于所述至少一个燃烧室(14)的下游。
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