CN102135034A - 用于燃气轮机的放出式扩散器供送型次级燃烧系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于燃气轮机的放出式扩散器供送型次级燃烧系统。具体而言，本主题提供了一种用于改变燃气轮机内的静压力恢复和排放物形成的系统。该系统包括定位在燃气轮机的压缩机区段(14)下游的放出式扩散器(52)，以及从放出式扩散器(52)延伸的放出导管(54)。放出导管(54)可构造成用以将放出自放出式扩散器(52)的空气引导至次级燃烧系统(58)。流入次级燃烧系统(58)中的空气可与燃料混合以形成空气/燃料混合物。
Description
技术领域
本主题主要涉及燃气轮机，并且具体地涉及改善燃气轮机的效率。更具体而言，本主题涉及用于将来自放出式扩散器的排出空气(或放出空气)供送到燃烧器中的次级燃烧系统以改善燃气轮机总效率的系统及方法。
背景技术
为了改善燃烧器内燃料和空气的燃烧效率，燃气轮机通常包括设计成用以降低离开燃气轮机压缩机区段的加压空气流的速度并增大其静压力的扩散器。扩散器通常可包括至少一个发散的扩散器壁，该扩散器壁容许加压空气流在扩散器的长度上传播或扩散。然而，当加压空气流流经扩散器时，沿扩散器壁的摩擦产生了边界层，在其中，空气流的速度明显低于主空气流的速度。因此，边界层的形成可导致空气流进入燃气轮机的燃烧器区段呈现出非均匀的速度分布曲线(或速度轮廓)。这会不利地影响燃烧器内的燃烧，且降低了燃气轮机的总效率。而且，当边界层与扩散器壁分离时可产生显著的流动损失，这会出现在扩散器壁的发散角过于宽广时。因此，扩散器通常必须相对较长，以在不导致边界层分离的情况下获得所需的静压力恢复。
为了克服这些问题，公知的是，放出式扩散器从主空气流中放出邻近扩散器壁流动的空气。具体而言，放出式扩散器可用于通过远离主空气流放出所有或部分边界层来减小边界层的尺寸。这可减小因边界层分离而产生流动损失的可能性，且还产生了较短的扩散器，该扩散器可适应宽广的发散角，以容许在压缩机区段的下游显著增大静压力恢复。然而，放出式扩散器改善的性能因此通常由于从主空气流放出加压空气而造成燃气轮机总效率和性能的降低而抵消。具体而言，离开压缩机区段的空气的放出部分减小了可用于冷却涡轮构件或增大涡轮入口压力的压缩空气量。
因此，对于本技术将希望有一种燃气轮机内的系统，其提供放出式扩散器的益处且不会因从主空气流放出加压空气而造成效率和性能的损失。
发明内容
本主题的方面和优点将在以下说明中部分地阐述，或可根据该说明而清楚，或可通过实施本主题而理解到。
一方面，本主题提供了一种用于改变燃气轮机内的静压力恢复和排放物形成的系统。该系统包括定位在燃气轮机压缩机区段下游的放出式扩散器，以及从放出式扩散器延伸的放出导管。放出导管可构造成用以将放出空气从离开压缩机区段的加压空气流引导至定位在燃烧器中主燃烧系统下游的次级燃烧系统。流入次级燃烧系统中的放出空气可与燃料相混合以形成空气/燃料混合物。
另一方面，本主题提供了一种燃气轮机，其包括构造成用以加压空气流的压缩机区段，以及设置在压缩机区段下游的燃烧器区段。燃烧器区段包括构造成用以混合和燃烧空气/燃料混合物的至少一个燃烧器。涡轮区段设置在燃烧器区段的下游，且构造成用以接收从燃烧器区段流出的热燃烧产物。该燃气轮机还包括上文所述且在文中更为详细阐述和示出的系统。
参照以下说明和所附权利要求，本主题的这些及其它特征、方面和优点将会得到更好的理解。并入本说明书中且构成其一部分的附图示出了本主题的实施例，且结合说明一起用于阐述本主题的原理。
附图说明
在参照附图的说明书中，针对本领域的普通技术人员阐明了本主题包括其最佳模式的完整和能够实现的公开内容，在附图中：
图1示出了燃气轮机一部分的截面视图；
图2示出了根据本主题方面的用于在燃气轮机内增大静压力恢复和减少排放的系统的一个实施例的截面视图；
图3示出了根据本主题的方面的放出式扩散器的实施例的放大视图。
图4示出了图2的截面视图，具体示出了根据本主题的方面的放出导管、支架以及次级燃烧系统的实施例；
图5示出了图4的一部分的放大视图，具体示出了根据本主题的方面的次级燃烧系统的燃料喷射器的一个实施例；
图6示出了根据本主题的方面的用于在燃气轮机内增大静压力恢复和减少排放的系统的另一实施例的截面视图；
图7示出了图6的截面视图，具体示出了根据本主题的方面的放出导管、支架(bracket)以及次级燃烧系统的实施例。
零件清单
10燃气轮机
14压缩机区段
16燃烧器区段
18涡轮区段
20导叶和叶片
22扩散器
24压缩机排放壳体
26扩散器壁
28环形仓室(plenum)
30燃烧器
32主燃烧系统
33过渡件壁
34过渡件
36第一级喷嘴
38燃烧壳体
40端盖
42预混燃料喷嘴组件
44流动套筒
46燃烧器衬套
48冲击套筒
50反应区
52放出式扩散器
54放出导管
56放出空气
58次级燃烧系统
59通道
60涡流腔室
62后扩散器
64涡流围栏(fence)
66预扩散器
70支架
72，74流动通路
76燃料喷射器
80燃料源
82联焰管(cross-over tube)
84空气歧管
具体实施方式
现将详细地参照本主题的实施例，其中的一个或多个实例在附图中示出。各实例通过解释而非限制本主题的方式提供。实际上，本领域的技术人员很清楚，在不脱离本主题的范围或精神的情况下，可在本主题中作出各种修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可结合另一个实施例来使用，以产生又一个实施例。因此，期望的是，本主题涵盖归入所附权利要求及其等同方案的范围内的这些修改和变型。
参看图1，示出了燃气轮机10的一部分的简图。燃气轮机10包括构造成用以对流入轮机10中的空气加压的压缩机区段14。从压缩机区段14排出的加压空气流入燃烧器区段16中，在其中，空气与燃料相混合且燃烧。热燃烧气体从燃烧器区段16流动至涡轮区段18，以驱动燃气轮机10和产生功率(或动力)。
压缩机区段14通常由用于压缩流入燃气轮机10中的空气的一系列导叶和叶片20所代表。离开压缩机区段14的加压空气流可在进入燃烧器区段16中之前流过由压缩机排放壳体24所限定的扩散器22。扩散器22通常可包括至少一个发散的扩散器壁26，该壁26形成用于空气流的截面渐增的流动通路。随着流动通路的截面面积的增大，空气流传播，从而减小空气流的速度且增大其静压力。离开扩散器22的扩散空气流然后经由环形仓室28流至燃烧器区段16，该燃烧器区段16其特征通常为围绕关于发动机轴线的环形阵列设置的多个燃烧器30(图1中仅示出其中的一个)。
仍参看图1，燃气轮机10中的各燃烧器30均可包括用于混合和燃烧空气/燃料混合物的主燃烧系统32，以及用于使热燃烧气体流动至涡轮区段18第一级喷嘴36的过渡件34。主燃烧系统32可包括燃烧壳体38、端盖40、多个预混燃烧喷嘴组件42、流动套筒44以及设置在流动套筒44内的燃烧衬套46。在操作期间，离开扩散器22的扩散空气流过环形仓室28，且经由流动套筒44和过渡件34的冲击套筒48进入各燃烧器30中，在其中，该空气流形成旋流且与喷射到各燃料喷嘴组件42中的燃料相混合。离开各燃料喷嘴组件42的空气/燃料混合物流入由燃烧器衬套46限定的反应区50中，在其中燃烧该空气/燃料混合物。热燃烧气体然后经由过渡件34流至涡轮区段18，以便驱动轮机10和发电。然而，应当认识到的是，主燃烧系统32不必如上文所述和本文所示那样地构造，且通常可具有容许可燃混合物混合和燃烧的任何构造。此外，应当认识到的是，主燃烧系统32可包括本文未描述或示出的其它构件。
根据本主题的一个方面，图2示出了用于改变燃气轮机10效率的系统的一个实施例，例如，通过增大静压力恢复和通过减少空气污染排放物的形成。该系统包括定位在压缩机区段14下游的放出式扩散器52，以及从放出式扩散器52延伸的放出导管54。放出导管54可构造成用以将来自于流出压缩机区段14的加压空气流中的放出空气56(图3、图4、图5和图7)引导至定位在主燃烧系统32(图1)下游的次级燃烧系统58。流入次级燃烧系统58中的放出空气56可与燃料相混合以形成空气/燃料混合物，且在燃烧器30的反应区50内燃烧。
本主题的放出式扩散器52通常可构造成用以使从压缩机区段14流出的加压空气流扩散。具体而言，放出式扩散器52可构造成用以减小空气流的速度，且从而增大流过环形仓室28的空气流的静压力。在一个实施例中，放出式扩散器52包括涡流控制式扩散器(VCD)，其由压缩机排放壳体24所限定。然而，应当认识到的是，放出式扩散器52不必为VCD，而是通常可包括本领域中普通技术人员所公知的任何类型的放出式扩散器。此外，应当认识到的是，结合本主题使用的VCD不必如下文所述和本文所示那样构造，而是通常可具有任何构造或布置。
已经发现，VCD可用于燃气轮机10以在相对较短长度内产生显著较高的静压力恢复。这种增大的压力恢复提供了在流过环形仓室28的空气与在燃烧器30内流动的热燃烧气体之间的增大的压力差。随着该压力差的增大，燃气轮机10的效率和性能可显著地改善。具体而言，增大的压力差可最大限度地减小使用一部分空气流来冷却涡轮构件以及还增大涡轮入口压力的影响。此外，使用VCD可通过减小转子长度来降低与制造燃气轮机10相关的成本。
参看图3，示出了放出式扩散器52的一个实施例的放大视图。如图所示，放出式扩散器52包括混合型VCD，该混合型VCD包括涡流腔室60和广角式后扩散器62，两者都由压缩机排放壳体24所限定。涡流腔室60可包括涡流围栏64，该涡流围栏64限定涡流腔室60的一个壁。然而，应当认识到的是，VCD可包括一个以上的涡流腔室60。例如，第二涡流腔室(未示出)可形成在压缩机排放壳体24中，与涡流腔室60的位置相对，或位于涡流腔室60的上游。此外，放出式扩散器52还可包括预扩散器66，以便增大涡流腔室60上游的空气流的静压力。
在所示实施例的操作期间，形成为流过预扩散器66的加压空气流的边界层可通过涡流腔室60中的涡流围栏64的布置从主空气流中吸取。这在涡流腔室60内产生流动涡流，且在腔室60的下游形成湍流剪切层，以抑制在广角式后扩散器62中的边界层分离。从主空气流中吸取的该部分空气流然后可作为放出空气56从涡流腔室60放出，以冷却燃气轮机10的各种构件，或在次级燃烧系统58中使用，这将在下文更为详细地描述。
参看图2和图4，放出导管54从放出式扩散器52延伸至次级燃烧系统58，且可构造成用以将放出空气56引导至次级燃烧系统58。因此，在所示的实施例中，吸入涡流腔室60中的空气可从主空气流经由放出导管54放出。如图所示，放出导管54的下部可由形成于压缩机排放壳体24中的通道59限定，而放出导管54的上部可由安装到压缩机排放壳体24上的支架(或托座)70所限定。应当认识到的是，支架70可通过任何适合的方式安装到压缩机排放壳体24上。此外，在压缩机排放壳体24与支架70之间可包括密封件(未示出)，以便充分地密封放出空气56经由放出导管54的流动。支架70还可构造成用以安装到过渡件34上且支承该过渡件34。例如，如图4中所示，支架70可安装到过渡件34的冲击套筒48上。本领域的普通技术人员应当认识到的是，支架70通常可通过适合的任何方式固定到过渡件34上。还应当认识到的是，用于将支架70固定到过渡件34上的任何安装或固定装置可构造成用以适应过渡件34的热膨胀。此外，密封件(未示出)还可包括在支架70与过渡件34的对接面处，以便密封放出空气56的流动。
在所示的实施例中，支架70还可为中空的，以便形成用于流过放出导管54的放出空气56的至少一个流动通路。如图4中所示，支架70可为y形且包括第一流动通路72和第二流动通路74，该支架限定放出导管54的上部。此外，应当认识到的是，放出导管54还可包括阀(未示出)，或通常用于关闭经由放出导管54供送放出空气56至次级燃烧系统58的任何其它装置。
如上文所述，放出导管54可构造成用以将放出空气56引导至定位于燃烧器30中主燃烧系统32(图1)下游的次级燃烧系统58。例如，次级燃烧系统58通常可包括构造成用以接收和排放来自于燃料源80(图4、图5和图7)的燃料的至少一个燃料喷射器76。此外，应当认识到的是，次级燃烧系统58还可包括其它构件，且通常可具有任何布置或构造。例如，次级燃烧系统58可包括新近的贫燃喷射组件或贫燃直接喷射组件。作为优选，次级燃烧系统58可构造成使得燃料或空气/燃料混合物可引入燃烧器30的反应区50中，且由从主燃烧系统32(图1)流出的热燃烧气体点燃。因此，次级燃烧系统58可容许燃烧器30内的较高点火温度，同时将有害排放物(如NOx)的形成率保持在最低。这可通过排放来自于次级燃烧系统58的贫燃空气/燃料混合物来实现，以确保燃烧反应温度保持在化学计算性火焰温度以下。此外，过渡件34内的较少停留时间可保持热NOx形成率很低。
图2、图4和图5中示出了次级燃烧系统58的一个实施例。参看图4，次级燃烧系统58可包括一对燃料喷射器76。例如，第一燃料喷射器76可设置在支架70的第一流动通路72中，而第二燃料喷射器76可设置在支架70的第二流动通路74中，其中，流动通路72，74的组合限定放出导管54的一部分。此外，燃料喷射器76可与燃料源80连通，使得喷射器76可接收和排放来自于燃料源80的燃料。如图5中具体示出的那样，燃料喷射器76可作为单独的构件安装在支架70内。然而，应当认识到的是，燃料喷射器76可形成为支架70的整体部分。还应当认识到的是，所示的燃料喷射器76出于示范的目的已进行了简化。因此，燃料喷射器76可在本主题的系统中使用，该系统包括附加的构件且具有变化的构造。例如，燃料喷射器76可包括旋流器导叶，以便将旋转给予流过喷射器76的放出空气56。
根据本主题的一个实施例的燃气轮机10的操作期间，次级燃烧系统58供送有流经放出导管54的放出空气56。应当认识到的是，经由放出导管54供送的放出空气56与流经燃烧器30的燃烧产物之间的压力差驱动放出空气56穿过次级燃烧系统且进入燃烧器30的反应区50中。当放出空气56流过燃料喷射器76时，其与通过喷射器76排放的燃料相混合。空气/燃料混合物然后流经联焰管82，各联焰管82分别限定用于空气/燃料混合物穿过冲击套筒48和过渡件壁33的管道，且由从主燃烧系统32流出的燃烧产物在反应区50中点燃。
图6和图7中描绘了次级燃烧系统58的备选实施例。次级燃烧系统58包括设置在支架70与过渡件34的冲击套筒48之间的空气歧管84。空气歧管84可构造成用以接收从放出导管54流出的放出空气56。具体而言，空气歧管84可构造成用以接收从支架70的第一流动通路72和第二流动通路74(两者限定放出导管54的一部分)流出的放出空气56。
此外，次级燃料系统58可包括在空气歧管84内间隔开的多个燃料喷射器76。如图7中所示，次级燃烧系统58包括安装在环形空气歧管84内的五个间隔开的燃料喷射器76，其中，各燃料喷射器76均构造成用以接收和排放来自于燃料源80的燃料。然而，应当认识到的是，任何数目的燃料喷射器76都可设置在空气歧管84内。还应当认识到的是，燃料喷射器76可形成为空气歧管84的整体部分，或可作为单独构件安装在空气歧管84内。此外，应当认识到的是，空气歧管84不必为环形，而是通常可具有任何适合的形状。例如，空气歧管84可为半圆形。
图6和图7中示出的次级燃烧系统58的操作类似于上述实施例。具体而言，流经放出导管54的放出空气56进入空气歧管84，在该处，放出空气56与从各燃料喷射器76排放的燃料相混合。空气/燃料混合物然后流过联焰管82，且由从主燃烧系统32(图1)流出的燃烧产物在反应区50中点燃。
还应当认识到的是，本主题还提供了一种静压力恢复增加且排放物减少的燃气轮机。该燃气轮机10可包括构造成用以使进入燃气轮机10的空气流加压的压缩机区段14以及设置在压缩机区段14下游的燃烧器区段16。燃烧器区段16可包括构造成用以接收从压缩机区段14排放的加压空气流的至少一个燃烧器30。此外，燃烧器30可包括构造成用以混合和燃烧空气/燃料混合物的主燃烧系统32。涡轮区段18可设置在燃烧器区段16的下游，且可构造成用以接收从燃烧器区段16流出的热燃烧产物。燃气轮机还可包括如本文所述和所示的本主题的系统。
本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本主题，且还使本领域的技术人员能够实施本主题，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何所结合的方法。本主题可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域的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的书面语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的书面语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例处在权利要求的范围之内。
Claims (10)
1.一种用于改变燃气轮机(10)内的静压力恢复和排放物形成的系统，所述系统包括：
定位在燃气轮机(10)的压缩机区段(14)下游的放出式扩散器(52)，所述放出式扩散器(52)构造成用以扩散从所述压缩机区段(14)流出的加压空气流；
定位在燃烧器(30)中的主燃烧系统(32)下游的次级燃烧系统(58)，所述次级燃烧系统(58)包括构造成用以接收和排放来自于燃料源(80)的燃料的至少一个燃料喷射器(76)；
从所述放出式扩散器(52)延伸至所述次级燃烧系统(58)的放出导管(54)，所述放出导管(54)构造成用以将来自所述加压空气流的放出空气(56)引导至所述次级燃烧系统(58)；以及
其中，流入所述次级燃烧系统(58)中的所述放出空气(56)与从所述至少一个燃料喷射器(76)排放的燃料相混合，以形成空气/燃料混合物。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述放出式扩散器(52)由所述燃气轮机(10)的压缩机排放壳体(24)所限定。
3.根据任何一项前述权利要求所述的系统，其特征在于，所述放出式扩散器(52)包括涡流控制式扩散器，所述涡流控制式扩散器包括构造成用以从所述加压空气流中吸取所述放出空气(56)的至少一个涡流腔室(60)。
4.根据任何一项前述权利要求所述的系统，其特征在于，所述放出导管(54)由形成在所述燃气轮机(10)的压缩机排放壳体(24)中的通道(59)部分地限定。
5.根据任何一项前述权利要求所述的系统，其特征在于，所述系统包括支架(70)，所述支架(70)构造成用以支承所述燃烧器(30)的过渡件(34)，其中，所述放出导管(54)由通过所述支架(70)形成的至少一个流动通路(72，74)部分地限定。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述至少一个燃料喷射器(76)设置在所述支架(70)的所述至少一个流动通路(72，74)内。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统包括形成在所述支架(70)内的第一流动通路(72)和第二流动通路(74)，其中，所述次级燃烧系统(58)包括第一燃料喷射器(76)和第二燃料喷射器(76)，所述第一燃料喷射器(76)设置在所述第一流动通路(72)内，所述第二燃料喷射器(76)设置在所述第二流动通路(74)内。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述次级燃烧系统(58)包括设置在所述支架(70)与所述过渡件(34)之间的空气歧管(84)，其中，所述空气歧管(84)构造成用以接收来自于所述放出导管(54)的所述放出空气(56)。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述次级燃烧系统(58)包括多个燃料喷射器(76)，所述多个燃料喷射器(76)设置在所述空气歧管(84)内。
10.一种具有改变的静压力恢复和排放物形成的燃气轮机(10)，所述燃气轮机(10)包括：
构造成用以使进入燃气轮机(10)的空气流加压的压缩机区段(14)；
燃烧器区段(16)，其包括构造成用以接收从所述压缩机区段(14)流出的所述空气流的至少一个燃烧器(30)，所述至少一个燃烧器(30)包括用于混合和燃烧空气/燃料混合物的主燃烧系统(32)；
设置在所述燃烧器区段(16)下游的涡轮区段(18)，所述涡轮区段(18)构造成用以接收来自于所述燃烧器区段(16)的热燃烧产物；以及
用于改变燃气轮机(10)内的静压力恢复和排放物形成的系统，所述系统为根据权利要求1至权利要求9中任何一项所述的系统。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20141224 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |