CN102200290A - 用于低排放燃烧系统的多区引燃 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于低排放燃烧系统的多区引燃。一种运行燃烧器的方法包括：通过多个第一燃料喷嘴向第一燃烧区输送第一燃料流，并且在第一燃烧区中燃烧该第一燃料流。第二燃料流通过第二燃料喷嘴向第二燃烧区输送，并且在其中燃烧。第二燃料定位成使得该多个第一燃料喷嘴排列在第二燃料喷嘴周围。外部旋流器位于该多个第一燃料喷嘴和第二燃料喷嘴之间，并且包括延伸通过其中的多个外部旋流器通道。旋流器燃料流通过多个外部旋流器通道输送到燃烧器中、基本在第一燃烧区和第二燃烧区之间，以使第一燃烧区和/或第二燃烧区中的燃烧稳定。

Description

用于低排放燃烧系统的多区引燃
技术领域
本文公开的主题大体涉及涡轮机。更具体而言，本主题公开涉及通过涡轮机的燃料喷嘴的燃料和空气通路。
背景技术
由于对燃气轮机排放的要求已经变得更严格，所以满足这样的要求的一种方法是从扩散火焰燃烧器变化为利用稀薄燃料和空气混合物的燃烧器，其使用完全预混合的运行模式来减少例如NOx和CO的排放。这些燃烧器在本领域中已知为干式低NOx(DLN)、干式低排放(DLE)或稀薄预混合(LPM)燃烧系统。这些燃烧器典型地包括多个第一喷嘴，该多个第一喷嘴被点火，以用于燃烧器在第一燃烧区中的低负荷和中等负荷运行。在完全预混合运行期间，第一喷嘴供应燃料，以供给第二火焰。第一喷嘴典型地围绕第二喷嘴，第二喷嘴用于燃烧器的中等负荷直至完全预混合模式运行，从而对第二燃烧区进行供给。外部旋流器典型地定位成围绕第二喷嘴、介于第一燃烧区和第二燃烧区之间。该外部旋流器包括多个旋流器通路，空气通过旋流器通路喷射到第二燃烧区中。旋流器空气在第一燃烧区和第二燃烧区之间产生较低的燃料-空气比区，并且会起作用而熄灭第一火焰和第二火焰。此熄灭导致燃烧的不稳定性、较高的排放和较低的调低(turndown)边界。
发明内容
根据本发明的一方面，一种用于涡轮机的燃烧器包括：多个第一燃料喷嘴，其位于燃烧器衬套中；以及第二燃料喷嘴，其位于该燃烧器衬套中，使得该多个第一燃料喷嘴排列在第二燃料喷嘴周围。外部旋流器沿周向定位在第二燃料喷嘴周围、第二燃料喷嘴和该多个第一燃料喷嘴之间，并且包括用于将燃料和/或空气输送到燃烧器的内部中的多个外部旋流器通道。
根据本发明的另一方面，一种运行燃烧器的方法包括：通过多个第一燃料喷嘴向第一燃烧区输送第一燃料流，以及在第一燃烧区或第二燃烧区中的一个或多个中燃烧该第一燃料流。第二燃料流通过第二燃料喷嘴而朝向第二燃烧区输送，并且在其中燃烧。第二燃料喷嘴定位成使得该多个第一燃料喷嘴排列在第二燃料喷嘴周围。外部旋流器位于该多个第一燃料喷嘴和第二燃料喷嘴之间，并且包括延伸通过其中的多个外部旋流器通道。旋流器燃料和/或空气流通过多个外部旋流器通道输送到燃烧器中、基本在第一燃烧区和第二燃烧区之间，以使第一燃烧区和/或第二燃烧区中的燃烧稳定。
根据结合附图得到的以下描述，这些和其它优点和特征将变得更加显而易见。
附图说明
在说明书结论部分处的权利要求书中特别指出和明确要求保护了被视为本发明的主题。根据结合附图得到的以下详细描述，本发明的前述和其它特征以及优点是显而易见的，其中：
图1是涡轮机的一个实施例的局部截面图；
图2是涡轮机的燃烧器的一个实施例的截面图；
图3是燃烧器的一个实施例的喷嘴布置的端视图；以及
图4a-4d是燃烧器一个实施例的运行模式的示意图。
参照附图，以实例的方式，详细描述阐明了本发明的各实施例，以及优点和特征。
部件列表
10 燃气轮机
12
14 燃烧器
16 涡轮
18 转子轴
20 过渡件
22 上游端
24 燃烧器衬套
26 下游端
28 后框架
30 第一燃料喷嘴
32 第二燃料喷嘴
34 燃烧区
36 燃烧室
38 燃烧区
40 旋流器
42 旋流器通道
44 旋流器孔
46 下游端
48 文丘里管
50 燃料源
52 空气源
54 旋流器燃料
56 空气
58 燃烧器轴线
具体实施方式
图1中显示了涡轮机，例如，燃气轮机10。燃气轮机10包括多个燃烧器14。燃料被喷射到燃烧器14中，混合且被点燃。燃烧的热气产物流到涡轮16，涡轮16从热气中提取功，以驱动转子轴18。该多个燃烧器14可沿周向布置在转子轴18的周围，而且在一些实施例中，可有10个或14个燃烧器14。过渡件20在上游端22处在燃烧器衬套24处联接到燃烧器14上，并且在下游端26处联接到涡轮16的后框架28上。过渡件20将热气流从燃烧器衬套24传送到涡轮16。
图2中显示了例如燃气轮机10的燃烧器14的截面图。燃烧器14包括排列在第二燃料喷嘴32周围的多个第一燃料喷嘴30。在一些实施例中，该多个第一燃料喷嘴30布置成圆形型式，第二燃料喷嘴32位于圆心处。该多个第一燃料喷嘴30将燃料和空气供应到燃烧室36中的第一燃烧区34，而第二燃料喷嘴32则将燃料和空气供应到燃烧室36中的第二燃烧区38。
参照图4a-4d，针对燃烧器14的不同的运行状况以不同的方式利用第一燃料喷嘴30和第二燃料喷嘴32。如图4a所示，当燃烧器14在点火和低负荷运行期间以第一模式运行时，仅对第一燃料喷嘴30供应燃料及点火，所有的燃烧均发生在第一燃烧区34中。在如图4b所示的用于燃烧器14的低至中等负荷的稀薄模式中，对多个第一燃料喷嘴30供应燃料且对其点火，以便于在第一燃烧区34中运行。还对第二燃料喷嘴32供应燃料且对其点火，以便于在第二燃烧区38中运行。当燃烧器14以过渡模式运行时，如图4c所示，仅对第二燃料喷嘴32供应燃料及点火。在完全预混合模式中，如图4d所示，对第二燃料喷嘴32供应燃料及点火，以便于在第二燃烧区38中燃烧。还通过该多个第一燃料喷嘴30将燃料供应给第二燃烧区38。
围绕第二燃料喷嘴32的是外部旋流器40。再次参照图2，外部旋流器40包括多个旋流器通道42，在一些实施例中，多个旋流器通道42基本沿轴向延伸。如图3所示，各个旋流器通道42在多个旋流器孔44中的旋流器孔44中在例如外部旋流器40的下游端46处终止。再次参照图2，在一些实施例中，多个旋流器孔44位于燃烧器14的文丘里管48的上游。但是，在其它实施例中，该多个旋流器孔44可位于文丘里管48的下游。
多个旋流器通道42连接到燃料源50上，而且在一些实施例中，连接到被动供给的空气源52上。在燃烧器14的运行期间，旋流器燃料流54和空气流56从燃料源50和空气源52流出，并且在其被喷射到燃烧室36中之前在多个旋流器通道42中预混合。在一些实施例中，旋流器燃料流54和空气流56沿直接轴向方向喷射到燃烧室36中，而在其它实施例中，该多个旋流器通道42例如以螺旋的方式构造，使得以不平行于燃烧器轴线58的角度喷射旋流器燃料流54和空气流56。
实际上，通过该多个旋流器孔44喷射到燃烧室36中的旋流器燃料流54和空气流56用作预混合引燃物，以使第一燃烧区34和第二燃烧区38两者中的燃烧稳定。例如，当燃烧器14以稀薄模式运行时，第一燃烧区34和第二燃烧区38两者中存在燃烧火焰。喷射到燃烧室36中、第一燃烧区34和第二燃烧区38之间的旋流器燃料流54和空气流56的存在，提高了第一燃烧区34和第二燃烧区38之间的燃料/空气比的一致性，从而增强了燃烧区34/38两者中的稳定性。
为了提高燃烧器14的柔性，旋流器燃料流54可联结到通往多个第一燃料喷嘴30的第一燃料流上，使得燃料供应到该多个第一燃料喷嘴30的任何时候，燃料也供应到多个旋流器通道42。在一些实施例中，旋流器燃料流54备选地可联结到通向第二燃料喷嘴32的第二燃料流上，使得当燃料供应到第二燃料喷嘴32时，燃料也供应到多个旋流器通道42。备选地，通往多个旋流器通道42的燃料供应可联结到独立于第一燃料流和第二燃料流的引燃线路上。
虽然结合仅有限数量的实施例对本发明进行了详细描述，但是应当容易地理解，本发明不限于这样的公开的实施例。相反，可对本发明作出修改，以结合此前未描述过但与本发明的精神和范围相当的任何数量的变型、更改、替代或等效布置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施例，但是要理解到，本发明的各方面可包括所述实施例中的仅一些。因此，本发明不应视为受前述描述的限制，而是仅由所附权利要求书的范围限制。

Claims (16)

1.一种用于涡轮机的燃烧器，包括：
设置在燃烧器衬套中的多个第一燃料喷嘴；
第二燃料喷嘴，其设置在所述燃烧器衬套中，使得所述多个第一燃料喷嘴排列在所述第二燃料喷嘴周围；以及
外部旋流器，其沿周向设置在所述第二燃料喷嘴周围、所述第二燃料喷嘴和所述多个第一燃料喷嘴之间，所述外部旋流器包括用于将燃料输送到所述燃烧器的内部中的多个外部旋流器通道。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述多个外部旋流器通道构造成以便将燃料输送到所述燃烧器的所述内部、第一燃烧区和第二燃烧区之间。
3.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，预混合的燃料/空气混合物可通过所述多个外部旋流器通道来输送。
4.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，通过所述多个外部旋流器通道的燃料流通过所述多个第一燃料喷嘴联结到第一燃料流上。
5.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，通过所述多个外部旋流器通道的燃料流通过所述第二燃料喷嘴联结到第二燃料流上。
6.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，燃料在所述燃烧器的文丘里管的上游的位置处从所述多个外部旋流器通道进入所述燃烧器的内部。
7.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述多个外部旋流器通道沿基本平行于燃烧器轴线的方向延伸。
8.根据权利要求7所述的燃烧器，其特征在于，燃料沿基本平行于所述燃烧器轴线的方向从所述多个外部旋流器通道输送到所述燃烧器的所述内部中。
9.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述多个外部旋流器通道在所述第二燃料喷嘴周围基本成螺旋形地延伸。
10.根据权利要求9所述的燃烧器，其特征在于，燃料沿实质上不平行于燃烧器轴线的方向从所述多个外部旋流器通道输送到所述燃烧器的所述内部中。
11.一种运行燃烧器的方法，包括：
通过多个第一燃料喷嘴向第一燃烧区输送第一燃料流；
在所述第一燃烧区或第二燃烧区中的一个或多个中燃烧所述第一燃料流；
通过第二燃料喷嘴向第二燃烧区输送第二燃料流，所述第二燃料喷嘴设置成使得所述多个第一燃料喷嘴排列在所述第二燃料喷嘴周围；
在所述第二燃烧区中燃烧所述第二燃料流；
将外部旋流器定位在所述多个第一燃料喷嘴和所述第二燃料喷嘴之间，所述外部旋流器包括从中延伸通过的多个外部旋流器通道；以及
通过所述多个外部旋流器通道将旋流器燃料流输送到所述燃烧器中、基本在所述第一燃烧区和所述第二燃烧区之间，以使所述第一燃烧区和/或所述第二燃烧区中的燃烧稳定。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在所述燃烧器的文丘里管的上游将所述旋流器燃料流输送到所述燃烧器中。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，旋流器燃料流联结到所述第一燃料流上。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，旋流器燃料流联结到所述第二燃料流上。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，将所述旋流器燃料流输送到所述燃烧器中提高了所述第一燃烧区和所述第二燃烧区之间的燃料-空气比的一致性。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，燃料和空气的预混合物通过所述多个外部旋流器通道输送到所述燃烧器中。
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