CN102213423A - 气动火焰稳定器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及气动火焰稳定器。具体而言，一种火焰稳定器(40)与燃气轮机发动机(10)的燃烧器(18)成流体连通。火焰稳定器(40)具有气动形状的本体(42)，该气动形状通过经由火焰稳定器的本体中的多个孔(46)喷射流体(48)而产生流动再循环区域(44)。特别是在没有燃料供给至燃烧器时，该本体的气动形状降低燃烧器(18)中的压力损失。另外，流动再循环区域(44)的大小能通过选择性地调控流体(48)通过孔(46)的流动速度或通过选择性地调控孔(46)的尺寸而予以调节。

Description

气动火焰稳定器
技术领域
本发明主要涉及燃料喷射系统，并且更具体地涉及具有再热燃烧器的燃气轮机系统。
背景技术
燃气轮机系统包括至少一个压缩机、位于该至少一个压缩机下游和第一涡轮上游的第一燃烧室，以及位于第一涡轮下游和第二涡轮上游的第二燃烧室(也可称为“再热燃烧器”)。压缩空气和燃料的混合物在第一燃烧室内点燃以生成工作气体。该工作气体流经过渡区段到达第一涡轮。第一涡轮的截面面积朝向下游侧增大。第一涡轮包括多个固定导叶和旋转叶片。旋转叶片联接到轴上。当工作气体膨胀通过第一涡轮时，工作气体致使叶片旋转，且因此使轴旋转。
第一涡轮的功率输出与第一涡轮内工作气体的温度成比例关系。也即，工作气体的温度越高，则涡轮组件的功率输出越大。为确保工作气体具有能量以传递至第二涡轮内的旋转叶片，当工作气体进入第二涡轮时该气体必须处于高的工作温度。然而，当工作气体从第一涡轮流至第二涡轮时，工作气体的温度降低。因此由第二涡轮产生的功率输出低于最优状态。如果第二涡轮内工作气体的温度升高，则来自第二涡轮的功率输出量也会增加。工作气体在第二燃烧室内进一步燃烧从而升高第二涡轮内工作气体的温度。
在一些常规的燃气轮机发动机内，第二燃烧室(“再热燃烧器”)包括多个喷射流体如气态燃料和空气至第二燃烧室内的火焰保持器或火焰稳定器。常规的火焰稳定器通常成形为阻流体(或非流线形体，bluff body)，目的是获得允许火焰沿轴向循环和对燃料空气混合物持续提供点火的明确的流动分离和流动再循环区域。用于常规的稳定器的另一种通常模式为所谓的“倾卸”区或在流动通道内产生有意的轴向再循环流动的突然膨胀。然而，使用火焰稳定器的再热燃烧器必须在完全点燃状态、部分负载状态下操作，而且还要求能使得气体只是从上游涡轮流出而不会燃烧。
发明内容
发明人已发现，由于常规火焰稳定器的阻流体形状的存在，不点燃状态表示在燃气轮机发动机中大约3％至5％的压力下降。这种压力下降为能从燃气轮机发动机获取的可用功的急剧减少，从而降低了燃气轮机发动机的总效率。
根据本发明，燃气轮机发动机内由于火焰稳定器阻流体形状而引起的不希望的压力损失一方面通过气动火焰稳定器而予以解决，在该火焰稳定器内，通过喷射流体穿过该火焰稳定器内的孔而产生流动再循环区域。此方面允许提高燃气轮机发动机的效率。另外，此方面允许通过控制经由火焰稳定器喷射流体而调节流动再循环区域。流动再循环区域还能通过火焰稳定器内的孔的夹角(included angle)而予以调节。
通过本发明可获得两个主要益处。第一，流动再循环区域的尺寸/强度能通过调节稳定器内流体的流动速度来控制。第二，当燃烧器未被有点燃时，火焰稳定器成为压力损失非常低的装置以保存由燃气轮机发动机所获取的可用功。
附图说明
当参照附图研读如下的详细说明时，本发明的这些和其它的特征、方面和优点将更容易理解，所有附图中相同的标号代表相同的零件，附图中：
图1是一种示范性的燃气轮机发动机的截面示意图；
图2是根据一种示范性实施例的燃气轮机发动机的图解示图，该燃气轮机发动机具有与燃气轮机系统的再热燃烧器成流体连通的火焰稳定器；
图3是根据本发明一种示范性实施例的火焰稳定器的图解示图；
图4是图3中沿线4-4所截取的截面视图。
零件清单
10燃气轮机系统
12第一燃烧室
14压缩机
16第一涡轮
18第二燃烧室
20第二涡轮
22转子轴
24轴承
26轴承
28锚定单元(anchor unit)
29发生器
30锚定单元
31联接器
32基础(foundation)
34壳体
35喷燃器(burner)
36燃料枪(lance)
38主环
40火焰稳定器
42本体
44再循环区域
46孔或槽口
48流体
具体实施方式
如文中所用，“上游”指的是燃气轮机发动机的前端，以及“下游”指的是燃气轮机发动机的后端。如文中所用，“气动”形状是指具有零升力或伴有一定转向(turning)的低升力的形状。如文中所用，“阻流体”形状是指具有零升力或低升力的形状，但具有正因流动越过该阻流体而产生的非常大的分离尾流区。
参看图1，揭示了一种示范性的燃烧器系统，例如，燃气轮机系统10。此处应注意的是，所示的燃气轮机系统10的构造是一种示范性的实施例，而不应解释为限制性的。该构造可根据应用而改变。燃气轮机系统10包括位于压缩机14下游的第一燃烧室12(也可称为“第一燃烧器”)。第一涡轮16位于第一燃烧室12的下游。第二燃烧室18(也可称为“再热燃烧器”)位于第一涡轮16的下游。第二涡轮20位于第二燃烧室18的下游。压缩机14、第一涡轮16和第二涡轮20具有单一的转子轴22。文中应注意的是，单一转子轴的规定不应解释为限制性的。在其它实施例中，第二涡轮20可具有单独的驱动轴。在所示的实施例中，转子轴22由位于压缩机14前端以及处在第二涡轮20下游的两个轴承24、26支承。轴承24、26分别安装在联接至基础32的锚定单元28、30上。转子轴22通过联接器31联接至发生器29。
压缩机级可细分为两个部分压缩机(未示出)，以便例如根据操作安排(layout)来增加比功率(或单位功率，specific power)。压缩后所引发的空气流至布置为封闭压缩机14的出口和第一涡轮16的壳体34内。第一燃烧室12容纳在壳体34内。第一燃烧室12具有在前端分布在周边上且构造为用以保持产生热气体的多个喷燃器35。燃料枪36通过主环38联接在一起，用于提供燃料供应至第一燃烧室12。来自第一燃烧室12的热气体(第一燃烧气体)作用于紧接在下游的第一涡轮16上，引起热气体的热膨胀。来自第一涡轮16的部分膨胀的热气体直接流动至第二燃烧室18内。
第二燃烧室18可具有不同的几何形状。在所示的实施例中，第二燃烧室18是第一涡轮16和第二涡轮20之间的气动通道，其具有允许再热燃烧所需的长度和容积。在示范性的实施例中，火焰稳定器40沿径向设置在第二燃烧室18内。火焰稳定器40构造为用以在再热操作期间喷射附加的流体如燃料、空气或二者的组合以便在第二燃烧室18内燃烧。
火焰稳定器40包括具有大致圆柱状的长形本体42。虽然已示出和描述为大致圆柱状，但在不脱离本发明的精神或范围的情况下，将应认识到其它形状(如大致圆锥形)也可用于限定本体42。本体42具有足以延伸到第二燃烧室18中的长度。本体42由能变热和保持由热通量所产生的高温的任意适用材料构成。这种材料包括但不限于钨和钨合金，以及较低级别的合金，如HastX等。
第二燃烧室18产生的热气体(第二燃烧气体)随后进给至第二涡轮20。来自第二燃烧室18的热气体作用于紧接在下游的第二涡轮20上，引起热气体的热膨胀。文中应注意的是，即使火焰稳定器40是参照再热燃烧器进行说明的，但示范性的火焰稳定器40能应用于任何燃烧器。
参照图2至图4，揭示了本发明的气动火焰稳定器40。如先前阐述的那样，火焰稳定器40沿径向设置在第二燃烧室(再热燃烧器)内且构造为用以喷射流体如燃料、空气或二者的组合至第二燃烧室18内。与常规火焰稳定器中那样的阻流体形状不同，火焰稳定器40的本体42具有气动形状。通过经由形成在部件42内并置地成角的喷射孔或槽口46喷射流体48如燃料、空气或二者的组合而形成后流动再循环区域44，如图2至图4中箭头所示。流动再循环区域44的尺寸或大小可由两种不同的方式进行调节。一种选择性地调节流动再循环区域44的大小的方法是选择性地调节孔或槽口46的尺寸。孔或槽口46的尺寸越小，则流动再循环区域44的尺寸也越小，反之亦然。另一种选择性地调节流动再循环区域44的大小的方法是选择性地调节流体通过孔或槽口46的流动速度。流动速度越小，则流动再循环区域44的尺寸越小，反之亦然。
如上所述，燃气轮机发动机内由于火焰稳定器的阻流体形状而引起的不希望的压力损失一方面通过气动火焰稳定器而予以解决，在该火焰稳定器中，流体经由该火焰稳定器中的孔喷射而产生流动再循环区域。此方面允许提高燃气轮机发动机的效率。另外，此方面允许通过控制经由火焰稳定器喷射流体而对流动再循环区域予以调节。流动再循环区域还能通过火焰稳定器中孔的夹角来调节。
通过本发明可获得两个主要益处。第一，流动再循环区域的尺寸/强度能通过调节稳定器中流体流动速度来控制。第二，当燃烧器未被点燃时，火焰稳定器成为压力损失非常低的装置以保存由燃气轮机发动机所获取的可用功，且因此，没有流体喷射并最大限度地减小了尾流区。
尽管文中仅解释和描述了本发明的一些特征，但本领域技术人员将会想到许多修改和变化。因此，将应理解的是，所附权利要求意图覆盖所有这些落入本发明的精神实质内的修改和变化。

Claims (10)

1.一种燃气轮机发动机(10)，包括：
燃烧器(12)；
位于所述燃烧器(12)下游的再热燃烧器(18)；
具有本体(42)的与所述再热燃烧器(18)成流体连通的火焰稳定器(40)，其中，所述火焰稳定器(40)通过经由所述火焰稳定器(40)的本体(42)中的多个孔(46)喷射流体(48)而产生流动再循环区域(44)。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机发动机，其特征在于，所述火焰稳定器(40)的本体(42)具有气动形状，当没有燃料供给至所述再热燃烧器(18)时，所述气动形状最大限度地减小所述燃气轮机发动机中的压力损失。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机发动机，其特征在于，所述流动再循环区域(44)的大小通过相对于所述火焰稳定器(40)的纵向轴线以一定角度形成所述多个孔(46)而予以控制。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机发动机，其特征在于，所述流动再循环区域(44)的大小通过调节所述流体(48)通过所述多个孔(46)的流动速度而予以控制。
5.一种用于具有燃烧器(18)的燃气轮机发动机(10)的火焰稳定器(40)，所述火焰稳定器包括具有多个孔(46)的本体(42)，其中，所述火焰稳定器通过经由所述火焰稳定器的本体中的所述多个孔喷射流体(48)而在所述燃烧器(18)中产生流动再循环区域(44)。
6.根据权利要求5所述的火焰稳定器，其特征在于，所述火焰稳定器(40)的本体(42)具有气动形状，当没有燃料供给至所述燃烧器(18)时，所述气动形状最大限度地减小所述燃气轮机发动机(10)中的压力损失。
7.一种提高燃气轮机发动机(10)的效率的方法，包括：通过经由与所述燃气轮机发动机(10)的再热燃烧器(18)成流体连通的流体燃烧器稳定器(40)中的孔(46)喷射流体(48)的方式而产生流动再循环区域(44)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：使所述火焰稳定器(40)成形为气动本体(42)，当没有燃料供给至所述再热燃烧器(18)时，所述气动本体最大限度地减小所述燃气轮机发动机(10)中的压力损失。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：通过相对于所述火焰稳定器(40)的纵向轴线以一定角度形成所述多个孔(46)而控制所述流动再循环区域(44)的大小。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：通过调节所述流体(48)通过所述多个孔(46)的流动速度来控制所述流动再循环区域(44)的大小。
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C10 Entry into substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20111012