CN102356279B - 尤其用于燃气轮机的燃烧器的工作方法和燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃烧器(1)的工作方法，燃烧器(1)包括一条燃烧器轴线(4)和至少一个喷嘴(2)，其中，所述至少一个喷嘴(2)包括一条中心线(5)、一个喷嘴出口(9)和一个从中心线(5)出发沿径向面朝燃烧器轴线(4)的壁(7)，含有燃料的流体质量流朝喷嘴出口(9)方向流过所述至少一个喷嘴(2)。在喷嘴出口(9)处，在含有燃料的流体质量流与面朝燃烧器轴线的壁(7)之间，通过空气沿面朝燃烧器轴线的壁(7)喷入所述至少一个喷嘴(2)内，形成空气膜(20)。

Description

尤其用于燃气轮机的燃烧器的工作方法和燃烧器
技术领域
本发明涉及一种燃烧器的工作方法、一种燃烧器和一种燃气轮机。
背景技术
与涡旋稳定式系统相比，以预混合火焰射束为基础的燃烧系统由于放热区分散和没有涡旋诱发的涡流，尤其从热声学的观点带来一些优点。通过适当选择喷射脉冲可以产生小刻度的流动结构，它消散声诱发的放热波动，并因而抑制典型地在涡旋稳定式火焰时的压力脉动。
火焰射束通过混合而使高温再循环气体稳定化。为了建立其特征在于新气混合物延迟点火和分散放热区的DOC特有的燃烧状态，在预混通道内的燃料分布是一个重要的参数。因为在预混通道内的燃料分布不仅取决于所使用的燃料分配器，而且还取决于喷嘴与负荷有关的空气入流，所以必须采取附加措施，以便能可靠地形成期望的燃料剖面。
发明内容
以此为背景本发明第一个要解决的技术问题是，提供一种用于燃烧器的有利的工作方法。另一个技术问题在于提供一种有利的燃烧器。本发明第三个技术问题在于提供一种有利的燃气轮机。
按本发明的燃烧器工作方法涉及一种燃烧器，它包括一条燃烧器轴线和至少一个喷嘴。但典型地存在一定数量围绕燃烧器轴线排列的喷嘴。所述至少一个喷嘴包括一条中心线、一个喷嘴出口和一个从中心线出发沿径向面朝燃烧器轴线的壁。一个含有燃料的流体质量流朝喷嘴出口方向流过所述至少一个喷嘴。按本发明的方法的特征在于，在喷嘴出口，在含有燃料的流体质量流与面朝燃烧器轴线的壁之间，通过空气或惰性气体沿面朝燃烧器轴线的壁喷入所述至少一个喷嘴内，形成一个空气膜或惰性气体膜。
在本发明的框架内，喷嘴壁的至少处于喷嘴中心线与燃烧器轴线之间的那个区域，称为面朝燃烧器轴线的壁。
在按本发明方法的框架内特别有利的是，在喷嘴面朝燃烧器轴线的区域内应没有或只有很少的燃料。也就是说，在该区域内燃料过多会导致火焰过快点燃，这是不希望的。因为按本方法在此区域内不存在或只存在很少量的燃料，所以点火被延迟。延迟点火一方面可以有更大的混合长度，这导致较低的氧化氮值。另一方面延迟点火可实现分散放热，这从热声学的观点来看是有利的。
原则上为了形成气膜借助本发明通过有目的在喷嘴内喷入空气或惰性气体将燃料剖面改变为，使例如剖面中面朝燃烧器轴线的部分不含或只含有很少的燃料。在这里应达到的目的是，为建立所述剖面应使用尽可能少量的空气或惰性气体。
所述至少一个喷嘴可以有一个围绕中心线延伸的圆周方向。在这种情况下，空气或惰性气体可以沿周向在相对于燃烧器轴线与中心线之间径向连线的一个至少±15°的角度范围内喷入喷嘴内。以此方式达到燃料剖面中面朝燃烧器轴线的部分不含或只含有很少的燃料。
此外，空气或惰性气体可以沿周向在相对于燃烧器轴线与中心线之间径向连线的一个最多±135°的角度范围内，尤其在一个最多±90°之间和此外尤其最多±45°的角度范围内，喷入喷嘴内。在这种情况下，在存在相邻的喷嘴时，空气或惰性气体也可以在面朝相邻喷嘴的那些侧喷入。这种空气或这种惰性气体阻止火焰射束聚合，并因而可以实现一种如对于以火焰射束为基础的燃烧器系统所力求达到的那样有利的放热区。在面朝相邻射流的那些侧的空气或惰性气体喷入，可以在两侧或仅在一侧实施。
此外，空气可以沿围绕中心线的圆周方向在相对于燃烧器轴线与中心线之间径向连线的一个最多-135°至+45°或最多-45°至+135°的非对称角度范围内喷入喷嘴内。由此在面朝相邻喷嘴的那些侧达到分别在一侧的空气或惰性气体喷入。
原则上所述至少一个喷嘴可包括一条中心线。空气或惰性气体可有利地按一个相对于中心线在0°与60°之间的角度喷入喷嘴内。
按本发明的燃烧器包括一条燃烧器轴线和至少一个喷嘴。但它也可以包括一定数量围绕燃烧器轴线排列的喷嘴。所述至少一个喷嘴包括一条中心线和一个围绕此中心线在相对于燃烧器轴线与中心线之间径向连线的一个最多-135°至+135°和至少-15°至+15°的角度范围内延伸的壁区（下文也称为面朝燃烧器轴线的壁）。按本发明燃烧器的特征在于，仅围绕中心线在此最多-135°至+135°和至少-15°至+15°的角度范围内延伸的壁区，包括至少一个汇入喷嘴内的流动通道，用于供给空气或惰性气体。按本发明的燃烧器适用于实施上述按本发明的方法。尤其是，所述流动通道可以与贮气罐或惰性气体源连接。
包括所述至少一个汇入喷嘴内的流动通道的壁区，尤其也可以围绕中心线在最多±90°，尤其最多±45°，或最多-45°至+135°或最多-135°至+45°的角度范围内延伸。按后两种方案，在面朝相邻射流的那些侧达到分别在一侧的空气或惰性气体喷入。
流动通道可有利地设计为孔或部分环形缝隙。尤其是，孔可以包括一条中心线，它与喷嘴的中心线相交一个在0°与60°之间，尤其在20°与40°之间的角度。因此喷入的空气或喷入的惰性气体（它们被喷嘴内的主流带走），形成一种特别有利的气膜。孔可例如有圆或椭圆或任何其他形状的横截面。有利地，孔可以有与气膜冷却孔相应的成型的出口横截面。类似于气膜冷却空气，规定喷入的空气或喷入的惰性气体尽可能少与核心流混合。
在流动通道设计为部分环形缝隙的情况下，部分环形缝隙可形成一个假想的部分锥套，它可与喷嘴的中心线相交一个在0°与60°之间，尤其在20°与40°之间的角度。有利地，部分环形缝隙可包括多个部分环形缝隙段。这导致能更好地控制缝隙尺寸。
此外，可将部分环形缝隙设计为，使它根据工作条件关闭或打开。它例如可以设计为，使它通过构件的热膨胀，尤其通过毗邻构件的热膨胀关闭或打开。例如，燃烧器可包括一个主控燃料喷嘴，以及部分环形缝隙设计为，使部分环形缝隙根据主控燃料喷嘴的温度关闭或打开。因此尤其一个高温主控燃料喷嘴在部分负荷范围内可导致缝隙关闭，而在基本负荷附近主控气体很少时，亦即在与部分负荷范围相比主控燃料喷嘴较冷的情况下，缝隙达到最大尺寸。
按本发明的燃烧器允许使用空气膜或惰性气体膜，以便针对最佳工作模拟喷射燃烧器的混合剖面。
按本发明的燃气轮机包括至少一个上述按本发明的燃烧器。它的特性和优点由已说明的按本发明的燃烧器的特性和优点得出。总之，本发明通过使用空气膜或惰性气体膜，允许将喷射燃烧器的混合剖面模拟为与使燃气轮机最佳运行时的一样。
附图说明
下面参见附图借助实施例详细说明本发明的其他特征、特性和优点。在这里所说明的特征不仅单项而且互相组合都是有利的。
图1示意表示燃气轮机；
图2示意表示横向于其纵向通过喷射燃烧器剖开示出的剖面图；
图3示意表示横向于其纵向通过另一种喷射燃烧器剖开示出的剖面图；
图4示意表示沿纵向通过部分喷射燃烧器剖开示出的剖面图；
图5示意表示在喷嘴出口处不利的燃料剖面；
图6示意表示在喷嘴出口处有利的燃料剖面；
图7示意表示在喷嘴出口处另一种有利的燃料剖面；
图8示意表示在喷嘴出口处另一种有利的燃料剖面；
图9示意表示在喷嘴出口处另一种有利的燃料剖面；
图10示意表示在喷嘴出口处另一种有利的燃料剖面；
图11示意表示在喷嘴出口处另一种有利的燃料剖面；
图12示意表示沿纵向通过部分喷嘴剖开示出的剖面图；以及
图13示意表示沿ⅫⅠ-ⅫⅠ通过图12所示喷嘴剖开示出的剖面图。
具体实施方式
下面借助图1至13详细说明本发明的实施例。图1示意表示燃气轮机。燃气轮机在内部有一个可绕旋转轴线旋转地支承有一根轴107的转子，它也称为涡轮转子。沿转子按先后顺序是进气机匣109、压气机101、包括一些喷射燃烧器1的燃烧系统151、涡轮105和排气机匣190。
燃烧系统151与环形热燃气通道相连。在那里多个串联的涡轮级构成涡轮105。每个涡轮级由叶片环组成。在热燃气通道内沿工质的流动方向看，随导向叶片环117后的是由工作叶片115组成的工作叶片环。导向叶片117在这里固定在静子的内机匣上，而工作叶片环的工作叶片115则例如借助涡轮盘成排地安装在转子上。发电机或作功机械与转子连接。
在燃气轮机运行期间，由压气机101通过进气机匣109吸入空气并压缩。压气机101在涡轮一侧的末端制备的压缩空气导向燃烧系统151，并在那里与燃料混合。混合物然后借助喷射燃烧器1在燃烧系统151内燃烧形成工质。工质从那里出发沿热燃气通道流过导向叶片117和工作叶片115。工质膨胀后在工作叶片115上传递脉冲，工作叶片115因而推动转子，以及转子推动与其连接的作功机械或与其连接的发电机（未表示）。
燃烧系统151包括至少一个按本发明的燃烧器，以及原则上可以包括一个环形燃烧室或多个单管燃烧室。
图2示意表示垂直于燃烧器1的轴线4通过喷射燃烧器剖开示出的一个剖面图。燃烧器1包括一个有基本上圆形横截面的外壳6。在外壳6内部基本上环形地布设规定数量的喷嘴2。在这里每个喷嘴2有一种圆形的横截面。此外，燃烧器1包括一个主控燃烧器。
图3示意表示通过另一种喷射燃烧器1a剖开示出的剖面图，该剖面垂直于燃烧器1a的中心线延伸。燃烧器1a同样有一个外壳6，它有圆形横截面以及在外壳6内布设一定数量的内喷嘴和外喷嘴2、3。喷嘴2、3分别有一种圆形的横截面，其中外喷嘴2与内喷嘴3相比有同样大小或较大的横截面积。外喷嘴2基本上环形地布设在外壳6内部并构成一个外环。内喷嘴3同样环形地布置在外壳6内部。这些内喷嘴3构成一个与外喷嘴2同心设置的内环。
图2和3仅举例表示在喷射燃烧器1、1a内部喷嘴2、3的配置。当然配置配置也是可能的，例如使用不同数量的喷嘴2、3。
图4示意表示沿纵向，亦即沿燃烧器1的轴线4，通过部分按本发明的喷射燃烧器1剖开示出的剖面图。燃烧器1有至少一个装在外壳6内的喷嘴2。用数字5表示喷嘴的中心线。喷嘴2包括喷嘴进口8和喷嘴出口9。燃烧室18与喷嘴出口9连接。此外，喷嘴2如此布置在外壳6内，即，使喷嘴进口8面朝燃烧器1的后壁24。除此之外外壳6还包括一个沿燃烧器1的轴线4的径向在外部的外壳部分127。
喷嘴2在流动技术上与压气机连接。来自压气机的压缩空气经过环形间隙22导向喷嘴进口8，和/或经过空气进口23沿喷嘴2中心线5的径向导向喷嘴进口8。在压缩空气通过喷嘴2的环形间隙22输入的情况下，压缩空气通过环形间隙22沿着用数字15表示的箭头方向，亦即平行于喷嘴2的中心线5流动。沿箭头15方向流动的空气然后在燃烧器1后壁24处转向180°，并接着通过喷嘴进口8流入喷嘴2内。空气在喷嘴2内部的流动方向用箭头10表示。
附加或与压缩空气通过环形间隙22输入不同，来自压气机的压缩空气也可以通过进口23导入，它就喷嘴2中心线5而言沿径向设在燃烧器1外壳6内。通过进口23流动的压缩空气的流动方向用箭头16表示。在这种情况下压缩空气接着转向90°，然后通过喷嘴进口8流入喷嘴2内。
此外，在喷嘴进口8旁还有一个燃料喷管19，燃料通过它喷入喷嘴2内。燃料的流动方向用箭头17表示。附加或与之不同，燃料喷管19在其圆周上可以有一些燃料出口119，燃料经过它们可以沿图4中用虚线表示的箭头117方向加入。
除此之外喷嘴2还包括一个面朝燃烧器轴线4的壁7。喷嘴壁的至少处于喷嘴1中心线5与燃烧器轴线4之间的那个区域，称为面朝燃烧器轴线4的壁7。此面朝燃烧器轴线4的壁7，可以尤其围绕中心线5在相对于燃烧器轴线4与中心线5之间径向连线26的一个最多-135°至+135°和至少-15°至+15°的角度范围内延伸。
在外壳6内部，一个与压气机连接的空气输入管13处于面朝燃烧器轴线的壁7的区域内。空气进口14从空气输入管13出发导入喷嘴2内部。在本实施例中这些空气进口14设计为圆形横截面的孔。它们各包括一条中心线27，中心线27与喷嘴2中心线5相交一个可例如处于0°与60°之间，尤其处于20°与40°之间的角度β。取代空气，也可以经由输入管供给一种惰性气体。在这种情况下，输入管13不与压缩机连接，而是与惰性气体贮罐或惰性气体源连接。
空气通过空气输入管13和空气进口14喷入喷嘴2内，使它被用箭头10表示的主流带走，并因而沿面朝燃烧器轴线4的壁7形成气膜。用数字20表示喷入空气的流动方向。
按本发明的燃烧器1原则上也可以设计为没有在外部的外壳部分127，或没有外部外壳127。在这种情况下压缩空气可以直接流入“全腔（Plenum）”内，亦即流入后壁24与喷嘴进口8之间的区域内。此外，按本发明的燃烧器1也可以设计为没有后壁24。
图5示意表示一种在面朝燃烧器轴线的壁上没有按本发明生成气膜的情况下在喷嘴出口处造成的燃料剖面。用数字26表示喷嘴2中心线5与燃烧器1中心线之间径向连线的定向。
图5示意表示的燃料剖面其特征在于，在喷嘴2的外部区内，亦即在喷嘴壁上，形成一个富燃料区25。另外两个富燃料区25处于喷嘴中心线5附近。此外，在喷嘴中心线5附近还有一个无燃料或贫燃料区21，以及一个其中期望的空气-燃料混合物22占优势的区域22。图5示意表示的这种燃料剖面是不利的，因为在面朝燃烧器轴线的壁7上燃料25占优势。这种富燃料区25是通过空气流入喷嘴2引起的。
借助按本发明的方法，亦即通过空气沿面朝燃烧器轴线的壁7喷入形成气膜，可以造成图6中示意表示的燃料剖面。这种燃料剖面的特征在于，在面朝燃烧器轴线的壁7上主要存在一个无燃料的区域21。该区域21在理想的情况下是无燃料区，但也可以是贫燃料区。图6中示意表示的燃料剖面是有利的，因为在面朝燃烧器轴线的壁7上的气膜21阻止提前点燃火焰射束，以及可以实现分散的放热区。
图7至12示意表示在喷嘴出口9处不同的燃料剖面，它们可以借助按本发明的方法，尤其在采用按本发明的燃烧器的情况下造成。图7所示燃料剖面的特征为，从喷嘴2中心线5与燃烧器轴线4之间径向连线26出发，围绕喷嘴2中心线5，沿面朝燃烧器轴线的壁7，在一个从-α至+α的角度内形成一个无燃料或贫燃料区。在图7中α角约为45°。此无燃料或贫燃料区21通过在一个从连线26出发围绕喷嘴2中心线5从-α至+α的角度内喷入空气造成。在图8中α角为90°，在图9中它是15°以及在图10中它等于135°。
图10所示的燃料剖面与图7和图9中表示的燃料剖面不同，其特征在于，除了沿燃烧器轴线4方向通过气膜屏蔽燃料外，还达到对各相邻喷嘴的隔离，并由此阻止火焰聚合。
在图11中表示的燃料剖面其特征在于一个无燃料或贫燃料区21，它在一个从连线26出发围绕喷嘴中心线5从-135°至+45°的非对称角度范围内延伸。借助图11所示的剖面，达到对一个相邻的喷嘴和朝燃烧器中心线4的方向在一侧隔离。这种构型有利于使所使用的空气或所使用的惰性气体的量保持尽可能小。
图12和13表示按本发明的燃烧器借助部分环形缝隙的另一种设计方案。图12示意表示沿纵向通过部分喷嘴剖开示出的剖面图。图13表示横向于中心线5通过图12所示喷嘴剖开示出的剖面图。
在图12和13中表示的喷嘴2包括一个部分环形缝隙28。空气沿流动方向20通过部分环形缝隙28喷入喷嘴2内。基于流过喷嘴2的空气-燃料混合物的流动22，沿面朝燃烧器轴线的壁7形成气膜。
部分环形缝隙28构成一个假想的部分锥套，它用数字29表示以及它与喷嘴2的中心线5相交一个在0°与60°之间，尤其在20°与40°之间的角度β。
图13示意表示沿ⅫⅠ-ⅫⅠ通过图12所示喷嘴剖开示出的剖面图。图13所示的部分环形缝隙28包括多个部分环形缝隙段，在本实施方案中包括三个部分环形缝隙段。这种由多个部分环形缝隙段30组成部分环形缝隙28的设计，可以使缝隙尺寸有更好的可控制性，尤其针对要造成的气膜可以控制和调整角度范围α。
部分环形缝隙28可设计为，使它根据工作条件，例如基于构件的热膨胀关闭或打开。尤其是，燃烧器1可以包括至少一个主控燃料喷嘴，以及将部分环形缝隙28设计为并与主控燃料喷嘴处于热接触状态，使它根据主控燃料喷嘴的温度关闭或打开。例如一个高温主控燃料喷嘴在部分负荷运行时可导致关闭部分环形缝隙28，而在基本负荷附近主控气体很少时，亦即在主控燃料喷嘴较冷的情况下，部分环形缝隙28达到最大尺寸。

Claims (16)

1.一种燃烧器（1）的工作方法，燃烧器（1）包括一条燃烧器轴线（4）和至少一个喷嘴（2），其中，所述至少一个喷嘴（2）包括一条中心线（5）、一个喷嘴出口（9）和一个从中心线（5）出发沿径向面朝燃烧器轴线（4）的壁（7），以及含有燃料的流体质量流朝喷嘴出口（9）方向流过所述至少一个喷嘴（2），其特征为：在喷嘴出口（9）处，在含有燃料的流体质量流与面朝燃烧器轴线的壁（7）之间，通过空气沿面朝燃烧器轴线的壁（7）喷入所述至少一个喷嘴（2）内，形成空气膜或惰性气体膜（20）。
2.按照权利要求1所述的燃烧器的工作方法，其特征为，喷嘴具有一个围绕中心线（5）延伸的圆周方向，以及空气或惰性气体沿周向在相对于燃烧器轴线（4）与中心线（5）之间径向连线（26）的一个至少±15°的角度范围内喷入喷嘴（2）内。
3.按照权利要求2所述的燃烧器的工作方法，其特征为，喷嘴具有一个围绕中心线（5）延伸的圆周方向，以及空气或惰性气体沿周向在相对于燃烧器轴线（4）与中心线（5）之间径向连线（26）的一个最多±135°的角度范围内喷入喷嘴（2）内。
4.按照权利要求3所述的燃烧器的工作方法，其特征为，喷嘴具有一个围绕中心线（5）延伸的圆周方向，以及空气或惰性气体沿周向在相对于燃烧器轴线（4）与中心线（5）之间径向连线（26）的一个最多±90°的角度范围内喷入喷嘴（2）内。
5.按照权利要求4所述的燃烧器的工作方法，其特征为，喷嘴具有一个围绕中心线（5）延伸的圆周方向，以及空气或惰性气体沿周向在相对于燃烧器轴线（4）与中心线（5）之间径向连线（26）的一个最多±45°的角度范围内喷入喷嘴（2）内。
6.按照权利要求3所述的燃烧器的工作方法，其特征为，喷嘴有一个围绕中心线（5）延伸的圆周方向，以及空气或惰性气体沿周向在相对于燃烧器轴线（4）与中心线（5）之间径向连线（26）的一个最多-135°至+45°或最多-45°至+135°的角度范围内喷入喷嘴（2）内。
7.按照权利要求1至6之一所述的燃烧器的工作方法，其特征为，空气或惰性气体按一个相对于中心线（5）在0°与60°之间的角度（β）喷入喷嘴（2）内。
8.一种燃烧器（1），它包括一条燃烧器轴线（4）和至少一个喷嘴（2），其中，所述至少一个喷嘴（2）包括一条中心线（5）和一个围绕此中心线（5）在相对于燃烧器轴线（4）与中心线（5）之间径向连线（26）的一个最多-135°至+135°和至少-15°至+15°的角度范围内延伸的壁区（7），其特征为：仅围绕中心线（5）在此最多-135°至+135°和至少-15°至+15°的角度范围内延伸的壁区（7）包括至少一个汇入喷嘴（2）内的流动通道（14），用于供给空气或一种惰性气体。
9.按照权利要求8所述的燃烧器（1），其特征为，流动通道设计为孔（14）或部分环形缝隙（28）。
10.按照权利要求9所述的燃烧器（1），其特征为，孔（14）包括一条中心线（27），它与喷嘴（2）的中心线（5）相交一个在0°与60°之间的角度（β），或部分环形缝隙（28）形成一个假想的部分锥套（29），它与喷嘴（2）的中心线（5）相交一个在0°与60°之间的角度（β）。
11.按照权利要求9或10所述的燃烧器（1），其特征为，孔（14）具有圆或椭圆形的横截面，或部分环形缝隙（28）包括多个部分环形缝隙段（30）。
12.按照权利要求9或10所述的燃烧器（1），其特征为，孔（14）有与气膜冷却孔相应的成型的出口横截面。
13.按照权利要求9或10所述的燃烧器（1），其特征为，将部分环形缝隙（28）设计为，使它根据工作条件关闭或打开。
14.按照权利要求13所述的燃烧器（1），其特征为，将部分环形缝隙（28）设计为，使它通过构件的热膨胀关闭或打开。
15.按照权利要求13所述的燃烧器（1），其特征为，燃烧器（1）包括一个主控燃料喷嘴，以及部分环形缝隙（28）设计为，使它根据主控燃料喷嘴的温度关闭或打开。
16.一种燃气轮机，它包括至少一个按照权利要求8至15中任一项所述的燃烧器（1）。
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