CN102472494B - 尤其用于燃气轮机的燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃烧器，该燃烧器具有中央燃料输送装置(27)、包围该中央燃料输送装置(27)的、用于输送燃烧空气的环形空气通道(17)和布置在所述环形空气通道(17)中的旋流叶片组(19)。该旋流叶片组(19)具有用于将气态的燃料喷入到所述燃烧空气中的第一气体喷嘴(21)和用于将气态的燃料喷入到燃烧空气中的第二气体喷嘴(23)，其中，所述第一气体喷嘴(21)由所述中央燃料输送装置(27)中的第一气体分配通道(29)供应，而第二气体喷嘴(23)由中央燃料输送装置(27)中的第二气体分配通道(31)供应。所述第一气体分配通道(29)和所述第二气体分配通道(31)由气体输送管(41,141)供应燃烧气体，该气体输送管具有第一气体输送通道(35,135)和第二气体输送通道(37,137)，其中，所述第一气体输送通道(35,135)与所述第一气体分配通道(29)连通，而第二气体输送通道(37,137)与第二气体分配通道(31)连通。

Description

尤其用于燃气轮机的燃烧器
技术领域
本发明涉及一种燃烧器并且尤其是燃气轮机燃烧器，所述燃烧器带有中央燃料输送装置。此外，本发明涉及一种燃气轮机。 
背景技术
鉴于在全世界范围内努力降低燃烧设备，尤其是燃气轮机中的有害物质排放，在近年来开发有具有特别小的氮氧化物(NOx)排放的燃烧器。在此，有意义地设计为，这种燃烧器分别不仅能用一种燃料运行，而且尽可能用不同的燃料，例如油和天然气或者两者结合来运行，以便提高运行的供应安全性和灵活性。这种燃烧器例如在EP0276696B1中记载。 
在EP0276696B1中记载的燃烧器是以燃气和/或油预混合运行的混合燃烧器，如尤其用于燃气轮机设备。燃烧器包括中央燃烧输送装置，在该燃料输送装置还集成有引导燃烧器系，该引导燃烧器系可用燃气和/或油作为所谓的扩散燃烧器或者专门的预混合燃烧器运行。另外设计有供应惰性气体的可能性。中央的燃料输送装置由主燃烧器系统包围，该主燃烧器系统具有带有位于其中的旋流叶片组的空气输送环形通道系统，该旋流叶片组带有多个叶片和布置在叶片上游的、用于以燃气预混合运行的喷管。另外，在燃料输送装置中在旋流叶片组区域中存在用于油的喷嘴，该喷嘴实现主空气流与油的预混合。 
替代在EP0276696B1中借助于布置在旋流叶片组上游的喷管也可以将燃烧气体通过设置在旋流叶片组本身中的喷嘴孔喷入空气通道中(如在EP0580683B1中所描述的那样)。 
为了在将来进一步提高对排放和燃烧稳定性的控制，应当除了如在EP0580683B1中经过叶片的气体喷入结构之外使用经过叶片的其它气体喷入结构。额外的气体喷入结构应当能独立于主气体级调节，即，必须在迄今存在的气体和油通道之外在燃烧器的燃料输送装置中设置额外的、第二气体通道。现在，困难在于向该额外的气体通道供应燃料而不在空气动力学方面改变迄今的燃烧器设计。首先，该设计适于中央燃料输送装置或旋流叶片组的外轮廓，该外轮廓形成用于输入的燃烧空气的流动通道。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种燃烧器，尤其是燃气轮机燃烧器，该燃烧器使得能够向第二气体通道输送燃烧气体，而不明显改变中央的燃料输送装置的外轮廓。 
本发明所要解决的第二个技术问题是，提供一种有利的燃气轮机。 
第一个技术问题通过按权利要求1所述的燃烧器解决，第二个技术问题通过按权利要求15所述的燃气轮机解决。从属权利要求包含本发明有利的设计构造。 
按本发明的燃烧器具有中央燃料输送装置和包围该中央燃料输送装置、用于输送燃烧空气的环形空气通道。在环形空气通道中设置有旋流叶片组，该旋流叶片组具有用于将气态的燃料喷入到燃烧空气中的第一气体喷嘴和用于将气态的燃料喷入到燃烧空气中的第二气体喷嘴。第一气体喷嘴由中央燃料输送装置中的第一气体分配通道供应，第二气体喷嘴由中央燃料输送装置中的第二气体分配通道供应。第一气体分配通道和第二气体分配通道由气体输送管供应燃烧气体，该气体输送管具有第一气体输送通道和第二气体输送通道，其中，第一气体输送通道与第一气体分配通道连通，而第二气体输送通道与第二气体分配通道连通。 
按照本发明，两个气体分配通道不是通过两个分开的气体输送管，而是通过唯一一个、两个通道共用的气体输送管供应燃料，其中，在气体输送管中为每个气体分配通道存在一个自有的气体输送通道。由此，即便存在两个气体分配通道时也能保持如已知用于唯一一个气体分配通道那样的中央燃料输送装置的轮廓，例如相应于EP0580683B1公开的燃烧器。气体输送通道要么可以相互同轴地布置在气体输送管中，要么可以并排地布置。 
如果两个气体输送通道按照第一种设计构造相互同轴地在气体输送管中延伸，则可以由此形成，即，气体输送管包括外管和内管，其中，第一气体输送通道由外管和内管之间的中间腔形成，而第二气体输送通道由内管的内腔形成。 
因为内管由流动的燃料冷却，而外管由压缩空气加热，在这两个管中会产生不同的热膨胀。如果内管和/或外管具有能够补偿内管的轴向膨胀或压缩的弹性的补偿元件，则可以补偿上述不同的热膨胀。在此，尤其可以将内管和/或外管分成两个轴向部分，这两个部分通过波纹件相互连接。在此，基本上考虑波纹管或者波纹膜盒。该波纹件允许相应的管的膨胀或收缩，并因此补偿不同的热膨胀。 
在气体输送管的所述设计构造中，第一气体输送通道具有环状的流动横截面，而第二气体输送通道具有圆形的流动横截面。为了优化气体从气体输送通道到气体分配通道的流动，可以在气体输送管和气体分配通道之间设置适配件，该适配件在横截面中以对于在气体分配通道中流动的气体最大的流动面积转化环形的流动横截面和圆形的流动横截面。如果适配件形成外管的外圆周的一部分并且外管在环周壁上具有相应的凹槽，适配件可以完全与内管和外管焊接，使得气体通道相对彼此密封。 
如果第一气体输送通道和第二气体输送通道按照气体输送管的第二种设计构造并排地在气体输送管中延伸，第一气体输送通道和第二气体输送通道至少在其朝向气体分配通道的端部具有分别一个带有对于流动的气体最大的流动面积的流动横截面。由此，可以使得通过气体输送通道输入的气体最佳地流入气体分配通道中。 
在带有两个并排延伸的气体输送通道的设计构造中，第一气体输送通道可以通过气体输送接头供应燃料，而第二气体输送通道通过第二气体输送接头供应燃料。然后，各气体输送接头彼此相邻地布置并且借助于过渡部段与气体输送通道连接。在此，第一气体输送接头和第二气体输送接头之间的连接直线与第一气体输送通道和第二气体输送通道之间的连接直线尤其可以围成一个角度，尤其是90°的角度。 
此外，气体输送接头可以具有分别一个圆形的流动横截面。然后，过渡部段也可以将圆形的流动横截面转化为带有对于流动的气体最大流动面积的横截面中。按照这种方式可以这样构造气体连接头，使得该气体连接头符合迄今的标准，可能其尺寸例外。 
带有并排布置的气体输送通道的气体输送管可以有利地构造为铸件，这尤其实现了连接直线已经描述的扭转，并且还可以在整个部件上实现恒定的壁厚。 
按本发明的燃气轮机包括至少一个按本发明的燃烧器。通过按本发明的 燃烧器可以提高燃气轮机运行时的灵活性，因为可以在空气输送通道中进行两级的气体喷入，而无需对燃烧器的空气动力特性进行明显改变。 
附图说明
本发明的其它特征、特性和优点由以下参照附图对实施例的说明得出。 
图1以强烈示意的原理图示出了按本发明的燃烧器； 
图2以局部剖切的立体视图示出了从按本发明的燃烧器中截取的局部； 
图3示出了在按本发明的燃烧器的第一种实施例中使用的适配件； 
图4示出了第一种实施例的流动横截面； 
图5示出了第一种实施例的细节； 
图6在立体视图中示出了按本发明的燃烧器的第二种实施例； 
图7在立体视图中示出了第二种实施例的气体输送管； 
图8在立体视图中示出了图7所述的气体输送管的气体接头。 
具体实施方式
以下参照在明显示意的原理图中示出了按本发明的燃烧器的图1描述作为燃烧器基础的方案。 
按本发明的燃烧器必要时可以与多个相同类型的燃烧器组合地安置在燃气轮机设备的燃烧室中，该燃烧器包括内部的引导燃烧器系统和同心地环绕该引导燃烧器系统的主燃烧器系统。引导燃烧器系统和主燃烧器系统都可以根据选择用气态和/或液体的燃料(如天然气或燃料油)来运行。 
引导燃烧器系统包括内部的输油通道1，该输油通道由内部的环状气体输送通道3同心地包围。该气体输送通道又由内部的空气输送通道或者惰性气体输送通道5同心地包围。此外，在该空气输送通道中或上还可以设置恰当的点火系统(在附图中未示出)。引导燃烧器系统具有朝着燃烧室7的流出口9，在该流出口的区域中在空气输送通道中布置旋流叶片组11。借助于喷嘴口13可以将来自内部气体输送通道3的气体在旋流叶片组的区域或者旋流叶片组的上游喷入到空气输送通道5中。来自输油通道的油可以借助于油喷嘴15在旋流叶片组的下游喷入到输入的空气或者惰性气体中。 
引导燃烧器系统可以用公知的方式以油和/或燃气作为扩散燃烧器运行，在该引导燃烧系统中，燃料被直接喷入火焰中。但是也存在这样的可能性，即，引导燃烧器系统作为预混合燃烧器运行，在该预混合燃烧器中，在混合物输送到火焰之前，将燃料基本上与空气混合。
包围引导燃烧器系统的主燃烧器系统包括径向外部的空气输送通道17，也称为环形空气通道，旋流叶片组的旋流叶片19延伸经过该空气输送通道。旋流叶片19具有第一气体喷嘴21和第二气体喷嘴23，通过所述气体喷嘴可以将燃烧气体喷入流入径向的空气输送通道17的空气中。另外，在流过空气输送通道17的空气中可以借助油喷嘴25喷入油。尽管在当前的实施例中说的是油和油喷嘴，但是这应当仅仅是代表恰当的液态燃料和相应的喷嘴。 
位于旋流叶片19中的第一气体喷嘴21和第二气体喷嘴23以及油喷嘴25通过位于径向内部的中央燃料输送装置，所谓的燃烧器毂27供应燃料。在该燃烧器毂中布置有第一和第二环形的气体分配通道29和31，所述气体分配通道为气体喷嘴21或23供应气体。另外，在燃烧器毂27中设有环形的油分配通道33，该油分配通道为油喷嘴25供油。气体分配通道29，31以及油分配通道33通过气体输送通道35,37或通过输油通道39供应相应的燃料。为气体分配通道29,31供应燃料的气体输送通道35,37集成在一根公共的气体输送管41中。为输油通道39设置自有的输油管43。 
在此，将两个气体输送通道35,37集成在一根公共的气体输送管41中具有这样的优点，即，燃烧器关于流入空气输送通道5,17的空气的空气动力学相对带有仅唯一一个气体输送通道和唯一一组气体喷嘴的燃烧器没有改变。因此，按本发明的燃烧器可以在现有的燃烧系统中替代迄今的燃烧器，而由此不会改变燃烧系统的空气动力学特性。 
以下参照附图2至图5说明按本发明的燃烧器，尤其是带有气体输送通道35,37的气体输送管41的第一种具体的设计构造。在按本发明的燃烧器的这种实施例中，气体输送通道35,37相互同轴地布置在气体输送管41中。向第二环形的气体分配通道31供应气体的气体输送通道37由内管35的内径形成，反之，向第一环形的气体分配通道29供给的气体输送通道35由内管45的外表面和外管46的内表面之间的空腔形成。外管46在此形成气体输送管41的外壁。 
因为内管45通过流过的气体冷却，而外管46通过沿着流过的热压缩空气加热，两个管45,46经受不同的热膨胀。为了补偿这种热膨胀，将内管45构造成两段式，其中，在管段45,45’之间设置弹性的补偿元件47。在该实施例中，弹性的补偿元件设计为波纹管，该波纹管使得两个管段45，45’能够相对彼此轴向移动。外管46和内管45之间不同的热膨胀可以这样被补偿。替代如当前实施例中布置在内管45上，也可以将补偿元件布置在外管46上。也可以设置两个补偿元件，一个设置在内管45上，一个设置在外管46上。对于外管46上的补偿元件，在补偿元件的构造方面与内管45上的补偿元件类似地设计。 
为了优化气体输送通道35，37到环形的气体分配通道29，31的过渡，设有适配件49，该适配件在横截面中以对于流动的气体最大的流动面积转化第一气体输送通道35的环形流动横截面和第二气体输送通道37的圆形流动横截面。以这种方式可以优化从气体输送通道到相应的环形气体分配通道的流动，由此可实现较均匀的传热系数并且可以改善燃烧器的寿命以及寿命预计。 
在图3中以立体视图示出了适配件49。该适配件具有大约半圆形弯曲的、带有外表面53的边缘部段51，该边缘部段在其曲率半径方面与外管46的壁相适应。此外，该边缘部段具有圆形的突出部55，该突出部可以与内管45连接。在适配件49的内部在关于创造最大的流动横截面积方面优化的流动横截面中转换圆形的流动横截面和环形的流动横截面。借助于气体输送管41的出口处的适配件获得的最佳流动横截面在图4中示出。该附图示出了通向环状的气体分配通道29，31的、配设有对应于最大流动面积的流动横截面的入口57，59。 
图5示出了从图2中截取的局部的放大图，其中示出了适配件49的布置以及内管45和外管46的连接。适配件49借助于焊接连接一方面与燃烧器毂27，另一方面与内管45以及外管46连接。由于适配件49仅仅弧形的构造(其在当前的实施例中是半圆形的构造)，因而可以首先将适配件49与燃烧器毂27焊接，接着将内管45焊接在适配件49上并且最后将外管46套上并且与适配件49焊接。如果适配件49具有完整环形的壁元件，则难以实现对于适配件49的形成内气体输送通道的部分在燃烧器毂27上的密封焊接。 
参照图2至图5所述的按本发明的燃烧器的第一种具体的构造具有这样的优点，即，可以避免对尤其在径向的空气输送通道17中的空气流的不利影响，因为相比带有仅一个气体分配通道的燃烧器不需要改变燃烧器毂或气 体输送管41的外部几何形状。此外，可以借助于适配件最佳地利用流动横截面，因此避免了不必要的压力损失。此外，按第一种具体的实施例的设计构造实现了坚固的结构，该结构还使得能够容易地装配。 
以下参照附图6至图8说明按本发明的燃烧器的第二种具体的设计构造。图6在立体视图中示出了按本发明的燃烧器的燃烧器毂27，其带有布置在其中央的引导燃烧器63以及气体输送管141。此外，可以看见燃烧器支架65，在该燃烧器支架中设有两个用于两个位于气体输送管141中的气体输送通道135，137的接头67，69。 
第二种具体的设计构造的气体输送管141在图7中以立体视图示出。该气体输送管与第一种具体的设计构造的气体输送管41的区别在于，气体输送通道135，137相互并排地而不是同心地布置。在此，这样选择气体输送通道135，137的几何形状，使得气体输送管的至少在燃烧器毂侧的出口端71具有最大流动面积的流动横截面。 
在气体输送管141的背对燃烧器毂侧的端部71的端部上设置有两个用于气体输送管141的气体接头。这两个气体接头同样并排布置，然而其中，连接两个气体接头67，69的中心的连接线A相对连接气体输送管141的燃烧器毂侧的端部上的气体输送通道135，137的中心的连接线B扭转90°。在气体输送管的过渡部段73中进行从气体接头67，69出发的气体输送通道135，137的扭转，通过该扭转实现连接线A，B的旋转。同时，在该过渡区段73中实现从接头67，69圆形的流动横截面到气体输送管141的燃烧器毂侧端部71上的、关于所述流动面积优化的流动横截面的过渡。图8示出了气体输送管141的气体接头67，69的视图。 
尽管在第二种具体的实施例中，气体输送通道35，37从气体接头67，69朝气体输送管141的燃烧器毂侧的端部71扭转90°，但如果希望气体接头67，69不同地布置在燃烧器支架65上，也可以扭转不同于90°的角度。 
按本发明的燃烧器的第二种具体实施例的气体输送管141尤其可以设计为浇铸结构。在这种浇铸结构中，尤其在管中的通道扭转90°时可以实现在整个部件上的恒定壁厚。 
按第二种具体的构造的气体输送管141的构造尤其具有这样的优点，即，气体输送通道在燃烧器支架和燃烧器毂之间被分为两个分开的气体接头。这简化了燃烧器的安装。燃烧器支架凸缘然后仅设有两个配合孔。此外，管结 构相对在燃烧器毂中带有仅一个气体分配通道的燃烧器几乎不改变空气动力学特性。因为过渡部段布置在燃烧器支架附进，并因此远离引导燃烧器和主燃烧器的空气通道布置，气体输送管的这种改变相对带有仅一个气体输送通道的气体输送管不会导致燃烧器的空气动力学特性的明显变化。 

Claims (15)

1.一种燃烧器，该燃烧器具有：
中央燃料输送装置(27)，
包围该中央燃料输送装置(27)的、用于输送燃烧空气的环形空气通道(17)，和
布置在所述环形空气通道(17)中的旋流叶片组(19)，该旋流叶片组具有用于将气态的燃料喷入到所述燃烧空气中的第一气体喷嘴(21)和用于将气态的燃料喷入到燃烧空气中的第二气体喷嘴(23)，其中，所述第一气体喷嘴(21)由所述中央燃料输送装置(27)中的第一气体分配通道(29)供应，而第二气体喷嘴(23)由中央燃料输送装置(27)中的第二气体分配通道(31)供应，并且，所述第一气体分配通道(29)和所述第二气体分配通道(31)由气体输送管(41,141)供应燃烧气体，该气体输送管与布置在中央的引导燃烧器错开并且平行地布置在该引导燃烧器旁边，并且该气体输送管具有第一气体输送通道(35,135)和第二气体输送通道(37,137)，其中，所述第一气体输送通道(35,135)与所述第一气体分配通道(29)连通，而第二气体输送通道(37,137)与第二气体分配通道(31)连通。
2.如权利要求1所述的燃烧器，其中，所述第一气体输送通道(35)和所述第二气体输送通道(37)相互同轴地延伸。
3.如权利要求2所述的燃烧器，其中，所述气体输送管(41)包括外管(46)和内管(45)，第一气体输送通道(35)由所述外管(46)和所述内管(45)之间的中间腔形成，而所述第二气体输送通道(37)由所述内管(45)的内腔形成。
4.如权利要求3所述的燃烧器，其特征在于，所述内管(45)和/或所述外管(46)具有弹性的补偿元件(47)，该补偿元件使得所述内管(45)能够相对所述外管(46)轴向膨胀或压缩。
5.如权利要求4所述的燃烧器，其中，所述内管(45)和/或所述外管(46)分为两个轴向部分，所述两个轴向部分通过波纹管相互连接。
6.如权利要求2至5之一所述的燃烧器，其中，所述第一气体输送通道(35)具有环形的流动横截面，而所述第二气体输送通道(37)具有圆形的流动横截面，并且在所述气体输送管(41)和所述气体分配通道(29,31)之间存在一适配件(49)，该适配件将所述环形的流动横截面和所述圆形的流动横截面转换到具有对于流动的气体最大的流动面积的横截面中。
7.如权利要求6所述的燃烧器，其中，所述适配件(49)形成所述外管(46)的圆周的一部分(53)，并且所述外管(46)在环周壁上具有相应的凹槽。
8.如权利要求1所述的燃烧器，其中，所述第一气体分配通道(29)和所述第二气体分配通道(31)由一根公共的气体输送管(141)供应燃烧气体，第一气体输送通道(135)和第二气体输送通道(137)在该气体输送管中并排地延伸。
9.如权利要求8所述的燃烧器，其中，所述第一气体输送通道(135)和所述第二气体输送通道(137)至少在其朝向所述气体分配通道(29,31)的端部分别具有一个带有对于流动的气体最大的流动面积的流动横截面。
10.如权利要求8所述的燃烧器，其中，
-所述第一气体输送通道(135)通过第一气体输送接头(67)供应燃烧气体，并且所述第二气体输送通道(137)通过第二气体输送接头(69)供应燃烧气体，
-所述第一气体输送接头(67)和所述第二气体输送接头(69)相邻地布置，以及
-设有过渡部段(73)，该过渡部段将所述气体输送接头(67,69)与所述气体输送通道(135,137)连接。
11.如权利要求10所述的燃烧器，其中，所述第一气体输送接头(67)和所述第二气体输送接头(69)之间的连接直线(A)和所述第一气体输送通道(135)和所述第二气体输送通道(137)之间的连接直线(B)围成一个角度。
12.如权利要求11所述的燃烧器，其中，所述角度为90o。
13.如权利要求10所述的燃烧器，其中，所述气体输送接头(67,69)分别具有一个圆形的流动横截面，并且所述过渡部段将圆形的流动横截面转换到带有对于流动的气体最大的流动面积的横截面中。
14.如权利要求8所述的燃烧器，其中，所述气体输送管(141)是铸件。
15.一种燃气轮机，带有如权利要求1至14之一所述的燃烧器。
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