CN102620314A - 低动力的燃气涡轮机燃料系统 - Google Patents

低动力的燃气涡轮机燃料系统 Download PDF

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CN102620314A CN2012100255730A CN201210025573A CN102620314A CN 102620314 A CN102620314 A CN 102620314A CN 2012100255730 A CN2012100255730 A CN 2012100255730A CN 201210025573 A CN201210025573 A CN 201210025573A CN 102620314 A CN102620314 A CN 102620314A
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Abstract

本发明公开了一种低动力的燃气涡轮机燃料系统，其包括燃烧室，所述燃烧室包括：一个具有管状内壁的中心体；一个筒，其设于所述管状内壁中从而界定位于筒外表面与所述管状内壁之间的外环形空间，以及具有开口端和位于所述开口端对面的闭合端的内环形空间；以及插入物，其设于所述外环形空间内用于围封接近所述开口端处的所述筒，所述插入物包括一个具有管状前构件和部分管状后构件的主体，所述部分管状后构件因而形成一个具有大体上与所述外环形空间的纵轴相对齐的纵轴的凹形轨道。

Description

低动力的燃气涡轮机燃料系统
技术领域
本发明涉及燃气涡轮技术领域，尤其涉及用于减缓燃烧动力的燃烧室筒。
背景技术
传统的燃气涡轮发动机中会燃烧燃料和气体的混合物，然后再利用燃烧过程中产生的高能流体生成能源和电力。而燃烧过程中产生的副产物就会被排放到大气中或通过其他方式进行处理。在这两种情况下，限制这些副产物中特定污染物的含量已变得越来越重要。具体而言，通常必须大幅度减少氮氧化物(NOX)和一氧化碳(CO)的排放量，以符合本地和国家污染条例的规定。
当前，燃气涡轮发动机可能会使用干式低NOX(DLN)燃烧室、干式低排放(DLE)燃烧室或贫油预混合(LPM)燃烧系统，以达到NOX减排的目的。这些选择均涉及在完全预混合的运行模式中使用贫燃料空气混合物(例如，当量比介于0.58到0.65之间)，以减少NOX和CO的排放量。
然而，由于这些燃烧室是在此类贫燃料/空气(f/a)比的条件下运行的，因此当速率波动发生相对较小的变化时，就会导致质量流(massflow)和燃料空气波动发生相对较大的变化。这些波动会导致放热率发生较大变化，并且还会导致燃烧室中出现高压波动。与此同时，室声(chamber acoustics)、燃料/空气波动、旋流火相互作用(vortex-flameinteractions)和不稳定的放热率(rate of heat release)之间的相互作用会导致在燃烧系统中引起动压脉冲(dynamic pressure pulsations)的反馈回路机制。此压力波动现象被称为热声或燃烧动力(dynamic)不稳定性，或者一般来说称为燃烧动力/动态(combustion dynamics)，这至少是DLN燃烧室中的一大问题。
发明内容
根据本发明的一个方面，本发明提供一种燃烧室，其包括：具有管状内壁的中心体；筒，其设于所述管状内壁中从而形成一个位于筒的外表面和所述管状内壁之间的外环形空间，以及具有开口端和位于开口端对面的闭合端的内环形空间；以及插入物，其设于所述外环形空间内用于围封接近开口端处的所述筒，所述插入物包括具有管状前构件和部分管状后构件的主体，所述部分管状后构件因而形成具有实质上与外环形空间的纵轴相对齐的纵轴的凹形轨道。
所述轨道的纵向长度与所述外环形空间的纵轴相平行。所述内环形空间用于获取通过所述开口端提供的净化空气。所述轨道和所述外环形空间用于获取扩散燃料供应或净化空气供应。所述燃料供应或所述净化空气供应在所述轨道处沿径向向内方向注入。所述筒经进一步形成为位于所述闭合端处的多个贯穿孔、至少一个筒体积、位于法兰侧的限制性上游孔和所述贯穿孔，可以让所述筒减弱由燃烧室压力波动造成的声波动。所述主体的所述后构件包括管状面、凹形面和端面，所述凹形面在所述轨道处从所述端面沿纵向凹陷，且所述管状面从所述插入物的外表面径向延伸至所述筒的所述外表面，且其中所述凹形面部分阻挡扩散燃料流并改变所述外环形空间对动压波动的声响应。所述插入物进一步包括一个头部分，所述头部分包括：与所述中心体相接的法兰；以及与净化空气回路相接的喷嘴。
根据本发明的另一方面，本发明提供具有多个喷嘴配置的干式低NOX(DLN)燃烧室，其中每个喷嘴均排列在公用中心轴周围，所述燃烧室包括：具有管状内壁的中心体；筒，其设于所述管状内壁中从而形成一个位于筒的外表面和所述管状内壁之间的外环形空间，以及具有开口端和位于开口端对面的闭合端的内环形空间；以及插入物，其设于外环形空间内用于围封接近开口端处的筒，所述插入物包括具有管状前构件和部分管状后构件的主体，所述部分管状后构件因而形成具有实质上与外环形空间的纵轴以及公用中心轴相对齐的纵轴的凹形轨道。
所述轨道的纵向长度与所述外环形空间的纵轴和所述公用中心轴平行。所述内环形空间用于获取通过所述开口端提供的净化空气。所述轨道和所述外环形空间用于获取扩散燃料供应或净化空气供应。所述扩散燃料供应或所述净化空气供应在所述轨道处沿径向向内方向注入。所述筒经进一步形成为位于所述闭合端处的多个贯穿孔。所述主体的所述后构件包括管状面、凹形面和端面，所述凹形面在所述轨道处从所述端面沿纵向凹陷，且所述管状面从所述插入物的外表面径向延伸至所述筒的所述外表面。所述插入物进一步包括头构件，所述头构件包括：与所述中心体相接的法兰；以及与净化空气回路相接的喷嘴。
根据本发明的再一个方面，本发明提供一种燃气涡轮机发动机，其包括：燃烧室；以及多个设于所述燃烧室的头端上游且排列在公用中心轴周围的喷嘴，每个喷嘴包括：中心体，其中设有筒从而形成：位于所述中心体与筒之间的外环形空间，以及具有开口端和位于所述开口端对面的闭合端的内环形空间；以及插入物，其设于所述外环形空间内用于围封接近开口端处的所述筒，所述插入物包括具有管状前构件和部分管状后构件的主体，所述部分管状后构件因而形成具有实质上与外环形空间的纵轴以及公用中心轴相对齐的纵轴的凹形轨道。
所述燃烧室包括干式低NOX(DLN)燃烧室。所述燃气涡轮发动机进一步包括与所述筒的所述开口端流体连通的净化空气回路，以在第一个预定义的运行条件过程中向其中提供净化空气；与所述外环形空间流体连通的扩散燃料/净化空气回路，以在第二个预定义的运行条件过程中向其中提供燃料和/或净化空气。所述燃气涡轮发动机可以在多种燃烧模式中运行，所述燃烧模式包括第一模式、第二模式和第三模式。所述燃气涡轮发动机具有双燃料功能，其中预混合通道和所述外环形空间是公用的并且所述内环形空间可以替换为流体燃料筒。
通过以下说明并结合附图可以更加清楚地了解到这些以及其他优点和特征。
附图说明
本说明书中的权利要求书详细指出并明确主张了本发明。通过以下说明并结合附图可以清楚地了解本发明的上述及其他特征和优点，其中：
图1为本发明燃烧室的侧示图；
图2为用于图1所示燃烧室的插入物的透视图；以及
图3为图1所示燃烧室的筒的一端的透视图。
具体实施方式部分参考附图以举例方式介绍本发明的实施例及优点和特征。
元件符号列表：
  参考标号   部件   参考标号   部件
  10   燃气涡轮发动机   20   燃烧室
  21   套管   22   壁
  221   预混合通道   30   燃料喷嘴
  60   中心体   61   内壁
  70   燃油筒   71   外表面
  75   环形空间   76   内环形空间
  77   开口端   78   限制端
  80   插入物   90   净化空气回路
  95   燃料/空气回路   950   方向
  100   主体   110   前构件
  111   后构件   112   管状面
  113   纵向凹形面   114   端面
  120   轨道   130   热护罩
  131   贯穿孔   140   头构件
  141   法兰   142   喷嘴
具体实施方式
参考图1，本发明提供燃气涡轮发动机10，包括燃烧室20，例如在其中燃烧燃料和气体的混合物以产生能量和电力的干式低NOX(DLN)燃烧室，多个具有双燃料功能的燃料喷嘴30。所述燃烧室20包括套管21和壁22，通过该壁22形成预混合通道221。所述多个喷嘴30设于所述燃气涡轮发动机10的头端位于燃烧室20的燃烧区域上游的轴向位置。所述多个喷嘴30在此轴向位置上排列于公用中心轴周围。
每个喷嘴30均包括由套管21的一个长度/一段构成的预混合器，以通过旋流器叶片和燃料辐条和设于套管21内的中心体60来混合气体燃料与燃烧空气。所述中心体60具有管状内壁61、燃油筒70，所述燃油筒70容纳在所述中心体60中，以允许在液体燃料运行模式中使用液体燃料流或者允许在仅气体燃料模式(liquid fuel operatingmode)下使用净化气体流而不使用液体燃料流，和插入物80。所述筒70设于管状内壁61中从而形成位于筒70的外表面71和管状内壁61之间的外环形空间75。所述筒70大体呈管状并且可以是中空的以用于仅气体喷嘴结构(gas only nozzle construction)，也可设有液体燃料注射器以用于双燃料喷嘴结构。
DLN燃烧室，例如燃烧室20，的运作包括多种燃烧模式，其中一种模式在不混合燃料与空气的情况下通过直接将燃料注射至燃烧区域，从而利用燃烧空气燃烧非预混合的燃料(称为“燃烧模式1”)。在另一种模式中，燃烧室20通过位于在燃料喷嘴30的燃烧管中提供的预混合通道中的燃料辐条注射气体燃料，从而燃烧在进入燃烧室20之前与燃烧气体预先混合的燃料(称为“燃烧模式2”)。在又一种模式中，燃烧室20燃烧通过扩散模式的部分燃料及预混合模式的剩余燃料(称为“燃烧模式3”)。
也就是说，对于燃烧模式1或模式3，筒70进一步构成具有开口端77和位于开口端77对面的限制端78的内环形空间76，并且呈中空状以包含用于仅气体燃料喷嘴设计(gas-only fuel nozzle design)的净化空气。然而在某些情况下，内环形空间76可能不是中空的并且可能设有液体燃料注射器。插入物80设于外环形空间75内位于接近开口端77的轴向位置，并用作针对扩散燃料流的部分障碍物，并改变外环形空间75对通过燃烧室20的受热侧传输的动压波动(dynamicpressure fluctuation)的声响应(acoustic response)。
净化空气回路90与筒70的开口端77流体连通，以在第一个预定义的运行条件，例如仅气体条件，过程中向其中提供净化空气。因此，内环形空间76用于获取通过开口端77提供的净化空气供应。与之相比，外环形空间75可以接纳燃料供应，例如通过燃料/空气回路95供应的扩散燃料和/或净化空气，所述回路95与外环形空间75流体连通。如图1所示，所述燃料/空气回路95沿着至少一个径向向内方向950向外环形空间提供扩散燃料和/或净化空气。这种方法对仅气体运行和燃烧模式1、2和3均有效。
参考图2，插入物80包括相对紧密地围封(envelope)筒70的主体100，所述筒70比所述主体100稍窄。所述主体100在其前构件110处大体呈管状并且在其后构件111处仅部分呈管状。此部分管状物在后构件111处形成轨道120。也就是说，在后构件111处，所述主体100沿着周向弧长LA大体呈管状，但并不通过周向弧长LA2延伸。本发明提供周向弧长LA2，因此所述轨道120可以形成重要的流限制并且可以进行调节，以调整对燃烧动力的声响应。轨道120的纵向长度L实质与外环形空间75的纵轴相对齐，并且在某些情况下与之相平行。这是实现针对流的部分障碍物的一项实例实施例。
如图2所示，主体100包括管状面112、纵向凹形面113和端面114，其中各面均具有对应于主体100的厚度的厚度T。所述端面114和纵向凹形面113均朝向后方，并且纵向凹形面113的平面从端面114的平面沿纵向凹陷，从而形成凹形轨道120的纵向范围。所述管状面112从插入物80的外表面径向延伸至筒70的外表面71。
通过在外环形空间75内围绕筒70提供的插入物80，供应给外环形空间75的扩散燃料和/或净化空气可以在轨道120处沿径向向内方向提供给外环形空间75，然后根据轨道120的形状朝向轴向后方向移动。因此，注射的声压波动就能够得到抑制或根据燃烧室的指定回响频率进行回响，从而吸收目标频率的压力波动和/或减弱由导致燃烧动力减缓的声压造成的放热波动(heat release fluctuations)。
具体而言，由于插入物80可设于接近燃料/空气回路95的一端，因此经由燃料/空气回路95沿径向向内方向提供的燃料和/或净化气体会被引导朝向轨道120，并且所提供的将会在扩散火焰前端进行反应且易受扩散火焰波动影响的进入扩散燃料可被硬化/软化或从声回响失谐，以降低扩散火焰波动并减缓燃气涡轮发动机10的燃烧动力。
根据进一步实施例并参考图3，燃烧动力减缓可以通过进一步改变筒70内体积、上游和下游输送孔的数量以及这些输送孔的直径和孔圈长度来实现。筒70的内体积、位于法兰侧接近开口端77的限制性上游孔、和位于热护罩侧接近闭合端78的声学开放下游输送孔可让筒70用作四分之一波管，以便减弱由燃烧室压力波动造成的声波动。具体而言，筒70的热护罩130，其位于内环形空间76的闭合端78处，可经形成多个贯穿孔131，燃烧室20与喷嘴尖通过多个贯穿孔进行流体连通。多达20个或以上的贯穿孔131可在筒70的中心线周围的卵形布置中提供。各贯穿孔131可实质为直的、且与筒70的纵轴相对齐。
上述多种实施例可单独使用，也可相互结合使用。例如，在燃烧模式1的扩散燃料涡轮机运行过程中，经由插入物80的燃烧燃料为各喷嘴30用于减缓燃烧动力的扩散燃料。对于燃烧模式3运行，各喷嘴30均会应用插入物80且至少有一个喷嘴30具有额外的贯穿孔131。对于先导预混合(PPM)运行，各喷嘴30均会应用插入物80和额外的贯穿孔131并且，对于燃烧模式2的预混合运行，各喷嘴30仅会使用额外的贯穿孔131，以用于燃烧动力减缓。
重新参考图2，插入物80进一步包括头构件140。所述头构件140包括法兰141，所述插入物80通过所述法兰141与中心体60和喷嘴142相接。所述喷嘴142与净化空气回路90相接，从而将净化空气提供至内环形空间76。
尽管本说明书仅结合有限数量的实施例详细介绍了本发明，但应了解，本发明并不局限于此类公开的实施例。相反，本发明可经修改以涵盖所有之前并未介绍、但与本发明的精神和范围相符合的变化、更改、替换或等效配置。另外，尽管介绍了本发明的各种实施例，但应了解，本发明的各个方面可以仅包括前述实施例中的一些实施例。因此，本发明不应被视为受前述说明书的限制，其仅受所附权利要求书范围的限制。

Claims (10)

1.一种燃烧室(20)，其包括：
具有管状内壁(61)的中心体(60)；
筒(70)，其设于所述管状内壁(61)中从而界定位于筒外表面(71)和所述管状内壁(61)之间的外环形空间(75)，以及具有开口端(77)和位于所述开口端(77)对面的闭合端(78)的内环形空间(76)；以及
插入物(80)，其设于所述外环形空间(75)内用于围封接近所述开口端(77)处的所述筒(70)，所述插入物(80)包括具有管状前构件(110)和部分管状后构件(111)的主体(100)，所述部分管状后构件(111)因而形成具有大体上与所述外环形空间(75)的纵轴相对齐的纵轴的凹形轨道(120)。
2.根据权利要求1所述的燃烧室(20)，其特征在于，所述轨道(120)的纵向长度与所述外环形空间(75)的纵轴相平行。
3.根据权利要求1所述的燃烧室(20)，其特征在于，所述内环形空间(76)用于获取通过所述开口端(77)提供的净化空气。
4.根据权利要求1所述的燃烧室(20)，其特征在于，所述轨道(120)和所述外环形空间(75)用于获取扩散燃料供应或净化空气供应。
5.根据权利要求4所述的燃烧室(20)，其特征在于，所述燃料供应或所述净化空气供应在所述轨道(120)处沿径向向内方向注入。
6.根据权利要求1所述的燃烧室(20)，其特征在于，所述筒(70)经进一步形成位于所述闭合端(78)处的多个贯穿孔(131)，
至少一个筒体积、位于法兰侧的限制性上游孔和所述贯穿孔(131)可以让所述筒减弱由燃烧室压力波动造成的声波动。
7.根据权利要求1所述的燃烧室(20)，其特征在于，所述主体(100)的所述后构件(111)包括管状面(112)、凹形面(113)和端面(114)，所述凹形面(113)在所述轨道(120)处从所述端面(114)沿纵向凹陷，且所述管状面(112)从所述插入物(80)的外表面径向延伸至所述筒(70)的所述外表面，且其中所述凹形面(113)部分阻挡扩散燃料流并改变所述外环形空间对动压波动的声响应。
8.根据权利要求1所述的燃烧室(20)，其特征在于，所述插入物(80)进一步包括头构件(140)，所述头构件包括：
与所述中心体(60)相接的法兰(141)；以及
与净化空气回路相接的喷嘴(142)。
9.一种燃气涡轮发动机(10)，其包括：
燃烧室(20)；以及
多个设于所述燃烧室(20)的头端上游且排列在公用中心轴周围的喷嘴(30)，每个喷嘴(30)包括：
中心体(60)，其中设有筒(70)从而形成：位于所述中心体(60)与所述筒(70)之间的外环形空间(75)，以及具有开口端(77)和位于所述开口端(77)对面的闭合端(78)的内环形空间(76)，以及
插入物(80)，其设于所述外环形空间(75)内用于围封接近所述开口端(77)处的所述筒(70)，所述插入物(80)包括具有管状前构件(110)和部分管状后构件(111)的主体(100)，
所述部分管状后构件(111)因而形成具有实质上与所述外环形空间(75)的纵轴以及公用中心轴相对齐的纵轴的凹形轨道(120)。
10.根据权利要求17所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，可以在多种燃烧模式中运行，所述燃烧模式包括第一模式、第二模式和第三模式。
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