CN102620315A - 火焰保持抑制器和相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及火焰保持抑制器和相关方法。火焰保持抑制器(90)包括基底部分(116)和从基底部分延伸出去的直立支撑件(107)；在直立支撑件上的至少一个三角翼形折片(92)，其各具有较尖端部(96)和较钝端部(100)。

Description

火焰保持抑制器和相关方法

技术领域

本发明涉及燃气涡轮燃烧器，并且尤其地，涉及用于与设置在燃烧器燃料喷嘴上游的贫燃前喷嘴注射器扩散器一起利用的火焰保持抑制器。

背景技术

在某些陆基燃气涡轮多燃烧器构型中，单独燃烧器以围绕燃气涡轮壳体的环形阵列配置，各燃烧器供应燃烧气体到涡轮的第一级。各燃烧器利用来自压缩器的空气以如下方式供应，即使得压缩器空气倒转流到环形空气通道，其设置在一方面的径向内部且轴向对齐的过渡件和燃烧室衬套和另一方面的径向外部、轴向对齐流动套管之间。压缩器空气通常通过在流动套管中提供的冲击冷却开孔流进通道，从而还在进口或燃烧器的头部端部倒转流动之前提供冷却到过渡件和燃烧器衬套。

在一个低NOx燃烧器构型中，五个径向外部喷嘴围绕第六个中心喷嘴。在该配置中，三个预混合歧管供应燃料到六个燃烧装置，而第四个预混合歧管供应燃料到配置在空气通道中的多个燃料桩(peg)，空气通道在支撑六个喷嘴的燃烧器的头部端部的上游供应燃烧空气到燃烧器。虽然在燃料桩中没有意图的燃烧，但是当燃料桩操作时，在该贫燃前喷嘴燃料注射扩散器中的火焰保持仍然是问题。出现在扩散器中的火焰保持主要由局部富燃料空气混合物导致，该局部富燃料空气混合物由不令人满意的混合和围绕翼型形状的燃料桩的后缘的局部流动分离产生，尤其在大攻角下。因此将期望通过引入二次流动到燃料/空气射流混合地带以消除沿燃料桩的后缘的尾流区并且以提升局部空气/燃料混合来消除流动分离。

发明内容

根据第一示范但非限制的实施例，本发明提供火焰保持抑制器，其包括：基底部分和从基底部分延伸出去的直立支撑件；和在直立支撑件上的至少一个三角翼形折片，其具有较尖端部和较钝端部。

在另一示范但非限制的方面，本发明提供合并一个或者多个燃烧器的涡轮燃料系统，各燃烧器包括：燃烧器衬套，其具有支撑多个喷嘴的头部端部和适合于连接到过渡件的尾部端部，该过渡件在利用中以第一方向携带热燃烧气体到第一涡轮级；套管，其围绕燃烧器衬套从而限定用于压缩器空气的环形流动路径，压缩器空气在利用中以第二对立方向沿环形流动路径流动，并且然后在头部端部倒转到第一方向并且流进燃烧器衬套；多个燃料桩，其设置在环形流动路径中径向地在燃烧器衬套与流动套管之间，邻近头部端部并且在头部端部的上游；和多个火焰保持抑制器，其设置在燃料桩上游并且接近燃料桩。

在又一示范但非限制的方面，本发明提供增强在燃烧器中的火焰保持裕度和燃料/空气预混合的方法，燃烧器包括在供应燃烧空气到燃烧器的空气通道中的多个径向定向燃料桩，其中多个径向定向燃料桩设置在支撑于燃烧器的端部盖中的燃料喷嘴的上游，方法包括：(a)提供火焰抑制器，其邻近所述多个径向定向燃料桩中的每一个并且在多个径向定向燃料桩中的每一个的上游；(b)将火焰抑制器相对于多个径向定向燃料桩的每一个中的燃料输送开孔对齐，使得旋涡在燃烧空气中产生，足以确保从燃料输送开孔中流出的燃料的预混合，并且足以防止燃料附着到所述多个径向定向燃料桩中的每一个的外表面。

本发明现在将关于以下确定的附图更详细地描述。

附图说明

图1是通过已知燃气涡轮燃烧器的简化截面；

图2是图1的燃烧器配置的简化前部端部视图；

图3是根据本发明的示范但非限制的实施例的四元(quaternary)燃料桩和火焰保持抑制器的局部透视图；

图4是从图3中取得的火焰保持抑制器器件的放大透视图；

图5是不具有邻近火焰保持抑制器的燃料桩的简化流动图；并且

图6是类似于图5但示出当火焰保持抑制器设置在四元燃料桩上游并且邻近四元燃料桩时的流动的简化流动图。

部件列表

10发动机

12压缩器

14燃烧器

16涡轮

18第一级喷嘴

20进口空气

22空气

24发动机壳体

26过渡件或过渡导管

28出口端部

30进口端部

32燃烧气体

34燃烧器壳体

36开放尾部端部

38螺栓

40前部端部

42盖组件

44控制系统

46流动套管

48尾部端部

50外壁

52前部端部

54径向凸缘

56对接接头

58前部区段或壳体

60尾部区段

62燃烧器衬套

64尾部端部

66内壁

68前部端部

70衬套帽组件

72支柱

73帽内部带

74环形通道或流动路径

76孔

78火花塞

80交叉火焰(cross-fire)管道

82燃烧地带

84外部喷嘴组件

85中心喷嘴组件

86燃料桩

88燃料输送孔口

90燃料注射扩散器或火焰保持抑制器

92三角翼

94三角翼

96尖锐或尖角前端

98尖锐前端

100更宽或钝头后端

102更宽或钝头后端

104板料

106开孔或孔

108在前边缘

110尾部边缘

112额外折片

114额外折片

116基底

118外缘或上缘

120尾流区或气泡区域

具体实施方式

初始参考图1和图2，燃气涡轮发动机10包括压缩器12、燃烧器14和涡轮16。在图1中仅仅示出涡轮16的第一级喷嘴18。在示范实施例中，涡轮16利用由单一共用轴(未示出)连接的转子(未示出)驱动地联接到压缩器12。压缩器12对进口空气20加压，进口空气20然后引导到燃烧器14的阵列(未示出)，在燃烧器14中进口空气20冷却燃烧器14并且提供空气到燃烧过程。更尤其地，引导进燃烧器的空气22以大体与通过发动机10的空气流相对的方向流动。在示范实施例中，燃气涡轮发动机10包括围绕发动机壳体24周向定向的多个燃烧器14。更尤其地，在示范实施例中，燃烧器14例如但不受限于燃烧器的所谓“环管”配置。

在示范实施例中，发动机10包括双重壁过渡导管26。更尤其地，在示范实施例中，过渡导管26在各燃烧器14的出口端部28与涡轮16的进口端部30之间延伸以引导燃烧气体32进入涡轮16。而且，在示范实施例中，各燃烧器14包括大致柱形燃烧器壳体34。燃烧器壳体34在开放尾部端部36联接到发动机壳体24。燃烧器壳体34可利用例如但不受限于利用使发动机10能够如本文中所述地运行的螺栓38、机械紧固件(未示出)、焊接和/或任何其它适当联接装置来联接到发动机壳体24。在示范实施例中，燃烧器壳体34的前部端部40联接到端部盖组件42。端部盖组件42包括例如用于引导气体燃料、液体燃料、空气和/或水进入燃烧器的供应管道、歧管、阀和/或使发动机10能够如本文中所述地运行的任何其它构件。在示范实施例中，在端部盖组件42内的构件联接到用于至少控制进入燃烧器14的空气和燃料的控制系统44。控制系统44可例如但不受限于使燃烧器14能够如本文中所述地运行的计算机系统和/或任何其它系统。

在示范实施例中，大致柱形流动套管46联接在燃烧器壳体34内，使得流动套管46与壳体34大致同心对齐。流动套管46在尾部端部48处联接到过渡导管26的外壁50并且在前部端部52处联接到燃烧器壳体34。更尤其地，在示范实施例中，前部端部52通过例如在对接接头56处联接套管46的径向凸缘54到燃烧器壳体34来联接到燃烧器壳体34，使得壳体34的前部区段58和尾部区段60对彼此联接。可选地，套管46可利用使发动机10能够如本文中所述地运行的任何其它适当联接组件来联接到壳体34和/或过渡导管26。

在示范实施例中，流动套管46包括联接在其中的燃烧衬套62。燃烧衬套62在流动套管46内大致同心对齐，使得尾部端部64联接到过渡导管26的内壁66，并且使得前部端部68联接到燃烧衬套帽组件70。燃烧衬套帽组件70通过多个支柱72和关联安装组件(未示出)固连在燃烧器壳体34内。在示范实施例中，空气通道74限定在衬套62与流动套管46之间，并且限定在过渡导管内壁66与外壁50之间，并且限定在帽内筒73与前部壳体58的内壁之间。过渡导管外壁50包括在其中形成的使来自压缩器12的压缩空气20能够进入空气通道74的多个孔76。在示范实施例中，空气22以与流20的方向相对的方向从压缩器12朝向端部盖组件42流动。

而且，在示范实施例中，燃烧器14还包括多个火花塞78和多个交叉火焰管道80。火花塞78和交叉火焰管道80延伸通过在衬套62中的端口(未示出)，端口限定在燃烧地带82内在燃烧衬套帽组件70的下游。火花塞78和交叉火焰管道80点燃各燃烧器14内的燃料和空气以产生燃烧气体32。

在示范实施例中，多个燃料喷嘴组件联接到端部盖组件42。更尤其地，在示范实施例中，燃烧器14包括六个喷嘴组件，包括围绕中心喷嘴组件85配置的五个外部喷嘴组件84，中心喷嘴组件85的中心落在燃烧器的纵向轴线A上。可选地，燃烧器14可包括多于或者少于五个的燃料喷嘴组件400。在示范实施例中，外部燃料喷嘴组件84以围绕中心喷嘴85和燃烧器14的中心线A的大体圆形阵列配置，图2中最佳可见。可选地，燃料喷嘴组件400可以以非圆形阵列配置。

而且，在示范实施例中，燃烧器14包括多个燃料桩86，其从燃烧器壳体34径向延伸进空气通道74，并且大致限制燃料喷嘴组件84。燃料桩86因而设置在燃烧器的头部端部的上游，并且因而设置在空气倒转方向并且流入喷嘴空气进口端部87的位置的上游。

现在参考图3，示出在周向间隔位置处径向延伸进空气通道74的多个四元燃料桩86。可存在多达16个或更多个桩，每一个具有大致对称、翼型形状，其中前缘面对上游，即以与通道74中的空气流相对的方向。各燃料桩86可形成为带有在桩的各侧上的成对的燃料输送孔口88。孔口可径向对齐，如图3所示，使得从孔口88喷射出的燃料以横穿空气流的方向从桩的各侧流进通道74。

在示范但非限制的实施例中，并且额外参考图4，贫燃前喷嘴燃料注射扩散器(还称作火焰保持抑制器或旋涡发生器)90设置在每一个燃料桩86的上游(但接近每一个燃料桩86)。由于火焰保持抑制器大致相同，所以仅仅一个需要详细描述。通过具体参考图4，火焰保持抑制器90可由金属板建造，并且包括至少一个且优选的两个大致相同、径向对齐的三角形板或三角翼92、94，其朝向彼此形成角度，使得尖锐前端96、98几乎接触，而钝头或更宽的后端100、102径向间隔。三角翼92、94从形成用于三角翼的直立支撑件107的单一件板料104切割(例如通过激光切割)和弯曲。更尤其地，在板中制成水平切割，其从便于切割和弯曲过程的设置在板的在前边缘108与尾部边缘110之间的开孔106延伸。沿板的厚度并且在板的厚度内的竖直(或径向)切割允许材料的折片被“剥离”并且以对立方向弯曲以形成三角翼92、94。在后缘的三角翼之间的径向距离由在其间的发散角确定，该径向距离取决于在下游邻近燃料桩86中的燃料输送孔口88的位置。在板的下部(或径向内部)端部处的额外切割允许两额外折片112、114的弯曲以对立方向弯曲以形成基底116，通过这火焰保持抑制器通过例如焊接或其它适当手段附连到燃烧器衬套62或帽内筒73。注意火焰保持抑制器的径向外部边缘118不需要延伸至流动套管。更重要地是如下文进一步解释的三角翼92、94相对于燃料输送孔口88的位置。

在可选配置中，抑制器90可旋转180°以致面对相对于图3的定向的对立方向。换言之，对该可选配置，抑制器90的尖角或尖锐前端96、98将面对下游方向。可要求燃料输送孔口88的位置的进一步调整以优化空气/燃料混合并且防止燃料在由抑制器产生的旋涡的中心停滞。

将理解火焰保持抑制器90还可以以其它方式形成并且可包括多于一个构件部件。如上文所述，例如，抑制器90可形成为带有一个而不是一对三角翼。

如图3中所示安装，三角翼92、94指向上游方向(即其中尖角或尖锐前端96、98面对上游)并且如上文所述，三角翼92、94的前端96、98的位置可相对于在燃料桩86中的燃料输送孔口88的位置调整，以获得最优燃料/空气混合和附着到桩的流动分离地带的最小化，如果不是消除的话，如下文进一步描述地。

图5是燃料桩86和以大约20°的攻角冲击前缘118的通道74中的空气流的示意图。没有在适当位置的火焰抑制器，流动沿桩的后缘部分分离，从而在尾流区或“气泡”区域120产生流动分离地带，其扭曲并且收集在桩的表面上的燃料质量部分。当非意图的火焰事件出现时，在气泡区域中的局部富燃料/空气混合物火焰可稳定或保持在桩上。图6是类似视图，但示出当火焰保持抑制器90安装在桩86的上游时穿过桩86的流动的变更。现在，尾流区或气泡区域120中的流动分离地带被由火焰保持抑制器90的三角翼92、94生成的二次流动或旋涡基本消除。此外，因为从燃料输送孔口88进入路径74的燃料与由三角翼92、94生成的引入流对齐，所以局部富燃料流被增强的局部燃料/空气混合冲走。

当引入的空气流过抑制器时，二次流动(在垂直于总体流动方向的平面上的流动)形成旋涡，消除尾流区并且增强局部混合。

因此将理解本文中所述的火焰保持抑制器的益处是两部分：1.现有四元燃料桩的火焰保持裕度能通过消除桩附近的流动分离地带而改进；和2.提升了高效的燃料/空气混合，从而通过使全部燃料的大部分与燃烧器燃料喷嘴的上游的引入空气混合来提供NO_X排放的进一步降低的可能。

还将理解火焰保持抑制器设计还可在其它地方使用，例如在燃烧器的射流混合地带，并且抑制器可以具有以类似方式执行以获得类似结果的其它形状。

虽然本发明已经关于当前认为是最实用并且优选的实施例描述，但是应当理解本发明不受限于公开的实施例，而是正相反，本发明意图覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效配置。

Claims (14)

1.一种火焰抑制器(90)，包括：

基底部分(116)和从所述基底部分延伸出去的直立支撑件(107)；和

在所述直立支撑件上的至少一个三角翼形折片(92)，其具有较尖端部(96)和较钝端部(100)。

2.根据权利要求1所述的火焰抑制器，其特征在于，所述至少一个三角翼形折片包括成对的大致竖直对齐的三角翼形折片(92，94)，其配置成使得所述三角翼形折片以相对于所述三角翼形折片之间的水平中心线(CL)的为锐角的对角延伸。

3.根据权利要求2所述的火焰抑制器，其特征在于，所述成对的大致竖直对齐的三角翼形折片(92，94)设置在所述基底部分(116)上方并且设置在所述直立支撑件(107)的上缘下方。

4.根据权利要求2所述的火焰抑制器，其特征在于，所述成对的大致竖直对齐的三角翼形折片(92，94)以从所述较尖端部(96，98)到所述较钝端部的方向分开。

5.根据权利要求2所述的火焰抑制器，其特征在于，所述直立支撑件(107)具有在前边缘(108)和在后边缘(110)，所述较尖端部(96，98)设置成在所述在前边缘与在后边缘之间的大致中间位置。

6.根据权利要求5所述的火焰抑制器，其特征在于，所述较尖端部(96，98)从在所述直立支撑件(107)中形成的孔(106)延伸。

7.根据权利要求6所述的火焰抑制器，其特征在于，所述三角翼形折片(92，94)以相对于水平中心线(CL)的为30°锐角的对角延伸，所述水平中心线(CL)通过所述孔(106)并且在所述三角翼形折片之间，并且大致垂直于所述直立支撑件(107)。

8.根据权利要求2所述的火焰抑制器，其特征在于，所述基底部分(116)、所述直立支撑件(107)和所述成对的大致竖直对齐的三角翼形折片(92，94)由单一件金属料(104)形成。

9.一种合并一个或多个燃烧器(14)的涡轮燃料系统，各燃烧器包括：

燃烧器衬套(62)，其具有支撑多个喷嘴(84，85)的头部端部和适合于连接到过渡件(26)的尾部端部，所述过渡件在利用中以第一方向携带热燃烧气体到第一涡轮级；

套管(46)，其围绕所述燃烧器衬套从而限定用于压缩器空气的环形流动路径(74)，所述压缩器空气在利用中以第二、对立方向沿所述环形流动路径流动，并且然后在所述头部端部倒转到所述第一方向并且流进所述燃烧器衬套(62)；

多个燃料注射桩(86)，其设置在所述环形流动路径中、径向地在所述燃烧器衬套与所述流动套管之间、邻近所述头部端部并且在所述头部端部的上游；和

多个火焰抑制器(90)，其设置在所述多个燃料注射桩上游并且接近所述多个燃料注射桩。

10.根据权利要求9所述的涡轮燃料系统，其特征在于，所述多个火焰抑制器(90)以围绕所述环形流动路径(74)的周向间隔关系、与所述多个燃料注射桩(86)大致轴向对齐地配置。

11.根据权利要求9所述的涡轮燃料系统，其特征在于，各火焰抑制器(90)包括基底部分(116)和从所述基底部分延伸出去的直立支撑件(107)；

在所述直立支撑件上的成对的大致竖直对齐的三角翼形折片(92，94)，其各具有较尖端部(96，98)和较钝端部(100，102)，并且布置成使得所述三角翼形折片(92，94)以彼此相对的为锐角的对角延伸。

12.根据权利要求9所述的涡轮燃料系统，其特征在于，所述成对的大致竖直对齐的三角翼形折片(92，94)设置在所述基底部分(116)上方并且设置在所述直立支撑件的上缘(118)下方。

13.根据权利要求9所述的涡轮燃料系统，其特征在于，所述成对的大致竖直对齐的三角翼形折片(92，94)以从所述较尖端部(96，98)到所述较钝端部(100，102)的下游方向分开，所述较钝端部设置成分别接近所述多个燃料注射桩中的径向内部和外部燃料孔口(88)。

14.一种增强在燃烧器(14)中的火焰保持裕度和燃料/空气预混合的方法，所述燃烧器(14)包括在供应燃烧空气到所述燃烧器的空气通道(74)中的多个径向定向燃料桩(86)，其中，所述多个径向定向燃料桩(86)设置在支撑于所述燃烧器的端部盖中的燃料喷嘴(84，85)的上游，所述方法包括：

(a)提供火焰抑制器(90)，其邻近所述多个径向定向燃料桩(86)中的每一个并且在所述多个径向定向燃料桩(86)中的每一个的上游；

(b)将所述火焰抑制器(90)相对于所述多个径向定向燃料桩(86)的每一个中的燃料输送开孔(88)对齐，使得旋涡在所述燃烧空气中产生，足以确保从所述燃料输送开孔(88)中流出的燃料的预混合，并且足以防止燃料附着到所述多个径向定向燃料桩(86)中的每一个的外表面。

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