CN102721084B - 燃烧器联焰管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种燃烧器联焰管，用于混合气流和燃料流。该燃烧器可以包括用于气流的气道、位于气道中用于燃料流的多个燃料喷射器以及位于燃料喷射器上游的气道内的联焰管。联焰管可以包括位于其下游侧上的多个吹扫孔，以减小由气道中的联焰管造成的气流中的尾流。
Description
技术领域
本发明总体涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及具有联焰管(crossfiretube)的燃气涡轮发动机燃烧器，联焰管具有定位在其中的吹扫孔，以限制其下游的尾流(wake)或其它类型的流动干扰。
背景技术
在传统的燃气涡轮发动机等中，操作效率通常随着燃烧流的温度的增加而提高。但是，较高的燃烧流温度可以导致产生较高水平的氮氧化物(“NOX”)和其它类型的不期望的排放物。这些排放物可以同时受到美国联邦和国家规定的制约，并且还受到国外类似的规定的制约。因此，在高效温度范围内对燃气涡轮发动机进行操作的同时还保证氮氧化物的输出以及其它类型的规定排放物保持在强制水平以下之间进行平衡。
若干类型的已知的燃气涡轮发动机设计(例如那些使用干式低NOX(“DLN”)燃烧器的设计)通常对反应区或燃烧区上游的燃料流和气流进行预混合，以便通过多个预混合燃料喷嘴降低氮氧化物排放物。这样的预混合易于降低总体燃烧温度，并且因此降低氮氧化物排放物等。
但是，预混合可能会有若干操作问题，例如火焰稳定、回火、自动点火等。当使用高反应性燃料时，这些问题可能尤其是值得考虑的。例如，在给定点火源的条件下，在具有任何显著部分的氢或其它类型的燃料时，火焰可以出现在燃料喷嘴上游的燃烧器的头部端。因此，任何类型的富含燃料的凹部都可以维持火焰，并且对燃烧器造成损坏。
其它的预混合问题可能是由燃料流和气流中的不规则性造成的。例如，存在可以通过流套筒与衬套之间的进入通路破坏流动的若干流动阻碍件。通过具有将燃料喷射到头部端上游的气流中的燃料喷射器叶片的燃烧器，这些流动干扰可以在叶片的后缘上产生流动再循环区域。这些再循环区域可以导致可燃的燃料空气混合物的稳定凹部(stablepockets)，从而能够在给定点火源的条件下接着导致火焰稳定(flameholding)或者其它类型的燃烧事件。
流动阻碍件的一个示例是联焰管(crossfiretube)。总体而言，联焰管可以用于连接邻近的燃烧器筒。联焰管通过邻近燃烧筒中的已点燃燃料提供一个燃烧筒中燃料的点火。因此，联焰管消除了对各个筒中的单独点火器的需要。联焰管还用于平衡邻近的燃烧器筒之间的压力。联焰管通常位于预混合燃料喷射器的上游，并且通过衬套与流套筒之间的进入流路。这样一来，联焰管可能造成可以包围一个或多个预混合燃料喷射器的流路中的尾流(wake)。如上所述，这样的尾流可以造成再循环区域，并且因此造成燃料稳定以及其它类型的流动干扰。
因此，需要一种改进的燃烧器设计。这样的改进的设计应当适应由联焰管等造成的流动干扰，从而避免火焰稳定、回火、自动点火以及其它类型的流动干扰(flowdisturbance)。此外，这样的改进应当使得效率提高以及部件寿命延长。
发明内容
因此，本发明以及所得到的专利提供一种用于混合气流和燃料流的燃烧器。该燃烧器可以包括：用于气流的气道；多个燃料喷射器，所述多个燃料喷射器位于气道中以用于燃料流；以及联焰管，所述联焰管位于气道内，处于燃料喷射器的上游。联焰管可以包括位于其下游侧上的多个吹扫孔，以减小由气道中的联焰管造成的气流中的尾流。
所述气道由衬套和流套筒限定。所述多个吹扫孔位于多个列中；所述多个吹扫孔包括周向方向；所述多个吹扫孔位于多个分组中；所述多个吹扫孔还可包括轴向方向。所述燃烧器进一步包括流动通过所述多个吹扫孔的吹扫气体流，所述吹扫气体流产生了位于所述联焰管下游的边界层吸力区域。所述尾流在所述燃料喷射器的上游处被消除或减小。所述燃烧器进一步包括一对燃烧器，并且其中所述联焰管在所述一对燃烧器之间延伸。所述燃烧器进一步包括所述多个燃料喷射器下游处的多个燃料喷嘴；及位于所述多个燃料喷嘴下游处的燃烧区。
本发明以及所得到的专利进一步提供一种操作预喷嘴燃料喷射系统的方法。该方法可以包括以下步骤：使空气流动通过气道；使燃料流动通过多个燃料喷射器；在具有联焰管的燃料喷射器上游的气流中产生尾流；使吹扫气体流动通过联焰管中的多个吹扫孔；在联焰管附近产生边界层吸力区域；以及通过边界层吸力区域消除或减小燃料喷射器上游的尾流。
所述方法进一步包括减小所述多个燃料喷射器附近的再循环区域的步骤，和降低所述多个燃料喷射器附近的火焰稳定的步骤。
本发明以及所得到的专利进一步提供一种用于混合气流和燃料流的燃烧器。该燃烧器可以包括用于气流的气道、位于气道中用于燃料流的多个燃料喷射器，以及位于燃料喷射器上游的气道内的联焰管。联焰管可以包括位于其下游侧上的一个或多个吹扫孔，吹扫气体流流动通过联焰管，从而产生联焰管下游的边界层吸力区域。
所述一个或多个吹扫孔位于多个列中，可包括周向方向；所述一个或多个吹扫孔位于多个分组中，可包括轴向方向。
通过结合若干附图和所附权利要求阅览下文的详细说明，本发明以及所得到的专利的这些以及其它的特征和改进对于本领域技术人员而言将变得可实现。
附图说明
图1是可以在本说明书中使用的已知的燃气涡轮发动机的示意图。
图2是已知的燃烧器的侧视横截面图。
图3是可以在本说明书中进行描述的具有联焰管的燃烧器的局部透视图。
图4是可以在本说明书中进行描述的具有联焰管的燃烧器的备选实施例。
图5是图3和图4的联焰管的操作示意图。
附图标记列表：
10燃气涡轮发动机
15压缩机
20气流
25燃烧器
30燃料流
35燃烧气体流
40涡轮机
45负载
50燃烧室
55燃料喷嘴
60进入气道
65衬套
70流套筒
75壳体
80流动阻碍件
85联焰管
100燃烧器
110气道
120衬套
130流套筒
140燃料喷射器
170联焰管
180吹扫孔
190下游侧
200列
210周向方向
220分组
230轴向方向
240吹扫气体
250边界层吸力区域
260尾流
具体实施方式
现在参照附图，其中相似的附图标记在全部若干视图中代表相似的元件，图1示出了可以在本说明书中使用的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可以包括压缩机15。压缩机15压缩进入的气流20。压缩机将压缩的气流20输送到燃烧器25。燃烧器25将压缩的气流20与压缩的燃料流30混合，并且对混合物进行点火以产生燃烧气体流35。尽管仅示出了单个燃烧器25，但是燃气涡轮发动机10可以包括任何数量的燃烧器25。燃烧气体流35接着输送至涡轮机40。燃烧气体流35对涡轮机40进行驱动，从而产生机械功。涡轮机40中产生的机械功对压缩机15以及例如发电机等外部负载45进行驱动。
燃气涡轮发动机10可以使用天然气、各种类型的合成气以及/或者其它类型的燃料。燃气涡轮发动机10可以是由Schenectady(NewYork)的GeneralElectricCompany提供的多种不同的燃气涡轮发动机中的任何一种等。燃气涡轮发动机10可以具有不同的构造并且可以使用其它类型的部件。本发明还可以使用其它类型的燃气涡轮发动机。本发明还可以同时使用多种燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮机以及其它类型的发电设备。
图2示出了可以与燃气涡轮发动机10一起使用的已知的燃烧器25的一部分的简化示例。总体而言，燃烧器25可以包括燃烧室50，燃烧室50具有定位在其中的多个燃料喷嘴55。气流20可以通过进入气道60从压缩机15进入燃烧器25。燃烧室50的衬套65与流套筒70之间可以限定进入气道60。壳体75可以包绕流套筒70。气流20可以沿进入气道60行进，并且接着围绕燃料喷嘴55反转方向。气流20和燃料流30可以在燃烧室50内的燃料喷嘴55的下游处进行点火，使得燃烧气体流35可以被导向涡轮机40。本发明中还可以使用其它构造和其它部件。
如上所述，多个流动阻碍件80也可以位于进入气道60内。这些流动阻碍件80可以是例如多个联焰管85的结构。联焰管85可以在壳体75与流套筒70之间延伸，并且朝向衬套65延伸通过流套筒70。其它类型的阻碍件80可以包括衬套贯穿件、衬套止动件等。这些流动阻碍件80可以产生低速尾流、或者低速再循环区域或负速度再循环区域。尾流或再循环区域可以包围一个或多个燃料喷射器，并且/或者产生其它类型的局部流动干扰。因此，进入气道60内的燃料流30可以在尾流或再循环区域内被拉向上游。尽管这些流动阻碍件80可以造成这些流动干扰，但是例如联焰管85的结构对于高效燃烧器操作而言在其它方面是需要的。
图3示出了在本说明书中进行描述的燃烧器100的一部分。具体而言，气道110可以构造在衬套120与流套筒130之间、以用于气流20通过其中。气道110也可以构造在其它结构之间。燃烧器100可以包括位于气道110中的多个燃料桩(fuelpegs)或燃料喷射器140。燃料喷射器140同样可以具有气动翼型或流线型，以优化火焰稳定阻力。本发明还可以使用其它的形状。可以使用任何尺寸或位置的、任何数量的燃料喷射器140。每个燃料喷射器140都可以在其中的一侧或两侧上具有任何尺寸或位置的多个喷射器孔。本发明也可以使用其它构造和其它部件。
燃烧器100还可以包括一个或多个联焰管170。如上所述，联焰管170可以延伸通过衬套120和流套筒130，并且可以位于气道110内。除了连接邻近的燃烧器100，联焰管170的一个辅助功能是提供吹扫空气(purgeair)。吹扫空气可以在大约压缩机排放压力下供给至联焰管170，从而防止不期望的相邻燃烧器100之间的未燃烧燃料的迁移。这样一来，联焰管170中的每一个都具有多个吹扫孔180。吹扫孔180可以具有任何期望的尺寸或形状，并且可以使用任何数量的吹扫孔180。尽管示出了多个吹扫孔180，但是本发明可以使用单个吹扫孔180。吹扫孔180可以是连续的、间断的或者其组合。
在这个示例中，吹扫孔180可以在联焰管170的下游侧190附近定位。图3示出了在周向方向上延伸的多个列200中的吹扫孔180的示例。图4示出了位于在轴向方向230上延伸的分组200中的吹扫孔180的示例。本发明可以使用任何构造或取向的任何数量的列200或分组220，其中的每一个以及/或者其组合中具有任何数量的吹扫孔180。
在使用中，吹扫气体流240在大约压缩机排放压力下进入吹扫孔180。因此，在流套筒130附近存在压降的情况下(就压缩机排放压力的百分比而言)，吹扫孔180在联焰管170的下游侧190上的定位产生了边界层吸力区域250。这个边界层吸力区域250造成由通过联焰管170的气流20产生的尾流260的尺寸在宽度和长度上都减小。这样一来，可以在尾流260到达燃料喷射器140之前将尾流260消除或减小。
因此，尾流260的减小或消除可以减少下游流动干扰以及出现再循环区域的可能性。这样的再循环区域的消除还应当减小火焰稳定的可能性。可以对吹扫孔180的设置以及尺寸进行优化，以便使边界层吸力区域250最大化，从而减小或消除尾流260。减小尾流260还应当使得能够尽早导入燃料，从而减少壳体腐蚀等。此外，吹扫孔180的下游定位应当减小两端的压降。吹扫孔180的设置和限定还可以增加跨过联焰管170的热量传递，从而使其寿命延长。
应该显而易见的是，上文仅涉及本发明的特定实施例以及所得到的专利。本领域技术人员可以在不脱离由所附权利要求及其等同形式限定的本发明的总体精神和范围的前提下对本说明书进行多种变化和改型。
Claims (15)
1.一种用于混合气流(20)和燃料流(30)的燃烧器(100)，其包括：
衬套，其内界定燃烧室(50)；
流套筒，围绕所述衬套设置；
用于引导所述气流(20)的气道(110)，所述气道界定于所述衬套和所述流套筒之间；
多个燃料喷射器(140)，所述多个燃料喷射器(140)位于所述气道(110)中、以用于引导所述燃料流(30)；以及
联焰管(170)，所述联焰管(170)位于所述气道(110)内，处于所述多个燃料喷射器(140)的上游；
其中，所述联焰管(170)包括设于下游侧(190)的多个吹扫孔(180)，所述多个吹扫孔构造成减小由所述气道(110)中的所述联焰管(170)的所述下游侧造成的所述气流(20)中的尾流(260)。
2.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述气道(110)在所述衬套(120)和所述流套筒(130)之间周向延伸。
3.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述多个吹扫孔(180)排列成多个列(200)，每一列沿所述下游侧轴向延伸。
4.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述多个吹扫孔(180)中的每一个具有纵长的形状，并沿所述联焰管(170)的所述下游侧周向延伸。
5.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述多个吹扫孔(180)排列成多个分组(220)，每一分组沿所述联焰管(170)的所述下游侧延伸。
6.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述多个吹扫孔(180)中的每一个具有纵长的形状，并沿所述联焰管(170)的所述下游侧轴向延伸。
7.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述燃烧器(100)的所述多个吹扫孔(180)构造成允许吹扫气体流(240)从中通过并流入到所述联焰管内。
8.根据权利要求7所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述多个吹扫孔构造成产生位于所述联焰管(170)的所述下游侧下游的边界层吸力区域(250)。
9.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述多个吹扫孔构造成使得所述尾流(260)在所述燃料喷射器(140)的上游处被消除或减小。
10.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述联焰管(170)构造成在所述燃烧室和另一燃烧器(100)的燃烧室之间延伸。
11.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其特征在于，所述燃烧器(100)进一步包括设于所述多个燃料喷射器(140)下游处的多个燃料喷嘴(55)。
12.根据权利要求11所述的燃烧器(100)，其特征在于，燃烧区(50)设于所述多个燃料喷嘴(55)下游处。
13.一种操作预喷嘴燃料喷射系统(90)的方法，所述方法包括以下步骤：
使空气(20)流动通过界定于衬套和燃烧器的流套筒之间的气道(110)；
使燃料(30)流动通过设置于所述气道内的多个燃料喷射器(140)；
通过设置在所述气道内联焰管(170)在所述燃料喷射器(140)上游的气流(20)中产生尾流(260)，其中所述联焰管包括设于其下游侧(190)的多个吹扫孔(180)；
使吹扫气体(240)流动通过所述联焰管(170)中的所述多个吹扫孔(180)，并进入到所述联焰管内；
在所述联焰管(170)的所述下游侧下游产生边界层吸力区域(250)；以及
通过所述边界层吸力区域(250)消除或减小所述多个燃料喷射器(140)上游处的所述尾流(260)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括减小所述多个燃料喷射器(140)附近的再循环区域的步骤。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括降低所述多个燃料喷射器(140)附近的火焰稳定的步骤。
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