CN102859281A - 具有波瓣混合器的燃料喷射器和旋流器组件 - Google Patents

具有波瓣混合器的燃料喷射器和旋流器组件 Download PDF

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Abstract

公开了一种燃气轮机燃料喷射器和旋流器组件(58)，包括：递送管结构(44)，该递送管结构(44)布置在燃料喷射器和旋流器组件(58)的中轴上；第一燃料供给通道(43)，该第一燃料供给通道(43)布置在递送管结构(44)中；罩(57)，该罩(57)环绕递送管结构(44)，旋流叶片(46)布置在递送管结构(44)和罩(57)之间；位于每个旋流叶片(46)中的径向通路(45)，与第一燃料供给通道(43)连通；一组孔口(47)，该孔口(47)开口在所述每个旋流叶片(46)的外表面(48)和径向通路(45)之间；其中延伸至递送管结构(44)的下游端(51)的第二燃料供给通道(50)布置在递送管结构(44)中，并且具有用于燃料喷射的波瓣(55)的混合器(52)布置在下游端(51)。此外还公开了一种用于组装燃料喷射器和旋流器组件(58)的组装方法。

Description

具有波瓣混合器的燃料喷射器和旋流器组件
技术领域
本发明涉及一种用于燃气轮机的燃料喷射器和旋流器组件。另外，本发明涉及一种燃烧系统。本发明还涉及一种燃气轮机。此外，本发明涉及用于组装燃料喷射器和旋流器组件的组装程序。
背景技术
天然气价格的上涨已经将燃气轮机的研制推向考虑替代燃料的方向，替代燃料例如所谓的合成气体。这些气体一般来自如煤、石油焦或生物能的固体给料的气化处理。在燃气轮机中使用合成气体涉及到比标准的天然气更大体积流量的燃料喷射。为了实现现代燃气轮机的典型的非常低的NOx值，需要燃烧器运行在预混合模式中。合成气体具有这样的大体积流量这一事实，使得在预混合模式中点燃它们产生了严重的问题。产生的另一个问题是这些燃料的不同于天然气的不同反应性；特别是当存在相当多的氢气时，反应性往往较高，由于其加剧了逆燃的危险，因此这构成了一个问题。这些转化成的事实是，通过空气通路的更大的燃料流量导致压降的增大，并且空气和燃料之间的混合往往较差。后者主要由于大体积流速也需要大的喷嘴，其一般导致混合不好，并因此导致NOx排放高。
PCT/US2009/001336示出了用于喷射低热值(LC)燃料的燃料喷射器和旋流器组件中的附加级(stage)。该级提供了两个附加行的燃料喷射器。燃料喷射器配备在旋流器的叶片中，并以交叉射流(jet-in-cross flow)的模式喷射燃料。为了给两个附加行的喷射器提供空间，叶片沿它们的上游方向被拉长。此外，毂直径被增大以扩大用于供给燃料流的空间。就抗逆燃和低动力而言，燃烧器已经证实了其功能。然而，该设计的一个问题是LC燃料通路的容量仍然相对较小，并且为了保持燃料侧压降尽可能低，天然气级也用于喷射LC燃料。就燃料的供给切割而言，这使得系统相对比较复杂。即使当在所有的级上切割LC燃料，压降也相对较大。此外，用于LC燃料的喷射器相对较小。因为这些燃料一般被污染，产生了阻塞的问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种具有改进的空气和燃料之间的混合比例的燃料喷射器和旋流器组件。本发明的另一个目的是提供一种燃烧系统，允许燃烧器运行在预混合模式而没有增加压力损失。本发明的再一个目的是提供一种改进的燃气轮机。本发明的再一个目的是提供一种用于改进的燃料喷射器和旋流器组件的组装方法。
通过权利要求实现了这些目的。从属权利要求描述了本发明的有利改进和改型。
一种创造性的燃气轮机燃料喷射器和旋流器组件，包括布置在燃料喷射器和旋流器组件的中轴上的递送管结构，布置在递送管结构中的第一燃料供给通道，环绕递送燃料结构的罩，布置在递送管结构和罩之间的旋流叶片，每个旋流叶片中的径向通路，该径向通路与第一燃料供给通道连通，在所述每个旋流叶片的外表面和径向通路之间开口的一组孔口，其中延伸至递送管结构的下游端的第二燃料供给通道布置在递送管结构中，并且具有用于燃料喷射的波瓣混合器布置在下游端。
由于相对较大的中部燃料喷射，该创造性的燃料喷射器和旋流器组件在运行中以低热值燃料减小了压力损失。相比LC燃料喷射通过旋流叶片的现有技术方案，燃料喷射器和旋流器组件的中部中的反应性的LC燃料的喷射还减小了沿着旋流器组件或旋流杯和燃料喷射器的壁逆燃的危险。此外，相对较大的第二燃料供给通道导致减小了阻塞问题的敏感性。在本文中还比较重要的是，在低热值燃料运行期间，不用必须使用用于(例如)天然气的第一燃料供给通道。
将波瓣混合器布置在其端部的用于LC燃料的第二燃料供给通道能够用惰性介质(N2或蒸汽)、或来自燃气轮机的中间框架的密封空气密封，以在没有使用该波瓣混合器燃料通路时防止任何流动回流。
在一个有利实施例中，递送管结构包括同轴的圆柱状的内管和外管，规定第一燃料供给通道位于内管中，并且在内管和外管之间形成了环状的第二燃料供给通道。
在另一个有利实施例中，混合器的每个波瓣直接位于旋流叶片的下游。
在再一个有利实施例中，波瓣的数目等于旋流叶片的数目。
当波瓣混合器具有扭曲并且当波瓣混合器的扭曲跟随由旋流叶片引起的漩涡时，特别地有利。旋流流动路径因而被保持，并且混合器如旋流叶片的延伸部一样工作从而在旋流流动中提供了气动的应用。
在一个有利的布置中，波瓣混合器的扭曲角度高达45度。
优选地，波瓣的高度高达罩的环高的0.5倍。
还优选地，波瓣的高度和宽度的比值在0与8之间，优选地为4。
在一个有利的实施例中，粒状部(grain)布置在波瓣混合器的中轴上。该粒状部有效地防止了在波瓣混合器的中部中，富燃料区域仍然没有混合。
有利地，燃烧系统包括至少一个之前描述的创造性的燃料喷射器和旋流器组件。
一种创造性的燃气轮机包括这样的燃烧系统。
在组装燃料喷射器和旋流器组件的创造性的方法中，其中燃料喷射器和旋流器组件具有第一燃料供给通道、第二燃料供给通道、径向通路、旋流叶片、波瓣混合器和罩，波瓣混合器钎焊或熔焊至第一燃料供给通道。然后，钎焊材料被至少施加至中部的第一燃料供给通道和径向通路之间、第二燃料供给通道和径向通路之间、以及第二燃料供给通道和波瓣旋流器之间。如此组装的燃料喷射器和旋流器组件然后在一个循环中在炉中被钎焊。
有利的是，在炉中钎焊燃料喷射器和旋流器组件之前，钎焊材料还施加在旋流叶片和罩之间。
可替代地，罩被熔焊、特别是塞焊(tap weld)至旋流叶片。
附图说明
现在将参照附图进一步描述本发明，其中：
图1示出了现有技术的燃气轮机燃烧器的侧剖面视图，
图2示出了现有技术的使用喷射器旋流器叶片的燃料喷射器和旋流器组件的侧剖面视图，
图3示出了现有技术的具有至旋流器叶片的双通路燃料供给的燃料喷射器和旋流器组件的侧剖面视图，
图4示出了根据本发明的具有波瓣混合器的燃料喷射器和旋流器组件，
图5示出了图4的燃料喷射器和旋流器组件的另一个视图，
图6示出了扭曲的波瓣混合器，
图7示出了具有减小的波瓣高度的扭曲的波瓣混合器，以及
图8示出了组装燃料喷射器和旋流器组件的钎焊步骤。
在图中相同的附图标记表示相似或相同的部分。
具体实施方式
图1示出了现有技术的燃气轮机燃烧器1，其一些方面可以应用于本发明。壳体底座2具有附接表面3。引燃燃料递送管(pilot fuel delivery tube)4具有引燃燃料扩散喷嘴5。燃料入口6将主燃料源提供至具有喷射口8的主燃料递送管结构7。主燃烧区9在引燃火焰区11的下游形成在衬套10内。引燃锥12具有发散端13，该发散端13在主燃料喷射器和旋流器组件14的下游从引燃燃料扩散喷嘴5附近突出。引燃火焰区11邻近主燃烧区9并在主燃烧区9的上游形成在引燃锥12内。
来自压缩机(未示出)的压缩空气15在支撑肋16之间流动通过旋流器组件14。在每个主旋流器组件14内，多个旋流器叶片17在主燃料喷射口8的上游产生了空气紊流，以将压缩空气15与燃料18混合从而形成燃料/空气混合物19。燃料/空气混合物19流入它在其中燃烧的主燃烧区9。压缩空气20的一部分通过位于引燃旋流器组件22内的一组叶片21进入引燃火焰区11。压缩空气20在引燃锥12内与引燃燃料23混合，并且流入它在其中燃烧的引燃火焰区11中。引燃燃料23可以在引燃火焰前部扩散入空气源20中，由此在引燃火焰前部提供了比主燃料/空气混合物19更浓的混合物。这在所有的操作情形下保持了稳定的引燃火焰。
主燃料18和引燃燃料23可以是相同类型的燃料或不同类型的燃料。
图2示出了相比图1的燃气轮机燃烧器改进的现有技术的主燃料喷射器和旋流器组件14的基本方面，其中主燃料喷射器和旋流器组件14例如见于本受让人的美国专利申请12/356,131。燃料供给通道24将燃料18供给到叶片26中的径向通路25，其中该径向通路25从燃料递送管结构7径向延伸至罩57。燃烧入口空气15流过叶片26。燃料18从在叶片的径向通路25和外表面28之间开口的孔口27喷入空气15中。叶片26成形为在燃料/空气混合物19中产生紊流或旋流。
图2的现有设计可以使用具有相似粘性和能量密度的替代燃料，但是粘性或能量密度相异很大的替代燃料不能很好地工作。合成气体具有不到天然气一半的能量密度，因此用于合成气体的喷射器流速必须是天然气的至少两倍。这导致了用于这两种燃料的喷射器设计标准差异很大。
现有的旋流器组件近年来已经被改进，以获得日益增加的性能标准。更改已验证过的旋流器设计可能会削弱其性能。例如，对于较低的能量密度的燃料，增加叶片26的厚度以适应更宽的径向通路将增加通过旋流器组件的压力损失，因为将会有更少的通过他们开口区域。为了克服这个问题，对于低能量密度的燃料，可以提供较高的燃料压力来代替较宽的通路。然而，这导致了其他的复杂性和花费。因此，期望尽可能地保持关于诸如天然气之类的第一燃料的旋流器组件的现在的各设计方面，同时增加交替地使用诸如合成气体之类低能量密度燃料的能力。
图3示出了另一个改进的现有技术设计的方面。第一燃料供给通道29将第一燃料30提供至叶片32中的第一径向通路31，该第一径向通路31从燃料递送管结构33径向延伸。可替代地，第二燃料供给通道34将第二燃料35提供至叶片32中的第二径向通路36和第三径向通路37。燃料递送管结构33可以形成为如所示的同心的管或另外构造的管。燃烧入口空气15流过叶片32。第一燃料30从形成在叶片的外表面28与第一径向通路31之间的第一孔口38喷入空气15中。可选地，第二燃料35从分别形成在叶片的外表面28与第二径向通路36和第三径向通路37之间的第二组孔口39和第三组孔口40喷入空气15中。叶片32可以成形为例如通过旋流或其它手段在燃料/空气混合物19中产生紊流，并可以具有压力侧和吸力侧。
第一燃料递送路径29、31、38提供了给定的背压下的第一流速。为了适应具有不同的能量密度的燃料，第二燃料递送路径34、36、37、39、40提供了给定的背压下的第二流速。第一和第二流速可以相差至少两倍。该差异可以通过在第一和第二燃料递送路径上提供不同横截面积的一个或多个相应部分来实现，并且可以通过该两个路径的形状上的差异来增强。已经发现，修整(contour)燃料供给通道34和第二径向通路36与第三径向通路37之间的过渡区域41，由于减少了燃料紊流，从而增大了给定背压下的燃料流速。如所示的，通过在过渡区域中提供均化区域或高压区(plenum)41，在径向通路36和37之间实现了更加均一的燃料压力。该均衡区域41为径向通路36和37的近端的扩大的且圆形的或逐渐共用的体积。径向通路36和37之间的隔板42可以径向向外地开始于第二燃料供给通道34。这形成了小的高压区41，该高压区41减小或消除了各自的径向通路37、36的近端的上游/下游压力差。
图4和图5示出了根据本发明的燃料喷射器和旋流器组件58的方面。递送管结构44包括同轴的圆柱状内管和外管，规定第一燃料供给通道43位于内管中，并且在内管和外管之间形成了环状的第二燃料供给通道50。旋流叶片46中的径向通路45与第一燃料供给通道43连通。一组孔口47开口在旋流叶片46的外表面48和径向通路45之间。例如为天然气49的第一燃料经由第一燃料供给通道43供给至径向通路45和孔口47，其中第一燃料供给通道43为递送管结构44的内管。第二燃料供给通道50布置在递送管结构44中，并延伸至递送管结构44的下游端51，其中波瓣混合器52将例如为合成气体燃料53的第二燃料喷入分别以共流布置的燃料/空气混合物19或空气15中。由于波瓣混合器52的皱折的边缘(＝波瓣55)，第二燃料53和空气15或第一燃料/空气混合物19之间的接触表面较大。而且，次要流动影响将被减小。这些方面都导致了喷射器的非常好的混合性能。此外，粒状部(grain)54被引入波瓣混合器52的中部中，有效地防止了富燃料区域在中部仍然没有混合。为了保持旋流流动路径，混合器52的波瓣55被扭曲。而且，波瓣55的数目优选地等于叶片46的数目，并且每个波瓣55直接位于叶片46下游。图4和图5表示了一个设计，其中LC燃料容量足够大以喷射Wobbe数大于10MJ/Nm3的LC燃料。用于LC燃料供给的较大通路还降低了阻塞的风险。
图6和图7示出了波瓣混合器52的两个方案，这两个方案都带有扭曲以跟随通过上游的旋流叶片46引起的漩涡。为混合器的波瓣添加扭曲使得可以在旋流杯中更好地跟随空气的流线。然而，作为此的一个变型，也可以实施成不扭曲的波瓣混合器。波瓣混合器的扭曲角度可以在0度与45度之间。波瓣的高度可以位于罩57的环高的0与0.5倍之间。波瓣的另一个重要的参数是它们的高度与它们的宽度之间的比值。该比值应当位于0至8之间，优选值为4。比值为0表示其中波瓣为平的并且有效地使用了交叉射流喷射的情形。这大致对应于图7中所示的设计。
当燃烧系统运行在备用燃料(燃油或天然气)上时，波瓣混合器52可以用惰性介质(N2或蒸汽)净化，或用来自燃气轮机的中间框架的密封空气净化。
为了组装该燃料喷射器和旋流器组件，波瓣混合器52首先熔焊或钎焊到中部的第一燃料(天然气)供给通道43。图8示出了接下来的组装步骤的钎焊位置。在将波瓣混合器52和第一燃料供给通道43结合后，钎焊材料被至少施加至中部的第一燃料供给通道43和径向通路45之间(见附图标记59)、第二燃料供给通道50和径向通路45之间(见附图标记60)、以及第二燃料供给通道50和波瓣旋流器52之间(见附图标记61)。然后，在一个循环中在高温真空炉中钎焊组装部件。
或者，同时，钎焊材料还被施加在旋流叶片46和罩57之间(见附图标记62)、或者在部件离开炉后，罩57被熔焊、特别是塞焊至旋流叶片。

Claims (15)

1.一种燃气轮机燃料喷射器和旋流器组件(58)，包括：
递送管结构(44)，该递送管结构(44)布置在燃料喷射器和旋流器组件(58)的中轴上；
第一燃料供给通道(43)，该通道(43)布置在递送管结构(44)中；
罩(57)，该罩(57)环绕递送管结构(44)，旋流叶片(46)布置在递送管结构(44)和罩(57)之间；
位于每个旋流叶片(46)中的径向通路(45)，与第一燃料供给通道(43)连通；
一组孔口(47)，该孔口(47)开口在所述每个旋流叶片(46)的外表面(48)和径向通路(45)之间；其特征在于，延伸至递送管结构(44)的下游端(51)的第二燃料供给通道(50)布置在递送管结构(44)中，并且具有用于燃料喷射的波瓣(55)的混合器(52)布置在下游端(51)。
2.如权利要求1所述的燃料喷射器和旋流器组件(58)，其中递送管结构(44)包括同轴的圆柱状内管和外管，规定第一燃料供给通道(43)位于内管中，并且在内管和外管之间形成了环状的第二燃料供给通道(50)。
3.如权利要求1或2所述的燃料喷射器和旋流器组件(58)，其中混合器(52)的每个波瓣(55)直接位于旋流叶片(46)的下游。
4.如任意前述权利要求所述的燃料喷射器和旋流器组件(58)，其中波瓣(55)的数目等于旋流叶片(46)的数目。
5.如任意前述权利要求所述的燃料喷射器和旋流器组件(58)，其中波瓣混合器(52)具有扭曲。
6.如权利要求5所述的燃料喷射器和旋流器组件(58)，其中波瓣混合器(52)的扭曲跟随由旋流叶片(46)引起的漩涡。
7.如权利要求5或6所述的燃料喷射器和旋流器组件(58)，其中波瓣混合器(52)的扭曲角度高达45度。
8.如任意前述权利要求所述的燃料喷射器和旋流器组件(58)，其中波瓣(55)的高度高达罩(57)的环高的0.5倍。
9.如任意前述权利要求所述的燃料喷射器和旋流器组件(58)，其中波瓣(55)的高度和宽度之间的比值在0与8之间，优选地为4。
10.如任意前述权利要求所述的燃料喷射器和旋流器组件(58)，其中粒状部(54)布置在波瓣混合器(52)的中轴上。
11.一种燃烧系统，具有至少一个如任意前述权利要求所述的燃料喷射器和旋流器组件(58)。
12.一种燃气轮机，具有如权利要求11所述的燃烧系统。
13.一种用于组装燃料喷射器和旋流器组件(58)的组装方法，其中燃料喷射器和旋流器组件(58)具有第一燃料供给通道(43)、第二燃料供给通道(50)、径向通路(45)、旋流叶片(46)、波瓣混合器(52)和罩(57)，所述组装方法包括：将波瓣混合器(52)钎焊或熔焊至第一燃料供给通道(43)；将钎焊材料至少施加在中部的第一燃料供给通道(43)和径向通路(45)之间、第二燃料供给通道(50)和径向通路(45)之间、以及第二燃料供给通道(50)和波瓣混合器(52)之间；并且在一个循环中在炉中钎焊燃料喷射器和旋流器组件(58)。
14.如权利要求14所述的组装方法，其中在炉中钎焊燃料喷射器和旋流器组件(58)之前，钎焊材料还施加在旋流叶片(46)和罩(57)之间。
15.如权利要求14所述的组装方法，其中罩(57)被熔焊、特别是塞焊至旋流叶片(46)。
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