CN102901124A - 用于涡轮机的燃烧器部分和运行涡轮机的方法 - Google Patents

用于涡轮机的燃烧器部分和运行涡轮机的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于涡轮机的燃烧器部分和运行涡轮机的方法。涡轮机燃烧器部分(20)包括燃烧室(46)。中心喷射喷嘴(62)布置在燃烧室内且包括中心喷嘴入口(65)和中心喷嘴出口(66)。外预混合喷射喷嘴定位在中心喷射喷嘴的径向外侧，且包括外喷嘴入口(84)和布置在中心喷嘴出口上游的外喷嘴出口(85)。后稀薄喷射器定位在中心喷嘴和外预混合喷嘴的下游。燃烧器部分包括布置在外喷嘴出口下游的第一燃烧区(94)，布置在中心喷嘴出口下游的第二燃烧区(97)，以及布置在中心喷嘴出口的更下游的第三燃烧区(125)。选择性地操作中心喷射喷嘴，外预混合喷射喷嘴和后稀薄喷射器，以在第一、第二和第三燃烧区中建立燃烧火焰前锋。

Description

用于涡轮机的燃烧器部分和运行涡轮机的方法
技术领域
本文公开的主题涉及涡轮机的领域，且更具体而言，涉及用于涡轮机的燃烧器部分。
背景技术
大体上，燃气涡轮机燃烧释放热能以形成高温气流的燃料/空气混合物。高温气流通过热气路径被引导到涡轮部分。涡轮部分将来自高温气流的热能转换成使涡轮轴旋转的机械能。涡轮部分可用于各种各样的应用，诸如用于为泵或发电机提供动力。
涡轮机效率随着燃烧气流温度升高而升高。不幸的是，较高的气流温度会产生较高水平的氮氧化物(NOx)，其是一种受联邦与州法规两者管制的排放。因此，在于高效的范围中运行燃气涡轮、同时还确保NOx输出保持低于联邦与州强制水平之间存在小心的平衡作用。一种实现低NOx水平的方法是确保燃料与空气在燃烧之前的良好混合，并且提供导致燃料/空气混合物的更完全燃烧的环境。
发明内容
根据示例性实施例的一方面，涡轮机燃烧器部分包括具有燃烧器出口的燃烧器本体和布置在燃烧器本体内的燃烧衬套。燃烧衬套限定了燃烧室。中心喷射喷嘴布置在燃烧室内。中心喷射喷嘴具有中心喷嘴入口和中心喷嘴出口。外预混合喷射喷嘴定位在中心喷射喷嘴的径向外侧。外预混合喷射喷嘴包括外喷嘴入口和布置在中心喷嘴出口上游的外喷嘴出口。后稀薄喷射器定位在中心喷嘴和外预混合喷嘴的下游。燃烧器部分包括布置在外喷嘴出口下游以及中心喷嘴出口上游的第一燃烧区，布置在中心喷嘴出口下游的第二燃烧区，以及布置在中心喷嘴出口的更下游的第三燃烧区。选择性地操作中心喷射喷嘴、外预混合喷射喷嘴以及后稀薄喷射器，以基于涡轮机的期望的运行模式在第一、第二以及第三燃烧区中建立燃烧火焰前锋。
根据示例性实施例的另一个方面，一种运行涡轮机的方法包括以部分负载模式运行涡轮机，其中从外预混合喷射喷嘴传送的第一可燃混合物在第一燃烧区中燃烧，形成第一燃烧反应。第一燃烧区在中心喷射喷嘴周围延伸。流体传送通过中心喷射喷嘴而进入第二燃烧区。传送通过中心喷射喷嘴的流体绕过第一燃烧区中的第一燃烧反应。流体传送到布置在第一和第二燃烧区下游的第三燃烧区。传送进入第三燃烧区的流体绕过第一燃烧区和第二燃烧区中的燃烧反应。
根据示例性实施例的又一个方面，涡轮机包括压缩机部分，操作性地连接到涡轮部分的涡轮部分，以及流体地连接到涡轮部分的燃烧器部分。燃烧器部分包括具有燃烧器出口的燃烧器本体和布置在燃烧器本体中的燃烧衬套。燃烧衬套限定了燃烧室。中心喷射喷嘴布置在燃烧室中。中心喷射喷嘴具有中心喷嘴入口和中心喷嘴出口。外预混合喷射喷嘴定位在中心喷射喷嘴的径向外侧。外预混合喷射喷嘴包括外喷嘴入口和布置在中心喷嘴出口上游的外喷嘴出口。后稀薄喷射器定位在中心喷嘴出口下游。燃烧器部分包括布置在外喷嘴出口下游和中心喷嘴出口上游的第一燃烧区，布置在中心喷嘴出口下游的第二燃烧区，以及布置在中心喷嘴出口更下游的第三燃烧区。选择性地操作中心喷射喷嘴、外预混合喷射喷嘴以及后稀薄喷射器，以基于涡轮机的期望的运行模式在第一、第二和第三燃烧区中建立燃烧火焰前锋。
根据结合附图得到的以下描述，这些以及其它优点和特征将变得更加显而易见。
附图说明
在说明书结论部分处的权利要求书中特别地指出且明确地要求保护被视为本发明的主题。根据结合附图得到的以下详细描述，本发明的前述以及其它特征和优点显而易见，在附图中：
图1是根据一个示例性实施例的、包括通过过渡件联接到涡轮部分的燃烧器部分的涡轮机的部分截面图；
图2是显示为处于基本负载运行模式的图1的燃烧器部分和过渡件的截面图；
图3是显示为处于部分负载运行模式的图1的燃烧器部分的截面图；
图4是显示为处于过渡运行模式的第一部分的图3的燃烧器部分的截面图；
图5是显示为处于过渡运行模式的第二部分的图4的燃烧器部分的截面图；且
图6是显示为处于基本负载运行模式的图1的燃烧器部分和过渡件的另一个示例性实施例的截面图。
以参照附图的实例的方式，详细描述阐述了本发明的实施例，以及优点和特征。
部件列表：
2  涡轮机系统
4  压缩机部分
6  涡轮部分
8  压缩机壳体
10      涡轮壳体
16      压缩机/涡轮轴
20      燃烧器部分
24      过渡件
34      燃烧器本体
36      前端
37      喷射器喷嘴壳体
38      端罩
40      燃烧器出口
43      燃烧器衬套
46      燃烧室
50      文丘里管
52      文丘里管喉口
62      中心喷射喷嘴
65      第一端或中心喷嘴入口
66      第二端或中心喷嘴出口
68      中心喷嘴壳体
69      中心体
80      外喷射喷嘴
81      外喷射喷嘴
84      外喷嘴入口
85      外喷嘴出口
88      外喷射喷嘴壳体
89      中心体
94      第一燃烧区
97      第二燃烧区
104    冲击套筒
106    过渡件本体
109    流路
111    过渡件出口
113    第一后稀薄喷射器(LLI)
114    第二后稀薄喷射器(LLI)
125    第三燃烧区。
具体实施方式
本申请中所使用的用语“轴向”和“轴向地”指基本平行于喷射喷嘴的中心纵向轴线延伸的方向和定向。本申请中所使用的用语“径向”和“径向地”指基本正交于喷射喷嘴的中心纵向轴线延伸的方向和定向。本申请中所使用的用语“上游”和“下游”指关于喷射喷嘴的中心纵向轴线相对于轴向流动方向的方向和定向。
参照图1，根据一个示例性实施例构造的涡轮机系统大体以2标示。涡轮机系统2包括压缩机部分4和涡轮部分6。压缩机部分4包括压缩机壳体8，且涡轮部分6包括涡轮壳体10。压缩机部分4通过公共的压缩机/涡轮轴或转子16连结到涡轮部分6。压缩机部分4还通过多个周向地隔开的燃烧器部分连结到涡轮部分6，多个周向地隔开的燃烧器部分中的一个以20标示。燃烧器部分20通过过渡件24流体地连接到涡轮部分6。
如图2中最佳地示出，燃烧器部分20包括具有前端36的燃烧器本体34，喷射器喷嘴壳体37安装在前端36上。端罩38安装在喷射器喷嘴壳体37上。前端36延伸到燃烧器出口40。在所示的示例性实施例中，燃烧器部分20包括布置在燃烧器本体34的内表面(没有单独标记)内且与该内表面隔开的燃烧器衬套43。燃烧器衬套43限定了燃烧室46。进一步根据所示的示例性实施例，燃烧器部分20包括在燃烧器衬套43上提供的文丘里管50。文丘里管50包括操作来使传送通过燃烧室46的可燃混合物稳定的文丘里管喉口52。在这一点上，应当理解，燃烧器部分20还可形成为没有文丘里管，如图6中所示。
还显示了燃烧器部分20包括基本沿着燃烧室46的中心线延伸的中心喷射喷嘴62。中心喷射喷嘴62包括从喷射喷嘴壳体37延伸到第二端或者中心喷嘴出口66的第一端或者中心喷嘴入口65。中心喷射喷嘴62包括中心喷嘴壳体68，中心体69在中心喷嘴壳体68内延伸。中心喷射喷嘴62通过端罩38中的端口(未单独标记)接收燃料和空气。这样，中心喷射喷嘴62构成了预混合喷射喷嘴或混合燃料与空气以形成可燃混合物的喷射喷嘴。当然，应当理解，可燃混合物可包括其它成分，诸如各种稀释剂。
燃烧器部分20还包括多个外预混合喷射喷嘴，其中两个以80和81标示，它们在中心喷射喷嘴62的径向外侧设置在环形阵列中。用语“预混合喷射喷嘴”应理解为表示其中燃料和空气混合以便具有大于50%的混合度或均匀性的喷射喷嘴。根据示例性实施例的一方面，预混合喷射喷嘴80和81具有大于80%的混合度。因为各个外预混合喷射喷嘴80，81类似地形成，在理解了预混合喷射喷嘴81包括对应的结构的情况下，详细描述将参照预混合喷射喷嘴80跟在后面。还应当理解，外预混合喷射喷嘴的数量可有所不同。
外预混合喷射喷嘴80包括联接到喷射喷嘴壳体37的第一端或外喷嘴入口84。外喷嘴入口84延伸到布置在中心喷嘴出口66上游的外喷嘴出口85。外预混合喷射喷嘴80还包括围绕中心体89的外喷射喷嘴壳体88。以与以上所述的方式类似的方式，外预混合喷射喷嘴80构成预混合喷射喷嘴或使燃料与空气混合来形成可燃混合物的喷射喷嘴。如在下文中将变得更加充分地显而易见的，燃烧器部分20包括在各个外喷嘴出口85与中心喷嘴出口66之间延伸的第一燃烧区94，以及从中心喷嘴出口66朝向燃烧器出口40延伸的第二燃烧区97。
进一步根据示例性实施例，过渡件24包括围绕过渡件本体106的冲击套筒104。过渡件本体106限定了从燃烧器出口40延伸到过渡件出口111的流路109。还显示了过渡件24包括多个后稀薄喷射器(LLI)，其中两个在113和114处示出。在某些运行模式中，LLI113和114将燃料/空气或可燃混合物引入流路109中来建立第三燃烧区125。虽然显示了处于过渡件24上，但应当理解，诸如以115和116显示的后稀薄喷射器可布置在燃烧器本体34上，或者诸如在117和118处显示的后稀薄喷射器可布置在燃烧器本体34与过渡件24之间的交接部处。如下文将更充分地论述的，取决于涡轮机2的运行模式，燃烧气体形成于燃烧区94、97和125中的一个或多个中。
根据示例性实施例的一方面，当涡轮机2在调低(turn down)模式中运行时，第一可燃混合物被引导通过外喷射喷嘴80，81而进入第一燃烧室94。第一可燃混合物燃烧而形成第一燃烧反应(未单独标记)，以形成诸如在图3中所示的火焰前锋。火焰前锋产生热的燃烧气体，其流过燃烧室46，沿着流路130流动并且流入涡轮部分6。通过引入和点燃预混合可燃混合物，在以调低模式运行时，来自涡轮机2的排放保持较低且低于规定的水平。在调低模式中，流体，诸如空气，传送通过中心喷射喷嘴62和后稀薄喷射器，诸如113和114。传送进入中心喷射喷嘴62和后稀薄喷射器113，114的流体绕过第一燃烧反应。
为了过渡到诸如图2中所示的基本负载运行，涡轮机2进入诸如图4中所示的过渡模式的第一部分。在过渡模式的第一部分中，第一可燃混合物继续在第一燃烧区94中燃烧，且第二可燃混合物被引导通过中心喷射喷嘴62而进入第二燃烧区97。该第二可燃混合物燃烧而形成第二燃烧反应，从而形成第二火焰前锋。同时，流体，诸如空气，通过例如后稀薄喷射器113和114而传送进入第三燃烧区。传送进入第三燃烧区的流体绕过第一和/或第二燃烧区中的任何燃烧反应。
在诸如图5中所示的过渡模式的第二部分处，不可燃流体(诸如空气或极端燃料稀薄混合物)被引导通过外预混合喷射喷嘴80，使得第一燃烧区94中的火焰熄灭。在一个变型中，来自外预混合喷射喷嘴80的燃料至少部分地被改变方向至中心喷射喷嘴62中。在过渡模式的该第二部分中，第二可燃混合物被引导通过中心喷射喷嘴62，且在第二燃烧区97中燃烧。此外，如果期望，来自外预混合喷射喷嘴80的燃料中的一些可向下游引导到后稀薄喷射器113，114(例如)以便在第三燃烧区125(在图2中示出)中燃烧。
在这一点上，涡轮机2进入基本负载运行，如图2所示。一旦处于基本负载，第二可燃混合物就产生火焰前锋，该火焰前锋沿着燃烧室46的中心轴线从中心喷射喷嘴62传送。文丘里管喉口52使第一可燃混合物稳定，以形成自第一火焰前锋径向地在外侧延伸的第二火焰前锋。另外，第三可燃混合物被引入流路130，且在第三燃烧区125中被点燃。在燃烧器部分20和过渡件24中形成火焰前锋会产生更高的气流温度，其会导致涡轮机效率的升高，而同时保持在遵守排放(的范围)内运行。
虽然在图2到5中显示了具有文丘里管50和文丘里管喉口52的燃烧器组件24，但应当理解，示例性实施例可包括形成为没有文丘里管的燃烧器组件24’，诸如图6中所示，其中，在相应的视图中，类似的标号表示对应的部分。图6显示了导致外预混合喷射喷嘴80在第一燃烧区94中建立第一火焰前锋的示例性基本负载运行，第一燃烧区94在中心喷射喷嘴62的径向外侧。第一燃烧区94位于在中心喷嘴出口66处产生的第二燃烧区97上游。第三燃烧区125位于中心喷射喷嘴62下游(例如，在过渡件中)，且在基本负载运行中，由后稀薄喷射器113，114供应燃料或备选地由后稀薄喷射器115/116和/或117/118供应燃料。在燃烧器组件24’中，产生了三个沿轴向不同的燃烧区94、97和125。
在这一点上，应当理解，示例性实施例提供了具有多个燃烧区的燃烧器部分，选择性地采用该多个燃烧区来建立涡轮机的不同的运行模式。该多个燃烧区使得实现了保持遵守排放的低调低模式，同时还提供了到基本负载的有效过渡。在从调低到基本负载过渡期间使火焰前锋迁移远离外喷射喷嘴会延长涡轮机的整个运行寿命。也就是说，内喷嘴没有暴露于与基本负载运行相关联的高温。这样，燃烧器部分可与产生高气流温度的预混合喷嘴配合，同时还保持遵守排放。
虽然已经结合仅有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易地理解，本发明不限于这种公开的实施例。而是可修改本发明来结合此前未描述但是与本发明的精神和范围相称的任意数量的变型、备选方案、替代或等效布置。此外，虽然已经描述了本发明的不同的实施例，但是将理解，本发明的方面可包括所述的实施例中的仅一些。因此，本发明不应被视为由前述描述限制，而是仅由所附的权利要求的范围限制。

Claims (6)

1.一种涡轮机燃烧器部分(20)，包括：
具有燃烧器出口(40)的燃烧器本体(34)；
布置在所述燃烧器本体(34)内的燃烧衬套，所述燃烧衬套限定了燃烧室(46)；
布置在所述燃烧室(46)内的中心喷射喷嘴(62)，所述中心喷射喷嘴(62)具有中心喷嘴入口(65)和中心喷嘴出口(66)；
定位在所述中心喷射喷嘴(62)的径向外侧的至少一个外预混合喷射喷嘴，所述至少一个外预混合喷射喷嘴包括外喷嘴入口(84)和布置在所述中心喷嘴出口(66)上游的外喷嘴出口(85)；以及
定位在所述中心喷射喷嘴(62)和所述至少一个外预混合喷射喷嘴下游的至少一个后稀薄喷射器；
所述燃烧器部分(20)包括布置在所述外喷嘴出口(85)下游和所述中心喷嘴出口(66)上游的第一燃烧区(94)，布置在所述中心喷嘴出口(66)下游的第二燃烧区(97)，以及布置在所述第一燃烧区和第二燃烧区(97)下游的第三燃烧区(125)，所述中心喷射喷嘴(62)、至少一个外预混合喷射喷嘴以及至少一个后稀薄喷射器选择性地被操作，以基于涡轮机的期望的运行模式在所述第一、第二和第三燃烧区(125)中建立燃烧火焰前锋。
2.根据权利要求1所述的燃烧器部分(20)，其特征在于，还包括：定位在所述至少一个外预混合喷射喷嘴下游的文丘里管(50)，所述文丘里管(50)限定了文丘里管喉口(52)。
3.根据权利要求2所述的燃烧器部分(20)，其特征在于，所述文丘里管(50)在所述燃烧衬套上提供。
4.根据权利要求2所述的燃烧器部分(20)，其特征在于，所述文丘里管喉口(52)相对于所述中心喷嘴出口(66)基本共面。
5.根据权利要求1所述的燃烧器部分(20)，其特征在于，所述至少一个外预混合喷射喷嘴包括在所述中心喷射喷嘴(62)周围阵列的多个外预混合喷射喷嘴。
6.根据权利要求1所述的燃烧器部分(20)，其特征在于，还包括操作性地连接到所述燃烧器出口(40)的过渡件(24)，所述第三燃烧区(125)布置在所述燃烧衬套、所述过渡件(24)以及所述燃烧器出口(40)和所述过渡件(24)之间的交接部其中之一中。
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