CN103140714A - 用于燃气轮机的燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃气轮机的燃烧器（B），其包括燃烧器外壳（BH）和先导燃烧室（PC），先导燃烧室包括供给模块（SM），其将先导燃料（F）和先导空气（A）提供到由先导燃烧室外壳（PCH）包围的先导燃烧空间（PCR）内，先导燃烧室外壳（PCH）包括渐缩式出口，其带有在所产生的主流方向上的限定长度的喉部（THR），所述喉部（THR）将在所述先导燃烧空间（PCR）中产生的基团（CR）与热量（H）的汇聚物排出到由所述燃烧器外壳（BH）包围的主燃烧空间（MCR）内，其中，燃烧器轴线（CS）由所述喉部（THR）的中心线限定，该中心线在穿过喉部（THR）的所产生的主流方向上延伸。为了改善稳定性，本发明提出所述喉部（THR）的内部横截面区域借助于流动引导元件（FGE）偏离圆形，流动引导元件（FGE）设置为沿着燃烧器轴线（CX）的方向纵向延伸的具有限定径向高度的突出部（PRO）或具有限定深度的凹入部（RCE），以赋予排出流关于周向方向的限定的速度分布。

Description

用于燃气轮机的燃烧器

技术领域

本发明涉及一种用于燃气轮机的燃烧器，包括：

-燃烧器外壳，以及

-先导燃烧室，该先导燃烧室包括供给模块，该供给模块将先导燃料和先导空气提供到由先导燃烧器外壳包围的先导燃烧空间内，先导燃烧器外壳包括渐缩式出口，该渐缩式出口具有在所产生的主流方向上的限定长度的喉部，所述喉部将在先导燃烧区中产生的基团与热量的汇聚物排出到由所述燃烧器外壳包围的主燃烧空间内，

-其中，燃烧器轴线由所述喉部的中心线限定，所述喉部的中心线在穿过所述喉部的所产生的主流方向上延伸。

背景技术

由文献WO2009/121777已知一种起初所提及类型的燃烧器。该文献中描述的该燃烧器的基本特征为：先导燃烧室设置有由其自身的燃烧外壳包围的其自身的燃烧空间，并且先导燃烧室将热量与基团的汇聚物排出到主燃烧区内，其使得能够在点火之后稳定燃烧。通常，与燃气轮机燃烧器设计相关联的主要目的分别为：提高热效率和稳定性、消除脉动和噪音以及减少污染排放物，特别是减少氮氧化物、一氧化碳以及颗粒排放物后的未燃的碳氢化合物。这些目标中的某些的确存在相矛盾的趋势，因为热效率的增大通常伴随着热气体通道的温度的升高，其会导致更大量的排放物，特别是氮氧化物的产生。此外，旨在完全氧化碳氢化合物，以避免一氧化碳或未燃的碳氢化合物的出现的特别稀薄的燃烧负面地影响了稳定性，其增大了高频率及低频率起伏和噪音。由于所有参量似乎都彼此相关，因此在要求了创造性的情况下，例如稳定性方面的改善应当也能够实现获得关于热效率方面的改善。

发明内容

本发明的一个目的是改善稳定性以及避免特别低的频率起伏，特别低的频率起伏通常由燃烧器中火焰前缘的位置的起伏引起。本发明的另外的目的是减少排放物以及提高热效率。

根据本发明，提供一种起初所提及类型的燃烧器，该燃烧器还包括权利要求1的特征部分的特征。

如上文提到的WO2009/121777中所描述的常规喉部开口关于喉部的内表面为相应的圆筒形形状的圆形，其中，先导燃烧空间沿到主燃烧空间内的流的方向逐渐变细。穿过喉部的主流排出到主燃烧空间内，该喉部是至少部分圆筒形的，其具有在穿过喉部的有效流的方向上的圆筒轴线。

本发明的基本特征为：赋予排出的流关于周向方向的限定的速度分布。如果没有不同地指明，则如轴向、径向和周向的规定通常指所述燃烧器轴线。在根据WO2009/121777的常规燃烧器内，观察到，由于火焰前缘从主燃烧区穿过喉部进入到先导燃烧器外壳内，所以会出现相对低频率的不稳定性。根据本发明，认识到，火焰前缘穿过先导燃烧器的喉部进入的可能性会受到以受控及限定方式赋予喉部中的速度流分布周向分量的显著影响。这样，能够消除火焰前缘进入先导燃烧器空间的问题。

根据本发明的优选实施方式的消除火焰前缘穿过喉部进入先导燃烧器内的可能性的非常有效的方式为：在喉部中形成突出部或凹进部，以获得如十字形或星形的径向横截面。

另一优选实施方式提供喉部的径向横截面，该径向横截面形成三角形、四边形、五边形或其他多边形，而不是圆形。

基本上，本发明的目的能够通过在喉部中实施径向横截面来实现，其抑制了与主燃烧器空间中的周向速度分量对应的周向速度分量，该周向速度分量由将空气和/或燃料排出到主燃烧空间内的旋流器来赋予。

能够通过在喉部中设置有径向横截面的优选实施方式来获得关于低频率稳定性以及关于穿过喉部的压力损失的良好结果，该径向横截面包括所述喉部的内表面的凸起部分和凹入部分。

当所述突出部和/或凹进部设置成沿着中心线延伸的基本螺旋形形状以赋予穿过喉部的流漩涡时，可期望进一步的改善。具有类似效果的不同方法提供突出部和/或凹进部，所述突出部和/或凹进部基本上分别平行于所述燃烧器轴线，以赋予流不带有漩涡的速度分布，以相比于主燃烧空间中的速度分布将周向速度减小至优选地接近0。

关于突出部和/或凹进部的螺旋形形状，有利的是，所述燃烧器包括旋流器，该旋流器将空气或/和燃料排出到所述主燃烧空间中，从而形成在所述主燃烧空间中第一方向的主漩涡，其中，所述突出部和/或凹进部形成为以致赋予离开所述喉部的流反向的漩涡。该设计应当非常有效地抑制了火焰前缘从主燃烧空间穿过喉部的任何侵入。

通过将喷嘴设置在喉部中，能够进一步改善有益的效率，该喷嘴用于将燃料排出到穿过喉部的带有热量和基团的流内。如果要利用供给模块供给至先导燃烧室的燃料的至少一部分而是通过所述喷嘴被喷射，则能够降低先导燃烧空间中的温度，从而导致了较低水平的氮氧化物。另一方面，由于燃料被以较小直径喷射在喉部的区域中，所以形成所喷射的燃料与穿过喉部的带有基团的流的显著改善的混合，其容易在喷嘴的位置处使燃料射流侵入到该流内。当喷嘴设置在喉部中的所述突出部和/或凹进部的侧面或侧壁上时，能够获得对混合的进一步改善。这样，燃料在最有可能潜在出现漩涡从而导致所喷射燃料的广泛分布的位置处被喷射。

附图说明

通过参照结合附图对执行本发明的当前最佳模式的以下描述，本发明的上面提到的属性和其他特征及优点以及达到它们的方式将变得更加明显，并且本发明自身将会被更好地理解，在附图中：

图1示出了通过根据本发明的燃烧器的纵向截面的示意图，

图2示出了根据本发明的喉部的三维示意图，

图3示出了通过根据本发明并在图2中示出的喉部的视图，

图4示出了根据本发明的喉部的不同的优选实施方式的三维图，以及

图5以纵向截面示出了根据本发明的喉部的另一优选实施方式。

具体实施方式

图1示出了通过根据本发明的燃烧器B的纵向截面。燃烧器B包括先导燃烧室PC和主燃烧室MC。先导燃烧室PC将具有热量H和R团的流供应到主燃烧室MC的主燃烧空间MCR内。

主燃烧室MC包括燃烧器外壳BH，该燃烧器外壳BH包围主燃烧空间MCR以及供给到主燃烧空间内的空气A和燃料F，而且另外以未图示的方式，燃烧器外壳BH还包围先导燃烧室PC。先导燃烧室PC通过喉部THR将热量H和基团R排出到所述主燃烧空间MCR内。燃烧器轴线CX由在穿过所述喉部THR的所产生的主流方向上延伸的中心线限定。

空气A和燃料F到主燃烧空间MCR内的供给由两个环形通道来提供，即，第一通道CH1和第二通道CH2。第一通道CH1通过分隔板SP与第二通道CH2分开。所述通道CH1、CH2进到主燃烧空间MCR内的两个开口具有与燃烧器轴线CX同轴的环形形状。此外，通道CH1、CH2的开口相对于燃烧器轴线CX以交错的方式彼此接续，其中，第一通道CH1相对于第二通道CH2在上游并且相对于先导燃烧室PC的所述喉部THR在下游通到主燃烧空间内。

设置在第一通道CH1和第二通道CH2中的主旋流器MSW赋予燃料F与空气A的混合物限定的漩涡，该限定的漩涡显著地影响了主燃烧空间MCR中的流分布。主燃烧空间MCR的形状、通过通道CH1和通道CH2进入主燃烧空间的燃料F与空气A的混合物的流分布、以及通过先导燃烧室PC排出到主燃烧空间MCR内的基团R形成了主燃烧空间MCR中的重复循环区RCZ，使一部分或可能包含来自燃烧器外壳BH的排气EXH的未燃碳氢化合物的延燃燃烧气体CG变得有序（training）。主燃烧空间MCR中的速度分布还在所述喉部THR的下游并且在燃烧器轴线CX上形成驻点STP。尽管在重复循环区RCZ的中央处混合物相对稀薄并且温度高，但混合物富集（enrich）在所述第一通道CH1和所述第二通道CH2的进到主燃烧空间MCR内的开口处，在所述开口处最可能形成火焰前缘。

在主旋流器MSW的上游，在第一通道CH1和第二通道CH2中设置有主燃料喷射装置MFI，该主燃料喷射装置MFI喷射将在燃烧器B中燃烧的燃料F的主要部分。

先导燃烧室PC设置有供应模块SM，该供应模块SM将燃料F和空气A供应到先导燃烧空间PCR内。将被供应到先导燃烧空间PCS内的燃料F和空气A的量低于流到燃烧器B内的燃料F和空气A的总质量流的15%。先导燃烧空间PCR中的燃烧比主燃烧空间MCR中的燃烧更强烈，其导致明显更高的温度。先导燃烧空间PCR装备有在先导燃烧室PC中点燃燃烧的点燃模块IGN。先导燃烧室PC具有其自身的先导燃烧室外壳PCH，该先导燃烧室外壳PCH由冷却气流CAF冷却。冷却气流CAF穿过围绕先导燃烧室外壳PCH的穿孔板PP，并随后通过环形开口OP进入主燃烧空间MCR，该环形开口OP与燃烧器轴线CX同轴并且紧靠所述喉部THR的开口且在所述第一通道CH1的上游定位。使冷却气流CAF在先导燃烧室外壳PCH上通过的环绕冷却腔CCV经过上游的单独的旋流器SWP，进入主燃烧空间MCR。

通过供应模块SM进入先导燃烧空间PCR的燃料F和空气A被预先混合。

喉部THR设置有流引导突出部PRO，以赋予进入主燃烧空间MCR的流限定的周向速度分布。

在喉部THR中通过突出部PRO的侧壁发生另外的燃料喷射，突出部PRO设置有喷嘴NOZ，该喷嘴NOZ将燃料F的射流喷射到具有热量H和基团R的流内，具有热量H和基团R的流排出到主燃烧空间内。喷嘴NOZ将喉部THR的流动通道与设置在突出部PRO中的内腔CV相连接，该内腔通过设置在相邻的所述旋流器SWP的翼部中的通道来供给燃料F。以未图示的方式，旋流器SWP的翼部从穿过所述第一通道CH1的侧壁的通道接收燃料F。

图2示出了根据本发明的喉部THR的三维图。喉部THR设置成沿着所述燃烧器轴线CX同轴延伸的基本上圆形形状。在以不同透视法示出的图3中同样描绘了同一喉部THR。突出部PRO设置成对称的，其导致了喉部THR的开口的十字形形状CSH。内表面IS设置有凸起部分KS和凹入部分KK。同样地，图3中描述的径向横截面包括喉部THR的内表面IS的凹入部分KK和凸起部分KS。图3中的突出部PRO和凹进部REC基本上平行于燃烧器轴线CX。

图4以三维简化图示出了根据本发明的喉部THR的优选实施方式。所述突出部PRO和凹进部REC基本上遵循围绕燃烧器轴线CX同轴布置的螺旋形路径。由该螺旋形形状赋予的流的漩涡相对于主燃烧空间MCR中的漩涡是反向的。

图5示出了喉部THR，该喉部THR利用喷嘴NOZ提供有燃料喷射，喷嘴NOZ分别设置在突出部PRO和凹进部REC的侧壁的侧面上。喷嘴NOZ连接所述突出部PRO内部的内腔CF，该内腔被供给加压燃料F，以通过设置在喉部THR中的喷嘴喷射到流中。以未图示的方式，内腔CV通过设置在先导旋流器SWP的旋流器翼部中的未图示的通道来接收燃料F的流。

Claims (10)

1.一种用于燃气轮机的燃烧器（B），所述燃烧器（B）包括：

-燃烧器外壳（BH），以及

-先导燃烧室（PC），所述先导燃烧室（PC）包括供给模块（SM），所述供给模块（SM）将先导燃料（F）和先导空气（A）提供到由先导燃烧室外壳（PCH）包围的先导燃烧空间（PCR）内，所述先导燃烧室外壳（PCH）包括渐缩式出口，所述渐缩式出口具有在产生的主流方向上的限定长度的喉部（THR），所述喉部（THR）将所述先导燃烧空间（PCR）中产生的基团与热量（H）的汇聚物排出到由所述燃烧器外壳（BH）包围的主燃烧空间（MCR）内，

-其中，燃烧器轴线（CS）由所述喉部（THR）的中心线限定，所述中心线在穿过所述喉部（THR）的所产生的主流方向上延伸，

其特征在于，

所述喉部（THR）的内部横截面区域借助于流动引导元件（FGE）偏离圆形，所述流动引导元件（FGE）设置为具有沿着所述燃烧器轴线（CX）的方向纵向延伸的限定径向高度的突出部（PRO）或具有沿着所述燃烧器轴线（CX）的方向纵向延伸的限定深度的凹进部（RCE），以赋予所述排出的流关于周向方向的限定的速度分布。

2.根据权利要求1所述的燃烧器（B），其中，所述横截面突出部或凹进部形成所述喉部（THR）的十字形或星形的所述径向横截面。

3.根据权利要求1所述的燃烧器（B），其中，所述横截面形成三角形、四边形、五边形或其他多边形，而不是圆形。

4.根据权利要求1或2所述的燃烧器（B），其中，所述横截面包括所述喉部（THR）的内表面（IS）的凸起部分或凹入部分。

5.根据权利要求2前述权利要求中的至少一项所述的燃烧器（B），其中，所述突出部（PRO）和/或所述凹进部（REC）设置成沿着所述中心线（CX）延伸的基本上螺旋形形状，以使通过所述喉部（THR）的所述流具有漩涡。

6.其中，所述突出部和/或所述凹进部基本上平行于所述燃烧器轴线（CX），以赋予所述流不带有漩涡的速度分布。

7.根据权利要求5所述的燃烧器（B），其中，所述燃烧器（B）包括旋流器（MSW），所述旋流器（MSW）将空气（A）或/和燃料（F）排出到所述主燃烧空间（MCR）内，从而形成在所述主燃烧空间（MCR）中的第一方向的主漩涡，其中，所述突出部（PRO）和/或所述凹进部（RCE）形成为赋予离开所述喉部（THR）的流相对于在所述主燃烧空间（MCR）中的所述漩涡反向的漩涡。

8.根据前述权利要求中的至少一项所述燃烧器（B），其中，所述喉部（THR）设置有用于将燃料（F）排出到穿过所述喉部（THR）的流内的喷嘴（NOZ）。

9.根据权利要求8所述的燃烧器（B），其中，所述喷嘴位于所述突出部（PRO）和/或所述凹进部（RCE）的侧面上。

10.根据权利要求8、9中的一项所述的燃烧器（B），其中，所述喷嘴（NOZ）被制成用于将气态燃料（F）喷射到穿过所述喉部（THR）的所述流内。

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