CN103140715A - 用于燃气轮机的燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种用于燃气轮机的燃烧器（1），包括先导燃烧室（5）以及供应模块，所述供应模块将先导燃料（20）和先导空气（21）供应到由包括渐缩式出口喉部（24）的先导燃烧器壳体（22）包围的先导燃烧空间（23）中。所述燃烧器（1）包括具有多个孔的均衡器（6）和处于均衡器（6）下游的燃料喷射器（9），以及处于喷射器（9）下游的旋流器（13），其中，主空气流（7）经由所述多个孔进入腔（8），其中，燃烧器轴线（3）由所述先导燃烧区域（23）的中心和所述主燃烧区域（14）的中心限定。为了减少空间的需要，均衡器（6）构造成使得主空气流（7）相对于燃烧器轴线（3）沿径向方向进入腔（8），其中，通道从均衡器（6）通向围绕先导燃烧器壳体（22）周向地设置的旋流器（13），所述通道和所述旋流器构造成使得来自所述均衡器的主空气流（7）沿大致轴向的方向和周向的方向被先导。

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，包括先导燃烧室，所述先导燃烧室包括供应模块，所述供应模块将先导燃料和先导空气供应到位于由先导燃烧器壳体包围的先导燃烧空间中的先导燃烧区域中，所述先导燃烧器壳体包括渐缩式出口，所述渐缩式出口将在先导燃烧区域中生成的基团和热量的混合物排放到由燃烧器壳体包围的主燃烧空间中，其中，所述燃烧器还包括设置有多个孔的均衡器，主空气流穿过所述多个孔进入处于压力损失下的腔，以均衡在所述腔中的空气的流动分布，所述燃烧器还包括位于所述均衡器的下游的燃料喷射器以将主燃料流供应到主空气流中，其中，燃烧器轴线由所述先导燃烧区域的中心和所述主燃烧区域的中心限定。

背景技术

燃气轮机发动机使用在各种应用中——包括发电、军用和民用航空、管道输送以及海洋运输。根据本发明的燃气轮机的优选操作方式是部分倾斜的预混合燃烧过程（LPP），其中通过提供燃烧产物——基团和热量——的先导燃烧室来使燃烧保持稳定，其中燃烧产物能够使主要的部分倾斜的预混合燃烧过程稳定。接着热量效率，与燃气轮机发动机中的燃烧过程相关联的主要问题是火焰的稳定化、脉动和噪音的消除以及污染排放物——尤其是硝基氧化物、一氧化碳、未燃尽的碳氢化合物（UHC）、烟气以及颗粒排放物——的控制。

在WO2009/121777A1中描述了前述类型的燃烧器，其中由于NOx排放物的从传统的大约2300K降至低于化学计量点的小于1800K的较低的火焰温度，LLP燃烧作为减少NOx排放的可能性的方法被提及。为了使火焰温度减少至低于1800K，需要为化学计量燃烧的空气量的大约两倍，这可以导致预混合火焰的贫燃熄灭。尽管熄火问题会导致低频振动，但通过在火焰速度中的起伏和火焰前方的统计学运动，也形成较高的频率，这同样是不理想的。

减少火焰温度的另外的方法是添加水，液态的水由于蒸发作用可以冷却火焰温度。但是由于将均为液态的燃料和水混合是非常复杂的并且需要用于添加混合模块的空间，所以需要对燃烧器的结构进行较大的改型。然而，现有的传统燃烧器设计已经是非常紧凑的结构，不可能再有用于附加模块的空间。由于使燃料和水混合会形成保持不稳定的液态乳状液，所以混合模块需要相当靠近燃烧器以避免这两种混合成分分离。

发明内容

因此本发明的一个目的是使设计更具有空间效率，尤其是能够添加另外的模块，尤其是用于生成燃料和水的乳状液的混合模块。

本发明的另一目的是提高稳定性并且避免燃烧器中的低频和高频振动。

本发明的另一目的是减少排放物——尤其是NOx、Co和UHC。

本发明提出一种包括权利要求1的特征部分的特征的前述燃烧器。从属权利要求涉及优选实施方式，其中参考从属权利要求，对于本领域普通技术人员而言为可能和合理的组合都属于本发明的范围。

本发明的基本特征是，空气流沿大致径向方向进入腔，然后流动方向改变大约90度，以沿腔的由限制径向运动的壁所先导的基本上轴向的流动方向进入旋流器。在旋流器中，旋流器翼部给予气流另一周向速度分量，以在燃烧腔下游获得最佳的速度分布。燃气轮机的传统旋流器——如在上述WO2009/121777中示出的——使用沿旋流器的径向流动方向，这如对径向空间消耗的缺点那样。令人惊讶地，应该意识到的是，根据本发明的沿旋流器的不同的流动方向不会对进入主燃烧区域下游的气流的速度型面的旋流分布产生任何负面效果。必须指出的是，对于连续性而言，由于沿旋流器流动路径的不同横截面没有以与如前所述相同的方式加速流动，所以通过旋流器的气流的轴向方向明显不同。另一方面，均衡器和旋流器的直径减小，这使得液态燃料更容易在更靠近主火焰前部的上游端的位置处引入。当燃料喷射器位于旋流器前部时——大多数情形下是这样——在相同的旋流高度的混合距离可以更大，而不需要额外的径向空间需求。同样，气流均衡器可以设计为非常充分而不需要限制与空间限制有关的边界条件。

通过这样给出一种优选的实施方式：所述燃烧器在喷射器下游包括旋流器以给予进入所述主燃烧空间的下游的燃料和空气的流的指定的流动分布。可替代地，旋流器和喷射器的次序可以改变或喷射器可以例如通过为旋流器叶片设置喷射孔而与旋流器组合。根据本发明，由于能够获得足够的轴向空间，所以旋流器可以设计成几乎没有与空间限制相关的任何妥协。所有需求可以被认为给予流动的用于最好的稳定性、最低的压力损失和导致高效的最佳混合的最优的旋流分布。

通过这样给出一种优选的实施方式，均衡器基本上是穿孔板，该板相对于大致沿轴向方向的径向平面延伸。根据本发明，均衡器也不遭受任何空间限制，因为沿轴向取向的穿孔板使有足够的空间，该空间可用于关于均衡效果和压力损失的优化设计。具有的圆筒状的燃烧器的穿孔板导致具有纵向圆筒体的穿孔的圆筒体，该纵向圆筒体沿轴向方向与导引燃烧区的中心与主燃烧区的中心限定的燃烧器轴线一致。

通过这样给出又一优选实施方式：所述燃烧器在旋流器下游包括环形收敛通道并排放到主燃烧空间中。收敛通道与位于上游的旋流器支持在使先导燃烧器壳体的出口附近的停滞点稳定的燃烧空间中的有利的流动分布，其中基团和热量的混合物排放到主燃烧区域中。

对于另外的优点，所述均衡器、所述腔、所述旋流器和所述收敛通道中的至少一个元件至少部分地以环形的方式围绕先导燃烧室。这种紧凑设计一方面使所有的功能部件沿径向集中，另一方面给予进入主燃烧区域的气流达到最佳混合、旋流分布和速度型面的最优化设计的方式。

很有利的是，使用本发明通过喷射器使水能够附加到与空气流混合的液态燃料中。混合模块可以设置在与燃料供应相关的喷射器模块的上游，其中水与要喷射到进入旋流器的气流中的液态燃料混合。径向混合给予混合模块所需的另外的空间，混合模块必须接近喷射器以避免本身不稳定的乳状液的分解。根据本发明的燃烧器的传统部件的减小的直径能够使燃烧器的相对较小的空间需求以结合生成不稳定的乳状液的混合模块，而不在径向方向上需求额外的空间。这使传统的燃气轮机的改型上升到燃烧燃料-水乳状液的技术。

根据本发明的燃烧器优选使用在通过多个优选沿机器轴线的周向分布的燃烧器而操作的燃气轮机中。

附图说明

结合附图，通过参照下列对本发明的当前最佳实施方式的描述，本发明的上述特性、其他特征和优点以及获得它们的方式将变得更加明显，其中：

图1示意性地示出了通过根据本发明的燃烧器剖切的三维纵向截面图；

图2示意性地示出了通过根据图1的轴向通道剖切的三维纵向截面图，其中气态燃料喷枪设置在轴向通道中；

图3示意性地示出了根据图2的沿纵向视角被放大的燃料喷枪；

图4示意性地示出了根据图2的沿正面视角被放大的燃料喷枪；

图5示意性地示出了在旋流器与主燃烧腔之间的渐缩式环形通道的有利几何形状。

具体实施方式

图1示出了通过根据本发明的燃烧器1剖切的纵向截面图。燃烧器1是燃气轮机的燃烧器1，燃气轮机的机器轴线2可以与燃烧器轴线3平行或相对于燃烧器轴线3倾斜。机器轴线2由燃气轮机转子的旋转轴线限定。燃烧器轴线3由先导燃烧区域23的中心和主燃烧区域14的中心限定。

燃气轮机包括沿机器轴线2的周缘设置的多个燃烧器1，其中仅示出一个燃烧器。燃烧器1包括燃烧器壳体4和先导燃烧器5。燃烧器壳体4基本上为金属壳体，其中该金属壳体的一部分被穿孔。穿孔用作使进入由燃烧壳体4包围的腔8的空气流7均衡的均衡器6。腔8中的气流7通过由喷射器9喷射到所述流中的燃料和水的乳状液得以加强，其中喷射器9沿与主气流方向垂直或倾斜的方向将乳状液喷射到气流中。喷射器9基本上是相对于燃烧器轴线3径向地延伸并且设置有分别沿其径向延伸方向喷射的孔的管。从水11和液态燃料12供应到其中的混合模块10给喷射器9的管的内部供应乳状液。在喷射器9的下游，旋流器13给予所述流以指定的漩涡以在下游的主燃烧区域14中获得理想的流速分布。旋流器13包括围绕燃烧器轴线3在周向上分布的多个叶片。在旋流器13的下游，收敛的环形通道16将气流引入燃烧区域14的滞流点17前方的燃烧空间15中。

图5示出了位于旋流器13下游和燃料喷射器管9下游的收敛的通道16的有利几何形状。在图5中示出了收敛的通道16中的两个通道，根据燃烧器在燃料和空气消耗方面的需求，收敛的通道16可以是适当的数量。位于旋流器13与主燃烧区域14之间的用于输送燃料和空气的混合物的通道呈平滑的S形形状，其在收敛的环形通道16的内壁上具有使通道壁呈凸形形状的第一半径R1并且在内壁上具有使通道壁呈凹形形状的位于下游的第二半径R2。这两个半径R1、R2在相对于燃烧器轴线3与通道16分别倾斜的最高的尖细部的位置彼此会合，该点在图5中用附图标记30表示。与点40接触并与燃烧器轴线3相交的切线与燃烧器轴线3形成低于25°的角度γ。环形收敛通道16’具有类似的半径R1’、R2’和点30’，从而使得切线31’与燃烧器轴线3形成低于25°的角度γ’。该通道16的几何形状使得压力损失减小并且不具有任何平直部分的平滑的永久地弯曲的轮廓避免了气流的分离现象，这提高了稳定性并且减小了逆燃的可能性。

将先导燃料20和先导空气21供应给先导燃烧器5。先导燃烧器5包括其自有的燃烧器壳体22和自有的燃烧区域23，其中先导燃烧器壳体22在下游端处是渐缩的，并且经由喉部出口将热量和自由基排放到主燃烧区域14中。喉部出口使得用于将气体从先导燃烧器5排出的流动通道变窄，这使得加速了气体的排放并且减少了从主燃烧空间16到先导燃烧器5中逆燃的可能性。在主燃烧空间15中形成了再循环，使由先导燃烧器5生成的热量和自由基与主燃烧的燃烧产物以及与由收敛通道16排放的流混合。

所述先导燃烧器壳体22包括由所述先导燃烧室5包围的冷却通道220，至少部分作为双壁222提供了处于所述双壁222的两个壁部之间的中间空间221中的所述冷却通道220。通过穿过冷却通道220的穿孔223的环绕通道为所述冷却通道220供应冷却流体。

为了增加燃料的灵活性——换句话说——为了提供在燃烧器中的不同位置处将质量和/或数量不同的燃料以改进的混合而喷射的可能性，有利的是，在均衡器6的下游和/或这样的通道的下游设置腔8：该通道通过燃料喷枪40将流体从均衡器6引入到旋流器13，其中燃料喷枪40基本上延伸成与燃烧器轴线3平行或与燃烧器轴线3成在腔8的均衡器6的各个限制壁之间的角度的二分之一的角度。喷枪40的纵向延伸有关的基本参数是其沿围绕气流的主流方向延伸。此燃料喷枪40优选提供进入均衡器6下游和旋流器13的上游的空气流的气态燃料50。优选地，燃料50的喷枪40位于设置成喷射液态燃料（11+12）的喷射器9的上游。图3和图4中更加详细地示出了燃料喷枪40，图3和图4示出了纵向视图和正面视图，并且在图3和图4中通过根据附图标记的罗马数字表示。喷枪40在基本上呈圆筒形的喷枪体43的端部处设置有放大的尖端部44。通过喷枪体43，气态燃料50通过未示出的内部通道引入到放大的尖端部44中，在尖端部44中设置有多个孔口45以将气态燃料50喷射到主流7中。尖端部设置有在喷枪40的轴向方向上沿喷枪的中心轴线46延伸的多个槽47。槽47分别呈V形并且孔口45分别设置在槽的径向最内点中，即各个槽的底部处。放大的尖端部44成形为使得正面轴向示图（相对于喷枪40的纵向方向）看起来像星星，在星状凹部的底部中具有孔口45。优选地，孔口45位于最大直径的轴向位置处——分别在放大的尖端部44。由于孔口45在沿槽47导引的流的涡流起点处的位置，所述几何形状的优点是改进的混合。在此种星形的凹部中开始的涡流或漩涡引起能够改进主流和气态燃料50的混合的非常高的湍流。

Claims (6)

1.一种用于燃气轮机的燃烧器（1），所述燃烧器（1）包括：

-先导燃烧室（5），所述先导燃烧室（5）包括供应模块，所述供应模块将先导燃料（20）和先导空气（21）提供到由先导燃烧器壳体（22）包围的先导燃烧区域（23）中，所述先导燃烧器壳体（22）包括渐缩式出口喉部（24），所述渐缩式出口喉部（24）将在先导燃烧空间（25）的先导燃烧区域（23）中生成的基团和热量的汇聚物排放到由燃烧器壳体（4）包围的主燃烧空间（15）的主燃烧区域（14）中，

-其中，所述先导燃烧器壳体（22）包括包围所述先导燃烧室（5）的冷却通道（220），所述冷却通道（220）至少部分为双壁（222），以将所述冷却通道（220）提供在所述双壁（222）的两个壁部之间的中间空间（221）中，

-其中，由所述先导燃烧区域（23）的中心和所述主燃烧区域（14）的中心限定燃烧器轴线（3），-其中，所述燃烧器（1）还包括均衡器（6），所述均衡器（6）设置有多个孔，主空气流（7）穿过所述多个孔进入处于压力损失下的腔（8）以便均衡在所述腔（8）中的所述空气流（7）的分布，

-其中，所述燃烧器还包括位于所述均衡器（6）的下游的燃料喷射器（9）以将主燃料流（12）供应到主空气流（7）中，

-其中，所述燃烧器还包括位于所述喷射器（9）的下游的旋流器（13），以使进入下游的所述主燃烧空间（15）的所述燃料流（12）和空气流（7）具有指定的流动分布，

其特征在于，

所述均衡器（6）沿所述燃烧器轴线基本上呈圆筒形地和轴向地延伸，使得主空气流（7）相对于所述燃烧器轴线（3）沿大致径向方向进入所述腔（8），

其中，通道从所述均衡器（6）通向围绕所述先导燃烧器壳体（22）周向地设置的所述旋流器（13），所述通道和所述旋流器构造成使得来自所述均衡器的所述主空气流（7）沿大致轴向的方向和周向的方向被先导。

2.根据权利要求1所述的燃烧器（1），

其中，所述均衡器（6）包括设置有所述孔的穿孔板，所述板围绕所述燃烧器轴线（3）基本上同心地延伸。

3.根据权利要求1所述的燃烧器（1），

其中，在所述旋流器（13）的下游设置有收敛的环形通道（16）以将所述流排放到所述主燃烧空间（14）中。

4.根据至少权利要求1和3所述的燃烧器（1），

其中，所述均衡器（6）、所述腔（8）、所述旋流器（13）以及所述收敛通道（16）中的至少一个元件至少部分地以环形的方式围绕所述先导燃烧室（5）。

5.根据至少权利要求1所述的燃烧器（1），

其中，在所述喷射器（9）的与燃料供应有关的上游设置混合模块（10），其中，水（11）与要喷射到进入所述旋流器（13）的空气流（7）中的液态燃料（12）混合。

5.根据至少权利要求1所述的燃烧器（1），

其中，所述冷却通道（220）通过穿过所述冷却通道（220）的穿孔部（223）的环绕通道而供应冷却流体。

6.一种燃气轮机，包括多于一个根据权利要求1至5中的至少一项所述的燃烧器（1）。

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