CN103270369B - 带有燃料喷嘴的燃气轮机燃烧室,带有这种燃料喷嘴的燃烧器,以及燃料喷嘴 - Google Patents

带有燃料喷嘴的燃气轮机燃烧室,带有这种燃料喷嘴的燃烧器,以及燃料喷嘴 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种带有燃料喷嘴的燃气轮机燃烧室，所述燃料喷嘴包括圆柱形的、其中流入流体的喷管（1）和设在喷管（1）下游的、凸形构造的、具有中心点（3）的喷嘴盖（2），其中，所述喷嘴盖（2）具有多个通流孔（4a，4b），流入所述喷管（1）的流体通过所述通流孔流出，其中，所述通流孔（4a，4b）设在相对于所述中心点（3）有不同径向距离（R1，R2）的至少两条环形线（5a，5b）上。

Description

带有燃料喷嘴的燃气轮机燃烧室,带有这种燃料喷嘴的燃烧器,以及燃料喷嘴
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机燃烧室，其带有至少一个根据本发明所述的燃料喷嘴。此外，本发明还涉及一种燃烧器，其带有根据本发明所述的燃料喷嘴。此外，本发明还涉及一种根据本发明所述的燃料喷嘴。
背景技术
鉴于全球都在努力降低来自尤其是燃气轮机上的燃烧设备的污染物排放，近年来，燃烧器和用于燃烧器的操作过程得到了改进，使得这些燃烧器具有特别低的氮氧化物(NOx)的排放。此外还经常注重于，这种燃烧器分别不仅可通过一种燃料，而且尽可能可通过各种各样的燃料，例如石油、天然气和/或低热量燃料(以下也称为合成气)，可选择地单独或组合操作，从而提高供应安全性和操作时的灵活性。
合成气燃烧器的特征在于，在其中使用合成气作为燃料。与传统的燃气轮机燃料-基本上由碳氢化合物组成的天然气和石油-相比，合成气的可燃烧的组成部分基本上是一氧化碳和氢气。为了可选择地通过来自气化装置的合成气和通过第二或替代燃料来操作燃气轮机，燃烧器必须在对应于燃气轮机配设的燃烧室内设计为双燃料燃烧器或多燃料燃烧器，这种燃烧器根据需要既能通过合成气，又能加载第二燃料如天然气。为此，将燃烧器设计为多燃料燃烧器，这在合成气内的热值产生波动时对于燃气轮机动力的可用性是十分必要的。各种燃料在此通过燃烧器内的燃料通道输送到燃烧区。
现有的多燃料燃烧器具有燃料喷嘴，其包括喷管和带有中心点和通流孔的喷嘴盖，所述喷管与用于燃气(以下称为天然气)的第一燃料输送管道连接，天然气可通过所述喷嘴盖流入燃烧室。此外，所述通流孔沿圆周方向布置在设在喷嘴盖内的环形线上。在喷嘴盖内的通流孔之间在喷嘴盖内构成具有足够梁宽度的所谓的过梁。
US2005/0224605A1公开了一种由现有技术已知的燃料喷嘴，其记载的主要用途与内燃机发动机有关。类似的燃料喷嘴大约也能够从US2007/0215099A1中得知。US2008/0083229A1也公开了一种限定用于燃气轮机的燃料喷嘴。但是所有这些由现有技术已知的燃料喷嘴都不能解决在燃烧运行时改善燃料喷嘴的冷却的疑难问题。
到目前为止，没有必要冷却具有通流孔的喷嘴盖。现在除了天然气运行方式外还使用合成气，因此围绕所述喷管径向间隔地设有外壳，其与喷管构成环形间隙。所述环形间隙与用于(大约类似于在US2008/0083229A1中公开的合成气输入管道的)将合成气输送到环形间隙的第二燃料输送管道连接。在这种装置中，由于通过喷嘴盖流入的燃料的冲量非常小，所以喷嘴盖、尤其在部分负荷运行时被强烈加热。通过加热使得所述喷嘴盖这样变热，即，在喷嘴盖内形成导致磨损的热应力。这缩短了整个燃料喷嘴的使用寿命。
另外，所述由现有技术得知的燃料喷嘴也没有意识到要对流经通流孔的燃料进行可控制地导流。由此表明：例如在特定的运行条件下可能会由于通流孔导致不期望的火焰反冲。这种火焰反冲尤其会干扰所期望的燃料均匀地流经通流孔。
发明内容
因此，本发明要解决的第一个技术问题在于，提供一种燃料喷嘴，其特点是使用寿命长。此外，本发明要解决的技术问题还在于，提供一种具有这种燃料喷嘴的燃气轮机燃烧室和一种燃料喷嘴本身。本发明要解决的另一个技术问题在于，提供一种具有这种燃料喷嘴的燃烧器。
所述技术问题通过一种带有喷管和喷嘴盖的燃料喷嘴得以解决，其中，所述燃料喷嘴是燃气轮机燃烧室的组成部分或燃烧器的组成部分。另外，所述技术问题通过一种具有燃料喷嘴的燃气轮机燃烧室得以解决，其中，所述燃料喷嘴包括圆柱形的、其中流入流体的喷管和设在喷管下游的、凸形构造的、具有中心点的喷嘴盖，其中，所述喷嘴盖具有多个通流孔，流入所述喷管的流体通过所述通流孔流出，其中，所述通流孔设在相对于所述中心点有不同径向距离的至少两条环形线上，其中，至少一个所述通流孔在上游包括入流喇叭口。此外，所述技术问题通过一种带有燃料喷嘴的燃烧器得以解决，其中，所述燃料喷嘴带有喷管和通流孔，其中，所述喷管)与第一燃料输送管道连接，用于将第一种燃料输送到所述喷管中，其中，围绕所述喷管径向间隔距离地设有外壳，其与喷管构成具有环形间隙出口的环形间隙，其中，所述环形间隙与第二燃料输送管道连接，用于将第二种燃料输送到所述环形间隙中，其中，所述第一种燃料和第二种燃料可通过通流孔和环形间隙出口流入燃烧室，其中，所述燃烧器是燃气轮机燃烧室的组成部分。
按照本发明所述的燃气轮机燃烧室具有至少一个燃料喷嘴，其中，至少一个燃料喷嘴包括圆柱形的、其中流入流体的喷管和设在喷管下游的、凸形构造的、具有中心点的喷嘴盖，其中，所述喷嘴盖具有多个通流孔，流入所述喷管的流体通过所述通流孔流出，其中，所述通流孔设在相对于所述中心点有不同径向距离的至少两条环形线上，其中，至少一个所述通流孔在上游包括入流喇叭口。
按照本发明，所述至少一个燃料喷嘴具有带有中心点的喷嘴盖，其中，所述喷嘴盖包括多个通流孔，流入喷管的流体通过所述通流孔流出，并且其中，所述通流孔设在与中心点有不同径向距离的至少两条环形线上。因此，在不降低设在燃料喷嘴下游的燃烧室内的燃烧稳定性的情况下，喷嘴盖、尤其在中心点周围得到更好的冷却。因此可避免热应力并延长喷嘴的使用寿命。此外，由于在具有更多通流孔的情况下也能保证足够的梁宽度，为了更好地冷却，现在可在喷嘴盖内设置比现有技术中的喷嘴中更多的通流孔。
另外，这样设计所述按照本发明的燃料喷嘴，即，至少一个所述通流孔在上游包括入流喇叭口。所述入流喇叭口尤其起到的作用是：在相关的通流孔中不会发生复回流。由此可以避免火焰反冲。同时可以实现将燃料、例如天然气、合成气或者液态燃料相宜地通过具有入流喇叭口的通流孔导送。
附图说明
从下面参照附图1至图8对实施例的说明中可得出本发明的其它特点、特性和优点。在图中，
图1示出了燃料喷嘴的横截面视图；
图2示出了喷嘴盖；
图3通过通流孔的不同张角示出了按本发明所述的燃料喷嘴；
图4局部地示出了按照第一实施例的喷嘴盖，其具有通流孔和具有燃料喷射器的入流喇叭口；
图5局部地示出了按照第二实施例的喷嘴盖，其具有通流孔和具有燃料喷射器的入流喇叭口；
图6局部地示出了按照本发明另一种实施方式的具有通流孔和入流喇叭口的喷嘴盖；
图7示出了在合成气燃烧器内的燃料喷嘴；
图8示出了在燃气轮机燃烧室内的燃料喷嘴。
具体实施方式
图1示出了一种具有圆柱形喷管1和凸形喷嘴盖2的燃料喷嘴。所述燃料喷嘴1具有气缸轴线7。流体尤其是燃料引入燃料喷嘴1，然后通过通流孔4a，4b流出到下游的、未示出的燃烧室。
图2从正面示出了一种喷嘴盖2。所述喷嘴盖2具有中心点3。此外，所述喷嘴盖2还具有多个通流孔4a，4b。所述通流孔4a，4b设在与中心点3有不同径向距离R1，R2的至少两条环形线5a，5b上。此外，所述通流孔4a设在相对于中心点3的距离为半径R1的环形线5a上。此时，具有较小半径R1的环形线5a被称为径向内环线5a。与现有技术中的喷嘴相比，多种燃料或(如果燃料预混合)多种燃料-空气混合物通过位于径向内环线5a上的通流孔4a输送到喷嘴盖2的中心点3。这防止了喷嘴盖2尤其在中心点3周围过热。此外防止了火焰反冲。因此，与现有技术中的喷嘴相比，所述喷嘴盖2的温度降低。与此同时，位于环形线5a上的通流孔4a与位于另一条环形线5b上的通流孔4b具有相同的径向入流。
喷嘴盖2内的通流孔4a或4b的间距与现有技术中的喷嘴相比增大。因此，在通流孔4a或4b之间的过梁宽度也增大。这减小了开裂的危险。此外，在喷嘴盖2圆周不变的情况下，所有通流孔4a，4b的数量多于在同样情况下现有技术的喷嘴中的数量。此外，在不减小通流孔4a或4b彼此之间的梁宽度的情况下，可增大通流孔4a或4b的直径。由于通流孔4a，4b的较大数量和可选择地还由于通流孔4a，4b的较大直径，通过对流过通流孔4a，4b的流体的分布的改善，可实现在喷嘴盖2内的更有效的冷却。因此尤其在喷嘴盖2的中心点周围实现改进的冷却。此外，由于通流孔4a，4b的较大数量和可选择地还由于通流孔4a，4b的较大直径，喷嘴盖表面本身变小。这意味着，在(未示出的)燃烧室内的火焰在喷嘴盖2中具有较小的、可能要遭受火焰侵蚀和粘附的、并因此可能损坏的表面。
本发明所述的燃料喷嘴的另一优点在于，通过将通流孔设在不同的环形线5a，5b上，在通流孔4a，4b上的总体压力损失小于现有技术中其他燃料喷嘴的通流孔上的总体压力损失。这导致了更稳定的燃烧。
位于环形线5a，5b上的通流孔4a，4b彼此具有等距的间距。因此导致了燃料对称地流入下游的(未示出的)燃烧室。这对于燃料的均匀燃烧是十分必要的。位于环形线5a上的通流孔4a相对于位于另一条环形线5b上的通流孔4b错开了一个角度地设置。位于两条环形线5a，5b上的通流孔4a，4b的数量可相同也可不同(未示出)。同样地，所述通流孔4a，4b可具有不同或相同的直径(未示出)。
图3示出了具有喷管2的燃料喷嘴的横截面示意图，所述喷管带有圆柱轴线7和喷嘴盖2。图3还示出了，位于不同的环形线5a，5b上的通流孔4a，4b分别与气缸轴线7构成不同的张角α，β。此外，位于径向内环线5a的通流孔4a比设在径向外环线5b上的通流孔4b具有更大的张角α。因此，例如所述通流孔4a可具有张角α＝45°，所述通流孔4b可具有张角β＝30°。这导致了，位于环形线5a上的通流孔4a与位于环形线5b上的通流孔4b具有相同的燃料径向入流。因此，在(未示出的)燃烧室内形成燃料或燃料-空气混合物的稳定的、热的再循环区。可以这么说，所述再循环区由通过附加的通流孔4a流入(未示出的)燃烧室的流体从喷嘴盖2推开。因此，尽可能地避免了热的再循环区与喷嘴盖2的接触。因此避免了喷嘴盖2的非常高的温度。对位于不同的环形线5a，5b上的通流孔4a，4b的张角总是这样选择，即，位于环形线5a上的通流孔4a与位于环形线5b上的通流孔4b具有流入(未示出的)燃烧室的相同的流体径向入流。
图4示例地示出了通流孔4以代表多个、尤其是所有通流孔4a，4b(参见图2)，所述通流孔4在上游具有入流喇叭口(“bellmouth”)。燃料喷射器22可指向所述入流喇叭口20，所述燃料喷射器由设在喷管1(参见图1)中央的燃料输送管道24供给。通过喷管1(参见图1)引导的流体在此为压缩机空气30。燃料通过燃料喷射器22在通流孔4处进入通过喷管1(参见图1)的压缩机空气30中。由此产生的燃料-空气混合物进入(未示出的)燃烧室。在此，通过燃料喷射器22进入通流孔4的燃料可具有平行于压缩空气30的入流方向26(参见图4)或具有垂直于压缩空气30的入流方向28(参见图5)。如果存在平行的入流方向26(参见图4)，那么由燃料喷嘴进入(未示出的)燃烧室的燃料-空气混合物有利地例如比在垂直的入流方向28(参见图5)时具有更大的冲量，这对燃烧起积极作用。
图6示出了一种具有入流喇叭口20而不具有燃料喷射器22(参见图4和图5)的通流孔4。在此，燃料-空气混合物45作为流体通过通流孔4进入(未示出的)燃烧室，这意味着，在喷管1(参见图1)内或还在喷管1(参见图1)的上游就已经发生燃料与空气的混合。此外，入流喇叭口20如其在图4-图6中所示，导致了在通流孔4中不发生再循环。由此避免了火焰反冲。同样地，燃料例如天然气、合成气或液体燃料也可能穿过具有入流喇叭口20的通流孔4输送。
图7示出了按照本发明的燃料喷嘴作为多燃料喷嘴。喷管1与第一燃料输送管道相连，用于将第一种燃料，例如具有蒸汽的天然气，输送到喷管1中。围绕喷管1径向间隔距离地设有外壳16，其与喷管1构成具有环形间隙出口18的环形间隙17。此外，环形间隙17与第二输送管道，例如合成气输送管道，相连，用于将合成气输送到所述环形间隙17中，其中，天然气和合成气可通过通流孔4a，4b和环形间隙出口18流入(未示出的)燃烧室。如这种装置为本发明燃料喷嘴提供有效冷却，这种装置尤其有利于喷嘴盖2(参见图1)的有效冷却。此外，在这种具有本发明燃料喷嘴的装置中，减少了氮氧化物(NOx)的排放。同时提高了这种燃烧装置的稳定性。因此现在天然气中的蒸汽可再减少10％。这减少了流过喷管1的总的流体质量流。因此有利地导致了在喷嘴盖2上的较小的压力损失。
图8示出了在燃气轮机燃烧室内的燃料喷嘴。在此，包括喷管1和通流孔4a，4b的燃料喷嘴设在管12的中间段，所述管12在一端朝(未示出的)燃烧室开口。多个主燃烧器14相对于径向方向设置在燃料喷嘴周围。此外，主燃烧器14包括指向(未示出的)燃烧室的主出口40。燃料喷嘴的通流孔4a，4b指向同一个(未示出的)燃烧室。具有通流孔4a，4b的喷嘴盖2设在主出口40的上游。这稳定了燃烧。为了将主燃烧器14与燃料喷嘴连接，可使用锥体35或直角壁段32。

Claims (10)

1.一种带有燃料喷嘴的燃气轮机燃烧室，其中，所述燃料喷嘴包括圆柱形的、其中流入流体的喷管(1)和设在喷管(1)下游的、凸形构造的、具有中心点(3)的喷嘴盖(2)，其中，所述喷嘴盖(2)具有多个通流孔(4a，4b)，流入所述喷管(1)的流体通过所述通流孔流出，其中，所述通流孔(4a，4b)设在相对于所述中心点(3)有不同径向距离(R1，R2)的至少两条环形线(5a，5b)上，其特征在于，至少一个所述通流孔(4a，4b)在上游包括入流喇叭口(20)。
2.按照权利要求1所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述通流孔(4a，4b)在环形线(5a，5b)上具有等距的间距。
3.按照权利要求1或2所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述喷管(1)具有气缸轴线(7)，并且所述通流孔(4a，4b)在不同的环形线(5a，5b)上分别与所述气缸轴线(7)构成不同的张角(α，β)。
4.按照权利要求3所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，位于具有较小径向距离(R1)的环形线(5a)上的所述通流孔(4a)比设置在具有较大径向距离(R2)的环形线(5b)上的所述通流孔(4b)具有更大的张角(α)。
5.按照权利要求1所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，位于一条环形线(5a)上的所述通流孔(4a)相对于位于另一条环形线(5b)上的所述通流孔(4b)错开角度地设置。
6.按照权利要求1所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，燃料喷射器(22)指向至少一个入流喇叭口(20)，所述燃料喷射器(22)通过设在喷管(1)内的燃料输送管道(24)供给。
7.按照权利要求6所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，这样构造所述燃料喷射器(22)，即，所述燃料喷射器(22)将燃料平行和/或垂直于穿过通流孔(4a，4b)流动的流体的流动方向地喷射。
8.按照权利要求1所述的燃气轮机燃烧室，其特征在于，所述燃料喷嘴设在管(12)以及多个主燃烧器(14)的中间段，所述管在一端朝燃烧室开口，所述主燃烧器相对于径向方向设置在燃料喷嘴周围，其中，所述主燃烧器(14)包括指向燃烧室的主出口(40)，其中，燃料喷嘴的所述通流孔(4a，4b)指向同一个燃烧室，并且具有通流孔(4a，4b)的所述喷嘴盖(2)设在主出口(40)的上游。
9.一种带有燃料喷嘴的燃烧器，所述燃料喷嘴带有喷管(1)和通流孔(4a，4b)，其中，所述喷管(1)与第一燃料输送管道连接，用于将第一种燃料输送到所述喷管(1)中，其中，围绕所述喷管(1)径向间隔距离地设有外壳(16)，其与喷管(1)构成具有环形间隙出口(18)的环形间隙(17)，其中，所述环形间隙(17)与第二燃料输送管道连接，用于将第二种燃料输送到所述环形间隙(17)中，其中，所述第一种燃料和第二种燃料可通过通流孔(4a，4b)和环形间隙出口(18)流入燃烧室，其特征在于，所述燃烧器是按照权利要求1至8之一所述的燃气轮机燃烧室的组成部分。
10.一种带有喷管和喷嘴盖的燃料喷嘴，其特征在于，所述燃料喷嘴是按照权利要求1至8之一所述的燃气轮机燃烧室的组成部分或按照权利要求9所述的燃烧器的组成部分。
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