CN103542403A - 尤其用于燃气涡轮的燃烧器布置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃烧器布置(30)，其包括带有前面板(23)的燃烧室(22)、以及多锥体式预混合喷燃器(21)，预混合喷燃器(21)借助于带密封的滑动接头(24,26,32)通过细长的混合区(24,26)以轴向可移动方式连接到所述前面板(23)。通过将所述带密封的滑动接头(24,26,32)定位在所述混合区(24,26)的上游来实现喷燃器(21)的各种轴向变化和泄漏空气流对火焰内的氧化过程的最小影响。

Description

尤其用于燃气涡轮的燃烧器布置
技术领域
本发明涉及燃烧技术。本发明涉及根据权利要求1的前序的尤其用于燃气涡轮的燃烧器布置。
背景技术
在过去20多年中，具有短但有效的预混合区的喷燃器(burner)(所谓的EV喷燃器：环保的V形喷燃器)已经以非常低的NOx水平在本申请人的若干燃气涡轮中实现。除此之外，预混合技术的三种变型已经成功开发和部署在这些燃气涡轮发动机中：顺序EV喷燃器，这是一种允许将天然气和石油预混合到热排气流中以再热第一高压涡轮的排气的技术；MBtu EV喷燃器，该喷燃器用来以低NOx排放量在预混合火焰中燃烧合成气；以及高级EV喷燃器(AEV)，该喷燃器能够在燃烧之前预蒸发和预混合液体燃料并以非常低的NOx排放量燃烧液体燃料而不喷水。
文献EP 0 851 172 A2公开了一种示例性的双锥体式EV喷燃器，其用于以液体和/或气体燃料操作燃烧室，从而使此目的所需的燃烧空气通过切向进气管道导入喷燃器的内部空间。这种流的导向导致内部空间中的旋流，该旋流在喷燃器的出口处引起回流区。为了稳定在此处形成的火焰峰，在形成喷燃器的每个分体件(sectional body)处设有至少一个区域，在该区域内设有用于将补充空气喷入旋流中的入口开口。由于这种喷射，在分体件的内壁处形成薄膜，该薄膜防止火焰能够沿着分体件的内壁回火至喷燃器的内部空间中。
文献EP 2 423 597 A2示出了双锥喷燃器形式的另一种示例性EV喷燃器，该喷燃器具有布置成一个嵌套在另一个内部的两个部分锥体外壳，在这两个外壳之间形成进气管道，来自外部的燃烧空气通过该管道流入预混合喷燃器的圆锥形内部空间中。横向于燃烧空气的流动方向延伸的喷射口的孔的线性排布置在进气管道的外壁上，并且气体燃料通过这些孔喷入横向于它们流过的燃烧空气中。
文献DE 195 45 310 A1公开了由具有外锥形壳体和内锥形壳体的中空锥形组成的另一种预混合喷燃器。至少两个进气管道切向于内锥形壳体延伸并且沿直的锥形壳体线定位。所形成的部分外壳的部分锥体轴线位于相同的锥体轴线上。预混合喷燃器被分成包含进气管道的至少两个(例如四个)部分，以便使燃烧空气产生旋流。燃料喷嘴定位在锥体顶端以用于喷射液体燃料。
文献EP 0 704 657 A2描述了图1中示出的燃烧器布置。该燃烧器布置包括带有旋流器15和混合管14的预混合喷燃器11。旋流器15具有由切向进入的燃烧空气流19反复作用于其上的锥形结构。在设置在旋流器15下游的过渡几何形状的辅助下在此处形成的流以使得在过渡件16处不出现分离区的方式平稳地通入过渡件16中。过渡件16在混合管14的过渡几何形状的流出侧上延伸，过渡件16和管14形成喷燃器的实际混合区。过渡件16和混合管14由环18相连。此外，过渡通道201过渡了横截面上的差异，同时不会不利地影响所形成的流。
燃烧室12邻接混合管14的端部，在流的两个横截面之间存在横截面上的跳跃。只有在该处形成具有火焰保持阻隔部的性质的中央回流区。燃烧室12具有带开口的前面板13，该开口用于接纳混合管14的端部。
如图1中所示，原理上，为了减少NOx的形成，通过在进入燃烧室12的突然的面积增加之前在旋流器15的出口处施加这样的混合管14，可以在混合管流20中延续燃料空气混合，在燃烧室12处火焰被再循环流稳定化。旋流器15的空气狭槽和气体通道由正交于喷燃器轴线的横切(intersecting)平面限制在下游部分中。因此，旋流器出口不是圆形的，并且需要在旋流器15和柱形混合管14之间的特殊过渡件16。该过渡件易于引起回火，因为它必须应用复杂的3D形状以避免在再循环区中的流动分离和火焰稳定。
燃气涡轮喷燃器通常安装到燃烧室，使得它能在轴向方向上移动以补偿热膨胀。通过施加在喷燃器和燃烧室的前面板之间的密封件的泄漏物接近火焰并造成对氧化过程的干扰。另外的问题由喷燃器迎面流造成，其中迎面流由于燃烧器罩内的狭小空间而经受流扰动。
因此，现有技术区别燃烧室12的前面板13和喷燃器11。为了最小化空气泄漏而施加了密封件，然而由于喷燃器11和燃烧室12经受大的温度变化并且喷燃器11必须相对于前面板13轴向可移动，该密封件不是严密的。由于该密封件接近喷燃器出口处的火焰，泄漏的空气通过局部火焰淬熄效应而干扰火焰的氧化过程。为了使迎面流变平整(even out)，目前用筛网套在喷燃器周围，但这样会导致空气流的压降。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃烧器布置，该燃烧器布置避免了已知布置的缺点，并且将喷燃器的各种轴向变化与泄漏空气流对火焰内的氧化过程的最小影响相结合。
该目的和其它目的由根据权利要求1所述的燃烧器布置实现。
根据本发明的燃烧器布置包括带有前面板的燃烧室和多锥体式预混合喷燃器，该预混合喷燃器借助于带密封的滑动接头通过细长的混合区以轴向可移动方式连接到所述前面板。
其特征在于，所述带密封的滑动接头定位在所述混合区的上游。
根据本发明的一个实施例，带密封的滑动接头由柱形喷燃器环和大致柱形的喷燃器套管的同轴滑动布置构成，其中将所述喷燃器环固定到所述喷燃器并且将所述喷燃器套管固定到所述前面板的一部分，并且在所述喷燃器环和喷燃器套管之间设有密封件。
具体而言，所述喷燃器环由所述喷燃器套管围绕。
更具体而言，所述喷燃器环在喷燃器的下游端的上游延伸，并且密封件定位在喷燃器环的上游端处。
根据本发明的另一个实施例，喷燃器套管在到所述燃烧室的过渡处具有以锥形方式变宽的喷燃器出口。
根据本发明的又一个实施例，在密封件上游的喷燃器套管中设有吹扫空气孔，用于利用空气吹扫在喷燃器环和喷燃器套管之间的间隙。
根据本发明的再一个实施例，所述预混合喷燃器包括多个喷燃器外壳，所述多个喷燃器外壳围绕中心喷燃器轴线布置并且是在下游方向上敞开的虚拟的轴向延伸公共锥体的部分，其中使所述部分垂直于所述喷燃器轴线偏置，使得在每一对相邻的外壳之间限定有切向狭槽，外壳中的每一个配有沿相应的外壳的轴向定向边缘延伸的预混合气体通道，使得气体可从所述预混合气体通道通过气体喷射孔喷入通过相邻的狭槽进入外壳的布置的内部的空气流中，外壳和预混合气体通道的下游端由横切平面定界，所述横切平面通过利用具有预定半径的虚拟同轴柱体横切(intersecting)所述外壳和预混合气体通道而限定，并且所述喷燃器环具有类似于所述预定半径的内半径。
附图说明
现在将借助于不同的实施例并参照附图更详细地说明本发明。
图1示出根据文献EP 0 704 657 A2的已知燃烧器布置；
图2以透视图示出能有利地在根据本发明的燃烧器布置中使用的喷燃器；
图3示出根据本发明的实施例的配有滑动接头的图2的喷燃器；以及
图4以剖视图示出带有如图3中所示的滑动接头的根据本发明的实施例的燃烧器布置。
部件列表
10,30   燃烧器布置
11,21   预混合喷燃器
12,22   燃烧室
13,23   前面板
14   混合管
15   旋流器
16   过渡件
17   过渡通道
18   环
19   燃烧空气
20   混合管流
24   喷燃器套管
25   喷燃器外壳
26   喷燃器环
27   燃料喷枪
28   燃料喷射器(中心)
29   喷燃器出口(锥形)
31   进气口(钟形)
32   密封件(迷宫)
33   吹扫空气孔
34   喷燃器轴线
35   预混合气体通道
36   狭槽(切向)
37   凸缘
P1,P2   横切平面。
具体实施方式
如在引言部分中所说明的，通过现有EV和AEV喷燃器的前面板密封的空气泄漏流绕过初始火焰区并且随后混合到热气体中，而不事先与燃料预混合。这因此对NOx和CO两者的产生是有害的。
相比之下，在根据本发明的燃烧器布置(图4中示出了该燃烧器布置的一个实施例)中，通过可抽出的喷燃器部分和套管的泄漏空气有意地首先用来吹扫在套管和喷燃器环之间的间隙，并且因此防止在喷燃器环的出口边界处的火焰稳定。空气接着被排入套管的混合区，在这里，空气在其到达在喷燃器套管的扩散器式出口处被稳定化的火焰区之前有足够时间与其它燃料-空气混合物预混合。
根据图4，燃烧器布置30包括预混合喷燃器21，预混合喷燃器21沿中心喷燃器轴线34延伸并且配有图2中示出的燃料喷枪27和旋流器构型。
图2的旋流器构型由喷燃器外壳25组成，喷燃器外壳25围绕中心喷燃器轴线34布置并且是在下游方向上敞开的虚拟的轴向延伸公共锥体(未示出)的部分，其中使所述部分或外壳25垂直于所述喷燃器轴线34移置，使得在每一对相邻外壳25之间限定有切向狭槽36。
每个外壳25配有沿相应的外壳的轴向定向边缘延伸的预混合气体通道36，使得燃料气体能从所述预混合气体通道35通过气体喷射孔(未示出)喷入通过相邻的狭槽36进入外壳25的布置的内部的空气流中。
外壳25和预混合气体通道35的下游端分别由横切平面P1和P2定界，平面P1和P2通过利用具有预定半径的虚拟的同轴柱体横切所述外壳25和预混合气体通道35而限定。
如在图3和图4中所示，旋流器布置由柱形喷燃器环26围绕，柱形喷燃器环26具有类似于所述虚拟柱体的所述预定半径的内半径。喷燃器环25固定到旋流器布置并且分别在喷燃器21或旋流器布置的下游端的上游延伸。在旋流器布置的中心设有燃料喷射器28以用于喷射预混合的油和/或辅助气体。
带有其喷燃器环26的喷燃器21可滑动地安装在同轴的喷燃器套管24中。迷宫式密封件32在喷燃器环26和周围的喷燃器套管24之间定位在喷燃器环26的上游端处。喷燃器套管24在其下游端处具有以锥形方式变宽的喷燃器出口29，并且利用圆形凸缘37固定到燃烧室22的前面板23(图4)。此外，喷燃器套管24在其上游端处具有钟形进气口31，用于将燃烧空气引导至旋流器布置内。
在密封件32的下游，喷燃器套管24配有一系列环形的吹扫空气孔33，吹扫空气能通过吹扫空气孔33进入在喷燃器环26和喷燃器套管24之间的间隙中。
安装在燃烧室22的前面板23上的喷燃器套管24的使用使燃气涡轮喷燃器21的轴向位置变得可轴向调整。这通过利用其进气口31在轴向方向上导向空气迎面流而改善沿喷燃器狭槽36的空气速度分布，并且同时形成混合管，泄漏空气在混合管处与相比火焰足够远的上游燃料混合。喷燃器套管24起到喷燃器混合管的作用，但作为前面板23的一部分引入，从而避免了上述泄漏问题。由于喷燃器21在套管24内部滑动，将会再次出现泄漏，但这种泄漏不是有害的，因为泄漏空气在混合管的上游添加，并且将参与火焰上游的混合过程。
总之，包围喷燃器21的长柱形套管24是燃烧器前面板23的一部分。这些套管24具有钟形嘴部或进气口31，用于将具有强轴向分量的空气流引导至喷燃器狭槽36。套管24具有径向进气口或吹扫空气孔33，用于吹扫在套管24和喷燃器环26之间的径向间隙并防止在喷燃器环出口处的火焰稳定。与现有的AEV喷燃器相反，混合区不是可抽出的喷燃器21的一部分，因为套管24本身形成在到燃烧室22的出口之前的喷燃器混合区。在出口处，套管具有扩散器的形状(喷燃器出口29)以便更好地稳定火焰。

Claims (7)

1. 一种尤其用于燃气涡轮的燃烧器布置(30)，其包括带有前面板(23)的燃烧室(22)以及多锥体式预混合喷燃器(21)，所述预混合喷燃器(21)借助于带密封的滑动接头(24, 26, 32)通过细长的混合区(24, 26)以轴向可移动方式连接到所述前面板(23)，其特征在于，所述带密封的滑动接头(24, 26, 32)定位在所述混合区(24, 26)的上游。
2. 根据权利要求1所述的燃烧器布置，其特征在于，所述带密封的滑动接头(24, 26, 32)由柱形喷燃器环(26)和基本上柱形的喷燃器套管(24)的同轴滑动布置构成，其中将所述喷燃器环(26)固定到所述喷燃器(21)并且将所述喷燃器套管(24)固定到所述前面板(23)的一部分，并且在所述喷燃器环(26)和喷燃器套管(24)之间设有密封件(32)。
3. 根据权利要求2所述的燃烧器布置，其特征在于，所述喷燃器环(26)由所述喷燃器套管(24)围绕。
4. 根据权利要求3所述的燃烧器布置，其特征在于，所述喷燃器环(26)在所述喷燃器(21)的下游端的上游延伸，并且所述密封件(32)定位在所述喷燃器环(26)的上游端处。
5. 根据权利要求2至4中的一项所述的燃烧器布置，其特征在于，所述喷燃器套管(24)在到所述燃烧室(22)的过渡处具有以锥形方式变宽的喷燃器出口(29)。
6. 根据权利要求4所述的燃烧器布置，其特征在于，在所述密封件(32)上游的喷燃器套管(24)中设有吹扫空气孔(33)，用于利用空气吹扫在喷燃器环(26)和喷燃器套管(24)之间的间隙。
7. 根据权利要求2至6中的一项所述的燃烧器布置，其特征在于，所述预混合喷燃器(21)包括多个喷燃器外壳(25)，所述多个喷燃器外壳(25)围绕中心喷燃器轴线(34)布置并且是在下游方向上敞开的虚拟的轴向延伸公共锥体的部分，其中使所述部分垂直于所述喷燃器轴线(34)移置，使得在每一对相邻的外壳(25)之间限定有切向狭槽(36)，所述外壳(25)中的每一个配有沿所述相应的外壳的轴向定向边缘延伸的预混合气体通道(36)，使得气体能从所述预混合气体通道(35)通过气体喷射孔喷入通过所述相邻的狭槽(36)进入外壳(25)的布置的内部的空气流中，所述外壳(25)和预混合气体通道(35)的下游端由横切平面(P1, P2)定界，所述横切平面(P1, P2)通过利用具有预定半径的虚拟同轴柱体横切所述外壳(25)和预混合气体通道(35)而限定，并且所述喷燃器环(26)具有类似于所述预定半径的内半径。
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