CN103917826B - 涡轮机燃烧器组件和操作涡轮机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡轮机燃烧器组件，该涡轮机燃烧器组件包括：燃烧器主体，该燃烧器主体具有燃烧器出口；以及燃烧内衬，该燃烧内衬被布置在燃烧器主体内。燃烧内衬限定了燃烧室。喷射喷嘴在燃烧室的上游被布置在燃烧器主体内。喷射喷嘴被构造和布置成朝向燃烧室输送第一流体。流体模块在燃烧室的下游安装于燃烧器主体。流体模块包括：流体模块主体，该流体模块主体限定了流体区域；第一喷射器构件，该第一喷射器构件安装于流体模块主体并且被构造成以第一取向将第二流体输送至流体区域中；以及第二喷射器构件，该第二喷射器构件安装于流体模块主体并且被构造成以第二取向将第三流体输送至流体区域中，该第二取向与第一取向不同。

Description

涡轮机燃烧器组件和操作涡轮机的方法

技术领域

本文中所公开的主体涉及涡轮机领域，并且更具体地涉及涡轮机燃烧器组件。

背景技术

总体而言，燃气涡轮机燃烧燃料/空气混合物，该燃料/空气混合物释放热能以形成高温气流。高温气流通过热气体路径被引导至涡轮部分。该涡轮部分将来自高温气流的热能转化成机械能，所述机械能使涡轮轴旋转。涡轮机可以用于多种应用，例如用于向泵、发电机、或飞机提供动力。

涡轮机效率随着燃烧气体流温度的升高而提高。遗憾的是，较高的气流温度产生较高水平的氮氧化物(NO_X)——一种受到联邦和州政府管理的排放物。因此，在高效范围内操作燃气涡轮机、同时还保证NO_X的输出保持在联邦和州政府授权水平以下之间存在谨慎的平衡动作。实现低NO_X水平的一种方法是保证燃料和空气在燃烧之前良好混合以及提供使燃料/空气混合物更完全地燃烧的环境。

发明内容

根据示例性实施例的一个方面，一种涡轮机燃烧器组件包括：燃烧器主体，该燃烧器主体具有燃烧器出口；以及燃烧内衬，该燃烧内衬被布置在燃烧器主体内。燃烧内衬限定了燃烧室。喷射喷嘴在燃烧室的上游被布置在燃烧器主体内。喷射喷嘴被构造和布置成朝向燃烧室输送第一流体。流体模块在燃烧室的下游安装于燃烧器主体。流体模块包括：流体模块主体，该流体模块主体限定了流体区域；第一喷射器构件，该第一喷射器构件安装于流体模块主体并且被构造成以第一取向将第二流体输送至流体区域中；以及第二喷射器构件，该第二喷射器构件安装于流体模块主体并且 被构造成以第二取向将第三流体输送至流体区域中，该第二取向与第一取向不同。

根据示例性实施例的另一个方面，一种操作涡轮机的方法包括：将第一流体引入燃烧器组件中，以建立第一流体区域；将第二流体引入燃烧器组件中，以建立第二流体区域，该第二流体区域位于第一流体区域的下游；将第三流体引入燃烧器组件中，以建立第三流体区域，该第三流体区域位于第二流体区域的下游；以及燃烧第一流体、第二流体和第三流体中的一种或多种流体，以产生热气体流，从而建立涡轮机的第一操作模式。

根据示例性实施例的又一个方面，一种涡轮机包括：压缩机部分；涡轮部分，该涡轮部分操作性地连接至所述涡轮部分；以及燃烧器组件，该燃烧器组件流体连接至压缩机部分和涡轮部分。该燃烧器组件包括燃烧器主体、和被布置在该燃烧器主体内的燃烧内衬。该燃烧内衬限定了燃烧室。喷射喷嘴在燃烧室的上游被布置在燃烧器主体内。喷射喷嘴被构造成和布置成朝向燃烧室引入第一流体。流体模块在燃烧室的下游安装于燃烧器主体。该流体模块包括：流体模块主体，该流体模块主体限定了流体区域；第一喷射器构件，该第一喷射器构件安装于流体模块主体并且被构造成以第一取向将第二流体输送至流体区域中；以及第二喷射器构件，该第二喷射器构件安装于流体模块主体并且被构造成以第二取向将第三流体输送至流体区域中，该第二取向与第一取向不同。

通过下文结合附图的描述，这些和其它的优点以及特征将变得更加显而易见。

附图说明

被认为是本发明的主题在说明书结尾处的权利要求书中特别指出并且明确要求保护。通过下文结合附图的详细描述，本发明的上述和其它的特征以及优点是显而易见的，在附图中：

图1是根据示例性实施例的涡轮机的示意图，该涡轮机包括具有流体模块的燃烧器组件；

图2是图1的燃烧器组件的局部透视图；

图3是图2的燃烧器组件的局部横截面图；

图4是根据示例性实施例的流体模块的示意性局部横截面图；

图5是图2的燃烧器组件的局部横截面图，其中示出了第一操作模式，在该第一操作模式下，流体混合物被引入第一流体区域、第二流体区域、和第三流体区域中；

图6是图2的燃烧器组件的局部横截面图，其中示出了第二操作模式，在该第二操作模式下，流体混合物被引入第一流体区域和第二流体区域中；以及

图7是图2的燃烧器组件的局部横截面图，其中示出了第三操作模式，在该第三操作模式下，流体混合物被引入第一流体区域中。

详细的描述通过参照附图以举例的方式解释了本发明的实施例以及优点和特征。

具体实施方式

参照图1，根据示例性实施例的涡轮机被大体示为2。涡轮机2包括压缩机部分4，该压缩机部分4操作性地连接至涡轮部分6。涡轮机2还包括燃烧器组件8，该燃烧器组件8流体联结压缩机部分4与涡轮部分6。公共的压缩机/涡轮轴10机械联结压缩机部分4与涡轮部分6。通过该布置，压缩空气通入燃烧器组件8中、与燃料混合、并且燃烧以形成热气体。热气体被引导至涡轮部分6，该涡轮部分6将来自热气体的热能转化成机械旋转能，所述旋转机械能被引导以驱动外部部件，例如发电机、泵或者其它的机械或流体驱动的机构。

如图2至图3中所示，燃烧器组件8包括燃烧器主体20，该燃烧器主体20具有外表面22和内表面24。燃烧器内衬30被布置在燃烧器主体20内。燃烧器内衬30包括外表面部分32和内表面部分34。外表面部分32与燃烧器主体20的内表面24间隔开以形成管道或通道36。燃烧器主体20还被示为包括上游部分37和下游部分39，该上游部分37与下游部分39之间限定了燃烧室44。燃烧器组件8包括由燃烧器主体20支承并且定位在燃烧器内衬30的上游部分37处的多个喷射喷嘴，所述多个喷射喷嘴 中的一个喷射喷嘴被示为50。喷射喷嘴50将第一流体混合物51喷射到燃烧室44中。第一流体混合物沿燃烧器组件8的纵向轴线通过。该纵向轴线应当被理解成描述在上游部分37与下游部分39之间延伸的燃烧器组件的轴线。

根据示例性实施例，燃烧器组件8包括流体模块60，该流体模块60安装于燃烧器主体20的下游部分39处。流体模块60包括流体模块主体62，该流体模块主体62限定了流体区域64。流体模块60还包括进口部段67和出口部段69。出口部段69与过渡件75连接。过渡件75包括管道77，该管道77将燃烧产物输送至涡轮部分6。如下文将更完整地讨论的，管道77限定了燃烧区域79。

进一步根据示例性实施例，流体模块60包括多个第一喷射器构件84，所述多个第一喷射器构件84相对于多个第二喷射器构件86的环形阵列以环形阵列布置于上游。多个第一喷射器构件84通过设置于燃烧器主体20中的第一流体供给管道89接收燃料。第一流体供给管道89包括第一流体进口90，该第一流体进口90被构造成接收第一流体。第一流体能够是燃料、惰性气体或者其它的液体或气体混合物。类似地，多个第二喷射器构件通过设置于燃烧器主体20上的第二流体供给管道92接收第二流体。第二流体供给管道92包括第二流体进口93，该第二流体进口93被构造成接收第二流体。通过与上文所描述的类似的方式，第二流体能够是燃料、惰性气体或者其它的液体或气体混合物。就这一点而言应当理解，根据期望的操作参数，第一流体和第二流体可以基本相同或者彼此不同。此外，第一喷射器构件84和第二喷射器构件86中的每一个喷射器构件都包括相应的第一第三流体进口96和第二第三流体进口97。第三流体进口可以向第一喷射器构件84和第二喷射器构件86中的每一个喷射器构件提供来自压缩机部分4的空气或者与第一流体和第二流体中的相应流体相混合的一些其它的液体或气体混合物。

再进一步根据图4中所示的示例性实施例，每一个第一喷射器构件84都包括第一喷射器主体108，该第一喷射器主体108以第一取向安装于流体模块主体62。第一喷射器主体108包括流体联接到第三流体进口96的 第三流体通道110和第一流体通道112。该第一流体通道112在第三流体通道110内延伸并且流体联接到第一流体供给管道89。每一个第一喷射器构件84都被构造成将第二流体混合物119引入燃烧区域64中。更具体地，每一个第一喷射器构件84都定向成沿径向轴线将第二流体混合物的流输送至燃烧区域64中，该第二流体混合物可以包括第一流体和第三流体。应当理解，术语“径向轴线”描述了与燃烧器组件的纵向轴线基本垂直的轴线。

每一个第二喷射器构件86都包括安装于流体模块主体62的第二喷射器主体130。第二喷射器主体130包括流体联接到第二第三流体进口97的第二第三流体通道132和第二流体通道134。第二流体通道134在第二第三流体通道132内延伸并且流体联接到第二流体供给管道92。每一个第二喷射器构件86都被构造成朝向燃烧区域79引入第三流体混合物141。更具体地，每一个第二喷射器构件86都定向成沿轴线输送第二流体和第三流体的混合物，该轴线相对于纵向轴线和径向轴线倾斜。每一个第二喷射器构件86都被构造成在第二流体混合物119的下游输送第三流体混合物141。当然，应当理解，特定的角度能够发生变化。第三流体混合物可以包括第二流体和第三流体二者。

通过该布置，燃烧器组件8能够根据期望的功率输出在多种模式中的一种模式下操作。根据示例性实施例的一个方面，燃烧器组件8能够选择性地在第一模式或基本负荷模式下操作，在该第一模式或基本负荷模式下，第一流体混合物51限定了第一可燃混合物并且在第一流体区域154中燃烧，第二流体混合物119限定了第二可燃混合物并且在第二流体区域157中燃烧，并且第三流体混合物141限定了第三可燃混合物并且在第三流体区域160中燃烧，例如图5中所示。三个流体区域154、157、和160导致更完全的燃烧并且建立导致更均匀的热释放的流体混合物的延长停留时间，所述更均匀的热释放导致较低的燃烧动力。应当理解，第二混合物能够包括任何空气和/或惰性气体，以促进第一混合物和第三混合物的更完全的燃烧。

燃烧器8还能够选择性地在第二模式或第一离峰模式下操作，例如当期望的功率输出处于基本负荷的大约40％至70％之间时。在第二模式下，第三流体混合物不含有任何可燃物并且可以代表空气或惰性气体的混合物。备选地，第三流体混合物可以简单是不连续的。在任何情况下，在第二模式下，仅第一流体区域154和第二流体区域157是活动的，例如图6中所示。燃烧器组件8还可以在第三模式下操作，例如当期望的功率输出为基本负荷的大约20％至40％之间时。在第三模式下，仅第一流体区域154是活动的。第二流体和第三流体混合物不含有可燃物并且可以代表空气或惰性气体混合物。备选地，第二流体和第三流体混合物可以简单地是不连续的。

就这点而言，应当理解，示例性实施例的燃烧器组件允许沿燃烧路径选择性地将流体混合物引入各个位置处。流体混合物全部能够代表可燃混合物或者能够代表空气或其它惰性流体的混合物。惰性流体能够从可燃流体的下游或者从可燃流体的上游被引入，以有利于更完全的燃烧。从燃烧事件的上游引入惰性流体已被示出减少了不期望的排放物。

尽管已经仅结合数量有限的实施例对本发明进行了详细描述，但是应当易于理解，本发明并不限于这种所公开的实施例。相反，能够将本发明修改成结合到目前为止并未进行描述但是与本发明的精神和范围相当的任何数量的改型、变型、替代或等同布置。此外，尽管已经对本发明的各个实施例进行了描述，但是应当理解，本发明的各个方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明并不被视为受到以上描述的限制，而是仅仅通过所附权利要求的范围进行限定。

Claims (18)

1.一种涡轮机燃烧器组件，所述涡轮机燃烧器组件包括：

燃烧器主体，所述燃烧器主体具有燃烧器出口；

燃烧内衬，所述燃烧内衬被布置在所述燃烧器主体内，所述燃烧内衬限定了燃烧室；

喷射喷嘴，所述喷射喷嘴在所述燃烧室的上游被布置在所述燃烧器主体内，所述喷射喷嘴被构造和布置成朝向所述燃烧室输送第一流体；以及

流体模块，所述流体模块在所述燃烧室的下游安装于所述燃烧器主体，所述流体模块包括：流体模块主体，所述流体模块主体限定了流体区域；第一喷射器构件，所述第一喷射器构件安装于所述流体模块主体并且被构造成以第一取向将第二流体输送至所述流体区域；以及第二喷射器构件，所述第二喷射器构件安装于所述流体模块主体并且被构造成以第二取向将第三流体输送至所述流体区域中，所述第二取向与所述第一取向不同；

其中，所述喷射喷嘴被构造成建立第一流体区域，所述第一喷射器构件被构造成建立位于所述第一流体区域下游的第二流体区域，并且所述第二喷射器构件被构造成建立位于所述第二流体区域下游的第三流体区域；所述燃烧器组件能够在不同模式下操作，以选择性地使所述第一流体区域、第二流体区域、第三流体区域中的一个或多个是活动的。

2.根据权利要求1所述的涡轮机燃烧器组件，其特征在于，所述喷射喷嘴被构造和布置成朝向所述燃烧室输送所述第一流体的轴向流。

3.根据权利要求2所述的涡轮机燃烧器组件，其特征在于，所述第一喷射器构件被构造成以所述第一取向将所述第二流体的第一径向流输送至所述流体区域中，并且所述第二喷射器构件被构造成以所述第二取向将所述第三流体的第二径向流输送至所述流体区域中。

4.根据权利要求3所述的涡轮机燃烧器组件，其特征在于，所述第一取向与所述流体模块主体基本垂直并且所述第二取向向所述第一取向的下游倾斜。

5.根据权利要求1所述的涡轮机燃烧器组件，其特征在于，所述第一喷射器构件包括围绕所述流体模块主体以环形阵列布置的第一多个喷射器构件并且所述第二喷射器构件包括围绕所述流体模块主体以环形阵列布置的第二多个喷射器构件。

6.根据权利要求5所述的涡轮机燃烧器组件，其特征在于，所述第二多个喷射器构件相对于所述第一多个喷射器构件布置于下游。

7.一种操作涡轮机的方法，所述方法包括：

将第一流体引入燃烧器组件中，以建立第一流体区域；

将第二流体引入所述燃烧器组件中，以建立第二流体区域，所述第二流体区域位于所述第一流体区域的下游；

将第三流体引入所述燃烧器组件中，以建立第三流体区域，所述第三流体区域位于所述第二流体区域的下游；以及

根据不同操作模式，燃烧所述第一流体、所述第二流体和所述第三流体中的一种或多种流体使得所述第一流体区域、第二流体区域、第三流体区域中的一个或多个是活动的，以产生热气体流从而建立所述涡轮机的对应操作模式。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，引入第一流体包括沿所述燃烧器组件的纵向轴线引导所述第一流体的流。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，引入第二流体包括沿所述燃烧器组件的第一径向轴线喷射所述第二流体的流。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，引入第三流体包括沿所述燃烧器组件的第二径向轴线喷射所述第三流体的流，所述第二径向轴线相对于所述第一径向轴线倾斜。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：停止第三流体的引入，建立所述涡轮机的第二操作模式。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，建立第二操作模式包括以基本负荷的大约40％至大约70％操作所述涡轮机。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：停止第二流体的引入，建立所述涡轮机的第三操作模式。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，建立第三操作模式包括以基本负荷的大约20％至大约40％操作所述涡轮机。

15.一种涡轮机，所述涡轮机包括：

压缩机部分；

涡轮部分，所述涡轮部分操作性地连接至所述压缩机部分；以及

燃烧器组件，所述燃烧器组件流体连接至所述压缩机部分和所述涡轮部分，所述燃烧器组件包括：

燃烧器主体；

燃烧内衬，所述燃烧内衬被布置在所述燃烧器主体内，所述燃烧内衬限定了燃烧室；

喷射喷嘴，所述喷射喷嘴在所述燃烧室的上游被布置在所述燃烧器主体内，所述喷射喷嘴被构造成和布置成朝向所述燃烧室引入第一流体；以及

流体模块，所述流体模块在所述燃烧室的下游安装于所述燃烧器主体，所述流体模块包括：流体模块主体，所述流体模块主体限定了流体区域；第一喷射器构件，所述第一喷射器构件安装于所述流体模块主体并且被构造成以第一取向将第二流体输送至所述流体区域中；以及第二喷射器构件，所述第二喷射器构件安装于所述流体模块主体并且被构造成以第二取向将第三流体输送至所述流体区域中，所述第二取向与所述第一取向不同；

其中，所述喷射喷嘴被构造和布置成建立第一流体区域，所述第一喷射器构件被构造和布置成建立位于所述第一流体区域下游的第二流体区域，并且所述第二喷射器构件被构造成建立位于所述第二流体区域下游的第三流体区域；所述燃烧器组件能够在不同模式下操作，以选择性地使所述第一流体区域、第二流体区域、第三流体区域中的一个或多个是活动的。

16.根据权利要求15所述的涡轮机，其特征在于，所述喷射喷嘴被构造和布置成朝向所述燃烧室输送所述第一流体的轴向流。

17.根据权利要求15所述的涡轮机，其特征在于，所述第一喷射器构件被构造成将所述第二流体的径向流输送至所述流体区域中，并且所述第二喷射器构件被构造成将所述第三流体的径向流输送至所述流体区域中。

18.根据权利要求17所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮机还包括：过渡件，所述过渡件流体连接所述燃烧器组件和所述涡轮部分，所述第三流体区域的至少一部分位于所述过渡件中。