CN103930723A - 在燃气涡轮机上使用的、具有预混合的燃料和空气的切向环形燃烧器 - Google Patents

在燃气涡轮机上使用的、具有预混合的燃料和空气的切向环形燃烧器 Download PDF

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Abstract

一种在燃气涡轮机中使用以产生推进力或使轴旋转用于发电的燃烧装置，该燃烧装置包括环形燃烧器，该环形燃烧器带有一系列的燃料和空气入口通道和喷嘴，这导致了预混合的燃料和空气的分级燃烧。燃料和空气入口周向地设置在多个纵向位置处，并可采用所有喷嘴均喷射燃料-空气混合物或一些喷嘴仅喷射空气的不同构造。该燃烧装置提供了燃料和空气的最佳混合，形成了减少污染物排放的燃烧环境，从而降低了对昂贵的污染控制装置的需求，增强了点火和火焰的稳定性，减少了导向问题，允许提高燃料灵活性，减小了第一级喷嘴引导叶片(NGV)的尺寸，并改善了减振性。

Description

在燃气涡轮机上使用的、具有预混合的燃料和空气的切向环形燃烧器
技术领域
本发明涉及一种燃气涡轮机中的装置，该装置有助于容纳燃料空气混合物并产生燃料空气混合物的燃烧。这样的装置包括(但不限于)：燃料-空气喷嘴、燃烧器衬套和壳体、以及流动过渡件，该流动过渡件用在军用和商用飞机、发电及其它与燃气涡轮机有关的应用中。
背景技术
燃气涡轮机包括从以很高的温度、压力和速度流动的燃烧气体中提取功的机械。所提取的功可用于驱动用于发电的发电机，驱动压缩装置或用于提供飞机所需的推力。典型的燃气涡轮机包括多级压缩机，在该多级压缩机中，大气被压缩至高压。然后，压缩空气在燃烧器中以特定的燃料/空气比混合，其中，升高了其温度。然后，高温高压的燃烧气体通过涡轮而膨胀以做功，从而根据其应用而提供所需的推力或驱动发电机。涡轮包括至少一级，其中，每一级均包括一排刮片和一排叶片。这些刮片周向地布置在旋转毂上，其中每个刮片的高度覆盖热气流路。不旋转的叶片的每个级沿周向地布置，该级还延伸通过热气流路。本发明涉及燃气涡轮机的燃烧器以及将燃料和空气引导到所述装置中的部件。
燃气涡轮机的燃烧器部分可以有几种不同类型：筒式、罐式/管状、环形、以及罐式/管状与环形的组合以形成罐式-环形燃烧器。通过该部件，压缩的燃料-空气混合物通过燃料-空气涡流器并发生混合物的燃烧反应，从而形成引起其密度下降和向下游加速的热气流。罐式燃烧器典型包括单独的周向间隔的罐，该罐单独容纳每个喷嘴的火焰。来自每个罐的气流然后被引导通过管，并且在其进入第一级NGV之前被结合在环形过渡件中。在环形燃烧器类型中，燃料-空气喷嘴典型地周向分布并将混合物引导到发生燃烧的单个环形室中。在不需要过渡件的情况下，气流完全离开环形件的下游端并进入第一级涡轮中。最后一种类型(即，罐状-环形燃烧器)的关键差别在于其具有由容纳空气供给到每个罐中的环形壳体包围的单独的罐。取决于具体应用，每个变型例均具有其各自的优点和缺点。
在用于燃气涡轮机的燃烧器中，典型的是燃料-空气喷嘴将涡流引入混合物中。一个原因是增强混合并因此增强燃烧，另一个原因是增加的涡流使火焰稳定以防止火焰熄灭并允许较贫的燃料-空气混合物以减少排放。燃料空气喷嘴可采用不同的结构，例如在每一个上都具有旋流叶片的一个至多个环形入口。
对于其他的燃气涡轮机部件，需要冷却方法以防止燃烧器材料熔化。一种典型的用于冷却燃烧器的方法是扩散冷却，该扩散冷却通过以在燃烧器衬套与燃烧气体之间的附加的偏移衬套围绕燃烧器衬套来实施，压缩机排出的气体通过稀释孔和冷却通道经过并进入热气流路。该技术消除了来自部件的热量，并且在衬套与燃烧气体之间形成了薄边界层冷空气膜，从而防止了热量传递至衬套。稀释孔根据其在衬套上的轴向位置而有如下两个目的：第一，较靠近燃料空气喷嘴的稀释孔会有助于气体的混合以增强燃烧并提供未燃空气用于燃烧，第二，较靠近涡轮布置的孔会冷却热气流并可以设计为控制燃烧器的出口温度曲线。
可见，可以将几种方法和技术合并到用于燃气涡轮机的燃烧器的设计中以改善燃烧并减少排放。尽管燃气涡轮机倾向于比其它发电方法产生更少的污染，但在该领域中仍然存在改善空间。随着一些国家加强了政府排放法规，该技术将需要改进以满足需求。
发明内容
关于本发明，提供了一种新颖的和改善的燃烧器设计，它能够以典型的方式运行，同时使由于燃料和空气混合物的燃烧的污染物排放最小化。本发明由典型的由环形燃烧器构成，其具有预混合的燃料-空气喷嘴和/或稀释孔，在沿着纵向方向和周向方向不同的位置处将压缩机排出的空气和加压燃料引导到燃烧器中。本发明的原有特征是燃料和空气入口被布置成使得形成燃烧反应物和产物的提高的混合的环境。将预混合燃料和空气喷嘴分级以具有比另一组下游喷嘴多的燃料上游提高了燃烧反应物的混合，并且在燃烧区域中产生了特定的氧浓度，这大大降低了NOx的产生。此外，燃烧区域下游的压缩机排出的气体的引入允许在燃烧期间产生的任何CO在进入第一级涡轮之前被燃烧/消耗。实际上，燃烧器将改进燃气涡轮机排放水平，因此降低了对排放控制装置的需要以及使这样的装置的环境影响最小化。除了该改善之外，切向点燃的燃料和燃料-空气喷嘴将其火焰向其相邻的燃烧器引导，从而大大提高了燃烧器的点火过程并且离开燃烧器的最终气流具有大的周向速度分量，这降低了第一级NGV的所需尺寸。
附图说明
参照以下附图：
图1是示出了附接到燃烧器外衬套上并具有指向燃烧器内部的周向和径向方向(喷嘴的可能的纵向方向未示出)的喷嘴的二维示意图；
图2是具有所提出的分级燃料和空气喷射的示例性环形燃烧器的等轴侧视图；
图3是具有由发动机中心线和半径限定的截面的等轴截面图；
图4A是从前向后观察到的等轴侧视图，示出了本发明可以具有的前壁和穿孔前壁；
图4B是图4A的图像的细节放大图；
图5A是从后向前观察到的示例性燃烧器的等轴正视图，示出了出口喷嘴和入口喷嘴；
图5B是根据图5A的细节放大图；并且
图6是示出了燃料-空气喷嘴的常规喷嘴截面布置的二维图。
具体实施方式
图1示出了具有切向指向的燃料-空气喷嘴的环形燃烧器的大体结构。该燃烧器包括：外壳体(或外衬套)1，其可以在纵向方向上具有恒定或变化的半径；内壳体(或内衬套)2，其可以在纵向方向上具有恒定或变化的半径；以及前壁6，该前壁6连接外衬套1和内衬套2。如图所示，本发明的示例性构造示出了主要沿着周向方向指向的预混合燃料-空气喷嘴3，其中在与外衬套相切的线8与喷嘴3的中心线9之间形成了角度10，但可以具有相对于其方向的径向或纵向分量。这些喷嘴3可以共用由纵向方向和沿发动机中心线的点限定的公共平面，并且可以在周向上等距间隔开或具有相对于在该方向上的间距的图案。喷嘴将预混合燃料-空气混合物4引导到由外壳体1、内壳体2和前壁6形成的燃烧器容积空间中。由燃料和空气喷嘴3喷射的反应物在该区域内燃烧，并产生通过该燃烧器的、围绕发动机中心线旋转的流场5。燃料、空气或预混合燃料和空气所经过的这些喷嘴具有如图6所示的大体布局。与喷嘴同轴的圆形区域12环绕可以保持轴向涡流器和/或导向燃料/空气喷嘴的区域。同心环形流动通道11对通过的空气或预混合燃料-空气混合物产生几乎不产生涡旋。为了维持进入燃烧器的较大的切向速度(如果有的话)，将最小量的涡旋引导到通过该环形通道的气流。这种构造允许气流在燃烧器出口处保持最大周向速度分量，这减少了所需的第一级涡轮的叶片长度。
图2示出了用于本发明的示例性构造，其中燃料喷嘴3布置在共用公共平面且周向间隔开的第二组燃料-空气喷嘴的上游(左侧)。燃料喷嘴3的数量可以是至少一个，最高可以不限数量。压缩机排出的空气也可以通过如图3、4A和4B所示的穿孔前壁6而引入到燃烧器容积空间中。通过靠近前壁的第一排喷嘴进行的混合物的喷射产生了所期望的混合和燃料-空气分级效果，这会产生在部分载荷和/或满载条件下减少来自该燃烧器的NOx和CO排放的最佳燃烧环境，所述第一排喷嘴可以比与喷射到燃料喷嘴3下游的混合物相关的第二组喷嘴具有更高的燃料/空气比。然后，热的燃烧产物通过如图5A和5B所示的环形开口7离开燃烧器，其中该热的燃烧产物进入燃气涡轮机的第一级涡轮。
已参照优选实施例描述了本发明。然而，本领域技术人员将会认识到，在不脱离本发明的性质和范围的情况下可以对描述的实施例做出变化和变型。对于本文中为了示例的目的所选择的实施例的各个变化和变型对本领域技术人员而言是显而易见的。在这样的变型和变体不脱离本发明的精神的情况下，它们旨在包含在本发明的范围内。
为了便于本领域技术人员理解和实践，已经以清楚简练的语句充分描述了本发明，本发明的权利要求参见后文。

Claims (27)

1.一种用于燃气涡轮机的环形燃烧器，所述燃气涡轮机用在地面发电、陆基或海基车辆或航空发动机应用中，所述燃烧器包括：多个周向间隔开的燃料、空气和/或燃料-空气喷嘴，所述多个喷嘴排列在与纵向方向垂直的平面上；壳体/衬套，所述壳体/衬套由高温合金或陶瓷材料制成；被称为前壁的衬套，所述前壁由上述材料制成并将内衬套和外衬套连接以形成环形容积空间。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，燃料-空气混合物在离开所述燃料/空气喷嘴并进入燃烧室之前被预混合。
3.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所述燃料-空气喷嘴由同轴圆形区域和同心环形气流入口组成，在所述同轴圆形区域中，能够设置有轴向旋流器和/或导向燃料-空气喷嘴，在所述同心环形气流入口处，几乎不对气流产生涡流(0＜涡流＜0.5)。
4.根据权利要求3所述的燃烧器，其中，所述燃料-空气喷嘴具有几乎不对气流产生涡流的所述环形气流入口，以便引导具有大的切向速度的所述气流，这有效增大了靠近燃烧器出口的气流的角度，从而减小了第一级静止NGV的所需长度。
5.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，一排燃料/空气喷嘴以在周向上围绕所述燃烧器的外衬套的方式布置。
6.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，两排或更多排的燃料/空气喷嘴以在周向上围绕所述燃烧器的外衬套的方式布置。
7.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，在与纵向方向垂直的公共平面内周向间隔开并靠近所述前壁的喷嘴喷射燃料-空气混合物，该燃料-空气混合物比下游的一组喷嘴具有更大的燃料/空气比，且主要具有周向方向并能够具有径向方向和/或纵向方向。
8.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，位于权利要求7所述的喷嘴下游并在与所述纵向方向垂直的公共平面内周向间隔开的喷嘴喷射燃料-空气混合物，该燃料-空气混合物具有比权利要求7中描述的喷嘴的燃料/空气比更低的燃料/空气比，且主要具有周向方向并能够具有径向方向和/或纵向方向。
9.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所述燃料-空气喷嘴具有提供了使火焰稳定功能的导向燃料/空气喷嘴，尤其在部分载荷运行时使火焰稳定功能。
10.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所述燃料-空气喷嘴能够具有在平面-平面之间的恒定或变化的角度值，如附图标记10所示，其范围为0度至90度。
11.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所述燃料-空气喷嘴能够具有在同一平面内的恒定或变化的角度值，其范围为0度至90度。
12.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所述燃料-空气喷嘴能够具有至少在同一平面内被分为两组的燃料-空气喷嘴，每一组以其值为0度至90度的不同角度点然。
13.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，处于不同平面内的所述喷嘴能够具有相同的燃料/空气比或不同的燃料/空气比。
14.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，处于同一平面内的所述燃料空气喷嘴能够具有相同的燃料/空气比或不同的燃料/空气比值。
15.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，切向指向的所述喷嘴大大增强了所述燃烧器的点火过程，这是因为相邻的喷嘴会将它们的火焰导向到其平面内的相邻喷嘴处，从而减少了对多个导向喷烧器的需求。
16.根据权利要求15所述的燃烧器，其中，所述增强的点火过程产生了固有地稳定的喷烧器，这将会降低火焰引起的震动以及在部分载荷和满载荷水平运行时由于火焰不稳定性产生的声响。
17.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所述切向的燃料-空气喷嘴布置结构增强了反应物的混合，用于在非常低的载荷水平下有效燃烧。
18.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，由于提高了火焰稳定性，诸如低BTU气体的低反应性燃料能够容易地用在所述燃烧器中并在所述燃烧器中燃烧。
19.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，减少了使燃料-空气混合物燃烧所需的停留时间；因此，减小了所需的燃烧空间，这减少了发动机尺寸(这在所有燃气涡轮机的应用中都很重要)，并因此减小了重量/推力比(这在航空燃气涡轮机的应用中很重要)。
20.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，在所述燃烧器的出口处实现了更均匀的温度分布，这允许所述燃烧器在较高的燃烧温度(点燃温度)下运行，而不会减少所述燃烧器和涡轮机部件的寿命。
21.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，权利要求20所述的在较高的燃烧温度下运行的能力提高了发动机效率和动力输出，因此降低了二氧化碳排放水平。
22.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所述前壁衬套能够具有至少一个孔(所述至少一个孔能够是通过火花电放电加工而产生的笔直或喇叭口形的入口孔)或者一组孔，这允许压缩机排出的空气穿过所述衬套以对其进行冷却并迅速地与燃烧室内的燃烧烟气混合。
23.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，取决于所述燃气涡轮机的尺寸和形状，所述内衬套和外衬套二者的半径能够在纵向方向上变化。
24.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，能够使用使燃气涡轮机部件冷却的任一种可用的冷却方法，例如：冲击冷却、扩散冷却、蒸汽冷却等。
25.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，共用公共平面的所述喷嘴能够相对于在另一不同平面内的另一组喷嘴偏离以发动机中心线为中心的一定周向角度。
26.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所产生的通过所述燃烧器的气流以相当大的周向速度分量离开所述燃烧器，这减小了第一级涡轮NGV的所需长度以实现用于第一级涡轮的边界入口条件，因此，减少了与该NGV有关的冷却需求，从而减少了性能损失和成本问题。
27.根据权利要求2所述的燃烧器，其中，氮氧化物的排放被最小化。
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