CN104053883A - 在燃气轮机上使用的具有预混合切向燃料-空气喷嘴的筒状环形燃烧室 - Google Patents

Abstract

一种在燃气轮机中使用、为发电而产生推力或使轴旋转的燃烧设备，其包括具有燃料和空气入口通道以及喷嘴的筒状环形燃烧室，其产生了预混合燃料和空气的最优的燃烧环境。燃料-空气入口在不同的纵向位置处放置且周向分布，并与筒体衬套相切或几乎相切地引导气流。该燃烧设备提供燃料和空气的有效混合，产生了一种燃烧环境，该燃烧环境减少污染排放，减少对于高成本污染控制设备的需求，促进点火和火焰稳定性，减少导向问题并促进减震。

Description

在燃气轮机上使用的具有预混合切向燃料-空气喷嘴的筒状环形燃烧室

技术领域

本发明涉及燃气轮机中的设备，所述设备有助于容纳和产生燃料和空气的混合物的燃烧。这种装置包括但不限于应用到军用和商用飞机、发电和其他燃气轮机的相关应用中的燃料-空气喷嘴、燃烧室衬套和壳体以及流动过渡组件。

背景技术

燃气轮机包括从以非常高的温度、压力和速度流动的燃烧气体中汲取能量的机械装置。所汲取的能量可用于驱动用于发电的发电机，或为飞机提供所需的推力。典型的燃气轮机由多级压缩机构成，其中大气被压缩为高压。然后压缩的空气在燃烧室中以特定的燃空比混合，在此其温度增高。接着高温和高压的燃烧气体膨胀通过涡轮机来提取能量，以依靠此应用提供所需的推力或驱动发电机。该涡轮机包括至少一个单个级，每级由一排桨叶和一排叶片构成。该桨叶沿周向分布在旋转轮毂上，其中每个桨叶的高度覆盖热气流路径。非旋转叶片的每级沿周向布置，其也延伸穿过热气流路径。所包含的发明包括燃气轮机的燃烧室和将燃料和空气引入到所述装置中的组件。

燃气轮机的燃烧室部分可以有几种不同的类型：筒状/管状、环形、以及以上二者结合形成的筒状环形燃烧室。在该组件中，压缩的燃料-空气混合物穿过燃料-空气旋流器，并发生混合物的燃烧反应，从而产生导致混合物密度下降的热气流，并在下游加速。筒状类型燃烧室通常包括独立的、周向间隔开的筒，所述筒分别容纳每个喷嘴的火焰。随后，来自于每个筒的气流被引导通过导管，并在其进入第一级叶片之前在环形过渡件中整合。在环形燃烧室类型中，燃料空气喷嘴通常沿周向分布，并将混合物引入到发生燃烧的单个环形燃烧室中。气流仅从环形物的下游端离开进入到第一级涡轮机中，而不需要过渡件来整合该气流。最后的类型、即筒状环形燃烧室的关键不同在于，其具有独立的、由环形壳体包围的筒，所述环形壳体容纳被供给到每个筒中的空气。依据本发明，每个变形都有其有利和不利之处。

在用于燃气轮机的燃烧室中，由于多种原因，通常由燃料-空气喷嘴来将涡流引入到混合物。一个原因是为了提高混合程度，从而促进燃烧，另一个原因是增加涡流稳固了火焰，以防止火焰熄灭，并允许燃料-空气混合物较为稀薄以减少排放。燃料-空气喷嘴可采用不同的配置，例如一个对多个的环形入口，每个环形进口上都有涡流叶片。

对于其它燃气涡轮机组件，需要实施冷却方法，以防止燃烧室材料熔化。一种冷却燃烧室的典型方法是致密微孔壁冷却，用额外的偏置衬套包围燃烧衬套来实施，其中额外的偏置衬套位于燃烧室和燃烧衬套之间，压缩机排放空气通过稀释孔和冷却通道穿过并进入到热气流路径。该技术从组件中去除热量，同时在衬套和燃烧气体之间形成冷空气边界层薄膜，从而阻止向衬套的热传递。稀释孔根据其在衬套上的轴向位置有两个目的：更靠近燃料-空气喷嘴的稀释孔将有助于气体的混合，以促进燃烧，同时为燃烧提供未燃烧空气，第二，更靠近于涡轮机放置的孔会冷却热气流，并可设计为用来控制燃烧室的出口温度分布。

可以看出，不同的方法和技术可并入在用于燃气轮机的燃烧室的设计中，以促进燃烧并降低排放。只要燃气涡轮机趋于比其他发电方法产生较少的污染，在本领域就还有改进空间。随着在一些国家中政府的排放标准的严格化，该技术需要改进以满足这些要求。

发明内容

关于本发明，其提供了一种新颖的改进后的燃烧室设计，其能够以通常的方式操作，同时使得燃料和空气混合物的燃烧所产生的污染排放最小化，并解决这类设备所面临的一些其他问题。本发明包括典型的筒状环形燃烧室，其具有预混合的燃料-空气喷嘴和/或掺混孔，燃料-空气喷嘴和/或掺混孔在纵向和周向方向上的不同位置将压缩机排放空气和增压燃料引入到燃烧室。本发明的独创特征是燃料和空气喷嘴以如此方式放置：产生提高燃烧反应物和产物的混合的环境。将预混合的燃料和空气喷嘴分级，使得位于另一组喷嘴上的喷嘴具有更多的燃料，这促进了燃烧反应物的混合，并在燃烧区域产生大大减少形成NOx的特定氧气浓度。另外，在燃烧区域下游引入压缩机排放空气，使得在燃烧期间形成的所有的CO在其进入第一级涡轮机之前被燃烧/消耗。实际上，燃烧室会提高燃气涡轮机的排放水平，因此减少排放控制设备的需要，同时减少这样设备的环境影响。除了这些改进，每个筒体中，切向燃烧燃料和燃料空气喷嘴将其火焰引导到相邻的燃烧器喷嘴，从而大大提高了燃烧室的点火过程。

附图说明

关于附图：

图1是示出具有附接到外部筒体衬套的喷嘴的筒状环形装置的二维草图，该喷嘴将燃料和空气喷射到公共平面中；

图2是示出筒状环形燃烧室中应用于筒体的切向喷嘴的基本构思的二维草图；

图3是所述发明的示例性配置的上游部分的等距侧视图；

图4A是本发明的等距剖视图；

图4B是图4A图像的特写图；

图5是示出图3中限定的部分A-A的剖面图；并且

图6是示出图3中限定的部分B-B的剖面图。

具体实施方式

图1示出筒状环形燃烧室的通常配置的实施例，其具有在公共半径上周向隔开的筒体1，所有的筒体被包围在筒形外衬2和筒形内衬3之间的环形空间中。图1还示出筒体的切向喷嘴的布置。图2示出筒体的更多细节。筒体衬套4形成筒体容积，燃料-空气喷嘴5喷射预混合的燃料和空气的混合物。喷嘴在喷嘴中心线6以及筒体衬套4与喷嘴中心线6的交叉点处的切线之间形成角度8。该角度限定了喷嘴的周向。

图2还示出了筒状环形燃烧室装置的示例中筒体的通常操作，其中预混合的燃料-空气混合物9以角度8喷入筒体1中。火焰10在与筒体衬套一致的路径11中形成，并穿过筒体。这些切向的喷嘴使得每个喷嘴的火焰与相邻下游喷嘴相互作用。这一关键特点通过允许来自于一个喷嘴的火焰点燃相邻下游喷嘴处的燃料来促进点火，并减少对于燃烧器喷嘴定向的需要。

图3示出了除去下游部分的示例的筒体的起始或上游部分。本发明具有沿着筒体的纵向方向隔开的多个喷嘴排。每排喷嘴可以具有至少一个喷嘴，并相对于相邻的喷嘴排偏移一周向角。该筒体还可以具有多排周向隔开的孔12或通道，以使冷却空气在任一位置进入筒体。

图4A和图4B示出筒体的最上游面13，其可具有与掺混孔类似的孔14，孔14允许压缩机将空气排出，以使空气进入筒体。图5和图6示出每组喷嘴排中的喷嘴如何以一定周向角偏置。不同排的喷嘴允许燃料空气混合物在前壁附近喷射，其燃空比高于利用在燃料喷嘴5的下游喷出的混合物的第二组喷嘴，这种设置形成所需的混合和燃料空气分级的效果，这将形成减少燃烧室中NOx和CO排放的最佳燃烧环境。

本发明根据优选实施例在上面描述。然而，本领域技术人员会意识到在不脱离本发明本质和范围时可对上面描述的实施例作出改变和变型。这里选择的用于说明目的的对实施例的不同改变和变型很容易被本领域人员想到。在某种程度上，这样的变型和变体并没有脱离本发明的精神，它们还旨在被包括在本发明范围内。

已经以清楚、具体的术语充分地描述了本发明，以使得本领域技术人员能够理解并实施该发明，本发明的权利要求如下。

Claims (19)

1.一种筒状环形燃烧室，用于陆基发电设备、陆基或海基交通工具或飞行器发动机设备中使用的燃气轮机，包括多个周向隔开的筒体衬套，所述筒体衬套呈筒形，每个筒体具有多个切向指向并且周向隔开的燃料-空气喷嘴，所述燃料-空气喷嘴在与所述筒体的中心线的方向正交的公共平面上共面，所有的衬套由高温合金或陶瓷材料制成。

2.根据权利要求1所述的筒状环形燃烧室，其中，在与纵向方向正交的公共平面中周向隔开、且靠近所述筒体的前壁的喷嘴喷射燃料-空气混合物，其燃空比高于任何下游的喷嘴组可能存在的燃空比，所述燃料-空气混合物主要具有周向方向，并且可以具有径向和/或纵向方向。

3.根据权利要求1所述的筒状环形燃烧室，其中，可以存在这样的喷嘴：其在与纵向方向正交的至少一个公共平面上周向隔开、且位于权利要求2所述喷嘴的下游，所述喷嘴所喷射的燃料-空气混合物的燃空比低于权利要求2所述喷嘴的燃空比，所述燃料空气混合物主要具有周向方向，并且可以具有径向和/或纵向方向。

4.根据权利要求1所述的筒状环形燃烧室，其中，各个平面上的所述喷嘴可以具有恒定的角度或变化角度，如图2中的标记8所示，其范围从0度到90度。

5.根据权利要求1所述的筒状环形燃烧室，其中，不同平面上的所述喷嘴可以具有相同的燃空比或变化的燃空比。

6.根据权利要求1所述的筒状环形燃烧室，其中，同一平面中的所述燃料-空气喷嘴具有相同的燃空比或变化的燃空比。

7.根据权利要求1所述的筒状环形燃烧室，其中，由于相邻的喷嘴火焰指向其所在平面中的相邻喷嘴，这将减少对于多个燃烧器进行导向的需要，因此所述切向喷嘴极大地增强了所述燃烧室的点火过程。

8.根据权利要求5所述的筒状环形燃烧室，其中，被增强的点火过程本身产生稳定的燃烧器，这将减少在局部负荷或满负荷水平运行时火焰的不稳定性所产生的、火焰引起的震动和声响。

9.根据权利要求1所述的筒状环形燃烧室，其中，所述切向燃料-空气喷嘴布置提高了反应物的混合，用于极低负载水平下的高效的燃烧。

10.根据权利要求1所述的筒状环形燃烧室，其中，由于火焰的稳定性得以提高，从而例如低BTU燃气这样的低反应性燃料易于在所述燃烧室中使用并燃烧。

11.根据权利要求1所述的筒状环形燃烧室，其中，所述筒体的中心线周围产生涡流(切向燃料-空气喷嘴的主要效果)，其促进了燃烧器出口处的稳定火焰。

12.根据权利要求1所述的筒状环形燃烧室，其中，降低了燃烧所述燃料-空气混合物所需的滞留时间，从而减少了燃烧空间，这减少了发动机尺寸(在提到的所有应用中是重要的)，并因此降低了重量推力比(在航空燃气涡轮机应用中是重要的)。

13.根据权利要求1所述的筒状环形燃烧室，其中，所述燃烧室的出口处实现了更均匀的温度分布，这允许所述燃烧室在较高燃烧(点燃)温度下运行，而不会降低所述燃烧室和涡轮部件的寿命。

14.根据权利要求1所述的筒状环形燃烧室，其中，以如权利要求13所述的较高燃烧温度运行的能力提高了发动机效率和动力输出，从而降低了二氧化碳的排放水平。

15.根据权利要求1所述的筒状环形燃烧室，其中，所述筒体前壁衬套可具有至少一个孔或喷嘴，所述孔或喷嘴允许压缩机排出的空气以低于权利要求2、3所述喷嘴的速度值穿过所述衬套。

16.根据权利要求1所述的筒状环形燃烧室，其中，所述筒体的半径和长度可以基于燃气轮机的尺寸和外形在纵向方向上变化。

17.根据权利要求1所述的筒状环形燃烧室，其中，可以使用任何适用于冷却燃气涡轮机组件的冷却方法，例如，冲击冷却、致密微孔壁冷却、蒸汽冷却等等。

18.根据权利要求1所述的筒状环形燃烧室，其中，共用一公共平面的所述喷嘴相对于在不同平面中的另一组喷嘴可以关于所述筒体的中心线以一定的周向角偏移。

19.根据权利要求1所述的筒状环形燃烧室，其中，以附图标记12和14示出的空气通道可以是直孔或者具有钟形孔入口，其通过使用电火花放电加工工艺(EDM)制成。