CN104114944A - 将燃料以倾斜的燃料喷射方式喷入旋流器槽缝 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃气轮机燃烧器(100)。燃烧器(100)包括具有中轴线的预燃室(101)和安装到预燃室(101)上的旋流器(103)。旋流器(103)相对于中轴线(102)沿周向方向围绕预燃室(101)。旋流器(103)包括底面(104)，所述底面构成槽缝(201)的一部分，氧化剂/燃料混合物可通过所述槽缝(201)喷射到预燃室(101)中，其中，所述底面(104)位于底部平面(106)内。旋流器还包括燃料喷嘴(107)，该燃料喷嘴(107)布置在所述底面(104)上，使得燃料可按某个燃料喷射方向(108)喷入槽缝(201)中，其中，所述燃料喷射方向(108)的第一分量不平行于所述底部平面(106)的法向(n)。

Description

将燃料以倾斜的燃料喷射方式喷入旋流器槽缝
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机燃烧器以及一种操作该燃烧器的方法。
背景技术
降低燃气轮机燃烧器内引燃燃烧器面处的温度并减少氮氧化物(NOx)和/或一氧化碳(CO)等的排放量是一个目标。燃烧室内的温度导致较高的CO和NOx排放量。尤其是，燃烧器内的燃料与气体(空气)的混合被视为降低温度从而减少排放量的关键问题。
一般来说，燃烧器包括通常以不只一个燃料流的方式(例如主燃料和引燃燃料)喷射燃料的旋流器。引燃燃料通常由引燃燃烧器沿燃烧器的中轴线的方向喷射，其中，引燃燃料用于控制燃烧主燃料的燃烧器中的火焰。喷射的引燃燃料在燃烧器中产生预定火焰形状。主燃料流经由旋流器沿大致正切于燃烧器的中轴线的方向喷入燃烧器。喷入的主燃料流和引燃燃料流可以是液体燃料或气体燃料。包含氧化剂的基本不可燃气体流首先与烧嘴中的燃料混合，从而实现燃烧。
由于所喷射气体和燃料的反向扩散，在靠近引燃面的引燃燃烧器中心处，燃烧室内的气体混合物(例如空气和燃料)中的燃料浓度可能很高。因此，需要降低靠近引燃面的烧嘴中心处的富含燃料的混合物中的燃料浓度，并使发生火焰点燃的反应区远离引燃燃烧器面，以降低引燃燃烧器的温度。
WO2009/056425 A2披露了一种燃气轮机燃烧器，该燃烧器包括具有燃烧器头、燃烧器面和径向旋流器的燃烧器。主燃料通过旋流器喷射至燃烧室的中央部分。附接于引燃面的引燃燃料喷嘴向燃烧室中喷射引燃燃料。引燃燃料以特定的旋流方向和预定喷射角喷射，以便调节燃烧室内的所需火焰轮廓。
US 5,267,442 A披露了一种具有偏心主回路孔口的燃料喷嘴。包括空气旋流器的燃料喷嘴直接向空气旋流器的预成膜表面喷射燃料。
US 5,761,906 A披露了一种燃料喷嘴旋流器构造，该旋流器构造包括用于在气体或液体燃料涡轮机中产生富含燃料的流体袋的保护元件。空气流通过旋流器输送至燃烧室的中心，在燃烧室中，空气流与旋流器内的喷嘴喷射的燃料混合。而且，保护装置在喷嘴构造的至少一个区域中使燃料的输送与空气流隔开，从而形成富含燃料的流体袋。
发明内容
本发明之目的是提供一种具有正确火焰轮廓的燃烧室。
此目的是通过独立的权利要求中所述的一种燃气轮机燃烧器和一种燃烧器操作方法来实现的。
根据本发明的第一方面，本发明提供一种燃气轮机燃烧器。该燃烧器包括预燃室和旋流器。预燃室具有中轴线。旋流器安装至预燃室上，其中，旋流器沿相对于中轴线的圆周方向围绕预燃室。旋流器包括底面，所述底面构成槽缝的一部分，氧化剂/燃料混合物可通过所述槽缝喷入预燃室。底面位于底部平面上。具体而言，底部平面(例如，底部平面的至少一个法向分量)相对于中轴线平行于轴向。
旋流器还包括燃料喷嘴，所述燃料喷嘴布置在底面上，使得燃料(具体而言是可燃气体)能够按预定的燃料喷射方向喷入该槽缝中。燃油喷射方向的第一分量不平行于底部平面的法向。换句话说，燃料喷嘴不按平行于中轴线的喷射方向喷射燃料。
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种操作上述燃烧器的方法。根据所述方法，燃料按某个燃油喷射方向喷射到槽缝中，其中，该燃油喷射方向的第一分量不平行于底部平面的法向。
燃烧器可为环形燃烧器或罐形燃烧器。燃烧室可具有圆柱或椭圆形状。燃烧室可包括主燃烧室和具有旋流器段的预燃室。预燃室的中轴线可以是预燃室的对称线。在旋流器段，旋流器安装至预燃室上，并围绕预燃室的中轴线。
旋流器包括槽缝，由燃料和氧化剂构成的氧化剂/燃料混合物可按多个旋流器喷射流的形式通过槽缝喷射到燃烧室中。旋流器可以是径向旋流器。燃料被燃料喷嘴喷射到相应的槽缝中。
流过旋流器的槽缝的氧化剂/燃料混合物在随相应的喷射流进入预燃室时通常沿相对于中轴线正切的方向流入。而且，在预燃室中，氧化剂/燃料混合物的一个分量方向平行于预燃室内的中轴线的轴向，直到氧化剂/燃料混合物进入主燃烧室。
包括燃烧器面的引燃燃烧器可附接至预燃室的旋流器段。引燃燃料喷嘴布置在引燃燃烧器面上，用于向预燃室喷射引燃燃料。引燃燃料通常沿预燃室的中轴线的轴向喷射。而且，燃烧器面可位于底部平面上。
氧化剂通过旋流器的槽缝注入。燃料喷嘴向槽缝中喷射燃料，从而产生氧化剂/燃料混合物。
氧化剂例如可以是空气或压缩空气。由燃料喷嘴喷射的燃料可以是气态(即，燃气)或液态(即，液体燃料)。
旋流器适合于向预燃室中喷射氧化剂/燃料混合物，即，氧化剂(例如(压缩)空气)和燃料。燃料可喷射到旋流器的槽缝中，从而产生氧化剂/燃料混合物，即，所述的氧化剂/燃料混合物。氧化剂/燃料混合物通过旋流器进入预燃室。而且，引燃燃料由引燃燃料喷嘴喷射，其中，引燃燃料通常沿轴向方向流动。引燃燃料沿轴向导引由旋流器喷射的氧化剂/燃料混合物。在燃烧室的中央区域，发生氧化剂/燃料混合物的回流(这种回流是维持连续燃烧所需的)，从而氧化剂/燃料混合物的燃烧产物回流到靠近引燃烧燃烧器面的中央部分。因此，形成所谓的氧化剂/燃料混合物再循环泡，其中，被中央回流导回燃烧器面的点燃氧化剂/燃料混合物在引燃燃烧器面的中央部分产生高温。
在常规方法中，被燃料喷嘴喷入旋流器槽缝的燃料沿平行于中轴线的轴向的燃料喷射方向喷射。
在本发明的方法中，燃料喷嘴喷射燃料的方向的第一分量不平行于底部平面的法向，更确切地说，不平行于预燃室的中轴线。
换言之，在燃料喷嘴把燃料喷入旋流器槽缝时，燃料喷射方向的至少一个第一分量不平行于中轴线。因此，燃料在进入燃烧室时更靠近喷射位置的底部平面，因此，与分别平行于底部平面的法向和预燃室中轴线的轴向的燃料喷射方向相比，燃料更靠近引燃燃烧器面。
所以，采用更靠近引燃燃烧器面的燃料喷射方向，能够减小富气(氧化剂/燃料)混合物存在并发生反应的反应区(例如在引燃燃烧器面的中心附近的反应区)，即，能够减小反应区的直径。所以，可减小承受高温的引燃燃烧器面的中央部分。
因此，通过以更扁平的方式从旋流器喷射氧化剂/燃料混合物(即，具有不平行于底部平面的法向的第一分量，或者具有平行于底面的分量)，能够改善引燃燃烧器的燃烧器面的中央区域中的氧化剂/燃料混合分数分布。尤其是能降低引燃燃烧器面处的引燃喷嘴端头处的温度。而且，能够确保引燃燃烧器面的中央区域中的氧化剂/燃料混合物更高效地与燃烧器面分开。而且，引燃面附近几乎不存在高温点，因此，能够减少局部高碳氧化物和氮氧化物含量的流体袋，这样的流体袋例如可能在燃料喷射器上或燃料喷射器周围产生大量排放物和积灰。而且，通过设计更改(即，调整燃料喷嘴的位置)，能够提高火焰稳定性和减少燃烧波动。
燃料喷嘴布置到底面上，从而使燃料喷射方向(的第一分量)具有位于底部平面和燃料喷射方向之间的喷射角，其中，该喷射角在(约)20°和(约)70°之间。在燃料喷入旋流器的槽缝时，通过提供(约)45°的喷射角，能够获得正确的结果。
燃料喷嘴包括喷管，其中，该喷管相对于底面布置为使燃料可按燃料喷射方向喷入槽缝。具体而言，该喷管可包括位于燃料出口段的喷嘴。
喷管可为具有中轴线的圆柱形。喷管沿中轴线延伸。喷管可相对于底部平面布置为使中轴线平行于燃料喷射方向。因此，喷管和其中轴线不与底部平面的法向平行。换言之，喷管从旋流器的底面按一定角度倾斜延伸。具体而言，喷管包括形成在喷管的自由端的端面处的燃料口(例如喷嘴)。因此，若喷管布置为其中轴线平行于燃料喷射方向，则燃料可从喷管的端面沿燃料喷射方向通过燃料口喷出。
根据另一个示例性实施例，喷管从底面伸入槽缝。例如，喷管的出口段可与旋流器的底面分开。因此，能够在旋流器的槽缝中实现更好的氧化剂/燃料混合物流动特性。
根据另一个示例性实施例，旋流器包括具有侧壁的轮叶，该侧壁和底面一起构成槽缝。燃料喷嘴布置在底面上，使得燃料在喷入槽缝时燃料喷射方向具有第二分量。第二分量大致垂直于侧表面或侧壁。换言之，燃料正对轮叶的侧壁喷射。因此，可能产生紊流，而这种紊流有利于产生均一的氧化剂/燃料混合物，并在燃烧室内形成所需的火焰轮廓。
具体而言，轮叶可具有三个壁段，它们可形成三角形形状，其中，上述的侧壁(燃料沿上述喷射方向朝其喷射)是三个壁段中最大的壁段。因此，与另外两个壁段相比，该侧壁的面积最大。所以，燃料沿某个方向朝部分地构成槽缝的轮叶最大壁段(即，侧壁)喷射。
根据另一个示例性实施例，旋流器还包括布置在底面上的燃料喷嘴。因此，更多燃料可喷入槽中，从而在旋流器内氧化剂与燃料混合。该燃料可为燃气或液体燃料。因此，氧化剂/燃料混合物流出旋流器，并流入燃烧室。具体而言，在运转状态中，流过旋流器的槽缝的燃料和上述的更多燃料满足燃气轮机燃料总需求的90％至95％左右。燃料喷嘴可沿流体喷射方向和相对于燃料喷嘴的上述另一燃料喷射方向喷射上述的更多燃料。
根据另一个示例性实施例，底面构成另一槽缝的一部分，另一种燃料能够通过所述另一槽缝喷入燃烧室。旋流器还包括布置在底面上的另一燃料喷嘴，从而上述的另一种燃料可沿另一燃料喷射方向喷入上述的另一槽缝中。另一燃料喷射方向的另一个第一分量不平行于底部平面的法向。
具体而言，在旋流器的圆周方向上可布置有多个槽缝，每个槽缝具有各自的燃料喷嘴。多个槽缝中的每一个可由附接到底面上的在周向上间隔布置的轮叶构成。
底面可以是旋流器的底板面，旋流器轮叶安装在该底面上，或者旋流器轮叶从该底面耸起。“底部”指相对于中轴线的旋流器轴向端，优选为背对主燃烧室并朝向燃烧器头的轴向端。
应说明的是，本发明的实施例是基于不同的主题说明的。具体而言，某些实施例是基于装置权利要求说明的，而另一些实施例是基于方法权利要求说明的。但是，本领域技术人员从上述的及下文的说明能够理解，除另有所示外，除了属于某类主题的特征的任何组合，与不同主题相关的特征的任何组合(具体而言，装置权利要求的特征和方法权利要求的特征之间的组合)也应视为属于本申请的揭示范围。
附图说明
通过下述实施例的说明，能够更清晰地了解本发明的上述特征和其它特征。下面将参照具体实施例更详细地说明本发明，但本发明不限于这些实施例。
图1示出了本发明的一个示例性实施例的燃气轮机燃烧器。
图2示出了本发明的一个示例性实施例的旋流器。
图3是本发明的一个示例性实施例的旋流器的截面示意图。
图4是图3所示的本发明的一个示例性实施例的旋流器的IV-IV截面示意图。
具体实施方式
附图中的所示内容仅是示意性的。应说明的是，相同或相同的元素以相同的标号表示。
图1示出了燃气轮机燃烧器100。燃烧器100包括具有中轴线102的预燃室101和安装到预燃室101上的旋流器103。
旋流器103相对于中轴线102沿周向方向围绕预燃室101。旋流器103包括底面，该底面构成槽缝201(参见图2)的一部分，氧化剂/燃料混合物可通过所述槽缝喷入预燃室101中。底面104位于底部平面106上。在图1所示的示例性实施例中，底部平面的法向n的一个分量平行于中轴线102的轴向。
旋流器103还包括燃料喷嘴107，该燃料喷嘴107布置在底面104上，使得燃料可按燃料喷射方向108喷入槽缝201。具体而言，燃料喷射方向108与燃料喷射出口107的朝向对应。
如图1所示，燃料喷射方向108的第一分量不平行于底部平面106的法向n。
具体而言，燃料喷嘴107布置到底面104上，从而使燃料喷射方向108具有位于底部平面106和燃料喷射方向108之间的喷射角θ，其中，该喷射角θ约为45°。
而且，如图1所示，包括燃烧器面111的引燃燃烧器110安装在旋流器103上。具体而言，燃烧器面111位于底部平面106内，或大致平行于底部平面106。引燃燃烧器110包括引燃燃料喷嘴112，该喷嘴布置在燃烧器面111上，用于向预燃室101喷入引燃燃料。
引燃燃料基本沿中轴线102的轴向通过引燃燃料喷嘴112喷射。引燃燃料形成分离层和焰锋105。引燃燃料喷嘴112可沿沿圆周方向布置到引燃燃烧器面111上，使得被喷射的引燃燃料形成中央环形区，燃料(即，氧化剂/燃料混合物)在该区域中燃烧。这种中央区域可称为反应区RZ。在反应区RZ周围，即，在预燃室101的壁部和引燃燃料产生的分离层之间，氧化剂/燃料混合物被旋流器103喷射。
燃料被燃料喷嘴107沿燃料喷射方向108喷入旋流器103的槽缝201中(参见图2)。在此方法中，燃料喷射方向108是倾斜的，不平行于底部平面106的法向n，因而不平行于中轴线102。氧化剂/燃料混合物被旋流器103喷入预燃室101中，并在进入预燃室101之后被引燃燃料沿中轴线102的轴向导引。在沿中轴线102上距燃烧器面111的一定距离内，引燃燃料流被减弱，在中央区域和反应区RZ中，氧化剂/燃料混合物的预燃烧产物分别沿中轴线102快速回流至引燃燃烧器面111。
在旋流器103的槽缝201内，氧化剂可与(主)燃料混合，从而产生的氧化剂/燃料混合物在通过焰锋105后可被点燃。由于点燃的氧化剂/燃料混合物的回流，在中央反应区RZ中的燃烧器面111附近有高温点。反应区RZ中的燃烧器面111的截面具有预定的直径d。采用本发明，利用射入槽缝201的燃料的倾斜燃料喷射方向108，能够减小燃烧器面RZ的截面直径。如图1所示，燃料以及氧化剂/燃料混合物相对于底部平面106以扁平(flat)的方式从旋流器103喷射。燃料喷射方向108不平行于底部平面106的法向n。因此，还能减小反应区RZ的燃烧器面111的截面直径，并减少引燃燃烧器110上的总热量。
而且，还能减少燃烧器面110附近的反应区RZ内的富氧化剂/燃料混合物量。
图2是旋流器103的详图。旋流器(102)包括多个槽缝201。每个槽缝201由周向间隔布置的轮叶203和底面104构成。流过槽缝201的氧化剂/燃料混合物被引导为大致正切于中轴线102。所示的燃烧器面111处于旋流器103的中央。引燃燃料喷嘴112可围绕中轴线102沿周向布置到燃烧器面111上。
燃料喷嘴107安装到一部分槽缝201中或安装到所有槽缝中，其中，燃料可按上述的所需燃料喷射方向108喷入槽缝201。
另外，可在一部分槽缝201或所有槽缝201上安装更多燃料喷嘴202。这些燃料喷嘴202喷射其它的(液体或气体)燃料。该燃料可在槽缝201内与被燃料喷嘴107喷入的燃料及氧化剂混合。
在图2中，为清晰起见，并不是所有槽缝201和各个喷嘴107、202都标有标号。
图3是旋流器103的更详细的截面图。槽缝201由底面和轮叶203构成。在图3中，示出了燃料喷射方向108的第二分量。如图3所示，燃料喷射方向的第二分量108大致垂直于轮叶203的侧壁301。具体而言，燃料喷射方向108的第二分量的在该燃料喷射方向108的第二分量与侧壁301之间的另一燃料喷射角约为90°(度)。在其它示例性实施例中，燃料喷射方向108的第二分量的所述另一燃料喷射角可在0°和90°之间，例如可为(约)45°。因此，燃料喷射方向108的第二分量的所述另一燃料喷射角布置为使得(被燃料喷嘴107)所喷射的燃料在该燃料离开燃料喷嘴107的区域内包括朝向预燃室101内部的方向或背离预燃室101的内部的反方向。
因此，通过按上述的喷射角和另一喷射角使用燃料喷嘴107喷射燃料，可以在喷射燃料流中形成紊流，从而改善氧化剂/燃料混合特性。
图4是图3中的结构的IV-IV截面图。在图4中，燃料喷嘴107由喷管401构成，燃料可按优选的燃料喷射方向108通过喷管401喷射。在图4中，示出了燃料喷射方向108的第一分量。燃料喷射方向108的第一分量包括位于底面104和燃料喷射方向108的第二分量之间的喷射角θ。而且，在图4的IV-IV截面示意图中，示出了构成槽缝201的轮叶203。
而且，如图4所示，底面104可包括凹槽，燃料喷嘴107布置在该凹槽的区域中。或者，燃料喷嘴107可从底面104伸入槽缝201(在图4中未示出)。
应注意，“包括”一词不排除其它元素或步骤，“未指明数量(即冠词‘a’或‘an’)”也不排除复数。而且，与不同实施例相结合说明的特征可以组合。还应注意，权利要求中的标号不应视为对权利要求范围的限制。

Claims (9)

1.一种燃气轮机燃烧器(100)，包括：具有中轴线(102)的预燃室(101)和安装到预燃室(101)上的旋流器(103)，其中，
旋流器(103)相对于中轴线(102)沿周向方向围绕预燃室(101)；
旋流器(103)包括底面(104)，所述底面构成槽缝(201)的一部分，氧化剂/燃料混合物可通过所述槽缝喷入预燃室(101)；
所述底面(104)位于底部平面(106)内；
旋流器(103)还包括燃料喷嘴(107)，所述燃料喷嘴布置在所述底面(104)上，使得燃料能够按某个燃料喷射方向(108)喷入槽缝(201)中；
燃料喷射方向(108)的第一分量不平行于所述底部平面(106)的法向(n)；
燃料喷嘴(107)包括喷管(401)；
喷管(401)相对于所述底面(104)布置为使燃料可按所述燃料喷射方向(108)喷入槽缝(201)；以及
燃料喷嘴(107)布置到所述底面(104)上，从而使所述底部平面(106)和所述燃料喷射方向(108)之间的喷射角(9)在20°和70°之间。
2.如权利要求1所述的燃烧器(100)，其中，燃料喷嘴(107)布置到所述底面(104)上，从而使所述底部平面(106)和所述燃料喷射方向(108)之间的喷射角(9)在35°和55°之间。
3.如权利要求1或2所述的燃烧器(100)，其中，喷管(401)从所述底面(104)伸入槽缝(201)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的燃烧器(100)，其中，
旋流器(103)具有轮叶(203)，所述轮叶的侧壁(301)构成槽缝(201)的另一部分；
燃料喷嘴(107)进一步布置在所述底面(104)上而使得燃料在喷入槽缝(201)时，所述燃料喷射方向(108)具有第二分量；以及
所述第二分量垂直于所述侧壁(301)。
5.如权利要求1至4中任一项所述的燃烧器(100)，其中，旋流器还包括布置在所述底面(104)上的另一燃料喷嘴(202)。
6.如权利要求1至5中任一项所述的燃烧器(100)，其中，
所述底面(104)构成另一槽缝(201)的一部分，另一种氧化剂/燃料混合物能够通过所述另一槽缝(201)喷入预燃室(101)；
旋流器(103)还包括另一燃料喷嘴(107)，所述燃料喷嘴布置在所述底面(104)上，使得另一种燃料可按另一燃料喷射方向(108)喷入槽缝(201)中；以及
所述另一燃料喷射方向(108)的第一分量不平行于底部平面(106)的法向(n)。
7.如权利要求1至6中任一项所述的燃烧器(100)，还包括引燃燃烧器(110)，该引燃燃烧器包括燃烧器面(111)，其中，
引燃燃烧器(110)包括引燃燃料喷嘴(112)，该引燃燃料喷嘴布置在所述燃烧器面(111)上，用于向预燃室(101)喷射引燃燃料。
8.如权利要求7所述的燃烧器(100)，其中，所述燃烧器面(111)位于所述底部平面(106)内。
9.一种操作如权利要求1至8中任一项所述的燃烧器(100)的方法，包括：按燃料喷射方向(108)向槽缝(201)喷射燃料。
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