CN104213986A - 用于将燃料空气混合物加入燃烧室的喷射器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将燃料空气混合物加入燃烧室的喷射器(8)。所述喷射器(8)包括一条纵轴线(44)和一些弯曲的，尤其弧形的流动通道(48)。在这里每个流动通道(48)包括一个燃料进口(43)、一些空气进口(42)和一个燃料空气混合物出口(9)，其中，燃料进口(43)与燃料分配器(41)相连并有一条垂直或平行于喷射器(8)纵轴线(44)延伸的中心线(55)。燃料空气混合物出口(9)有一条垂直于喷射器(8)纵轴线(44)延伸的中心线。空气进口(42)各有一条平行于喷射器(8)纵轴线(44)延伸的中心线(54)。

Description

用于将燃料空气混合物加入燃烧室的喷射器

技术领域

本发明涉及一种用于将燃料空气混合物加入燃烧室的喷射器、一种燃烧室和一种燃气轮机。

背景技术

当代的燃气轮机应在更宽的工作范围内满足有关有害物排放和保护环境方面的要求。满足这些要求主要取决于在燃气轮机内所使用的燃烧系统。为了减少氮氧化物(NOx)的排放，使用低配比的混合气预混合。此时为了达到高的效率，力求与高的火焰温度伴随而来的高的涡轮进口温度。在这里，已提及的预混合火焰，基于高的热功率密度而易发生的热声学不稳定性和NOx排放，随火焰温度升高成指数倍增大。

在另一方面，燃气轮机必须在尽可能低的负荷和火焰温度的情况下运行，以便能符合电厂业主的要求。在这里，工作范围的下移受不完全燃尽时形成的一氧化碳(CO)排放的限制。因此值得追求的是，燃烧系统的工作范围朝两个方向扩展。

为了在现有的燃烧系统中扩展工作范围，例如通过燃烧器内部燃料分级、有效的预混合装置、减少冷空气以及分级燃烧方案，针对当前提出的要求进行系统的优化。“轴向分级法(axial staging)”提及的分级燃烧技术由传统的燃烧器组成，它点燃一次燃烧区。这种一次燃烧区又可以如传统的燃烧器那样内部分级，以及覆盖直至当前燃烧温度的负荷范围。在一次燃烧区的下游连接二次燃烧区。在二次燃烧区内通过一个沿轴向相对于一次燃烧区错开的级来喷入附加的燃料。这些燃料然后在一个扩散式区域内燃烧。所述燃料可以用惰性成分(蒸汽、氮、二氧化碳)稀释，目的是显著降低化学计算的燃烧温度，并由此抑制NOx形成。与此同时，沿整个可供使用的燃烧室分布热释放量，降低燃烧系统热声学不稳定性的趋势。

为了在保证的排放界限内可靠运行所需要的稀释介质，必须由单独的过程提供，这带来许多缺点。首先增加整个电厂的复杂性，加大投资。第二，所述单独的过程本身需要能量，所以影响总效率。第三，降低电厂的可利用率，因为这种过程有一定的故障概率，这种故障概率必须计入传统电厂的故障概率之中。基于所述的原因，在二次燃烧区内不在第二轴向级的燃料中加入空气/燃料混合物形式的惰性成分(“fuel only”)。

在涉及管式燃烧室的文件DE102006053679A1、US6418725B1中以及在涉及环形燃烧室的文件DE4232383A1、US2009/0084082A1、US6192688B1、US6047550和US6868676B1中，记载了与此相关和其他的现有技术。

US2011/0067402A1公开了一种包括燃烧室的燃气轮机，燃烧室具有一种两级式的燃烧方案。这种燃烧室包括有燃烧器装置的燃烧室前端、燃烧室出口和燃烧室壁，其中燃烧室壁从燃烧室前端延伸到燃烧室出口，以及包括一次燃烧区和二次燃烧区。沿燃气的主流方向，二次燃烧区设置在一次燃烧区下游。沿燃烧室的圆周设置汇入二次燃烧区的喷射器，这些喷射器构成燃烧系统的两个轴向级。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于将燃料空气混合物加入燃烧室的喷射器、一种燃烧室和一种包括至少一个这种燃烧室的燃气轮机，借助它们能实现减少氮氧化物(NOx)的排放和低CO排放。

按本发明用于将燃料空气混合物加入燃烧室的喷射器，包括一条纵轴线和一些弯曲的，亦即不是直的，尤其弧形的流动通道。术语“弧形”在这里理解为“按至少一条弧线弯曲的形状”，例如也理解为S形弯曲。每个流动通道包括一个燃料进口、一些空气进口和一个燃料空气混合物出口。在这里，燃料进口与燃料分配器连接。此外燃料进口还有一条垂直或平行于喷射器纵轴线延伸的中心线。燃料空气混合物出口有一条垂直于喷射器纵轴线延伸的中心线。空气进口各有一条平行于喷射器纵轴线延伸的中心线。

在流动通道中造成的燃料空气混合物，可以通过燃料空气混合物出口加入燃烧室内，例如加入燃烧室二次燃烧级内。通过流动通道的弧形，例如也可以是S形弯曲形状，在可供使用的小的空间内达到大的混合长度。

有利地，喷射器在燃烧室上可安置为，使其纵轴线基本上平行于燃烧室的纵轴线延伸。尤其是，喷射器的纵轴线与燃烧室的纵轴线重合。

有利地，一个流动通道的空气进口排布成至少一行。以此方式达到通过燃料进口加入流动通道中的燃料与通过空气进口加入流动通道中的空气连续混合。

空气进口可以有圆形横截面。它们尤其可以设计为钻孔。一行空气进口优选地可以螺旋形延伸，例如相对于一条平行于喷射器纵轴线延伸的轴线成螺旋形。每个流动通道可尤其有一条至少部分弯曲或成弧形延伸的中心线，以及所述至少一行空气进口可以平行于流动通道的中心线延伸。

此外，燃料分配器设计成环形。燃料分配器可尤其相对于喷射器的纵轴线沿径向设置在弯曲的，尤其弧形流动通道的外部。作为其替代方式，燃料分配器可以沿轴向设置在弧形流动通道旁边。

弯曲的，例如弧形的流动通道，可以有大于0°且小于180°的弯曲角，例如在10°与90°之间，有利地在30°与60°之间。此外，这些弯曲的，尤其弧形的流动通道中至少一个，有平行于喷射器纵轴线延伸的弯曲轴线。优选地，所有流动通道的弯曲轴线均平行于喷射器纵轴线延伸。

喷射器可例如包括两个基本上互相平行排布的圆盘。在这里，这些圆盘可以包括所述流动通道的侧壁和空气进口，或尤其构成流动通道的侧壁。此外，环形的燃料分配器可以通过两个平行排布的圆盘与燃烧室固定连接，例如与燃烧室或燃烧室壁的衬里固定连接。空气进口可分多行以空气钻孔的形式螺旋形排布在圆盘内。在两个圆盘之间的多个侧壁，可以将一个个流动通道或混合通道彼此隔离。

燃料可以通过多个例如钻孔形式的燃料进口，在相对于喷射器纵轴线的燃料分配器内侧喷入混合通道内。空气可垂直通过螺旋形排布的空气钻孔进入燃料流并与燃料流混合。然后燃料空气混合物通过多个孔，尤其钻孔，进入燃烧室的燃烧腔内，并在那里点燃。

按本发明的燃烧室包括至少一个前面已说明的喷射器。燃烧室可包括一条纵轴线、燃烧室前端、燃烧室出口、从燃烧室前端延伸到燃烧室出口的燃烧室壁。此外燃烧室还可以包括一次燃烧区和沿燃气主流方向设置在一次燃烧区下游的二次燃烧区。所述至少一个喷射器在二次燃烧区的范围内可以在燃烧室壁上设置为，使燃料空气混合物出口汇入二次燃烧区内。在这里，喷射器可用于将燃料空气混合物加入二次燃烧区内。

燃料空气混合物出口可以沿一条圆周线彼此间隔地排布在燃烧室壁上。

此外燃烧室可包括一个衬里区，它包括所述至少一个喷射器。衬里区可以沿主流方向与一次燃烧区连接。一个去往燃烧室出口的过渡区可以与衬里区连接。所述至少一个喷射器可以设置在衬里区上或与衬里区设计为一体式的。此外，衬里区包括一条与喷射器纵轴线重合的纵轴线。喷射器的纵轴线也可以平行于衬里区纵轴线延伸。

所述衬里区可仅构成燃烧室的一个区域，或设计为单独的构件。它可以设置在一次燃烧区与燃烧室出口之间，例如处于二次燃烧区的区域内。

优选地，在二次燃烧区的区域内，在燃烧室壁上设置至少一个按本发明的喷射器。通过在二次燃烧区内联合喷入空气和燃料，实现所谓的“空气支持的轴向分级”。

所述燃烧室可以涉及管式燃烧室或环形燃烧室。在燃烧室前端可设置至少一个燃烧器。

原则上，一次燃烧区通过这种区域确定，亦即在燃烧室内部的该区域内一次燃烧经由燃烧器输入的燃料。二次燃烧区的特征在于，在一次燃烧区内产生的燃气在其中进一步尽可能彻底烧尽。在这里，二次燃烧区原则上可以设置在一次燃烧区与燃烧室出口之间的任意位置。

空气支持的轴向分级已知有许多优点。如在传统的燃烧技术中那样，通过在燃烧室外部预混合燃料和空气，可以降低形成的峰值温度并因而减少NOx排放。此外，通过在二次燃烧区内和直至涡轮进口短暂的停留时间，也产生较低的NOx总排放量。还有，不需要附加的介质，而只用来自压气机出口的空气进行工作，空气与燃料在轴向级内加工成混合物。因此形成的系统耐用而稳定。

此外，通过适用的运行原理，在负荷比较高的情况下才实施将燃料加入轴向级。在负荷较低时，完全切断向轴向级的燃料供给，以及轴向级此时处于如空气旁路那样的状况。由此，一次燃烧区甚至可以在非常低的负荷时用高的本地火焰温度工作，这一火焰温度保证完全燃烧和相应地低的CO排放。因此空气支持的轴向分级用于向较低和更高的负荷均匀地扩展燃烧系统的工作范围。

此外本发明还有下列具体优点：通过弯曲地，尤其螺旋形设置，虽然是紧凑的结构方式，仍能在喷射器的流动通道中获得长的混合长度。与此同时在可供使用的小的空间内达到高的混合质量。涡旋的生成保证产生附加的梯度和剪切层，并因而保证与主流更好混合。通过更均匀的涡轮进口型面降低排放。此外，第一涡轮级(TLe1)导向叶片可以是一种简单而便宜的结构方式。除此之外，本发明揭示了节省冷却空气的巨大潜力和通过取消第一涡轮级(TLe1)导向叶片可能的节省潜能。

按本发明的燃气轮机包括前面已说明的燃烧室。它具有与前面已说明的燃烧室同样的特性和优点。

附图说明

下面参见附图借助实施例详细说明本发明的其他特征、特性和优点。这些实施例不限制本发明通过专利权利要求规定的保护范围。在这里，所有说明的特征不仅单个而且互相任意组合都是有利的。其中：

图1以局部纵剖面示例性地表示出燃气轮机；

图2示意表示燃气轮机的环形燃烧室；

图3以局部透视和局部剖视图示意性地示出了部分管式燃烧室；

图4以透视和剖视图表示出已经在图3中部分示出的管式燃烧室的一部分；

图5以透视图示意性表示出衬里区和按本发明的喷射器；

图6以垂直于喷射器纵轴线的局部透视图示意性地表示出通过按本发明的喷射器部分区剖开示出的剖面；

图7以平行于喷射器纵轴线的局部透视图示意性表示出通过按本发明的喷射器部分区剖开示出的剖面；

图8示意表示按本发明的喷射器另一种设计的部分区；以及

图9示意性表示出垂直于喷射器纵轴线通过按本发明的喷射器部分区剖开示出的剖面。

具体实施方式

图1以局部纵剖面示例性地表示出燃气轮机100。燃气轮机100在内部有围绕旋转轴线102旋转支承的转子103和轴101，它也称为涡轮转子。

沿转子103前后相继地设置进气机匣104、压气机105、例如花托状燃烧室110，尤其环形燃烧室，和多个同轴布设的燃烧器107、涡轮108和排气机匣109。

燃烧室110与例如环形的燃气通道111相连。在那里，例如四个前后串联的涡轮级112构成涡轮108。

每个涡轮级112例如由两个叶片环构成。沿工质113的流动方向看，随导向叶片组115后是由工作叶片120构成的工作叶片组125。

在这里，导向叶片130固定在静子143的内机匣138上，而工作叶片组125的工作叶片120则借助涡轮盘133安装在转子103上。

发电机或做功机械(未表示)与转子103耦接。

在燃气轮机100运行期间，由压气机105通过进气机匣104吸入空气并压缩。在压气机105的涡轮那一侧的端部制备的压缩空气供给燃烧器107，并在那里与燃料混合。混合物然后在燃烧室110内燃烧形成工质113。从那里出发，工质113沿燃气通道111流过导向叶片130和工作叶片120。工质113在工作叶片120处膨胀并传送冲量，所以工作叶片120驱动转子103以及转子驱动与其耦接的做功机械。

在燃气轮机100运行期间，暴露在工质113中的构件承受热负荷。除了为环形燃烧室110衬里的热屏元件外，沿工质113流动方向看的第一涡轮级112的导向叶片130和工作叶片120遭受的热负荷最大。

为了能承受在那里存在的温度，它们可以借助冷却剂冷却。

作为构件的材料，尤其用于涡轮叶片120、130和燃烧室110构件的材料，例如采用铁基、镍基或钴基的超级高温合金。

导向叶片130有面朝涡轮108内机匣138的导向叶片根部(图中未表示)和与导向叶片根部相对置的导向叶片头部。所述导向叶片头部面朝转子103并固定在静子143的固定环140上。

图2示意表示燃气轮机的燃烧室110。图示的燃烧室110设计为所谓的环形燃烧室，其中一些沿周向围绕燃烧室纵轴线102排布的燃烧器107通入公共的燃烧室空腔154内，这些燃烧器107产生火焰。为此，燃烧室110在其总体上设计为围绕纵轴线102定位的环形结构。

为达到比较高的效率，燃烧室110针对工质M比较高的，约为1000℃至1600℃的温度设计。为了即使在这种对于材料不利的工作温度下仍能有比较长的工作寿命，燃烧室壁在其面朝工质M那一侧加上由热屏元件155构成的内衬。

图3以局部透视和局部剖视图示意性表示出部分燃烧室。此燃烧室包括燃烧室壁1和燃烧室出口6。在燃烧室工作期间，燃气在燃烧室内的主流动方向用箭头3表示。

此外，燃烧室还包括一次燃烧区4，由燃烧器加入燃烧室内的燃料在这里燃烧。二次燃烧区5沿流动方向3与一次燃烧区4相连。在二次燃烧区5中来自一次燃烧区4的燃气进一步烧尽。这通过在二次燃烧区5中借助喷射器6附加地加入燃料空气混合物14实现。

喷射器8包括空气进口13和汇入燃烧室的出口9。此外，在每个喷射器8内部安装一个燃料喷嘴10。燃料喷嘴10与燃料分配器11，优选地环形燃料分配器11连接。借助燃料喷嘴10，燃料被喷入喷射器8内部并因此在喷射器8内部造成燃料空气混合物。如此造成的燃料空气混合物然后通过喷射器出口或喷入口9，喷入燃烧室内的二次燃烧区5中。

在图3中，在一次燃烧区4与燃烧室出口6之间设衬里区7和过渡区25，它们在图3中分别设计为单独的构件。在一次燃烧区4与衬里区7之间设至少一个密封环12。此外，也在衬里区7与过渡区构件25之间设至少一个密封环12。喷射器8与衬里区7连接。喷射器出口或喷入口9在衬里区7的范围内汇入燃烧室的二次燃烧区5中。

图4以透视和剖视图表示出已经在图3中部分表示的燃烧室的一部分。除了已经在图3中表示并结合图3说明的构件外，在图4中还表示出了燃料供给装置15，它向燃料分配器11供应燃料。

图5以透视图示意性表示出衬里区和按本发明的喷射器28，它在下面称为螺旋喷射器。衬里区7包括其上设置螺旋喷射器28的外表面32。

螺旋喷射器28包括一些出口9，通过它们将螺旋喷射器28内部产生的燃料空气混合物引入燃烧室内部。在图5所示的实施例中，出口9有矩形的形状，例如正方形。作为其替代方式，它们也可以有圆形横截面。

螺旋喷射器28包括环形的燃料分配器41，它围绕衬里区7的外表面设置。环形燃料分配器41，在此示出的实施方案中，同样构成螺旋喷射器28的相对于衬里区7纵轴线或中心线44沿径向向外设置的区域。衬里区7的中心线或纵轴线44，在这里相应于按本发明的喷射器28的中心线或纵轴线。

环形燃料分配器41包括至少一个燃料供给装置45。在图5中，两个燃料供给装置45相对于喷射器纵轴线44彼此相对置地设置。

此外，螺旋喷射器28还包括设在燃料分配器41与外表面32之间的流动通道或喷射器通道48(对此参见图6和图7)。在这里，喷射器通道48设在一个圆盘状区域内，这一区域连接衬里区7的外表面32与环形燃料分配器41。处于环形燃料分配器41与衬里区7之间的螺旋喷射器28的外表面50，包括一些空气钻孔42。

空气钻孔42优选地设置在螺旋喷射器的相对于主流动方向3的两侧，亦即座落在上游和下游的表面50上。空气钻孔42并列成行。每一行空气钻孔配属于一个喷射器通道48。各喷射器通道48和相应地各自的一行空气钻孔，有弯曲的，优选地螺旋形地引向中心线44方向的形状。

空气进口或空气钻孔42分别具有中心线54，它们平行于喷射器的纵轴线44延伸。

图6和图7分别以局部透视图表示出通过按本发明的螺旋喷射器28部分区剖开示出的剖面。在这里，图6中表示的剖面垂直于喷射器的纵轴线44延伸，而图7中表示的剖面平行于所述纵轴线44延伸。

通过环形燃料分配器41引向喷射器通道48的燃料，沿流动方向46导入喷射器通道48内。经过这些空气钻孔42同时将空气供给喷射器通道48。由此在喷射器通道48内部造成燃料空气混合物，接着燃料空气混合物通过出口9引入燃烧室内。各喷射器通道48彼此通过侧壁49隔开。

螺旋喷射器28垂直于衬里区7，亦即垂直于衬里区7的中心线44安装，其中，也可以称为喷射器中心线的喷射器纵轴线44，在图示的实施例中与衬里中心线重合。环形燃料分配器41例如通过两个平行布设的圆盘与衬里区7固定连接。在这些圆盘中螺旋形或弧形地设置许多行空气钻孔42。在两个圆盘之间的多个侧壁49，将不同的混合通道或喷射器通道48彼此隔离。燃料经由在燃料分配器41内侧上的多个孔，例如钻孔43，喷入混合通道48内。空气垂直通过螺旋形排布的空气钻孔42进入燃料流46中并与之混合。接着，燃料空气混合物在燃烧室内通过多个孔9，例如钻孔，到达衬里区7内并在那里点燃。

燃料进口43分别有中心线55，它垂直于喷射器中心线44，尤其相对于喷射器中心线44切向延伸。

图8表示另一种设计方案，其中燃料分配器41相对于喷射器8纵轴线44沿轴向布设在弧形流动通道48旁。燃料的流动方向用附图标记51表示。空气的流动方向用附图标记52表示。

图9示意表示垂直于中心线通过按本发明的喷射器部分区的剖面。在图9所示的实施方案中，与前面说明的那些实施方案的区别在于，喷射器通道48设计为S形。为此空气进口42也排布成S形。

Claims (16)

1.一种用于将燃料空气混合物加入燃烧室的喷射器(8)，其特征为：喷射器(8)包括一条纵轴线(44)和一些弯曲的流动通道(48)，其中，每个流动通道(48)包括一个燃料进口(43)、一些空气进口(42)和一个燃料空气混合物出口(9)，其中，燃料进口(43)与燃料分配器(41)相连，以及燃料空气混合物出口(9)有一条垂直于喷射器(8)纵轴线(44)延伸的中心线，所述空气进口(42)各有一条平行于喷射器(8)纵轴线(44)延伸的中心线。

2.按照权利要求1所述的喷射器(8)，其特征为，喷射器(8)在燃烧室上设置为，使其纵轴线(44)基本上平行于燃烧室的纵轴线(102)延伸或与其重合。

3.按照权利要求1所述的喷射器(8)，其特征为，一个流动通道的空气进口(42)排布成至少一行。

4.按照权利要求1至3之一所述的喷射器(8)，其特征为，燃料分配器(41)设计成环形。

5.按照权利要求4所述的喷射器(8)，其特征为，燃料分配器(41)相对于喷射器(8)的纵轴线(44)沿径向设置在所述弯曲的流动通道(48)的外部，或沿轴向设置在所述弯曲的流动通道(48)旁边。

6.按照权利要求1至5之一所述的喷射器(8)，其特征为，弯曲的流动通道(48)具有大于0°且小于180°的弯曲角。

7.按照权利要求1至6之一所述的喷射器(8)，其特征为，所述弯曲的流动通道(48)中的至少一个具有平行于喷射器(8)的纵轴线(44)延伸的弯曲轴线。

8.按照权利要求1至7之一所述的喷射器(8)，其特征为，喷射器(8)包括两个基本上互相平行布设的圆盘，其中，这些圆盘包括所述流动通道(48)的侧壁(49)和空气进口(42)。

9.一种燃烧室，它包括至少一个按照权利要求1至8之一所述的喷射器(8)。

10.按照权利要求9所述的燃烧室，其特征为，所述燃烧室包括一条纵轴线(102)、燃烧室前端、燃烧室出口(6)、从燃烧室前端延伸到燃烧室出口(6)的燃烧室壁(1)、一次燃烧区(4)和沿燃气的主流方向(3)设置在一次燃烧区(4)下游的二次燃烧区(5)，以及，所述至少一个喷射器(8)在燃烧室壁(1)上设置为，使燃料空气混合物出口(9)汇入二次燃烧区内。

11.按照权利要求9或权利要求10所述的燃烧室，其特征为，所述燃料空气混合物出口(9)沿圆周线排布在燃烧室壁(1)上。

12.按照权利要求9至11之一所述的燃烧室，其特征为，所述燃烧室包括一个衬里区(7)，所述衬里区(7)包括至少一个喷射器(8)。

13.按照权利要求12所述的燃烧室，其特征为，所述衬里区(7)包括一条与喷射器(8)纵轴线重合的纵轴线(44)。

14.按照权利要求12或权利要求13所述的燃烧室，其特征为，所述衬里区(7)设计为单独的构件。

15.按照权利要求9至14之一所述的燃烧室，其特征为，所述燃烧室设计为环形燃烧室(106)或管式燃烧室。

16.一种燃气轮机(100)，它包括按照权利要求9至15之一所述的燃烧室。