CN104685297B - 火焰片燃烧器穹顶 - Google Patents

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Abstract

公开了设备(200)和方法来控制进入燃气涡轮燃烧系统(200)的燃料‑空气混合物的速度。设备(200)具有半球形穹顶组件(212)，其沿着燃烧衬套(204)的外壁(214)的一部分引导燃料‑空气混合物且使其转向而进入燃烧衬套(204)。燃料‑空气混合物以与燃烧器轴线(A‑A)同轴且在母火燃料喷嘴的径向外侧的方式进入燃烧衬套(204)，以便调整燃料‑空气混合物的速度。

Description

火焰片燃烧器穹顶
技术领域
本发明大体涉及设备和方法来将燃料-空气混合物引导到燃烧系统中。更具体而言，半球形穹顶定位在燃烧衬套的入口的附近，以便以更有效的方式引导燃料-空气混合物，以更好地控制进入燃烧衬套的燃料-空气混合物的速度。
背景技术
为了减少来自燃气涡轮的污染排放量，政府机构已经颁布了许多法令，要求减少氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)的量。较低的燃烧排放通常可归因于较高效的燃烧过程，尤其是关于燃料喷射器位置、空气流率和混合有效性。
早期的燃烧系统利用扩散型喷嘴，其中，燃料通过扩散在火焰区附近与燃料喷嘴外部的空气混合。扩散型喷嘴在历史上产生较高排放，因为燃料和空气基本在相互接触之后就燃烧而未混合，而且以化学计量的方式在高温下燃烧，以保持充分的燃烧器稳定性和低的燃烧动态。
预混合燃料和空气且获得低排放的备选手段可通过使用多个燃烧级来进行。为了对燃烧器提供多个燃烧级，混合且燃烧而形成燃烧气体的燃料和空气也必须分级。通过控制传送到燃烧系统中的燃料和空气的量，可控制可用功率以及排放。燃料可通过燃料系统或通往特定燃料喷射器的专用燃料回路内的一系列阀分级。但是，对于由发动机压缩机供应的较大量的空气，空气可能较难分级。实际上，由于燃气涡轮燃烧系统的大体设计的原因，如图1所显示，通往燃烧器的空气流典型地由燃烧衬套本身中的开口的大小控制，并且因此不可容易调节。现有技术燃烧系统100的示例在图1中以横截面显示。燃烧系统100包括流动套管102，其包含燃烧衬套104。燃料喷射器106固定到壳体108上，壳体108封装径向混合器110。固定到壳体108的前部部分上的是盖112和母火喷嘴组件114。
但是，虽然显示了在燃烧之前预混合燃料和空气有助于降低排放，但是喷射的燃料-空气预混合物的量往往由于各种燃烧器变量而改变。因而，关于控制喷射到燃烧器中的燃料-空气预混合物的量，仍然存在障碍。
发明内容
本发明公开了一种设备和方法来改进在将混合物喷射到多级燃烧系统的燃烧衬套中之前对燃料-空气混合的控制。更具体而言，在本发明的实施例中，提供了燃气涡轮燃烧器，其具有大体圆柱形流动套管和包含在其中的大体圆柱形燃烧衬套。燃气涡轮燃烧器还包括成组的主燃料喷射器和燃烧器穹顶组件，燃烧器穹顶组件包围燃烧衬套的入口端且具有大体半球形横截面。穹顶组件沿轴向延伸向所述成组的主燃料喷射器且在燃烧衬套内延伸，以形成一系列通路，燃料-空气混合物传送通过通路，其中，对应地设置通路的大小以调整燃料-空气预混合物的流量。
在本发明的备选实施例中，公开了一种用于燃气涡轮燃烧器的穹顶组件。穹顶组件包括围绕燃烧器的轴线延伸的环形的半球形帽、固定在半球形帽的径向外侧部分上的外部环形壁和也固定在半球形帽的径向内侧部分上的内部环形壁。得到的穹顶组件具有大体U形横截面，横截面的大小设置成包围燃烧衬套的入口部分。
在本发明的又一个实施例中，公开了一种控制燃气涡轮燃烧器的燃料-空气混合物的速度。该方法包括引导燃料-空气混合物通过位于燃烧衬套的径向外侧的第一通路以及然后引导来自第一通路的燃料-空气混合物通过位于第一通路附近的第二通路。燃料-空气混合物然后被引导离开第二通路和通过半球形穹顶帽所形成的第四通路，从而使燃料-空气混合物反转方向。燃料-空气混合物然后传送通过位于燃烧衬套内的第三通路。
将在后面的描述中部分地阐述本发明的额外的优点和特征，而且在审查以下内容之后，本发明的额外的优点和特征的一部分将对本领域技术人员变得显而易见，或者可从本发明的实践习得。现在将特别地参照附图来描述本发明。
附图说明
参照附图，在下面详细描述本发明，其中：
图1为现有技术的燃烧系统的横截面。
图2为根据本发明的实施例的燃气涡轮燃烧器的横截面。
图3为根据本发明的实施例的图2的燃气涡轮燃烧器的一部分的详细截面图。
图4A为根据本发明的实施例的穹顶组件的横截面图。
图4B为根据本发明的备选实施例的穹顶组件的横截面图。
图5为公开调整进入燃气涡轮燃烧器的燃料-空气混合物的过程的流程图。
具体实施方式
作为参照，本申请结合了美国专利No.6,935,116、No.6,986,254、No.7,137,256、No.7,237,384、No.7,308,793、No.7,513,115和No.7,677025的主题。
本发明公开了系统和方法来控制喷射到燃烧系统中的燃料-空气混合物的速度。也就是说，通过两个同轴结构而保持预先确定的有效流动面积，所述同轴结构形成已知的有效流动面积的环带，燃料-空气混合物传送通过其中。
现在将参照图2-5论述本发明。图2中描述了本发明在其中运行的燃气涡轮燃烧系统200的实施例。燃烧系统200为多级燃烧系统的示例，并且围绕纵向轴线A-A延伸且包括大体圆柱形流动套管202，以沿着大体圆柱形且同轴的燃烧衬套204的外表面引导预先确定的量的压缩机空气。燃烧衬套204具有入口端206和相对的出口端208。燃烧系统200还包括成组的主燃料喷射器210，其定位在燃烧衬套204的径向外侧且在流动套管202的上游端附近。所述成组的主燃料喷射器210引导受控制的量的燃料进入经过的空气流，以提供用于燃烧系统200的燃料-空气混合物。
对于图2中显示的本发明的实施例，主燃料喷射器210位于燃烧衬套204的径向外侧并且围绕燃烧衬套204以环形阵列分布。主燃料喷射器210分成两级，其中第一级围绕燃烧衬套204延伸大约120度，而第二级围绕燃烧衬套204延伸其余的环形部分或大约240度。主燃料喷射器210的第一级用来产生主1火焰，而主燃料喷射器210的第二级产生主2火焰。
燃烧系统200还包括燃烧器穹顶组件212，如图2和3中显示，其包围燃烧衬套204的入口端206。更具体而言，穹顶组件212具有外部环形壁214，其从所述成组的主燃料喷射器210附近延伸到大体半球形帽216，大体半球形帽216定位在燃烧衬套204的入口端206前面一距离。穹顶组件212通过半球形帽216转向且通过穹顶组件内壁218延伸到燃烧衬套204中达一距离。
由于燃烧器穹顶组件212以及燃烧衬套204的几何结构，一系列通路形成于燃烧器穹顶组件212和燃烧衬套204的部分之间。第一通路220形成于外部环形壁214和燃烧衬套204之间。参照图3，第一通路220的大小从所述成组的主燃料喷射器210附近的第一径向高度H1渐缩到第二通路222处的较小的高度H2。第一通路220成角度地渐缩，以使流在位置H2处加速到目标阈值速度，以提供足够的逆燃裕度。也就说说，当燃料-空气混合物的速度足够高，如果在燃烧系统中出现逆燃，则通过第二通路的燃料-空气混合物的速度将阻止火焰保持在这个区域中。
第二通路222形成于外部环形壁214的圆柱形部分和燃烧衬套204之间，在燃烧衬套的入口端206附近，并且与第一通路220处于流体连通。第二通路222形成于两个圆柱形部分之间，并且具有在燃烧衬套204的外表面和外部环形壁214的内表面之间测量的第二径向高度H2。燃烧器穹顶组件212还包括第三通路224，其也是圆柱形且定位在燃烧衬套204和内壁218之间。第三通路具有第三径向高度H3，并且与第二通路一样，由两个圆柱形壁(即燃烧衬套204和穹顶组件内壁218)形成。
如上面所论述，第一通路220渐缩成第二通路222，第二通路222本质上大体为圆柱形。第二径向高度H2用作限制区域，燃料-空气混合物必须传送通过其中。径向高度H2被调整且借助于其几何结构在部件之间保持一致，因为其由两个圆柱形(即不渐缩)表面控制，如图3中显示。也就是说，通过使用圆柱形表面作为限制流区域，提供了更好的尺寸控制，因为与渐缩表面相比，可实现更精确的加工技术和控制圆柱形表面的加工公差。例如，将圆柱形表面的公差保持在+/-0.001英寸内在标准加工能力之内。
使用第二通路222和第三通路224的圆柱形几何结构提供了更有效的方式来控制和调整有效的流动面积，并且控制有效的流动面积允许燃料-空气混合物保持在预先确定且已知的速度。由于能够调整混合物的速度，速度可保持在足够高的速率，以确保火焰的逆燃不出现在穹顶组件212中。
表达图2-4B中显示的这些关键通路几何结构的一个这种方式是通过第二通路高度H2相对于第三通路高度H3的转向半径比。也就说说，最小高度相对于燃烧入口区域的高度的比。例如，在本文描述的本发明的实施例中，H2/H3的比为大约0.32。这个纵横比控制位于衬套附近的被截留的(trapped)再循环和稳定旋涡的大小，这影响整体燃烧器稳定性。例如，对于图2和3中显示的实施例，使用这个几何结构容许第二通路中的燃料-空气混合物的速度保持在大约40-80米/秒的范围内。但是，该比可取决于期望通路高度、燃料-空气混合物质量流率和燃烧器速度而改变。对于公开的燃烧系统，H2/H3的比的范围可为大约0.1至大约0.5。更具体而言，对于本发明的实施例，第一径向高度H1的范围可为大约15毫米至大约50毫米，而第二径向高度H2的范围可为大约10毫米至大约45毫米，而第三径向高度H3的范围可为大约30毫米至大约100毫米。
如上面所论述，燃烧系统还包括第四通路226，其具有第四高度H4，其中第四通路226位于燃烧衬套的入口端206和半球形帽216之间。如可从图3看到的那样，第四通路226定位在半球形帽216内，其具有沿着从衬套的入口端206到半球形帽216的相交位置的距离测量的第四高度。因而，第四高度H4大于第二径向高度H2，但是第四高度H4小于第三径向高度H3。第二、第三和第四通路的这个相对高度构造容许燃料-空气混合物得到控制(在H2处)，通过半球形帽216转向(在H4处)和进入燃烧衬套204(在H3处)，以便确保燃料-空气混合物速度足够高，使得燃料-空气混合物保持附连到穹顶组件212的表面上，因为脱开或分开的燃料-空气混合物可提供可能的条件来在逆燃的情况下支持火焰。
如可从图3看到的那样，至少部分地由于外部环形壁214的形状的原因，第一通路220的高度渐缩。更具体而言，第一通路220在所述成组的主燃料喷射器210附近的区域处具有最大高度，而在第二通路附近的区域处具有最小高度。在图4A和4B中更详细地显示具有上面描述的通路几何结构的穹顶帽组件212的备选实施例。
转向图5，公开了一种控制燃气涡轮燃烧器的燃料-空气混合物的速度的方法500。方法500包括步骤502：引导燃料-空气混合物通过位于燃烧衬套的径向外侧的第一通路。然后，在步骤504，燃料-空气混合物被引导离开第一通路且进入第二通路，第二通路也位于燃烧衬套的径向外侧。在步骤506，燃料-空气混合物被引导离开第二通路且进入半球形穹顶帽216所形成的第四通路。因此，燃料-空气混合物反转其流方向，以便现在被引导到燃烧衬套中。然后，在步骤508，燃料-空气混合物被引导通过位于燃烧衬套内的第三通路，使得燃料-空气混合物向下游传送到燃烧衬套中。
如本领域技术理解，燃气涡轮发动机典型地结合多个燃烧器。大体上，为了论述，燃气涡轮发动机可包括低排放燃烧器，诸如本文公开的那些，并且可围绕燃气涡轮发动机布置成罐-环形构造。一个类型的燃气涡轮发动机(例如，重型燃气涡轮发动机)可典型地设有但不限于六个至十八个单独的燃烧器，其中各个装配有上面所述的构件。因此，基于燃气涡轮发动机的类型，可存在若干不同的用于运行燃气涡轮发动机的燃料回路。图2和3中公开的燃烧系统200为多级预混合燃烧系统，基于发动机的负载，其包括四个燃料喷射级。但是，设想到具体燃料回路和相关联的控制机构可被修改，以包括更少或额外的燃料回路。
虽然关于当前所知的优选的实施例而描述了本发明，但是要理解，本发明不限于公开的实施例，而是相反，其意图覆盖在所附权利要求的范围内的各种修改和等效布置。已经关于特定实施例描述了本发明，其在各方面意图为说明性的，而非限制性的。
根据前述内容，将看到，本发明非常适合获得上面阐述的所有目的和目标，以及对于系统和方法显而易见和固有的其它优点。将理解，某些特征和子组合是有用的，并且可在不参照其它特征和子组合的情况下采用。这由权利要求的范围设想且在权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种燃气涡轮燃烧器(200)，包括：
大体圆柱形流动套管(202)，其沿着燃烧器轴线(A-A)延伸；
大体圆柱形燃烧衬套(204)，其定位成与所述流动套管(202)同轴且沿径向在所述流动套管(202)内，所述衬套(204)具有入口端(206)和相对的出口端(208)；
成组的主燃料喷射器(210)，其定位在所述燃烧衬套(204)的径向外侧且在所述流动套管(202)的上游端附近；以及
燃烧器穹顶组件(212)，其包围所述燃烧衬套(204)的入口端(206)，所述穹顶组件(212)从所述成组的主燃料喷射器(210)附近延伸到定位在所述燃烧衬套(204)的入口端(206)前面一距离的大体半球形帽(216)且转向而延伸到所述燃烧衬套(204)中达一距离，使得第一通路(220)和第二通路(222)形成于所述燃烧衬套(204)和穹顶组件(212)外壁(214)之间，而第三通路(224)形成于所述燃烧衬套(204)和穹顶组件(212)内壁(218)之间；
其中所述第一通路(220)具有第一径向高度(H1)，所述第二通路(222)具有第二径向高度(H2)而所述第三通路(224)具有第三径向高度(H3)，使得所述第二径向高度(H2)调整进入所述燃气涡轮燃烧器(200)的燃料-空气混合物的量，所述第二径向高度(H2)与所述第三径向高度(H3)的比为0.1至0.5，以产生被截留的旋涡而锚定和稳定所述燃气涡轮燃烧器(200)中的火焰。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮燃烧器(200)，其特征在于，所述第二和第三通路(222，224)为圆柱形。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮燃烧器(200)，其特征在于，进一步包括第四通路(226)，其具有在所述燃烧衬套(204)的入口端(206)和所述燃烧器穹顶组件(212)之间测量的第四高度(H4)。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮燃烧器(200)，其特征在于，所述第一通路(220)朝所述第二通路(222)渐缩，以使所述燃料-空气混合物加速而实现足够的逆燃裕度速度，并且/或者所述第一通路(220)在所述成组的主燃料喷射器(210)附近的区域处具有最大高度。
5.根据权利要求1所述的燃气涡轮燃烧器(200)，其特征在于，所述第一径向高度(H1)的范围为15毫米至50毫米，所述第二径向高度(H2)的范围为10毫米至45毫米，并且/或者所述第三径向高度(H3)的范围为30毫米至100毫米。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮燃烧器(200)，其特征在于，燃料-空气混合物朝所述穹顶组件(212)传送通过所述第一和第二通路(220，222)，所述燃料-空气混合物在所述穹顶组件(212)中转向，向下游传送通过所述第三通路(224)且进入所述燃烧衬套(204)。
7.一种用于燃气涡轮燃烧器(200)的穹顶组件(212)，包括：
环形的半球形帽(216)，其围绕所述燃气涡轮燃烧器(200)的轴线(A-A)延伸；
外部环形壁(214)，其固定到所述帽(216)的径向外侧部分上且从所述径向外侧部分大体沿轴向向后延伸，所述外部环形壁(214)具有圆柱形部分和圆锥形部分，其中所述外部环形壁的圆锥形部分的第一端具有第一径向高度(H1)，所述圆锥形部分的第二端具有第二径向高度(H2)；以及
内部环形壁(218)，其固定到所述帽(216)的径向内侧部分上且从所述径向内侧部分沿轴向向后延伸，所述内部环形壁(218)具有圆柱形横截面，所述圆柱形横截面具有第三径向高度(H3)；
其中所述第二径向高度(H2)与所述第三径向高度(H3)的比为0.1至0.5，以产生被截留的旋涡而锚定和稳定所述燃气涡轮燃烧器(200)中的火焰，以及
其中所述穹顶组件(212)构造成包围燃烧衬套(204)的入口端(206)。
8.根据权利要求7所述的穹顶组件(212)，其特征在于，所述外部环形壁(214)的圆柱形部分与所述内部环形壁(218)的圆柱形部分同轴。
9.根据权利要求7所述的穹顶组件(212)，其特征在于，所述外部环形壁(214)的圆锥形部分延伸到燃烧器(200)的成组的主级燃料喷射器(210)附近。
10.一种用于控制燃气涡轮燃烧器(200)的速度燃料-空气混合物的方法，包括：
引导燃料-空气混合物通过第一通路(220)，所述第一通路(220)位于燃烧衬套(204)的径向外侧；
引导所述燃料-空气混合物离开所述第一通路(220)进入第二通路(222)中，所述第二通路(222)位于所述燃烧衬套(204)的径向外侧，所述第二通路(222)具有第二径向高度(H2)；
引导所述燃料-空气混合物离开所述第二通路(222)进入半球形穹顶帽(216)中的第四通路(226)，从而使所述燃料-空气混合物反转流向；以及
引导所述燃料-空气混合物通过位于所述燃烧衬套(204)内的第三通路(224)且进入所述燃烧衬套(204)，所述第三通路(224)具有第三径向高度(H3)，
其中所述第二径向高度(H2)与所述第三径向高度(H3)的比为0.1至0.5，以产生被截留的旋涡而锚定和稳定所述燃气涡轮燃烧器(200)中的火焰。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一通路(220)具有朝所述第二通路(222)渐缩的圆锥形横截面，所述第二通路(222)具有圆柱形横截面，并且/或者所述第三通路(224)具有圆柱形横截面。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二通路(222)在所述第一、第二和第三通路(220，222，224)之间包含最小横截面积。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述燃烧衬套(204)的壁形成所述第一、第二和第三通路(220，222，224)的一部分。
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