CN104769363A - 用于多级燃烧器的分流器机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于改变通往燃气涡轮燃烧系统的空气流的新颖设备和方法。该设备包括分流器机构，分流器机构将包围燃烧衬套的空气流分成两个不同的部分，一个部分引导向母火，并且一个部分引导向主级燃烧。分流器机构是可互换的，以便提供改变燃烧系统的各级之间的空气流划分的方法。

Description

用于多级燃烧器的分流器机构
技术领域
本发明大体涉及用于将预定空气流引导到多级燃气涡轮燃烧系统中的设备和方法。更特别地，可互换的板定位在燃烧过程外部的空气流径内，以在主燃烧器级和母火(pilot)级之间划分空气流。
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。扩散型喷嘴产生高排放，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。
一种燃烧技术改进是使燃料和空气在燃烧之前预混合，形成均匀混合物的概念，混合物在比扩散型火焰更低的温度下燃烧，并且从而产生较低的NOx排放。预混合可在燃料喷嘴的内部或外部进行，只要它在燃烧区的上游即可。在图1中显示现有技术的预混合燃烧器的示例。燃烧器100具有多个燃料喷嘴102，它们各自将燃料喷射到预混合腔体104中，在那里，燃料与来自稳压室108的压缩空气106混合，然后进入燃烧室110。在燃烧之前将燃料和空气预混合在一起允许燃料和空气形成较均匀的混合物，当点燃时，混合物将较完全地燃烧，从而产生较低的排放。但是，在这个构造中，燃料相对而言在燃烧器的同一平面上喷射，而且防碍通过改变混合长度来进行改进的任何可能性。
可通过利用多个燃烧级来实现预混合燃烧和空气以及实现减少的排放的备选手段。为了提供具有多个燃烧级的燃烧器，混合且燃烧而形成热燃烧气体的燃料和空气还必须分级。通过控制传送到燃烧系统中的燃料和空气的量，可控制可用功率和排放。燃料可通过燃料系统内的一系列阀或通往特定燃料喷射器的专用燃料回路来分级。但是，考虑到发动机压缩机会供应大量空气，空气可能难以分级。实际上，由于燃气涡轮燃烧系统的一般设计，如图1中显示的那样，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，并且因此不可轻易地调节。
发明内容
本发明公开一种用于控制引导到多级燃烧系统中的空气流的量的设备和方法。更特别地，在本发明的实施例中，提供一种分流器机构，其包括定位成围绕燃烧衬套的环形板，环形板具有第一多个开口和第二多个开口，第一多个开口用于调整通往燃烧系统的主级的空气流，而第二多个开口则定位在第一多个开口的径向外侧，并且调整通往燃烧系统的母火级的空气流。分流器机构固定到燃气涡轮燃烧系统上，使得其可在现场被移除和更换，从而改变对燃烧系统的空气流分配。
在本发明的备选实施例中，提供多级燃烧系统，其中，在燃烧衬套的外部调整通往燃烧系统的多个级的空气流。燃烧系统包括包围燃烧衬套的流动套管和用于将空气流引导到母火级和主燃烧级中的分流器机构，以及从分流器机构延伸向燃烧衬套的入口的圆柱形流隔离器。
在本发明的又一个实施例中，公开一种改变燃烧系统的多个级之间的空气流分配的方法。该方法包括：提供燃烧系统，燃烧系统具有能够在燃烧器的两个级之间划分空气流的第一分流器机构；移除燃烧系统的一部分，以便接近第一分流器机构；移除第一分流器机构且用第二分流器机构代替它，第二分流器机构具有与第一分流器机构不同的空气流特性。然后重新安装燃烧系统的被移除的部分，并且发动机恢复运行。
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
在下面参照附图详细地描述本发明，其中：
图1是现有技术的燃气涡轮发动机和燃烧系统的一部分的横截面。
图2是根据本发明的实施例的燃气涡轮燃烧器的横截面。
图3是燃气涡轮燃烧器的横截面，其描绘根据本发明的实施例的图2的燃烧器的多个运行级。
图4是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透视图。
图5是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横截面。
图6是根据本发明的实施例的图4的燃气涡轮燃烧器的横截面图。
图7是根据本发明的实施例的分流器机构的端视图。
图8是根据本发明的实施例的图7的可变流量计量板的局部横截面图。
图9是描绘根据本发明的实施例的改变通往燃烧系统的空气流的过程的流程图。
具体实施方式
以引用的方式，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.7,677,025的主题。
本发明公开一种调整和调节通往燃气涡轮燃烧系统的多个级的空气流分配的设备和方法。也就是说，公开的本发明的实施例提供用于将空气流分配到燃烧器级，以及在确定通往燃烧系统的一个或多个级的空气流水平应当改变时，改变通往燃烧系统的空气流的手段。
现在将关于图2-8来论述本发明。在图2中描绘本发明在其上运行的燃气涡轮燃烧系统200的实施例。燃烧系统200是多级燃烧系统的示例。燃烧系统200围绕纵向轴线A-A延伸，并且包括用于沿着燃烧衬套204的外表面引导预定量的压缩机空气的流动套管202。然后，压缩机空气传送通过分流器机构206，之后空气的一部分与来自主燃料喷射器208的燃料混合。在下面更详细地论述分流器机构206。离开空气分流器机构206的流的分开部分保持分开，这是因为有大体圆柱形流隔离器210，其从分流器机构206延伸，并且向前延伸向燃烧衬套204的入口端212。
燃烧系统200还包括定位在燃烧衬套204的入口端212附近的穹顶214。穹顶214具有半球形横截面形状，使得当空气流的一部分遇到穹顶214时，穹顶214使空气流倒转方向且进入燃烧衬套204。
燃烧系统200还包括沿径向分级的预混合器216，预混合器216具有端盖218，端盖218具有围绕燃烧系统200的纵向轴线A-A延伸的第一燃料稳压室220和定位在第一燃料稳压室220的径向外侧且与第一燃料稳压室220同心的第二燃料稳压室222。沿径向分级的预混合器216还包括具有多个导叶226的径向进流旋流器224。
大体沿着纵向轴线A-A延伸的母火燃料喷嘴228用于对燃烧系统提供母火火焰且保持该母火火焰。母火火焰用来点燃、支持和保持由主燃料喷射器208的多个级产生的主燃烧火焰。
本领域技术人员理解的是，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诸如本文公开的那些的低排放燃烧器，并且可布置成围绕燃气涡轮发动机的罐-环形构造。一种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)六至八个单独的燃烧器，它们中的各个都装配有上面描绘的构件。因此，基于燃气涡轮发动机的类型，可存在用于运行燃气涡轮发动机的若干不同的燃料回路。图2和3中公开的燃烧系统200是多级预混合燃烧系统，基于发动机的载荷，其包括四个燃料喷射级。但是，设想到可修改特定燃料回路和相关联的控制机构，以使其包括更少或额外的燃料回路。
母火燃料喷嘴228连接到燃料供应(未显示)上，并且对燃烧系统200提供燃料，以对母火火焰250进行供应，其中，母火火焰250大体沿着纵向轴线A-A定位。沿径向分级的预混合器216包括燃料稳压室220和222、径向进流旋流器224及其多个导叶226，沿径向分级的预混合器216通过导叶226提供燃料-空气混合物，以通过母火调谐级或P调谐部252将额外的燃料供应到母火火焰250。
如上面论述的那样，燃烧系统200还包括主燃料喷射器208。对于图2中显示的本发明的实施例，主燃料喷射器208定位在燃烧衬套204的径向外侧，并且围绕燃烧衬套204以环形排列分布。主燃料喷射器208分成两个级，第一级围绕燃烧衬套204延伸大约120度，并且第二级围绕燃烧衬套204延伸其余的环形部分，或者延伸大约240度。主燃料喷射器208的第一级用来产生主1火焰254，而主燃料喷射器208的第二级则产生主2火焰256。
如上面论述的那样，本发明提供用于调整和划分供应到燃烧衬套204的不同部分的压缩空气量的分流器机构206。在图4和6-8中详细显示根据本发明的实施例的分流器机构206。分流器机构206包括环形板230，环形板230定位成围绕燃烧衬套204，并且构造成在母火级250/母火调谐级252和主1燃烧级254和主2燃烧级和256之间划分经过的空气流。对于图4和6-8中显示的本发明的实施例，环形板230具有中心开口232、外边缘234和定位成围绕中心开口232的第一多个开口236。如可从图7中看出的那样，第一多个开口236具有大体长方形横截面，并且从相邻的中心开口232沿径向向外延伸。虽然第一多个开口可为不同的形状，但沿径向定向的大体长方形横截面开口最大程度地增加环形板230的材料的可用流面积。此外，对于图4和6-8中显示的本发明的实施例，用于产生主燃烧火焰(主1和/或主2)的传送压缩空气传送通过第一多个开口236，第一多个开口236优选与对应的主级混合导叶(未显示)对齐。
回头参照图7，环形板230进一步包括定位在第一多个开口236的径向外侧的第二多个开口238。第二多个开口238调整传送到对母火火焰250和母火调谐级252供应空气且支持母火火焰250和母火调谐级252的通道中的冷却空气量。第二多个开口238可具有定向成以便沿径向向外延伸的大体长方形或圆形横截面。对于图7中描绘的环形板230的实施例，第二多个开口238沿周向偏离第一多个开口236，但第一和第二多个开口也可处于径向对齐。但是，如上面关于第一多个开口236所论述的那样，第二多个开口238也可在大小和形状上有所改变，这取决于空气流要求和环形板230中的可用面积。
环形板230的构造大体是平板，具有在确定流划分时应当考虑的标称厚度。本发明提供一种手段，以便将在设计阶段中将厚度考虑为不同参数，并且因而本发明不局限于特定的厚度范围。
第一多个开口236和第二多个开口238的大小和形状取决于多种条件，除了别的之外，诸如燃烧系统的大小、期望的燃料-空气混合水平，以及通往燃烧系统的各级的所需空气流。因此，开口236和238的形状及其对应的有效流面积将改变。在一个实施例中，构想到传送通过分流器机构206的压缩空气的大约60%被引导通过第一多个开口236，压缩空气的其余的大约40%被引导通过第二多个开口238。在本发明的备选实施例中，比附图中显示的那些更少或更多的开口可位于环形板中，诸如用以进一步增加有效流面积的弧形开口。
如上面论述的那样，并且回头参照图2，空气以分开的部分离开流分流器机构206。空气流部分保持分开，这是因为大体圆柱形流隔离器210，其从分流器机构206延伸，并且向前延伸向燃烧衬套204的入口端212。
回头参照图7，分流器机构206的环形板230进一步包括位于外边缘234附近的第三多个开口240。不是调整空气流，第三多个开口240而是用来恰当地使分流器机构206定向和固定在燃烧系统200上。分流器机构206通过可移除紧固器(未显示)固定到燃烧系统200上。
如可从图2和5中看出的那样，分流器机构206沿轴向定位在流动套管202的凸缘和主喷射器208之间，使得分流器机构206的环形板230基本夹在燃烧系统200的相邻构件之间。用于固定分流器机构206的紧固器207穿过第三多个开口240，并且接合流动套管202中的开口。
如上面简要地提到的那样，燃烧系统200包括具有半球形形状的穹顶214。穹顶214提供用于使传送通过分流器机构206的空气流的一部分倒转的手段。更特别地，传送通过第一多个开口236的空气的第一部分在燃烧衬套的外部时，刚开始沿着燃烧衬套204的外壁204A传送，然后由于穹顶214的原因，倒转方向，并且沿着燃烧衬套204的内壁204B传送。压缩空气的传送通过第二多个开口238的部分当在燃烧衬套204的外侧时，刚开始在压缩空气的第一部分的径向外侧传送，然后一旦在燃烧衬套204的内部，该部分就定位在压缩空气的这个第一部分的径向内侧。虽然穹顶214用来对压缩空气的传送通过第一多个开口236的部分提供流倒转机构，但是传送通过第二多个开口238的一部分空气由于传送通过径向进流旋流器224而倒转流向进入到燃烧衬套204中。
除了能够调整传送到燃烧系统的各个相应的回路中的压缩空气量之外，本发明还提供修改或调节燃烧系统的多个级之间的空气流分配的方法。参照图9，提供用于改变对燃烧系统200的空气流分配的过程900。刚开始，在步骤902中，提供具有第一分流器机构的燃烧系统。这个燃烧系统和第一分流器机构类似于前面描述的那个。然后，在步骤904中，确定需要改变通往燃烧系统的空气流。可根据多种因素来作出此确定，除了别的之外，诸如排放水平、燃烧噪声和停机。
一旦已经确定必须改变母火级和主燃烧级之间的空气流划分，为了接近分流器机构，在步骤906中移除盖、穹顶、主燃料喷射器和母火燃料喷嘴。一旦已经移除这些构件，就可接近分流器机构。然后，在步骤908中，移除将分流器机构固定到燃烧系统上的紧固器，并且在步骤910中，移除第一分流器机构。
在步骤912中，将第二分流器机构置于燃烧系统中。第二分流器机构不同于第一分流器机构，因为与第一分流器机构中的第一多个开口和/或第二多个开口和有效流面积相比，第二分流器机构中的第一多个开口和/或第二多个开口中的至少一个在大小上有所不同，以便改变第二分流器机构的整体有效流面积。因此，存在多个可行的变化组合，而且当从第一分流器机构切换到第二分流器机构时，可形成这样的组合。
在步骤914中，第二分流器机构安装(clock)在燃烧系统上且使用紧固器来固定到燃烧系统上，如上面论述的那样。一旦第二分流器机构已经固定到燃烧系统上，在步骤916中将盖、穹顶、主燃料喷射器和母火喷嘴固定到燃烧系统上。
在重新安装好所有燃烧硬件、燃料管线和之前移除的任何其它硬件之后，可使用现有的控制程序来重新启动燃气涡轮发动机。也就是说，对通往燃烧系统的空气流的改变全部都是硬件变化，使得对软件在空气流变化方面需要作出较小的改变，或者不作改变。考虑到已改变的空气流构造，为了确保保持遵守排放，可能需要稍微改变燃料安排。如果在另外的运行和分析之后，确定必须进一步改变燃烧系统的空气流划分，则可重复上面描绘的过程，并且用另一个分流器机构代替第二分流器机构。
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，其意图整体为说明性的，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 (19)

1. 一种分流器机构，包括环形板，所述环形板定位成围绕燃烧衬套，以将空气流分成燃气涡轮燃烧器的母火级和主燃烧级，所述环形板具有中心开口、外边缘、定位成围绕所述中心开口的第一多个开口、定位在所述第一多个开口的径向外侧的第二多个开口，以及位于所述外边缘附近的第三多个开口，其中，所述第一多个开口和第二多个开口在大小上设置成调整预定量的空气流且引导其通过所述燃气涡轮燃烧器的多个级。
2. 根据权利要求1所述的分流器机构，其特征在于，所述第二多个开口沿周向偏离所述第一多个开口。
3. 根据权利要求1所述的分流器机构，其特征在于，用于产生主级燃烧火焰的压缩空气传送通过所述环形板中的所述第一多个开口。
4. 根据权利要求3所述的分流器机构，其特征在于，用于产生和支持母火火焰的压缩空气传送通过所述环形板中的所述第二多个开口。
5. 根据权利要求1所述的分流器机构，其特征在于，所述分流器机构进一步包括与所述环形板同环形地延伸且垂直于所述环形板的流隔离器。
6. 根据权利要求1所述的分流器机构，其特征在于，所述第三多个开口用来将所述分流器机构安装和固定到所述燃气涡轮燃烧器上。
7. 根据权利要求1所述的分流器机构，其特征在于，所述第一多个开口与对应的主级混合导叶对齐。
8. 一种用于将来自燃烧衬套外部的预定量的压缩空气引导到所述燃烧衬套内的多个级的多级燃烧系统，所述燃烧系统包括：包围所述燃烧衬套的流动套管；沿轴向定位在所述流动套管和主喷射器之间的分流器机构，所述分流器机构包括环形板，所述环形板定位成围绕所述燃烧衬套，以将在所述流动套管和所述燃烧衬套之间传送的空气流分成第一部分和第二部分，所述环形板具有中心开口、外边缘、定位成围绕所述中心开口的第一多个开口、定位在所述第一多个开口的径向外侧的第二多个开口、位于外边缘附近的第三多个开口；以及从所述环形板延伸向所述燃烧衬套的入口端的圆柱形流隔离器；其中，在所述燃烧衬套的外壁和所述流动套管之间传送的压缩空气分成两个部分，第一部分被引导通过所述第一多个开口，并且第二部分被引导通过所述第二多个开口，所述第一部分将压缩空气供应到主级燃烧，并且所述第二部分将空气供应到母火级。
9. 根据权利要求8所述的分流器机构，其特征在于，所述分流器机构进一步包括穹顶，所述穹顶具有半球形部分，所述半球形部分使压缩空气的所述第一部分的流向倒转。
10. 根据权利要求9所述的分流器机构，其特征在于，当在所述燃烧衬套的外部时，压缩空气的所述第一部分沿着所述燃烧衬套的外壁传送，并且在遇到所述穹顶之后沿着所述燃烧衬套的内壁传送。
11. 根据权利要求10所述的分流器机构，其特征在于，当在所述燃烧衬套的外部时，压缩空气的所述第二部分在压缩空气的所述第一部分的径向外侧传送，而当在所述燃烧衬套的内部时，在压缩空气的所述第一部分的径向内侧传送。
12. 根据权利要求8所述的分流器机构，其特征在于，所述第一多个开口与对应的主级混合导叶处于空气流对齐。
13. 根据权利要求8所述的分流器机构，其特征在于，所述分流器机构使用所述第三多个开口来固定到所述燃烧系统上。
14. 根据权利要求13所述的分流器机构，其特征在于，所述分流器机构在与周围的燃烧硬件和将所述分流器机构固定到所述燃烧系统上的紧固器脱开之后是可互换的。
15. 一种改变燃烧系统的多个级之间的空气流分配的方法，包括：提供燃烧系统，所述燃烧系统具有第一分流器机构，其中，用于燃烧的压缩空气被环形板分成第一部分和第二部分，所述环形板具有第一多个开口和第二多个开口；从所述燃烧系统中移除盖、穹顶、主燃料喷射器和母火喷嘴；移除将所述第一分流器固定到所述燃烧系统上的紧固器；移除所述第一分流器；将第二分流器置于所述燃烧系统上，所述第二分流器具有第一多个开口和第二多个开口，其中，所述第二分流器的所述第一多个开口或所述第二多个开口中的至少一个不同于所述第一分流器的所述第一多个开口或第二多个开口；将所述第二分流器固定到所述燃烧系统上；以及将所述盖、穹顶、主燃料喷射器和母火喷嘴固定到所述燃烧系统上，使得所述第二分流器沿轴向定位在所述主燃料喷射器的凸缘和流动套管之间。
16. 根据权利要求15所述的分流器机构，其特征在于，所述第二分流器中的所述第二多个开口具有的有效流面积大于所述第一分流器中的所述第二多个开口的有效流面积。
17. 根据权利要求15所述的分流器机构，其特征在于，所述第二分流器中的所述第二多个开口具有的有效流面积小于所述第一分流器中的所述第二多个开口的有效流面积。
18. 根据权利要求15所述的分流器机构，其特征在于，所述第二分流器中的所述第一多个开口具有的有效流面积大于所述第一分流器中的所述第一多个开口的有效流面积。
19. 根据权利要求15所述的分流器机构，其特征在于，所述第二分流器中的所述第一多个开口具有的有效流面积小于所述第一分流器中的所述第一多个开口的有效流面积。
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