CN108431503A - 用于燃气轮机的燃烧器 - Google Patents

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CN108431503A CN201680075991.7A CN201680075991A CN108431503A CN 108431503 A CN108431503 A CN 108431503A CN 201680075991 A CN201680075991 A CN 201680075991A CN 108431503 A CN108431503 A CN 108431503A
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Abstract

本发明涉及一种用于燃气轮机的燃烧器(100)，包括：预燃烧室(101)、旋流器(103)、位于预燃烧室(101)上游的引燃器(110)，其包括将引燃器(110)与预燃烧室(101)分开的引燃器表面(111)，引燃器(110)还包括至少一个引燃燃料喷射器(112)，其中燃烧器(100)包括在预燃烧室(101)中从引燃器表面(111)延伸的凸缘(150)，凸缘包括朝向引燃燃料喷射器(112)定向的内表面(151)，内表面(151)相对于预燃烧室(101)的中心轴线(35)以一个倾斜角度(θ)倾斜，该倾斜角度在0度和90度之间，并且凸缘(150)包括至少一个供料通道(155)，用于将内表面(151)与来自旋流器(103)的氧化剂气体流(F)连接。

Description

用于燃气轮机的燃烧器
技术领域
本发明涉及用于燃气轮机的燃烧器。
背景技术
在此技术领域中，燃烧器总体上包括主燃烧室和在主燃烧室上游的预燃烧室。预燃烧室包括具有旋流器的旋流器部分，主燃料流通过该旋流器而被提供。在旋流器中，主燃料与包含氧化剂(例如空气)的不可燃气体流混合。主燃料流和不可燃气体流经由旋流器关于燃烧器的中心轴线、以大致切线的方向，被喷射到燃烧器的预燃烧室中。
引燃燃料还被喷射到预燃烧室中，以用于控制主燃料在其中燃烧的燃烧器火焰。引燃燃料通常由引燃器大致按照平行于燃烧器的中心轴线的方向喷射。
引燃燃料通过布置在引燃器表面(即，把引燃器与预燃烧室分开的表面)上的多个引燃燃料喷射器，从引燃器喷射到预燃烧室中。主燃料和引燃燃料是气体燃料。液体燃料喷射也可以被提供在旋流器上和引燃器上的相似位置。
引燃燃料的燃烧通过首先将氧化剂(例如空气)与引燃器中的燃料混合在一起来实现。
在已知的解决方案中，喷射的引燃燃料在预燃烧室内部、靠近引燃器表面产生扩散火焰。这样带来的主要缺点在于：使引燃器表面局部温度升高，从而缩短了引燃器的寿命周期。
因此，期望提供对上述燃烧器的新设计，特别是在引燃器和预燃烧室之间的接口处的新设计，从而限制引燃器表面的温度同时又不影响燃烧器的总体效率。在燃烧器内部，防止出现高温区域对减少总氮氧化物(NOx)排放也有积极作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决在已知燃烧器中存在的上述不便的燃烧器。
本发明的另一个目的是提供一种在预燃烧室内的气体混合物具有适当的燃料分布的燃烧器，以防止出现不期望的高温区域。
本发明的另一个目的是提供一种燃烧室，其经受高温部件、特别是引燃器寿命周期延长。
该目的通过根据独立权利要求的一种用于燃气轮机的燃烧器来解决。从属权利要求描述了本发明的有利的改进和修改。
根据本发明的一个方面，提出了一种用于燃气轮机的燃烧器。燃烧器包括：
一个预燃烧室，
一个旋流器，该旋流器连接到预燃烧室，用于为预燃烧室提供氧化剂气体流。旋流器关于预燃烧室的轴线沿周向方向而被布置在预燃烧室周围，
在预燃烧室上游的一个引燃器，该引燃器包括将引燃器与预燃烧室分开的一个引燃器表面。该引燃器还包括被布置到引燃器表面的至少一个引燃燃料喷射器，用于将引燃燃料喷射到预燃烧室中。
燃烧器包括在预燃烧室中从引燃器表面延伸的一个凸缘，该凸缘包括朝向引燃燃料喷射器定向的一个内表面，用于拦截来自引燃燃料喷射器的引燃燃料的至少一部分，所述内表面相对于预燃烧室的中心轴线以倾斜角度倾斜，该倾斜角度在0度和90度之间。凸缘包括一个或多个供料通道，用于将内表面与来自旋流器的氧化剂气体流连接。
燃烧器可以是环式燃烧器或罐式燃烧器。燃烧室可以具有柱形或椭圆的形状。燃烧室可以包括主燃烧室和具有旋流器部分的预燃烧室。预燃烧室的中心轴线可以是预燃烧室的对称线。在旋流器部分处，旋流器被安装到预燃烧室并且围绕预燃烧室中心轴线。
有利地，凸缘的倾斜定向将流引导离开引燃器表面并朝向预燃烧室的主燃烧区引导。通过供料通道喷射氧化剂气体增强了氧化剂气体与来自引燃燃料喷射器的引燃燃料的混合。结果，引燃器表面处的温度降低，达到更可接受的值，这延长了引燃器的寿命。
根据可能的实施例，倾斜角介于30°和60°之间被证明是特别有利的。
根据本发明的可能实施例，凸缘还包括朝向旋流器定向的一个外表面，用于拦截来自旋流器的氧化剂气体流的至少一部分，供料通道被设置在内表面和外表面之间。供料通道可以设置成多个，围绕中心轴线有规律地分布。外表面可以设置多个紊流器，用于在来自旋流器的氧化剂气体流的至少一部分中引起紊流。紊流器可以包括从外表面正交延伸的多个突起和/或具有从外表面向内表面延伸的深度的多个通道。突起可以包括与预燃烧室的中心轴线同心的环形边缘。
有利地，紊流器增强来自旋流器的氧化剂气体的紊流，以便与引燃燃料混合，其中引燃燃料从凸缘被排向预燃烧室内部。这产生了预混合的引燃，用于降低温度并因此降低NOx排放。
根据本发明的可能实施例，内表面和外表面在凸缘的端部处具有一个共同的后缘，引燃燃料和氧化剂气体都在该共同的后缘处与凸缘分离。后缘可以具有围绕预燃烧室的中心轴线的圆形轮廓。后缘可以具有波浪形轮廓。
有利地，凸缘的端部的上述设计改善了紊流和流动空气动力学。压力损失也可以降低。
根据本发明的其他实施例，内表面具有翼型形状。有利地，这改善了紊流和流动空气动力学并且减少了压力损失。
根据本发明的进一步的实施例，凸缘被设置为在预燃烧室内部延伸的引燃器的罩的边缘。
有利地，这允许制造直接包括为本发明优化的凸缘的引燃器。
附图说明
以上定义的方面和本发明的其他方面从下文将描述的实施例的示例中显而易见，并且参照实施例的示例进行解释。以下将参照实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于此。
图1示出了根据本发明的包括燃烧器的燃气涡轮发动机的纵向截面图，
图2示出了根据本发明示例性实施例的用于燃气轮机的燃烧器的局部纵向截面示意图，其示出了引燃器、预燃烧室和旋流器部分；
图3示出了根据本发明示例性实施例的旋流器的、根据图2的剖面线III-III的截面图；
图4示出了图2的细节IV的放大图；
图5示出了根据本发明示例性实施例的用于燃气轮机的燃烧器的局部剖视图，其部分示出了引燃器；
图6示出了图5的燃烧器的局部剖视图；
图7示出了根据本发明的燃气轮机的燃烧器的另一个实施例的对应于图6的截面图的局部截面图；
图8至图10示出了根据本发明的燃气轮机的燃烧器的其他相应实施例的对应于图5的局部轴测视图的三个局部轴测视图。
具体实施方式
附图中的说明是示意性的。应注意的是，在不同的附图中，相似的或相同的元件具有相同的附图标记。
图1以截面图示出了燃气涡轮发动机10的一个示例。燃气涡轮发动机10包括(按流动顺序)：入口12、压气机部分14、燃烧器部分16和涡轮机部分18，它们通常按流动顺序布置，并且通常围绕和沿着纵向或旋转轴线20的方向。燃气涡轮发动机10还包括轴22，该轴22可围绕旋转轴线20旋转并纵向延伸通过燃气涡轮发动机10。轴22将涡轮机部分18驱动地连接至压气机部分14。
在燃气涡轮发动机10的操作中，通过空气入口12吸入的空气24被压气机部分14压缩，并且被输送到燃烧部分或燃烧器部分16。
燃烧器部分16包括燃烧器增压室26以及一个或多个燃烧室28，每个燃烧室具有相应的上游预燃烧室101。燃烧器部分16还包括至少一个引燃器30，以及固定于每个预燃烧室101的旋流器部分31。预燃烧室101、燃烧室28、引燃器30和旋流器部分31位于燃烧器增压室26内部。穿过压气机14的压缩空气进入扩散器32，并从扩散器32排放进入燃烧器增压室26中，空气的一部分从燃烧器增压室26进入引燃器30并与气态或液态引燃燃料混合。然后将空气/燃料混合物燃烧，并将来自燃烧的燃烧气体34或工作气体通过燃烧室28经由过渡管道17引导至涡轮机部分18。
如在本文的下一部分中更详细的描述的，空气/燃料混合物的主流通过旋流器部分31进一步被添加到预燃烧室101中。主燃料当与预燃烧室101中和主燃烧室中的热气体混合时燃烧。该示例性的燃气涡轮发动机10具有管状的燃烧器部分装置，其由燃烧器罐19的环形阵列构成，每个燃烧器罐19具有引燃器30和燃烧室28，过渡管道17具有入口和出口，其中入口与燃烧室28对接并且大致为圆形，出口呈环形节段形式。过渡管道出口的环形阵列形成环形部分，以用于将燃烧气体引导至涡轮18。
涡轮机部分18包括附接到轴22的多个动叶承载盘36。在本示例中，两个盘36各自承载涡轮机动叶38的环形阵列。然而，动叶承载盘的数目可以不同，即，仅有一个盘，或者两个以上盘。另外，固定到燃气涡轮发动机10的定子42的导流静叶40设置在涡轮机动叶38的环形阵列的多个级之间。入口导流静叶44设置在燃烧室28的出口和前涡轮机动叶38之间，并且将工作气体流转向到涡轮机动叶38上。
来自燃烧室28的燃烧气体进入涡轮机部分18，并且驱动涡轮机动叶38，涡轮机动叶38继而旋转轴22。导流静叶40、44用于优化涡轮机动叶38上的燃烧气体或工作气体的角度。
涡轮机部分18驱动压气机部分14。压气机部分14包括轴向串接的静叶级46和转子动叶级48。转子动叶级48包括支撑动叶的环形阵列的转子盘。压气机部分14还包括壳体50，其围绕转子级并且支撑静叶级48。该导流静叶级包括安装到壳体50的径向延伸的静叶的环形阵列。静叶被设置为在给定的发动机操作点处以最佳角度为动叶提供气流。
一些导流静叶级具有可变静叶，其中，静叶围绕其自身纵向轴线的角度可以根据不同发动机运行条件下可能出现的空气流动特性而调整。
壳体50限定压气机14的通道56的径向外表面52。通道56的径向内表面54至少部分地由转子的转子鼓53限定，转子鼓53部分地由动叶48的环形阵列限定。
参照上述示例性涡轮发动机描述了本发明，该涡轮发动机具有连接单个多级压气机和单个一级或多级涡轮机的单个轴或轴筒。然而，应当理解的是，本发明同样适用于两轴或三轴发动机并且可以用于工业、航空或船舶应用。
除非另有说明，术语“上游”和“下游”是指气流和/或工作气体流过发动机的流动方向。当没有不同地指定时，术语轴向、径向和周向参照燃烧器的轴线35。
图2示出了用于燃气轮机的燃烧器100。燃烧器100具有中心轴线35并且包括：
-具有预燃烧室101和旋流器103的上游部分，
-具有燃烧室28的下游部分。
预燃烧室101、旋流器103和燃烧室28都围绕中心轴线35轴对称。关于中心轴线35，预燃烧室101的直径小于燃烧室28的直径。预燃烧室101和燃烧室28沿着中心轴线35彼此相邻并且彼此流体连通。在预燃烧室101的下游，燃烧室28向上延伸到过渡管道17。燃烧室28是常规的，并且因此没有进一步详细描述。
旋流器103以如下方式安装在预燃烧室101的周壁115上：使得旋流器103关于中心轴线35沿周向方向围绕预燃烧室101。旋流器103包括底表面104，其垂直于中心轴线35并且形成槽201(参见图3)的一部分，氧化剂/燃料混合物流F通常通过该槽201而可喷射到预燃烧室101中。
参照图3，旋流器103还包括具有与燃烧器中心轴线35重合的轴线的柱形外围表面119，旋流器103包括多个槽201(在图3的实施例中为12个槽)。每个槽201由周向间隔开的静叶203和底表面104形成。
流过槽201的氧化剂/燃料混合物相对于中心轴线35大致切向地导向。槽201的这种定向引起在预燃烧室101内的气体的旋流运动，即，在围绕中心轴线35的切向定向这一方向上运动。
每个槽201包括基部燃料喷射器107，基部燃料喷射器107被布置到底部表面104，使得空气/燃料混合物能够按照关于底部表面104正交或倾斜的主燃料喷射方向而喷射到槽201中。
另外，可以为旋流器103的柱形外围表面119上的一些槽201或所有槽201设置另外的侧燃料喷射器202。
在附图的实施例中，为每个槽201设置两个侧燃料喷射器202。
侧燃料喷射器202喷射另外的燃料。另外的燃料可以在槽201内与由基部燃料喷射器107喷射的燃料和氧化剂混合。侧燃料喷射器202呈孔的形式，喷射另外的气体燃料。
根据本发明的其他实施例，用于液体燃料喷射的雾化器或喷嘴设置在靠近旋流器静叶203的后缘的相同的槽201中。
在旋流器103和预燃烧室101的上游，燃烧器100还包括引燃器110，引燃器110包括燃烧器面111。特别地，燃烧器面111与底部表面104对齐或者基本上平行。引燃器110还包括围绕中心轴线35延伸的柱形护罩170，用于在引燃器110的周边界定边界。
引燃器110包括多个引燃燃料喷射器112，它们被设置在燃烧器面111上，用于将引燃燃料喷射到预燃烧室101中。在附图的实施例中，12个规则分布的侧引燃燃料喷射器112以30度间隔围绕中心轴线35周向地设置。引燃燃料喷射器112基本平行于中心轴线35定向。
引燃燃料形成分离层和火焰前缘105。由径向旋流器103引起的循环形成围绕中心轴线35的中心圆形区域，在其中燃烧引燃燃料(即氧化剂/燃料混合物)。这个中心区被称为反应区RZ。在中心反应区RZ周围，由旋流器103喷射氧化剂/燃料混合物。
如图4至图10所示，燃烧器100还包括在预燃烧室101中从引燃器表面111延伸的凸缘150。在周向方向上，凸缘150进一步围绕中心轴线35延伸。
凸缘150从引燃器表面111的一部分延伸，引燃器表面111的该部分距预燃烧室101的中心轴线35的距离，大于引燃燃料喷射器112与中心轴线35之间的距离。相对于预燃烧室101的更内部的部分，被识别为围绕中心轴线35的部分的凸缘150包括内表面151和外表面152。
内表面151朝向中心轴线35倾斜，并且朝向引燃燃料喷射器112定向，用于拦截来自引燃燃料喷射器112的引燃燃料的至少一部分。相对于中心轴线35，内表面151倾斜为0度和90度之间的倾角α。更具体地，在图4至图10的实施例中，倾角α在30度与60度之间。外表面152朝向旋流器103定向，用于拦截来自旋流器103的流F的至少一部分。
凸缘150与引燃器110是一体的，被设置为护罩170的边缘，在预燃烧室101内延伸。
根据本发明的其他实施例(未示出)，凸缘150被设置在引燃器表面111或旋流器103上。
凸缘150还包括设置在内表面151和外表面152之间的多个供料通道155，用于将内表面151与来自旋流器103的流F连接。供料通道155围绕中心轴线35规则分布。
具体参考图8和图10，外表面152包括多个紊流器160、161、162，用于引起来自旋流器103的流F中的紊流。
在图8的实施例中，紊流器包括从外表面152正交地延伸的多个突起160、162。突起160、162中的一些突起由围绕中心轴线35定位的、距离中心轴线35相同距离的多个第一突起160构成。第一突起160在外表面152上具有相应的基部，基部具有例如圆形或矩形形状。突起160围绕中心轴线35以固定角距离规则分布。另外的突起162设置为与预燃烧室101的中心轴线35同心的环形边缘162。相对于来自旋流器103的流F，环形边缘162设置在外表面152上、在第一突起160的下游。根据其他可能的实施例(未示出)，环形边缘162被设置在第一突起160上游的外表面152上。
在图10的实施例中，紊流器包括围绕中心轴线Y规则分布的多个通道161。每个通道161从外表面152向上延伸到内表面151，使得通道161将凸缘150分成多个节段158，每个节段158被包含在两个连续的通道161之间。根据其他可能的实施例(未示出)，通道161并不完全从外表面152向上延伸到内表面151上，而是沿着相对于中心轴线35倾斜角度α的方向设置在外表面152上，并且具有从外表面152朝内表面151延伸的深度。
在本发明的其他实施例中(未示出)，紊流器160、161、162的其他组合也是可能的。特别地，可以布置紊流器160、161、162的任何其他阵列，每个阵列的特征在于紊流器160、161、162的类型、数目和分布。
内表面151和外表面152在凸缘150的端部处具有共同的后缘156，引燃燃料和流F都在此与凸缘分离。
具体参考图5、图6和图8，后缘156具有围绕中心轴线35的尖锐的圆形轮廓。具体参考图9，后缘156在截面图(等同于例如图6的视图)中具有圆形轮廓并且在周向视图中具有围绕中心轴线35的波浪形轮廓。
如图7和图10所示，后缘156被夹住，即凸缘150在包括中心轴线35的截面中具有梯形形状，在凸缘150的端部处包括连接外表面152和内表面151的面159。
进一步参考图6，在本发明的实施例中，凸缘150可以设置有具有翼型形状(图6的虚线)的内表面151b。
应该注意的是，术语“包括”不排除其他元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。结合不同实施例描述的元件也可以被组合。还应该注意的是，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (14)

1.一种用于燃气轮机的燃烧器(100)，所述燃烧器(100)包括：
一个预燃烧室(101)，
一个旋流器(103)，所述旋流器(103)连接到所述预燃烧室(101)，用于为预燃烧室(101)提供燃料和氧化剂气体流(F)，所述旋流器(103)关于所述预燃烧室(101)的中心轴线(35)沿周向方向而被布置在所述预燃烧室(101)周围，
在所述预燃烧室(101)上游的一个引燃器(110)，所述引燃器(110)包括将所述引燃器(110)与所述预燃烧室(101)分开的一个引燃器表面(111)，所述引燃器(110)还包括被布置到所述引燃器表面(111)的至少一个引燃燃料喷射器(112)，用于将引燃燃料喷射到所述预燃烧室(101)中，
其中所述燃烧器(100)包括在所述预燃烧室(101)中从所述引燃器表面(111)延伸的一个凸缘(150)，所述凸缘包括朝向所述引燃燃料喷射器(112)定向的一个内表面(151)，用于拦截来自所述引燃燃料喷射器(112)的所述引燃燃料的至少一部分，所述内表面(151)相对于所述预燃烧室(101)的所述中心轴线(35)以倾斜角度(α)倾斜，所述倾斜角度(α)在0度和90度之间，并且
其中所述凸缘(150)包括至少一个供料通道(155)，用于将所述内表面(151)与来自所述旋流器(103)的所述氧化剂气体流(F)连接。
2.根据权利要求1所述的燃烧器(100)，其中所述凸缘(150)还包括：朝向所述旋流器(103)定向的一个外表面(152)，用于拦截来自所述旋流器(103)的所述流(F)的至少一部分，所述供料通道(155)被设置在所述内表面(151)和所述外表面(152)之间。
3.根据权利要求2所述的燃烧器(100)，其中所述外表面(152)包括多个紊流器(160、161、162)，用于在来自所述旋流器(103)的氧化剂气体流(F)的至少一部分中引起紊流。
4.根据权利要求3所述的燃烧器(100)，其中所述多个紊流器(160、161、162)包括从所述外表面(152)正交地延伸的多个突起(160、162)。
5.根据权利要求3或4所述的燃烧器(100)，其中所述多个突起(160、162)包括一个环形边缘(162)，所述环形边缘(162)与所述预燃烧室(101)的所述中心轴线(35)同心。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的燃烧器(100)，其中所述多个紊流器(160、161、162)包括多个通道(161)，所述多个通道(161)具有从所述外表面(152)朝向所述内表面(151)延伸的深度。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的燃烧器(100)，其中所述内表面(151)和所述外表面(152)具有一个共同的后缘(156)。
8.根据权利要求7所述的燃烧器(100)，其中所述后缘(156)具有围绕所述预燃烧室(101)的所述中心轴线(35)的圆形轮廓。
9.根据权利要求7所述的燃烧器(100)，其中所述后缘(156)具有波浪形轮廓。
10.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器(100)，其中所述内表面(151)具有翼型形状。
11.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器(100)，其中所述倾斜角度(α)的值在30°和60°之间。
12.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器(100)，其中所述凸缘(150)从所述引燃器表面(111)的一部分延伸，所述引燃器表面(111)的所述部分距离所述预燃烧室(101)的所述中心轴线(35)的距离大于所述引燃燃料喷射器(112)与所述中心轴线(35)之间的距离。
13.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器(100)，其中所述凸缘(150)被设置为在所述预燃室(101)内延伸的所述引燃器(110)的一个护罩(170)的一个边缘。
14.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器(100)，其中所述凸缘(150)包括多个供料通道(155)，用于将所述内表面(151)与来自所述旋流器(103)的所述氧化剂气体流(F)连接，所述供料通道(155)围绕所述中心轴线(35)规则地分布。
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