CN108869041A - 用于燃气轮机的前端转向勺状件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃气轮机的燃烧室。在用于燃气轮机的燃烧室中，前端转向勺状件设置为与至少一个预混合喷嘴相关联，每个勺状件为U形的并且具有第一支脚、第二支脚以及弯曲的基部，每个勺状件设置在气流容积中，其中，所述第一支脚设置在罩帽外体附近，并且所述第二支脚设置在与所述勺状件相关联的外围预混合器喷嘴入口的上游进入面的附近。将压缩空气从所述火焰筒通道、绕所述勺状件导入至所述外围预混合器喷嘴入口的上游进入面。使进入所述预混合器喷嘴入口的压缩空气的气流对于每个预混合器叶片通道大致均匀，以向所述喷嘴头提供受控的空气燃料混合物。

Description

用于燃气轮机的前端转向勺状件

技术领域

本发明涉及一种工业用燃气轮机。更具体而言，本发明涉及改善工业用燃气轮机中的压缩气体流动效率。

背景技术

在燃气轮机中，多个燃烧室典型地以环形阵列的方式围绕汽轮机的轴线布置。例如，在一种已知的汽轮机中，八个燃烧室围绕汽轮机轴线周向地间隔开。每个燃烧室将燃料和压缩机排放空气混合为燃料/空气混合物，然后该燃料/空气混合物利用经由汽轮机的叶片膨胀的所产生的气体燃烧，借此从汽轮机输出功。

使用筒形燃烧室且并非来源于航空发动机的工业用燃气轮机不可避免地采用逆流设计以允许转子叶片安装于其上的转子更短、更刚硬。

如美国专利申请No.2006/0230763(Johnson等人)中可见的燃烧室如干式低NOx(DLN)燃烧室具有八个基础构件，包括燃烧室外壳、端盖、端帽、中心预混合喷嘴、外围预混合喷嘴、火焰筒、导流衬套以及过渡段。

气流离开压缩机扩散器并且转向约160度，向上流经过渡段和火焰筒，随后在前端处(端帽和端盖区中的流动区域)再次反向。然后气流经过中心预混合喷嘴和外围预混合喷嘴，混入燃料，随后在火焰筒内燃烧并经过过渡段到达汽轮机。

由于需要紧密封装，前端容积较小并且无法使压缩气流以温和或良好受控的方式进行转向。因此，已存在许多气流调节方法以用于引导气流绕过转向处并使其进入中心预混合喷嘴和外围预混合喷嘴。

预混合喷嘴的预混合器的一个目标为产生均匀或，最低限度地，空间可控的空气燃料混合物。如果进入喷嘴预混合器的气流不受控制，则很难实现均匀的空气燃料比。

现有技术中的气流调节器具有各种基础设计：(1)基于阻流器的设计和(2)基于形状或导流装置的设计。下面将描述现有技术中这些基础类型的不同设计。

基于阻流器的设计：

一种重新分配空气的方式为在气流中放置阻流器。由此产生的压降使得气流重新分配以使整体压降最小化。阻流器的效果取决于其引起的压力损失以及撞击在该阻流器上的气流的分布不均水平和速度。由于预混合器本身也引起压降，因此所有系统隐含地利用了该效果，即使并不存在气流控制的次要形式。

设计中的另一个问题是，虽然气流在离开阻流器时可能相对均匀，但由于压力损失的限制，几乎不可能将阻流器恰好放置在需要它的地方。

因此，随着气流从阻流器运动至预混合器进口处，气流会重新变得不均匀。此外，任何压力损失都会降低循环效率，因此强烈希望将该压力损失保持在最小。

美国专利No.7,762,074(Bland等人)为基于火焰筒的阻流器设计，该设计在一平面上具有穿孔板，在该平面上气流随着其转入预混合器而径向向内流。该设计将由初始转向所引起的主要部分周向分配不均重新分配至火焰筒周围的流动空间中。跑道孔用于增加穿孔板的开放面积比。

美国专利No.6,158,223(Mandai等人)涉及一种基于罩帽的阻流器设计，该设计缩小了预混合器上游的流动面积并且由此加快、重新分配并引导气流进入预混合器下游。所阐述的该设计的益处在于其为预混合器提供了改进的入流轮廓。

美国专利No.6,483,961(Tuthill等人)涉及一种具有安装在喷嘴本体上的入流调节器的基于喷嘴的阻流器设计。为了具有足够的流动面积以具备可接受的压降，穿孔板具有轴向和径向区段。来自径向区段的气流在进入其预混合器之前必须转向九十度。在这个过程中，流量分布将再次变得不均匀。为了缓解该影响，喷嘴具有位于穿孔板内部的一个或多个喇叭形口，从而以受控的方式将气流导向预混合器。通过在喷嘴上布置该装置，更易于控制预混合器实际上接收的流量分布，并且获得更好的周向均一性。

美国专利No.7,051,530(Blomeyer)涉及一种具有垂直于其预混合器入口的穿孔板的基于喷嘴的阻流器设计。因此，在下游无需任何额外的气流调节装置。然而，由于穿孔板中可用的开放面积减小，该布置将趋于导致更高的压降。

美国专利No.7,574,865(Bland)涉及一种基于导流衬套的阻流器设计。大部分基于筒的系统具有从燃烧室的外壳延伸出去的端部。然而，有些设计将整个筒埋入燃气轮机本体的中部，仅剩端盖位于外壳表面。在这些设计中，燃烧室具有围绕火焰筒的金属片材导流衬套以引导气流。该设计利用整个燃烧室被空气包围来使到达前端的气流均匀。这里，大部分气流沿导流衬套向上流，只有小部分在前端处不均匀地渗入，用来抵消气流在导流衬套内产生和在进入导流衬套之前产生的任何非均匀性。

基于形状(或导流装置)的设计：

美国专利No.6,282,886(Sato等人)涉及一种改进了前端气流通道的外侧面形状以允许其更有效地使空气转向的基于形状的设计。

美国专利No.6,634,175(Kawata等人)涉及一种利用安装有罩帽的环形勺状件以使空气转向并且利用空气填充通向预混合器的气流通道的外围径向区段的基于形状的设计。由于曲率半径在径向外侧为最小(也就是说，供给至最外围预混合器叶片通道的气流必须最急剧地转向)，一部分气流如果在拐弯处没有导向叶片来帮助它则典型地分离并填充有驻涡。该分离和所形成的位于筒附近的额外气流导致更不均匀的流量分布进入预混合器。

美国专利No.7,523,614(Tanimura等人)涉及这样一种基于形状和导流装置的设计：其中，外侧径向转角的曲率半径较大并且因此更易于供气流流过。然后利用转角内侧的分流板使所形成的气流分流。外环有凹口并且叶片式导流装置仅存在于喷嘴之间。该设计还一种变型是增设有用于额外的气流均匀化的穿孔板。

美国专利No.8,950,188(Stewart)涉及一种在概念上类似于前述设计的基于形状和导流装置的设计，该设计设有喷嘴安装分流板以配备外围气流通道形状改型。

最后，美国专利No.20090173074(Johnson等人)涉及一种基于导流装置的系统，其利用一组布置在预混合器的嘴部处的导流板来引导气流。

有利的是，将尽可能均匀的流量提供至各预混合器叶片通道。

本文所引用的所有参考文献通过引用以其全部内容并入本文。

发明内容

本发明将尽可能均匀的流量提供至预混合器喷嘴的每个预混合器叶片通道入口，以形成均匀的空气/燃料混合物。轴向和二次流分布将针对每个预混合器叶片通道而不同。

因此，本发明允许进入每个预混合器喷嘴入口的空气流被平衡且具有较低的损失。本发明基于溢流调整设计理念而在设计期间提供容易的调整。这使得本发明的前端转向勺状件能够使比仅供给径向上最外侧的预混合器叶片通道所需的空气更多的空气转向。前端转向勺状件供给更靠近内侧的预混合器叶片通道所需的部分空气。通过使由勺状件转向的部分空气从勺状件的侧面溢出，对于每次优化周期，本发明允许各预混合器叶片通道之间的流动平衡能够通过仅修改勺状件的一小部分(而不是完全需要改变勺状件的主尺寸)来实现，从而提供了更容易的转向。

提供了一种用于燃气轮机的燃烧室，其包括燃烧室外壳、端盖、端帽组件、前置外壳、多个外围预混合喷嘴、罩帽外体、火焰筒通道。每个外围预混合喷嘴通过喷嘴凸缘安装至端盖并且包括具有预混合器喷嘴入口的预混合器、喷嘴头以及喷烧管，其中，所述端盖、端帽组件以及前置外壳限定出气流容积。

所述燃烧室还包括与至少一个预混合喷嘴相关联的前端转向勺状件，每个勺状件为U形的并且具有第一支脚、第二支脚以及弯曲的基部，每个勺状件设置在所述气流容积中。所述第一支脚设置在所述罩帽外体附近，并且所述第二支脚设置在与所述勺状件相关联的预混合器喷嘴入口的上游进入面的附近。将压缩空气从所述火焰筒通道、绕所述勺状件导入至所述预混合器喷嘴入口的上游进入面。使进入所述预混合器喷嘴入口的压缩空气的气流对于每个预混合器叶片通道大致均匀，以向所述喷嘴头提供受控的空气燃料混合物。

所述勺状件还可包括至少一个勺状件安装支架以将所述勺状件安装至所述喷嘴凸缘。所述安装支架设置在所述喷嘴凸缘与所述勺状件之间以将所述勺状件紧固就位。所述勺状件安装支架可具有空气动力学形状。所述勺状件和支架可具有大于300Hz的第一固有频率。

所述勺状件可具有第一边缘和第二边缘，各边缘设置在所述勺状件的相对侧上。每个边缘可具有靠近所述勺状件的第一支脚的第一边缘部分和靠近所述勺状件的第二支脚的第二边缘部分。当大体沿所述燃烧室的中心轴线从所述燃烧室的上游侧观看时，所述第一边缘的第一边缘部分和所述第二边缘的第一边缘部分以第一角度形成相交线。当大体沿所述燃烧室的中心轴线从所述燃烧室的上游侧观看时，所述第一边缘的第二边缘部分和所述第二边缘的第二边缘部分以第二角度形成相交线。这里，所述第二角度大于所述第一角度。可选地，所述第二角度的顶点可与同所述勺状件相关联的所述预混合器喷嘴入口的轴线同轴。

当大体沿所述燃烧室的中心轴线从所述燃烧室的上游侧观看时，所述第一边缘的第一边缘部分可相对于所述燃烧室的中心轴线大体径向地对齐，当大体沿所述燃烧室的中心轴线从所述燃烧室的上游侧观看时，所述第二边缘的第一边缘部分可相对于所述燃烧室的中心轴线大体径向地对齐。

附图说明

将结合以下附图来描述本发明，在所述附图中，同样的附图标记指代相同的元素，并且其中：

图1为根据本发明示例性实施例的具有前端转向勺状件的燃气轮机燃烧室的简化截面图、正视图；

图2为图1的燃气轮机燃烧室的预混合喷嘴和勺状件的简化下游视图；

图3为图1的燃气轮机燃烧室的端部正视图，其中为了清楚起见移除了该燃气轮机的端盖；

图4为图1的燃气轮机燃烧室的一部分的图3中的指定的插图编号3的局部、放大端视图，其中为了清楚起见去除了该燃气轮机的端盖；

图5为图1的燃烧室的前端转向勺状件、安装支架以及喷嘴凸缘组件的侧视图；

图6为图1的燃烧室的前端转向勺状件、安装支架以及喷嘴凸缘组件的侧视图；

图7为图1的燃烧室的前端转向勺状件、安装支架以及喷嘴凸缘组件的俯视图；以及

图8为图1的燃烧室的前端转向勺状件、安装支架以及喷嘴凸缘组件的等距视图；

具体实施方式

将参考以下实施例来更详细地说明本发明，然而应当理解的是本发明不应被视为仅限于此。

现在参考附图，其中，贯穿多幅图，同样的附图标记指代相同的元素，图1中示出了根据本发明的具有多个前端转向勺状件12的用于燃气轮机的燃烧室10的截面图的示例性实施例。如本文中所使用的燃烧室10典型地具有八个基础构件，包括燃烧室外壳14、端盖16、位于燃烧室10的前端20处的端帽组件18、中心预混合喷嘴22、外围预混合喷嘴24、燃烧室火焰筒26、导流衬套28以及过渡段30。端帽组件18包括围绕燃烧室的中心轴线A(并且如果出现中心预混合喷嘴22的话则围绕这种喷嘴)形成管子的环形阵列的多个喷烧管32。每个喷烧管32还容纳预混合喷嘴22、24。典型地，来自燃烧室的压缩机(未示出)的压缩机排放空气被供应至预混合喷嘴22、24，用以与燃料混合以确保燃烧、燃烧气体流经过渡段30进入汽轮机(未示出)，从而利用气体做功。

气流离开位于压缩机下游的压缩机扩散器(未示出)并转向约160度，向上流经过渡段30，流经(形成于火焰筒26与导流衬套28之间的)火焰筒通道36，随后在燃烧室10的前端20处再次反向。燃烧室10的前端20在端帽组件18和端盖16区域中形成流量容积44，即，该流量容积由前置外壳46与端盖16界定。流量容积44中的气流然后经过中心预混合喷嘴22和外围预混合喷嘴24与燃料混合，随后在火焰筒26内燃烧并经过过渡段30到达汽轮机(未示出)。

预混合喷嘴22、24通常包括燃料-空气预混合器48(其具有预混合器喷嘴入口49)、喷嘴头50以及喷烧管32。值得注意的是，本发明旨在希望在存在或不存在中心预混合喷嘴22并且存在任何数量的外围预混合喷嘴24的情况下使用。

由于需要紧密封装，流量容积44较小并且无法使气流以温和或良好受控的方式进行转向。如上所述，本发明的目标在于使预混合器48产生受控的空气燃料混合物至喷嘴头50。本发明的另一目标在于平衡经过每个预混合器叶片通道54的空气。本文中，预混合器叶片通道54是位于预混合器48的相邻叶片之间的通道。由于空气在急剧的半径下转向比在温和的半径下转向具有更大难度，因此流至预混合器喷嘴入口49的压缩空气流(相对于燃烧室中心线)往往具有较小的流量。

如图1以及图5至8中可见，本发明大体涉及U形勺状件12，例如每个外围预混合喷嘴24具有一个勺状件12。每个勺状件12具有第一支脚58、第二支脚60以及弯曲的基部62。勺状件12通过勺状件安装支架64安装在流量容积44中。第一支脚58设置在火焰筒通道36附近，而第二支脚60设置在与所述勺状件组件相关联的外围预混合喷嘴24的预混合器喷嘴入口49的上游进入面66附近。用以安装U形勺状件12的勺状件安装支架64设置在喷嘴凸缘31(该喷嘴凸缘安装至端盖16)与U形勺状件12之间以将U形勺状件12紧固就位。勺状件12引导来自火焰筒通道36的压缩空气、绕U形勺状件12并引导至外围预混合喷嘴24。到达外围预混合喷嘴24的压缩空气流大致均匀，从而为喷嘴头50提供均匀、受控的空气燃料混合物。

在本设计中，预混合器喷嘴入口49的上游进入面66靠近于设置勺状件12的位置，以便引导气流离开罩帽外体68。见图1。

如果勺状件12为连续的360度构型，则大量的空气将偏转至罩帽的上游侧，这是不希望出现的情况。因此，在本设计中，使用了多个勺状件12，例如，每个外围预混合喷嘴24具有一个勺状件12。

每个勺状件12的布置(包括罩帽外体68的外侧的距离L(见图1))以及周向延伸长度一起限定了勺状件12将捕捉多少气流。从罩帽外体68到勺状件12的轴向距离必须足够大以致不约束勺状件12的外部正试图转向的气流，但必须足够近以使气流能够被约束且有意地进行转向。

如图6中所示，勺状件12具有位于勺状件的相对侧上的边缘，其中每个边缘具有两部分。第一勺状件边缘部分72A和第一勺状件边缘部分72B位于勺状件的相对侧上并且毗邻勺状件12的第一支脚58。当大体沿燃烧室的轴线从燃烧室的上游侧观看时，第一勺状件边缘部分72A和第一勺状件边缘部分72B以第一角度B形成相交线，并且可选地，可相对于燃烧室10的中心轴线A大体呈径向。然而，在朝燃烧室10的中心轴线A径向向内的位置，第二勺状件边缘部分74A和第二勺状件边缘部分74B位于勺状件的相对侧上并且毗邻勺状件12的第二支脚60。当大体沿燃烧室的轴线从燃烧室的上游侧观看时，第二勺状件边缘部分74A和第二勺状件边缘部分74B以第二角度C形成相交线。角度C大于角度B。勺状件12的第二支脚60的勺状件边缘部分74A、74B彼此成锐角并且在任意点D处相汇，如图6中所示。点D可与或可不与同其相关联的预混合喷嘴24同轴。

如此一来，勺状件12的第一支脚58使比径向外部的喷嘴通道所需的空气更多的空气转向。勺状件12的第二支脚60的边缘以上述方式倾斜，并且气流的一部分从勺状件边缘部分74A、74B溢出并且帮助填充(相对于燃烧室中心线而言)更靠近内侧的预混合器叶片通道。

在该示例性设计中，第一支脚58的前缘和第二支脚60的后缘被示出为以弧形定心在燃烧室中心线A和预混合器中心线上。这些边缘的形状以及勺状件的侧面上的所述边缘(在示例性案例中的勺状件边缘部分72A、72B、74A以及74B)之间的交界可以是任意的，即，不是简单的弧形和线段，并且可由端帽组件18的精确几何结构、喷嘴中心线轴线、外围预混合器喷嘴24的数量以及中心喷嘴的存在与否及相关的尺寸决定。

如图2中最佳地可见的，勺状件12捕捉并且使比外围预混合喷嘴24的上游进入面66的预混合器叶片通道54所需的气流更多的气流转向。勺状件的角向宽度(即，第一角度B，见图6)以及勺状件相对于罩帽外体68的高度(距离L，见图1)限定捕捉多少气流。在多少气流被捕捉与多少气流溢出之间存在平衡。

如果勺状件12通过支架64附接至燃料喷嘴凸缘31，则实现了某些附加益处。通过采用这种一个或多个支架64，支架64所需的长度缩短，从而提高了勺状件12/支架64组件的固有频率。这允许使用薄的空气动力学形状的支架64，同时仍能获得较高的固有频率。此外，如果勺状件12通过螺纹孔直接安装至端盖16，这将增大由于端盖16内部的冷燃料以及端盖16的表面上的热气体的存在而形成的预先存在的高应力区域的应力强度。这些高应力区域可缩短寿命并引起燃料运输部件中的破裂，这将导致泄漏入主气流并且如果被点燃将对下游造成重大损害。喷嘴凸缘31大致为等温的并且因此具有低的基准应力，使得其成为放置勺状件安装支架64的更好位置。

设计参数包括勺状件的高度、罩帽外体68的外径的径向内侧和径向外侧比，勺状件的内部和外部部分上的角度范围、内支脚58和外支脚60的曲率和形状、喷嘴体部与勺状件内表面之间的间隙以及勺状件与火焰筒的前缘之间的偏距。

优选地，勺状件12以及支架64具有大于约300Hz的固有频率以使其与所有可能的机械振动和声学振动频率区分开。

支架64还被设计为使得它们平行于局部流线并且因此不影响勺状件的空气动力学功能。

虽然已详细并参考其具体例子描述了本发明，然而对于本领域技术人员来说，显然在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对本文进行各种修改和变型。

Claims (7)

1.用于燃气轮机的燃烧室，该燃烧室包括燃烧室外壳、端盖、端帽组件、前置外壳、多个外围预混合喷嘴、罩帽外体以及火焰筒通道，其中，每个外围预混合喷嘴通过喷嘴凸缘安装至所述端盖并且包括具有预混合器喷嘴入口的预混合器、喷嘴头以及喷烧管，其中，所述端盖、所述端帽组件以及所述前置外壳界定气流容积，所述燃烧室还包括与至少一个预混合喷嘴相关联的前端转向勺状件，每个勺状件为U形的并且具有第一支脚、第二支脚以及弯曲的基部，每个勺状件设置在所述气流容积中，其中，所述第一支脚设置在所述罩帽外体附近，并且所述第二支脚设置在与所述勺状件相关联的预混合器喷嘴入口的上游进入面的附近；

其中，将压缩空气从所述火焰筒通道、绕所述勺状件导入至所述预混合器喷嘴入口的上游进入面；

从而使进入所述预混合器喷嘴入口的压缩空气的气流对于每个预混合器叶片通道大致均匀，以向所述喷嘴头提供受控的空气燃料混合物。

2.根据权利要求1所述的燃烧室，其中，所述勺状件还包括至少一个勺状件安装支架以将所述勺状件安装至所述喷嘴凸缘，所述安装支架设置在所述喷嘴凸缘与所述勺状件之间以将所述勺状件紧固就位。

3.根据权利要求2所述的燃烧室，其中，所述勺状件安装支架具有空气动力学形状。

4.根据权利要求2所述的燃烧室，其中，所述勺状件和支架具有大于300Hz的第一固有频率。

5.根据权利要求1所述的燃烧室，其中，所述勺状件具有第一边缘和第二边缘，各边缘设置在所述勺状件的相对侧上，每个边缘具有靠近所述勺状件的第一支脚的第一边缘部分和靠近所述勺状件的第二支脚的第二边缘部分，并且

其中，当大体沿所述燃烧室的中心轴线从所述燃烧室的上游侧观看时，所述第一边缘的第一边缘部分和所述第二边缘的第一边缘部分以第一角度形成相交线，并且其中，当大体沿所述燃烧室的中心轴线从所述燃烧室的上游侧观看时，所述第一边缘的第二边缘部分和所述第二边缘的第二边缘部分以第二角度形成相交线，其中，所述第二角度大于所述第一角度。

6.根据权利要求3所述的燃烧室，其中，所述第二角度的顶点与同所述勺状件相关联的所述预混合器喷嘴入口的轴线同轴。

7.根据权利要求5所述的燃烧室，其中，当大体沿所述燃烧室的中心轴线从所述燃烧室的上游侧观看时，所述第一边缘的第一边缘部分相对于所述燃烧室的中心轴线大体径向地对齐，并且其中，当大体沿所述燃烧室的中心轴线从所述燃烧室的上游侧观看时，所述第二边缘的第一边缘部分相对于所述燃烧室的中心轴线大体径向地对齐。