CN109322749A - 用于燃烧器的火炬点火器 - Google Patents

Abstract

一种用于涡轮机的燃烧器的点火器包括与混合增压室流体连通的燃料入口。混合增压室定位在混合通道上游。空气入口与混合增压室流体连通，且点火源与混合通道操作连通。点火器可包括构造成用于将点火器联接到燃烧器上的安装凸缘。点火源可定位在混合通道的下游端附近，且在安装凸缘上游。混合通道可限定文氏管形状。文氏管形状包括混合通道的上游端与文氏管喉部之间的会聚段。

Description

用于燃烧器的火炬点火器

技术领域

本公开内容大体上涉及一种用于点燃涡轮机的燃烧器的设备。

背景技术

燃气涡轮、飞行器发动机和许多其它基于燃烧的系统包括一个或多个燃烧器，燃烧器将工作流体如空气与燃料混合，且点燃燃料-空气混合物来产生高温和高压的燃烧气体。例如，商业燃气涡轮可用于发电。用于生成电力的典型燃气涡轮包括成串流顺序的压缩机、燃烧器和涡轮。环境空气可供应至压缩机，且压缩机中的旋转叶片和静止叶片将动能逐渐地给予工作流体(空气)来产生高度激励状态下的压缩工作流体。压缩工作流体流出压缩机，且流过一个或多个喷嘴，在喷嘴处，压缩工作流体与燃料混合，且然后流入每个燃烧器中的燃烧室，在燃烧室处，混合物点燃，以生成具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体在涡轮中膨胀来产生功。例如，涡轮中的燃烧气体的膨胀可旋转连接到发电机上的轴，以产生电力。

燃烧可由一个或多个燃烧器中的点火系统引发。点火系统可在燃烧器内产生火花或其它点火源，例如，激光束或引燃火焰。

点火系统通常沿燃烧室的一侧定位，以便点火系统可将火花、射束或火焰发射到燃烧室中，大致与燃料-空气混合物重合。沿燃烧室的一侧的点火系统的位置需要穿透燃烧器的内衬，穿过穿透点或在穿透点周围产生了潜在的泄漏源和/或湍流。此外，沿燃烧器的一侧定位的点火系统必然干扰内衬与流动套筒之间的工作流体的流动，从而增大了穿过燃烧器的工作流体的压差，这会降低燃气涡轮的总体效率。此构造可导致可用于在喷嘴中与燃料混合的工作流体的量和/或流速减小。可用于与燃料预混的工作流体的量具有对峰值火焰温度和NOx排放的直接影响。

点火系统可包括点火火炬。点火火炬可接收燃料流和空气流。空气和燃料可在火炬中混合，且由点火源如火花塞点燃，以便提供引燃火焰来在燃烧室中引发燃烧。火花塞通常位于燃烧室附近。

发明内容

各方面和优点在以下描述中阐述，或可由所述描述显而易见，或可通过实践来得知。

根据一个实施例，提供了一种燃气涡轮。燃气涡轮包括压缩机、涡轮、以及设置在压缩机下游且在涡轮上游的燃烧器。燃气涡轮还包括与燃烧器操作连通的点火器。点火器包括限定文氏管形状(venturi shape)的混合通道。文氏管形状包括混合通道的上游端与文氏管喉部之间的会聚段。点火器还包括与混合增压室流体连通的燃料入口。混合增压室定位在混合通道上游。点火器还包括与混合增压室流体连通的空气入口，以及与混合通道操作连通的点火源。点火源定位在混合增压室下游。

根据另一个实施例，提供了一种用于涡轮机的燃烧器的点火器。点火器包括构造成用于将点火器联接到燃烧器上的安装凸缘。点火器还包括与混合增压室流体连通的燃料入口。混合增压室定位在混合通道上游。点火器还包括与混合增压室流体连通的空气入口，以及与混合通道操作连通的点火源。点火源定位在混合通道的下游端附近，且在安装凸缘上游。

根据又一个实施例，提供了一种用于涡轮机的燃烧器的点火器。点火器包括限定文氏管形状的混合通道。文氏管形状包括混合通道的上游端与文氏管喉部之间的会聚段。点火器还包括与混合增压室流体连通的燃料入口。混合增压室定位在混合通道上游。点火器还包括与混合增压室流体连通的空气入口，以及与混合通道操作连通的点火源。点火源定位在混合增压室下游。

除了上述实施例之外，本公开内容还提供以下技术方案：

技术方案1：一种燃气涡轮，包括：

压缩机；

涡轮；

设置在所述压缩机下游且在所述涡轮上游的燃烧器；

与所述燃烧器操作连通的点火器，所述点火器构造成引发所述燃烧器中的燃烧，所述点火器包括：

限定文氏管形状的混合通道，所述文氏管形状包括所述混合通道的上游端与文氏管喉部之间的会聚段；

与混合增压室流体连通的燃料入口，所述混合增压室定位在所述混合通道上游；

与所述混合增压室流体连通的空气入口；以及

与所述混合通道操作连通的点火源，所述点火源定位在所述混合增压室下游。

技术方案2：根据技术方案1所述的燃气涡轮，其中所述点火器还包括构造成用于将所述点火器联接至所述燃烧器的安装凸缘，其中所述点火源在所述安装凸缘上游。

技术方案3：根据技术方案1所述的燃气涡轮，其中所述点火器的点火源定位在所述文氏管喉部下游。

技术方案4：根据技术方案1所述的燃气涡轮，其中所述混合通道的文氏管形状还包括所述文氏管喉部下游的扩散段。

技术方案5：根据技术方案1所述的燃气涡轮，其中所述点火器还包括所述点火源下游的旋流器。

技术方案6：根据技术方案1所述的燃气涡轮，其中所述点火器联接至所述燃烧器的端盖，以及所述点火器的中心轴线大体上平行于所述燃烧器的中心轴线。

技术方案7：根据技术方案1所述的燃气涡轮，其中所述点火器还包括所述混合增压室上游的燃料增压室，以及从所述燃料增压室朝所述燃烧器中的燃烧室延伸的燃料导管。

技术方案8：根据技术方案1所述的燃气涡轮，其中所述点火源包括火花塞。

技术方案9：一种用于涡轮机的燃烧器的点火器，所述点火器包括：

构造成用于将所述点火器联接至所述燃烧器的安装凸缘；

与混合增压室流体连通的燃料入口，所述混合增压室定位在混合通道上游；

与所述混合增压室流体连通的空气入口；以及

与所述混合通道操作连通的点火源，所述点火源定位在所述混合通道的下游端附近，且在所述安装凸缘上游。

技术方案10：根据技术方案9所述的点火器，其中所述混合通道

是圆柱形的。

技术方案11：根据技术方案9所述的点火器，其中所述混合通道包括所述混合通道的上游端与文氏管喉部之间的会聚段。

技术方案12：根据技术方案11所述的点火器，其中所述混合通道还包括所述文氏管喉部下游的扩散段。

技术方案13：根据技术方案11所述的点火器，其中所述文氏管喉部定位在所述点火源上游。

技术方案14：根据技术方案9所述的点火器，还包括所述点火源下游的旋流器。

技术方案15：一种用于涡轮机的燃烧器的点火器，所述点火器包括：

限定多个不同内径的混合通道，所述多个不同内径包括第一内径部分处的第一内径，以及所述第一内径部分下游的喉部部分处的最小内径；

与混合增压室流体连通的燃料入口，所述混合增压室定位在所述混合通道上游；

与所述混合增压室流体连通的空气入口；以及

与所述混合通道操作连通的点火源，所述点火源定位在所述混合增压室下游。

技术方案16：根据技术方案15所述的点火器，其中所述点火源定位在所述喉部部分下游。

技术方案17：根据技术方案15所述的点火器，还包括构造成用于将所述点火器联接至所述燃烧器的安装凸缘，其中所述点火源在所述安装凸缘上游。

技术方案18：根据技术方案15所述的点火器，其中所述混合通道的多个不同内径还包括所述喉部部分下游的第二内径部分处的第二内径。

技术方案19：根据技术方案15所述的点火器，还包括所述点火源下游的旋流器。

技术方案20：根据技术方案15所述的点火器，还包括所述混合增压室上游的燃料增压室，以及从所述燃料增压室延伸的燃料导管。

通过阅读本说明书，所属领域的技术人员将更好地了解此类实施例和其它实施例的特征和方面。

附图说明

包括对于本领域的技术人员来说的其最佳模式的各种实施例的完整和开放的公开内容在包括参照附图的说明书的余下部分中更具体地阐明，在附图中：

图1是可以并入本公开内容的各种实施例的示例性燃气涡轮的功能框图；

图2是可以并入一个或多个实施例的示例性燃烧器的简化侧部横截面视图；

图3是根据本公开内容的一个或多个实施例的示例性点火器的侧部横截面视图；

图4是图3中的示例性点火器的端视图；

图5是根据本公开内容的一个或多个实施例的示例性点火器的侧部横截面视图；

图6是根据本公开内容的一个或多个实施例的示例性点火器的侧部横截面视图；

图7是根据本公开内容的一个或多个实施例的示例性点火器的侧部横截面视图；以及

图8是图7中的示例性点火器的端视图。

具体实施方式

现在将详细参考本公开内容的当前实施例，其一个或多个实例在附图中示出。详细描述中使用数字和字母标号来指代附图中的特征。在附图和说明书中相同或相似标号用于指代本公开内容的相同或相似部分。

如本说明书所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以区分一部件与另一部件而并非意图表示各个部件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体流出的方向，而“下游”是指流体流向的方向。术语“径向地”是指基本上垂直于特定部件的轴向中心线的相对方向，术语“轴向地”是指基本上平行于和/或同轴地对齐于特定部件的轴向中心线的相对方向，而术语“周向地”是指围绕特定部件的轴向中心线延伸的相对方向。

本文中所使用的技术术语仅用来描述特定实施例，而并非旨在进行限制。如本文中所使用，单数形式“一个”、“一种”和“所述”也旨在包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示。应进一步了解，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises和/或comprising)”指定了所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。

每个实例借助于解释而不是限制的方式提供。实际上，可在不脱离本发明的范围或精神的情况下对本发明作出修改和变化，对于所属领域的技术人员来说将是显而易见的。举例来说，说明或描述为一个实施例的部分的特征可用在另一实施例上以产生又一实施例。因此，希望本公开涵盖如落入所附权利要求书和其等效物的范围内的此类修改和变化。

尽管本公开的示例性实施例将出于说明目的而大体上在陆基发电燃气涡轮燃烧器的语境中进行描述，但所属领域的技术人员将容易了解，本公开的实施例可应用于任何样式或类型的涡轮机，且不限于陆基发电燃气涡轮，除非权利要求中特别地叙述。

现在参考附图，图1示出示例性燃气涡轮10的示意图。燃气涡轮10大体包括入口段12、设置在入口段12下游的压缩机14、设置在压缩机14下游的至少一个燃烧器16、设置在燃烧器16下游的涡轮18以及设置在涡轮18下游的排气段20。另外，燃气涡轮10可包括将压缩机14联接到涡轮18的一个或多个轴22。

在操作期间，空气24流过入口段12并进入压缩机14中，在那里，空气24被逐渐压缩，由此将压缩空气26提供至燃烧器16。压缩空气26的至少一部分在燃烧器16内与燃料28混合并且燃烧以产生燃烧气体30。燃烧气体30从燃烧器16流入涡轮18中，在涡轮中，能量(动能和/或热能)被从燃烧气体30传递至转子叶片(未示出)，因此导致轴22旋转。机械旋转能接着可用于各种目的，例如以对压缩机14供电和/或生成电力。离开涡轮18的燃烧气体30可以接着经由排气段20从燃气涡轮10排放。

如图2所示，燃烧器16可以至少部分地由例如压缩机排气壳体等的外壳32围绕。外壳32可以至少部分地界定高压增压室34，所述高压增压室至少部分地环绕燃烧器16的各种部件。高压增压室34可与压缩机14(图1)流体连通，以便从压缩机14接收压缩空气26。端盖36可以联接到外壳32上。在特定实施例中，外壳32和端盖36可以至少部分地界定燃烧器16的头端体积或部分38。

在特定实施例中，头端部分38与高压增压室34和/或压缩机14流体连通。一个或多个内衬或管道40可以至少部分地界定用于燃烧燃料空气混合物的燃烧室或区42，和/或可以至少部分地界定用于将燃烧气体30朝向入口引导到涡轮18的通过燃烧器的热气路径44。一个或多个燃料喷嘴50可联接到端盖36上，且朝燃烧室42延伸。点火器100可与燃烧器16操作连通，且点火器100可构造成引发燃烧器16中的燃烧。点火器100可从端盖36沿轴向向下游延伸。如本文在燃烧器16的背景下使用的“沿轴向”是相对于燃烧器16的轴向中心线46，例如，点火器100可沿或平行于轴向中心线46从端盖36向下游延伸。在其它实施例中，点火器100可成任何适合的角延伸，使得点火器100与燃烧室42连通。例如，在一些实施例中，点火器100可定向成垂直于轴向中心线46。

例如，如图3中所示，点火器100可包括构造成用于将点火器100联接到燃烧器16上的安装凸缘122。在一些实施例中，安装凸缘122可包括螺栓孔124，以用于经由螺栓孔124接收螺栓来将点火器100紧固到燃烧器16上。具体而言，安装凸缘122可构造成用于将点火器100联接到燃烧器16的端盖36上。在此实施例中，点火器100可联接到燃烧器16的端盖36上，使得点火器100的中心轴线130可大体平行于燃烧器16的中心轴线46(图2)。

例如，如图3和4中可见，点火器可包括一个或多个空气入口104。在一些实施例中，空气入口(多个空气入口)104可与头端38流体连通，且定位成从头端38接收压缩空气流26。在一些实施例中，每个空气入口104通向相应空气导管106。每个空气导管106提供对应空气入口104与混合增压室110之间的流体连通。例如，如图3中所示，燃料导管108可经由燃料入口102与混合增压室110流体连通。混合增压室110可定位在混合通道112上游。在由点火源120点燃之前，燃料28和空气26可在混合增压室110中和在混合通道112中混合。例如，点火源120可为火花塞。点火源120可与混合通道112操作连通。在一些示例性实施例中，点火源120可定位在混合通道112的下游端附近。如本文使用的术语“上游”或“下游”应参照点火器100内的混合的燃料28和压缩空气26的流动方向来理解，例如，大体上从混合增压室110朝燃烧器16，例如，混合通道112的下游端是指混合增压室110远侧的混合通道112的一端。在一些实施例中，点火源120可定位在安装凸缘122上游。此实施例有利地提供了在点火源120定位在燃烧器16外而非燃烧室42附近时容易接近点火源120。

混合通道112可在混合增压室110与喷射器管126之间沿轴向延伸。喷射器管126可定位在混合通道112下游。具体而言，喷射器管126可定位在点火源126下游，以接收在混合燃料28和空气26由点火源120点燃时生成的燃烧产物，例如，热气体。喷射器管126可延伸到燃烧器16中，例如，穿过端盖36，以将引燃火焰提供至燃烧室42。在一些实施例中，喷射器管126可选包括点火源120下游的旋流器128。例如，如图3中所示，旋流器128可为带式旋流器。旋流器128的其它示例性实施例可包括旋流器叶片、湍流器等。

例如，如图3中所示，在一些实施例中，混合通道112的横截面形状可为恒定的，例如，混合通道112可为圆柱形。在其它实施例中，混合通道112可具有其它棱柱形状，例如，混合通道112可为矩形棱柱，或可具有其它多边形横截面形状，如但不限于六边形。

在一些实施例中，混合通道112可限定多个不同的内径。大体上，混合通道112可限定混合通道112的上游部分中的第一内径部分114，且可限定第一内径部分114的下游的喉部部分116处的最小内径，以及喉部部分116下游的第二内径部分118。喉部部分116处最小内径可小于第一内径部分114或第二内径部分118处的内径。在各种实施例中，第一内径部分114处的内径可大于或大致等于第二内径部分118处的内径。在一些实施例中，例如，如图5中所示，多个不同的内径可形成文氏管形状。如图5中所示，第一内径部分114可形成文氏管形状的会聚段114，第二内径部分118可形成扩散段118，且喉部部分116因此可为文氏管喉部116。在一些示例性实施例中，文氏管形状可包括混合通道112的上游端与文氏管喉部116之间的会聚段114。例如，会聚段114可在混合增压室110附近的混合通道112的一端与文氏管喉部116之间延伸。会聚段114可包括混合通道112的一段，其中混合通道114的横截面积从混合增压室110沿轴向向下游移动到文氏管喉部116而减小。因此，文氏管喉部116可限定混合通道112的最小横截面积和/或文氏管形状中的拐点。文氏管形状的扩散段118可定位在文氏管喉部116的下游。例如，混合通道112的横截面积可在扩散段118的轴向长度上从文氏管喉部116沿轴向向下游移动而增大。

如图5和6中所示，燃料入口102可沿轴向延伸(例如，沿或平行于点火器100的中心轴线130)，使得在文氏管喉部116处或附近提供燃料28。例如，在各种实施例中，燃料入口102可相对于穿过混合通道114的空气流26延伸到文氏管喉部116，或仅延伸到文氏管喉部116上游。在此实施例中，在文氏管喉部116处或附近提供燃料喷射可有利地提供最佳压降，其中流过文氏管形状的空气26，相比于混合通道114的其它部分，将在文氏管喉部116处实现低空气压力和高速度。

在包括文氏管形状的实施例中，点火源120可定位在文氏管喉部116下游。在一些实施例中，例如，如图5中所示，点火源120可在安装凸缘122下游。在此实施例中，点火源120可设置在燃烧器16内，例如，在头端38内。在其它实施例中，例如，如图6中所示，当点火器100安装到燃烧器的端盖36上时，安装凸缘122可定位在点火源120下游，使得点火源120可定位在燃烧器16外，例如，头端38外。

如图5中所示，点火器100的实施例包括限定文氏管形状而没有旋流器128的混合通道112。如图6中所示，点火器100的实施例包括混合通道112，混合通道与安装凸缘上游的点火源120组合来限定文氏管形状。如上文所述，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用在另一个实施例上来产生又一个实施例。这些其它实施例可包括所示特征的各种组合。例如，如图3中所示，圆柱形混合通道112还可与如图5中所示的安装凸缘122下游的点火源120组合。作为另一个实例，图5中的点火器100还可包括如图3和/或6中所示的旋流器128。也如上文所述，每个实例仅通过阐释而提供，并未限制，且期望本公开内容覆盖归入所附权利要求和其等同物的范围内的此类改型和变型。

图7和8示出了点火器100的另一个示例性实施例。如图7中所示，燃料导管108可首先与混合增压室110上游的燃料增压室109流体连通。例如，燃料导管108可经由第一燃料入口101与燃料增压室109直接流体连通，且如上文所述，燃料入口102可在此实施例中是第二燃料入口。如图7中所示，在一些实施例中，燃料过滤器可设在第一燃料入口101中。因此，燃料导管108可经由第一燃料入口101与燃料增压室109直接流体连通，且经由第二燃料入口102与混合增压室110间接流体连通。例如，在此实施例中，燃料28可从燃料增压室109流过第二燃料入口102，且流入混合增压室110，而空气26经由空气导管106流入混合增压室110中。一些实施例还可包括从燃料增压室109延伸入燃烧器16中的第二燃料导管111，例如，穿过端盖36，以将燃料28供应至引燃火焰。例如，在一些实施例中，引燃火焰可源自喷射器管126。因此，第二燃料导管111的出口113可在喷射器管126的出口127附近。如图8中所示，第二燃料导管111可邻近喷射器管126，且在一些实施例中抵靠(abutting)喷射器管。例如，点火源120可定位在点火器100的第一部分中，例如，顶部，且第二燃料导管111可定位在与点火源在直径向相对的第二部分中，例如，底部。如图8中所示，在一些实施例中，空气入口104可沿周向围绕第二燃料导管111与点火源120(图7)之间的喷射器管126延伸，且与喷射器管间隔开。

本书面说明书使用实例来公开本发明技术，包括最佳模式，并且还使得所属领域的技术人员能够实践本发明技术，包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何所并入的方法。本发明技术的可获专利的范围由权利要求书限定，并且可包括所属领域的技术人员所想到的其它实例。如果其它此类实例包括的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无显著差别，那么此类实例意图处于权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮，包括：

压缩机；

涡轮；

设置在所述压缩机下游且在所述涡轮上游的燃烧器；

与所述燃烧器操作连通的点火器，所述点火器构造成引发所述燃烧器中的燃烧，所述点火器包括：

限定文氏管形状的混合通道，所述文氏管形状包括所述混合通道的上游端与文氏管喉部之间的会聚段；

与混合增压室流体连通的燃料入口，所述混合增压室定位在所述混合通道上游；

与所述混合增压室流体连通的空气入口；以及

与所述混合通道操作连通的点火源，所述点火源定位在所述混合增压室下游。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮，其中所述点火器还包括构造成用于将所述点火器联接至所述燃烧器的安装凸缘，其中所述点火源在所述安装凸缘上游。

3.根据权利要求1所述的燃气涡轮，其中所述点火器的点火源定位在所述文氏管喉部下游。

4.根据权利要求1所述的燃气涡轮，其中所述混合通道的文氏管形状还包括所述文氏管喉部下游的扩散段。

5.根据权利要求1所述的燃气涡轮，其中所述点火器还包括所述点火源下游的旋流器。

6.根据权利要求1所述的燃气涡轮，其中所述点火器联接至所述燃烧器的端盖，以及所述点火器的中心轴线大体上平行于所述燃烧器的中心轴线。

7.根据权利要求1所述的燃气涡轮，其中所述点火器还包括所述混合增压室上游的燃料增压室，以及从所述燃料增压室朝所述燃烧器中的燃烧室延伸的燃料导管。

8.根据权利要求1所述的燃气涡轮，其中所述点火源包括火花塞。

9.一种用于涡轮机的燃烧器的点火器，所述点火器包括：

构造成用于将所述点火器联接至所述燃烧器的安装凸缘；

与混合增压室流体连通的燃料入口，所述混合增压室定位在混合通道上游；

与所述混合增压室流体连通的空气入口；以及

与所述混合通道操作连通的点火源，所述点火源定位在所述混合通道的下游端附近，且在所述安装凸缘上游。

10.一种用于涡轮机的燃烧器的点火器，所述点火器包括：

限定多个不同内径的混合通道，所述多个不同内径包括第一内径部分处的第一内径，以及所述第一内径部分下游的喉部部分处的最小内径；

与混合增压室流体连通的燃料入口，所述混合增压室定位在所述混合通道上游；

与所述混合增压室流体连通的空气入口；以及

与所述混合通道操作连通的点火源，所述点火源定位在所述混合增压室下游。