CN110030579B - 用于燃气涡轮的连续燃烧器的第二级燃烧器 - Google Patents

用于燃气涡轮的连续燃烧器的第二级燃烧器 Download PDF

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Abstract

一种燃气涡轮的燃烧器，其包括：第一级燃烧器和第二级燃烧器，其布置在第一级燃烧器的下游并包括沿轴向方向延伸的第二级燃烧室；轴向喷枪注射器；以及火焰稳定器装置。轴向喷枪注射器包括在轴向方向上从第一级燃烧器通过第二级燃烧器的过渡区域延伸到第二级燃烧室中的细长流线型主体。细长流线型主体和过渡区域防止在过渡区域中的气体再循环。第一交叉流动注射喷嘴和第二交叉流动注射喷嘴在细长流线型主体上设在相应的轴向位置处，并且火焰稳定器装置布置在第一交叉流动注射喷嘴与第二交叉流动注射喷嘴的下游。

Description

用于燃气涡轮的连续燃烧器的第二级燃烧器
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2017年11月15日提交的欧洲专利申请编号17201920.0的优先权，其公开内容通过引用并入。
技术领域
本发明涉及一种用于燃气涡轮的连续燃烧器(sequential combustor，有时也称为顺序燃烧器)的第二级燃烧器。
背景技术
如已知的，用于发电厂的燃气涡轮的功率输出和效率的增加涉及若干挑战，并且燃料注射以获得有效且符合排放的燃烧是其中最关键的。事实上，为了实现更高的功率输出还要显著增加燃料供应，并且必须以这样的方式执行注射，使得燃料流量与稀释流体(例如新鲜空气或连续燃烧器中的第一燃烧器级的废气)的流量充分混合。较差混合可能会对燃烧和污染物排放水平产生负面影响。
对增加供应的燃料流量和提供充分混合的需要致使开发具有复杂结构的燃器(burner，有时也称为喷燃器)。已知的燃器倾向于满足在燃料供应和混合容量方面的繁重要求，然而仍然存在一些限制，尤其因为复杂结构具有重要牵连。取决于燃烧器的类型，需要提供具有关键空气动力学特性的多点喷枪注射器或流线型主体(streamlined body)。这种复杂结构的制造可能是困难的，并且获得可接受的结果所需的过程可能涉及大量成本。
此外，通常期望燃器组件(即，用于燃料注射和混合的装置)可从其壳体缩回，以用于在不需要拆卸燃烧器的大部件的情况下进行维护和改装的目的。尤其，期望燃器组件可轴向缩回以从罐式燃烧器(can combustor)中简单地取出。然而，正是由于其复杂的结构，已知的燃器组件不能缩回。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于燃气涡轮的连续燃烧器的第二级燃烧器和一种控制具有第一级燃烧器和第二级燃烧器的燃气涡轮的连续燃烧器的方法，其允许克服或至少减弱所描述的限制。
根据本发明，提供一种燃气涡轮的燃烧器，其包括：
第一级燃烧器和第二级燃烧器，其中，第二级燃烧器布置在第一级燃烧器的下游并包括沿轴向方向延伸的第二级燃烧室；
轴向喷枪注射器；以及
火焰稳定器装置；
其中，轴向喷枪注射器包括：
细长流线型主体，其在轴向方向上从第一级燃烧器通过第二级燃烧器的过渡区域延伸到第二级燃烧室中，其中，细长流线型主体和过渡区域构造成防止从第一级燃烧器流到第二级燃烧室的气体在过渡区域中再循环；
多个第一交叉流动注射喷嘴和多个第二交叉流动注射喷嘴，其在细长流线型主体上设在相应的轴向位置处；
并且其中，火焰稳定器装置布置在第一交叉流动注射喷嘴和第二交叉流动注射喷嘴的下游。
燃烧器结合具有极其简单的设计的轴向喷枪注射器和火焰稳定器装置，其允许将火焰锚定在一个或多个期望位置处。尤其，前火焰(front flame，有时也称为前缘火焰)可在全负载下设定在轴向下游位置处，以减少火焰后停留时间(post-flame residencetime)和NOx的产生。
轴向喷枪注射器基本上由细长流线型主体限定，其从第一级燃烧器延伸到第二级燃烧室中并利用交叉流动注射来提供有效的供应和混合，即使在需要大燃料流量时。交叉流动注射喷嘴可设在细长流线型主体的表面上，并且不需要产生了复杂的流体动力学结构的特殊部件。因此，轴向喷枪注射器可由传统制造过程制造，并且不需要采用增材技术(additive technique)，具有成本优势。此外，轴向喷枪注射器可在轴向方向上容易地缩回，因此简化了维护和改装操作。
可选择第一和第二交叉流动注射喷嘴的轴向位置以利用来自注射位置和火焰前缘(flame front)的不同时间延迟。这可用于减轻热声振荡(thermoacousticoscillation)和为高反应性燃料提供短混合路径的目的。
根据本发明的一方面，第二交叉流动注射喷嘴轴向地设置在第一交叉流动注射喷嘴的下游。
根据本发明的一方面，第一交叉流动注射喷嘴流体地联接到燃料气体供应管线，并且第二交叉流动注射喷嘴流体地联接到液体燃料供应管线。
可提供用于不同燃料的单独供应路径。因此可利用单独油注射的优点。尤其，允许不太严格的吹扫要求(purging requirement，有时也称为清洗要求)。同样，可使用单独的供应阀，并且可为不同的燃料单独优化混合路径。
根据本发明的一方面，第一交叉流动注射喷嘴中的至少一个相对于其它第一交叉流动注射喷嘴轴向地放置。
根据本发明的一方面，第一交叉流动注射喷嘴在轴向方向上交错。
根据本发明的一方面，第二交叉流动注射喷嘴中的至少一个相对于其它第二交叉流动注射喷嘴轴向地放置。
根据本发明的一方面，第二交叉流动注射喷嘴在轴向方向上交错。
所有以上特征单独地和可能地组合，允许在不同轴向位置处优化燃料注射的有益效果，尤其相对于混合路径、点燃时间和热声振荡的阻尼。
根据本发明的一方面，第二交叉流动注射喷嘴以这样的角度定向，使得燃料油以非零轴向速度分量注射在第二级燃烧室中。
因为注射的燃料以非零轴向速度分量离开喷嘴，第二交叉流动注射喷嘴的倾斜允许减少高反应性燃料油的停留时间。反过来，较短的停留时间减少了将额外的水混合到燃料油的需要。在一些情况下，特别是当第二交叉流动注射喷嘴的倾斜由如由火焰稳定器装置容许的前面火焰位置补充时，可能根本不需要额外的水。
根据本发明的一方面，燃烧器包括在第二级燃烧室的上游的涡流发生器。
大的涡流发生器确定相对慢的混合，即需要更长的距离和时间。然而，在全负载下，火焰稳定器装置可用于在下游设定火焰位置。因此，尽管全负载下的较大的燃料流量，仍实现了有效的混合。在任何情况下都避免了空气和燃料混合物的早期自燃。涡流发生器可具有非常简单的形状(例如棱柱形)，并且其制造不会引起与过程复杂性和成本相关的实质性问题。
根据本发明的一方面，火焰稳定器装置包括在细长流线型主体的下游端部处的全负载火焰稳定器。
稳定在下游位置处的全负载火焰有助于增强在增加的混合距离方面的有益效果并减少火焰后停留时间，特别是在全负载时。这对于在全负载下维持低NOx排放的目的特别有益。
根据本发明的一方面，火焰稳定器装置包括在第二交叉流动注射喷嘴和全负载火焰稳定器之间的至少一个部分负载火焰稳定器。
可根据负载要求在操作期间调整火焰位置。在部分负载下，火焰温度低并且期望长火焰后停留时间以实现燃料流中包含的碳的完全氧化并减少CO排放。因此，将火焰位置设定在上游位置处可能是有利的。另一方面，在全负载下，优选使火焰尽可能位于第二级燃烧室中的下游，以获得良好的空气-燃料混合并减少NOx的产生。
根据本发明的一方面，火焰稳定器装置包括以下中的至少一个：
下游电极系统，其可操作以至少在一个火焰位置处在第二级燃烧室中提供点燃能量；和
在轴向方向上在第二级燃烧室的横截面中的变化，横截面中的变化构造成导致流过第二级燃烧室的气体至少在一个火焰位置处再循环。
因此，在燃气涡轮的运行期间可有效且精确地控制火焰位置。
根据本发明的一方面，第一级燃烧器包括上游端盖，并且细长流线型主体支撑在上游端盖处。
以这种方式，轴向喷枪注射器的取出是有利的，并且简化了维护的操作和维护与改装操作。
根据本发明的一方面，在第一级燃烧器和第二级燃烧器中围绕细长流线型主体限定流动通道，并且流动通道的横截面在过渡区域中沿流动方向逐渐变化。
在第一级燃烧器与第二级燃烧器之间的平滑过渡防止了在第二级燃烧室的入口处的流动停滞。以这种方式，在使用火焰稳定器装置的操作期间，防止了稳定的火焰锚定并且火焰位置可如期望那样向下游移动。
附图说明
现在将参考附图来描述本发明，所述附图示出了本发明的一些非限制性实施例，其中：
图1是燃气涡轮组件的简化框图；
图2是穿过根据本发明的实施例的包括第二级燃烧器的连续燃烧器的纵向截面；
图3是穿过图2的第二级燃烧器的放大纵向截面；
图4是图2的第二级燃烧器的放大细节的透视图；
图5是穿过根据本发明的另一实施例的第二级燃烧器的纵向截面；
图6是图5的第二级燃烧器的放大细节的侧视图；以及
图7是穿过根据本发明的另一实施例的第二级燃烧器的纵向截面。
具体实施方式
图1示出了燃气涡轮组件的简化视图，作为整体以数字1表示。燃气涡轮组件1包括压缩机区段2、燃烧器组件3和涡轮区段5。压缩机区段2和涡轮区段5沿主轴线A延伸。在压缩机区段2中压缩的气流与燃料混合并在燃烧器组件3中燃烧，可能添加以稀释空气。然后将燃烧的混合物膨胀到涡轮区段5并转换成机械功率。
构造成限定针对燃气涡轮的设定点的控制器7从传感器8接收状态信号并通过致动器9操作燃气涡轮以提供受控的功率输出。
燃烧器组件3是两级连续燃烧器并且包括围绕主轴线A布置的多个罐式燃烧器10。罐式燃烧器10中的每个(其中一个在图2中示出)包括顺序地布置且限定流动通道15的第一级燃烧器12和第二级燃烧器13。轴向注射器喷枪16从第一级燃烧器12延伸到第二级燃烧器13中。
更具体地，第一级燃烧器12包括燃器17和第一级燃烧室18。
在图3中更详细地示出的第二级燃烧器13布置在第一级燃烧器12的下游，并且包括沿轴向方向延伸的第二级燃烧室20和用于联接到涡轮区段5的过渡管道22，在此未示出。此外，火焰稳定器装置23设在第二级燃烧器13中。
第二级燃烧室20沿轴向方向在第一级燃烧器12的下游延伸。在一个实施例中，第二级燃烧室20包括外衬套24和内衬套25。外衬套24从那里以一定距离包围内衬套25，使得在外衬套24与内衬套25之间限定冷却通道27。内衬套25在第二级燃烧室20中向外界定流动通道15并形成过渡区域28，其以这样的方式结合第一级燃烧器12以限定没有台阶(step)和可能尖锐边缘的平滑过渡。
轴向喷枪注射器16包括细长流线型主体30，其在轴向方向上从第一级燃烧器12通过第二级燃烧器13的过渡区域28延伸到第二级燃烧室20中。细长流线型主体30的下游端部布置在第二级燃烧室20与过渡管道22之间的界面处。在一个实施例中，第一级燃烧器12包括上游端盖31，并且细长流线型主体30与燃器17一起支撑在上游端盖31处(见图2)。
细长流线型主体30和过渡区域28构造成防止从第一级燃烧器12流到第二级燃烧室20的气体在过渡区域24中再循环。在一个实施例中，例如，细长流线型主体30具有朝向下游端部30a逐渐变细的平滑椭圆形表面。然而，细长流线型主体30的表面可具有不同的平滑形状，比如通常椭圆形、圆锥形或圆柱形。细长流线型主体30的下游端部30a可以是截顶的。
多个第一交叉流动注射喷嘴32和多个第二交叉流动注射喷嘴33在细长流线型主体30上设在相应的轴向位置处。在一个实施例中，第一交叉流动注射喷嘴32所有都在第一轴向位置处，并且第二交叉流动注射喷嘴33所有都在第二轴向位置处。此外，第二交叉流动注射喷嘴33轴向地放置在第一交叉流动注射喷嘴32的下游。因此，第二交叉流动注射喷嘴33布置成比第一交叉流动注射喷嘴32更靠近第二级燃烧室20的出口。
第一交叉流动注射喷嘴32和第二交叉流动注射喷嘴33分别流体地联接到燃料气体供应管线35和燃料油供应管线36。燃料气体供应管线35和燃料油供应管线36的末端部分容纳在细长流线型主体30内。因此，燃料气体和燃料油可单独供给至第二级燃烧室20。此外，燃料油在相对于燃料气体轴向下游放置的位置处被供应。
燃料气体通过第一交叉流动注射喷嘴32在基本垂直于轴向喷枪注射器16的轴线B的方向上注射。第二交叉流动注射喷嘴33可倾斜以在倾斜方向上注射燃料油，其与轴向喷枪注射器16的轴线B形成注射角度α。该角度α可包括在30°和90°之间。因此，由于第二交叉流动注射喷嘴33的定向，燃料油以非零轴向速度分量注射在第二级燃烧室中。可根据期望提供径向的和/或倾斜的套筒(未示出)，以分别增加燃料气体和燃料油的渗透。
火焰稳定器装置23布置在第一交叉流动注射喷嘴32和第二交叉流动注射喷嘴33的下游，且构造成将火焰选择性地锚定在多个火焰位置中的一个处。在一个实施例中，火焰稳定器装置23由控制器7控制，并且包括在细长流线型主体30的下游端部处的全负载火焰稳定器40和在第二交叉流动注射喷嘴33与全负载火焰稳定器40之间的至少一个部分负载火焰稳定器41。
全负载火焰稳定器40包括在细长流线型主体30上的一组全负载电极40a和在细长流线型主体30内连续的全负载电压供应管线40b。通过全负载电极40a，全负载火焰稳定器40越过第二级燃烧室20产生火花且导致流过第二级燃烧室20的混合物的点燃，而与温度条件和混合物的自燃时间无关。在这方面，混合物的自燃时间甚至可以如此长，使得混合物不会在第二级燃烧室20内自燃，但是全负载火焰稳定器40在任何情况下都能够将火焰稳定在细长流线型主体30的下游端部处。
部分负载火焰稳定器41包括在流线型主体30上的一组部分负载电极41a和上游电压供应管线41b。部分负载电极41a布置在第二交叉流动注射喷嘴33与全负载火焰稳定器40之间。
全负载火焰稳定器40和部分负载火焰稳定器41由控制器7基于针对燃气涡轮组件1确定的负载而选择性地致动。当负载超过高负载阈值时，控制器7致动全负载火焰稳定器40并停用部分负载火焰稳定器41，因此在细长流线型主体30的下游端部处设定当前火焰位置。相反，当负载低于低负载阈值时，控制器7致动部分负载火焰稳定器41并停用全负载火焰稳定器40。因此，当前火焰位置朝向交叉流动注射喷嘴32,33向上游移动。低负载阈值不超过高负载阈值。此外，控制器7控制从第一级燃烧器12流到第二级燃烧器13的热气体的入口气体温度。为了控制入口气体温度的目的，控制器7可例如对由第一级燃烧器12输送的功率与第二级燃烧器13输送的功率的功率分配或功率比起作用，和/或对混合到在进入第二级燃烧器13之前的来自第一级燃烧器12的热气体的稀释空气流起作用。控制器7使用温度控制来帮助在第二级燃烧室20的上游区域处设定当前火焰位置(在带有或不带有借助火焰稳定器的情况下，通过增加在部分负载下的入口气体温度)，或者在第二级燃烧室20的出口的下游区域处(通过降低在全负载下的入口气体温度；全负载火焰稳定器40导致流过第二级燃烧室20的混合物的点燃，而与温度条件无关，因此混合物的自燃时间可甚至如此长，使得混合物不会在第二级燃烧室20内自燃)。
涡流发生器42可设在内衬套25上的第二级燃烧室20的上游，例如在过渡区域32中。在一个实施例中，涡流发生器42构造成通过添加切向速度分量来导致流动涡旋。涡流发生器42可例如是以棱柱形突起(借助于示例见图4)、挡板、偏转器、内衬套25的凸起表面粗糙度的形式或具有任何其它合适形状。
在图5和6中所示的本发明的另一实施例中，在此由数字132表示的第一交叉流动注射喷嘴中的至少一个相对于其它第一交叉流动注射喷嘴132轴向地放置。例如，第一交叉流动注射喷嘴132可在轴向方向上交错，且在细长流线型主体30上沿螺旋线在圆周方向上以均匀间隔布置。
同样地，在此由数字133表示的第二交叉流动注射喷嘴中的至少一个相对于其它第二交叉流动注射喷嘴133轴向地放置。例如，第二交叉流动注射喷嘴133在轴向方向上交错，并在细长流线型主体30上沿螺旋线在圆周方向上以均匀间隔布置。
图7示出了本发明的另一实施例。在这种情况下，在此由数字223表示的火焰稳定器装置包括在轴向方向上的第二级燃烧室(在此220)的横截面中的变化。尤其地，横截面中的变化构造成导致流过第二级燃烧室的气体在下游火焰位置处再循环且导致流动停滞。横截面中的变化可以是尖锐的环形边缘，如在图7中所示的示例中那样。
最后，显而易见的是，在不背离如所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可以使所描述的燃烧器经受修改和变化。

Claims (13)

1.一种燃气涡轮的燃烧器，其包括：
第一级燃烧器(12)和第二级燃烧器(13)，其中，所述第二级燃烧器(13)布置在所述第一级燃烧器(12)的下游且包括沿轴向方向延伸的第二级燃烧室(20;220)；
轴向喷枪注射器(16)；
火焰稳定器装置(23;223)；
其中，所述轴向喷枪注射器(16)包括：
细长流线型主体(30)，其在所述轴向方向上从所述第一级燃烧器(12)通过所述第二级燃烧器(13)的过渡区域(28)延伸到所述第二级燃烧室(20;220)中，其中，所述细长流线型主体(30)和所述过渡区域(28)构造成防止从所述第一级燃烧器(12)流到所述第二级燃烧室(20;220)的气体在所述过渡区域(28)中再循环；
多个第一交叉流动注射喷嘴(32;132)和多个第二交叉流动注射喷嘴(33;133)，其在所述细长流线型主体(30)上设在相应的轴向位置处；
并且其中，所述火焰稳定器装置(23;223)布置在所述第一交叉流动注射喷嘴(32;132)与所述第二交叉流动注射喷嘴(33;133)的下游；
其特征在于，所述火焰稳定器装置(23;223)包括在所述细长流线型主体(30)的下游端部处的全负载火焰稳定器(40)和在所述第二交叉流动注射喷嘴(33;133)与所述全负载火焰稳定器(40)之间的至少一个部分负载火焰稳定器(41)。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述第二交叉流动注射喷嘴(33;133)在所述第一交叉流动注射喷嘴(32;132)的下游轴向地移位。
3.根据权利要求2所述的燃烧器，其特征在于，所述第一交叉流动注射喷嘴(32;132)流体地联接到燃料气体供应管线(35)，并且所述第二交叉流动注射喷嘴(33;133)流体地联接到燃料油供应管线(36)。
4.根据权利要求2或3所述的燃烧器，其特征在于，所述第一交叉流动注射喷嘴(32;132)中的至少一个相对于其它第一交叉流动注射喷嘴(32;132)轴向地移位。
5.根据权利要求2或3所述的燃烧器，其特征在于，所述第一交叉流动注射喷嘴(32;132)在所述轴向方向上交错。
6.根据权利要求2或3所述的燃烧器，其特征在于，所述第二交叉流动注射喷嘴(33;133)中的至少一个相对于其它第二交叉流动注射喷嘴(33;133)轴向地移位。
7.根据权利要求2或3所述的燃烧器，其特征在于，所述第二交叉流动注射喷嘴(33;133)在所述轴向方向上交错。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述第二交叉流动注射喷嘴(33;133)以这样的角度(α)定向，使得燃料油以非零轴向速度分量注射在所述第二级燃烧室(20;220)中。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧器，其包括在所述第二级燃烧室(20;220)的上游的涡流发生器(42)。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述火焰稳定器装置(23;223)包括以下中的至少一个：
下游电极系统(40a,41a)，其可操作以用于至少在一个火焰位置处在所述第二级燃烧室(20;220)中提供点燃能量；以及
在所述轴向方向上在所述第二级燃烧室(20;220)的横截面中的变化，所述横截面中的变化构造成导致流过所述第二级燃烧室(20;220)的气体至少在一个火焰位置处再循环。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述第一级燃烧器(12)包括上游端盖(31)，并且所述细长流线型主体(30)支撑在所述上游端盖(31)处。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧器，其特征在于，在所述第一级燃烧器(12)和所述第二级燃烧器(13)中围绕所述细长流线型主体(30)限定流动通道，并且所述流动通道的横截面在所述过渡区域(28)中沿流动方向逐渐变化。
13.一种燃气涡轮组件，其包括压缩机区段(2)、燃烧器组件(3)、涡轮区段(5)和控制器(7)，其构造成操作所述燃气涡轮组件以提供受控的功率输出，其特征在于，所述燃烧器组件(3)包括根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器，并且所述控制器(7)还构造成控制从所述第一级燃烧器(12)流到所述第二级燃烧器(13)的热气体的热气体温度，从而所述热气体温度在部分负载下较高，并且在全负载下较低。
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