CN110030581B - 用于燃气涡轮发电站燃烧器的烧嘴 - Google Patents

Abstract

一种用于燃气涡轮发电站燃烧器的烧嘴，烧嘴具有轴线，且包括由压缩空气进给的入口；面对燃烧室的出口；沿轴线延伸且具有带大致在烧嘴出口处的末梢的下游部分的喷枪；用于在空气流中喷射燃料的至少燃料喷射器；至少喷枪下游部分与壳之间的环形腔；用于在环形腔中生成空气或空气和燃料的混合物的轴向涡旋的涡旋生成器；其中烧嘴还包括喷枪末梢处的至少火花生成器。

Description

用于燃气涡轮发电站燃烧器的烧嘴

相关申请的交叉引用

本申请请求享有2017年12月26日提交的俄罗斯专利申请第2017145773号的优先权，其公开通过引用并入。

技术领域

本发明涉及一种用于发电站的燃气涡轮的烧嘴。具体而言，本发明涉及一种用于发电站的燃气涡轮的顺序筒形燃烧器的预混烧嘴。

此外，本发明涉及一种包括上述预混烧嘴的顺序筒形燃烧器，以及包括此顺序筒形燃烧器的用于发电站的燃气涡轮。

背景技术

如已知，用于发电站的燃气涡轮组件（在下文中仅为燃气涡轮）包括具有轴线且设有上游压缩机区段、燃烧器区段和下游涡轮区段的转子。用语下游和上游是指穿过燃气涡轮的主气流的方向。具体而言，燃烧器包括供有空气的入口以及压缩经过的空气的多个叶片。离开压缩机的压缩空气流入仓室，即，由外壳界定的封闭容积，且从该处进入燃烧器中。在燃烧器内，压缩空气与至少一种燃料混合。燃料和压缩空气的混合物流入燃烧室，在该处，该混合物燃烧。所得的热气体离开燃烧器且在涡轮中膨胀来在转子上做功。

为了实现高效率，需要高涡轮入口温度。然而，由于此高温，故生成高NOx排放。

为了减少这些排放并提高操作灵活性，如今已知执行顺序燃烧循环的特定类型的燃气涡轮。

大体上，顺序燃气涡轮包括串联的两个燃烧器，其中每个燃烧器设有相关烧嘴和燃烧室。沿着主气流方向，上游燃烧器称为“预混”燃烧器且由压缩空气进给。下游燃烧器称为“顺序”或“再热”燃烧器且由离开第一燃烧室的热气体进给。根据第一类型的顺序燃气涡轮，两个燃烧器由称为高压涡轮的涡轮叶片级物理地分离。

如今，已知第二类型的顺序燃气涡轮，其中此类燃气涡轮未设有高压涡轮，且预混和再热烧嘴在共同的筒形壳内直接地布置在彼此下游。根据此类顺序燃气涡轮，多个筒形燃烧器布置为围绕转子轴线的环。每个筒形燃烧器设有衬套，即，限制燃烧室的壳，其分成分别相对于再热烧嘴在上游和下游的两个部分。衬套的上游部分称为预混衬套，而下游部分称为顺序衬套，且在下游与称为相框的面对涡轮的凸缘连接。通常，顺序衬套和相框实现为称为过渡管的单件，其构造成朝涡轮引导离开燃烧器的热气体，具体是朝涡轮的第一导叶。例如，再热烧嘴可以以延伸跨过流动通道的多个单或双燃料喷射器指的形式实现。优选地，这些喷射器指可以以具有优选叶形后缘的流线体的形式实现。由于高热气体温度，故再热烧嘴未设有任何火花器，且燃烧作为自燃开始。

当然，有可能实现带有单个燃烧级且因此包括单个烧嘴和限定单个燃烧室的单个衬套的筒形燃烧器。

引用了上述不同类型的燃气涡轮（即，带有单个或两个燃烧级的筒形燃烧器），因为根据本发明的烧嘴可用作单个烧嘴或作为这两个不同类型的筒形燃烧器中的预混烧嘴。

通常，顺序筒形燃烧器中的预混烧嘴，或单个筒形燃烧器中的单个烧嘴，具有烧嘴轴线，且包括由压缩空气进给的入口，以及用于排放燃烧室中的空气和燃料的混合物的出口。烧嘴包括至少燃料喷射器，优选多个气体和/或油喷射器，其构造成用于在穿过烧嘴的空气流中喷射燃料。为了具有空气与燃料的改善的混合，已知向烧嘴提供涡旋生成器，其构造成生成空气或进入燃烧室中的空气和燃料的混合物的轴向涡流。具体而言，烧嘴包括构造成用于限制/容纳涡流且用于与燃烧器室壳联接的壳，以及沿轴线大致延伸到燃烧室（即，与烧嘴出口大致轴向对齐）的轴向喷枪。此类喷枪也称为“钝头体”。优选地，此类喷枪设有构造成用于将传送空气、油燃料和/或气体燃料引导至喷枪末梢的任何内通道。油和/或气体燃料从喷枪末梢喷射到进入燃烧室的涡流。由于喷枪构造成实现喷枪末梢处的再循环旋涡分解，故发生空气/燃料混合的喷枪末梢上的区称为“钝头体再循环区”。为了在燃烧室中开始燃烧过程，故燃烧器至少设有火花生成器，其通常整体结合在称为“火炬”的特定喷枪中。

根据现有技术的实践，火花生成器布置在燃料喷射下游，即，喷枪末梢下游，在燃烧室的第一部分处。具体而言，在此布置中，火花生成器支承火炬相对于燃烧器轴线沿径向设置。为了到达待燃烧的气体，火炬穿过燃烧室中的若干衬套壁中获得的孔。

提供火花生成器的火炬的上述现有技术的布置涉及一些缺陷。实际上，支承火炬的衬套壁中获得的通孔可生成热气体泄漏。此外，火花生成器位于燃烧室中，且因此与热燃烧气体直接接触。在此情况下，火花生成器可由氧化影响。此外，支承火炬的衬套壁经历不同的温度，例如，内衬套热壳比外衬套冷壳更热。在此情况下，支承火炬的孔的不均匀轴向位移可能随衬套壁的过度磨损而发生。

从此现有技术的实践出发，现今需要改进带有中心喷枪（钝头体）的所述烧嘴，以便克服前文提到的缺陷。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种用于燃气涡轮发电站的烧嘴，具体是用于燃气涡轮发电站的筒形燃烧器的烧嘴。根据本发明的烧嘴可为用于顺序筒形燃烧器的预混烧嘴，或单级筒形燃烧器中存在的单个烧嘴。然而，根据本发明的烧嘴还可为设有高压涡轮的燃气涡轮中的环形燃烧器的烧嘴。烧嘴是圆柱形的，且具有也对应于主轴向空气/气体方向的轴线。相对于空气流方向的上游，烧嘴包括由压缩空气进给的入口，具体是由压缩机在仓室中输送的压缩空气。相对于空气流方向的下游，烧嘴包括面对燃烧室的出口。穿过烧嘴出口，气体离开烧嘴且进入燃烧室中。根据本发明的烧嘴设有钝头体喷枪，即，具有沿烧嘴轴线延伸的本体且具有带末梢的下游部分的喷枪，末梢大致在烧嘴出口处，且构造成实现用于空气和燃料的混合物的再循环区。换言之，沿轴向方向，喷枪末梢大致与燃烧室的入口对齐。烧嘴还设有至少燃料喷射器，优选多个气体和/或油燃料喷射器，以用于在穿过烧嘴的空气流中喷射燃料。此外，烧嘴包括壳，壳包绕喷枪，且形成至少围绕喷枪下游部分的环形腔。此外，烧嘴包括涡旋生成器，其构造成生成环形腔中的轴向涡流。

上文列出的烧嘴特征是现有技术中已知的，且指的是具有管状壳的烧嘴，称为“轴向旋流器烧嘴”，或V形发散壳，称为“EV烧嘴”两者。将参照图3和图4在下面说明这两种不同类型的烧嘴的详细描述，图3和图4分别示出了EV烧嘴和轴向旋流器烧嘴。

根据本发明的主要方面，烧嘴至少还包括喷枪末梢处的火花生成器。因此，火花生成器整体结合在喷枪中，且沿轴向面对燃烧室。

将火花器置于喷枪末梢提供了相对于现有技术实践的多个优点，其中火炬沿径向设置在喷枪末梢下游的燃烧室中。实际上，根据本发明，火花器位于火焰稳定区中，且因此允许可靠的点火条件。火花器未布置在燃烧室中，且因此最小化磨损和氧化的风险。此外，火花器仅需要轴向补偿，以便允许热膨胀。

根据本发明的优选实施例，涡旋生成器包括多个流线体，其构造成用于使穿过环形腔的压缩空气成涡旋。这些流线体可连接至喷枪的外表面和/或壳的内表面。在此实例中，燃料喷射器可位于流线体处和/或喷枪末梢处和/或外壳处。

根据本发明的另一个优选实施例，壳或外壳包括中间部分，其构造成用于用作涡旋生成器，以用于使穿过外壳的压缩空气成涡旋。壳的涡旋部分优选是V形发散形状，且后面是管状或扩散部分。在该实例中，燃料喷射器可位于外壳的V形发散形状部分和/或喷枪末梢处。

优选地，喷枪末梢可设有传送或冷却空气喷射孔，且沿轴线，火花生成器可与喷枪末梢表面对齐或凹入或凸出。

此外，喷枪末梢可设有温度传感器和/或压力传感器和/或火焰传感器。

前文已经将本发明描述为涉及烧嘴。然而，本发明还涉及燃烧器，具体是顺序筒形燃烧器，其设有如前文所述的预混烧嘴，并且涉及包括此筒形燃烧器的用于发电站的燃气涡轮。

将理解的是，以上总体描述和以下详细描述两者都是示例性的，且旨在提供如提出的本发明的进一步阐释。本发明的其它优点和特征将从以下描述、附图和权利要求中清楚。

附图说明

在适当参照附图来仔细阅读详细描述之后，本发明的其它利益和优点将变得清楚。

然而，可通过参照本发明的以下详细描述来更好地理解本发明，其连同附图描述了本发明的示例性实施例，在附图中：

-图1为设有具有单个燃烧级的筒形燃烧器的用于发电站的燃气涡轮的示意图；

-图2为串联地设有预混烧嘴和再热烧嘴的用于发电站的燃气涡轮的筒形燃烧器的示意图；

-图3为根据本发明的第一实施例的截面视图；

-图4为根据本发明的第二实施例的示意图；

-图5和6为根据本发明的喷枪末梢的两个实例的示意图。

具体实施方式

与附图结合，本发明的技术内容和详细描述在下文中根据优选实施例描述，而不用于限制其执行范围。根据所附权利要求制作出的任何等同的变型和改型所有都由本发明提出的权利要求覆盖。

现在将参照附图来详细描述本发明。

现在参看图1，图1是用于发电站的燃气涡轮的示意图，其可设有根据本发明的烧嘴。具体而言，图1公开了具有轴线9且包括压缩机2、燃烧器区段4和涡轮3的燃气涡轮1。如已知，压缩机包括由环境空气进给的入口，压缩空气一旦被压缩，则离开压缩机2并进入仓室16，即，由外壳17限定的容积。压缩空气15从仓室16进入燃烧器区段，燃烧器区段包括围绕轴线9环形地布置的多个筒形燃烧器4。用语下游和上游是指气体主流动方向。每个筒形燃烧器4包括至少烧嘴5，在该处，压缩空气与至少燃料混合。该混合物然后在燃烧室6中燃烧，且所得的热气体在向下游连接至涡轮3的过渡管7中流动。涡轮3包括由导叶载体14支承的多个导叶12，即，定子叶片，以及由转子8支承的多个叶片13，即，转子叶片。在涡轮3中，热气体膨胀来在转子8上做功，且以排气11形式离开涡轮3。

现在参看图2，图2是可应用于图1的燃气涡轮且可设有根据本发明的预混烧嘴的筒形燃烧器的示意图。具体而言，图2公开了一种筒形燃烧器4，其具有轴线24，且包括连接至限定仓室16的外壳17的相关端口孔28的燃烧器外壳，其中压缩空气由压缩机2输送。筒形燃烧器4包括沿气流M串联的第一燃烧器或预混燃烧器18，以及第二燃烧器或再热燃烧器19。具体而言，第一燃烧器18包括第一或预混烧嘴20，以及第一燃烧室21。再热燃烧器19包括再热烧嘴22和第二燃烧室23。根据图2的实施例，燃料由燃料喷枪25进给至再热烧嘴22，燃料喷枪25沿轴向延伸穿过第一燃烧室21直至再热烧嘴22。在第二燃烧室23下游，筒形燃烧器4包括用于将热气流引导至涡轮3的过渡管26。当然，本发明还可应用于其它类型的顺序筒形燃烧器，其中燃料由布置在燃烧室外的管路进给至再热烧嘴22。

现在参看图3，图3是根据本发明的第一实施例的烧嘴的示意图。该烧嘴30称为EV烧嘴，且包括轴线10和喷枪35或火炬，其沿轴线10大致延伸至连接至燃烧室34的烧嘴排放出口33。该烧嘴30包括包绕喷枪的下游部分36且限定围绕喷枪35的环形腔40的壳41。在该实例中，壳41和喷枪35实现为单件，且彼此连接至喷枪35的中间部分。根据图3，壳41包括V形发散部分43，其下游接着连接至燃烧室34的管状部分46。沿V形发散部分43，壳41设有用于压缩空气（图3中由箭头32代表）的入口端口，且该V形发散部分43构造成在围绕喷枪35的腔40中生成轴向涡旋S。V形发散部分43也设有多个燃料气体喷射孔38，其面对腔40，连接至壳41内获得的气体供应通道。备选地或组合地，壳41的下游端47也可设有燃料气体喷射孔38和/或油燃料喷射器39。作为上述燃料供应系统的备选或与之组合，喷枪35可设有用于将空气52、气体燃料28和油燃料39进给至喷枪末梢39的内通道，喷枪末梢37设有相对喷射孔或喷射器。喷枪末梢37在沿相对于壳端47的轴向方向的凹入位置，且设有火花器45，其朝燃烧室34突出喷枪末梢表面。

现在参看图4，图4是根据本发明的烧嘴的第二实施例的示意图。该烧嘴31称为轴向旋流器烧嘴，且包括轴线10和喷枪35或火炬，其沿轴线10大致延伸至连接至燃烧室34的烧嘴排放出口33。该烧嘴31包括管状壳42，其具有下游部分46，下游部分46包绕喷枪35的下游部分36，且限定围绕喷枪35的环形腔40。根据图4，喷枪35的外表面设有多个流线体44，其构造成生成轴向涡旋S，涡旋S始于腔40中的轴向空气进给部分32。在该实例中，气体燃料喷射孔在流线体44处获得。喷枪末梢37设有两个火花生成器45，其朝燃烧室突出喷枪末梢表面。

现在参看图5和6，图5和6是根据本发明的喷枪末梢的两个实例的示意图。在图5的实例中，喷枪末梢37设有两个火花生成器45、油燃料喷射器39、火焰传感器50、压力传感器49、温度传感器48和多个气体燃料喷射孔38。在图6的实例中，喷枪末梢37设有火花生成器45、四个油燃料喷射器39，以及多个气体燃料喷射孔38。

尽管关于如上文提到的其优选实施例阐释了本发明，但将理解的是，可制作出许多其它可能的改型和变型，而不脱离本发明的范围。因此，可构想出的是，所附一项或多项权利要求将覆盖落入本发明的范围内的此类改型和变型。

Claims (8)

1.一种用于燃气涡轮发电站燃烧器的烧嘴，所述烧嘴（30、31）具有轴线（10）且包括：

-由压缩空气进给的入口（32）；

-面对燃烧室（34）的烧嘴出口（33）；

-钝头体喷枪（35），其沿所述轴线（10）延伸且具有喷枪下游部分（36），所述喷枪下游部分（36）带有大致在所述烧嘴出口（33）处的喷枪末梢（37）；

-用于在空气流中喷射燃料的至少燃料喷射器（38、39）；

-至少所述喷枪下游部分（36）与壳（41、42）之间的环形腔（40）；

-用于在所述环形腔（40）中生成空气或空气和燃料的混合物的轴向涡流（S）的涡旋生成器（43、44）；

其特征在于，

所述烧嘴（30、31）还包括在所述喷枪末梢（37）处的至少火花生成器（45）；

其中，所述壳（41、42）包括可与所述燃烧室连接且具有V形发散形状的下游部分（46）；沿所述轴线（10），所述喷枪末梢（37）相对于所述壳的下游部分（46）的下游边缘（47）凹入；沿所述轴线（10），所述火花生成器（45）相对于所述喷枪末梢（37）突出。

2.根据权利要求1所述的烧嘴，其中，所述涡旋生成器（43、44）包括构造成使穿过所述环形腔（40）的所述压缩空气成涡旋的多个流线体，所述流线体连接至所述钝头体喷枪（35）的外表面和/或至所述壳的内表面。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的烧嘴，其中，所述壳包括构造成用于用作涡旋生成器的中间部分，以用于使穿过所述壳的所述压缩空气成涡旋。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的烧嘴，其中，所述燃料喷射器（38、39）布置在所述喷枪末梢（37）处和/或面对所述环形腔（40）的所述壳处和/或连接至面对所述环形腔（40）的所述涡旋生成器。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的烧嘴，其中，所述燃料喷射器包括至少气体燃料喷射器（38）和/或至少油燃料喷射器（39）。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的烧嘴，其中，所述喷枪末梢（37）设有温度传感器（48）和/或压力传感器（49）和/或火焰传感器（50）。

7.用于燃气涡轮（1）的筒形燃烧器，所述筒形燃烧器具有轴线且包括串联的：

-第一烧嘴（5、20）；

-第一燃烧室（21）；

-第二烧嘴（22）；

-第二燃烧室（23）；

-过渡管（26）；

其中所述第一烧嘴（5、20）根据权利要求1至6中任一项实现。

8.一种用于发电站的燃气涡轮；所述燃气涡轮（1）具有轴线（9）且沿着气流方向包括：

-用于压缩环境空气的压缩机区段（2），

-用于混合且燃烧压缩空气与至少燃料的燃烧器区段（4），

-用于膨胀离开所述燃烧器区段（4）的燃烧热气流且在转子（8）上做功的至少涡轮区段（3）；

其中所述燃烧器区段（4）至少包括根据权利要求7所述的筒形燃烧器。

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