CN1113161C - 有选择地将燃料和/或水导入燃烧室的装置 - Google Patents

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Abstract

一种将燃料和/或水有选择地导入燃烧室尤其是燃气轮机燃烧室的装置，具有控制供料管和供水管可以有选择地与燃烧室供给管相连的阀机构，在这类装置中通过使阀机构具有一组合阀而大大减少活动件的数目，该阀可转换到至少五个不同的阀位，其中在第一阀位只有供料管与燃烧室供给管相连，在第二阀位只有供水管与供给管相连，在第三阀位供料管和供水管同时与供给管相连，在第四阀位供料管和供水管相互连接而与供给管隔开，在第五阀位供料管和供水管分别关闭。

Description

有选择地将燃料和/或水导入燃烧室的装置
本发明涉及燃烧技术领域，涉及一种有选择地将燃料和/或水导入燃烧室尤其是燃气轮机燃烧室的装置。该装置具有将供料管和供水管有选择地与通向燃烧室的公共的燃烧室供给管连接的阀门机构，或者供料管和供水管可以相互连接，以便冲洗供料系统，或者供料管和供水管可分别关闭。
在组合式发电站中所使用的用于生产电能的燃气轮机中，为了达到适宜的废气值(低的NOx)越来越多地注重将水连同燃料(例如燃料油)射入有关的燃烧室中，以便降低燃烧室中的温度，从而阻止或很难形成不希望的氮氧化物。在申请人制造的大型燃气轮机(例如GT13E2型)中，燃烧通常采用一大型环形的燃烧室，其中(环形地)设置有多个单独控制的燃烧器。为了向燃烧器供应燃料和水分别设有可更换的燃烧器喷管，将燃料和水供入喷管的内部，必要时也可以从外部向燃烧器供应点火气体。这里，燃料和水可以在分开的导管中输送并分开喷射，或者已经在喷管的入口混合成一种乳浊液，然后继续供入一公共的导管(请参见申请人的DE-A1-4401097)。
在所有情况中，燃烧器喷管在入口侧分别经独立的供料阀连接在供料管和供水管上。为了向所有喷管供料，这些供料管和供水管环形地从喷管入口旁经过。供料阀能够开启和关闭各燃烧器并同时控制燃料与水的混合比。另一个将两根导管相互连接的阀能够用供水管中的水冲洗供料管。此外在环形的燃料管上设有一个排气阀，系统中的空气(或水)可以在环形管加燃料时通过此排气阀逸出。
因此，这类燃料分配系统具有一定数目的阀，它们为燃烧器或喷管数目的数倍。由于每一这种阀都具有可移动的零件，因此除了设备费用外，随着阀数目的增加故障可能性和维修费用首先增加。
因此，本发明的目的在于，改进上述类型的装置，克服现今装置中的缺点，提高可靠性和实现简单的控制。
这一目的在上述类型的装置中是这样实现的，即阀门机构包括一组合阀，该组合阀可以转换到至少五个不同的阀位，其中在第一个阀位只有供料管与燃烧室供给管连接，在第二个阀位只有供水管与燃烧室供给管连接，在第三个阀位，供料管和供水管同时与燃烧室供给管连接，在第四个阀位，供料管和供水管相互连接而与燃烧室供给管隔开，在第五个阀位，供料管和供水管分别关闭。本发明的核心在于，所有必需的阀功能用一个单一的组合阀完成，该组合阀可以转换到不同的阀位。这种组合阀只用一个移动件即可实现，从而在燃料器或燃烧器喷管很多时可以大大减少移动件的数目，从而明显减少故障率。
在本发明的装置中，在第三个阀位，供料管和供水管同时与燃烧室供给管连接，从而将燃料和水供给燃烧室。如果将第三阀位固定而要调节燃料和水之间的混合比，则可以至少在一个供给管中装入另一阀。为了避免使用另一阀，和完全维护本发明所能获得的优点，按照本发明的第一优选实施例，在第三阀位内部通过改变阀位可以调节水和燃料之间的混合比，从而用同一个组合阀也可以调节燃料和水的混合比。
本发明装置的第二优选实施例的特征在于，设置第六个阀位，在这一阀位供水管关闭，同时供料管与排气口连接。这样，不需要附加的移动件或阀就可使供料管排气并在实际的运行开始之前填充燃料。
本发明的又一优选实施例的特征在于，组合阀设计成旋转阀，每一个阀位对应于旋转阀的预定旋转角，组合阀包括一个安装在阀孔内一绕纵轴旋转的阀活塞，在阀活塞中沿旋转轴前后设置有槽或铣出的孔，它们分别形成一个可绕旋转轴旋转的阀室。燃烧室供给管、供料管和供水管在阀室的各个高度连接到阀孔上。旋转阀唯一的可动件是旋转活塞。旋转活塞的这一特殊结构带来了阀极为简单的结构和很高的功能可靠性。
尤其有利的是，按照这一实施例的一个优选的改进结构，如果阀活塞具有两个槽或铣出的孔，它们分别形成具有半圆横截面的阀室，如果这两个阀室相对于旋转轴旋转180°设置，如果供料管和供水管相互平行地并沿着旋转轴方向前后接入阀孔中，其中供料管在阀活塞的适当的旋转位置接入第一阀室，供水管在阀活塞的适当的旋转位置接入第二阀室；如果在第一阀室的范围从阀孔横向于供料管引出第一燃烧室的出口，如果在第二阀室的范围，从阀孔沿与第一燃烧室出口相反的方向引出第二燃烧室出口；如果这两个燃烧室出口连接在燃烧室供给管上；如果在第二阀室的范围从阀孔沿与第二燃烧室出口的相反方向引出另一个出口，该出口经连接管与燃烧室供给管的一条支管相连。
原则上不同的传动均可用来操作旋转阀，各个旋转位置或阀位可以通过相应的卡紧机构确定。按照另一个优选的实施例，如果设置一个步进电机来操作组合阀或旋转阀，则是特别简单和有利的。用这一步进电机可以同时旋转阀门和可靠地控制一预定的旋转位置。
按照另一个优选的实施例，如果燃烧室供给管在燃烧器喷管内通入燃烧室，则是特别节省空间的。该燃烧器喷管在其背离燃烧室的一端具有一喷管头，组合阀就装在喷管头中。
下面借助于实施例结合附图进一步说明本发明。其中：
图1按照本发明装入喷管头中的组合阀的优选实施例的简化透视图，其中出于清楚起见省去了组合阀内部的各连接管；
图2以示意透视图表示属于阀的各种连接管，表示了两个阀室的中间平面中的横截面；
图3～8分别为与图2类似的六个不同阀位的视图，这六个阀位完成各种阀功能。
图1以简化的透视图表示本发明组合阀的一个优选的实施例，该组合阀装在燃烧器喷管的喷管头中。燃烧器喷管10沿着喷管轴线23从一个位于燃烧室外面的喷管头11延伸至安装在燃烧室中的燃烧器(两者均未在图1中示出)。液态燃料(油或燃料油)用供料管18供入燃烧器喷管10，相应地水用供水管供给。燃料和/或水通过安装在喷管头11中的组合阀12根据阀位有选择地导入燃烧室供给管17中，该供给管在燃烧器喷管10内平行于喷管轴23地向喷管尖端(未图示)延伸。阀范围内液体的流动方向在图1中用箭头表示。出于清楚的原因在图1中没有示出组合阀12内对于阀功能重要的连接管，而是在下面的结合图2的示意图作进一步说明。
对于实现组合阀12的功能重要的是圆柱形阀活塞14，它可(围绕喷管轴23)旋转地安装在喷管头11的相应阀孔13中。为了在阀孔13中密封阀活塞14，可以设置例如O形环等的密封件。出于简化原因没有表示这类密封件。在阀活塞14中沿着旋转轴前后设置有槽或铣出的孔，它们分别形成一可围绕旋转轴23旋转的、具有半圆形横截面的阀室15、16。这两个阀室15、16相对于旋转轴23旋转180°设置。供料管18和供水管19相互平行地沿着旋转轴23的方向前后接入阀孔14，其中供料管18在阀活塞14的适当旋转位置(如图1所示)通入第一阀室15，而供水管19在阀活塞14的适当旋转位置(与图1所示的情况相反)通入第二阀室16。燃烧室供给管17在两个阀室15、16的高度连接在阀孔13上。阀活塞14可以绕旋转轴23 360°旋转地转入不同的阀位。为了操作阀活塞设有一个位于旋转轴23上的步进电机20，该电机经控制回路21控制，其控制信号经信号线22获得。
从图2的示意透视图中可以看到对于阀功能重要的而在图1中省去了的组合阀12中的连接管。图2的下(前)部分表示图1中在通过阀室15的中间平面中喷管头11的横截面。图2的上(后)部分相应表示在通过第二阀室16的中间平面的横截面。供料管18从右侧接入阀孔13或第一阀室15。其后的供水管19在第二阀室16的范围接入阀孔13，但在图2所示的阀位用阀活塞14(阴影线)封闭。
在第一阀室15的范围横向于供料管18从阀孔13引出第一燃烧室出口25，该出口连接在导向燃烧器(虚线表示)的燃烧室供给管17上。第一燃烧室出口25略微向左错开地设置，这样，在第一阀室15的底位于竖直方向和第一阀室15向着供料管18开放的阀位中，该出口25通过阀活塞14关闭。此外，横向于供料管18向下从阀孔13引出一排气口24，该排气口24略微向左错开设置，这样，在第一阀室15的底位于竖直方向和第一阀室15向着供料管18开放的阀位，该排气口通过阀活塞14关闭。
在第二阀室16的范围，横向于供水管19从阀孔13向下引出第二燃烧室出口26，该出口同样连接在燃烧室供给管17上。第二燃烧室出口26同样略向左错开设置，这样，在第二阀室16的底位于竖直方向和第二阀室16向着供水管18开启的阀位，该出口26通过阀活塞14关闭。此外，在第二阀室16的范围从阀孔10向着供水管19向上引出一出口29，该出口经过(虚线表示的)连接管28连接在供料管18的支管27上。出口29略向右错开设置，这样，在第二阀室16的底位于竖直方向和供水管18关闭的阀位，该出口通过阀活塞14同样被关闭。
用上述的组合阀12的结构借助于适当的阀位(旋转位置)即可实现用于燃烧器喷管的所有必要的阀功能。在图3-8中表示了不同的阀位，下面将说明有关阀的功能。
在图3所示的相应于图2的阀位中，供料管18径第一阀室15完全与燃烧室供给管17相连。相反，供水管19关闭。这同样适用于出口29或连接管28。在这一阀位只有液态燃料喷入燃烧室。
图4所示的阀位是从图3阀位通过阀活塞反时针方向旋转45°获得的，其中排气口24和出口29都对连接管28关闭。相反，供料管18和供水管19部分开启，即燃料和水经阀室15或16流入燃烧室供给管17中。其中燃料对水的混合比根据阀活塞14的精细调节而确定。在图4所示的位置中，燃料和水相同部分地流入燃烧室供给管中。相反，如果阀活塞沿顺时针方向旋转，则供水管19的通道被大大的节流，而供料管19的通道被大大的开启，这样就提高了燃料/水混合物中燃料的成份。在沿反时针方向调节阀活塞14时，混合比反向改变。其中借助于步进电机20通过精确的调节可以实现对混合比的精确调节。
图5所示的阀位是从图3的阀位通过沿顺时针方向旋转阀活塞1445°获得的，其中供水管19和出口29关闭。同样，供料管18与第一燃烧室出口25和与排气口24的连接中断。在燃烧器关闭时，这一阀位起作用，而使燃烧室供给管17、供料管18和供水管19本身中断或关闭。
图6所示的阀位是从图4的阀位沿顺时针方向旋转阀活塞14 45°获得的，其中只有供水管19经第二阀室16与燃烧室17完全连接。所有其余的连接均中断。在这一阀位，燃烧器喷管10至燃烧器侧的出口用水冲洗，以除去残留的燃料。
图7所示的阀位是从图3的阀位旋转阀活塞14 180°获得的，其中燃烧室供给管17关闭。相反，供水管19经出口29和连接管28与供料管18相连。在这一阀位，(环形的)供料管18用供水管19中的水冲洗并清洁。
图8所示的阀位是从图6的阀位旋转阀活塞14 180°获得的，其中燃烧室供给管17和供水管19关闭，而供料管18经第一阀室15与排气口24相连。在这一阀位，供料管18可以用燃料充填，同时排气，这样，燃料分配系统在运行开始时就已经完全充满燃料。
总而言之，用本发明获得了一种将燃料和/或水有选择地导入燃烧室中的装置，该装置具有下述优点：
-通过只具有一个活动件(阔活塞)的组合阀按简单和可靠操作的方式通过至少六个不同的阀位实现了六种不同的阀功能，这对于该装置的运行是重要的，
-通过位置精确的阀的传动(步进电机)可以在一个阀位同时调节燃料对水的混合比，
-按上述方法对于每个燃烧器或燃烧器喷管可以各自调节混合比，
-具有传动的组合阀可以按简单和节省空间的方式直接整合在燃烧器喷管的头中。

Claims (10)

1.将燃料或水或燃料和水有选择地导入燃烧室中的装置，该装置具有阀机构，借助于该阀机构，燃料供料管(18)和供水管(19)可以有选择地与通向燃烧室的公共的燃烧室供给管(17)相连，或者供料管(18)和供水管(19)相互连接，以便冲洗供给系统，或者供料管(18)和供水管(19)分别关闭，其特征在于，上述阀机构包括一组合阀(12)，该组合阀至少可转换到五个不同的阀位，其中，在第一阀位只有供料管(18)与燃烧室供给管(17)连接，在第二阀位只有供水管(19)与燃烧室供给管(17)连接，在第三阀位供料管(18)和供水管(19)同时与燃烧室供给管(17)连接，在第四阀位供料管(18)和供水管(19)相互连接而与燃烧室供给管(17)隔开，在第五个阀位供料管(18)和供水管(19)分别关闭。
2.按照权利要求1的装置，其特征在于，在第三阀位内，通过改变阀位可调节水和燃料间的混合比。
3.按照权利要求1或2的装置，其特征在于，设有第六个阀位，在该阀位，供水管(19)关闭，同时供料管(18)与排气口(24)相连。
4.按照权利要求1或2的装置，其特征在于，组合阀(12)设计为旋转阀，每一个阀位对应于旋转阀的一个预定旋转角。
5.按照权利要求4的装置，其特征在于，组合阀(12)包括一个在阀孔(13)内可围绕纵轴旋转安装的阀活塞(14)，在阀活塞(14)中在旋转轴上前后设有槽或铣出的孔，它们分别形成可绕旋转轴旋转的阀室(15，16)，燃烧室供给管(17)、供料管(18)和供水管(19)分别在阀室(15、16)的高度连接在阀孔(13)上。
6.按照权利要求5的装置，其特征在于，阀活塞具有两个槽或铣出的孔，它们分别形成具有半圆形横截面的阀室(15，16)，这两个阀室(15，16)相对于旋转轴旋转180°设置，供料管(18)和供水管(19)相互平行地沿着旋转轴的方向前后接入阀孔(14)中，其中供料管(18)在阀活塞(14)的适当旋转位置接入第一阀室(15)，供水管(19)在阀活塞(14)的适当旋转位置接入第二阀室(16)，在第一阀室(15)的范围，从阀孔(14)横向于供料管(18)引出第一燃烧室出口(25)，在第二阀室(16)的范围，从阀孔(14)沿着与第一燃料室出口(25)相反的方向引出第二燃烧室出口(26)，这两个燃烧室出口(25，26)连接在燃烧室供给管(17)上，在第二阀室(16)的范围，从阀孔(14)沿着与第二燃烧室出口相反的方向引出另一出口(29)，该出口经连接管(28)与供料管(18)的支管(27)相连。
7.按照权利要求6的装置，其特征在于，在第一阀室(15)的范围内，从阀孔(14)沿着与第一燃烧室出口(25)相反的方向引出一排气口(24)。
8.按照权利要求4的装置，其特征在于，为了操作组合阀(52)或旋转阀设有一步进电机(20)。
9.按照权利要求1的装置，其特征在于，燃烧室供给管(17)在燃烧器喷管(10)内通入燃烧室，燃烧器喷管(10)在其背离燃烧室的一端具有一喷管头(10)，组合阀(12)安装在喷管(11)中。
10.按照权利要求9的装置，其特征在于，组合阀(12)设计成旋转阀，旋转阀的旋转轴平行于燃烧器喷管(10)的轴线(53)。
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