CN1140489A - 在压缩空气中燃烧燃料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在压缩空气中燃烧燃料的方法，压缩空气制备成沿轴线(1)流动的气流(2)。在这种情况下，首先从气流(2)中分出多股支流(3)，并为每股支流(3)单独供应一部分燃料和燃烧为伸入气流(2)中的引领火焰(25)。其余的燃料分布在气流(2)中并在引领火焰(25)中点燃和燃烧。燃料在气流(2)中所形成的分布(28)是不均匀的，在每一个引领火焰(25)处有一个局部最大值(29)。这种方法特别适合于应用在燃气轮机中，并保证燃料迅速和完全燃烧。

Description

在压缩空气中燃烧燃料的方法

本发明涉及一种在压缩空气中燃烧燃料的方法，压缩空气制备成沿轴线流动的气流，其中，首先从此气流中分出多股支流，为每股支流单独供应一部分燃料和燃烧成伸入气流中的引领火焰，而其余的燃料分布在气流中，在引领火焰处点燃和燃烧。

本发明具体涉及在燃气轮机中压缩机部段与涡轮部段之间流动的压缩空气中的燃料的燃烧。在一台相应的燃气轮机的两个涡轮部段之间流动的压缩空气中燃料的燃烧，也属本发明考虑之列。

在用于提供机械能的燃气轮机中，空气在压缩机部段中被压缩为高压，接着，通常通过燃料的燃烧供入热量而被加热，在这种情况下，一般基本上保持这一高压，并最终在涡轮部段中膨胀降压。燃料的燃烧按传统的方法实现，此时，气体通过燃烧室流动，在燃烧室中设有燃烧器或多个燃烧器的装置，通过它们向气体中供入要燃烧的燃料并点燃之。

这类燃烧器的例子可参阅EP0193838 B1、US-Patent Re.33896、EP0276696B1、US-Patent 5062792、WO92/19913 A1，以及其他的实施形式如EP0210462 A1、EP0321809 A1和EP0 483554 A1。由EP0 489193 A1可知一种用于燃气轮机的燃烧室的例子，它设有多个燃烧器，这种燃烧室有一个带端壁的圆形环腔，燃烧器固定在端壁上，被提供来用于燃烧的压缩空气大部分经燃烧器流入环腔。此外，环腔以一个内壁和一个外壁为界，它们各具有一些用于流过空气的孔口。通过这些孔口流入环腔中的空气用于冷却内壁和外壁。燃烧室设在燃气轮机的压缩机部段与涡轮部段之间。在压缩机部段中压缩过的空气流进入燃烧室之前，它多次转向并最晚在进入燃烧室时失去它在离开压缩机部段时可能获得的扭转。尽管每个燃烧器本身给予流过它的气体支流某种程度的扭转，然而这还不足以使气流获得一种相对于轴线的扭转。由于燃烧室的结构以及比较复杂的气流导引装置造成了很大的压力损失；此外，由于气流失去了在压缩机部段中可能获得的扭转，所以气流必须在进入涡轮部段时重新被加入扭转，这就需要昂贵的设备方面的支出，并导致进一步的压力损失。

由EP0590297 A1可知一种燃烧室的例子，在这一燃烧室中导引一种带扭转的压缩空气流。虽然此文献没有明确说明燃烧室应如何设计，但指出了在保持扭转的情况下为了导引气流通过燃烧室，可以取消按传统的方式设在涡轮进口的固定的导向轮。

在压缩空气流中燃烧的方式和方法取决于有关于气流的许多细节。尤其是当气流运动得比较快时，在气流中进行的燃烧趋于不稳定，这种不稳定可能表现为增加有害物质的产生量，并可能直至使燃烧完全中断。当然，总是非常希望在此较快速流动的气流中相应进行必须的短时间内的燃烧，以抑制氧化氮的产生量，这种氧化氮由于燃烧时出现的高温自行调整，而与燃烧时进行反应的具体情况无关。为了取代氧化氮产物，只需要在燃烧形成的烟气中有过剩的氧，当然在燃气轮机中总是存在着这种情况。气流在高温下停留的时间短与减少氧化氮的产生量意义相同。当具有扭转的气流通过时，刚才所叙述的困难可能变得更加严重，因为在规定的用于燃烧燃料的气流的停留时间下，要求有更高的流动速度。

鉴于这一困难，本发明的目的是提出一种在压缩空气中燃烧燃料的方法，它始终保证燃料的稳定燃烧。

按本发明为达到这一目的，提出了一种在压缩空气中燃烧燃料的方法，压缩空气制备或沿轴线流动的气流，其中，首先从此气流中分出多股支流，为每股支流单独供应一部分燃料并燃烧成伸入气流中的引领火焰，其余的燃料分布在气流中，并在引领火焰处点燃和燃烧，其中，其余的燃料不均匀地分布在气流中，使由此所形成的燃料在气流中的分布，在每个引领火焰处有局部最大值。

就本发明的意图而言，除了将燃料在其中燃烧的空气流分成多股支流，并分别为每一股支流供入或多或少的热能的传统实践外；按本发明燃烧的主负荷不是在分成支流的气流中实施的。当然，是从气流中分出一部分气流并再分成一些支流，而这些支流用于形成引领火焰，它们伸入气流中并构成了其余燃料的点火源，燃料或多或少自由地分布在气流中。燃料在气流中的分布是有目的地不均匀，使得燃料在每个引领火焰处存在着分布的局部最大值。燃料在气流中的这种分布的不均匀性，保证在每个引领火焰处有比较充足的燃料与空气的混合物，这种混合气可简单并安全地点燃；在此意义上，与按传统的理解在燃料分布方面不希望有的不均匀性，对保证燃烧的稳定性和保证全部燃料彻底燃烧是有裨益的。

由气流分出的支流应这样确定并供入适当的燃料量，即，在所有可考虑到的情况下产生稳定燃烧；尤其是为了这种稳定燃烧应能形成一种较充足的燃料空气混合气。其余的燃料直接供入气流中，此时，所形成的混合气在中央比较贫乏，如同燃气轮机在一般工作状态下所要求的那样。由此存在的过剩空气有时对燃烧起不良的作用，并可能的话需要采取其他使燃烧稳定的措施。按本发明通过在有利的情况下所形成的引领火焰可实现这种稳定性，这些引领火焰起点火源的作用，并保证点燃直接供入气流中的燃料和它们的完全燃烧。

必要时压缩空气流可具有相对于轴线的扭转，尤其在燃气轮机中应用时这是有利的；也就是说，在这种情况下可以取消那些必须用于消除在压缩机部段中可能造成的气流扭转所设的导向器，因此燃气轮机可以设计得更加简单。此外，可能可以取消在涡轮进口缝隙处的导向器，通过它才能产生涡轮部段的旋转部件工作所需的扭转；即使并不总是可以完全取消导向器，也能将导向器设计得更加简单，因为气流已经具有一部分所需要的扭转，以及还需要的是比传统需要的要少的转向。

最好将从中分出支流的那一部分气流在分出支流前消除扭转，尤其是最好全部取消。取消扭转相应会带来减速和增压，这会被有利地充分利用来形成引领火焰。也就是说，在相应地设计导引装置的情况下，在减速时所产生的压力足以形成引领火焰，所以不再需要设置附加的鼓风设备或类似的装置。

将这种方法应用于燃气轮机中是特别有利的，其中，气流由燃气轮机的压缩机部段提供，并在燃料燃烧后供往燃气轮机的涡轮部段。具有另一项优点的做法是预设在进口间隙(气流通过它流入涡轮部段)中的导向叶片的数量并这样排列，即，使得由于燃料不均匀分布造成的气流中不均匀分布的温度的局部最大值，总是位于两个导向叶片之间。这一点尤其通过下列做法来达到：引领火焰的数量与导向叶片数量一致，以及，引领火焰和导向叶片在考虑到气流可能的扭转的情况下，以适当的方式彼此相对定位。

本发明的实施例表示在附图中。在附图中没有表示那些对用于说明不重要的细节。附图也不能看作是尺寸完全准确的一个具体实施例的示图，附图中：

图1为实施在压缩空气中燃烧燃料的方法的设备轴向纵剖面；

图2为如图1中线II-II所示通过此同一设备的横截面；

图3为如图2中线III-III所示通过此同一设备的切向剖面；

图4为如图1中线IV-IV所示通过图1设备的横截面；

图5为通过可装入设备中用于输入多种不同燃料的肋的横剖面；

图6为具有两个输入燃料的系统的布置。

在附图中彼此相应的部分用同样的标记符号表示，因此在这方面共同涉及图1至4。

尤其可由图1看出燃气轮机截面的一部分，而且有一个设在压缩机部段4与涡轮部段5之间的燃烧室，此燃烧室有一个环绕燃气轮机轴线1的环形腔6。由此压缩机部段4提供了沿轴线1流动并具有相对于此轴线1扭转的压缩空气流2。具有扭转的气流2的特点，在图中用象征性的弯曲箭头表示。气流2基本上不受阻碍地流过环形腔6，此环形腔6朝向轴线1的方向由内壁12为界，而离开轴线1的一边以外壁13为界。环形腔6围绕着燃气轮机的转子23。为防止气流2的一部分沿转子23流动，在转子23与内壁12之间插入密封装置24，例如迷宫式密封装置。要燃烧的燃料经管道系统8供入。在这种情况下，大部分燃料流入肋7，并通过设在每根肋7中的喷嘴9进入气流2中，在那里燃料被点燃和燃烧。在气流2通过进口间隙14流入涡轮部段5并到达在那里的导向叶片15之前，燃料应完全燃烧。为了影响和稳定经肋7供入的燃料的燃烧。并附加地为分出用于冷却内壁12和外壁13的空气，直接在压缩机部段4后面或近或远的地方，在环形腔6中插入一个环形通道16。空气的一部分流入环形通道16中，并在环形通道中分成多股支流3。每一股支流3通过相应的冷却管道19到达环形腔6的内壁12或外壁13的后面，并能冷却它们。另一股支流3流入引领燃烧器10。此引领燃烧器10有一个喷嘴11，燃料经管道系统8流入喷嘴11，引领燃烧器10设在肋7的前面。燃料的一部分供往引领燃烧器10或所设的多个引领燃烧器10，并主要与经支流3供入的那些空气燃烧。在这种情况下，燃料与空气的混合比可以灵敏地调整，尤其是调整到一个能保证恒定和稳定燃烧的值。这一燃烧使通过肋7供入的燃料燃烧稳定化。显然，根据设计，引领燃烧器10和肋7沿切向彼此错开；在这方面图1所示结构没有代表性。气流2进入环形管道16中的部分首先到达转向叶片17，并在那里转向，使得原来存在的扭转消失了。这一转向与某种程度的减速和由此产生的静压增加相联系，并因而有助于沿主要的圆周支流3的稳定化。气流2通过转向叶片17转向的部分到达集气腔18，从那里分出支流3。在引领燃烧器10后面的肋7的布置并不重要；肋7和引领燃烧器10沿轴线1的位置根据流量比来先定。完全可以想像，引领燃烧器10和肋7并列；于是有可能由肋7局部地代替冷却管道19。也可见图6。

图2在一个垂直于轴线1(图中以+字表示)的横截面视图中，表示环形腔的肋7与涡轮部段5中的导向叶片15互相排列成什么样的空间关系。弯曲的箭头表示气流2的扭转。可以看出，有与肋7同样多的导向叶片15，同时还可看出，肋7和导向叶片15的方位角以规定的方式彼此错开。若这一错开相应于气流2的扭转选择正确，那么气流2中温度分布有一个最大值，这一最大值产生在由于燃料不均匀分布而在燃料分布中出现的局部最大值处，准确地位于两个导向叶片15之间，并因而有助于减轻导向叶片15的热负荷。

由图3可知导向叶片15的这种降低热负荷是如何实现的。图3所表示的是相应于图2中的线III-III通过在图2中表示为横截面的结构的切向剖面。由图中可以看出，气流2是如何从肋7流向导向叶片15的。图3中还表示了气流2从肋7流出并结束燃烧时，在气流2中温度分布的概况。温度T表示为与坐标X的关系，坐标X垂直于气流2。由图可见，温度T的局部最大值位于两个导向叶片15之间，在导向叶片15附近的气流2的温度与其最大值相比明显降低。对于在燃气轮机中所进行的过程，在热力学上有重要意义的是对全部气流平均的温度平均值；通过因肋7的几何布置造成的不均匀的温度分布，可以达到使导向叶片15不是受到温度平均值或甚至高于此平均值的温度的负荷。而是受到一个比平均值明显低得多的温度的负荷。考虑到这一点，以及考虑到在涡轮部段5进口处所确定的可供使用的材料在最大温度下的热承载能力，可在充分利用本发明优点的情况下，达到显著提高此最大值。

由图3还可看出肋7的结构。肋7是空心的，内腔8属于用于燃料的管道系统，并具有许多喷嘴9，燃料通过喷嘴供入气流2中。喷嘴9基本上可以任意地沿肋7分布；并不要求喷嘴9只设在肋的下游侧的端部。对喷嘴9布置的唯一重要的准则是，在气流2中获得在本发明的范围内所要求的燃料分布的不均匀性。

图4表示用于分出支流3的带冷却管道19的环形通道16的结构。由图中还可见转向叶片17，它将气流2中进入环形通道16的部分转为沿轴向流动并有一定程度的减速，以获得在支流3中静压的提升。

图5表示通过肋7的横剖面，这种肋有能力按选择供给多品种的燃料。在肋7的内部有三个燃料通道20、21和22，其中，最小的燃料通道20用于提供油，中等的燃料通道用于提供天然气，最大的燃料通道用于提供低热值的可燃气体，例如煤气。每一条燃料通道20、21和22都与附属的喷嘴9相通。

图6表示在本发明的范围内向气流2供入燃料的两套系统的共同作用。在图的下部概略表示燃烧室中的流量比，其中，肋7和引领燃烧器10被气流2所绕流。按此图气流2直线流动。显然此图也适用于具有扭转的气流2，当然在这种情况下纵坐标便与沿有扭转的气流2不同，它不平行于轴线1，而沿着气流并因此围绕着轴线1为螺旋形。在图中的横坐标在任何情况下都是一个方位角，它环绕着轴线1计量。在每个引领燃烧器10内供入从气流2中分出的空气支流(图中未示出)，给予同时提供的燃料，并燃烧形成一个伸入气流2中的引领火焰25。因此，引领燃烧器10形成了向气流2供入热量的第一阶段。第二阶段的供热通过肋7进行，燃料从肋7直接供入气流2。此时，燃料大体上沿垂直于气流2的方向流出每个肋7，并沿虚线所示的流线26分布。由于肋7的结构造成燃料在气流2中的分布是不均匀的，这一情况表示在图上部的曲线图中。每两股由彼此相邻的肋7中流出的燃料流逐渐会合，并分别形成了燃料分布的一个局部最大值，在这里燃料也在各个引领火焰25处被点燃。燃烧沿着点线所表示的火焰前锋27在气流2中扩展，并最终导致通过肋7供入的燃料完全燃烧。在图的上部曲线图中画出了燃料的分布28；横坐标表示的是方位角，在纵坐标上表示的是浓度。纵坐标表示为断裂线，以便象征性地表示此视图只是表示分布28的形状，而并不认为是定量的表述。分布28大体相当于燃料在一条引领火焰尖端连线上的分布。此分布28与已借助于图3说明的在气流中的温度分布有密切的关系；燃料局部浓度越高，则在燃烧时达到的温度也越高。借助于图6还表明了本发明的一项有利的改进：此改进在于，无论是导向叶片15(见图3)还是肋7和引领燃烧器10各设置相同的数量。

按本发明提出了一种在压缩空气中燃烧燃料的方法，这种方法尤其适用于燃气轮机，以及，此方法保证迅速和完全地燃烧燃料。

Claims (5)

1、一种在压缩空气中燃烧燃料的方法，压缩空气制备成沿轴线(1)流动的气流(2)，其中，首先从气流(2)中分出多股支流(3)，为每股支流单独供应一部分燃料，并燃烧成伸入气流(2)中的引领火焰(25)，其余的燃料分布在气流(2)中，并在引领火焰(25)处点燃和燃烧，其特征在于：其余的燃料不均匀地分布在气流(2)中，由此所形成的燃料在气流(2)中的分布(28)，在每个引领火焰(25)处有局部最大值(29)。

2、按照权利要求1所述的方法，其中，气流(2)相对于轴线(1)有扭转。

3、按照权利要求2所述的方法，其中，从其中分出支流(3)的气流(2)的一部分，在分流出支流(3)之前消除此扭转。

4、按照上述任一项权利要求所述的方法，其中，气流(2)由燃气轮机的压缩机部段(4)制备提供，并在燃料燃烧后流入燃气轮机的涡轮部段(5)。

5、按照权利要求4所述的方法，其中，气流(2)通过进口间隙(14)流入涡轮部段(5)，涡轮部段(5)中设有导向叶片(15)，此时，由于燃料的燃烧在气流(2)中形成了不均匀的温度分布，这种不均匀分布具有局部最大值，它的每个最大值均位于两个导向叶片(15)之间。

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