CN1211310A - 有强化混合燃料喷射器的燃气轮机燃烧室 - Google Patents

有强化混合燃料喷射器的燃气轮机燃烧室 Download PDF

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Abstract

一种燃气轮机的燃烧室,具有初级和次级燃烧区。该燃烧室具有初级气态燃料喷射导管,用于通过第一环形预混合通道向初级燃烧区提供低可燃成分的气态燃料混合物,还具有次级燃料喷射棒,用于通过第二环形预混合通道向次级燃烧区提供低可燃成分的燃料混合物。燃料喷射棒具有空气动力学形状,一列燃料排出口形成在其相对侧面上。一对混合肋片从喷射棒两侧面向外伸出。该肋片在空气流中产生紊流,以保证燃料和空气的充分混合。该肋片具有足够的高度并距燃料排出口有足够远的距离,以使紊流在空气流到达燃料排出口时不会被耗散掉而且肋片下游的再循环区也不会延伸到燃料排出口。这就保证了喷射棒不会充当火焰稳定器,预混合通道内过早燃烧。

Description

有强化混合燃料喷射器的燃气轮机燃烧室
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机的燃烧室。更确切地，本发明涉及一种低氧化氮产物(NOx)的燃烧室，它能够燃烧可燃成分低的气态燃料混合物。
背景技术
在燃气轮机中，燃料在一个或多个燃烧室中，与由一压缩机产生的压缩空气一同燃烧。通常这样的燃烧室具有一个初级燃烧区，在该燃烧区内，近似理想配比的燃料和空气的混合物在一扩散式燃烧过程中形成并燃烧。燃料借助于一布置在中央的燃料喷嘴而导入初级燃烧区。附加的空气被导入初级燃烧区的燃烧室下游，结果使整个的燃料/空气比就大大地小于其理想配比，也就是混合物是可燃成分低的、稀薄的。虽然使用了可燃成分低的燃料/空气比，但是由于在初级燃烧区内燃料和空气混合物的局部富油，使得在起动时，燃料/空气混合物还是很容易被点燃，并可以在较宽的火焰温度范围内得到良好的燃烧稳定性。
遗憾的是，可燃成分高的燃料/空气混合物在初级燃烧区内的燃烧会导致很高的温度。这样高的温度会促进氧化氮(NOx)的形成，而氧化氮(NOx)则是一种空气污染物。众所周知，在可燃成分低的燃料/空气比下燃烧能够减少氧化氮(NOx)的形成。然而，要得到这样的可燃成分低的混合物需要将燃料充分地扩散到燃烧空气中并与燃烧空气很好地混合。这可以通过在将燃料导入燃烧区之前，将其与燃烧空气进行预混合来实现。
在使用气态燃料的情况下，可以通过下述方式实现预混合，即将燃料导入初级和次级环形通道，将燃料和空气进行预混合，然后再分别地将预混合后的燃料导入初级和次级燃烧区。使用在每一个通道的周边上布置的圆柱形燃料喷射管将气态燃料导入这些初级和次级预混合通道。在美国专利№5,394,688(Amos)中公开了这种类型的燃烧室，在此已全文引用。
在预混合通道内圆柱形燃料喷射管的存在使得在喷射管下游的空气流中产生紊流。这样的紊流是合乎需要的，因为它有助于燃料和空气的混合。然而，与这种紊流区相关联的再循环会引起燃料喷射管实际充当了一个火焰稳定器，以致于燃烧过早地发生在预混合通道内，而不是如所希望的在燃烧区内发生。这会导致对燃料喷射管和构成预混合通道的衬套的损害。
因此，需要提供一种适合于可燃成分低的燃料的燃烧的燃气轮机燃烧室，这种燃烧室能够将燃料导入预混合通道，具有足够的紊流以使之混合，但又不会产生能作为火焰稳定器的再循环区。
发明内容
因此，本发明的基本目的是提供一种适合于可燃成分低的燃料的燃烧的燃气轮机燃烧室，这种燃烧室能够将燃料导入预混合通道，具有足够的紊流以便于混合，但不会产生可能作为火焰稳定器的再循环区。
简言之，本发明的上述目的及其它目的在下述的燃烧室中得以实现，该燃烧室包括(ⅰ)一个接收压缩空气的入口，(ⅱ)一个燃烧区，和(ⅲ)燃料预混合装置，用于将燃料至少引入压缩空气的第一部分中进行预混合，以形成燃料/空气混合物，而后将该燃料/空气混合物导入燃烧区。该燃料预混合装置包括(ⅰ)与上述入口和燃烧区流体相通的通道，压缩空气的第一部分流过该通道，和(ⅱ)多个伸入该通道的部件。这些部件中的每一个具有(ⅰ)第一和第二相对侧面，(ⅱ)第一混合肋片，该肋片从第一侧面向外延伸一第一距离，(ⅲ)第一燃料排出口，该排出口形成在第一侧面上，该第一燃料排出口位于相对于穿过该通道的压缩空气的第一部分气流在第一混合肋片的下游方向上，距第一混合肋片的距离为一第二距离。
附图简介
图1是具有本发明燃烧室的燃气轮机燃烧部分的纵剖视图。
图2是图1所示的燃烧室的纵剖视图，其中剖面是沿图3中的线Ⅱ-Ⅱ所作的。
图3是沿图2中的线Ⅲ-Ⅲ所作的横断面图。
图4是图2和3中所示的本发明的喷射棒的立体图。
图5是图4所示的喷射棒的断面图。
图6是沿图5中的线Ⅵ-Ⅵ所作的断面图。
最佳实施例
图1示出了燃气轮机1的燃烧部分。燃气轮机包括一压缩机2，该压缩机2由一涡轮机6通过一轴26驱动。周边空气被抽入压缩机2内并被压缩。由压缩机2产生的压缩空气8被导入一包括有一个或多个燃烧室4和一个燃料喷嘴18的燃烧系统，其中燃料喷嘴18既可以将气态燃料16也可以将燃料油14导入燃烧室。通常情况，气态燃料16可以是天然气，而液态燃料14可以是2号柴油，但也可以使用其它的气态和液态燃料。在燃烧室4内，燃料在压缩空气8中燃烧，产生热的压缩燃气20。
燃烧室4产生的热的压缩燃气20被导向涡轮机6，在那里热燃气膨胀，以产生轴功率用于驱动压缩机2，以及载荷，如发电机。由涡轮机6产生的膨胀后的气体被排出，或直接排向大气，或在一联合循环电站中，排向废热回收蒸汽发生器，而后再排向大气。
周向布置的一系列燃烧室4，图中仅示出一个，与横向-火焰管82相连，并位于由壳体22构成的腔室7内。每一个燃烧室具有一初级部分30和一次级部分32。由次级部分32出来的热燃气20由喷管5导入涡轮机部分6。燃烧室4的初级部分30由一支撑板28支撑。支撑板28连接在从壳体22处开始延伸并包围初级部分30的圆柱体13上。次级部分32由从支撑板28伸出的八个支杆(未示出)支撑。初级部分30和次级部分32的单独支撑降低了因不同的热膨胀而产生的热应力。
燃烧室4的燃烧区分为初级和次级燃烧部分。参见图2，燃烧区的初级燃烧区部分36位于燃烧室4的初级部分30内，在该燃烧区部分36内，可燃成分低的燃料和空气的混合物在这里燃烧。更准确地说，初级燃烧区36由初级部分30的一个圆柱形内部衬套44所环绕。内部衬套44被一圆柱形中间衬套42所包围，而该中间衬套42又被一圆柱形外部衬套40所包围。衬套40、42和44绕轴向中心线71同心配置，故分别在内部衬套44和中间衬套42之间形成一内部环形通道70，在中间衬套42和外部衬套40之间形成一外部环形通道68。
一个环状的环部94与衬套42的上游端相连，在该环94内形成有一燃料导管74。该环设置在通道70内，即在燃料预混合通道92和68之间，以便导管74的存在不会干扰空气流8″和8″’进入预混合通道92和68。横向-火焰管82，图2中示出一个，延伸穿过衬套40、42和44与相邻燃烧室4的初级燃烧区36相连，以便于点火。
由于内部衬套44暴露于初级燃烧区36的热燃气下，因此其冷却问题很重要。如图2所示，这由在内部衬套44的径向延伸部分作出若干个孔102来实现。孔102使得压缩空气8的一部分66从压缩机部分2进入在内部衬套44和中间衬套42之间形成的环形通道70内。一个近似圆柱形的导流板103位于通道70的出口处，并在内部衬套44和中间衬套42之间延伸。在导流板103的周边上分布有多个孔(未示出)，这些孔将冷却空气66分成多股撞击内部衬套44的外表面的射流，进而冷却内部衬套44。而后空气66排入次级燃烧区37。
如图2所示，一个双燃料喷嘴18布置在初级部分30内的中央部位，接收液态燃料14′和气态燃料16′，将其排入初级燃烧区36。
气态燃料16″与来自压缩机2的压缩空气的预混合由初级预混合通道90和92在初级燃烧区36内完成，预混合通道90和92将进入的空气分成两股气流8′和8″。如图2和3所示，围绕初级预混合通道90和92布置有多个轴向的管状初级燃料喷射管62。两列气态燃料排出口64，图2中示出一列，沿每一个初级燃料喷射管62的长度方向分布，以将气态燃料16″导入流过通道90和92的空气流8′和8″中。气态燃料排出口64的方位要使得气态燃料16″沿顺时针和逆时针方向，即与空气流8′和8″的方向相垂直的方向，沿周向射出。
亦如图2和3中所示，围绕通道90和92的上游部分分布有多个旋流叶片85和86。在此最佳实施例中，在每一个初级燃料喷射管62之间设置一旋流叶片。如图3所示，旋流叶片85使空气流8′沿逆时针方向(面对轴向流动方向看时)产生旋转流动，而旋流叶片86则使空气流8″沿顺时针方向产生旋转流动。叶片85和86使空气流8′和8″产生的旋流有助于保证气态燃料16″和空气之间的混合更充分，从而可以消除局部混合物可燃成分过高和与其相关联的增多NOx产物的高温度。
如图2中所示，燃烧区的次级燃烧区部分37在燃烧室2的次级部分32的衬套45内形成。外部环形通道68排入次级燃烧区37内，根据本发明，形成一次级燃烧区用的燃料预混合通道。通道68限定了一中心线，该线与轴向中心线71重合。压缩空气8的一部分8″’从压缩机部分2流入通道68。
如图2和3所示，多个径向朝向的次级燃料喷射棒76环绕次级预混合通道68周向布置，用于将气态燃料16导入流过该通道的压缩空气8。该燃料与压缩空气8以良好的方式混合，使得没有局部的可燃成分过高的混合物区域存在，而后被输送到次级燃烧区37。
燃料喷射棒76中的每一个均是一个径向定位的、具有空气动力学形状的细长部件，该部件从与其相连的衬套42伸入预混合通道68中。如图5中所示，根据本发明，每一个燃料喷射棒76的形状都近似于一机翼，其相对侧面83和84略弯并与前缘(进气边)100和后缘(出气边)101相连。前缘100是圆形的，而后缘101则相当尖，即后缘的曲率半径远小于前缘的曲率半径。该空气动力学形状可使喷射棒76的下游的空气流8内的紊流降至最小。
气态燃料16通过在环94内的周向延伸而形成的气态燃料导管74提供到燃料喷射棒76，如图6中所示。绕导管74分布着几个轴向延伸的气态燃料供给管73，用于将气态燃料16导入其内部。通道95从气态燃料导管74径向延伸穿过每一个喷射棒76。两列较小的气态燃料通道97，每一个从径向通道95处延伸，沿喷射棒的相对侧面83和84分布在每一个喷射棒76的长度上，如图5中所示。径向通道95用于将气态燃料16分配到每一个较小通道97。小通道97在喷射棒76的侧面83和84上形成排出口78，该排出口将气态燃料16导入流过次级预混合通道68的空气流8。如在图3和5中详细示出的，气态燃料排出口78的朝向要使得气态燃料16沿顺时针和逆时针方向，即与空气流8″″的方向相垂直的方向，沿周向射出。
根据本发明，混合肋片79从燃料喷射棒76的每一侧面83和84向外伸出，如图4和5中所示。根据本发明的一个重要方面，混合肋片79设置在前缘100和燃料排出口78之间。如图5中所示，混合肋片79在流经肋片下游的压缩空气流8中产生紊流。该紊流保证由燃料口78排出的燃料16与压缩空气8充分混合。虽然在混合肋片79的下游产生了再循环空气区61，这一点将在下面进行说明，根据本发明，肋片79的高度H和其距燃料排出口78的距离L被适当设定，以使再循环区61不会延伸到燃料排出口。
混合肋片79从喷射棒76的侧面83、84伸出的高度H应该足够高以便肋片能够产生足够的紊流来保证燃料16充分混合入压缩空气8中。然而，肋片79的高度不应该高到出现大量的不希望出现的紊流。特别是要避免向下游延伸到燃料排出口78的再循环区61的产生，因为这样的再循环流动可成为火焰稳定器，会引起蔓延到喷射棒76上的火焰。如上所述，这样的情况是不希望出现的，因为在预混合通道68内的燃烧会损坏喷射棒76及衬套40和42。
合适的混合肋片的高度范围是燃料排出口78的直径和空气流动速度的函数。在此最佳实施例中，空气的流速近似为60-105米/秒(200-350英尺/秒)，混合肋片79的高度H至少大约为燃料排出口78的直径的两倍但不大于大约燃料排出口直径的八倍。更短的混合肋片79产生的紊流就不足以得到燃料16与压缩空气8的充分混合，而更高的混合肋片79将产生向下游延伸到燃料排出口78的再循环流动。
混合肋片79在轴向上游方向上距燃料排出口78的距离L也很重要。如果肋片79在燃料排出口78的上游的较远距离处，则由肋片产生的紊流等到空气流流到燃料排出口时已基本上耗散掉了，那么肋片也就形同虚设，没有什么作用。另一方面，如果肋片79离燃料排出口78太近，那么就很可能产生不合乎需要的再循环和燃烧火焰。因此距离L是肋片79的高度H的函数。最好，L至少是肋片高度的大约四倍但不大于肋片高度的大约10倍。
在使用气态燃料的工作过程中，通过中央燃料喷嘴18引入气态燃料16′使得火焰最初在初级燃烧区36内产生。随着涡轮机6载荷的增加需要更高的燃烧温度，通过初级燃料喷射管62引入气态燃料16″而增加了附加燃料。由于初级燃料喷射管62使得燃料在空气内能够充分扩散，因此它们产生的燃料/空气混合物比中央喷嘴18产生的混合物可燃成分更低，进而产生的NOx也较低。所以，一旦在初级燃烧区36内点燃，就可以关闭供到中央喷嘴18的燃料。超过初级燃料喷射管62的供应能力的更多的燃料流动需要可以由本发明的次级燃料喷射棒76提供附加燃料16″来满足。
在不偏离本发明宗旨和本质特征的前提下，本发明还可以有其它形式的实施例，因此，作为本发明范围，应该参考所附的表明本发明范围的权利要求书，而不是上述的具体描述。

Claims (20)

1．一种燃烧室，其特征在于，包括；
a)一用于接收压缩空气的入口；
b)一燃烧区；和
c)燃料预混合装置，用于将燃料预混合导入至少所述压缩空气的一第一部分内，以形成燃料/空气混合物，而后将所述燃料/空气混合物导入所述燃烧区，所述燃料预混合装置包括：
(ⅰ)一个与所述入口和所述燃烧区可流动相通的通道，由此，所述压缩空气的所述第一部分流过所述通道，和
(ⅱ)多个伸入所述通道内的部件，每一个所述部件具有(A)第一和第二相对侧面，(B)从所述第一侧面向外延伸一个第一距离的第一混合肋片，(C)形成在所述第一侧面内的第一燃料排出口，所述第一燃料排出口相对于穿过所述通道的所述压缩空气的所述第一部分的流动在下游方向上距所述第一混合肋片的距离为一第二距离。
2．根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于：
a)所述第一燃料排出口具有一直径；和
b)所述第一混合肋片从所述第一侧面向外延伸的所述第一距离至少为所述第一燃料排出口的直径的两倍。
3．根据权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，所述第一混合肋片从所述第一侧面向外延伸的所述第一距离不大于所述第一燃料排出口的直径的八倍。
4．根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述燃料排出口距所述第一混合肋片的所述第二距离至少为所述第一混合肋片从所述第一侧面向外延伸的所述第一距离的四倍。
5．根据权利要求4所述的燃烧室，其特征在于，所述燃料排出口距所述第一混合肋片的所述第二距离不大于所述第一混合肋片从所述第一侧面向外延伸的所述第一距离的十倍。
6．根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，每一个所述部件都具有前缘(进气边)和后缘(出气边)，所述第一和第二相对侧面在所述前缘和所述后缘之间延伸。
7．根据权利要求6所述的燃烧室，其特征在于，所述前缘是圆形的，而所述后缘比所述圆形前缘要尖。
8．根据权利要求6所述的燃烧室，其特征在于，每一个所述部件还包括：
a)第二混合肋片，该肋片从所述第二侧面向外延伸所述第一距离；
b)形成在所述第二侧面内的第二燃料排出口，所述第二燃料排出口相对于穿过所述通道的所述压缩空气的所述第一部分的流动在下游方向上距所述第二混合肋片的距离为所述第二距离。
9．根据权利要求8所述的燃烧室，其特征在于，每一个所述部件还包括分别各沿所述第一和第二侧面延伸的第一和第二列燃料排出口，所述第一和第二排出口分别构成燃料排出口的所述第一和第二列中的所述燃料排出口中的一个。
10．根据权利要求9所述的燃烧室，其特征在于，每一个所述部件具有一形成在其内的燃料导管，每一个所述燃料导管与其各自部件的所述第一和第二列燃料排出口是流体相通的。
11．根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述通道是形成在第一和第二同心布置的圆柱形衬套之间的环形通道，并且所述部件在所述环形通道的周边上分散配置。
12．根据权利要求11所述的燃烧室，其特征在于，每一个所述部件沿径向伸入所述环形通道。
13．根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述燃烧区是次级燃烧区，并且所述燃烧室还包括一与所述次级燃烧区可流动相通的初级燃烧区。
14．一种用于在燃气轮机中加热压缩空气的燃烧室，其特征在于，该燃烧室包括：
a)包围住其内的初级和次级燃烧区的衬套；
b)与所述次级燃烧区流动相通的环形通道，所述环形通道具有一用于接收压缩空气流的入口；
c)用于将燃料流导入所述环形通道的装置，该装置包括多个径向延伸入所述通道的部件，每一个所述部件具有：
(ⅰ)一列形成在其内的燃料排出口，和
(ⅱ)相对于通过所述环形通道的所述压缩空气的流动从所述燃料排出口的上游将紊流导入所述空气流中的装置，所述紊流导入装置包括一从所述部件向外延伸的凸出部分，该凸出部分相对于通过所述通道的所述压缩空气流，离开燃料排出口的所述列，位于其上游方向上的一定距离处。
15．根据权利要求14所述的燃烧室，其特征在于，所述凸出部分具有在下游的压缩空气中产生一再循环区的装置，该再循环区不延伸到燃料排出口的所述列处。
16．一种燃烧室，其特征在于，它包括用于将燃料流导入空气流中的装置，该燃料导入装置包括：
a)沿大体与所述空气流的方向相垂直的方向延伸的细长体，所述细长体具有前缘和后缘及在所述前缘和所述后缘之间延伸的第一和第二相对侧面；
b)分别从所述第一和第二侧面大体垂直地向外伸出的第一和第二凸出部分；
c)分别沿所述第一和第二侧面延伸的第一和第二列燃料排出口，所述燃料排出口的所述第一列和第二列相对于所述空气流的方向在下游方向上距所述第一和第二凸出部分一定距离。
17．根据权利要求16所述的燃烧室，其特征在于：
a)每一个所述燃料排出口具有一直径；和
b)所述第一和第二凸出部分从所述第一和第二侧面向外延伸一高度，所述高度至少是所述燃料排出口的所述直径的两倍。
18．根据权利要求17所述的燃烧室，其特征在于，所述第一和第二凸出部分的高度不大于所述燃料排出口的直径的八倍。
19．根据权利要求16所述的燃烧室，其特征在于：
a)所述第一和第二凸出部分从所述第一和第二侧面向外延伸一高度；和
b)所述第一列和第二列燃料排出口距所述第一和第二凸出部分的所述距离至少是所述凸出部分的所述高度的四倍。
20．根据权利要求19所述的燃烧室，其特征在于，所述第一列和第二列燃料排出口距所述第一和第二凸出部分的所述距离不大于所述凸出部分的所述高度的十倍。
CN96198135A 1995-11-07 1996-10-08 有强化混合燃料喷射器的燃气轮机燃烧室 Pending CN1211310A (zh)

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