CN1902443B - 具有低污染排放的燃烧系统 - Google Patents

Abstract

一种用于燃气涡轮机的燃烧系统(10)，其设置有用于空气的预混合腔室(12)，所述空气与从一组孔(11)喷射的燃料混合，从而产生在火焰管(14)中形成的中央主火焰，所述预混合腔室(12)朝着与包括火焰管(14)的燃烧室连接的连接端部收缩，所述燃烧系统(10)包括一组可对燃气进行预混合的引导装置(20)，该组引导装置(20)产生对应的一组引导火焰，该组引导火焰适合于稳定中央主火焰本身，同时降低污染排放。

Description

具有低污染排放的燃烧系统

技术领域

本发明涉及一种具有低污染排放的燃烧系统，尤其是涉及一种用于气体涡轮机的燃烧系统。

背景技术

众所周知，气体涡轮机是包括压缩机和单相或多相涡轮机的机械，压缩机和涡轮机通过至少一个燃烧室彼此连接。

空气从外部环境供给至压缩机，以对空气增压。

增压空气流过预混合腔室，终止于喷嘴或者收缩部分。在所述腔室中，至少一个喷射器供给燃料，该燃料与空气混合以形成要被燃烧的空气-燃料混合物。

因而，产生燃烧所需的燃料通过增压系统而被注入燃烧室。所述燃烧的目的是引起气体的温度和焓的增加。

为了改善火焰的稳定特性，通常提出一种适于产生引导火焰的并行燃料供给系统。

美国专利5381652披露了一种用于气态燃料的燃烧系统，其中通过引导装置来稳定主火焰。

在这种情况下，引导装置向燃烧系统中的燃烧室喷射引导燃气。

在该燃烧系统中具有用于预混合空气的管道，该预混合空气流到第一中央管道，在第一中央管道中具有用于向主火焰供给燃气的第一组径向孔。

在该主管道中，空气与第二组径向孔喷射的气态燃料进行预混合，所述第二组径向孔位于设在一段主空气管道上的圆筒上，并沿着该段管道本身的圆周等距离分布。

在这种情况下，引导燃料的喷射借助第一组径向孔来实现，该第一组径向孔位于预混合管道的出口并环绕主火焰。

由于该引导燃料没有与助燃空气进行预先混合，因此它在主要由燃料在助燃空气中的扩散过程所控制的火焰中进行燃烧，该火焰因而被称为扩散火焰。

扩散火焰的特征在于存在温度非常高的区域，因而导致高的污染排放。

实际上，氮氧化物的排放与最大火焰温度成比例，因而，扩散类型的高温火焰是造成污染排放、尤其是氮氧化物的排放的主要原因。

已有系统的一个缺陷是，由于扩散类型的火焰的存在，它具有中等的污染排放。

美国专利5666044披露了使用引导装置来稳定主火焰，引导装置通过喷嘴来将燃气喷射到燃烧室中。

用该引导装置喷射的燃气进行燃烧所需的空气在邻近各引导装置的区域内同时被喷射到燃烧室中。在这种情况下，混合是在燃烧室中进行的，因而，火焰也为扩散类型，即使由于在邻近喷射的区域存在大量的空气而缩小了高温区域的范围。

专利申请EP1321715A2也公开了一种燃烧系统，其能使用液态或气态燃料，其中具有直接向燃烧室喷射引导燃料的装置。

这种解决方案的一个缺陷是，它产生了显著的污染物排放，这也是由于用于稳定预混合主火焰的火焰是扩散类型的缘故。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有低污染排放的燃烧系统，其能够降低气体涡轮机的污染排放。

另一个目的是提供一种具有低污染排放的燃烧系统，其能够降低燃烧室中的压力振荡，同时能够稳定火焰。

再一个目的是利用一种具有低污染排放的燃烧系统，其允许部件能够长时间承受高温。

又一个目的是利用一种具有低污染排放的燃烧系统，其具有高的燃烧效率，同时具有低的污染排放。

本发明的这些目的是通过提供一种如权利要求1所述的具有低污染排放的燃烧系统来实现的。

本发明的其他特征记载在从属权利要求中。

附图说明

参考附带的示意图，本发明的具有低污染排放的燃烧系统的特征和优点将从下面的示意性的和非限制性的描述中变得显而易见，其中：

图1是从本发明燃烧系统的第一优选实施例的上面看上去的部分剖视图；

图2是图1的细节，其显示了空气在燃烧系统内部的流动；

图4是图2的细节的第一实施例，显示了预混合燃料喷射引导装置的第一实施例；

图5是预混合燃料喷射引导装置的第二实施例；

图3是预混合燃料喷射引导装置的第三实施例；

图6是图3的细节。

具体实施方式

参考附图，这些附图显示了具有低污染排放的燃烧系统，其整体用标号10指示，该燃烧系统10包括燃烧室，该燃烧室包含适合于容纳主火焰的“衬套”或火焰管14。

火焰管14具有连接到空气预混合腔室12的锥形连接端部15，该连接端部15对应连接于预混合腔室12的末端部分13。

空气预混合腔室12基本上为圆冠形式的管道，该管道具有锥形部分或者说渐缩部分，该部分朝着连接至燃烧室的一连接端部渐缩，以便在已经用由一组孔11供给的燃气对空气进行预混合之后加速空气，该组孔11最好位于在预混合腔室12的圆周上设置的圆筒元件上。

所述的该组孔11沿空气预混合腔室12的锥形端部之前的部分设置。

空气预混合腔室12的锥形端部具有圆形部分，在该圆形部分中有一中央体17，所述中央体17伸入所述锥形端部，用于喷射空气以防止火焰接触中央管道17的表面。

燃烧系统10最好包括在中央管道17外部的一组热电偶19。

火焰通常在预混合腔室12的下游的燃烧室中形成。

如果由于某种不正常的运行而使火焰上升到预混合腔室12内，则热电偶19检测温度的增加，中断气体的流动，以保护预混合腔室12免受过高温度的影响。

火焰管14的锥形端部15具有圆冠形式的表面，在该表面上具有一组贯通孔18，该组贯通孔18用于安置对应的一组预混合燃气喷射引导装置20，以便稳定中央主火焰，同时维持低水平的污染排放。

这是通过利用一组燃气预混合引导装置20来实现的，燃气与空气湍流在该引导装置20中混合，获得均匀的燃气/空气的混合物，然后该混合物被喷射到燃烧室内。

由于避免了扩散类型的火焰，这就使得NO_X的污染排放降低了。

燃烧系统10具有一组对燃气进行预混合的引导装置20，其能够稳定中央主火焰，同时通过相应的一组外部火焰来降低污染的排放。

该组引导装置20的每个引导装置包括预混合管道29、一组孔28以及作为旋流器的单元24，该组孔28在预混合管道29内并用于供给燃料；所述单元24具有形成空气的湍流和涡流的功能，所述空气的湍流和涡流能够与通过该装置内部的该组孔28所供给的燃气均匀地混合。

空气的湍流与通过该组管道28所供给的燃气混合，在预混合管道29内形成空气和燃气的均匀混合物，然后再注入到燃烧系统10的燃烧室。

这样，对于每一个引导装置20都获得了一个对应的火焰，该火焰的最高温度低于扩散火焰的最高温度。

因而，由于火焰的最高温度较低，含有NO_X排放物的污染排放相应地降低了。

燃烧系统10包括一组引导装置20，各引导装置20分别布置在该组管道18的对应孔中，该组管道18等距离地分布在火焰管14的端部15的表面上的圆周上并与其轴线同轴。

每个引导装置20的单元24包括至少一个成形元件，所述成形元件能够增强预混合管道29中的空气流的湍流。

用于每个预混合引导装置20的空气流最好用来自压缩机的空气流直接供给。

另外，还稳定了每个引导装置20的火焰。

预混合引导燃烧器20的火焰的稳定性通过喷射引导燃气(因此称为“子引导”)来实现，其稳定了预混合引导火焰，该预混合引导火焰又稳定了预混合主火焰。

子引导燃气产生扩散火焰，但是由于只须稳定预混合引导燃气，所以只使用了少量的燃料，由此产生较低的NO_X污染排放。

依照本发明的一个方面，如图4所示，提供了设置有单元24的引导装置20的第一优选实施例，其中，所述至少一个成形元件包括一组成形叶片27，该组成形叶片27适当倾斜以在预混合管道29内部形成空气的涡流运动，从而确保空气湍流在预混合管道29内部与通过该组管道28供给的燃气均匀混合。

引导装置20包括预混合管道29内部的中央元件42，所述中央元件42内部包括一中央管道43，该中央管道43又在环形管道34内部并与其同轴。

环形管道34具有供给燃气的功能，燃气穿过该组孔28与空气在预混合管道29内部进行预混合。

在这种情况下，与引导装置20相关的火焰被通过管道43喷射的可燃流体在中央进行稳定。

该组燃气预混合引导装置20的每个引导装置还包括在预混合管道29内部的两个管道32，用来检测引导装置本身内部的流体的流速。

依照本发明的另一个方面，如图5所示，提供了设置有单元24的引导装置20的第二实施例，其中，如第一实施例一样，所述至少一个成形元件也包括具有同样功能的一组成形叶片27。

除了对火焰的稳定之外，该实施例类似于第一实施例。

实际上，在这种情况下，与引导装置20相关的火焰由通过预混合腔室29内部的中央微型燃烧器45喷射的可燃流体在中央进行稳定。

所述微型燃烧器45连接在(第二实施例也具有的)预混合管道29内部的中央元件的下游，所述中央元件的内部包括中央管道43，该中央管道43也在环形管道34内部并与其同轴。

环形管道34具有供给燃气的功能，燃气穿过该组孔28与空气在预混合管道29内部进行预混合。

管道43为微型燃烧器45供给子引导燃气，而用于微型燃烧器45的空气流由位于其中的一组孔35供给，并通过另一个设在微型燃烧器45本身内部的旋流器来变成湍流。

依照本发明的另一个方面，如图3所示，提供了设有单元24的引导装置20的第三实施例，其中，所述至少一个成形元件包括两组用于在预混合管道29内形成空气湍流的成形叶片25。

每个预混合引导装置20包括用于燃气的管道36，所述管道36连接到预混合管道29内部的一组孔28上。

管道36的燃气通过该组孔28被喷射到预混合管道29中，用于与空气湍流预混合。

该实施例中的各引导装置20的火焰也是通过这样来稳定的，即，管道37的燃气通过预混合管道29外部的一组孔30而喷射到燃烧室中。该组孔30位于引导装置20的端部的底面31上。

因此，为了稳定引导装置20本身的火焰，管道37连接到该组外孔30上，以供给燃气。

该组燃气预混合引导装置20的每个引导装置还包括至少一个热电偶33和在预混合管道29内的两个管道32，两个管道32用来检测引导装置20内的流体的流速。

可以看到，在燃烧系统10中还具有另一个燃料供给管道70，其环绕着中央管道17。

另外，所述管道70靠近火焰管14的锥形端部15，火焰管14在此处连接至预混合腔室12。

管道70用来供给环绕主火焰的扩散引导燃料，所述扩散引导燃料也被用于点燃或用于短时间稳定火焰，这时排放不明显。

参考图2，图2还显示了燃烧系统10内部的用80和82表示的空气流，它们分别表示预混合室12的预混合空气流以及与附图所示的其中一个引导装置20相关的预混合空气流。

来自压缩机的空气在预混合室12内与从该组孔11供给的燃料混合。

预混合空气随后被加速，并可选择地通过与从管道70供给的燃气进行扩散而混合。

主火焰通过一组用预混合燃气产生的引导火焰而被稳定。

参考图6，尤其可以看到，用83表示的燃料流是从邻近于单元24的该组孔28供给的。

此外，该组燃气预混合引导装置20中的引导装置最好位于火焰管14的锥形端部中，但也可以采用不同的布置。

燃烧系统10最好包括用于向该组预混合引导装置20供给空气的管道60。

总之，概括来说，用于气体涡轮机的燃烧系统10包括一组对燃气进行预混合的引导装置20，所述引导装置20位于主火焰的外部，或位于连接至预混合腔室12的的锥形连接端部15中，其产生一组对应的引导火焰，该组引导火焰适合于稳定中央主火焰本身，同时降低了污染排放。

因此，显然，依照本发明的具有低污染排放的燃烧系统实现了上述目的。

对这样构思的本发明的具有低污染排放的燃烧系统可以进行许多修改和变形，这些修改和变形全部包括在同一发明构思的范围内。

此外，实际上，可以根据技术需要来改变所使用的材料以及尺寸和部件。

Claims (9)

1.一种用于气体涡轮机的燃烧系统(10)，包括：

用于空气的预混合腔室(12)，所述空气与从一组孔(11)喷射的燃料混合，产生在火焰管(14)中形成的中央主火焰，所述预混合腔室(12)朝着与包括火焰管(14)的燃烧室连接的连接端部收缩；和

一组引导装置(20)，该组引导装置(20)对燃气进行预混合并产生对应的一组引导火焰，该组引导火焰适合于稳定中央主火焰本身，同时降低污染排放；

其特征在于，所述一组引导装置(20)中的每个引导装置包括预混合管道(29)、在预混合管道(29)内部的用于燃气的一组孔(28)以及单元(24)，所述单元(24)包括至少一个成形元件以便在空气流中产生湍流，以在预混合腔室(29)本身内部获得空气/燃料气体的均匀混合物。

2.如权利要求1所述的具体低污染排放的燃烧系统(10)，其特征在于，所述火焰管(14)包括与空气预混合室(12)连接的锥形连接端部(15)，所述锥形端部(15)包括一组孔(18)，每个孔(18)分别安置该组燃气预混合引导装置(20)中一相应的引导装置。

3.如权利要求1所述的具有低污染排放的燃烧系统(10)，其特征在于，该组孔(18)的孔沿火焰管(14)的锥形端部(15)的圆周等距离设置，并与火焰管(14)的轴线同轴。

4.如权利要求1所述的具有低污染排放的燃烧系统(10)，其特征在于，该燃烧系统(10)包括一组在中央体(17)外部的热电偶(19)。

5.如权利要求1所述的具有低污染排放的燃烧系统(10)，其特征在于，该燃烧系统(10)包括环绕中央体(17)的燃料供给管道(70)。

6.如权利要求1所述的燃烧系统(10)，其特征在于，所述至少一个成形元件包括一组成形叶片(27)。

7.如权利要求1所述的燃烧系统(10)，其特征在于，所述至少一个成形元件包括两组成形叶片(25)。

8.如权利要求7所述的燃烧系统(10)，其特征在于，该组燃气预混合引导装置(20)的每个引导装置包括预混合管道(29)外部的一组孔(30)，用于稳定引导装置本身的火焰。

9.如权利要求7或8所述的燃烧系统(10)，其特征在于，该组燃气预混合引导装置(20)的每个引导装置包括至少一个热电偶(33)和预混合管道(29)内的两个管道(32)。

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