TW307820B - - Google Patents

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A 7 B7 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 五、發明説明（1 ) 發明背景 本發明係闞於燃氣輪機燃燒室，特別是低N〇xt燃燒室 ，其具有燃燒低比率之氣體燃料之能力。 在燃氣輪機中，燃料於一或多個燃燒室中在壓縮空氣中 燃燒，該壓縮空氣由壓縮機產生。一般而言，此類燃燒室 具有 主要燃燒區，其中有約略化學計量成份之燃料及空 氣混合物形成，並於一傲佈型式之燃燒程序中燃燒。燃料 藉由一中心配置之燃料噴嘴導入主要燃燒區中。外加之空 氣導入主要燃燒區之下游處，因此整體之燃料/空氣比率低 於化學計量，即低比率的。雖然使用較低之燃料/空氣比率 ，由於在主要燃燒區中存有局部高比率之燃料/空氣混合物 ’在甚寬之燃燒溫度範圍中燃料/空氣混合物在開始時即易 於點燃，且火焰穩定性亦佳。 很不幸的，在主要燃燒區中所使用之高比率燃料/空氣混 合物產生相當高的溫度，這高溫促進氬氧化物（"Ν〇Χ")之 生成而成爲大氣之污染。吾人已知較低燃料/空氣比率之揪 燒減少Ν Ο X之生成。然而，產生此低比率之混合物須使燃 料散佈並混入燃燒空氣中，這點可藉由在燃料導入燃燒區 之前先與燃燒空氣混合。 若燃料爲氣體，此預先混合可藉由燃料導入主要及輔助 環狀通道中而完成，之後將與空氣預先混合之燃料分別導 入主要及輔助燃燒區中。氣體燃料利用環繞各通道周邊分 佈之圓柱狀燃料喷灑管導入主要及輔助預先混合通道中。 此一型式之燃燒室揭示於何摩斯（Amos)之美國第5 394,688號 本紙乐尺度適用中國固家樣準（CNS ) Α4规格（210Χ 297公着） f請先閎讀背面之注意事ίί -舄本頁} -裝- 、-& Τ 旅. _______B7 ___ 五、發明説明（2 ) 專利中，其爲本案説明書所參考列舉者。 預先混合通道中之圓柱狀燃料喷灑管在其郝接之下游處 對空氣氣流產生擾流。此擾流爲吾所不欲見，因爲其促進 燃料及空氣之混合。然而，此擾流區之重覆循環使燃料噴 灑管成爲火焰產生物，因此在預先混合通道中過早燃燒， 而非在所需之燃燒區中燃燒。此情況將對預先混合通道中 之燃料管及襯墊造成損壞。 因此吾人欲提供一低比率燃燒之燃氣輪機燃燒室，其能 導入燃料至具足夠擾流之預先混合通道中混合，但無成爲 火焰產生物之重覆循環區。 發明概述 本發明之目的係提供一低比率燃燒之燃氣輪機燃燒室， 其能導入燃料至具足夠擾流之預先混合通道中混合，但無 成爲火焰產生物之重覆循環區。 經濟部中央標隼局負工消费合作社印製 簡要而言’本發明之此目的及其他目的均在一燃燒室中 完成，其包括（i) 一承接壓縮空氣之入口，（ϋ) 一燃燒區及 (iii )燃料預先混合裝置，以便將燃料預先與壓縮空氣之至 少第一部份混合而形成燃料/空氣混合物，以及之後將其導 入燃燒區中。燃料預先混合裝置包含（i) —通道，其與入口 及燃燒區流體連通’因此壓縮空氣之第—部份能流經通道 ，與（ii)複數個構件，其突出入通遒中。各構件具有（1)第 一及第一相對侧邊’（^)第一漏合擾流片，其自第一侧邊處 向外伸展一第一距離及（iii)第一燃料排放埠，其位於第— 側邊中。第一燃料排放淳在下游方向中自第一混合擾流片 -5- 本紙張尺i逋用中國國家梯準（CNS ) A4規格（2丨0X297公缝了~ ~—------- 經濟部中央標準局員工消费合作社印裝 307820 A7 五、發明説明（3 處相對於經過通道之壓縮空氣第一部份之氣流移動一第二 距離。 圖説概述 圖1係使用於本發明燃燒室中燃氣輪機燃燒部份之縱向剖 視圖。 圖2係圖1中燃燒室之縱向剖視圖，其沿著圖3中線【^加 以剖視。 圖3係沿著圖2中線III-III之橫向剖視圖Q 圖4係圖2及3中本發明噴灑棒之立體視圖。 圖5係圖4中喷灑棒之剖視圖。 圖6係沿著圖5中線VI - VI之剖視圖。 較佳實例説明 圖1顯示燃氣輪機1之燃燒部份。燃氣輪機由壓縮機2组成 ，其藉由渦輪機6之軸26所驅動。周圍之空氣吸入壓縮機2 中並壓縮。由壓縮機2所產生之壓縮空氣8導入一燃燒系統 中’該系統包含一或多個燃燒室4及一燃料噴嘴18，其導入 氣體燃料16及油質燃料14於燃燒室中。雖然其他氣體或液 體燃料亦可使用，爲求便利氣體燃料16可爲天然氣，液體 燃料14可爲2號柴油。在機燒室4中，燃料於壓縮空氣8中 燃燒，因此產生加熱之壓縮燃氣2〇。 由燃燒室4所產生之加熱壓縮燃氣2〇導入使其膨脹之渴輪機 6 ’因此產生驅動壓縮機2之軸馬力及負載，例如發電機。 由渦輪機6所產生之膨脹燃氣係直接導入大氣中，或吸入组 合循環廠中至熱量回收蒸汽發電機，之後再導入大氣中。 各 ---^---^---裝-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) *\se 本紙張尺度適用中國國家橾準（CMS ) A4規格（2丨0X 297公嫠） 經濟部中央樣準局貝工消费合作社印製 A7 B7 五、發明説明（4 ) 呈圓周陣列配置之燃燒室4’圖中僅顯示一，與圖2中所 示之橫向火焰管82連接，並配置於由殼22所形成之室7中。 各燃燒室具有一主要部份30及一輔助部份32 ^來自輔助部 份32之加熱燃氣20藉由一導管5導入渦輪機6。燃燒室4之 主要部份30由支撢板28所支撑。支撑板28固定至一圓柱體 13 ’其自殼22處伸展並將主要部份3〇密封。輔助部份32由8 隻臂部所支撐（圖中未顯示）’其自支撑板28處伸展。主要 及輔助部份30及32之個別支撑將使由差別熱膨脹所產生之 熱應力降低。 燃燒室4之燃燒區具有主要及輔助部份。參考圖2，燃料 及空氣低比率混合物燃燒之主要燃燒區部份36位於燃燒室4 之主要部份30中。主要燃燒區36由主要部份30之圓柱狀内 側襯墊44所密封。内側襯墊44由圓柱狀中間襯墊42所包圍 ，中間襯墊42則由圓柱狀外側襯墊40所包園^襯塾40、42 及44係同心環繞軸中心線71配置，因此内侧環狀通道70位 於内側及中間襯墊44及42間，外側環狀通道68則位於中間 及外侧襯墊42及40間。 其中具有燃料歧管74之環狀環94固定至襯墊42之上游端 。環狀環位於通道70中，即位於燃料預先混合通道92及68 間，因此歧管74阻擾空氣氣流8 "及8 "·流入通道92或68中。 圖2中所示之一橫向火焰管82伸展經過襯墊40、42及44，並 連接相鄰燃燒室4之主要燃燒區36以利點燃。 由於内侧襯墊44暴露在主要燃燒區36之加熱燃氣中，其 須加以冷卻。這點可藉由在内侧襯墊44之輻射狀伸展部份 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐} ---------乂^訂 . (請先閱讀背面之注意事項再填莴本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 ____ B7_ _ _ 五、發明説明（5 ) 中生成複數個孔102來加以完成，如圖2中所示。孔102允許 來自壓縮機部份2之壓縮空氣8部份66進入位於内側襯墊44 及中間襯墊42間之環狀通道70中。約略呈圓柱狀之調節板 103位於通道70之出口處，並在内侧襯墊44及中間襯墊42間 伸展，複數個孔（圖中未顯示）環繞調節板103之周邊分佈， 並將冷卻空氣66區分導入複數個噴射口中衝擊内侧襯塾44 之外侧表面而將之冷卻。之後將空氣66排放入輔助燃燒區 37中。 如圖2中所示，雙燃料噴嘴丨8係中心對準配置在主要部份 30中，並承接液體燃料14'及氣體燃料16'，以便排放入主要 燃燒區36中。 燃氣燃料16”及來自壓縮機2壓縮空氣之預先混合藉由主 要預先混合通道90及92而配合主要燃燒區36完成。其將進 入之空氣區分爲兩氣流8 1及8 "。如圖2及3所示，複數個軸 向管狀主要燃料噴灑栓62係環繞分佈在主要預先混合通道 90及92之周邊。兩排氣體燃料排放埠64，圖2中僅顯示其一 ’係沿著各主要燃料栓62之長度分佈，因此可將燃氣燃料 16 ”導入流經通道9〇及92之空氣氣流^及8 "中。氣體燃料排 放埠64之指向使燃氣燃料16 "在順時針方向中沿周邊排放， 即與氣流8'及8 "之方向垂直。 如圖2及3中所示，複數個旋渦狀葉片85及86係環繞通道 90及92上游部份之周邊分佈。在較佳具體實施例中，一旋 渦狀葉片設置於各主要燃料栓62間《如圖3·中所示，當由軸 流方向剖視時，漩渦狀葉片85使空氣氣流8'逆時針方向旋 各 本紙張尺度制+國@家料（C：NS ) A槻格（210X297公 .I I I 裝 I 1 I 訂 I ^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 A7 _____ B1 五、發明説明（6 ) 轉，而旋渦狀葉片86使空氣氣流8 "順時針方向旋轉。由葉 片85及86對空乳氣流所產生之旋轉使燃氣燃料〗6 ,,與空氣間 有良好之混合’因此可消除增加Ν〇χ之局部高比率燃料混 合物及相關之高溫。 如圖2中所示，燃燒區之輔助燃燒區部份37位於燃燒室2 輔助部份32之襯墊45中。根據本發明，外側環狀通道佔自 輔助燃燒區之燃料預先混合通道排放至輔助燃燒區37。通 道67界定一與抽中心線71 —致之中心線。來自壓縮機2之壓 縮空氣8之部份8 流入通道68中。 如圖2及3中所示，複數個輻射方向輔助燃料喷灑棒76係 周邊環繞輔助預先混合通道68配置，並將燃氣燃料16，"導入 流經通道之壓縮空氣8，"中。此燃料與壓縮空氣8，"混合，並 在無局部高比率燃料區之良好混合狀況下輸送至輔助燃燒 區37 〇 各燃料噴灑棒76係輻射指向空氣動力學形狀之加長構件 ’其自襯墊42處伸展入預先混合通道68中至其固著處。如 圖5中所示，根據本發明，各喷灑棒76之形狀約略呈機翼狀 ’具略微曲線之相對侧邊83及84，其由前導邊緣1〇〇及拖曳 邊緣101所連接。前導邊緣丨0〇呈圓弧狀，然而拖曳邊緣101 則相當尖銳，即拖曳邊緣之曲率丰徑小於前導邊緣。此所 需之空氣動力學形狀將喷灑棒76下游空氣氣流8 ”，中之擾流 變爲最小。 如圖6中所示，燃氣燃料16ι，’藉由位於環94中周邊伸展之 燃氣燃料歧管74供給至燃料喷灑棒76。數個軸向伸展燃氣 __ -9- 本紙張尺度適用中賴家縣（CNS ) A4規格（21GX297公ft ) -------_-----裝------訂------^ ^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央橾準局員工消费合作社印製 307S20 47 A 7 B7 五、發明説明（7 ) 燃料供給管73環繞歧管74分佈，並將燃氣燃料16 |至歧管 。通道95自燃氣歧管74處輻射狀伸展經過各噴灑棒76。如 圖5中所示，兩排微小之燃氣燃料通道97，均自輻射狀通道 95處伸展，沿著喷灑棒相對侧邊83及84分佈在各喷激棒76 之長度上。輻射狀通道95將燃氣燃料16'"分佈至各通道97。 通道97形成喷灑棒76相對侧邊83及84上之排放埠78，其網: 燃氣燃料16 導入流經輔助預先混合通道66之空氣8，"中。 如圖3及5所示，燃氣燃料排放埠78之指向使燃氣燃料16 ", 周邊排放在順時針及逆時針方向中，即與空氣8 m之流動方 向垂直。 # 根據本發明，如圈4及5所示，混合擾流片自燃料噴濃棒 76之各側邊83及84處向外突起。根據本發明之重要概念， 混合擾流片79位於前導邊緣100及燃料排放埠78之間。如圖 5中所示，混合擾流片79在其下游處之壓縮空氣8 "·氣流中 產生擾流，此擾流使燃料埠78所排放之燃料16'"與壓縮空氣 8 混合良好。根據本發明，雖然混合擾流片79下游處生成 重覆循環空氣區61，擾流片之高度Η及與排放埠78相隔之 距離L均調整使重覆循環區61不會伸展至燃料排放埠。 混合擾流片79自噴灑棒76之側邊83及84突起之高度Η須 足夠大以使擾流片產生足夠之擾流，確保燃料16 m適當的混 合物壓縮空氣8·"中。然而，擾流片79之高度不能過大以避 免過大量之擾流產生。特別須避免的是重a循環區61不能 伸展至燃料排放埠78之下游，因爲此重覆循環氣流將成爲 火焰產生物，其使火焰依附在噴灑棒76上。如前述，吾人 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（2IOX297公釐） 丨丨裝------訂-----M婊 (請先聞讀背面之注意事項再填舄本頁) 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（8 ) 不希望此情況發生，因爲在預先混合通道68中之燃燒將對 喷灑棒76與襯墊40及42造成損壞。 混合擾流片之可接受範圍係燃料排放埠78直徑與空氣流 速之函數。在較佳具體實施例中，空氣之流速約爲6〇至丨05 米/秒（200至350呎/秒），混合擾流片79之高度Η至少爲燃料 排放辞 78直徑之兩倍，但不能大於八倍。較短之混合援流 片79無法產生足夠之擾流以達到燃料16 "，與空氣8 "I適當的 混合，較高之混合擾流片產生重覆循環之流動方式，其伸 展至燃料排放埠78之下游處。 混合擾流片79在軸向自燃料排放埠78移動之距離L甚爲重 要，若自燃料排放埠78處向上游移動過遠，由擾流片所產 生之擾流在空氣到達燃料排放埠時將消散，因此違反擾流 片之目的。另一方面’若擾流片79太靠近燃料排放埠78， 吾人所不欲見之重覆循環及火焰將更可能發生。因此，距 離L係擾流片79高度Η之函數。L至少爲擾流片高度之四倍 ，但不能超過十倍。 在燃氣燃料操作過程中，初期火焰之產生係藉由中央燃 料噴嘴18將燃氣燃料16·導入主要燃燒區36中。當渦輪機6 負載加大須較高之燃燒溫度時，外加之燃料藉由主要燃料 栓62將燃氣燃料16 "導入° ;田於主要燃料栓62使燃料良好 的分佈在空氣中，其燃料/空氣混合物比率較中央喷嘴18低 ，因此NOx量較低。當主要燃燒區36中點火時，停止供給 至中央噴嘴18之燃料。超過由主要燃料栓62所供給燃料之 進一步要求可藉由本發明輔助燃科噴灑棒76供給額外之燃 -11- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉A4規格(2丨0X297公釐） ---^---^------I 裝------訂-----'-SJ乂線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) Λ 7 Β7 五、發明説明（9 ) 料16 m來加以滿足。 本發明可藉由其他仍在本發明精神及特徵範圍内之特定 形式具體化，因此除了前述申請説明書外，申請專利範圍 則説明本發明之範疇。 -----1-----.-裝------訂 叫旅 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 經濟部中央梂準局男工消費合作社印製 307820 A8 B8 C8 -----—_______ D8 ____ 六、申請專利範園 1 · 一種燃燒室，其包括： a) —入口，其承接壓縮空氣： b) —燃燒區·，及 c) 燃料預先混合裝置，以便將燃料預先混合至該壓縮 空氣至少第一部份中形成燃料/空氣混合物，之後並將該 燃料/空氣混合物導入該燃燒區中，該燃料預先混合裝置 包含： (i) 一通道，其與該入u及燃燒區連通，因此該壓縮 空氣之第一部份流經該通道；及 (Π)複數個突出而進入該通道中之構件，各該構件具 有（A)第一及第二相對側邊，（B)第一混合援流片’其自 該第一側邊處向外伸展一第一距離，（C)位於該第一側 邊中之第一燃料排放埠，其自該第一混合援流片處，在 相對於流經該通道之壓缩空氣第一部份流動之下游方向 中移動一第二距離。 2 ·根據申請專利範園第1項之燃燒室，其中： a) 該第一燃料排放埠具有一直徑；及 b) 由該第一混合撮流片自第一側邊處向外延伸之第一 距離至少爲該第一燃料排放埠直徑之兩倍。 3. 根據申請專利範困第2項之燃燒室，其中該第一混合擾 流片自第一側邊處向外延伸之第一距離小於該第一燃料 排放埠直徑之八倍。 4. 根據申請專利範圍第1項之燃燒室，其中該燃料排放埤 自第一混合擾流片處移動之第二距離至少爲該第一距離 -13 - 本紙浪尺度適用中國國家橾隼（CNS ) A4洗格（21 〇 X 297公釐） —^—--------裝------訂-----1 滅 (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 經濟部中央榡準局貝工消費合作社印製 AS B8 C8 D8 '、申請專利範圍 之四倍，該第一距離係第一混合擾流片自第一侧邊處向 外延伸之距離。 5·根據申請專利範固第4項之燃燒室’其中該燃料排放埠 自第一混合擾流片處移動之第二距離小於該第一距離之 十倍，該第一距離係第一混合擾流片自第一侧邊處向外 延伸之距離。 6·根據申請專利範園第1磺之燃燒室，其中各該構件具有 前導邊緣及拖曳邊緣，該第一及第二相對侧邊係伸展於 前導邊緣及拖曳邊緣間。 1 根據申請專利範團第6項之燃燒室，其中該前導邊緣呈 圓弧形，該拖曳邊緣則較前導邊緣尖銳。 8·根據申請專利範圍第6項之燃燒室，其中各該構件另包 括：， a) —第二混合擾流片，其自該第二侧邊處向外伸展該第 —距離；及 b) —第二燃料排放埠，其位於該第二侧邊中，並自該第 二混合擾流片處在相對於流經該通道之壓縮空氣第—部 份下游之方向中移動該第二距離。 9·根據申請專利範圍第8項之燃燒室，其中各該構件另包 括第一及第二排燃料排放埠，其分別沿著各該第—及第 二側邊伸展，該第一及第二排放埠分別形成第—及第二 排燃料排放埠中之一該燃料排放埠。 10 ·根據申請專利範圍第9項之燃燒室，其中各該構件中具 有一燃料歧管，各該燃料歧管與其對應構件之第—及第 -------------:裝------訂------从 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -14-

   經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A8 B8 . C8 一 D8 六、申請專利範圍 二排燃料排放崞流體連通。 11.根據申請專利範圍第丨項之燃燒室，其中該通遒係環狀 通道並位於第一及第二同心配置之圓柱狀襯墊間，且其 中該構件係環繞該環狀通道之周邊配置。 】2·根據申請專利範圍第u項之燃燒室，其中各該構件係呈 輻射狀突出而進入該環狀通道中。 13 ·根據申請專利範圍第1項之燃燒室，其中該燃燒區係— 輔助燃燒區，且其中該燃燒室另包括一主要燃燒區，其 與該輔助燃燒區流體連通。 14. 一種燃燒室，其用以加熱燃氣輪機中之壓縮空氣，其包 括： a) —襯墊，其圍繞其中之主要及輔助燃燒區； b) —環狀通道，其與該輔助燃燒區流體連通，該環狀通 道具有一用以承接壓縮空氣氣流之入口；及 c) 裝置，用以導入燃料至該環狀通道，其包括複數個輕 射狀伸展入該通道中之構件，各該構件具有： (i ) 一排位於其中之燃料排放埠；及 (ii)裝置’其自該燃料排放蜂上游處相對於流經環狀通 道之壓縮空氣氣流將擾流導入該空氣氣流中，該裝置包 括一突起，其自該播件處向外伸展，並在相對於流經該 通道之蜃縮空氣氣流上游之方向中自該排燃料排放蜂處 移動。 15_根據申請專利範圍第14項之燃燒室，其中該突起具有用 以在其下游處產生重覆循環壓縮空氣區域之裝置，該區 -15 本紙張尺度逋用中國國家標準( CNS〉从说格(17^97公蝥y (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝 訂 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 307820 - C8 * D8 _ 六、申請專利範圍 域未延伸至該排燃料排放埤。 16. —種燃燒室，其包括用以導入燃料至空氣氣流中之裝置 ，該燃料導入裝置包含： a) —加長本體，其約於該空氣氣流之垂直方向中延伸， 並具有前導及拖曳邊緣與延伸於該前導及拖曳邊緣間之 第一及第二相對側邊； b) 第一及第二突起，其分別自該第一及第二側邊處約垂直 向外伸展：及 c) 第一及第二排燃料排放埠，其分別沿著該第一及第二 侧邊伸展，並自該第一及第二突起處在相對於該空氣氣 流下游之方向中移動一距離。 17. 根據申請專利範圍第16項之燃燒室，其中： a) 各該燃料排放埠均具有一直徑；及 b) 該第一及第二突起自第一及第二侧邊處向外延伸一高 度，該高度至少爲該燃料排放埠直徑之兩倍。 18. 根據申請專利範園第17項之燃燒室，其中該第一及第二 突起之高度小於該燃料排放埠直徑之八倍。 19 _根據申請專利範圍第16項之燃燒室，其中： a) 該第一及第二突起自第一及第二側邊處向外延伸一高 度；及 b) 該第一及第二排燃料排放埠自第一及第二突起處移動之 距離至少爲該突起高度之四倍。 20.根據申請專利範圍第19項之燃燒室，其中該第一及第二排燃料排 放蜂自第-及第二突起處移動之距離小於該突起高度之十倍。 ---1---„----*'---裝------訂 (請先閲讀背面之注意事項再填窵本頁)