TWI280316B - Improved combination of a premixing chamber and a combustion chamber, with low emission of pollutants, for gas turbines running on liquid and/or gas fuel - Google Patents

Description

1280316 ⑴ 玖、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 技術領域 本發明有關於一種用於以液體及/或氣體燃料運轉之氣 渦輪機之具有低排放污染物之改良式預混合室與燃燒室之 組合。 先前技術 已知氣渦輪機係為一種由一壓縮機及一具有一或多個階 段的渦輪機所組成之機具，其中這些組件由一旋轉軸加以 互連且其中一燃燒室設置於展縮機與渦輪機之間。 將空氣從外部環境供應至壓縮機予以加壓。 經加壓的空氣係通過一終止於一收斂部之導管，一組噴 射器將燃料供應入導管内使燃料與空氣混合形成一種燃燒 用的燃料-空氣混合物。 設計用來升高氣體的焓及溫度之燃燒程序所需要的燃 料係從一加壓網路供應並藉由一或多個噴射器導入燃燒 室中。 一般亦提供一用於在混合導管出口附近產生前導火焰之 平行的燃料供應系統，藉以改善火焰的穩定度特徵。 最後，處於高溫及高壓的氣體係通過適當的導管而抵達 渦輪機的各個階段，而將氣體的焓轉換成為使用者可取用 的機械能。 在用於氣渦輪機之燃燒設計中已經熟知，強制優先的考 量因素係為火焰穩定度及多餘空氣的控制之考量因素，目 的在於對於燃燒程序建立理想的條件並盡量降低污染物的 (2) (2)1280316

輸出。 氣渦輪機的燃燒室設計之第二項影響因素係為在盡量靠 近燃燒室圓頂處發生燃燒之傾向。 更詳述之，先可技術提供_種預混合型的組合，亦即一 種使用一預混合室且此預混合室位於燃燒室上游並由一束 限部與燃燒室分隔之組合。 此預混合室及燃燒室皆由一腔體所圍繞，此腔體係含有 與離開此燃燒室的燃燒產物流呈現反向流通之加壓空氣。 利用此空氣作為在預混合室中與燃料混合之燃燒空氣、 並作為用於冷卻燃燒室及燃燒產物之空氣。 此外，在上述燃燒中，可將經過預混合室外表面的開孔 之從腔體至預混合室的燃燒空氣流加以束限，藉以在渦輪 機的所有負載程度下均保持低的氮氧化物排放污染物。 以所使用燃料量的一函數來施加束限，使得燃燒空氣與 燃料常數之間的比值保持在最佳值。 為了防止火焰以任何方式熄滅或變得不穩定，對於一額 外的燃料噴射提供呈現環狀的一組孔，使得緊位於束限部 下游的燃燒區域富含燃料。 先前技術中’使用一或多個噴射器，而能夠使用液體燃 料作為氣體燃料之替代物或互補物；這些噴射器係產生擴 散火焰並由於缺乏燃料與空氣的混合作用而造成高的排放 污染物濃度。 發明内容 目前’市場對於可以氣體燃料及/或液體燃料同樣良好地 1280316

運轉之氣滿輪機係具有增加的需求。 必須在不偏頗於將排放污染物降低至最小值之主要目枳 並且亦符合良好燃燒的其他需求之情形下提供此種彈性f 因此，本發明之目的係為克服上述缺陷，特定言之，係 提供-種用力以液體及/或氣體燃料運轉t氣渦輪機之具 有低排放污染物之改良式預混合室與燃燒室之組合。 、，本發明之另-目的係提供—種亦可提供良好火焰穩定度 亚降低燃燒t中的壓力振盈之用於以液體及/或氣體燃料 運轉之氣滿輪機之具有低排放污染物之改良式預混合室與 燃燒室之組合。 ' 本發明之另-目的係提供—種可提供高燃燒效率之用於 以液體及/或氣體燃料運轉之氣渦輪機之具有低排放污染 物之改良式預混合室與燃燒室之組合。 本發明之另-目的係提供—種可延長承受高溫的組件的 平均壽命之用於以液體及/或氣體燃料運轉之氣满輪機之 具有低排放污染物之改良式預混合室與燃燒室之組合。 本發明之另一額外目的係提供一種特別可靠、簡單且具 功能性並具有較低製造成本與維護成本之用於以液體及/ 或氣體燃料運轉之氣渦輪機之具有低排放污染物之改良式 預混合室與燃燒室之組合。 藉由提供一種如申請專利範圍第丨項所揭露之用於以液 體及/或氣體燃料運轉之氣渦輪機之具有低排放污染物之 改良式預混合室與燃燒室之組合來達成本發明之上述及其 他目的。 ' -8 - (4) (4)1280316 發娜 在後續的申請專利範圍中指定進一步的特徵。 最好使得一種根據本發明之用於以液體及/或氣體燃料 運轉之氣屑輪機之具有低排放污染物之改良式預混合室與 燃燒室之組合可以很容易地與根據先前技術已經裝設的燃 燒室交換使用。 圖式簡單說明 可參照圖式藉由一項非限制性範例所提供的下文描述而 更加清楚一種根據本發明之用於以液體及/或氣體燃料運 轉之氣渴輪機之具有低排放污^染物之改良式之預混合室與 燃燒室之組合之特徵及優點，其中： 圖ί以部份剖視方式顯示根據先前技術之一種用於以氣 體燃料運轉之氣渦輪機之預混合室與燃燒室之組合的縱視 圖； 圖2顯示一種根據本發明之用於以液體及/或氣體燃料運 轉之氣渴輪機之預混合室與燃燒室之組合的縱剖視圖；及 圖3顯示圖2的細部之放大縱剖視圖。 實施方式 參照圖1顯示一種根據先前技術之用於以氣體燃料運轉 之氣渦輪機之具有低排放污染物之一預混合室12與一燃燒 室11之組合10。 在圖示範例中，燃燒室11具有一截頭圓錐形端點lla ,戴 頭圓錐形端點11 a係由一束限部13連接至預混合室12，緊接 在束限部13的下游處具有實際的燃燒區域14-亦即燃燒室 11的主要火焰區域。 1280316

整體總成亦受到一供冷卻空氣20使用之腔體15所圍繞， 冷卻空氣20係由一未圖示的軸向壓縮機所加壓並以箭頭16 方向（亦即與離開燃燒室U的燃燒產物流17相反之方向）流 通。 預混合室12亦由導管24及一組輻射狀的穿刺管25供應氣 體燃料’同時燃燒空氣20a係經由位於預混合室12的外殼27 中之一組開孔26從腔體15送入預混合室12中。 這些開孔26係與可在外殼27上旋轉的一筒部中之對應開 孔產生互動’這個未圖示的筒部之旋轉方式可依照所使用 燃料量來降低開孔26的面積。 輪葉33亦設置於預混合室12中及束限部13附近，以確保 通過輪葉的物流以一指定方向行進，藉以促進主要火焰的 穩定作用。 表後’一組圓周狀的平行燃燒器3 4係配合在束限部13外 以在束限部13正下游處之燃燒區域14中生成與中央主要火 焰呈現同心之一組對應環狀的額外火焰。 燃燒态34經由一環狀室35及導管36供應額外的燃料且亦 供應燃燒空氣。 圖2及3顯不一種根據本發明之用於以液體及/或氣體燃 料運轉之氣渴輪機之具有低排放污染物之一預混合室Η 2 與一燃燒室111之組合110，其中與參照先前技術的圖丨所示 之組件相同及/或均等的組件係以相同的編號加上100。 在圖不範例中，燃燒室丨n具有一截頭圓錐形端點111 a , 戴頭圓錐形端點llla連接至預混合室112。 -10· (6) (6)!28〇316 * 此預混合室112包含一中央結構118’此中央結構u8為圓 柱形或為-往燃燒室⑴變窄之略微推拔狀的截頭圓錐形 式，此結構使其軸線與燃燒室丨〗i的軸線重合，且可使一孽 如為-環狀結構形 < 之液體燃牙斗噴射《£ 119軸向設置於 其中。 中央結構118係往下游連接至燃燒室lu的截頭圓雜形端 點111a、並且往上游藉由一大致與預混合室112的軸線垂直 因而呈徑向延伸之連接部138而接合至一圍、繞中央結構ιΐ8 之環狀室137。 與環狀室137接合至連接部138處呈現相對之環狀室m 的端點係具有一組圓周狀的開孔或埠126，該等開孔或埠 126譬如為軸向延伸的長方形，這些開孔具有十二個且沿著 一圓周以相等間隔分佈。 這些開孔126係與可在一設有開孔126的環狀室137部份 上％轉之一筒部13 9的對應開孔產生互動。 燃燒室111由一供冷卻空氣120用之腔體115所圍繞，冷卻 空氣120係由一未圖示的軸向壓縮機所加壓並以箭頭i 方 向（亦即與離開燃燒室丨11的燃燒產物流丨17相反之方向）流 通。 燃燒空氣120a從腔體Π5送到環狀室137的開孔126。 預混合室112亦經由諸如橫向穿刺管125等一組圓周狀的 供應構件來供應氣體燃料，其中該橫向穿刺管125之軸線平 行於預混合室112的軸線，並定位在連接部138中。 一組圓周狀的燃燒器134係配合在預混合室112的中央結 -11- 1280316

構118下游處，且其軸線平行於預混合室1丨2的軸線且導往 燃燒室111。 燃燒器134經由一環狀室135及導管136供應額外的氣體 燃料。 最後’將一組譬如四個噴射器140設置於戴頭圓錐形端點 111a上並導往燃燒室ηι内部，這組噴射器14〇以相等間隔 沿著一圓周分佈並有額外的液體燃料供應。 參照圖式可由上文描述清楚得知根據本發明之用於以液 體及/或氣體燃料運轉之氣滿_輪機之具有低排放污染物之 一預混合室112與一燃燒室111之組合110之操作，並簡述如 下。 冷卻空氣120係由一未圖示的軸向壓縮機加壓並用來冷 卻燃燒室111。 空氣120在冷卻此燃燒室ni時係受到加熱並經由開孔 126進入預混合室112的環狀室137藉以作為燃燒空氣12〇a。 筒部139隨後旋轉的方式將可依照所使用的燃料量來降 低開孔126的面積。 在空氣120a通過連接部138期間將氣體燃料添加至此空 氣 120a。 噴射裝置Π 9係供應液體燃料因而生成中央主要燃_火 焰。 此組圓周狀的燃燒器134係緊接著截頭圓錐形端點11 ^ 下游在燃燒室111中生成與中央主要火焰同心夕 ^ J ^ ~組對應 環狀之額外前導火焰。 -12- 1280316

⑻ 最後’此組噴射器14〇係供應額外的液體燃料，其目的在 於進一步穩定住燃燒程序。 上文描逑係清楚說明身為本發明目的之用於以液體及/ 或氣體燃料運轉之氣渦輪機之具有低排放污染物之改良式 預混合室與燃燒室之組合的特徵，亦清楚得知包括下列的 對應優點： -對於氣體燃料及液體燃料兩者皆降低排放污染物值； -降低燃燒室中的壓力振盪及良好的火焰穩定度； -高的燃燒效率； — -承受高溫的組件具有增長的平均壽命； -簡單且可靠的操作； -比先前技術更低的製造與維護成本； -與先則技術習知的燃燒室具有良好之交換使用能力，因 此很容易轉換使用於已經裝設及翻新之氣渦輪機。 取後’可清楚得知可在本發明範圍内以許多方式修改及 婕更具有此種設計方式之用於以液體及/或氣體燃料運轉 之氣渦輪機之具有低排放污染物之改良式預混合室與燃燒 室之組合。 此外，所有組件皆可由技術均等性元件加以取代。 K際上1可依照技術需求來變更所使用的材料及形狀與 尺寸。 因此，本發明的保護範圍由申請專利範圍所界定。 圖式代表符號說明 10,110 組合. -13- 1280316 (9) 11,111 燃燒室 lla，llla 截頭圓錐形端點 12,112 預混合室 13 束限部 14 燃燒區域 15,115 腔體 16,116 箭頭 17,117 燃燒產物流 20,120 冷卻空氣 一 20a，120a 燃燒空氣 24,36,136 導管 25,125 穿刺管 26,126 開孔 27 外殼 33 輪荦 7Γ\ 34,134 燃燒器 35,135,137 環狀室 118 中央結構 119 液體燃料噴射裝置 138 連接部 139 筒部 140 噴射器 發嚷說稻廳

-14-

Claims (1)

12803純Μ!36424號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(95年8月) 芥年？月日修(更)正本

一種一預混合室（112)與一燃燒室（1 i i)之改良式組合 (110)，該組合（110)係用於以液體及/或氣體燃料運轉之氣 渦輪機，並具有低汙染物排放，該燃燒室（m)具有一截 頭圓錐形‘點（111 a) ’且其附近有一燃燒之主要中央火 焰並由一供冷卻空氣（丨2〇)使用的腔體（115)所圍繞，該冷 卻空氣（120)係沿著相反於燃燒產物流的方向來流通，該 腔體（115)將燃燒空氣（12〇a)攜帶至該預混合室（112)且在 其中使該燃燒空氣與液體及/或氣體燃料混合，該預混合 至（112)在其入口係具有可依照所使用燃料量而受到束限 之開孔或埠（126)並在其出口具有導往該燃燒室（111)之 一組圓周狀的燃燒器（134)以生成與該主要火焰呈現同 心之一組對應的額外火焰，其特徵為氣體燃料供應構件 (125)及液體燃料喷射裝置（119)係設置於該預混合室 (112)中’且一組液體燃料喷射器（14〇)係設置在該燃燒室 (ill)的截頭圓錐形端點（llla)上，這些喷射器導往該燃 燒室（111)的内部。 2·如申請專利範圍第1項之改良式組合（110)，其中該預混 合室（112)係包含一中央結構（118)，該中央結構（ιΐ8)係 為圓柱形或為一具有朝向該燃燒室（111)之縮窄部之略 呈漸細狀的截頭圓錐，此結構使其軸線與該燃燒室（ιιι) 的軸線重合，並使該液體燃料噴射裝置（119)得以軸向定 位於其中。 1280316

許年$月厶日a換頁 3.如申凊專利範圍第2項之改良式組合（11 〇)，其中該中央 結構（118)係往下游連接至該燃燒室（111)的截頭圓錐形端 點（11 la) ’且其上游藉由一大致垂直於該預混合室（112) 的軸線且因而徑向延伸之連接部（138)而接合至一圍繞 該中央結構（118)之環狀室（137)。 4·如申請專利範圍第3項之改良式組合（11〇)，其中該供應 構件包含橫向穿刺管（125)，該等橫向穿刺管（125)之軸 線平行於忒預混合室（丨丨2)的軸線並且定位在該連接部 (138)中。 5·如申請專利範圍第1項之改良式組合（110)，其中該等燃 燒器（134)之軸線係平行於該預混合室（112)之軸線。 6. 如申請專利範圍第1項之改良式組合（11〇)，其中該等燃 燒器（134)經由一環狀室（135)及導管（136)供應額外的氣 體燃料，且亦供應燃燒空氣。 7. 如申請專利範圍第1項之改良式組合（11〇)，其中該等液 體燃料喷射器（14〇)的數量為四個，並且在一圓周上等間 隔定位。 8·如申請專利範圍第3項之改良式組合（110)，其中該組圓 周狀的開孔或埠（126)係形成於該環狀室（137)中，且設 置在相反於該環狀室（137)接合至該連接部（138)處之端 點上。 9·如申請專利範圍第8項之改良式組合（110)，其中該等開 孔為長方形並沿著該預混合室（丨丨2)的軸線延伸，其中 该等開孔的數量為十二個，且以相等間隔設置於一圓 1280316

#年月J曰修(更)正替換頁 周上。 10·如申請專利範圍第9項之改良式組合⑴〇)，其中該等開 孔（126)係與可在設有該預混合室（112)的開孔（126)處之 孩％狀室（137)的一部份上旋轉之一筒部（139)的對應開 孔產生互動。 11.如申請專利範圍第1項之改良式組合（11〇)，其中由一轴 向壓縮機加壓的冷卻空氣（丨2〇)可流經該腔體（115)。