在壓縮空氣中燃燒燃料的方法
2023-06-09 15:46:01 2
專利名稱：在壓縮空氣中燃燒燃料的方法
技術領域：
本發明涉及一種在壓縮空氣中燃燒燃料的方法，壓縮空氣製備成沿軸線流動的氣流，其中，首先從此氣流中分出多股支流，為每股支流單獨供應一部分燃料和燃燒成伸入氣流中的引領火焰，而其餘的燃料分布在氣流中，在引領火焰處點燃和燃燒。
本發明具體涉及在燃氣輪機中壓縮機部段與渦輪部段之間流動的壓縮空氣中的燃料的燃燒。在一臺相應的燃氣輪機的兩個渦輪部段之間流動的壓縮空氣中燃料的燃燒，也屬本發明考慮之列。
在用於提供機械能的燃氣輪機中，空氣在壓縮機部段中被壓縮為高壓，接著，通常通過燃料的燃燒供入熱量而被加熱，在這種情況下，一般基本上保持這一高壓，並最終在渦輪部段中膨脹降壓。燃料的燃燒按傳統的方法實現，此時，氣體通過燃燒室流動，在燃燒室中設有燃燒器或多個燃燒器的裝置，通過它們向氣體中供入要燃燒的燃料並點燃之。
這類燃燒器的例子可參閱EP0193838 B1、US-Patent Re.33896、EP0276696B1、US-Patent 5062792、WO92/19913 A1，以及其他的實施形式如EP0210462 A1、EP0321809 A1和EP0 483554 A1。由EP0 489193 A1可知一種用於燃氣輪機的燃燒室的例子，它設有多個燃燒器，這種燃燒室有一個帶端壁的圓形環腔，燃燒器固定在端壁上，被提供來用於燃燒的壓縮空氣大部分經燃燒器流入環腔。此外，環腔以一個內壁和一個外壁為界，它們各具有一些用於流過空氣的孔口。通過這些孔口流入環腔中的空氣用於冷卻內壁和外壁。燃燒室設在燃氣輪機的壓縮機部段與渦輪部段之間。在壓縮機部段中壓縮過的空氣流進入燃燒室之前，它多次轉向並最晚在進入燃燒室時失去它在離開壓縮機部段時可能獲得的扭轉。儘管每個燃燒器本身給予流過它的氣體支流某種程度的扭轉，然而這還不足以使氣流獲得一種相對於軸線的扭轉。由於燃燒室的結構以及比較複雜的氣流導引裝置造成了很大的壓力損失；此外，由於氣流失去了在壓縮機部段中可能獲得的扭轉，所以氣流必須在進入渦輪部段時重新被加入扭轉，這就需要昂貴的設備方面的支出，並導致進一步的壓力損失。
由EP0590297 A1可知一種燃燒室的例子，在這一燃燒室中導引一種帶扭轉的壓縮空氣流。雖然此文獻沒有明確說明燃燒室應如何設計，但指出了在保持扭轉的情況下為了導引氣流通過燃燒室，可以取消按傳統的方式設在渦輪進口的固定的導向輪。
在壓縮空氣流中燃燒的方式和方法取決於有關於氣流的許多細節。尤其是當氣流運動得比較快時，在氣流中進行的燃燒趨於不穩定，這種不穩定可能表現為增加有害物質的產生量，並可能直至使燃燒完全中斷。當然，總是非常希望在此較快速流動的氣流中相應進行必須的短時間內的燃燒，以抑制氧化氮的產生量，這種氧化氮由於燃燒時出現的高溫自行調整，而與燃燒時進行反應的具體情況無關。為了取代氧化氮產物，只需要在燃燒形成的煙氣中有過剩的氧，當然在燃氣輪機中總是存在著這種情況。氣流在高溫下停留的時間短與減少氧化氮的產生量意義相同。當具有扭轉的氣流通過時，剛才所敘述的困難可能變得更加嚴重，因為在規定的用於燃燒燃料的氣流的停留時間下，要求有更高的流動速度。
鑑於這一困難，本發明的目的是提出一種在壓縮空氣中燃燒燃料的方法，它始終保證燃料的穩定燃燒。
按本發明為達到這一目的，提出了一種在壓縮空氣中燃燒燃料的方法，壓縮空氣製備或沿軸線流動的氣流，其中，首先從此氣流中分出多股支流，為每股支流單獨供應一部分燃料並燃燒成伸入氣流中的引領火焰，其餘的燃料分布在氣流中，並在引領火焰處點燃和燃燒，其中，其餘的燃料不均勻地分布在氣流中，使由此所形成的燃料在氣流中的分布，在每個引領火焰處有局部最大值。
就本發明的意圖而言，除了將燃料在其中燃燒的空氣流分成多股支流，並分別為每一股支流供入或多或少的熱能的傳統實踐外；按本發明燃燒的主負荷不是在分成支流的氣流中實施的。當然，是從氣流中分出一部分氣流並再分成一些支流，而這些支流用於形成引領火焰，它們伸入氣流中並構成了其餘燃料的點火源，燃料或多或少自由地分布在氣流中。燃料在氣流中的分布是有目的地不均勻，使得燃料在每個引領火焰處存在著分布的局部最大值。燃料在氣流中的這種分布的不均勻性，保證在每個引領火焰處有比較充足的燃料與空氣的混合物，這種混合氣可簡單並安全地點燃；在此意義上，與按傳統的理解在燃料分布方面不希望有的不均勻性，對保證燃燒的穩定性和保證全部燃料徹底燃燒是有裨益的。
由氣流分出的支流應這樣確定並供入適當的燃料量，即，在所有可考慮到的情況下產生穩定燃燒；尤其是為了這種穩定燃燒應能形成一種較充足的燃料空氣混合氣。其餘的燃料直接供入氣流中，此時，所形成的混合氣在中央比較貧乏，如同燃氣輪機在一般工作狀態下所要求的那樣。由此存在的過剩空氣有時對燃燒起不良的作用，並可能的話需要採取其他使燃燒穩定的措施。按本發明通過在有利的情況下所形成的引領火焰可實現這種穩定性，這些引領火焰起點火源的作用，並保證點燃直接供入氣流中的燃料和它們的完全燃燒。
必要時壓縮空氣流可具有相對於軸線的扭轉，尤其在燃氣輪機中應用時這是有利的；也就是說，在這種情況下可以取消那些必須用於消除在壓縮機部段中可能造成的氣流扭轉所設的導向器，因此燃氣輪機可以設計得更加簡單。此外，可能可以取消在渦輪進口縫隙處的導向器，通過它才能產生渦輪部段的旋轉部件工作所需的扭轉；即使並不總是可以完全取消導向器，也能將導向器設計得更加簡單，因為氣流已經具有一部分所需要的扭轉，以及還需要的是比傳統需要的要少的轉向。
最好將從中分出支流的那一部分氣流在分出支流前消除扭轉，尤其是最好全部取消。取消扭轉相應會帶來減速和增壓，這會被有利地充分利用來形成引領火焰。也就是說，在相應地設計導引裝置的情況下，在減速時所產生的壓力足以形成引領火焰，所以不再需要設置附加的鼓風設備或類似的裝置。
將這種方法應用於燃氣輪機中是特別有利的，其中，氣流由燃氣輪機的壓縮機部段提供，並在燃料燃燒後供往燃氣輪機的渦輪部段。具有另一項優點的做法是預設在進口間隙(氣流通過它流入渦輪部段)中的導向葉片的數量並這樣排列，即，使得由於燃料不均勻分布造成的氣流中不均勻分布的溫度的局部最大值，總是位於兩個導向葉片之間。這一點尤其通過下列做法來達到引領火焰的數量與導向葉片數量一致，以及，引領火焰和導向葉片在考慮到氣流可能的扭轉的情況下，以適當的方式彼此相對定位。
本發明的實施例表示在附圖中。在附圖中沒有表示那些對用於說明不重要的細節。附圖也不能看作是尺寸完全準確的一個具體實施例的示圖，附圖中
圖1為實施在壓縮空氣中燃燒燃料的方法的設備軸向縱剖面；
圖2為如圖1中線II-II所示通過此同一設備的橫截面；圖3為如圖2中線III-III所示通過此同一設備的切向剖面；圖4為如圖1中線IV-IV所示通過圖1設備的橫截面；圖5為通過可裝入設備中用於輸入多種不同燃料的肋的橫剖面；圖6為具有兩個輸入燃料的系統的布置。
在附圖中彼此相應的部分用同樣的標記符號表示，因此在這方面共同涉及圖1至4。
尤其可由圖1看出燃氣輪機截面的一部分，而且有一個設在壓縮機部段4與渦輪部段5之間的燃燒室，此燃燒室有一個環繞燃氣輪機軸線1的環形腔6。由此壓縮機部段4提供了沿軸線1流動並具有相對於此軸線1扭轉的壓縮空氣流2。具有扭轉的氣流2的特點，在圖中用象徵性的彎曲箭頭表示。氣流2基本上不受阻礙地流過環形腔6，此環形腔6朝向軸線1的方向由內壁12為界，而離開軸線1的一邊以外壁13為界。環形腔6圍繞著燃氣輪機的轉子23。為防止氣流2的一部分沿轉子23流動，在轉子23與內壁12之間插入密封裝置24，例如迷宮式密封裝置。要燃燒的燃料經管道系統8供入。在這種情況下，大部分燃料流入肋7，並通過設在每根肋7中的噴嘴9進入氣流2中，在那裡燃料被點燃和燃燒。在氣流2通過進口間隙14流入渦輪部段5併到達在那裡的導向葉片15之前，燃料應完全燃燒。為了影響和穩定經肋7供入的燃料的燃燒。並附加地為分出用於冷卻內壁12和外壁13的空氣，直接在壓縮機部段4後面或近或遠的地方，在環形腔6中插入一個環形通道16。空氣的一部分流入環形通道16中，並在環形通道中分成多股支流3。每一股支流3通過相應的冷卻管道19到達環形腔6的內壁12或外壁13的後面，並能冷卻它們。另一股支流3流入引領燃燒器10。此引領燃燒器10有一個噴嘴11，燃料經管道系統8流入噴嘴11，引領燃燒器10設在肋7的前面。燃料的一部分供往引領燃燒器10或所設的多個引領燃燒器10，並主要與經支流3供入的那些空氣燃燒。在這種情況下，燃料與空氣的混合比可以靈敏地調整，尤其是調整到一個能保證恆定和穩定燃燒的值。這一燃燒使通過肋7供入的燃料燃燒穩定化。顯然，根據設計，引領燃燒器10和肋7沿切向彼此錯開；在這方面圖1所示結構沒有代表性。氣流2進入環形管道16中的部分首先到達轉向葉片17，並在那裡轉向，使得原來存在的扭轉消失了。這一轉向與某種程度的減速和由此產生的靜壓增加相聯繫，並因而有助於沿主要的圓周支流3的穩定化。氣流2通過轉向葉片17轉向的部分到達集氣腔18，從那裡分出支流3。在引領燃燒器10後面的肋7的布置並不重要；肋7和引領燃燒器10沿軸線1的位置根據流量比來先定。完全可以想像，引領燃燒器10和肋7並列；於是有可能由肋7局部地代替冷卻管道19。也可見圖6。
圖2在一個垂直於軸線1(圖中以+字表示)的橫截面視圖中，表示環形腔的肋7與渦輪部段5中的導向葉片15互相排列成什麼樣的空間關係。彎曲的箭頭表示氣流2的扭轉。可以看出，有與肋7同樣多的導向葉片15，同時還可看出，肋7和導向葉片15的方位角以規定的方式彼此錯開。若這一錯開相應於氣流2的扭轉選擇正確，那麼氣流2中溫度分布有一個最大值，這一最大值產生在由於燃料不均勻分布而在燃料分布中出現的局部最大值處，準確地位於兩個導向葉片15之間，並因而有助於減輕導向葉片15的熱負荷。
由圖3可知導向葉片15的這種降低熱負荷是如何實現的。圖3所表示的是相應於圖2中的線III-III通過在圖2中表示為橫截面的結構的切向剖面。由圖中可以看出，氣流2是如何從肋7流嚮導向葉片15的。圖3中還表示了氣流2從肋7流出並結束燃燒時，在氣流2中溫度分布的概況。溫度T表示為與坐標X的關係，坐標X垂直於氣流2。由圖可見，溫度T的局部最大值位於兩個導向葉片15之間，在導向葉片15附近的氣流2的溫度與其最大值相比明顯降低。對於在燃氣輪機中所進行的過程，在熱力學上有重要意義的是對全部氣流平均的溫度平均值；通過因肋7的幾何布置造成的不均勻的溫度分布，可以達到使導向葉片15不是受到溫度平均值或甚至高於此平均值的溫度的負荷。而是受到一個比平均值明顯低得多的溫度的負荷。考慮到這一點，以及考慮到在渦輪部段5進口處所確定的可供使用的材料在最大溫度下的熱承載能力，可在充分利用本發明優點的情況下，達到顯著提高此最大值。
由圖3還可看出肋7的結構。肋7是空心的，內腔8屬於用於燃料的管道系統，並具有許多噴嘴9，燃料通過噴嘴供入氣流2中。噴嘴9基本上可以任意地沿肋7分布；並不要求噴嘴9隻設在肋的下遊側的端部。對噴嘴9布置的唯一重要的準則是，在氣流2中獲得在本發明的範圍內所要求的燃料分布的不均勻性。
圖4表示用於分出支流3的帶冷卻管道19的環形通道16的結構。由圖中還可見轉向葉片17，它將氣流2中進入環形通道16的部分轉為沿軸向流動並有一定程度的減速，以獲得在支流3中靜壓的提升。
圖5表示通過肋7的橫剖面，這種肋有能力按選擇供給多品種的燃料。在肋7的內部有三個燃料通道20、21和22，其中，最小的燃料通道20用於提供油，中等的燃料通道用於提供天然氣，最大的燃料通道用於提供低熱值的可燃氣體，例如煤氣。每一條燃料通道20、21和22都與附屬的噴嘴9相通。
圖6表示在本發明的範圍內向氣流2供入燃料的兩套系統的共同作用。在圖的下部概略表示燃燒室中的流量比，其中，肋7和引領燃燒器10被氣流2所繞流。按此圖氣流2直線流動。顯然此圖也適用於具有扭轉的氣流2，當然在這種情況下縱坐標便與沿有扭轉的氣流2不同，它不平行於軸線1，而沿著氣流並因此圍繞著軸線1為螺旋形。在圖中的橫坐標在任何情況下都是一個方位角，它環繞著軸線1計量。在每個引領燃燒器10內供入從氣流2中分出的空氣支流(圖中未示出)，給予同時提供的燃料，並燃燒形成一個伸入氣流2中的引領火焰25。因此，引領燃燒器10形成了向氣流2供入熱量的第一階段。第二階段的供熱通過肋7進行，燃料從肋7直接供入氣流2。此時，燃料大體上沿垂直於氣流2的方向流出每個肋7，並沿虛線所示的流線26分布。由於肋7的結構造成燃料在氣流2中的分布是不均勻的，這一情況表示在圖上部的曲線圖中。每兩股由彼此相鄰的肋7中流出的燃料流逐漸會合，並分別形成了燃料分布的一個局部最大值，在這裡燃料也在各個引領火焰25處被點燃。燃燒沿著點線所表示的火焰前鋒27在氣流2中擴展，並最終導致通過肋7供入的燃料完全燃燒。在圖的上部曲線圖中畫出了燃料的分布28；橫坐標表示的是方位角，在縱坐標上表示的是濃度。縱坐標表示為斷裂線，以便象徵性地表示此視圖只是表示分布28的形狀，而並不認為是定量的表述。分布28大體相當於燃料在一條引領火焰尖端連線上的分布。此分布28與已藉助於圖3說明的在氣流中的溫度分布有密切的關係；燃料局部濃度越高，則在燃燒時達到的溫度也越高。藉助於圖6還表明了本發明的一項有利的改進此改進在於，無論是導向葉片15(見圖3)還是肋7和引領燃燒器10各設置相同的數量。
按本發明提出了一種在壓縮空氣中燃燒燃料的方法，這種方法尤其適用於燃氣輪機，以及，此方法保證迅速和完全地燃燒燃料。
權利要求
1.一種在壓縮空氣中燃燒燃料的方法，壓縮空氣製備成沿軸線(1)流動的氣流(2)，其中，首先從氣流(2)中分出多股支流(3)，為每股支流單獨供應一部分燃料，並燃燒成伸入氣流(2)中的引領火焰(25)，其餘的燃料分布在氣流(2)中，並在引領火焰(25)處點燃和燃燒，其特徵在於其餘的燃料不均勻地分布在氣流(2)中，由此所形成的燃料在氣流(2)中的分布(28)，在每個引領火焰(25)處有局部最大值(29)。
2.按照權利要求1所述的方法，其中，氣流(2)相對於軸線(1)有扭轉。
3.按照權利要求2所述的方法，其中，從其中分出支流(3)的氣流(2)的一部分，在分流出支流(3)之前消除此扭轉。
4.按照上述任一項權利要求所述的方法，其中，氣流(2)由燃氣輪機的壓縮機部段(4)製備提供，並在燃料燃燒後流入燃氣輪機的渦輪部段(5)。
5.按照權利要求4所述的方法，其中，氣流(2)通過進口間隙(14)流入渦輪部段(5)，渦輪部段(5)中設有導向葉片(15)，此時，由於燃料的燃燒在氣流(2)中形成了不均勻的溫度分布，這種不均勻分布具有局部最大值，它的每個最大值均位於兩個導向葉片(15)之間。
全文摘要
本發明涉及在壓縮空氣中燃燒燃料的方法，壓縮空氣製備成沿軸線(1)流動的氣流(2)。在這種情況下，首先從氣流(2)中分出多股支流(3)，並為每股支流(3)單獨供應一部分燃料和燃燒為伸入氣流(2)中的引領火焰(25)。其餘的燃料分布在氣流(2)中並在引領火焰(25)中點燃和燃燒。燃料在氣流(2)中所形成的分布(28)是不均勻的，在每一個引領火焰(25)處有一個局部最大值(29)。這種方法特別適合於應用在燃氣輪機中，並保證燃料迅速和完全燃燒。
文檔編號F23R3/04GK1140489SQ95191592
公開日1997年1月15日 申請日期1995年1月24日 優先權日1994年1月24日
發明者赫爾穆特·馬霍恩 申請人:西門子公司