沿軸向分級的預混合燃燒室的製作方法

2023-07-26 05:12:11

專利名稱：沿軸向分級的預混合燃燒室的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃氣輪機技術，並且更具體而言，涉及促進增強的CO燒除的沿軸向分級的燃氣輪機燃燒器噴嘴構造。
背景技術：
目前，由於包含在燃燒氣體中的CO的量的原因，對於以別的方式合乎需要地降低燃燒氣體的出口溫度存在限制。換句話說，燃燒器出口溫度必須保持相對較高，以便確保CO 燒除滿足CO的所需的排放水平。為了保持燃燒器出口溫度足夠高，以在低負荷或無負荷狀態下保持低的CO水平，即使是在低動力要求的時期期間，用戶必須或者使渦輪停機，或者保持渦輪「聯機」，從而提高了消耗的燃料的量。因此，存在對於這樣一種機械裝置的需要通過該機械裝置，可降低燃氣輪機中的燃燒所產生的CO量，使得用戶的調低能力可得到提高。更具體而言，如果可在燃燒器在低負荷或無負荷狀態下降低CO水平，則用戶將在電需求降低的時間期間使用更少燃料。這繼而可產生直接的燃料節省，而不必使渦輪停機以及然後在需求恢復時重新啟動渦輪，從而還產生了可靠性的增強。

發明內容
在第一個示例性但非限制性的實施例中，本發明涉及一種用於燃氣輪機的燃燒器，包括布置成基本環形的陣列的多個徑向外部噴嘴，各個徑向外部噴嘴具有定位成以便對第一燃燒室供應燃料和/或空氣的出口端；至少中心噴嘴，其具有位於徑向外部噴嘴的出口端的軸向上遊的出口端，構造和布置成以便對在第一燃燒室的軸向上遊的第二燃燒室供應燃料和空氣，第二燃燒室通向第一燃燒室，並且具有足以保持中心噴嘴火焰限制在第二燃燒室中的長度。在另一個示例性方面，本發明涉及一種用於燃氣輪機的燃燒器，包括布置成基本環形的陣列的多個噴嘴，各個噴嘴具有定位成以便對第一燃燒室供應燃料和/或空氣的出口端；中心噴嘴和該多個噴嘴中的至少一個，具有位於該多個噴嘴中的其餘噴嘴的出口端的軸向上遊的出口端，構造和布置成以便對在第一燃燒室的軸向上遊的第二燃燒室供應燃料和空氣，第二初級燃燒室通向第一燃燒室，並且具有足以保持中心噴嘴火焰和該多個噴嘴中的該至少一個的火焰限制在第二燃燒室中的長度。在又一個示例性方面，本發明提供了一種操作燃氣輪機的方法，該燃氣輪機具有至少一個燃燒器，通過多個噴嘴來對該至少一個燃燒器供應燃料和/或空氣，多個噴嘴包括包圍中心噴嘴的外部噴嘴陣列，該方法包括(a)在無負荷或低負荷狀態下，對中心噴嘴供應燃料和空氣，以及對外部噴嘴陣列供應僅空氣，同時使中心噴嘴產生的火焰與流過外部噴嘴陣列的空氣隔離開；以及(b)在更高的負荷狀態下，通過外部噴嘴陣列和中心噴嘴兩者來供應燃料/空氣混合物，使得外部噴嘴陣列產生的火焰保持在第一燃燒室中，並且中心噴嘴產生的火焰保持在第一燃燒室的上遊的第二燃燒室中。
現在將結合下面標示的圖來對本發明進行更加詳細的描述。


圖1是根據本發明的第一個示例性但非限制性的實施例的、通過燃氣輪機燃燒器的截面；圖2是圖1所示的燃燒器的局部的放大透視圖；圖3是圖2所示的燃燒器的部分剖開的透視圖；以及圖4是根據另一個示例性但非限制性的實施例的燃燒器構造的示意圖。部件列表10燃燒器12環形通道14過渡件16燃燒室襯套18、20流動套管22、M 冷卻孔26、126外部噴嘴28、128中心噴嘴30、50 器件32第一燃燒室34單個噴嘴葉片36、136 第二燃燒室38燃燒器帽40殼體壁42管狀部件44環形板46外部噴嘴管48中心噴嘴管50旋流器入口52 孔口
具體實施例方式現在參照圖1-3，示出了根據本發明的一個示例性但非限制性的實施例的燃氣輪機燃燒器10。將理解，燃燒器10與在燃氣輪機殼體周圍布置成環形陣列的若干個其它類似的燃燒器典型地結合在一起，各個燃燒器對渦輪的第一級供應燃燒氣體。各個燃燒器10均供有來自壓縮機(未顯示)的空氣。使壓縮機空氣反向流動(如由流箭頭所示)而進入環形通道12中，環形通道12位於在徑向內部且沿軸向對準的過渡件14和燃燒室襯套16( — 方面)與在徑向外部且沿軸向對準的流動套管18和20(另一方面)之間。壓縮機空氣12 通過相應的流動套管18和20中的衝擊冷卻孔22、對流到通道12中，從而在燃燒器的入口端處的反向流動之前，還對過渡件和燃燒器襯套提供冷卻。大體上，而且在某些運行條件下，空氣將流到與多個六個徑向外部噴嘴沈中的各個和中心噴嘴觀(燃燒器中的噴嘴數量典型地在6和8之間變化)相關聯的空氣噴射器中，在空氣噴射器中，空氣與通過燃燒器端蓋30供應到噴嘴的燃料預混合。來自徑向外部噴嘴觀的空氣/燃料混合物噴射到燃燒區或主燃燒室32中。通過火花塞(未顯示)連同聯焰管(也未顯示)來實現點火，聯焰管連接相鄰的燃燒器。熱的燃燒氣體從燃燒室32流到過渡件14中，然後流到燃氣輪機的第一級，第一級由單個噴嘴葉片34表示。至此，所描述的燃燒器是大體眾所周知的，而本發明在此處涉及中心噴嘴觀相對於徑向外部噴嘴26和30的位置，以及涉及在第一(或主)燃燒室32的上遊建立第二(或初級)燃燒室36。更具體而言，以及尤其是繼續參照圖2和3，中心噴嘴洲在上遊方向上內凹(相對於各圖中從左到右的燃燒氣體的流向)。換句話說，中心噴嘴觀沿軸向位於徑向外部的周圍噴嘴沈的出口的後面。燃燒器帽38支承外部噴嘴的出口端，但是構造和安裝成以便允許壓縮機空氣在該帽和殼體壁40 (圖1)之間流動。基本圓柱形的管狀部件42從帽38向後延伸到中心噴嘴觀的出口端，從而形成初級燃燒室36，初級燃燒室36在帽38的最前面的板44處通向主燃燒室32。將室36的長度確定為以便足以允許CO完全燃燒，同時保護中心噴嘴火焰不受通過徑向外部噴嘴26流到主室32中的周圍的冷空氣的影響。燃料如上所述通過端蓋30供應到徑向外部噴嘴管(在46處顯示了兩個(圖1))， 以及供應到中心噴嘴管48，而空氣則在以傳統的方式構造的預混合旋流器入口 50(在圖3 中顯示了兩個)處供應到徑向外部噴嘴26，以及經由徑嚮導葉M中的孔口 52通過預混合旋流器入口供應到中心噴嘴28。在低負荷狀態直到全速無負荷(FSNL)時，燃料僅供應到中心噴嘴28，而空氣則流過徑向外部噴嘴26。通過將中心噴嘴火焰限制在初級燃燒室36中，保護了其不受通過徑向外部噴嘴沈供應的冷空氣的影響，且從而不會經受不合需要的溫度下降。因此，通過使中心噴嘴火焰保持在高溫處，以及使中心噴嘴觀有足夠的燃料量，中心噴嘴火焰將燒除殘餘的CO。繼而，在動力要求低時，CO水平的降低將允許渦輪操作員甚至進一步以負荷降低的燃料消耗來小心地使燃氣輪機減速。當負荷增大時，就出現燃燒所需的燃料的量大於中心噴嘴觀可供應的狀況。然後將徑向外部噴嘴26引入使用，燃料供應到徑向外部噴嘴，與壓縮機供應的燃燒空氣混合， 如上所述。與外部噴嘴26相關聯的燃燒火焰錨定在初級燃燒室36的下遊、主燃燒室32內。 徑向外部噴嘴沈可同時或按某個預定的順序(或者例如2或3個一組地同時)「點著」或點燃，如針對特定的燃燒器應用的燃燒優化所規定的那樣。無論如何，在FSFL時，中心噴嘴火焰保持錨定在初級燃燒室36中，而外部噴嘴火焰則保持錨定在主燃燒室32中、初級燃燒室36的下遊。因為限定初級燃燒室36的管狀部件42直接暴露於中心噴嘴火焰，所以管狀部件42必須由任何適當的器件冷卻，諸如，例如應用隔熱塗層、衝擊冷卻、添加湍流器或以上的任何組合。在本發明的對特定的渦輪模型的優化應用中，燃燒空氣的三分之一(1/3)將流過中心噴嘴，三分之二(2/3)通過外部噴嘴陣列，phi比為大約0.6(phi是定義為實際燃料/ 空氣比與化學計量值的比的當量比)。典型的Phi值的範圍從0. 50至0. 65。在一個備選的操作模式中，在FSFL時，中心噴嘴28中的火焰可熄滅相對短的時間，然後重新對其供應燃料，使得火焰在初級燃燒室36的下遊重新點燃(並且保持)。通過在主燃燒室40中重新點燃中心噴嘴火焰且將其保持在初級燃燒室36之外，管狀部件42的溫度將會更冷，而且供應到中心噴嘴觀的燃料和空氣的混合區被延長，從而產生更好的混合和更低的NOx排放。在這個備選的FSFL操作模式中，可能有利的是使管狀部件42的壁沿下遊方向向內漸縮。燃料/空氣混合物以更高的速度運動通過減小的截面會防止中心噴嘴火焰向上遊運動而回到初級燃燒室中。注意，在決定在初級燃燒室36內重新點燃火焰的情況下，在該室中提供火花塞或其它點火器是必要的。在又一個示例性但非限制性實施例中，在FSNL時，可保護不止一個噴嘴不受流過周圍或附近的噴嘴的冷空氣的影響。例如，中心噴嘴和在外部陣列中的一個或兩個其它的噴嘴可以以與以上關於中心噴嘴觀所描述的相同的方式內凹。另外，該一個或兩個額外的噴嘴可位於單個長形、橢圓形或其它形狀的燃燒室中，也就是說，室形狀將由內凹的噴嘴的數量和位置規定。在圖4中顯示了一個這種布置，在該布置中，中心噴嘴1 和周圍的徑向外部噴嘴126陣列中的一個凹入由長形的管狀部件142限定的第二燃燒室136內。因此，這種開發出的多級燃燒器能夠通過在內凹的燃燒室(初級燃燒室36)中建立燃燒區，使供有燃料的噴嘴(例如中心噴嘴觀)反應火焰與離開相鄰的未供有燃料的噴嘴(例如在部分負荷或無負荷狀態時的徑向外部噴嘴沈)的過度地冷的周圍空氣隔離開， 以便在該室的末端處完成CO燒除。
權利要求
1.一種用於燃氣輪機的燃燒器(10)，包括布置成基本環形的陣列的多個徑向外部噴嘴(26)，所述徑向外部噴嘴中的各個具有定位成以便對第一燃燒室(3 供應燃料和/或空氣的出口端；至少中心噴嘴(觀)，其具有位於所述徑向外部噴嘴的所述出口端的軸向上遊的出口端，構造和布置成以便對在所述第一燃燒室(3 的軸向上遊的第二燃燒室(36)供應燃料和空氣，所述第二燃燒室(36)通向所述第一燃燒室(32)，並且具有足以保持中心噴嘴火焰限制在所述第二燃燒室(36)中的長度。
2.根據權利要求1所述的燃燒器，其特徵在於，所述徑向外部噴嘴06)的所述出口端支承在環形板G4)中，並且其中，限定所述第二燃燒室的管狀部件0 自所述環形板G4) 沿上遊方向延伸。
3.根據權利要求1所述的燃燒器，其特徵在於，提供器件(30，50)，以對所述多個徑向外部噴嘴供應僅空氣，或者供應空氣和燃料。
4.根據權利要求3所述的燃燒器，其特徵在於，提供器件(30)，以對所述中心噴嘴供應燃料和空氣。
5.根據權利要求1所述的燃燒器，其特徵在於，除了所述中心噴嘴(128)之外，所述多個徑向外部噴嘴(126)中的一個或多個具有在所述多個徑向外部噴嘴中的其餘徑向外部噴嘴的上遊的出口端。
6.根據權利要求5所述的燃燒器，其特徵在於，所述多個徑向外部噴嘴(126)中的所述一個或多個構造和布置成以便對所述第二燃燒室(136)供應燃料和空氣。
7.一種用於燃氣輪機的燃燒器(10)，包括布置成基本環形的陣列的多個噴嘴(26)，所述噴嘴中的各個具有定位成以便對第一燃燒室(32)供應燃料和/或空氣的出口端；中心噴嘴(128)和所述多個噴嘴(1 )中的至少一個，具有位於所述多個噴嘴中的其餘噴嘴的所述出口端的軸向上遊的出口端，構造和布置成以便對在所述第一燃燒室(32) 的軸向上遊的第二燃燒室(36)供應燃料和空氣，所述第二燃燒室(36)通向所述第一燃燒室(32)，並且具有足以保持中心噴嘴火焰和所述多個噴嘴中的所述至少一個的火焰限制在所述第二燃燒室(36)中的長度。
8.根據權利要求7所述的燃燒器，其特徵在於，除了所述多個噴嘴中的所述至少一個之外，所述徑向外部噴嘴(126)的所述出口端支承在環形板G4)中，並且其中，限定所述第二燃燒室的管狀部件0 自所述環形板沿上遊方向延伸。
9.根據權利要求7所述的燃燒器，其特徵在於，提供器件(30，50)，以對所述多個徑向外部噴嘴供應僅空氣，或者供應空氣和燃料。
10.根據權利要求9所述的燃燒器，其特徵在於，提供器件(30)，以對所述中心噴嘴供應燃料和空氣。
11.一種操作燃氣輪機的方法，所述燃氣輪機具有至少一個燃燒器(10)，通過多個噴嘴06)來對所述至少一個燃燒器(10)供應燃料和/或空氣，所述多個噴嘴06)包括包圍中心噴嘴08)的外部噴嘴陣列，所述方法包括a.在無負荷或低負荷狀態下，對所述中心噴嘴08)供應燃料和空氣，以及對所述外部噴嘴06)陣列供應僅空氣，同時使所述中心噴嘴08)產生的火焰與流過所述外部噴嘴(26)陣列的空氣隔離開；以及b.在更高負荷狀態下，通過所述外部噴嘴06)陣列和所述中心噴嘴08)兩者來供應燃料/空氣混合物，使得所述外部噴嘴陣列產生的火焰保持在第一燃燒室(3 中，並且所述中心噴嘴產生的火焰保持在所述第一燃燒室的上遊的第二燃燒室(36)中。
12.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述方法進一步包括c.使所述中心噴嘴08)產生的所述火焰熄滅；以及d.用所述第一燃燒室(3 再次點燃所述中心噴嘴08)產生的新火焰。
13.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述第一燃燒室(3 具有足以在低負荷水平或無負荷水平處燒除CO的長度。
14.根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述方法包括冷卻限定所述第二燃燒室(36)的管狀部件(42)。
15.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，通過衝擊冷卻、隔熱塗層、湍流器或它們的任何組合中的任何一個來實現所述冷卻。
全文摘要
本發明涉及沿軸向分級的預混合燃燒室。一種用於燃氣輪機的燃燒器(10)包括布置成環形陣列的多個徑向外部噴嘴(26)，各個徑向外部噴嘴具有定位成以便對第一燃燒室(32)供應燃料和/或空氣的出口端。中心噴嘴(28)具有位於徑向外部噴嘴的出口端的軸向上遊的出口端，並且構造和布置成以便對在第一燃燒室的軸向上遊的第二燃燒室(36)供應燃料和空氣。第二燃燒室(36)通向第一燃燒室(32)，並且具有足以保持中心噴嘴火焰限制在第二燃燒室中的長度。
文檔編號F02C3/14GK102192508SQ20111004312
公開日2011年9月21日 申請日期2011年2月16日 優先權日2010年2月16日
發明者A·瓦裡夫, G·邁爾斯, M·哈德萊, S·A·梅斯科夫, S·懷德納, V·A·米特羅發諾夫 申請人:通用電氣公司