在燃氣輪機上使用的具有預混合切向燃料-空氣噴嘴的筒狀環形燃燒室的製作方法

2023-04-24 21:38:41

在燃氣輪機上使用的具有預混合切向燃料-空氣噴嘴的筒狀環形燃燒室的製作方法
【專利摘要】一種在燃氣輪機中使用、為發電而產生推力或使軸旋轉的燃燒設備，其包括具有燃料和空氣入口通道以及噴嘴的筒狀環形燃燒室，其產生了預混合燃料和空氣的最優的燃燒環境。燃料-空氣入口在不同的縱向位置處放置且周向分布，並與筒體襯套相切或幾乎相切地引導氣流。該燃燒設備提供燃料和空氣的有效混合，產生了一種燃燒環境，該燃燒環境減少汙染排放，減少對於高成本汙染控制設備的需求，促進點火和火焰穩定性，減少導向問題並促進減震。
【專利說明】在燃氣輪機上使用的具有預混合切向燃料-空氣噴嘴的筒狀環形燃燒室

【技術領域】
[0001]本發明涉及燃氣輪機中的設備，所述設備有助於容納和產生燃料和空氣的混合物的燃燒。這種裝置包括但不限於應用到軍用和商用飛機、發電和其他燃氣輪機的相關應用中的燃料-空氣噴嘴、燃燒室襯套和殼體以及流動過渡組件。

【背景技術】
[0002]燃氣輪機包括從以非常高的溫度、壓力和速度流動的燃燒氣體中汲取能量的機械裝置。所汲取的能量可用於驅動用於發電的發電機，或為飛機提供所需的推力。典型的燃氣輪機由多級壓縮機構成，其中大氣被壓縮為高壓。然後壓縮的空氣在燃燒室中以特定的燃空比混合，在此其溫度增高。接著高溫和高壓的燃燒氣體膨脹通過渦輪機來提取能量，以依靠此應用提供所需的推力或驅動發電機。該渦輪機包括至少一個單個級，每級由一排槳葉和一排葉片構成。該槳葉沿周向分布在旋轉輪轂上，其中每個槳葉的高度覆蓋熱氣流路徑。非旋轉葉片的每級沿周向布置，其也延伸穿過熱氣流路徑。所包含的發明包括燃氣輪機的燃燒室和將燃料和空氣引入到所述裝置中的組件。
[0003]燃氣輪機的燃燒室部分可以有幾種不同的類型:筒狀/管狀、環形、以及以上二者結合形成的筒狀環形燃燒室。在該組件中，壓縮的燃料-空氣混合物穿過燃料-空氣旋流器，並發生混合物的燃燒反應，從而產生導致混合物密度下降的熱氣流，並在下遊加速。筒狀類型燃燒室通常包括獨立的、周向間隔開的筒，所述筒分別容納每個噴嘴的火焰。隨後，來自於每個筒的氣流被引導通過導管，並在其進入第一級葉片之前在環形過渡件中整合。在環形燃燒室類型中，燃料空氣噴嘴通常沿周向分布，並將混合物引入到發生燃燒的單個環形燃燒室中。氣流僅從環形物的下遊端離開進入到第一級渦輪機中，而不需要過渡件來整合該氣流。最後的類型、即筒狀環形燃燒室的關鍵不同在於，其具有獨立的、由環形殼體包圍的筒，所述環形殼體容納被供給到每個筒中的空氣。依據本發明，每個變形都有其有利和不利之處。
[0004]在用於燃氣輪機的燃燒室中，由於多種原因，通常由燃料-空氣噴嘴來將渦流引入到混合物。一個原因是為了提高混合程度，從而促進燃燒，另一個原因是增加渦流穩固了火焰，以防止火焰熄滅，並允許燃料-空氣混合物較為稀薄以減少排放。燃料-空氣噴嘴可採用不同的配置，例如一個對多個的環形入口，每個環形進口上都有渦流葉片。
[0005]對於其它燃氣渦輪機組件，需要實施冷卻方法，以防止燃燒室材料熔化。一種冷卻燃燒室的典型方法是緻密微孔壁冷卻，用額外的偏置襯套包圍燃燒襯套來實施，其中額外的偏置襯套位於燃燒室和燃燒襯套之間，壓縮機排放空氣通過稀釋孔和冷卻通道穿過並進入到熱氣流路徑。該技術從組件中去除熱量，同時在襯套和燃燒氣體之間形成冷空氣邊界層薄膜，從而阻止向襯套的熱傳遞。稀釋孔根據其在襯套上的軸向位置有兩個目的:更靠近燃料-空氣噴嘴的稀釋孔將有助於氣體的混合，以促進燃燒，同時為燃燒提供未燃燒空氣，第二，更靠近於渦輪機放置的孔會冷卻熱氣流，並可設計為用來控制燃燒室的出口溫度分布。
[0006]可以看出，不同的方法和技術可併入在用於燃氣輪機的燃燒室的設計中，以促進燃燒並降低排放。只要燃氣渦輪機趨於比其他發電方法產生較少的汙染，在本領域就還有改進空間。隨著在一些國家中政府的排放標準的嚴格化，該技術需要改進以滿足這些要求。


【發明內容】

[0007]關於本發明，其提供了一種新穎的改進後的燃燒室設計，其能夠以通常的方式操作，同時使得燃料和空氣混合物的燃燒所產生的汙染排放最小化，並解決這類設備所面臨的一些其他問題。本發明包括典型的筒狀環形燃燒室，其具有預混合的燃料-空氣噴嘴和/或摻混孔，燃料-空氣噴嘴和/或摻混孔在縱向和周向方向上的不同位置將壓縮機排放空氣和增壓燃料引入到燃燒室。本發明的獨創特徵是燃料和空氣噴嘴以如此方式放置:產生提高燃燒反應物和產物的混合的環境。將預混合的燃料和空氣噴嘴分級，使得位於另一組噴嘴上的噴嘴具有更多的燃料，這促進了燃燒反應物的混合，並在燃燒區域產生大大減少形成NOx的特定氧氣濃度。另外，在燃燒區域下遊引入壓縮機排放空氣，使得在燃燒期間形成的所有的CO在其進入第一級渦輪機之前被燃燒/消耗。實際上，燃燒室會提高燃氣渦輪機的排放水平，因此減少排放控制設備的需要，同時減少這樣設備的環境影響。除了這些改進，每個筒體中，切向燃燒燃料和燃料空氣噴嘴將其火焰引導到相鄰的燃燒器噴嘴，從而大大提高了燃燒室的點火過程。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]關於附圖:
[0009]圖1是示出具有附接到外部筒體襯套的噴嘴的筒狀環形裝置的二維草圖，該噴嘴將燃料和空氣噴射到公共平面中；
[0010]圖2是示出筒狀環形燃燒室中應用於筒體的切向噴嘴的基本構思的二維草圖；
[0011]圖3是所述發明的示例性配置的上遊部分的等距側視圖；
[0012]圖4A是本發明的等距剖視圖；
[0013]圖4B是圖4A圖像的特寫圖；
[0014]圖5是示出圖3中限定的部分A-A的剖面圖；並且
[0015]圖6是示出圖3中限定的部分B-B的剖面圖。

【具體實施方式】
[0016]圖1示出筒狀環形燃燒室的通常配置的實施例，其具有在公共半徑上周向隔開的筒體1，所有的筒體被包圍在筒形外襯2和筒形內襯3之間的環形空間中。圖1還示出筒體的切向噴嘴的布置。圖2示出筒體的更多細節。筒體襯套4形成筒體容積，燃料-空氣噴嘴5噴射預混合的燃料和空氣的混合物。噴嘴在噴嘴中心線6以及筒體襯套4與噴嘴中心線6的交叉點處的切線之間形成角度8。該角度限定了噴嘴的周向。
[0017]圖2還示出了筒狀環形燃燒室裝置的示例中筒體的通常操作，其中預混合的燃料-空氣混合物9以角度8噴入筒體I中。火焰10在與筒體襯套一致的路徑11中形成，並穿過筒體。這些切向的噴嘴使得每個噴嘴的火焰與相鄰下遊噴嘴相互作用。這一關鍵特點通過允許來自於一個噴嘴的火焰點燃相鄰下遊噴嘴處的燃料來促進點火，並減少對於燃燒器噴嘴定向的需要。
[0018]圖3示出了除去下遊部分的示例的筒體的起始或上遊部分。本發明具有沿著筒體的縱向方向隔開的多個噴嘴排。每排噴嘴可以具有至少一個噴嘴，並相對於相鄰的噴嘴排偏移一周向角。該筒體還可以具有多排周向隔開的孔12或通道，以使冷卻空氣在任一位置進入筒體。
[0019]圖4A和圖4B示出筒體的最上遊面13，其可具有與摻混孔類似的孔14，孔14允許壓縮機將空氣排出，以使空氣進入筒體。圖5和圖6示出每組噴嘴排中的噴嘴如何以一定周向角偏置。不同排的噴嘴允許燃料空氣混合物在前壁附近噴射，其燃空比高於利用在燃料噴嘴5的下遊噴出的混合物的第二組噴嘴，這種設置形成所需的混合和燃料空氣分級的效果，這將形成減少燃燒室中NOx和CO排放的最佳燃燒環境。
[0020]本發明根據優選實施例在上面描述。然而，本領域技術人員會意識到在不脫離本發明本質和範圍時可對上面描述的實施例作出改變和變型。這裡選擇的用於說明目的的對實施例的不同改變和變型很容易被本領域人員想到。在某種程度上，這樣的變型和變體並沒有脫離本發明的精神，它們還旨在被包括在本發明範圍內。
[0021]已經以清楚、具體的術語充分地描述了本發明，以使得本領域技術人員能夠理解並實施該發明，本發明的權利要求如下。
【權利要求】
1.一種筒狀環形燃燒室，用於陸基發電設備、陸基或海基交通工具或飛行器發動機設備中使用的燃氣輪機，包括多個周向隔開的筒體襯套，所述筒體襯套呈筒形，每個筒體具有多個切向指向並且周向隔開的燃料-空氣噴嘴，所述燃料-空氣噴嘴在與所述筒體的中心線的方向正交的公共平面上共面，所有的襯套由高溫合金或陶瓷材料製成。
2.根據權利要求1所述的筒狀環形燃燒室，其中，在與縱向方向正交的公共平面中周向隔開、且靠近所述筒體的前壁的噴嘴噴射燃料-空氣混合物，其燃空比高於任何下遊的噴嘴組可能存在的燃空比，所述燃料-空氣混合物主要具有周向方向，並且可以具有徑向和/或縱向方向。
3.根據權利要求1所述的筒狀環形燃燒室，其中，可以存在這樣的噴嘴:其在與縱向方向正交的至少一個公共平面上周向隔開、且位於權利要求2所述噴嘴的下遊，所述噴嘴所噴射的燃料-空氣混合物的燃空比低於權利要求2所述噴嘴的燃空比，所述燃料空氣混合物主要具有周向方向，並且可以具有徑向和/或縱向方向。
4.根據權利要求1所述的筒狀環形燃燒室，其中，各個平面上的所述噴嘴可以具有恆定的角度或變化角度，如圖2中的標記8所示，其範圍從O度到90度。
5.根據權利要求1所述的筒狀環形燃燒室，其中，不同平面上的所述噴嘴可以具有相同的燃空比或變化的燃空比。
6.根據權利要求1所述的筒狀環形燃燒室，其中，同一平面中的所述燃料-空氣噴嘴具有相同的燃空比或變化的燃空比。
7.根據權利要求1所述的筒狀環形燃燒室，其中，由於相鄰的噴嘴火焰指向其所在平面中的相鄰噴嘴，這將減少對於 多個燃燒器進行導向的需要，因此所述切向噴嘴極大地增強了所述燃燒室的點火過程。
8.根據權利要求5所述的筒狀環形燃燒室，其中，被增強的點火過程本身產生穩定的燃燒器，這將減少在局部負荷或滿負荷水平運行時火焰的不穩定性所產生的、火焰引起的震動和聲響。
9.根據權利要求1所述的筒狀環形燃燒室，其中，所述切向燃料-空氣噴嘴布置提高了反應物的混合，用於極低負載水平下的高效的燃燒。
10.根據權利要求1所述的筒狀環形燃燒室，其中，由於火焰的穩定性得以提高，從而例如低BTU燃氣這樣的低反應性燃料易於在所述燃燒室中使用並燃燒。
11.根據權利要求1所述的筒狀環形燃燒室，其中，所述筒體的中心線周圍產生渦流(切向燃料-空氣噴嘴的主要效果)，其促進了燃燒器出口處的穩定火焰。
12.根據權利要求1所述的筒狀環形燃燒室，其中，降低了燃燒所述燃料-空氣混合物所需的滯留時間，從而減少了燃燒空間，這減少了發動機尺寸(在提到的所有應用中是重要的)，並因此降低了重量推力比(在航空燃氣渦輪機應用中是重要的)。
13.根據權利要求1所述的筒狀環形燃燒室，其中，所述燃燒室的出口處實現了更均勻的溫度分布，這允許所述燃燒室在較高燃燒(點燃)溫度下運行，而不會降低所述燃燒室和渦輪部件的壽命。
14.根據權利要求1所述的筒狀環形燃燒室，其中，以如權利要求13所述的較高燃燒溫度運行的能力提高了發動機效率和動力輸出，從而降低了二氧化碳的排放水平。
15.根據權利要求1所述的筒狀環形燃燒室，其中，所述筒體前壁襯套可具有至少一個孔或噴嘴，所述孔或噴嘴允許壓縮機排出的空氣以低於權利要求2、3所述噴嘴的速度值穿過所述襯套。
16.根據權利要求1所述的筒狀環形燃燒室，其中，所述筒體的半徑和長度可以基於燃氣輪機的尺寸和外形在縱向方向上變化。
17.根據權利要求1所述的筒狀環形燃燒室，其中，可以使用任何適用於冷卻燃氣渦輪機組件的冷卻方法,例如,衝擊冷卻、緻密微孔壁冷卻、蒸汽冷卻等等。
18.根據權利要求1所述的筒狀環形燃燒室，其中，共用一公共平面的所述噴嘴相對於在不同平面中的另一組噴嘴可以關於所述筒體的中心線以一定的周向角偏移。
19.根據權利要求1所述的筒狀環形燃燒室，其中，以附圖標記12和14示出的空氣通道可以是直孔或者具有鐘形 孔入口，其通過使用電火花放電加工工藝(EDM)製成。
【文檔編號】F02C3/00GK104053883SQ201180073014
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2011年8月22日 優先權日:2011年8月22日
【發明者】馬吉德·託甘, 布倫特·阿倫·格雷戈裡, 喬納森·達維德·賴蓋萊, 裡安·薩多·亞馬內 申請人:馬吉德·託甘, 布倫特·阿倫·格雷戈裡, 喬納森·達維德·賴蓋萊, 裡安·薩多·亞馬內