CN102183040A - 用于涡轮发动机的混合燃烧产物与吹扫空气的燃烧器组件 - Google Patents

用于涡轮发动机的混合燃烧产物与吹扫空气的燃烧器组件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于涡轮发动机的混合燃烧产物与吹扫空气的燃烧器组件，具体而言，一种用于涡轮发动机的燃烧器组件包括位于燃烧器组件的上游端处的燃料喷嘴。燃料喷嘴包括燃料输送通路和吹扫空气通路两者。吹扫空气通路运送吹扫空气流来冷却燃料喷嘴。燃烧器组件还包括燃烧产物回流管线，该燃烧产物回流管线将燃烧产物流从燃烧器的燃烧区的下游的位置运送返回燃料喷嘴。燃烧产物与吹扫空气混合，并且混合物被输送到位于燃料喷嘴的正下游的燃烧区中。将燃烧产物添加到吹扫空气中降低了混合流中的氧气量，这有助于减少不期望的氮氧化物燃烧副产物的产生。

Description

用于涡轮发动机的混合燃烧产物与吹扫空气的燃烧器组件
技术领域
本发明涉及用于涡轮发动机的燃烧器组件。
背景技术
在发电行业中使用的涡轮发动机典型地包括由多个燃烧器包围的压缩机区段。在各个燃烧器中，来自涡轮的压缩机区段的压缩空气被引入燃烧器衬套的内部中。压缩空气与燃料混合，然后空气-燃料混合物被点燃。然后燃烧气体离开燃烧器且进入发动机的涡轮区段中。
燃料喷嘴安装在燃烧器衬套的上游端处，并且燃料喷嘴将燃料输送到压缩空气流中，以产生空气-燃料混合物，该空气-燃料混合物燃烧。燃料喷嘴可包括在燃烧器周围布置成环圈的一次燃料喷嘴(primary fuel nozzle)，以及位于燃烧器的中心处的二次燃料喷嘴(secondary fuel nozzle)。典型地，一次燃料喷嘴将把空气-燃料混合物输送到一次燃烧区(primary combustion zone)中。顺着燃烧器的长度比一次燃料喷嘴延伸更远的二次燃料喷嘴将把空气-燃料混合物输送到二次燃烧区(secondary combustion zone)中，二次燃烧区顺着燃烧器的长度比一次燃烧区定位得更远。
二次燃料喷嘴可包括位于二次燃料喷嘴的端部的正下游的引燃燃料(pilot fuel)输送通路，该引燃燃料输送通路将燃料输送到“引燃火焰”。引燃火焰意在为十分稳定的，从而使得引燃火焰将一直保持点燃，不管在燃烧器的一次燃烧区和二次燃烧区中正在发生什么。但是，引燃火焰已知是造成不期望的燃烧副产物(例如氮的氧化物(NOx))的重要因素。
发明内容
在第一个方面，本发明可体现为一种用于涡轮发动机的燃烧器组件，该燃烧器组件包括燃烧器衬套、位于燃烧器衬套的头部端处的燃烧器盖，以及安装在烧器盖上的至少一个燃料喷嘴燃。该至少一个燃料喷嘴包括至少一个吹扫空气通路(purge air passageway)。燃烧器组件还包括燃烧产物回流管线，该燃烧产物回流管线具有在燃烧器的燃烧区的下游的位置处通入燃烧器的内部中的第一端。燃烧产物回流管线的第二端联接到该至少一个燃料喷嘴上。燃烧产物回流管线将燃烧产物流从燃烧区的下游的位置运送到至少一个燃料喷嘴。来自燃烧产物回流管线的燃烧产物在该至少一个燃料喷嘴的至少一个吹扫空气通路中与吹扫空气(purge air)混合。
在第二个方面，本发明可体现为一种用于涡轮发动机的燃烧器组件的燃料喷嘴，该燃料喷嘴包括壳体、位于壳体内的至少一个燃料输送通路、位于壳体内的至少一个吹扫空气通路，以及燃烧产物接收配件。燃料喷嘴使吹扫空气与通过燃烧产物接收配件接收到的燃烧产物混合。燃料喷嘴还沿着该至少一个吹扫空气通路运送吹扫空气和燃烧产物的混合物。
在另一方面，本发明可体现为一种操作涡轮发动机的燃料喷嘴的方法，该方法包括将吹扫空气流运送到燃料喷嘴，将燃烧产物流从燃料喷嘴的下游的位置运送返回燃料喷嘴，使吹扫空气和燃烧产物混合，以及将吹扫空气和燃烧产物的混合物运送通过燃料喷嘴的吹扫空气通路。
附图说明
图1是示出了用于涡轮发动机的燃烧器组件的第一个实施例的截面图；
图2是示出了用于涡轮发动机的燃烧器组件的第二个实施例的截面图；
图3是示出了用于涡轮发动机的燃烧器组件的第三个实施例的截面图；
图4是示出了用于涡轮发动机的燃烧器组件的第四个实施例的截面图。
图5是显示了燃料喷嘴的第一个实施例的截面图；
图6是显示了燃料喷嘴的第二个实施例的截面图；以及
图7是显示了燃料喷嘴的第三个实施例的截面图。
部件列表
12 压缩机
15 燃烧器壳体
20 过渡管道
30 流套管(flow sleeve)
40 燃烧器衬套
50 燃烧器盖
60 一次燃料喷嘴
70 二次燃料喷嘴
80 气室(plenum)
90 一次燃烧区
95 二次燃烧区
100 回流管线
110 回流管线的第一端
115 产物回流阀
120 第二端
130 吹扫空气通路
132 通路
140 燃料输送通路
145 燃料喷射器
146 燃料孔口
150 引燃燃料通路
162 燃料供应管线
164 吹扫空气供应管线
166 燃烧器产物供应管线
具体实施方式
在图1中示出了用于涡轮发动机的一个典型的燃烧器组件。如该图所示，燃烧器包括过渡管道20，该过渡管道20将燃烧气体传输到涡轮发动机的涡轮区段中。过渡管道20附连到燃烧器衬套40的下游端处。流套管30包围燃烧器衬套40的外部。
来自涡轮的压缩机区段12的压缩空气被传输到燃烧器衬套40和流套管30之间的环形空间中。图1中的箭头示出了压缩空气的运动方向。如图1中所示，压缩空气沿着燃烧器衬套40和流套管30之间的环形空间运动到燃烧器的上游端。然后压缩空气转向且进入燃烧器衬套40内部的空间。
多个燃料喷嘴60，70位于燃烧器的上游端处。多个一次燃料喷嘴60在燃烧器盖50周围以环圈的方式安装。另外，至少一个二次燃料喷嘴70位于燃烧器的上端的中心。如图1中所示，二次燃料喷嘴70典型地顺着燃烧器的长度延伸更长的距离。
燃烧器内的燃烧典型地在两个不同的位置中进行。存在位于燃烧器的相当上游的端部处且邻近一次燃料喷嘴60的排出端的一次燃烧区90。另外，存在顺着燃烧器的长度位于更远处且邻近二次燃料喷嘴70的排出端的二次燃烧区95。在一些燃烧器中，通过成角度的壁部(angled wall)50在一次燃烧区90和二次燃烧区95之间形成文丘里管。成角度的壁部50颈缩(neck in)，以减小燃烧器的内径。由成角度的壁部50形成的文丘里管提高了在空气-燃料混合物进入二次燃烧区95即刻之前空气和燃料穿过燃烧器的该区段的速度。
在最初的起动程序期间，通过一次燃料喷嘴60和二次燃料喷嘴70两者将燃料输送到燃烧器中。空气-燃料混合物在一次燃烧区90和二次燃烧区95两者中点燃。涡轮的运行速度提高，而且将典型地成发电机形式的负载放置在涡轮上。
为了实现最佳排放，期望的是仅在二次燃烧区95中发生燃烧。因此，尽管必须首先在一次燃烧区90和二次燃烧区95两者中进行燃烧，但是在起动程序期间的某个点处，必须消除一次燃烧区90中的燃烧。
为了消除一次燃烧区90中的燃烧，必须暂时切断通往一次燃料喷嘴60的燃料。在此过渡时段期间，仍然通过二次燃料喷嘴70将燃料输送到二次燃烧区95中。一旦已经切断了通往一次燃料喷嘴60的燃料达一段时间，一次燃烧区90中的燃烧就将停止，而且仅将继续在二次燃烧区95中进行燃烧。在这个时间点处，可再次通过一次燃料喷嘴引入燃料。通过一次燃料喷嘴引入的燃料将与压缩空气混合，并且在被点燃和燃烧之前进入到二次燃烧区95中。
二次燃料喷嘴70将典型地包括引燃燃料输送通路，该引燃燃料输送通路将燃料供给到位于二次燃料喷嘴70的正下游的引燃火焰。引燃火焰意在为在上述转换过程期间将保持点燃的非常稳定的火焰。二次燃料喷嘴还可包括将吹扫空气输送通过二次燃料喷嘴70的一个或多个吹扫空气通路。吹扫空气典型地是从涡轮发动机的压缩机区段12分流出来的压缩空气。沿着二次燃料喷嘴70的长度流动的吹扫空气有助于冷却燃料喷嘴。然后这个吹扫空气在二次燃烧区95中与由二次燃料喷嘴所输送的燃料混合，并且空气-燃料混合物在二次燃烧区95中燃烧。
在图1中示出的燃烧器组件还包括多个燃烧产物回流管线100。燃烧产物回流管线具有位于燃烧器衬套40的下游端处的第一端110。燃烧产物回流管线100的第一端110通入燃烧器衬套的内部中。燃烧产物回流管线100的第二端120在燃烧器组件的上游端处联接到二次燃料喷嘴70上。燃烧产物回流管线110意在将空气-燃料混合物燃烧所产生的燃烧产物流从燃烧组件的下游端运送返回二次燃料喷嘴70中。
在二次燃料喷嘴70处接收到燃烧产物与沿着二次燃料喷嘴的吹扫空气通路流经的吹扫空气混合。然后吹扫空气和燃烧产物的混合物被输送到来自二次燃料喷嘴70的下游端的二次燃烧区95中。
如以上阐述的那样，引燃火焰由二次燃料喷嘴70中的引燃燃料通路供给。引燃火焰还接收沿着二次喷嘴的吹扫空气通路流经的、成吹扫空气形式的空气。引燃火焰是造成产生大量氮氧化物燃烧副产物的原因，这些氮氧化物燃烧副产物一般是不期望的。通过使燃烧产物与吹扫空气混合，与仅包括单独的吹扫空气的空气-燃料混合物相比，正由引燃火焰燃烧的空气-燃料混合物的氧气浓度会降低。正由引燃火焰燃烧的空气-燃料混合物的氧气浓度的降低减少了引燃火焰所引起的不期望的氮氧化物副产物的产生。还通过再次燃烧来自原始燃烧产物的再循环的氮氧化物来减少氮氧化物副产物。此外，因为在引燃火焰前缘中氮氧化物恰好还原为氮，因此同样发生氮氧化物的减少。
另外，与仅包含单独的吹扫空气的空气-燃料混合物相比，燃烧产物的高温导致正供给到引燃火焰的空气-燃料混合物的温度总体上升。正由引燃火焰燃烧的空气-燃料混合物的这个温度上升有助于确保引燃火焰的稳定性，否则其由空气-燃料混合物的氧气浓度的降低不利地影响。
在图1中示出的实施例中，燃烧产物回流管线100被传输通过位于燃烧器衬套40和流套管30之间的环形空间。在一个备选实施例中，如图2中所示，燃烧产物回流管线100沿着流套管30的外部传输。这会使燃烧产物回流管线100位于流套管30和壳体15之间。
在又一个实施例中，如图3中所示，燃烧产物回流管线100被传输到壳体15的外部。在此实施例中，燃烧产物回流管线100的第二端120可附连到二次燃料喷嘴70的一部分上，该部分位于燃烧器组件的外部。
在另一个实施例中，如图4中所示，燃烧产物回流管线100被传输通过位于燃烧器衬套40和流套管30之间的环形空间。但是，在此实施例中，燃烧产物回流管线100的第一端110位于燃烧器中的文丘里管的正尾部。在其它备选实施例中，燃烧产物回流管线的第一端110可位于各种各样的不同位置处，只要燃烧产物回流管线的第一端110能够接收燃烧产物。
虽然图1-4示出了多个燃烧产物回流管线，但是在燃烧器组件的任何给定的实施例中，可能仅有单个燃烧产物回流管线，或者可能有不止两个燃烧产物回流管线。燃烧产物回流管线的数量和布置可改变，以满足各种各样不同的设计考虑。
图5示出了燃烧产物回流管线可如何与二次燃料喷嘴对接。如图5中所示，二次燃料喷嘴包括封闭燃料输送通路140和吹扫空气通路130的壳体。引燃燃料通路150可位于燃料喷嘴的中心处。另外，多个燃料喷射器145可位于燃料喷嘴的下游端的外部的周围。来自燃料输送通路140的燃料可被输送到燃料喷射器145中，而且燃料将通过燃料喷射器145上的多个燃料孔口146离开。然后通过燃料孔口146喷射的燃料将与顺着燃料喷嘴的长度流动的压缩空气流混合。
在图5中示出的实施例中，燃烧产物回流管线100的第二端120可仅仅通入燃料喷嘴的吹扫空气通路130中的一个中。在燃烧器衬套的下游端(燃烧产物回流管线100的第一端110位于该下游端处)处的燃烧产物的压力大于吹扫空气通路130内的压力。这确保燃烧产物流将沿着燃烧产物回流管线100从位于燃烧器组件的下游端处的第一端110运动返回到通入二次燃料喷嘴中的第一端120。
在一些实施例中，燃烧产物回流阀115可沿着燃烧产物回流管线100而定位。燃烧产物回流阀115可用来控制通过燃烧产物回流管线100且流入到二次燃料喷嘴的吹扫空气通路130中的燃烧产物流。
图6示出了与图5中所示的二次燃料喷嘴类似的二次燃料喷嘴。但是，在图6中所示的实施例中，沿着吹扫空气通路130形成文丘里管135。由于压力减小的原因，文丘里管135将导致吹扫空气通路130中的吹扫空气的速度在文丘里管处增大。在文丘里管135处的压力的减小将有助于沿着燃烧产物回流管线100抽取燃烧产物，并且将燃烧产物抽入到吹扫空气通路130中。
图7中示出了燃料喷嘴的另一个实施例。在此实施例中，在燃料喷嘴的上游端处提供了歧管150。喷嘴包括燃料输送通路140和吹扫空气通路130。多个通路132，150位于喷嘴的中心处。这些通路可用作吹扫空气通路，或者用作引燃燃料输送通路，这取决于喷嘴是如何构造的。
燃料供应管线162联接到歧管上。另外，吹扫空气供应管线164和燃烧产物供应管线166也附连到歧管150上。然后歧管150就将来自燃料供应管线162的燃料输送到喷嘴的适当的燃料输送通路中。另外，歧管150可用来将来自吹扫空气供应管线164的吹扫空气输送到燃料喷嘴的吹扫空气通路中。另外，歧管150将来自燃烧产物供应管线166的燃烧产物输送到燃料喷嘴的吹扫空气通路中的一个或多个中。歧管150可用来选择性地控制正被输送到燃料喷嘴的吹扫空气通路中的燃烧产物的量。
在一些实施例中，来自燃烧产物供应管线166的燃烧产物被传输到燃料喷嘴的吹扫空气通路中的仅单独的一个中。在备选实施例中，歧管可将来自燃烧产物供应管线166的燃烧产物传输到燃料喷嘴的吹扫空气通路中的多个中。
在图7中示出的实施例中，仅单个燃烧产物供应管线166联接到歧管150上。但是，在备选实施例中，多个燃烧产物供应管线可联接到歧管150上。
同样，在二次燃料喷嘴的任何特定的实施例中，燃料喷嘴可联接到一个或多个燃烧产物供应管线上。另外，不管所连接的燃烧产物供应管线的数量，燃料喷嘴可将燃烧产物输送到一个吹扫空气通路中，或者输送到多个吹扫空气通路中。
虽然已经结合目前被认为最实际和优选的实施例来描述了本发明，但是应理解到，本发明不限于公开的实施例，而是相反，本发明意在覆盖包括在所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (10)

1.一种用于涡轮发动机的燃烧器组件，包括：
燃烧器衬套；
位于所述燃烧器衬套的头部端处的燃烧器盖；
安装在所述燃烧器盖上的至少一个燃料喷嘴，其中，所述至少一个燃料喷嘴包括至少一个吹扫空气通路；以及
燃烧产物回流管线，其具有在所述燃烧器的燃烧区的下游的位置处通入所述燃烧器的内部中的第一端，并且具有联接到所述至少一个燃料喷嘴上的第二端，其中，所述燃烧产物回流管线将燃烧产物流从所述燃烧区的下游的位置运送到所述至少一个燃料喷嘴，并且其中，来自所述燃烧产物回流管线的燃烧产物在所述至少一个燃料喷嘴的所述至少一个吹扫空气通路中与吹扫空气混合。
2.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述燃烧产物回流管线的第二端通入所述至少一个吹扫空气通路中。
3.根据权利要求2所述的燃烧器组件，其特征在于，所述燃烧器组件还包括联接到所述燃烧产物回流管线上的燃烧产物回流阀，其中，所述燃烧产物回流阀调节通过所述燃烧产物回流管线的燃烧产物流。
4.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，在所述至少一个吹扫空气通路的一部分中形成文丘里管，并且其中，所述燃烧产物回流管线的第二端通入所述文丘里管中。
5.根据权利要求4所述的燃烧器组件，其特征在于，所述燃烧器组件还包括联接到所述燃烧产物回流管线上的燃烧产物回流阀，其中，所述燃烧产物回流阀调节通过所述燃烧产物回流管线的燃烧产物流。
6.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述燃烧器组件还包括联接到所述燃烧产物回流管线上的燃烧产物回流阀，其中，所述燃烧产物回流阀调节通过所述燃烧产物回流管线的燃烧产物流。
7.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述燃烧产物回流管线包括多个燃烧产物回流管线。
8.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述至少一个吹扫空气通路包括多个吹扫空气通路。
9.根据权利要求8所述的燃烧器组件，其特征在于，所述多个吹扫空气通路中的各个联接到所述燃烧产物回流管线上。
10.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其特征在于，所述至少一个燃料喷嘴包括歧管，其中，所述歧管联接到吹扫空气供应管线和所述燃烧产物回流管线上，并且其中，所述歧管将来自所述吹扫空气供应管线的吹扫空气和来自所述燃烧产物回流管线的燃烧产物两者输送到所述至少一个吹扫空气通路中。
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