CN102472485A - 对燃烧器火焰的稳定 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃气轮机的燃烧器，它包括反应室(5)和多个汇入反应室(5)的射流喷嘴(6)，其中用射流喷嘴(6)借助流体射流(2)通过出口(22)将流体喷入反应室(5)中，此时，流体在反应室(5)内燃烧成热燃气(4)，其中，在至少一个射流喷嘴(6、6a、6b、6c)中设有一个围绕流体射流(2)的环形间隙(8)，使得从反应室(5)吸入部分热燃气(4)，以及逆流体流动方向流入环形间隙(8)，并在射流喷嘴(6、6a、6b、6c)内部与流体射流(2)混合，以及其中，环形间隙(8)借助插管(12、12a、12b)构成，以及其中，插管(12a)在上游端有一个加厚部段(15)。此外，本发明还涉及一种稳定这种燃气轮机燃烧器火焰的方法。

Description

对燃烧器火焰的稳定
技术领域
本发明涉及一种稳定燃气轮机火焰的燃烧器，它包括一个反应室和多个汇入反应室中的射流喷嘴，其中用射流喷嘴借助流体射流将流体喷入反应室中，此时，流体在反应室内燃烧成热燃气，以及本发明还涉及一种稳定燃气轮机燃烧器火焰的方法。
背景技术
与旋涡稳定的***相比，以射流火焰为基础的燃烧***，基于分布的放热区和没有诱发旋涡的涡流，尤其从热声学的观点看带来一些优点。通过恰当选择射流脉冲，可以产生小标度的流动结构，它们耗散声学诱发的放热波动，并因而抑制在旋涡稳定火焰时典型的压力脉动。
射流火焰通过渗混复回流的高温燃气稳定。在燃气轮机中，尤其在低的部分负荷区，通过具有中央复回流区的射流已知的环形布局，不能保证复回流区为此所需要的温度。因此，尤其在部分负荷区内为此必须注意，借助附加的稳定机构避免火焰部分或全部熄灭。因此稳定射流火焰至今仍是一项没有彻底完成的任务。
发明内容
因此本发明要解决的技术问题是，提供一种有利的燃气轮机燃烧器，它用于稳定这种燃烧器的火焰。本发明另一个要解决的技术问题是，提供一种稳定这种燃烧器火焰的方法。
有关燃烧器的技术问题通过一种按权利要求1的燃烧器得以解决，它用于稳定燃气轮机燃烧器的火焰。有关方法的技术问题通过提供一种按权利要求16的方法得以解决。从属权利要求包含本发明其他有利的扩展设计。
在这里，按本发明的燃气轮机燃烧器包括反应室和多个汇入反应室的射流喷嘴。用射流喷嘴借助流体射流将流体喷入反应室中。接着，流体在反应室内燃烧成热燃气。
本发明认识到，以射流火焰为基础的燃烧***，通过掺混复回流的高温燃气稳定。当然，尤其在低的部分负荷区，必须借助附加的稳定机构，以保证避免火焰部分或全部熄灭。
现在按本发明在至少一个射流喷嘴中存在一个围绕流体射流布置的环形间隙。通过它从反应室吸入部分热燃气，使热燃气逆流体流动方向流入环形间隙中。现在按本发明在射流喷嘴内部，这些热燃气与流体射流混合。由此保证按规定将热燃气掺合在射流燃烧器的一个或多个射流中，此射流燃烧器确保可靠点火并因而可靠稳定整个燃烧器。在这里掺混热燃气已在射流喷嘴内实现。按本发明，为了抽吸，利用在燃烧室/反应室与喷嘴内以高速流动的流体之间的静力学压差，流体由于高的流动速度有降低了的静压。
按优选的设计，环形间隙借助插管构成。吸入的热燃气可以有高的在有些情况下会损坏燃烧器的温度。因此优选地，插管至少部分用带有和没有涂层的优质材料制造，例如设计为具有和没有涂层的陶瓷结构。
优选地，插管有至少一个孔，以便热燃气喷入流体射流中。按优选的设计，所述至少一个孔设在上游。热燃气通过环形间隙直接吸入喷嘴内，以及通过孔喷入流体射流中。因此，这些孔加工在直接毗邻流体射流的壁内。孔的大小以及环形间隙的高度在这里设计为，能保证热燃气良好地掺合在射流喷嘴中的空气内或空气/燃料空气混合物内，以及在部分负荷区将混合物温度置于一个能确保可靠点火的值。这些孔可以设计为钻孔或缝，它们也可以成一个角度设置。
按优选的设计，插管在上游端具有一个加厚部段。若含有或不含燃料的压缩空气作为流体经过插管导向喷嘴，则由此可避免转向损失。有利地，加厚部段沿流动方向设计为扩散道。由此可促使增大燃烧室与在喷嘴内以高速流动的流体之间的静力学压差。
优选地，插管沿流体流动方向设计为扩散道。由此同样可以促使增大燃烧室与在喷嘴内以高速流动的流体之间的静力学压差。
按有利的设计，围绕插管设有第二环形通道，用于导引燃烧用空气和/或燃料。有利地，在第二环形通道内设有增强热传导的装置。它促使有效地冷却导引热燃气的插管。优选地，所述装置是波纹和/或散热片和/或翼板。当然也可以设想其他所有的冷却方案，如冲击冷却、对流冷却，此时将压缩空气或压缩空气/燃料混合物输入反应室内。按优选的设计，流过第二环形通道的冷却空气和/或燃料因而在流体流出侧冷却插管。
有利地，射流喷嘴有一个具有直径D的喷嘴出口。优选地，喷嘴出口沿流动方向相对于环形间隙错开布置。有利地，错移量为0-三倍喷嘴出口直径的一个长度。由此尤其在部分负荷运行时保证最佳抽吸。
按优选的设计，所述流体是压缩空气，它预混合、部分预混合或不预混合燃料。
有关方法的技术问题通过提供一种用于稳定燃气轮机燃烧室火焰的方法得以解决，燃烧器包括反应室和多个汇入反应室的射流喷嘴，其中用射流喷嘴借助流体射流将流体喷入反应室中，此时，流体在反应室内燃烧，由此形成热燃气。
按本发明，在至少一个射流喷嘴中存在一个环形间隙，部分热燃气通过它吸入，以及逆流体流动方向流入环形间隙，并在射流喷嘴内部掺合在流体射流中。
优选地，流体以高速流入反应室中。有利地，在反应室与流入反应室的流体射流之间形成压差。
优选地，流体在燃烧器部分负荷工作时由燃料/压缩空气混合物构成，而在满负荷工作时由压缩空气构成，在此压缩空气只还有小量或根本没有燃料份额。因此这些喷嘴在部分负荷工作时起具有控制射流的控制燃烧器的作用。此外还可优选的是，这些“控制燃烧器射流”设计得比其它射流小，使较少量的空气通过这些喷嘴排出。由此保证在部分负荷工作时稳定。
此外有利的是，燃烧器设计有多个射流喷嘴，但其中只有一个或少数几个才是按本发明的喷嘴。它们于是在部分负荷时如上面所述的那样起“控制”的作用，以及在满负荷工作时加入少量或根本不加入燃料。由此避免在基本负荷工作时形成很高的NOx值。
附图说明
下面参见附图借助实施例说明本发明的其他特征、特点和优点。
其中：
图1表示按现有技术有一个燃烧室的燃气轮机沿轴中心线的局部纵剖面；
图2示意性地示出了横向于射流燃烧器的纵向通过它剖开示出的剖面图；
图3示意性地示出了横向于另一个射流燃烧器的纵向通过它剖开示出的剖面图；
图4示意性地示出了按本发明第一种实施例的喷嘴6；
图5示意性地示出了按本发明第二种实施例的喷嘴6a；
图6示意性地示出了按本发明第三种实施例的喷嘴6b；以及
图7示意性地示出了按本发明第四种实施例的喷嘴6c。
具体实施方式
图1表示燃气轮机的一个局部纵剖面，包括一个沿轴中心线14设置和在图中未表示的轴以及一个平行于轴中心线14定向的燃烧室16。燃烧室16的结构设计为围绕燃烧室轴线18旋转对称的。在此具体的实施例中，燃烧室轴线18平行于轴中心线14排列，它也可以相对于轴中心线14成一个角度，在极端的情况下垂直于轴中心线14延伸。燃烧室16的环形外壳10围绕反应室5，该反应室5同样设计为围绕燃烧室轴线18旋转对称的。借助现有技术的射流喷嘴3，将空气或空气/燃料混合物加入反应室5内。用附图标记1表示在反应室5内的复回流燃气4。
图2示意表示垂直于燃烧器轴中心线14通过射流喷嘴剖开示出的剖面图。燃烧器包括一个外壳10，它有圆形横截面。在外壳10内部基本上环形地布设一定数量的射流喷嘴3。在这里每个射流喷嘴3有圆形横截面。此外，燃烧器可包括一个控制燃烧器25。
图3示意表示通过另一个射流燃烧器剖开示出的剖面图，这一剖面垂直于此另一个燃烧器的中心线延伸。燃烧器同样有外壳10，它有圆形横截面和在其中设置一些内部和外部射流喷嘴3、30。射流喷嘴3、30各有圆形的横截面，其中外部射流喷嘴3与内部射流喷嘴30有相同大小的横截面，或有比内部射流喷嘴30大的横截面。外部射流喷嘴3基本上环形地布设在外壳10内部并形成一个外环。内部射流喷嘴30同样环形地布设在外壳10内部。内部射流喷嘴30形成一个同心于外部射流喷嘴环布置的内环。
图2和图3仅举例表示射流喷嘴3、30在射流燃烧器内部的布局。当然与可以采用不同数量的射流喷嘴3、30一样，可以有与上述不同的布局。
与旋涡稳定***相比，以射流火焰为基础的燃烧***，基于分布的放热区和没有诱发旋涡的涡流，尤其从热声学的观点看带来一些优点。通过恰当选择射流脉冲，可以产生小标度的流动结构，它们耗散声学诱发的放热波动，并因而抑制在旋涡稳定火焰时典型的压力脉动。以射流火焰为基础的燃烧***通过掺合复回流的高温燃气稳定。当然尤其在低的部分负荷区时必须保证，借助附加的稳定机构避免火焰部分或全部熄灭。这一问题借助本发明现在已经解决。
图4表示按本发明的射流喷嘴6。在这里，燃烧器包括一个反应室5和多个汇入反应室5的射流喷嘴6。借助射流喷嘴用流体射流2将流体喷入反应室5。流体在反应室5内燃烧成热燃气4。
在这里流体可以是燃料/空气混合物，或也可以仅由压缩空气构成。
现在，在射流喷嘴6中存在一个环形间隙。它由插管12构成。因此环形间隙8围绕流体射流2布置。现在热燃气4可以通过此环形间隙8吸入喷嘴6内。为了抽吸热燃气4，利用在燃烧室16或反应室5与以高速流动的流体之间的尤其静力学压差，流体由于高的流动速度所以有降低了的静压。现在热燃气4通过环形间隙8，逆喷嘴6内流体射流2的流动方向，回流到喷嘴6中。在那里热燃气4与流体射流2混合。
由此按本发明在喷嘴6内部完成燃气掺合。这相应于在喷嘴6内按规定混合热燃气，由此保证可靠点火并因而可靠地稳定整个燃烧器。
所述的稳定尤其在部分负荷工作时是有利的。因而按本发明可以仅为射流燃烧器中的一个或少数几个喷嘴6配备这种用于抽吸热燃气4的装置。它们在部分负荷工作时可以起控制燃烧器的作用。在这里流体可以是燃料/空气混合物。此外也可以优选的是，这些“控制射流”设计为比其他射流小，目的是使较少量的压缩空气通过这些喷嘴6排出。在满负荷工作或接近满负荷时，流体只还加入少量或根本不加入燃料。于是在这里的流体可基本上由压缩空气组成。由此可以避免在基本负荷工作时形成很高的NOx值。
在这里热燃气通过环形间隙8吸入。环形间隙8由插管12构成。在插管12上游加工一个或多个孔11，热燃气4可以借助它们掺合到流体射流2内。这些孔11在插管12内设置在射流侧，也就是设置在与射流毗邻的壁上。在这里孔11可以设计为钻孔。
孔11的大小以及环形间隙8的径向高度H在这里设计为，使得能保证热燃气良好地掺合到在射流喷嘴6中的流体射流内。
此外，喷嘴6具有一个直径D的喷嘴出口22。此喷嘴出口22可以沿流动方向相对于环形间隙8错开布置。优选地，错移量24为0mm-3xD(mm)的一个长度L，其中D是喷嘴出口22的直径。
由此正是在部分负荷区将混合物温度置于这样一个值，此值在全部运行范围内保证更可靠地点火并因而可靠地稳定整个燃烧器。
在这里流体射流2可以由不同混合品质的空气/燃料混合物组成。射流火焰本身可以预混合、部分预混合或不预混合。
图5表示按本发明第二种实施例的喷嘴6a。在这里存在第二个环形通道20，它围绕环形间隙8布置。此环形通道20主要设计用于能将压缩空气或空气/燃料混合物导向喷嘴进口28。燃烧用空气或燃料/空气混合物可用于冷却尤其插管12的径向的外壁。这样做是有利的，因为吸入的燃气有高的温度，要不然这种高温有可能会损坏燃烧器。此外，环形通道20可以采取增强热传导的措施。它们可例如是波纹和/或翼板和/或散热片，以及采用对流或冲击冷却或其他传统的冷却方案，在这些方案中，将作为冷却空气的压缩空气或空气/燃料混合物排入反应室5中。因此压缩空气或空气/燃料混合物在预热的同时利用于冷却导引热燃气的构件。
导引热燃气的通道，亦即尤其插管12，可以用优质材料制成，例如用陶瓷或含陶瓷的材料，这些材料还可以敷设涂层。
图6和图7表示按本发明其他实施例的喷嘴6b和6c。表示的这些喷嘴，尤其在混合位置所在的高度，增大了在燃烧室16或反应室5与流体射流2之间的静力学压差。
图6中表示插管12a，它在上游端有加厚部段15。在这里将加厚部段15修圆。由此可有利地避免压缩空气或燃料/空气混合物在环形通道20内的转向损失。加厚部段15还可以沿流动方向设计为扩散道16。由此造成特别有效的压差增大。在这里，孔11也可以设计为缝，必要时将它们斜置。
图7有喷嘴6c，在此喷嘴6c中，插管12b沿流体的流动方向设计为扩散道21。在这里同样造成特别有效的压差增大。
因此采用这里所介绍的发明，确保可靠点火并因而可靠稳定整个燃烧器。其中被抽吸的热燃气4通过环形间隙8围绕原来的射流，亦即围绕流体射流2被吸入，并在喷嘴6内部掺合到此射流2内。此时利用燃烧室与射流之间的静力学压差作为推动力。这种稳定化在部分负荷工作时尤为重要。

Claims (17)

1.一种燃气轮机的燃烧器，它包括反应室(5)和多个汇入反应室(5)的射流喷嘴(6)，其中用射流喷嘴(6)借助流体射流(2)通过出口(22)将流体喷入反应室(5)中，此时，流体在反应室(5)内燃烧成热燃气(4)，其特征为：在至少一个射流喷嘴(6、6a、6b、6c)中设有一个围绕流体射流(2)的环形间隙(8)，使得从反应室(5)吸入部分热燃气(4)，以及逆流体流动方向流入环形间隙(8)，并在射流喷嘴(6、6a、6b、6c)内部与流体射流(2)混合，以及其中，环形间隙(8)借助插管(12、12a、12b)构成，以及其中，所述插管(12a)在上游端具有加厚部段(15)。
2.按照权利要求1所述的燃烧器，其特征为，所述插管(12、12a、12b)具有至少一个孔(11)，用于将热燃气(4)喷入流体射流(2)中。
3.按照权利要求2所述的燃烧器，其特征为，所述至少一个孔(11)布设在出口(22)的上游。
4.按照权利要求1-3之一所述的燃烧器，其特征为，所述插管(12b)沿流体流动方向设计为扩散道(21)。
5.按照权利要求1-4之一所述的燃烧器，其特征为，所述加厚部段(15)沿流动方向设计为扩散道(17)。
6.按照权利要求1-5之一所述的燃烧器，其特征为，围绕所述插管(12、12a、12b)设有第二环形通道(20)，用于导引燃烧用空气和/或燃料。
7.按照权利要求6所述的燃烧器，其特征为，在第二环形通道(20)内设有增强热传导的装置。
8.按照权利要求7所述的燃烧器，其特征为，所述装置是波纹和/或散热片和/或翼板。
9.按照权利要求6-8之一所述的燃烧器，其特征为，如此流过第二环形通道(20)的空气和/或燃料在流体流出侧冷却插管(12、12a、12b)。
10.按照前列诸权利要求之一所述的燃烧器，其特征为，射流喷嘴具有一个具有直径(D)的喷嘴出口(22)。
11.按照权利要求10所述的燃烧器，其特征为，喷嘴出口(22)沿流动方向相对于环形间隙(8)错开布置。
12.按照权利要求11所述的燃烧器，其特征为，错移量(24)为0mm-3x直径(D)mm的一个长度。
13.按照前列诸权利要求之一所述的燃烧器，其特征为，所述流体是压缩空气，它与燃料预混合、部分预混合或不预混合。
14.一种用于稳定燃气轮机燃烧器火焰的方法，燃烧器包括反应室(5)和多个汇入反应室(5)的射流喷嘴(6)，其中用射流喷嘴(6)借助流体射流(2)将流体喷入反应室(5)中，此时，流体在反应室(5)内燃烧，由此形成热燃气(4)，其特征为：在至少一个射流喷嘴(6)中存在环形间隙(8)，其中，环形间隙(8)借助插管(12、12a、12b)构成，以及其中，插管(12a)在上游端具有加厚部段(15)，其中，通过环形间隙(8)吸入部分热燃气(4)，以及逆流体流动方向流入环形间隙(8)，并在射流喷嘴(6)内部掺合在流体射流(2)中。
15.按照权利要求14所述的方法，其特征为，流体以高速流入反应室(5)中。
16.按照权利要求14-15之一所述的方法，其特征为，在反应室(5)与流入反应室(5)的流体射流(2)之间形成压差。
17.按照权利要求14-16之一所述的方法，其特征为，流体在燃烧器部分负荷工作时由燃料/压缩空气混合物构成，而在满负荷工作时由压缩空气构成，它所述压缩空气只还有小量或根本没有燃料份额。
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