CN102947650B - 透平燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种次级供给单元以及一种具有初级混合管（11）和带有燃料喷嘴出口（4）的燃料喷嘴（1）的初级供给单元，其中，燃料喷嘴（1）以及初级混合管（11）围绕次级供给单元同心地布置，初级混合管（11）和燃料喷嘴（1）具有流体流动连接，燃料喷嘴（1）具有在轴向方向上与次级供给单元径向间隔开的环形壁（9），从而通过环形壁（9）和次级供给单元形成了间隙高度（h），其中，燃料喷嘴（1）的环形壁（9）具有朝向次级供给单元的内壁（50），其中内壁（50）具有若干叶片（12），叶片（12）在其流动上游侧具有迎流边缘（51）且燃料喷嘴（1）具有入口（20）且叶片（12）具有距入口（20）的轴向距离（S），且其中距离（S）和间隙高度（h）的比大于1且小于h。

Description

透平燃烧器
技术领域
本发明涉及一种透平燃烧器，所述透平燃烧器具有用于供给次级燃料或空气且用于从燃烧区内的开口排放次级燃料或空气的次级供给单元，且具有用于供给初级燃料的、带有初级混合管和燃料喷嘴的初级供给单元，所述燃料喷嘴具有指向燃烧区的燃料喷嘴出口，其中，燃料喷嘴以及初级混合管围绕次级供给单元同心地布置，其中，初级混合管和燃料喷嘴具有流体流动连接，其中，燃料喷嘴具有在轴向方向上与次级供给单元径向间隔开的环形壁，使得通过环形壁和次级供给单元形成了间隙高度，其中，燃料喷嘴的环形壁具有朝向次级供给单元的内壁，其中，在次级供给单元和环形壁之间形成了流体通道，且在流体通道内布置若干叶片。
背景技术
与主要包括碳氢化合物的经典的燃气透平燃料天然气和石油相比，合成气的可燃烧的组成部分基本是CO和H2。取决于气化方法和总体设备设计，合成气的热值与天然气的热值相比小5至10倍。除CO和H2之外，主要组成部分是惰性成分，例如氮和/或水蒸汽，且必要时还包括二氧化碳。由于热值较小，因而必须通过燃烧器将较高体积流量的燃烧气体供给到燃烧室。这导致为燃烧例如合成气的低热值的燃料，必须使用一个或多个特殊的燃料通道。由于合成气与例如天然气和石油的常规的燃料相比有更高的反应性(高的火焰速度，大的点燃区域)，因而存在明显更高的火焰反冲的风险，即燃烧器损坏的风险。由此原因，在工业燃气透平中合成气的燃烧目前仍仅在扩散运行中进行。与之相关联的局部的高燃烧温度导致高的氮氧化物排放，这又通过由于例如N2或水蒸汽的惰性物质导致的附加的稀释而降低。与之关联的燃料质量流量的附加升高又对于燃烧***和位于前方的辅助***提出了特殊的要求。
在如在EP1649219B1中所描述的现有技术的燃烧器中，合成气通过围绕燃烧器轴线布置的环形空间通道供给至燃烧室。在此，气体在燃烧器喷嘴的流动上游被引导通过存在于燃烧器喷嘴内的带有所使用的孔的喷嘴环，其中气体以周向速度分量被加速。这意味着在现有技术中，合成气直接在喷嘴上施加了相对低的马赫数。与之相关地，由于低的燃料冲量，关于从内部以及外部包围环形燃料流的燃烧空气的混合也仅有相对较低的混合强度。另外，对于燃料与燃烧空气的快速混合困难的是具有相对大的间隙宽度和相应地大的混合路程的环形间隙的几何构造。
EP1649219B1的带有所使用的孔的喷嘴环特别地选择为用于热值相对高的混合器，以在喷嘴上实现对于声学稳定性而言足够高的压力损失，而基本上不改变主体尺寸。但此构造具有空气动力学方面的缺点。因此产生了离散的射流，所述射流在提供为直至燃烧器出口的路径上可能不足够均匀，这导致升高的NOx排放。此外，由于喷嘴内和喷嘴前方的流动分离而出现了明显的总压力损失，使得此脉冲损失基本上不能用作混合能量。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题是提供一种带有改进的燃料喷嘴的改进的燃烧器，所述燃烧器因此具有改进的混合且避免了上述缺点。
此技术问题通过根据本发明的透平燃烧器解决，其中，所述透平燃烧器具有用于供给次级燃料或空气且用于从燃烧区内的开口排放次级燃料或空气的次级供给单元，且具有用于供给初级燃料的、带有初级混合管和燃料喷嘴的初级供给单元，所述燃料喷嘴具有指向燃烧区的燃料喷嘴出口，其中，燃料喷嘴以及初级混合管围绕次级供给单元同心地布置，其中，初级混合管和燃料喷嘴具有流体流动连接，其中，燃料喷嘴具有在轴向方向上与次级供给单元径向间隔开的环形壁，使得通过环形壁和次级供给单元形成了间隙高度h，其中，燃料喷嘴的环形壁具有朝向次级供给单元的内壁，其中，在次级供给单元和环形壁之间形成了流体通道，且在流体通道内布置若干叶片，其中，叶片在它的流动上游侧具有叶片迎流边缘且燃料喷嘴具有燃料喷嘴入口且叶片具有距燃料喷嘴入口的轴向距离S，其中距离S和间隙高度h之比大于1且小于4，其中，燃料喷嘴入口构造有更大的间隙高度h，使得燃料喷嘴入口展宽。
在一种扩展设计中规定，叶片环形地布置在内壁的周长上。
在另一种扩展设计中规定，次级供给单元具有朝向燃料喷嘴的外壁，所述叶片环形地布置在外壁的整个周长上。
在另一种扩展设计中规定，燃料喷嘴在流动方向上至少部分地锥形地形成。
在另一种扩展设计中规定，燃料喷嘴具有在流动方向上从叶片后看连续的间隙高度h降低。
在另一种扩展设计中规定，燃料喷嘴入口被倒圆，其中，倒圆具有燃料喷嘴入口半径Re，倒圆背离燃料喷嘴内部。
在另一种扩展设计中规定，燃料喷嘴入口半径Re和间隙高度h之间的比大于0.2且小于0.8。
在另一种扩展设计中规定，燃料喷嘴具有外部燃料喷嘴半径Ra。
在另一种扩展设计中规定，在燃料喷嘴入口处，间隙高度h和燃料喷嘴半径Ra的比大于0.2且小于0.3。
在另一种扩展设计中规定，次级供给单元具有半径Ri且在燃料喷嘴出口处该半径Ri与燃料喷嘴的外部燃料喷嘴半径Ra的比大于0.6且小于0.8。
在另一种扩展设计中规定，燃料喷嘴具有在流动方向上看布置在叶片后方的若干孔，且所述孔布置在燃料喷嘴的环形壁的整个周长上。
在另一种扩展设计中规定，前述孔具有入口导流壳体。
在另一种扩展设计中规定，至少部分地围绕初级供给单元布置了环形通道，所述环形通道具有多个布置在周长上的带有燃料喷嘴的旋流器。
本发明导致与现有技术的喷嘴的喷嘴环相比，在相同的旋转强度下形成更低的压力损失。此外，叶片导致在相同的总压力损失下将压力损失的更大的部分设置在燃料喷嘴出口上，这导致与现有技术的喷嘴的情况相比在燃烧区内的更高的声学稳定性。
附图说明
本发明的另外的特点、特征和优点从如下通过参考附图1和图2的实施例描述中可见。
图1示出了根据本发明的此透平燃烧器。
图2示出了根据本发明的燃料喷嘴。
具体实施方式
在此，根据图1的透平燃烧器具有次级供给单元以供给次级燃料或空气且从燃烧区10内的开口6排放燃料或空气。次级燃料在此可包括天然气和空气。次级供给单元的半径为Ri。次级供给单元此外可包括设置为用于例如油料的另外的燃料的引燃器2。此外，可提供另一个用于供给天然气Gn的围绕引燃器2环形布置的天然气通道35。在此，天然气可以以蒸汽或水稀释以控制NOx值。此外，次级供给单元可提供另一个环形空气通道30该另一个环形空气通道内流入压缩机空气L’。在此，次级供给单元在流动下游端部上包括至少一个旋流生成器，即用于产生旋流的所谓的轴向栅格22。在此，轴向栅格22可布置在次级供给单元的空气通道30的下游端部内。通道35的天然气Gn在轴向栅格22之前流入到空气通道30内。这样形成的空气-天然气混合物然后通过轴向栅格22旋流地引入到燃烧区10内。
燃烧器此外包括初级供给单元，所述初级供给单元具有初级混合管11和燃料喷嘴1，所述燃料喷嘴1带有指向燃烧区的燃料喷嘴出口4以用于供给初级燃料，其中，燃料喷嘴1以及初级混合管11围绕次级供给单元同心地布置。在此，初级混合管11和燃料喷嘴1具有流体流动连接。通过初级混合管11和燃料喷嘴1向燃烧区10供给合成气。
围绕初级供给装置至少部分地布置了环形通道40，所述环形通道40具有多个布置在周长上的带有或不带有燃料喷嘴的旋流器45。压缩机空气L”流过此环形通道40，在所述压缩机空气L”中可借助旋流器喷入燃料。由此形成的压缩机空气L”——燃料混合物或空气L”也被旋流地引入到燃烧区10内。
燃料喷嘴1具有环形壁9，所述环形壁9在轴向方向上与次级供给单元径向间隔开，使得通过环形壁9和次级供给单元形成了间隙高度h。在此，燃料喷嘴1具有朝向次级供给单元的内壁50，其中内壁50具有环形布置的叶片12(图2)。替代地，叶片12也可布置在次级供给单元的外壁上(未示出)。在此，次级供给单元的外壁理解为次级供给单元的朝向燃料喷嘴的外壁。燃料喷嘴1此外具有燃料喷嘴入口20和燃料喷嘴出口4。通过叶片12降低在燃料喷嘴出口4处的压力损失。其优点是与现有技术的燃烧器的喷嘴的情况相比，在燃烧区10内具有更高的声学稳定性，即抵抗燃烧区10内的已知的轰鸣声的稳定性。在此构造中，压力损失此外可通过合成气的速度或燃料喷嘴出口的横截面调节。
燃料喷嘴1在流动下游至少部分地形成为锥形。
叶片12在流动上游侧具有叶片迎流边缘51且具有对置的叶片后边缘60。在此，叶片迎流边缘51具有距燃料喷嘴入口20的轴向距离s。距离s和间隙高度h的比在此大于1且小于4。通过在轴向方向上距叶片12的距离s的此限制，防止了明显的边界层的形成。
为最大化在喷嘴1内的可接受的可供使用的压力损失，燃料喷嘴入口20构造为带有更大的间隙高度h。以此实现了可接受的压力损失的最大利用，且实现了避免在燃料喷嘴出口4上的寄生压力损失。因此，产生了稳定的燃烧。
此外将燃料喷嘴入口20进行倒圆，其中倒圆具有燃料喷嘴入口半径Re。在此，倒圆背离燃料喷嘴内部。燃料喷嘴入口半径Re和间隙高度h的比在此大于0.2且小于0.8。因此，直至叶片迎流边缘产生了均匀的流动加速，所述流动加速导致流入压力损失的最小化和在叶片12上的均匀的流动分布。替代地，这也可通过带有具有＜75°的角度的直的燃料喷嘴入口20的直的喷嘴1实现(未图示)。叶片迎流边缘51在此具有以上所述的流动上游的距燃料喷嘴出口20的相对轴向距离，即例如1<s(距离)/h(间隙高度)<4。
与现有解决方案相反，喷嘴1因此构造为使得通过降低燃料喷嘴出口20出的间隙高度h而在叶片12前方已提高了轴向速度，且实现了气体的直至离开喷嘴1的均匀的加速。在此，在燃料喷嘴出口4处的间隙高度h为0.1<h(间隙高度)/Ra<0.2，其中Ra是外部燃料喷嘴半径Ra，以此将马赫数维持在0.4<Ma<0.8的范围内，这导致燃料***与燃烧室压力振动的更好的声学解耦。此外，更高的马赫数与混合能的增大相关联。此外，由于在喷嘴出口4处的比现有技术下的喷嘴的情况下更低的间隙高度h而使得混合路程最小化。
叶片12此外具有叶片迎角(图2)。在此，叶片迎角选择为产生尽可能高的旋流比S而不导致在叶片后边缘60和毂部70处的流动分离，其中旋流比S是旋转脉冲流与轴向脉冲流之比。在此，毂部70是次级供给单元的处于轴向栅格22上的且作为喷嘴出口4处的燃料喷嘴1的内边界的部分。旋流比S在此处在大于1.2且小于1.7的范围内。在此，同时在燃料喷嘴出口4上维持了次级供给单元的半径Ri与燃料喷嘴1的外部燃料喷嘴半径Ra之比大于0.6且小于0.8。因为旋流比取决于Ri/Ra的比，所以此比值的维持导致合成气流仍跟随燃料喷嘴1的轮廓而不在毂部侧上分离。
流过轴向栅格22的燃料-空气混合物此外具有切向流动方向100(旋流)。也在燃料喷嘴1内，合成气流动被叶片12的迎角赋予了切向流动方向110。叶片迎角现在可布置为使得切向流动方向100和110现在具有相反的旋转方向。为此，叶片12和轴向栅格22必须具有相反的布置。这由于在流100和110的接触区内增大的剪切速度而导致了混合强度的明显提高。由于反向旋流，则空气-燃料混合物和合成气之间的相对速度明显高于同向布置的情况下，这又导致两个流的明显更高的混合。这又积极地影响NOx的排放。通过环形通道40流过的空气也具有旋流120。此旋流120优选地与旋流100同向。
燃料喷嘴1可在流动方向上观察时在叶片12后方还具有孔130。当燃烧器不以合成气运行时，环形通道40的空气可以通过孔130进入。因此，当燃料通过引燃器或燃料通过天然气通道35供给时，燃烧器也可不以合成气运行。以此可在不以合成气的运行中不使存在于燃烧区10内的热气体通过喷嘴1回流。孔130在此可在流动方向上形成有突出到通道40内的入口导流壳体7。因此，可在不以合成气的运行中使得空气L”有针对性地通过孔130流入到喷嘴1内，以因此也有针对性地防止使得热气体从燃烧区10回流到喷嘴1内。
图2详细地示出了根据本发明的燃料喷嘴1。此喷嘴1具有内壁50。叶片12环形地布置在内壁50的周长上。喷嘴1形成为锥形且形成在毂部70的整个区域上(图1)，由此与现有技术的喷嘴的情况相比在燃料喷嘴出口4处产生了更低的间隙高度h(图1)。
与现有技术的喷嘴1的情况不同，可在同样的NOx排放下降低必须通过根据本发明的燃烧器供给至燃烧区10的合成气的体积流量。由此产生了初级供给单元或用于初级供给单元的供给***的更小的结构空间的优点。更好的声学稳定性允许了根据本发明的燃烧器在载荷和燃料质量方面更宽的运行范围。

Claims (13)

1.一种透平燃烧器，所述透平燃烧器具有用于供给次级燃料或空气且用于从燃烧区(10)内的开口(6)排放次级燃料或空气的次级供给单元，且具有用于供给初级燃料的、带有初级混合管(11)和燃料喷嘴(1)的初级供给单元，所述燃料喷嘴(1)具有指向燃烧区的燃料喷嘴出口(4)，其中，燃料喷嘴(1)以及初级混合管(11)围绕次级供给单元同心地布置，其中，初级混合管(11)和燃料喷嘴(1)具有流体流动连接，其中，燃料喷嘴(1)具有在轴向方向上与次级供给单元径向间隔开的环形壁(9)，使得通过环形壁(9)和次级供给单元形成了间隙高度(h)，其中，燃料喷嘴(1)的环形壁(9)具有朝向次级供给单元的内壁(50)，其中，在次级供给单元和环形壁(9)之间形成了流体通道，且在流体通道内布置若干叶片(12)，
其特征在于，
叶片(12)在它的流动上游侧具有叶片迎流边缘(51)且燃料喷嘴(1)具有燃料喷嘴入口(20)且叶片(12)具有距燃料喷嘴入口(20)的轴向距离(S)，其中距离(S)和间隙高度(h)之比大于1且小于4，其中，燃料喷嘴入口(20)构造有更大的间隙高度(h)，使得燃料喷嘴入口展宽。
2.根据权利要求1所述的透平燃烧器，其特征在于，叶片(12)环形地布置在内壁(50)的周长上。
3.根据权利要求1所述的透平燃烧器，其特征在于，次级供给单元具有朝向燃料喷嘴(1)的外壁，所述叶片(12)环形地布置在外壁的整个周长上。
4.根据前述权利要求中一项所述的透平燃烧器，其特征在于，燃料喷嘴(1)在流动方向上至少部分地锥形地形成。
5.根据权利要求4所述的透平燃烧器，其特征在于，燃料喷嘴(1)具有在流动方向上从叶片(12)后看连续的间隙高度(h)降低。
6.根据权利要求1所述的透平燃烧器，其特征在于，燃料喷嘴入口(20)被倒圆，其中，倒圆具有燃料喷嘴入口半径(Re)，倒圆背离燃料喷嘴内部。
7.根据权利要求6所述的透平燃烧器，其特征在于，燃料喷嘴入口半径(Re)和间隙高度(h)之间的比大于0.2且小于0.8。
8.根据权利要求1所述的透平燃烧器，其特征在于，燃料喷嘴(1)具有外部燃料喷嘴半径(Ra)。
9.根据权利要求8所述的透平燃烧器，其特征在于，在燃料喷嘴入口(20)处，间隙高度(h)和燃料喷嘴半径(Ra)的比大于0.2且小于0.3。
10.根据权利要求8或9所述的透平燃烧器，其特征在于，次级供给单元具有半径(Ri)且在燃料喷嘴出口(4)处该半径(Ri)与燃料喷嘴(1)的外部燃料喷嘴半径(Ra)的比大于0.6且小于0.8。
11.根据权利要求1所述的透平燃烧器，其特征在于，燃料喷嘴(1)具有在流动方向上看布置在叶片(12)后方的若干孔(130)，且所述孔(130)布置在燃料喷嘴(1)的环形壁(9)的整个周长上。
12.根据权利要求11所述的透平燃烧器，其特征在于，孔(130)具有入口导流壳体(7)。
13.根据权利要求1所述的透平燃烧器，其特征在于，至少部分地围绕初级供给单元布置了环形通道(40)，所述环形通道(40)具有多个布置在周长上的带有燃料喷嘴的旋流器(45)。
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