CN105627366A - 具有环状非流线型主体的燃烧器 - Google Patents

具有环状非流线型主体的燃烧器 Download PDF

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CN105627366A CN201510828187.9A CN201510828187A CN105627366A CN 105627366 A CN105627366 A CN 105627366A CN 201510828187 A CN201510828187 A CN 201510828187A CN 105627366 A CN105627366 A CN 105627366A
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E.帕斯夸洛托
D.A.彭内尔
M.德辛格
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Abstract

本发明涉及具有环状非流线型主体的燃烧器。本发明涉及燃气涡轮燃烧器，其包括：流动套管；燃烧衬套，其至少部分地位于该流动套管内，从而形成在该流动套管与该燃烧器衬套之间的主通道；圆顶，其位于该流动套管的前方且包围该燃烧衬套的至少一部分，该圆顶具有基本上圆形的头端部，从而形成在该衬套与该头端部之间的转向通道；和涡旋器壁，其沿该燃烧器的中心线对齐，该涡旋器壁突出到该衬套中，其特征在于，该涡旋器壁和该圆形的头端部连接，其中，该连接形成环状端面。

Description

具有环状非流线型主体的燃烧器
技术领域
本发明大体上涉及用于改善燃气涡轮燃烧器中的燃烧稳定性的***和方法。
背景技术
为了减少来自燃气动力涡轮的污染排放量，政府机构已制定了许多要求减少氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)的量的法规。更低的燃烧排放通常可归因于更有效率的燃烧过程，尤其与燃料注入器场所和混合效果有关。
早期的燃烧***利用扩散型喷嘴，其中燃料在最接近火焰区处通过扩散而与燃料喷嘴外部的空气混合。已知扩散型喷嘴由于燃料和空气在高温下化学计量地喷燃以维持足够的燃烧器稳定性和低燃烧冲击而产生高的排放。
燃烧技术的增强为利用预混合，使得燃料和空气在燃烧之前混合以形成均匀的混合物，该混合物在比扩散型火焰低的温度下喷燃且产生更低的NOx排放。在燃烧之前将燃料和空气预混合在一起允许燃料和空气形成更均匀的混合物，其对于给定的燃烧器出口温度而言将在较低的峰温度下喷燃，从而导致更低的排放。在US专利申请US2004/0211186A1中公开了此种燃气涡轮火焰片燃烧***的示例，该燃气涡轮火焰片火焰片燃烧***具有在多种负载状态下的降低的排放和改善的火焰稳定性。
尽管现有技术的燃烧器具有在降低的负载设置下操作的改善的排放水平和稳定性，但火焰片燃烧器的热声仍可导致不稳定性的模式(诸如脉动)，这可限制操作窗。因此，喷燃器的空气动力特性允许在某些情形下在混合区中的偶然的火焰附加，从而导致逆火和过热的风险。而且，现在的燃料分阶段策略可导致燃烧器衬套上的不对称的热负载，这可导致蠕变问题。
此外，帮助对抗跳动的方法，例如主燃料供应中的1/3-2/3组的分阶段可导致不对称的衬套热负载，以及导致燃烧器出口温度分布中的不均匀。
意图还可提供火焰稳定性，同时还降低热声不稳定性的***，其可放大当前燃烧器设计可用的操作窗。以下描述的实施例意图超过当前可用的范围来加宽操作窗，而不牺牲低排放值。
发明内容
本发明的一个目的是提供具有进一步改善的稳定性和改善的热声特性的燃烧器。
本发明的上述和其他目的通过以下燃气涡轮燃烧器而实现，该燃气涡轮燃烧器包括：流动套管；燃烧衬套，其至少部分地位于该流动套管内，从而形成在该流动套管和该燃烧器衬套之间的主通道；和圆顶，其位于该流动套管的前方且包围该燃烧衬套的至少一部分，该圆顶具有基本上圆形的头端部，从而形成在该衬套与该头端部之间的转向通道；和涡旋器壁，其沿该燃烧器的中心线对齐，该涡旋器壁突出到由该衬套界定的空间中，其中，该涡旋器壁和该圆形的头端部连接，且其中，该连接形成环状端面。
根据本发明的一个实施例，该燃烧器还包括中央主体，该中央主体沿该中心线定位且延伸到由该涡旋器壁界定的空间中，从而形成在该涡旋器壁与该中央主体之间的先导通道。
根据本发明的又一实施例，该先导管道的宽度沿先导管道的长度基本上为恒定的。
根据本发明的另一实施例，该环状端面的面积是该先导通道的截面的面积的1.5倍到5倍。
根据本发明实施例的又一实施例，燃料喷管布置在该中央主体中。
根据本发明的另一实施例，该燃烧器还包括基本上圆柱形的延伸部，该延伸部从该圆形头端部的径向内端部或端面延伸到该衬套中，其中，该延伸部与该燃烧器的中心线对齐。根据本发明的又一实施例，该延伸部具有沿该衬套的中心线基本上恒定的半径，并且/或者该延伸部的厚度基本上等于该圆形头端部的厚度。
根据本发明的另一实施例，由该中央主体、该环状端面和该圆形头端部限定的凹处包括赫尔姆霍茨阻尼器或/和用于先导油注入的器件。
根据本发明的又一实施例，该燃烧衬套包括环形圆形唇缘区段和弯曲中间区段，它们适于在操作期间形成火焰稳定区。根据本发明的另一实施例，该唇缘区段包括赫尔姆霍茨阻尼器和/或液体燃料注入器件。
根据本发明的另一实施例，该先导通道包括与至少一个先导燃料注入器流体地连通的先导涡旋器，且该先导涡旋器为轴向涡旋器或径向涡旋器。根据本发明的另一实施例，该主通道或转向通道包括与至少一个主燃料注入器流体地连通的主涡旋器，且其中，该主涡旋器为轴向涡旋器或径向涡旋器。
根据本发明的另一实施例，涡旋器壁为圆锥形喷燃器(例如，EV喷燃器或AEV喷燃器)的一部分。
本申请还提供用于包括在上述燃烧器的燃气涡轮。
此外，本申请还提供用于操作该燃气涡轮燃烧器的方法。该方法包括：将第一燃料射流供应到该先导管道或圆锥形喷燃器(例如，EV喷燃器或AEV喷燃器)中以与第一空气流混合，且将所得的第一混合物供给到燃烧区中以用于提供先导火焰；将第二空气流供应到该主通道中；将第二燃料射流供应到该主通道或转向通道中以与第二空气流混合，且将所得的第二混合物供给到该燃烧区中以用于提供主火焰。
本发明的附加优点和特征将在接下来的描述中部分地得到阐述，且在检查以下时对于本领域技术人员来说将部分地变得显而易见的，或可从本领域的实践中习得。现在将具体参照附图而描述本发明。
附图说明
在下面参考附图描述本发明的优选实施例，附图用于例示本发明的本优选实施例且不用于限制其。在附图中：
图1示出现有技术的燃气涡轮燃烧***的截面图。
图2a示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器的截面图。
图2b示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器的端视图。
图2c示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器的截面图，其示意地指示操作期间的火焰锋。
图3a示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器的截面图。
图3b示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器的端视图。
图4a示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器的截面图。
图4b示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器的截面图。
图5示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器的截面图，其示意地指示用于进一步的火焰稳定的再流通区。
图6a、6b、6c示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器的一部分的截面图。
图7a示出根据本发明实施例的包括EV喷燃器的燃气涡轮燃烧器的一部分的截面图。
图7b示出根据本发明实施例的包括AEV喷燃器的燃气涡轮燃烧器的一部分的截面图。
图8a示出EV喷燃器的一部分的透视图。
图8b示出AEV喷燃器的一部分的截面图。
参考标号列表
1，2部分圆锥主体
3喷嘴
5圆锥形柱
6逆流区
14喷燃器的内部
15旋转射流
100燃烧器
102先导喷嘴
104径向流入混合器
108主阶段混合器
110分隔器
120火焰锋
200燃烧器
202流动套管
204燃烧衬套
206主通道
208圆顶
210头端部
212转向通道
214涡旋器壁
216燃烧器中心线
218端面
220中央主体
222先导通道
226中央主体前表面
228具有注入器的先导涡旋器
230先导燃料供应
232具有注入器的主涡旋器
234主燃料供应
240延伸部
242凹处
250燃烧区
260主火焰
262先导火焰
420唇缘区段
430弯曲中间区段
440冷却孔
510主火焰稳定区
520外先导稳定区
530中央先导稳定区
602赫尔霍姆茨阻尼器
604先导油注入
606油注入
608燃料喷管
610赫尔霍姆茨阻尼器
612赫尔霍姆茨阻尼器
614燃料注入器
618先导涡旋器
620主涡旋器
622燃料注入器
702EV喷燃器
704AEV喷燃器
802混合区段
804管。
具体实施方式
在图1中示出用于现有技术的燃气涡轮的预混合火焰片燃烧器100的示例。燃烧器100为回流预混合燃烧器类型，该回流预混合燃烧器利用先导喷嘴102、径向流入混合器104、和多个主阶段混合器108。燃烧器100的先导部分通过中央分隔器部分110而与主阶段燃烧区域分离。中央分隔器部分110使通过先导喷嘴102注入的燃料与通过主阶段混合器108注入的燃料分离。对应地，通过分隔器110来分离通过主喷燃器和先导喷燃器进入的空气。可在非设计情况下发生的火焰锋120示意地示为指示先导火焰和主火焰的相互作用，这可引起热声不稳定。
图2a示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器200的截面图。燃烧器200包括流动套管202、燃烧衬套204，该燃烧衬套204至少部分地位于流动套管202内，从而形成流动套管204与燃烧器衬套204之间的主通道206。燃烧器200还包括圆顶208，该圆顶208位于流动套管的前方且包围燃烧衬套204的至少一部分。圆顶208具有基本上圆形的头端部210，从而形成在衬套204与头端部210之间的转向通道212。压缩机200还包括沿燃烧器200的中心线216对齐的涡旋器壁214，其中，涡旋器壁214突出到衬套204中。涡旋器壁214和圆形头端部210连接，其中，该连接形成环状端面218。端面218的结构和厚度可变化，且在一个实施例中，端面218为薄板，例如片状金属板。在一个实施例中，端面218具有基本上垂直于中心线216的平坦表面。在本发明的一个实施例中，端面218通过泻流和/或冲击冷却而得到冷却。
在根据本发明的一个实施例中，燃烧器200还包括中央主体220，该中央主体220沿中心线216定位且延伸到通过涡旋器壁214界定的空间中。涡旋器壁214和中央主体220形成先导通道222。中央主体包括前表面226，其取决于燃烧器设计(诸如非流线型主体形状)而可具有不同的形状。先导管道222的宽度可变化，且优选地沿先导管道222的长度基本上为恒定的。中央主体220还可包括燃料喷管608(在图6b中示出)以形成中央先导火焰。
图2b示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器的端视图。不同构件的截面示为是大体上圆柱形的，但它们可具有其他形状，诸如椭圆形或细长的。环状端面218的面积可相对于燃烧器200其他构件的尺寸而变化。在一个优选且非限制性的示例中，环状端面218的面积是先导通道222的截面面积的1.5倍到5倍。
根据本发明的燃烧器200在一个实施例中可包括主燃料供应234、先导燃料供应230、具有注入器的主涡旋器232和具有注入器的先导涡旋器228，以在燃烧器的操作中形成先导火焰和主火焰。图2c示意地示出火焰锋，其在燃烧区250内侧，在根据本发明的燃烧器200的操作期间产生。与现有技术(图1，其中，先导火焰和主火焰相互作用)不同，在根据本发明的实施例中，由于根据本发明的燃烧器200的有利设计，主火焰260和先导火焰262明显地分离。
图3a示出根据本发明另一实施例的燃气涡轮燃烧器200的截面图，其还包括基本上圆柱形的延伸部240，该延伸部240从圆形头端部210的径向内端部延伸到衬套220中。在备选实施例中，延伸部240从端面218延伸。该延伸部与燃烧器200的中心线216基本上对齐。延伸部240可取决于燃烧器200的操作参数而在尺寸、长度、半径和宽度上变化。在一个实施例中，延伸部240为圆柱形的且其具有沿衬套的中心线216基本上恒定的半径。在根据本发明的一个实施例中，延伸部240和头端部210具有基本上相同的厚度。延伸部240和头端部210可作为两个分离件制造或它们可由单件材料制造。在一个实施例中，延伸部240和头端部210由片状金属制造。可通过使用轴向方向上的管道的近壁冷却来进行延伸部240的冷却。
图3b示出图3a中示出的根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器的端视图。在一个实施例中，延伸部240的平均厚度小于端面218的截面的平均厚度。
图4a示出根据与本发明一致的又一实施例的燃气涡轮燃烧器200的截面图，其中，燃烧衬套204包括环形圆形唇缘区段420和弯曲的中间区段430。根据该实施例的衬套204还可包括冷却孔440。在该实施例中，圆形唇缘区段420为基本上中空的。图4b示出备选实施例，其中，圆形唇缘区段由薄材料制造，基本上具有与衬套204(例如，片状金属)的主部分相同的厚度。以此方式，降低圆形唇缘420的厚度，存在用于稳定区的有利地更多的空间。
包括环形圆形唇缘区段420和弯曲中间区段430的实施例适于在如图5所示的操作期间形成附加的外主火焰稳定区510。图5还示出在根据本发明的燃烧器200的操作期间形成的中央先导稳定区530和外先导稳定区520。延伸部420有利地使得两个先导稳定区520和530的有效分离是可能的。
图6a、6b和6c示出本发明的附加实施例。衬套的唇缘区段可包括赫尔姆霍茨阻尼器612和/或液体燃料注入器件606。由中央主体214、环状端面218和圆形头端部210界定的凹处242可包括赫尔姆霍茨阻尼器610或/和用于先导油注入604的器件。大体而言，赫尔姆霍茨阻尼器是根据相对于在燃烧室中发生的热声振荡频率而个别地确定或预先确定的阻尼要求设计的。赫尔姆霍茨阻尼器包括阻尼器体积、颈部和冷却管道。先导涡旋器(228、618)和主涡旋器(232、620)大体而言可为轴向或径向的涡旋器。此外，燃烧器200可包括附加的赫尔姆霍茨阻尼器602和燃料喷管608，它们都在中央主体220的内侧，如图6a和图6b所示。
根据本发明的燃烧器200可包括圆锥形喷燃器702、704装置以替代中央主体220。这些实施例的示例在图7a和7b中示出，分别包括EV喷燃器(来自Alstom的环境喷燃器，在EP0321809中公开)和AEV喷燃器(来自Alstom的先进环境喷燃器，在EP0704657中公开)。在这些实施例中，涡旋器壁214是圆锥形喷燃器702、704的一部分。
图8a示出EV喷燃器702的部分，其中，液体燃料的圆锥形柱5形成在喷燃器702的内部14中，该柱沿流动的方向变宽且由燃烧空气的旋转流15环绕，该燃烧空气的旋转射流15切向地流到该喷燃器中。混合物的点燃发生在喷燃器出口处，逆流区6形成在喷燃器出口的领域中。喷燃器自身由至少两个中空部分圆锥主体1、2组成，它们重叠在彼此上且具有沿流动方向增大的圆锥角。部分圆锥主体1、2相互偏移。放置在喷燃器头处的喷嘴3确保将液体燃料2注入到喷燃器的内部14中。在本发明的一个实施例中，在根据本发明的燃烧器200中，EV喷燃器702的部分圆锥主体1对应于涡旋器壁212。
图8b示出AEV喷燃器704的部分，其包括EV喷燃器702的至少一部分和混合管802。混合管包括管804。在本发明的一个实施例中，在根据本发明的燃烧器200中，EV喷燃器704的管804对应于涡旋器壁212。
应当显而易见的是，前述仅涉及本申请的优选实施例且可由本领域技术人员在本文中进行许多改变和更改，而不偏离由以下权利要求限定的本发明的总体精神和范围。

Claims (15)

1.一种燃气涡轮燃烧器(200)，其包括：
流动套管(202)；
燃烧衬套(204)，其至少部分地位于所述流动套管(202)内，从而形成在所述流动套管(204)与所述燃烧衬套(204)之间的主通道(206)；
圆顶(208)，其位于所述流动套管的前方且包围所述燃烧衬套(204)的至少一部分，所述圆顶(208)具有基本上圆形的头端部(210)，从而形成在所述衬套(204)与所述头端部(210)之间的转向通道(212)；和
涡旋器壁(214)，其沿所述燃烧器(200)的中心线(216)对齐，所述涡旋器壁(214)突出到由所述衬套(204)界定的空间中，
其特征在于，所述涡旋器壁(214)和所述圆形的头端部(210)连接，其中，该连接形成环状端面(218)。
2.根据权利要求1所述的燃烧器(200)，其特征在于，还包括中央主体(220)，所述中央主体(220)沿所述中心线(216)定位且延伸到由所述涡旋器壁(214)界定的空间中，从而形成在所述涡旋器壁(214)与所述中央主体(220)之间的先导通道(222)。
3.根据权利要求1或2所述的燃烧器(200)，其特征在于，所述先导管道(222)的宽度沿所述先导管道(222)的长度基本上为恒定的。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的燃烧器(200)，其特征在于，所述环状端面(218)的面积为所述先导通道(222)的截面的面积的1.5倍到5倍。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的燃烧器(200)，其特征在于，燃料喷管(608)布置在所述中央主体(220)中。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的燃烧器(200)，其特征在于，还包括基本上圆柱形的延伸部(240)，所述延伸部(240)从所述圆形的头端部(210)的径向内端部或所述端面(218)延伸到所述衬套(220)中，其中，所述延伸部与所述燃烧器(200)的中心线(216)对齐。
7.根据权利要求8所述的燃烧器(200)，其特征在于，所述延伸部(240)具有沿所述衬套的中心线(216)基本上恒定的半径，并且/或者其中，所述延伸部(240)的厚度基本上等于所述圆形的头端部(210)的厚度。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的燃烧器(200)，其特征在于，由所述中央主体(214)、所述环状端面(218)和所述圆形的头端部(210)界定的凹处(242)包括赫尔姆霍茨阻尼器(610)或/和用于先导油注入(604)的器件。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的燃烧器(200)，其特征在于，所述燃烧衬套(204)包括环形圆形唇缘区段(420)和弯曲中间区段(430)，它们适于在操作期间形成火焰稳定区(510)。
10.根据权利要求8或9所述的燃烧器(200)，其特征在于，所述唇缘区段(420)包括赫尔姆霍茨阻尼器(612)和/或液体燃料注入器件(606)。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的燃烧器(200)，其特征在于，所述先导通道(222)包括与至少一个先导燃料注入器(230、614)流体地连通的先导涡旋器(228、618)，且其中，所述先导涡旋器为轴向涡旋器或径向涡旋器。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的燃烧器(200)，其特征在于，所述主通道(206)或所述转向通道(212)包括与至少一个主燃料注入器(234、622)流体地连通的主涡旋器(232、620)，且其中，所述主涡旋器(232、620)为轴向涡旋器或径向涡旋器。
13.根据权利要求1所述的燃烧器(200)，其特征在于，所述涡旋器壁(214)为圆锥形喷燃器(702、704)的一部分。
14.一种包括根据前述要求中的任一项的燃烧器(200)的燃气涡轮。
15.一种用于操作根据前述权利要求中的任一项的燃气涡轮燃烧器(200)的方法，所述方法包括：将第一燃料射流供应到所述先导管道(222)或所述圆锥形喷燃器(702、704)中，且将所得的第一混合物供给到所述燃烧区(250)中以用于提供先导火焰；
将第二空气流供应到所述主通道(206)中；将第二燃料射流供应到所述主通道(206)或转向通道(222)中以与所述第二空气流混合，且将所得的第二混合物供给到所述燃烧区(250)中以用于提供主火焰。
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