CN1149354C - 汽轮机燃烧室 - Google Patents

Abstract

在一个汽轮机组的一个燃烧室中，燃烧室的内部空腔(8)具有一个圆环结构，布置在该燃烧室周围的一组燃烧器(5)与内部空间关联运行并引发一个涡流(9)。该涡流(9)产生一个旋流中心(10)，它保证了火焰前锋的稳定。

Description

汽轮机燃烧室

本发明涉及一种汽轮机燃烧室。

现代汽轮机组的燃烧室优先设计成圆筒形的燃烧室。它们在压缩水和汽轮机之间沿气流方向为轴向布置，并考虑了要保证在那里形成的热气依照介于两个涡轮机(通常是介于压缩机和汽轮机之间)之间的气流和燃烧的最佳的方向。这些通常导致了制作具有一个相对长的轴向伸展的圆筒形燃烧室，特别是当考虑到燃烧的制约和最低要求时。燃烧情况对这种燃烧室在绝对轴长度上的影响不是无关紧要的。圆筒形主燃烧室的长度对整个汽轮机组的设计而言通常是决定性的；例如，是否要为转子的支承而提供两个以上的轴承，或是否要对汽轮机组采用双轴设计。当汽轮机组是连续燃烧运行时，就要强调这些初始条件；圆筒形设计的两个燃烧室的轴向长度就要由它的可行性和很大程度上由市场对这种设备的接受程度决定。

由于上述原因，现有技术已经公开的具有圆筒形燃烧室的汽轮机组毫无例外地具有一个相当大的长度，结果是有质的飞跃的这些设备紧凑性步始终不能实现。

另外，应该指出的是，增长的燃烧室会引起燃烧空间段内的波动，这种波动对燃烧器的运行会造成不利的影响，特别是当这些预混燃烧器采用一个整体预混段工作并且具有一个作为火焰阻挡板的背流区域时。

因此，本发明的目的是，在说明书开头所提到的这种燃烧室类型的情况下，提供至少能够克服上面列举的不足的措施。

本发明的一个重要的优点可以从下面的事实中看出，燃烧室在考虑效率和最小有害物排放的情况下保持良好的燃烧，同时具有一个特别紧凑的轴向长度。这样，同样的这种燃烧室与汽轮机组的涡轮机组合，就不再对转子的长度产生重要影响。

本发明的一个更进一步的重要优点可以从下面的事实中看出，燃烧室是最基本的非常简单的结构，它在燃烧和流动方面的设计提供了基于朝向下游汽轮机的热气供气运行的最佳流态。

从几何学的角度看，这各燃烧室主要是圆环形结构，它某种程度上在允许范围内与理想的圆环形有偏离。这样一个燃烧室可以没有问题地布置在任何两个涡轮机之间。另外，根据本发明的燃烧室正是在现有汽轮机中做为一个花样翻新的单元安装的燃烧室，例如代替一个竖井式燃烧室。

此外，这种燃烧室，特别是在预混燃烧的场合，在考虑到最大效率和最小有害物排放时，发挥了它的全部潜力。

由于燃烧处理完全在该燃烧室的一个紧凑的圆环形空间里发生这个事实，到现在只能通过昂贵的运行费用和复杂的装置获得的一些流体的优点，这时也能够获得。这些优点可以列举如下，下面的解释没有在权利要求中限定：

-消除了波动，特别是在预混燃烧的场合，波动对火焰前锋和与火焰前锋有相互依存关系的背流区域有相反的影响。

-燃料或燃料组的分配和注入是非常简单的配置。燃烧器，最大可能地伸展，对在负荷变化期间由于压力不同或反应延迟引起的燃料喷射的不均匀反应不敏感。

-燃烧空气引入时的缺乏或燃料的不均匀喷射对汽轮机进口处的所谓标准特性没有影响或只是一个轻微的影响。因此，一个由外部特性或内部阻碍物确定的不变的精确的热气流，以涡流的形式形成在圆环内部空腔中。

-一个供给下游的汽轮机气体的适意的旋转的热气流流动地形成在圆环形内部空间的里面，它是由于热气流直接朝向汽轮机而没有进一步的气流偏移。接着，该涡流形成的离心力区域导致圆周方向的气体分布之外的不容忽视的末端的这样一种方式存在，即热气在整个圆周范围上流向汽轮机叶片组，并且具有一个均匀的压力分布和温度分布。

具有离心力区域的燃烧室的圆环形形式基于气体离心而气流沿中凹的壁流动而使对流热交换减少到最小。此外，对一个预定的燃烧室体积获得了可能的最小表面。

-布置在圆环形内部空腔周围的独立的燃烧器之间存在着具大的相互依赖性。同时，在各个燃烧器关闭过程中，由于考虑到热气输送给汽轮机，运行特性不会间歇地变化。所以，这样的一个燃烧室，没有放弃在圆环形内部空腔中的形成热气流的优点，就能没有问题地从部分负荷运行到满负荷运行，或相反地，以一个可控的方式减少负荷。交叉点火因此是决定性的进步。冷燃烧器的点火成为可能。在圆周方向的燃烧器的分级因此也可能在燃烧器单列布置的场合实现。简单的运行概念也带来部分负荷时的低有害物(NO_x，CO，UHC)的排放。

-若该燃烧室带有预混燃烧器运行，例如根据EP-B1-0321809(EV)或EP-A2-0704657(AEV)的建议(它们构成本说明一个完整的部分)，从各个燃烧器中来的涡流，通过在圆环形内部空腔的圆周方向的同样的合适的定位，也能容易地在所述内部空腔内转变成一个均匀的旋涡流，在这过程中，一个稳定的中心形成在该内部空腔的中心，它起无形的火焰阻挡挡板的功能。因此，旋流中心的稳定性与它在圆环轴区域的均匀的气密性这个事实之间有因果关系。

-这样一个圆环形的燃烧室也适于用在连续点火的汽轮机组，最好作为一个高压燃烧室，但不仅限于此。所以，它也可以很容易地用在建议用预混燃烧器代替的涡流发电机***中的采用连续燃烧的自点火燃烧室中，该涡流发电机，以一个模拟一个燃烧器运行的燃烧室的方式，形成一个旋流中心来稳定火焰前锋，防止逆燃。

所以，这里建议的预混燃烧器是运行圆环形燃烧室的一个不可缺少的条件。由于它的设计，这种燃烧室也可以很容易地采用扩散燃烧器来运行。

此外，几何上的简单结构和燃烧室的紧凑形式允许在各种情况下使用最少量的冷却介质来有效地冷却它的内衬。这是一个非常重要的方面，特别是在那些用以压缩机来的一定量的空气来冷却燃烧室的场合。

更进一步讲，这种燃烧室对用液体和气体燃料运行也都适用，并没有性能的损失。特别是在采用液体燃料运行时，有害物排放极小，这将在下文中详细描述。

从上文提到的流体的关系中，考虑了最佳的火焰稳定性，最低的有害物排放，特别是NO_x的排放。可达到NO_x的排放量小于5vppm(15％O₂)。但其他有害物的排放，如CO和UHC，通过采用根据本发明的燃烧室也能减少，这是因为圆环形空腔，即热气的旋流状态，也作为一个非常紧凑的燃尽区域工作。类似的部分负荷时的低有害物排放在上文中已非常详细地讨论过。

对照附图参见下文中的详细描述，将更容易地获得对本发明及其带来的优点的更加完整的理解。其中，

图1是一个流动状态的圆环形燃烧室的轴向断面图；

图2是构成燃烧室的一个圆环。

现在参见附图，其中两幅图中相同或相应的部分用相同的附图标记表示，省去了对直接理解发明不需要的部分，介质流动的方向用箭头表示，图1表示了用来操作汽轮机组的一个燃烧室。该燃烧室1具有一个圆环形形状，它围绕着仅示意性表示的转子4伸展。这个圆环形燃烧室1径向结构十分紧凑，这样它就可以没有问题地容纳在为圆环形燃烧室设计的外壳2之中。与圆筒形的燃烧室相比，这种圆环形燃烧室的轴向延展小，这样后者本身对汽轮机组的转子长度没有影响，这样转子很短，实际对内部轴承的布置产生一个积极的影响。在现有技术的一个圆筒形燃烧室的在流动轴向发生的燃烧过程至少和这里描述的圆环形燃烧室1的情况下的圆环形内部空间8中的燃烧过程的质量水平相同，供给下游汽轮机3的热气以最佳的方式产生，因为具有一个均匀温度和压力分布的热气流自己形成在圆环形内部空间8中。圆环形燃烧室1的运行通过规则或不规则地分布在该燃烧室1圆周方向的一组预混燃烧器5来维持。这些预混燃烧器5的配置最仁按照EP-B1-0321809或EP-A2-0704657的建议，这些公布中的所有叙述构成本发明说明的一个完整的部分。具有从压缩机(图中未详细表示)产生的燃烧空气7的增压室6向这些预混燃烧器5供气。燃烧空气7切向地流入预混燃烧器5并在那里产生一个涡流，涡流在圆环形内部空间8中扩散，在那里转变成一个具有稳定中心10的热气旋流9的旋流。热气流9接着以一个均匀的质量和浓度没有流动偏差地流入一个热气通道11，它的末端最好在圆周方向配置有导向板12。一旦该热气流9通过所述的导向板12最佳地满足下游汽轮机3的流体学要求，对该汽轮机的转动叶片的热气供应就根据一个已知的技术产生作用，热气旋流9的流动形式受圆周方向布置的预混燃烧器5的布置的影响，在这里建议的燃烧室1的结构的情况下，考虑到在圆环形燃烧室1的圆周方向的预混燃烧器5的位置，提供各种选择。在图1中，该预混燃烧器5相对于它们进入圆环形内部空间8的进流平面切向定位，并且沿相对于汽轮机3的进流平面成一锐角延伸。因此，通过将预混燃烧器5相对于汽轮机3的进气平面成直角地布置在例如圆环形燃烧室1的圆周上，就可相应改变热气旋流9的流态质量。一个更进一步的布置可以是相对于所述的进气平面具有一个大于90°的角度。在所有的布置中，预混燃烧器5产生的热气流9最好连续地切向流入圆环形内部空间8，这样热气流的环形中心10的稳定性就可以保证。在这儿，各个预混燃烧器5是流畅地开启或关闭，即，各个预混燃烧器5是相互依赖地运行，这样，在启动或停机过程中，不需要点火装置的各个预混燃烧器，以最大的灵敏性作出反应。由于完全由圆环形内部空间8形成的燃烧室1的紧凑的燃烧空间，减少了波动的产生，因为热气旋流基于它的流动的稳定性和冲击强度，不允许任何对预混燃烧器5或火焰前锋特定频率的回流。所以产生的波动是通过圆环形燃烧室1的几何结构显著减少。此外，这种圆环形燃烧室1的不容争辩的极紧凑的结构形式特别适合于用最小量的冷却介质获得有效的冷却，在图1中表示了这种冷却如何进行。圆环形燃烧室1被一个壳体13包围，从压缩机单元通过一个圆筒形通道17分支出的冷却空气流15沿着壳体13与燃烧室1的壁形成的中间空间14流过。在圆环形燃烧室1的外壁冷却发生后，冷却空气流16基本上流入增压室6。所以，用来冷却的空气量16可以直接地在一个适当的位置进入燃烧室1或进入预混燃烧器5。就关心的从燃烧器来的涡流而言，要注意保证一组涡流保持超过燃烧室各运行级的亚临界。其结果是，原则上，在设备处于一个基本负荷时，旋流中心的气体密度尽可能的均匀，这表现为这一区域的旋流中心的稳定性和热气在该区域的停留时间。以这种方式形成的旋流中心令人吃惊地改进了具有相对于布置在圆周上的各个燃烧器的一个无形火焰阻挡挡板的火焰前锋的直接稳定性，从而在这些燃烧器的领域对火焰稳定性的努力不再具有绝对优势。

图2表示了从图1的视角II处从外面看到的圆环形燃烧室1，是从汽轮机基础支架上分离出来的示意。该图以立体方式表示了燃烧室及预混燃烧器5的配置和位置的几何结构。预混燃烧器5切向地布置在圆环形燃烧室1的周围；此外，它们的位置与气流方向成一角度。这种结构的流体动力方面已经参照图1详细讨论过。

所示的圆环形燃烧室具有特殊的优点，这里对它的主要方面从上文已经描述的大量获得的优点中再次进行总结。

1.旋流的离心力区域带来气体温度在圆周方向上很大程度的均匀。与没有涡流的燃烧室相比，燃烧器在圆周方向的分级也可能在单排燃烧器布置的情形发生，在部分负荷时具有低有害物排放(No_x，CO，UHC)的简单的运行概念也可以保证。

2.燃烧室的圆环形形状与涡流的离心力区域结合使对流热交换减少到最小(气体离心作用，气流沿中凹壁流动)。此外，对预定的燃烧室体积可能获得最小的表面。

3.燃烧器组合的交叉点火是决定性的改进，在冷燃烧器上点火是可能的。

4.燃烧室具有一个紧凑的总长度。

显而易见，在上文教导下，对本发明的各种更改和变化都是可能的。所以应该明白，在附后的权利要求的范围内，本发明可以以这里特别描述的方式之外的其他方式实施。

                         附图标记表

1    燃烧室

2    外壳

3    汽轮机

4    转子

5    燃烧器、预混燃烧器

6    增压室

7    燃烧空气

8    内部空腔

9    热气，热气流，旋涡热气流，涡流

10   9的中心，旋流中心

11   热气通道

12   导向叶片

13   壳体

14   中间空间

15   冷却介质，冷却气流

16   冷却气流量

17   圆筒形通道

Claims (7)

1.一种汽轮机组燃烧室，该燃烧室(1)至少具有一个圆环形内部空腔(8)，该圆环形内部空腔(8)在属于该汽轮机组的一个下游汽轮机(3)的入流平面处具有一个在圆周方向分支出的热气通道(11)，其特征在于，在该燃烧室(1)的周围布置有多个与内部空腔(8)运行关联的预混燃烧器。

2.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，热气通道(11)形成一个流体等方向的旋涡流(9)的延续，涡流(9)形成在该燃烧室的圆环形内部空腔中。

3.如权利要求2所述的燃烧室，其特征在于，热气通道(11)的末端装配有导流叶片(12)，它与下游汽轮机(3)的移动叶片运行地关联。

4.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，燃烧器(5)相对于圆环形内部空腔(8)的中间圆环形轴切向地布置。

5.如权利要求1或4所述的燃烧室，其特征在于，燃烧器(5)相对于圆环形内部空腔(8)的垂直轴成一角度布置。

6.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，圆环形内部空腔(8)被一个壳体(13)包围，并且一种冷却介质(15)流入由壳体(13)与圆环形内部腔(8)的外壳之间形成的中间空间(14)中。

7.如权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，燃烧器(5)与一个增压室(6)运行关联，并且该增压室(6)的燃烧空气(7)供给燃烧器(5)。

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