CN1763434A - 低成本的双燃料燃烧室及相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃气轮机的燃烧室，包括燃烧腔和多个包围了单个中心喷嘴的径向外喷嘴，该径向外喷嘴构造成只为燃烧腔供应气体燃料，而中心喷嘴构造成为燃烧腔供应气体和液体燃料。

Description

低成本的双燃料燃烧室及相关方法
技术领域
本发明大体上涉及燃气轮机，尤其涉及一种用于陆上发电用燃气轮机的带有被外喷嘴所包围的中心喷嘴的多喷嘴双燃料的筒形燃烧室。
背景技术
燃气轮机通常包括压缩机、一个或多个燃烧室、燃料喷射***和多级涡轮段。一般来说，压缩机使入口空气加压，而后使其转向或反向流入燃烧室，在此处其用于冷却燃烧室，并为燃烧过程提供空气。在某些多燃烧室的涡轮中，燃烧室本身位于环绕着涡轮转子的圆形阵列上，该阵列通常称为“筒-环形”阵列，而过渡进气道将燃烧气体从各燃烧室中输送给第一级涡轮段。
更具体地说，在一种典型的燃气轮机结构中，各燃烧室包括固定在涡轮机匣上的大致圆柱形的燃烧室机匣。各燃烧室还包括内部流动套管和基本上同心地设置在流动套管内的燃烧室衬套。流动套管和燃烧室衬套在位于其下游端处的双壁式过渡进气道和位于其上游端处的燃烧室衬套端盖组件之间延伸。过渡进气道的外壁和流动套管的一部分都在其各自表面的一大部分上设有供气孔，从而允许压缩空气进入到过渡进气道的内壁和外壁之间以及燃烧室衬套和流动套管之间的径向空间内，并且反向地流向燃烧室的上游部分，在此处气流再次反向，流过端盖并进入燃烧室。
干燥且低NOx(DLN)的燃气轮机通常使用了具有液体和气体燃料能力的双燃料燃烧室。一种常用的装置包括包围了中心双燃料喷嘴的四个双燃料喷嘴。然而，用于使液体燃料、雾化空气、稀释用水、扩散气体、预混合气体以及有时还有的气幕/吹洗气流动的组合能力使喷嘴变得复杂且昂贵，并要求在预混合器中具有用于许多单独流体通道的大量空间。另外，当将这些喷嘴设计按比例缩小而用于更小一些的机器上时，对许多通道的空间需求变得愈来愈难以管理。
共同拥有的美国专利No.6598383公开了一种带有被多个外部双燃料喷嘴所包围的仅用气体的中心喷嘴的装置。对于这种结构而言，点火只与中心喷嘴内的扩散燃料相关，并且近距离火花的缺乏可能会给点火带来问题。
发明内容
本发明提供了一种简化的多喷嘴双燃料的“筒-环形”燃烧室，其具有由三个或更多个径向外喷嘴所包围的中心喷嘴。中心喷嘴是具有可使预混合气体燃料和扩散液体燃料流动的能力的双燃料喷嘴。外喷嘴是仅用气体的喷嘴，并具有只使预混合气体燃料和扩散气体燃料流动的能力。利用这种装置，就可以显著地减少喷嘴中的燃料通道的总数量，并且将燃烧室供应燃料的操作模式简化成包括：只为仅用气体的外喷嘴供应燃料的气体燃料扩散模式；为外喷嘴供应扩散气体并为所有喷嘴供应预混合气体的先导控制的预混合模式；为所有喷嘴只供应预混合气体的预混合模式；以及为中心喷嘴供应液体燃料的液体燃料模式。
另外，由于仅用气体的喷嘴处于径向外侧的位置，因而更靠近点火源(火花塞)，所以在仅用气体的模式下比较容易实现点火。
因此，广义地说，本发明涉及一种用于燃气轮机的燃烧室，其包括燃烧腔和多个包围了单个中心喷嘴的径向外喷嘴，该径向外喷嘴构造成只为燃烧腔供应气体燃料，而中心喷嘴构造成为燃烧腔供应气体和液体燃料。
在另一方面，本发明涉及一种用于燃气轮机的燃烧室，其包括多个仅用气体的径向外喷嘴，它们包围了单个双燃料的中心喷嘴；其中，所述多个径向外喷嘴包括5个基本上以72度的间隔而隔开的径向外喷嘴；每个仅用气体的径向外喷嘴形成有适于只供应扩散气体和预混合气体的通道形成；而中心双燃料喷嘴形成有适于为燃烧腔供应预混合气体燃料和扩散液体燃料的通道。
在又一方面，本发明涉及一种用于操作燃气轮机中的低NOx燃烧室的方法，其中各燃烧室均包括包围了单个中心喷嘴的多个径向外喷嘴，该方法包括：在只为径向外喷嘴供应燃料的第一扩散模式下操作燃烧室；在为径向外喷嘴供应扩散气体且为径向外喷嘴和中心喷嘴供应预混合气体的第二先导控制预混合模式下操作燃烧室；在为径向外喷嘴和中心喷嘴都只供应预混合气体的第三预混合模式下操作燃烧室；以及在为中心喷嘴供应液体燃料的第四液体燃料模式下操作燃烧室。
下面将结合以下附图来详细地描述本发明。
附图说明
图1是已知的燃气轮机燃烧室的局部剖视图；
图2是用于本发明的已知燃气轮机的仅用气体的喷嘴的简化且局部的示意性剖视图；
图3是已知燃气轮机的双燃料喷嘴的简化且局部的示意性剖视图；
图4是用于本发明的改进型双燃料喷嘴的简化且局部的示意性剖视图；和
图5是根据本发明的示例性实施例的“筒-环形”燃烧室阵列的示意图。
图中各标号含义如下：10燃气轮机；12压缩机；14多个燃烧室；16叶片；18过渡进气道；20火花塞；24燃烧室机匣；26涡轮机匣；28螺栓；30端盖组件；32燃料喷嘴组件；34流动套管；36外壁；38燃烧室衬套；39燃烧腔；40内壁；42燃烧室衬套的端盖组件；43孔；44仅用气体的喷嘴；46外管；48后端；50法兰；52内管；56环形气幕供应通道；58旋流器；60径向内管；62环形扩散气体通道；64吹洗气通道；66预混合径向内通道；67筒状孔(cored hole)；68孔；70叶片；72环体；74燃烧管；76双燃料喷嘴；78外管；80法兰；82第一内管；84环形气幕通道；86第二内管；88环形扩散气体通道；90第三内管；92环形水通道；94中心管；96环形雾化空气通道；98液体燃料通道；100预混合气体通道；102旋流器；104筒状孔；106孔；108叶片；110环体；112燃烧管；114双燃料喷嘴；116外管；118法兰；120第一内管；122环形气幕通道；123旋流器；124第二内管；126环形水通道；128中心管；130环形雾化空气通道；132液体燃料通道；134预混合气体通道；136孔；138叶片；140环体；142燃烧管。
具体实施方式
燃气轮机10(部分示出)包括压缩机12(也是部分示出)、多个燃烧室14(显示了一个)和此处由单个叶片16所代表的涡轮段。虽然没有具体显示，但涡轮沿着共同的轴线与压缩机12驱动式相连。压缩机12使入口空气加压，而后使其反向地流向燃烧室14，在此处其用于冷却燃烧室并为燃烧过程提供空气。
如上所述，多个燃烧室14定位成围绕着燃气轮机轴线的环形阵列。双壁式过渡进气道18将各燃烧室的出口端与涡轮的入口端相连，以输送燃烧的热产物给涡轮。可以正常方式通过火花塞20和联焰管22(显示了一个)在各燃烧室14中实现点火。
各燃烧室14包括在其敞开前端处通过螺栓28固定在涡轮机匣26上的大致圆柱形的燃烧室机匣24。燃烧室机匣的后端或近端由端盖组件30封闭，该端盖组件30包括供应管、集管和相关的阀门，如以下更详细描述的那样，其用于将气体燃料、液体燃料、空气和水输送到燃烧室中。端盖组件30容纳有多个(例如三到六个)设置在环绕燃烧室纵向轴线的圆形阵列中的“外”燃料喷嘴组件32(出于方便和清晰的目的，在图1中只显示了一个)以及一个中心喷嘴。
在燃烧室机匣24中以与其成大致同心的关系安装了大致圆柱形的流动套管34，其在其前端处与双壁式过渡进气道18的外壁36相连。流动套管34在其后端处通过径向法兰35而连接在燃烧室机匣24的对接接头37处，燃烧室机匣24的前、后部分在此处相连。
在流动套管34中设有同心设置的燃烧室衬套38，其限定了燃烧腔39并在其前端处与过渡进气道18的内壁40相连。燃烧室衬套38的后端受到燃烧室衬套的端盖组件42的支撑，而端盖组件42又通过多个撑杆和相关安装组件(未详细示出)支撑在燃烧室机匣24中。
过渡进气道18的外壁36可设有孔43的阵列，以允许空气从压缩机12中反向地流过孔43，并流到流动套管34和燃烧室衬套38之间的环形空间中且流向燃烧室的上游端(如图1中的流动箭头所示)。这是众所周知的设置，不需要进行进一步的讨论。
来看图2，根据本发明的一个示例性实施例，在包围了单个中心喷嘴的径向外喷嘴的组中使用了仅用气体的传统喷嘴44。喷嘴44包括外管46，在其后端48处形成有法兰50，该法兰50可连接到图1中的端盖组件30上。或者，可使法兰50形成为端盖组件的一部分。应当理解，对于本发明来说，各种通道设置在喷嘴中的方式和用于将各管安装在喷嘴中的安装装置被认为是属于本领域的技术范围之内。第一内管52同心地设置在外管46中，形成了环形气幕供应(或第一)通道56，压缩空气通过管46中的周向设置的孔(未示出)和旋流器58的固定叶片中的通道(也未示出)而经由管46进入通道56。
第二径向内管60延伸穿过喷嘴的中心，其同心地位于第一径向内管52中。这种设计在第一和第二径向内管之间形成了环形扩散气体(或第二)通道62。扩散气体通过凸缘/法兰和端盖组件上的分配管来供应。第二径向内管(或中心管)60本身限定了吹洗气通道64，并且空气还经由端盖组件处的硬件结构来供应。
预混合的(或第三)径向内通道66位于管46中，其前端终止于旋流器58的前缘附近。第二预混合通道(未示出)可径向地形成在通道56和66之间。预混合气体经由法兰50中的筒状孔67而进入喷嘴，并经由叶片70侧面上的孔68离开而进入燃烧管74的环体72中，在这里进行预混合，而后进入燃烧区域。扩散气体和气幕通过在管52的顶部处交叉钻出的孔而进行混合。
图3显示了已知构造的双燃料喷嘴76。该喷嘴的整体结构与图2所示的喷嘴大致相似，但带有使喷嘴用作双燃料喷嘴的附加通道。这样，喷嘴76包括在其后端或上游端处带有法兰80的外管78，该法兰80可以集成到端盖组件中。同心地设置在外管78中的第一内管82建立了环形气幕通道84，压缩空气通过与上面结合图2所示喷嘴而介绍的相同方式进入该通道。
同心地设置在管82中的第二内管86形成了环形扩散气体通道88。同心地设置在管86中的第三内管90形成了环形水通道92。中心管94形成环形雾化空气通道96，而中心管94本身用作液体燃料通道98。在这里，各个管同样固定在端盖组件上，并以其它传统的方式来供应适当的燃料或其它流体(即空气或水)。
在管78中形成了预混合气体通道100，其终止于旋流器102的附近(可在通道84和100之间设置第二预混合通道(未示出))。如图2所示的喷嘴44那样，预混合气体经由法兰(或端盖)80中的筒状孔104供应至通道100中，并通过叶片108侧面上的孔106离开而进入燃烧管112的环体110中。
图4显示了根据本发明的示例性实施例的改进型双燃料喷嘴114。其重大意义在于取消了图3中的扩散气体通道88。因此，该改进型喷嘴114包括在其后端或上游端处带有法兰118的外管116，法兰118可集成到端盖组件中。同心地设置在外管116中的第一内管120建立了环形气幕通道122，压缩空气通过与上面结合图2所示喷嘴而介绍的相同方式经由旋流器123进入该通道。
同心地设置在管120中的第二内管124形成了环形水通道126。中心管128形成了环形雾化空气通道130，而中心管128本身用作液体燃料通道132。在这里，各管同样固定在端盖组件上，并以其它传统的方式来供应适当的燃料或其它流体(即空气或水)。
在管120中形成有预混合气体通道134，它与图3中的预混合通道100相同，预混合空气经由叶片138侧面上的孔136离开而进入燃烧管142的环体140中。
利用图2所示的仅用气体的喷嘴结构以及图4所示的改进型双燃料喷嘴，在图5中显示了燃烧室126中的最佳喷嘴设置。具体地说，中心喷嘴是如图4所示的双燃料喷嘴114，而五个外喷嘴44是如图2所示的仅用气体的喷嘴44。然而，本发明并不局限于图5所示的设置。外喷嘴的数量可从三个变化到五个以上。
对于上述带有被外喷嘴44所包围的中心喷嘴114的简化的多喷嘴双燃料的筒形燃烧室而言，还可将供应燃料的操作模式简化成包括：(1)只为外喷嘴44供应燃料的扩散模式；(2)为外喷嘴44供应扩散气体并为所有喷嘴44和114供应预混合气体的先导控制的预混合模式；(3)为所有喷嘴44和114供应预混合气体的预混合模式；(4)只为中心喷嘴114供应液体燃料的液体燃料模式。
由于扩散气体和液体燃料并不共存于同一喷嘴中，因此还简化了气体和液体燃料之间的模式转换。
虽然已经结合目前被认为是最实际且最优选的实施例来介绍了本发明，然而应当理解，本发明并不局限于所公开的实施例，相反，本发明旨在覆盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种改型和等效装置。

Claims (9)

1.一种用于燃气轮机的燃烧室，包括燃烧腔和多个包围了单个中心喷嘴的径向外喷嘴，所述径向外喷嘴构造成只为所述燃烧腔供应气体燃料，而所述中心喷嘴构造成为所述燃烧腔供应气体和液体燃料。
2.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述多个径向外喷嘴包括5个大致以72度的间隔隔开的径向外喷嘴。
3.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，各所述仅用气体的径向外喷嘴形成有适于为所述燃烧腔只供应扩散气体和预混合气体的通道。
4.根据权利要求1所述的燃烧室，其特征在于，所述双燃料喷嘴形成有至少一条预混合气体通道、液体燃料通道、雾化空气通道、NOx水通道和气幕通道。
5.根据权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，所述中心双燃料喷嘴形成有适于为所述燃烧腔供应预混合气体燃料和扩散液体燃料的通道。
6.根据权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，所述双燃料喷嘴形成有至少一条预混合气体通道、液体燃料通道、雾化空气通道和NOx水通道。
7.根据权利要求3所述的燃烧室，其特征在于，所述双燃料喷嘴形成有至少一条预混合气体通道、液体燃料通道、雾化空气通道、NOx水通道和气幕通道。
8.一种用于燃气轮机的燃烧室，包括多个包围了单个双燃料中心喷嘴的仅用气体的径向外喷嘴；其中，各所述仅用气体的径向外喷嘴形成有适于只供应扩散气体和预混合气体的通道；而所述中心双燃料喷嘴形成有适于为燃烧腔供应预混合气体燃料和扩散液体燃料的通道。
9.一种用于操作燃气轮机中的低NOx燃烧室的方法，其中所述燃烧室均包括多个包围了单个中心喷嘴的径向外喷嘴，所述方法包括：
在只为所述径向外喷嘴供应燃料的第一扩散模式下操作所述燃烧室；在为所述径向外喷嘴供应扩散气体且为所述径向外喷嘴和中心喷嘴供应预混合气体的第二先导控制的预混合模式下操作所述燃烧室；在为所述径向外喷嘴和中心喷嘴都供应预混合气体的第三预混合模式下操作所述燃烧室；以及在为所述中心喷嘴供应液体燃料的第四液体燃料模式下操作所述燃烧室。
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