用于燃气涡轮中的筒环形燃烧器布置的筒形燃烧器 |
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| 申请号 | CN201410169977.6 | 申请日 | 2014-04-25 | 公开(公告)号 | CN104121601B | 公开(公告)日 | 2017-11-10 |
| 申请人 | 通用电器技术有限公司; | 发明人 | K.克纳普; N.阿鲁里; N.特兰; U.拉斯曼恩; F.M.根恩; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于燃气 涡轮 中的筒环形 燃烧器 布置的筒形燃烧器，其中筒形燃烧器(10)至少包括实质上圆筒形的 外壳 (11)，所述外壳(11)具有轴向上游的前面板(13)和轴向下游的排出端；一定数目的预混合焚烧器(14)，其从所述前面板(13)沿上游方向延伸，且具有由该前面板(13)支承的焚烧器出口(17)，以用于将 燃料 /空气混合物供应到外壳(11)内的燃烧区(12)中，其中高达四个预混合焚烧器(14)以大致环形阵列附接到前面板(13)上，各个焚烧器(14)具有圆锥形涡旋发生器(15)和混合管(16)来引起所述燃料/空气混合物的涡旋流。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于燃气涡轮中的筒环形燃烧器布置的筒形燃烧器，所述筒形燃烧器(10)至少包括实质上圆筒形的外壳(11)，所述外壳(11)具有轴向上游的前面板(13)和轴向下游的排出端；一定数目的预混合焚烧器(14)，其从所述前面板(13)沿上游方向延伸且具有由该前面板(13)支承的焚烧器出口(17)以用于将燃料/空气混合物供应到所述外壳(11)内的燃烧区(12)中，其特征在于，高达四个预混合焚烧器(14)以大致环形阵列附接到所述前面板(13)上，各个预混合焚烧器(14)均具有圆锥形涡旋发生器(15)和混合管(16)以引起所述燃料/空气混合物的涡旋流； |
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| 说明书全文 | 用于燃气涡轮中的筒环形燃烧器布置的筒形燃烧器技术领域背景技术[0002] 现代重型燃气涡轮配备有多焚烧器筒仓燃烧器，其具有环形燃烧器或具有筒环形燃烧器布置。 [0003] 筒环形燃烧器包括环形地布置在燃气涡轮的燃烧室中的一定数目的独立筒形燃烧器。常规筒形燃烧器的设计的特征在于具有圆筒形燃烧器，其在其上游端具有一个中心焚烧器，以及以离圆形燃烧器的中心轴线恒定径向距离相等地间隔开的以环形图案布置的五个以上的焚烧器。中心焚烧器筒可为不同的设计，且可具有关于其它焚烧器的不同轴向出口平面位置。中心焚烧器通常工作为以扩散焰模式喷射的燃料的引导级(pilot stage)特征部分，或工作为部分预混合引导器。 [0005] WO 2012136787公开了一种使用再加热燃烧原理的与重型燃气涡轮结合的筒环形燃烧系统。 发明内容[0006] 本发明的一个目的在于提供一种具有改善的可操作性、耐用性和环境性能的用于燃气涡轮中的筒环形燃烧器布置的筒形燃烧器。 [0007] 本发明的许多方面中的一者包括用于燃气涡轮中的筒环形燃烧器布置的筒形燃烧器，筒形燃烧器包括具有在轴向上游的前面板的实质上圆筒形的外壳、一定数目的预混合焚烧器，预混合焚烧器从所述前面板沿上游方向延伸，且具有由该前面板支承的焚烧器出口，以用于将燃料/空气混合物供应到筒形外壳内侧的燃烧区中，其中每个筒的焚烧器的数目限制为高达四个预混合焚烧器，其以大致环形阵列附接到前面板上，且其中各个所述焚烧器均具有圆锥形涡旋发生器和混合管，以引起所述燃料/空气混合物的涡旋流。 [0008] 不存在中心焚烧器且将焚烧器的总数限制为每个筒最大四个预混合焚烧器提供了显著的成本节省潜力。 [0009] 根据本发明的另一个方面，所述圆锥形涡旋发生器中的各个均包括至少两个沿轴向延伸的空气入口槽。具有圆锥形涡旋发生器且具有两个或多个沿轴向延伸的空气入口槽的预混合焚烧器已经由本申请人开发出。这些焚烧器对于本领域的技术人员是公知的，且例如在欧洲专利321809或704657中描述。本说明书中随后公开了关于该焚烧器类型的更多细节。 [0010] 根据本发明的优选实施例，筒形燃烧器中的至少一个焚烧器的圆锥形涡旋发生器包括四个到八个沿轴向延伸的空气入口槽。 [0011] 根据本发明的另一个实施例，至少一个焚烧器配备有喷枪，喷枪平行于焚烧器的中心纵轴线对准，以用于将附加燃料喷射到涡旋发生器中，喷射到混合管中，或直接地喷射到燃烧区中。 [0012] 根据本发明的特别优选的实施例，至少一个(优选为所有)焚烧器具有多级燃料供应。预混合焚烧器具有高达三个燃料级，即，一个或两个预混合级和一个引导级。随后公开了燃料喷射的可能的构造。 [0013] 多级燃料供应给予了附加的操作稳健性和灵活性，保持较低的NOx排放。 [0014] 另一方面，安装的预混合焚烧器包括两个焚烧器组，其中第一组引起具有顺时针旋转方向的涡旋流，而第二组引起具有逆时针旋转方向的涡旋流。至少一个焚烧器引起具有不同于其它焚烧器的涡旋旋转的旋转方向的涡旋。在优选实施例中，基于具有四个安装的预混合焚烧器的筒形燃烧器，提出了提供具有相同旋转方向的涡旋的两个直径方面相对的焚烧器或两个相邻的焚烧器。 [0016] 本发明的另一个基本方面涉及筒内的预混合焚烧器的布置。具体而言，该布置必须以一种方式完成，使得激励热声不稳定性的概率被降低。在此方面的各种手段为本发明的部分。途径在于避免对称平面和减小相干流动结构的尺寸。根据本发明，这通过将焚烧器放置在离其中心纵轴线不同径向距离(不同周长)的前面板上，通过使焚烧器的中心纵轴线沿径向和/或方位角方向倾斜和/或通过使用圆锥形前面板设计来实现。从属权利要求中更详细地提到了这些实施例。 [0017] 另一个途径在于产生燃料和燃烧空气的特征混合时间的更宽范围。出于此原因，本发明教导了提供基本参数不同的焚烧器，特别是某些焚烧器构件的大小不同。根据本发明的一个方面，至少一个焚烧器的混合管的长度和/或直径与至少一个其它焚烧器的混合管的长度和/或直径不同。此外或作为备选，至少一个焚烧器的涡旋发生器的几何形状可为不同的。 [0018] 这些手段对质量吞吐量和混合时间具有影响。 [0019] 根据本发明的燃气涡轮燃烧系统的优点尤其在于以下： [0020] 燃气涡轮燃烧系统在多负载状态下具有减小的排放和改善的火焰稳定性。这通过具有圆锥形涡旋发生器和其下游的适合的混合管的焚烧器中的燃料和燃烧空气的完全预混合来实现。 [0021] 焚烧器/焚烧器连通且因此筒形燃烧器内的稳定可通过公开的焚烧器布置的手段来加强，且由共同旋流和逆旋流布置来影响剪切层的形成、位置和强度。 [0022] 在焚烧器出口附近所得的二次流方案和沿燃烧器的其余涡旋可用于得到涡轮入口处的最佳操作行为和温度图案。 [0023] 具有带筒形燃烧器的不同焚烧器构造的布置导致更宽的操作范围。 [0024] 根据本发明的燃气涡轮燃烧系统消除了通常用作引导焚烧器的公共中心焚烧器的布置。该事实和有限数目的安装的预混合焚烧器提供了成本节省潜力。 [0025] 本发明可适用于具有低NOx和CO排放的再热或非再热燃气涡轮中的筒环形燃烧器布置。 [0026] 紧凑的尺寸允许具有有限数目的磨损部分的设计，且实现了对燃烧动力的低敏感度。 [0028] 将参照附图更详细地描述本发明的这些及其它特征、方面和优点，在附图中[0029] 图1a,1b在顶视图(图1a)和在截面侧视图(图1b)中示出了筒形燃烧器的第一实施例的示意性视图； [0030] 图2a,图2b示出了具有以不同周长(图2a)或以不同方位角(图2b)附接到前面板上的四个焚烧器的前面板的顶视图； [0031] 图3a,图3b在顶视图(图3a)和侧视图(图3b)中示出了具有不同长度的混合管的焚烧器的筒形燃烧器的示意性视图； [0032] 图4a,图4b示出了具有不同大小的焚烧器的筒形燃烧器的示意性视图； [0033] 图5a-5d示出了具有以不同涡旋旋转方向的四个安装的焚烧器的前面板的顶视图； [0034] 图6a-6c示出了具有平面或圆锥形前面板的筒形燃烧器的侧视图。 [0035] 标号说明 [0036] 10 筒形燃烧器 [0037] 11 外壳 [0038] 12 燃烧区 [0039] 13 前面板 [0040] 14 预混合焚烧器 [0041] 15 涡旋发生器 [0042] 16 混合管 [0043] 17 焚烧器出口 [0044] 18 涡旋流 [0045] 19 焚烧器的中心纵轴线 [0046] 20 筒形燃烧器的中心轴线 [0047] 21 逆流区域 [0048] 22 同流区域 [0049] 23 周长圆，即，从中心轴线20起恒定距离的通路 [0050] 24 焚烧器14的混合管16的长度 [0051] 25 筒形燃烧器10中的二次流型 [0052] 26 混合管16的直径 [0053] 27 焚烧器出口17的直径。 具体实施方式[0054] 参看图1a和图1b，示意性地示出了具有本发明的第一示例性实施例的用于燃气涡轮10的筒形燃烧器。将理解的是，该筒形燃烧器10通常与在燃气涡轮外壳中以环形阵列布置的一定数目的附加类似或相同的燃烧器组合，各个燃烧器将热燃烧气体供应至下游的涡轮级。 [0055] 各个筒形燃烧器10包括包围用于焚烧燃料和燃烧空气的混合物的燃烧区12的圆筒形外壳11。在上游端处，燃烧区12由前面板13限制。从前面板13沿上游方向延伸的四个预混合焚烧器14附接到前面板13上。在它们的焚烧器出口17处，焚烧器由前面板13支承。焚烧器将燃料和空气的混合物供应到燃烧区12中。所有焚烧器14平行于彼此且平行于燃烧器的中心轴线20对准。焚烧器出口17与前面板13齐平。 [0056] 预混合焚烧器14例如为EP 321809或EP 704657中所述的类型的焚烧器。这些类型的焚烧器的特征在于圆锥形涡旋发生器，其由具有相互偏移的至少两个中空部分圆锥节段组装，形成独立节段之间的沿轴向延伸的空气入口槽，以用于将燃烧空气沿切向供应到涡旋发生器15中。空气入口槽配备有用于将气态和/或液体燃料喷射到空气流中的喷嘴。此类焚烧器的示例性实施例包括两个、四个或八个空气入口槽。 [0057] 根据本发明的实施例，一个或多个焚烧器14配备有喷枪，其平行于中心纵轴线19对准，以用于将附加燃料和/或空气喷射到燃料/空气流中。具体而言，该喷枪可用于供应引导燃料，且作为选择，用于供应附加的预混合燃料。 [0058] 每个独立焚烧器14的所述多个燃料喷嘴可包括不同组的燃料喷嘴，其独立于彼此受控制。通过该措施，预混合焚烧器14可处理三个或甚至更多的燃料级，例如，一个引导级和两个预混合级。 [0059] 用于均一地混合燃料和空气的混合管16在涡旋发生器15的下游。在预混合焚烧器14的排出端17处，燃料和燃烧空气的均一混合物供应到燃烧区12中。燃料/空气混合物的点火在焚烧器排出端17下游开始。通过涡流破坏和形成回流区，火焰在焚烧器排出端17的下游区中稳定。 [0060] 混合管16的长度选择成以便获得所有类型的相关燃料的充分混合质量。根据本发明，图1b中所示，四个焚烧器14拥有相同地构造的涡旋发生器15和混合管16，即，所有涡旋发生器15具有相同数目的空气入口槽，且所有混合管16具有相同长度和相同直径。 [0061] 在混合管16中，轴向速度轮廓具有其中心纵轴线的区域中的最大值，且从而防止了该区中的逆燃。轴向速度朝壁减小。为了还防止该区域中逆燃，可采取各种已知的手段，例如，通过分别测量混合管16的直径和/或长度的大小来升高总体流动速度。 [0062] 具体而言，所述预混合焚烧器可利用所有种类的液体和/或气态燃料操作。因此，容易有可能向燃气涡轮的独立筒形燃烧器10提供不同的燃料或燃料质量。 [0063] 参看图1a和图5a，示意性地示出了前面板13的顶视图。四个预混合焚烧器14安装在前面板13上。明显的是，根据常规筒形燃烧器的中心焚烧器不存在。四个预混合焚烧器14在前面板13的四个相同的90°扇形中以相同周长对称地定位。所有焚烧器14均具有相同的涡旋旋转方向，即，所有焚烧器生成顺时针涡旋或逆时针涡旋。在实施例中，如图5a中所示，所有焚烧器14均生成顺时针涡旋流18。结果，相邻焚烧器14',14'',14''',14''''的涡旋流18的方向与相切的边界区域21方向相反，其中在该区域21中增大了湍流且增大了剪切力，且具有更多的传热和传质。二次径向外涡旋流25形成在下游。 [0064] 图5b、图5c和图5d代表具有两组焚烧器14',14'',14''',14''''的备选实施例，第一组构造成生成沿第一方向例如顺时针流动方向的涡旋流，且第二组焚烧器生成沿相反方向例如逆时针流动方向的涡旋流。 [0065] 根据图5b的实施例，相邻的焚烧器14生成相反旋转方向的涡旋流18，而成对角相对的焚烧器14'-14''',14''-14''''具有相同的旋转方向。在相邻焚烧器14之间的相切的边界区域22中，流沿相同方向循环，该区域中的相邻涡旋的相对速度接近于零，在该区域22中具有较低剪切力和较低湍流，效果在于显著地减小了该区中的传热和传质。 [0066] 图5c和图5d公开了根据本发明的具有四个焚烧器14',14'',14''',14''''的筒形燃烧器10中的具有不同涡旋方向的焚烧器的附加构造。图5c示出了带具有不同涡旋旋转方向的对角相对的焚烧器的构造，且图5d示出了具有生成顺时针涡旋流18的三个焚烧器14',14''',14''''和生成逆时针涡旋流18的一个焚烧器14''的构造。 [0067] 在两个相邻焚烧器14',14'',14'''或14''''之间的空气动力界面处产生同流和逆流的流型的改型和所得的特定二次流型25实现了相应装备的筒形燃烧器10的不同燃烧性能，且可用于燃烧的最佳稳定性和用于低排放。 [0068] 图2a公开了根据本发明的筒形燃烧器的另一个实施例。四个焚烧器14',14'',14''',14''''(其中一个焚烧器在四个90°扇形中的各个中)定位成离筒形燃烧器10的中心有不同的径向距离。至少一个焚烧器14'的径向距离r1不同于至少一个其它焚烧器14'', 14'''或14''''的径向距离r2,r3或r4，其中径向距离r1,r2,r3,r4限定为筒形燃烧器10的中心轴线20与相应的焚烧器14',14'',14''',14''''的中心纵轴线19之间的距离。具体地，图 2a示出了具有四个焚烧器的实施例，它们中的各个定位在前面板13中处于离筒形燃烧器10的中心轴线的不同距离上：r1≠r2≠r3≠r4。 [0069] 图2b公开了本发明的另一个实施例。四个焚烧器14(其中一个焚烧器在四个相等的90°扇形的各个中)中的至少一个焚烧器14'在其相应90°扇形中关于至少一个其它焚烧器14'',14'''或14''''的位置以不同方位角α1,α2,α3或α4定位。 [0070] 避免筒形燃烧器10中的对称导致筒形燃烧器10内的方位角不稳定模式的更少激励。 [0071] 图3a和图3b示意性地示出了在另一个实施例中的具有四个焚烧器14的筒形燃烧器10，其中至少一个至所有焚烧器14配备有不同长度的混合管16。从图3b中的侧视图中可看到的是，任何焚烧器14',14''和14'''均具有关于另一个焚烧器14的混合管长度的不同混合管长度24。预混合焚烧器14的混合管16的不同长度24实现了燃料/空气混合物的不同的特征混合时间，且因此实现燃料喷射到焚烧器中的时刻与其到达焰锋的时刻之间的不同持续时间。不同的混合时间是去除燃烧区中的燃料供应与压力参数之间的相互作用的有效手段，且因此减小了筒形燃烧器中的热声振荡。 [0072] 图4a和图4b中公开了本发明的筒形燃烧器10的另一个实施例。根据该实施例，筒形燃烧器10内的焚烧器14通过从标称尺寸扩大或缩小而在其大小上不同。具体而言，焚烧器14',14'',14''',14''''可在涡旋发生器15和/或混合管16的直径和/或长度上不同。图4a和图4b示意性地示出了具有四个焚烧器14',14'',14''',14''''的筒形燃烧器10。所有焚烧器14均定位成离筒形燃烧器10的中心轴线20有相同的距离；每个独立的焚烧器14', 14'',14''',14''''的中心纵轴线19均布置在相同周长的圆23上。两组焚烧器筒可识别为： 焚烧器14'和14'''与焚烧器14''和14''''。两组在涡旋发生器15和混合管16的长度和直径的大小上不同，且在焚烧器出口17的直径27上不同，其中直径方面相对的焚烧器14'和 14'''或14''或14''''大小相等。 [0073] 根据另一个优选实施例，至少一个焚烧器14',14'',14'''或14''''配备有小于其它焚烧器14',14'',14''',14''''的直径，具有更少流动穿过效果。具有更少流动穿过的该焚烧器可以以燃烧器动力减小的效果在更高引导比率下操作，且因此稳定了筒形燃烧器10中的燃烧。 [0074] 根据本发明的另一个实施例，独立焚烧器14',14'',14''',14''''生成不同强度的涡旋18。作为优选，该手段可通过独立焚烧器部分的不同测量的前述手段或筒形燃烧器10内的同流或逆流的不同流型的产生中的任一者来完成。涡旋强度中的变化可由焚烧器部分的大小影响，但涡旋流(高涡旋变体或低涡旋变体)的具体不同强度由独立焚烧器14的涡旋发生器15的空气入口槽的大小实现。优点又在于燃烧器中的流动条件的更高不均一性，且因此燃烧器动力可能更低。 [0075] 参看图6a、图6b和图6c，示意性地示出了筒形燃烧器10的前面板13中的焚烧器14的三个原理布置。 [0076] 根据图6a的筒形燃烧器10包括具有在其上游端处的平面前面板13的圆筒形壳体11。平面前面板13实质上正交于筒形燃烧器10的中心轴线20布置。四个焚烧器14附接到该前面板13上。所有焚烧器14中的中心纵轴线19平行于彼此，且平行于筒形燃烧器10的中心轴线20。图6a公开为沿不同方向布置至少一个焚烧器14'的备选方案。所述至少一个焚烧器 14'或更多焚烧器14'',14'''和/或14''''的中心纵轴线19可关于筒形燃烧器10的中心轴线20倾斜达-10°到+10°。在此情况下，作为优选实施例，相应的焚烧器出口17切割成与前面板13齐平。结果，倾斜的焚烧器拥有椭圆形焚烧器出口17。 [0077] 在备选实施例中，如图6b中所公开那样，平面前面板13由圆锥形前面板13替代，由此圆锥形面板的倾斜角对应于焚烧器的中心纵轴线19的倾斜角。结果，焚烧器出口17的平面平行于前面板13。 [0078] 在根据图6c的第三备选实施例中，筒形燃烧器10配备有在其上游端处的圆锥形前面板13。具有与彼此平行且与筒形燃烧器10的中心轴线20平行的中心纵轴线19的四个焚烧器14附接到所述前面板13上。将焚烧器14附接到前面板13上的两个选择是明显的。焚烧器14可以以一种方式固定到前面板13上，使得焚烧器出口17部分地或完全地突出到燃烧区12中，或作为备选，焚烧器出口17以一种方式向椭圆形出路倾斜，使得它们抵靠圆锥形前面板 13而齐平。 [0079] 作为上文公开的圆锥形的替代，前面板13可由分段结构制成，基于实质上三角形的一定数目的平坦节段，优选为四个节段。 |
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