具有固定火苗用燃料喷嘴的燃气涡轮机燃烧室 |
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| 申请号 | CN201210079497.1 | 申请日 | 2012-03-15 | 公开(公告)号 | CN102679399B | 公开(公告)日 | 2016-03-30 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | P·波波维奇; A·巴鲁亚; G·O·克雷默; W·T·罗斯; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种具有固定火苗用 燃料 喷嘴 的燃气 涡轮 机 燃烧室 ，所述燃烧室包括一个具有喷嘴的端面。所述喷嘴具有一个前端面和一个中 线轴 。所述喷嘴包括多个燃料通道和多个 氧 化剂通道。所述燃料通道配置成供燃料从燃料通道排出。所述燃料通道设置成沿第一方向输送燃料，其中所述第一方向与所述中 心轴 成内 角 。所述 氧化剂 通道配置成供氧化剂从所述氧化剂通道排出。所述氧化剂通道设置成沿第二方向输送氧化剂，其中所述第二方向远离所述中心轴倾斜。所述多个燃料通道与所述多个氧化剂通道的设置彼此关联，以便燃料与氧化剂成交叉流布置，从而在所述燃烧室内形成燃烧区。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于燃气涡轮机(24)的燃烧室，其包括： |
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| 说明书全文 | 具有固定火苗用燃料喷嘴的燃气涡轮机燃烧室技术领域背景技术[0002] 燃气涡轮机大体上包括压缩机、燃烧室、一个或多个燃料喷嘴，以及涡轮机。工作流体通过入口进入燃气涡轮机，然后通过压缩机增压。所述工作流体可以是纯空气或低氧或缺氧的工作流体。例如，低氧工作流体的实例包括，主要含二氧化碳和蒸汽的混合物以及主要含二氧化碳和氮气的混合物。然后压缩后的工作流体会与通过燃料喷嘴提供的燃料混合。工作流体与燃料氧化剂的混合物以一定的比例输送到燃烧室进行燃烧。所述氧化剂可以是空气、纯氧气或富含氧的流体。燃烧生成增压的排出气体，以此驱动涡轮机的叶片。 [0003] 燃烧室包括燃烧区、回流区(recirculation zone)或回流泡(bubble)，以及掺混区(dilution zone)。燃烧室端盖通常包括一个或多个燃料喷嘴。为使燃烧稳定有效，有时也会在端盖提供引燃器或喷嘴。引燃喷嘴用于在燃烧区点火。燃料在回流泡处蒸发并部分燃烧，剩余的燃料在燃烧区燃烧。移除或缩小回流泡会使工作流体流混合物在燃烧室内扩散，从而缩短工作流体流混合物的滞留时间(residence time)。 [0004] 在化学计量(stoichiometric)的扩散燃烧应用中，尤其需要强大的回流泡，因为在这些应用中，富氧燃烧等阶段采用的是低氧或缺氧工作流体。在使用低氧工作流体燃烧时，很重要的一点是，在大量燃料和氧化剂从火焰区选出之前要完成燃烧。强大的回流泡和辅助的小回流区配合使用，可确保增加火焰区滞留时间，从而提高燃烧效率。因此，理想的做法是提供可促进稳定有效的燃烧的燃料喷嘴，尤其是在采用低氧工作流体的应用中。 发明内容[0005] 根据本发明的一个方面，燃气涡轮机的燃烧室包括具有喷嘴的端盖。所述喷嘴具有前端面和中线轴。所述喷嘴包括多个燃料通道和多个氧化剂通道。所述多个燃料通道配置成供燃料从燃料通道排出。所述多个燃料通道经设置以用于沿第一方向输送燃料，其中所述第一方向向内朝向所述中心轴倾斜。所述多个氧化剂通道用于使氧化剂从所述多个氧化剂通道中排出。所述多个氧化剂通道经设置以用于沿第二方向输送氧化剂，其中所述第二方向向外远离所述中心轴向外倾斜。所述多个燃料通道和所述多个氧化剂通道以彼此关联的方式设置，以便燃料与氧化剂成交叉流布置，从而在所述燃烧室内形成燃烧区。所述多个氧化剂通道配置成输送氧化剂，从而在所述燃烧室内形成将所述燃烧区固定在所述喷嘴的所述前端面的回流区。 [0006] 所述喷嘴包括多个冷却流通道，所述冷却流通道配置成将工作流体从所述多个冷却流通道输送至所述燃烧室。所述燃烧室内的工作流体是缺氧工作流体。所述多个氧化剂通道和所述多个冷却流通道之间的所述端盖内设置了一系列混合通道，且其中所述多个氧化剂通道和所述多个冷却流通道通过所述混合通道互相成流体连通状态。所述多个氧化剂通道以相对于所述燃料喷嘴的所述前端面测量得到的氧化剂角度定向，其中所述氧化剂角度大约垂直于所述前端面。 [0007] 所述前端面以相对于所述中心轴测量得到的端面角定向，且其中相对于所述中心轴测量得到的所述前端面的所述端面角介于大约三十度至大约七十五度之间。所述多个燃料通道以燃料角度设置，以便将燃料定位到所述第一方向上，且其中当相对于所述燃料喷嘴的所述前端面测量时，所述燃料角度介于大约十五度至大约九十度之间。所述多个燃料通道沿所述前端面互相交错配置。所述喷嘴的中心轴上放置了引燃器，其中所述引燃器在所述燃烧区内点火。所述多个氧化剂通道的外径介于大约1.3厘米至大约3.8厘米之间。 [0008] 根据本发明进一步提供一种用于燃气涡轮机的燃烧室，所述燃烧室包括：具有至少一个喷嘴的端盖，所述喷嘴具有前端面和中心轴，所述喷嘴包括：多个燃料通道，其配置成沿第一方向输送燃料，其中所述第一方向向内朝向所述中心轴倾斜；多个冷却流通道，所述冷却流通道配置成将工作流体从所述多个冷却流通道中的一个或多个输送至所述燃烧室；多个氧化剂通道，所述氧化剂通道配置成沿第二方向输送氧化剂，所述第二方向远离所述中心轴向外倾斜，且其中所述多个燃料通道和所述多个氧化剂通道的位置彼此关联，以便燃料与氧化剂成交叉流布置，从而在所述燃烧室内形成燃烧区；且 [0009] 其中所述多个氧化剂通道配置成输送氧化剂，从而形成将所述燃烧区固定在所述喷嘴的所述前端面的回流区。 [0010] 所述燃烧室内的工作流体是缺氧工作流体。所述多个氧化剂通道和所述多个冷却流通道之间的所述端盖内设置了一系列混合通道，且其中所述多个氧化剂通道和所述多个冷却流通道通过所述混合通道互相成流体连通状态。所述前端面以相对于所述中心轴测量得到的端面角定向，且其中相对于所述中心轴测量得到的所述前端面的所述端面角介于大约三十度至大约七十五度之间。所述多个氧化剂通道以相对于所述燃料喷嘴的所述前端面测量得到的氧化剂角度定向，其中所述氧化剂角度大约垂直于所述前端面。所述多个燃料通道以燃料角度设置，以便将燃料定向到所述第一方向上，且其中当相对于所述燃料喷嘴的所述前端面测量时，所述燃料角度介于大约十五度至大约九十度之间。所述喷嘴的中心轴上设置了引燃器，其中所述引燃器在所述燃烧区内点火。 [0011] 本发明还提供一种具有燃烧室的燃气涡轮机，所述燃烧室包括：具有至少一个喷嘴的端盖，所述喷嘴具有前端面和中心轴，其中，所述前端面以相对于所述中心轴测量得到的端面角定向，所述喷嘴包括：多个燃料通道，其配置成沿第一方向输送燃料，其中所述第一方向向内朝向所述中心轴倾斜；多个冷却流通道，所述冷却流通道配置成将工作流体从所述多个冷却流通道输送至所述燃烧室；多个氧化剂通道，其配置成沿第二方向输送氧化剂，其中所述第二方向远离所述中心轴倾斜，且其中所述多个氧化剂通道以相对于所述燃料喷嘴的所述前端面测量得到的氧化剂角度定向，所述多个燃料通道和所述多个氧化剂通道的位置彼此关联，以便使提供给所述燃烧室的燃料与氧化剂成交叉流布置，从而在所述燃烧室内形成燃烧区；且其中所述多个氧化剂通道配置成输送氧化剂，从而形成将所述燃烧区固定在所述喷嘴的所述前端面的回流区。 [0012] 相对于所述中心轴测量得到的所述前端面的所述端面角介于大约三十度至大约七十五度之间。当相对于所述燃料喷嘴的所述前端面测量时，所述燃料角度介于大约十五度至大约九十度之间。 附图说明[0015] 图1为具有燃烧室的示例性燃气涡轮机系统的部分截面图。 [0016] 图2为图1所示燃烧室的截面图，所示燃烧室的端盖上连接了燃料喷嘴。 [0017] 图3为图2所示端盖和燃料喷嘴的正视图。 [0018] 图4为图3所示端盖的一部分的放大图。 [0019] 图5为图3所示燃料喷嘴的截面图。 [0020] 图6所示为运行期间的图5所示燃料喷嘴；以及 [0021] 图7为图5所示燃料喷嘴的替代性实施例。 [0022] 具体实施方式部分参考附图以举例方式介绍本发明的实施例及优点和特征。 [0023] 元件符号列表： [0024]参考标号 部件 参考标号 部件 10 发电系统 20 压缩机 22 燃烧室 24 涡轮机 30 进气口 34 燃料喷嘴 36 端盖 38 叶片 39 底座 40 腔 42 壳体 44 衬垫 46 导流套管 48 中空环形空间 50 过渡件 56 端盖衬垫 60 前端面 62 燃料通道 64 氧化剂通道 66 冷却流通道 70 引燃器或喷嘴 80 喷嘴体 90 燃料流 92 第一方向 94 氧化剂开口 96 氧化剂流 97 第二方向 98 冷却流开口 102 工作流体流 110 燃烧区 111 回流 112 回流泡 200 混合通道 222 火焰稳定区 234 燃料喷嘴 256 端盖衬垫 262 燃料通道 264 氧化剂通道 266 冷却流通道 270 引燃器 290 燃料流 296 氧化剂流 302 工作流体流 具体实施方式[0025] 图1所示为以参考编号10表示的示例性发电系统。发电系统10为燃气涡轮机系统，具有压缩机20、燃烧室22和涡轮机24。工作流体通过压缩机20内的进气口30进入发电系统10，然后由压缩机20进行增压。然后压缩后的工作流体通过压缩机22的端盖36内的燃料喷嘴34与燃料混合。燃料喷嘴34将特定比例的工作流体、燃料和氧化剂的混合物注入燃烧室22进行燃烧。燃烧生成增压后的高温排出气体，以此驱动涡轮机24内的叶片38。 [0026] 图2为图1所示燃烧室22的放大图。端盖36位于燃烧室22的底座39上。压缩后的工作流体和燃料通过端盖36输送到喷嘴34，喷嘴34再将工作流体和燃料的混合物传送到燃烧室22。燃烧室22包括由壳体42、衬垫44和导流套管46形成的腔40。在所示的示例性实施例中，衬垫44和导流套管46同轴，从而形成了可让工作流体通过以进行冷却的中空环形空间48。壳体42、衬垫44和导流套管46可提高通过燃烧室22的过渡件50流向涡轮机24的热气量。在所示的示例性实施例中，端盖36上连接了单个喷嘴34，且燃烧室22为环管型燃气涡轮机布置的一部分。虽然图1所示为单个喷嘴34，但应理解，燃烧室22内也可采用多个喷嘴的配置。 [0027] 现转到图3，所示为端盖36和燃料喷嘴34。燃料喷嘴34连接到端盖36的底座或端盖表面54。具体而言，燃料喷嘴34可设置成穿过端盖衬垫56(如图5所示)。燃料喷嘴34用于以特定比例向燃烧室22提供工作流体和燃料的混合物进行燃烧。燃料喷嘴34具有前端面60，且包括多个燃料通道62、多个氧化剂通道64和多个冷却流通道66。在所示的实施例中，燃料喷嘴34还配有引燃器(pilot bumer)或喷嘴70，且引燃器或喷嘴70沿着燃料喷嘴34的中心轴A-A放置。燃料通道62、氧化剂通道64和冷却流通道66都以对称模式布置在引燃器70的周围。氧化剂通道64邻近引燃器70设置。冷却流通道66位于氧化剂通道64和燃料通道62之间。燃料通道62邻近燃料喷嘴34的外缘74。 [0028] 图4为端盖36的一部分的放大图。在所示的示例性实施例中，每个氧化剂通道64外径为D1，每个燃料通道62外径为D2，而每个冷却流通道66外径为D3。氧化剂通道64的外径D1大于燃料通道62的外径D2和冷却流通道66的外径D3。燃料通道62的直径D2大于冷却流通道66的外径D3。在一项示例性实施例中，每个氧化剂通道64配有三个燃料通道62，而每个燃料通道62配有若干个冷却通道66。但应理解，根据具体应用的不同，可提供任意数量的燃料通道62、氧化剂通道64和冷却流通道66。 [0029] 现转到图5，端盖36的一部分的截面图显示了设置成穿过端盖衬垫56的燃料通道62、氧化剂通道64和冷却流通道66。具体而言，燃料通道62、氧化剂通道64和冷却流通道 66各自在端盖衬垫56内相对于燃料喷嘴34的中心轴A-A倾斜。燃料喷嘴34的前端面60包括有角度的外轮廓。具体而言，图5所示为以在中心轴A-A和前端面60之间测量得到的端面角A1定向的前端面60。在一项示例性实施例中，前端面60的端面角A1介于大约三十度与大约七十五度之间。 [0030] 燃料通道62与相应的喷嘴体80提供的燃料成流体连通状态，所述喷嘴体80位于端盖衬垫56内。燃料通过燃料喷嘴34的前端面60上的燃料开口86从燃料通道62排出，并以燃料流90的方式进入燃烧室22。燃料通道62在端盖衬垫56内各自以燃料角度A2放置，以便将燃料流90向第一方向92输送。第一方向92向内倾斜朝向燃料喷嘴34的中心轴A-A，以便将燃料流90向燃料喷嘴34的中心轴A-A传送。在一项示例性实施例中，燃料通道62的燃料角度A2介于大约十五度至大约九十度之间，该角度相对于燃料喷嘴34的前端面60测量得到。 [0031] 氧化剂通道64各自与氧化剂源(未显示)成流体连通状态。氧化剂通过位于燃料喷嘴34的前端面60上的氧化剂开口94从氧化剂通道64排出，并以氧化剂流96的方式进入燃烧室22。氧化剂通道64包括大体上与燃料喷嘴34的中心轴A-A平行的第一部分P1，以及以氧化剂角度A3定向的第二部分P2。氧化剂角度A3相对于燃料喷嘴34的前端面60测量得到。在所示的示例性实施例中，氧化剂角度A3大约垂直于前端面60或与之成直角。因此，每个氧化剂通道64的氧化剂角度A3取决于前端面60的定向。氧化剂通道64各自以氧化剂角度A3放置，以便将氧化剂流96在第二方向97上输送。第二方向97以远离燃料喷嘴34的中心轴A-A的方向向外倾斜，以便将氧化剂流96在远离燃料喷嘴34的中心轴A-A的方向上输送。 [0032] 现参考图3至图5，在一项实施例中，每个氧化剂通道66的外径D1介于大约1.3厘米(0.5英寸)至大约3.8厘米(1.5英寸)之间。氧化剂通道64从燃料喷嘴34的中心轴A-A以氧化剂角度A3向外倾斜，从而形成冠状布置。具体参照图3，燃料通道62沿前端面60互相交错配置。燃料通道62交错排列，以减少各个喷嘴体80之间的交互。燃料通道62还以具有至少两行的同轴/同心(concentric)行的方式进行排列。在示例性实施例中，燃料通道排列在两个同轴行R1和R2中。 [0033] 返回图5，冷却流通道66与工作流体源(未显示)成流体连通状态。工作流体通过位于燃料喷嘴34的前端面60上的冷却流开口98从冷却流通道66排出，并以工作流体流102的方式进入燃烧室22。在所示的实施例中，冷却流通道64相对于燃料喷嘴34的中心轴A-A倾斜。工作流体流102通常以比燃料流90和氧化剂流96低的速度进入燃烧室22，并且可以是涓流或细流状的流体。采用工作流体流102可在燃烧期间冷却燃料通道62和氧化剂通道64。在一项示例性实施例中，可使用低氧或缺氧工作流体。例如，低氧工作流体的实例包括，主要含二氧化碳和蒸汽的混合物以及主要含二氧化碳和氮气的混合物。 [0034] 图6所示为燃烧室22运行期间的燃料喷嘴34。所述燃烧室包括燃烧区110和回流区或回流泡112。引燃器或点火器70可用于在燃烧区110内点火。燃料在回流泡112处蒸发并部分燃烧，剩余的燃料在燃烧区110燃烧。燃料流90和氧化剂流96的互相交叉流布置以形成燃烧区110。具体而言，燃料通道62和氧化剂通道64互成角度，使得燃料流90和氧化剂流96在交叉流布置中互相混合。由于燃料喷嘴34中有多个燃料通道62和氧化剂通道64(如图3所示)，因此燃烧区110内的反应通常比其他一些应用要强烈。 [0035] 工作流体流102从冷却流通道66排出，然后以涓流形式进入燃烧室22。工作流体流102的一部分夹带到回流111中。回流111由燃料流90和氧化剂流96产生。工作流体流102的这一部分用于冷却，以及用于隔离燃烧区110和燃料喷嘴体80。未与回流111混合的其他工作流体流向燃烧区110。到达燃烧区110的工作流体流102剩余部分用于控制燃烧区110的火焰温度。 [0036] 氧化剂流96从氧化剂通道64流动，从而在氧化剂流96喷射后形成强大的回流泡112。回流泡112用作初级火焰稳定区，以便将燃烧区110固定在燃料喷嘴34的前端面60。 回流泡112趋于将位于压缩机22内的燃烧区110压缩朝向燃料喷嘴34的前端面60。压缩燃烧区110可将燃烧区110固定在离喷嘴34的前端面60更近的位置。回流泡112用作初级火焰稳定机制，而回流111用作次级火焰稳定机制。初级和次级稳定机制回流一部分燃料流62和氧化剂流64，以确保燃烧区110内的火焰稳定。 [0037] 将回流泡112和次级回流111结合在一起可形成火焰稳定区222。燃烧区110通过火焰稳定区222固定在喷嘴34的前端面60。将燃烧区110固定在燃料喷嘴34的前端面60可增加滞留时间，这对提高燃烧效率极其重要。因为在化学计量的扩散燃烧应用(stoichiometricdiffusion conmbustion applications)中采用的是低氧或缺氧工作流体，因此需要高燃烧效率才能进行完全燃烧，所以在这些应用中尤其需要强大的回流泡。回流泡太微弱或不存在将大大减少空气和燃料混合物的滞留时间，从而导致燃料和空气进一步掺混到工作流体中。 [0038] 图7所示为燃料喷嘴234的一项替代性实施例的截面图。燃料喷嘴234包括燃料通道262、氧化剂通道264、冷却流通道266和引燃器270。在图7所示的实施例中，氧化剂通道264和冷却流通道266之间的端盖衬垫256内提供了多个混合通道200，在端盖衬垫256内，可通过混合通道200使氧化剂通道264和冷却流通道266成流体连通状态。当工作流体流302与氧化剂流296都在燃料喷嘴234内时，通道200可让工作流体流302与氧化剂流296混合。将工作流体流302与氧化剂流296混合通常会减弱氧化剂流302与燃料流 290之间的反应，因而可用于控制燃烧区110(如图6所示)内的火焰反应率。减弱氧化剂流302的反应也有助于控制燃烧区110的火焰温度。 [0039] 尽管本说明书仅结合有限数量的实施例详细介绍了本发明，但应了解，本发明并不局限于此类公开的实施例。相反，本发明可经修改以涵盖所有之前并未介绍、但与本发明的精神和范围相符合的变化、更改、替换或等效配置。另外，尽管介绍了本发明的各种实施例，但应了解，本发明的各个方面可以仅包括前述实施例中的一些实施例。因此，本发明不应被视为受前述说明书的限制，而仅受所附权利要求书范围的限制。 |
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