用于使排气再循环的方法和用于执行所述方法的燃气涡轮 |
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| 申请号 | CN201510339608.1 | 申请日 | 2015-06-18 | 公开(公告)号 | CN105276616A | 公开(公告)日 | 2016-01-27 |
| 申请人 | 阿尔斯通技术有限公司; | 发明人 | H.克内普费; T.鲁克; M.佩雷蒂; | ||||
| 摘要 | 一种用于使排气(18)从燃气 涡轮 的 燃烧器 (10)的 燃烧室 (11)再循环回到所述燃烧器(10)的供应侧的方法，其特征在于，所述燃烧室(11)中的排气(18)的局部流(18a)从所述燃烧室(11)直接抽出，并且通过所述燃烧器(10)的内部通道(12)在内部馈送回到燃烧器(10)的入口。 | ||||||
| 权利要求 | 1. 一种用于使排气(18)从燃气涡轮(22，30，31，32)的燃烧器(10，10'，10'')的燃烧室(11；25，25'，27，34)再循环回到所述燃烧器(10，10'，10'')的供应侧的方法，其特征在于，所述燃烧室(11；25，25'，27，34)中的所述排气(18)的局部流(18a)从所述燃烧室(11； |
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| 说明书全文 | 用于使排气再循环的方法和用于执行所述方法的燃气涡轮技术领域[0002] 其进一步涉及用于执行所述方法的燃气涡轮。 背景技术[0005] 到目前为止发展的构思提供非常良好的混合水平和燃烧性能。然而，它们要么依赖高的动量通量比，要么依赖燃料注射器和热气路径之间的复杂几何形状或错综密封系统(参见例如文献US 5,645,410、WO 2011/037646 A1、US 5,351,474、US 6,192,688 B1、WO2011/054757、WO 2011/054766、EP 2 211 109)。 [0006] 另一种办法是烟道气再循环。该办法减少空气/烟道气混合物中的O2含量，这导致较少NOx排放(参见图1，其显示了NOx/CO含量随O2含量改变)。存在若干涉及烟道气再循环的文献(例如US 3,949,548、US 4,609,342、JP 11304151、EP 1 752 616 A2、WO 2008/155242 A1)。所有这些文献使用外部烟道气再循环，然而烟道气取自排气流，并且被导引回到压缩机入口，或者使用额外的压缩机来将烟道气压缩到高达某个压力(燃料预热、冷却热气部件等)。 [0007] 虽然已知的烟道气再循环方案导致燃气涡轮的更好排放属性，但其与相当大的额外设备复杂性有关，并且需要相当大量的投资。 发明内容[0008] 本发明的目标是提供一种用于使来自燃气涡轮的燃烧器的燃烧室的排气再循环的方法，该方法大体上具有烟道气再循环的优点，但成本不那么高，并且与已知的再循环技术相比，要求基本上减少的努力。 [0009] 又一个目标是提供一种用于执行所述方法的燃气涡轮。 [0010] 这些和其它目标由根据权利要求1的方法和根据权利要求11的燃气涡轮获得。 [0011] 用于使排气从燃气涡轮的燃烧器的燃烧室再循环回到所述燃烧器的供应侧的有创造性的方法的特征在于，所述燃烧室中的排气的局部流从所述燃烧室直接抽出，并且通过所述燃烧器的内部通道在内部馈送回到燃烧器的入口。 [0013] 特别地，所述加压流体是压缩空气，所述内部通道是冷却空气通道，并且所述排气作为混合排气/空气再循环流的部分再循环。 [0014] 更特别地，所述燃烧室由燃烧器衬套壁限制，所述文丘里布置设在所述燃烧器衬套壁的外部处，并且排气的所述局部流通过所述燃烧器衬套壁中的吸气孔抽出。 [0015] 备选地，所述燃烧室由燃烧器衬套壁限制，所述文丘里布置集成到所述燃烧器衬套壁中，并且排气的所述局部流通过所述燃烧器衬套壁中的吸气孔抽出。 [0016] 根据本发明的另一个实施例，所述压缩空气流过在所述燃烧器衬套壁的外部且与其平行的冷却空气通道，所述文丘里布置布置在所述冷却空气通道内，并且经过所述文丘里布置的压缩空气的大部分导引穿过所述文丘里布置。 [0017] 特别地，经过所述文丘里布置的所述压缩空气的部分通过设在所述文丘里布置和所述燃烧器衬套壁之间的单独的冷却空气流路径沿着所述文丘里布置导引到外部。 [0019] 根据本发明的另一个实施例，所述压缩空气从所述燃气涡轮的压缩机或外部压缩空气存储器供应，并且所述压缩空气沿着所述燃烧室在与所述排气相反的方向上流动。 [0021] 有创造性的燃气涡轮包括用于通过燃烧燃料/空气混合物来生成热气的至少一个燃烧室，该燃烧室随过渡区段通入随后的涡轮区段中，由此，所述至少一个燃烧室被冷却空气通道包围，压缩冷却空气与所述燃烧室中的所述热气相反地流过该冷却空气通道。 [0022] 其特征在于，所述燃烧室和所述相邻的冷却空气通道被燃烧器衬套壁分开，并且存在在所述燃烧器衬套壁中设在位置处的吸气孔，在该位置，静压力足够低，使得排气通过所述吸气孔吸到所述冷却空气通道中。 [0023] 根据本发明的实施例，在所述吸气孔处提供文丘里布置，以便生成必要的低静压力。 [0024] 特别地，在所述燃烧室的所述过渡区段中的文丘里布置位置处提供所述文丘里布置。 [0025] 更特别地，所述燃气涡轮设有顺序燃烧，并且包括第一和第二燃烧室和相关的第一和第二随后的涡轮区段，由此，文丘里布置在相应的文丘里布置位置处设在第一和/或第二燃烧室处。 [0026] 根据本发明的另一个实施例，所述燃气涡轮相对于所述燃气涡轮的机器轴线具有环形燃烧室。 [0027] 根据本发明的另一个实施例，所述燃气涡轮具有围绕所述燃气涡轮的机器轴线沿周向布置的多个燃烧室。 [0028] 根据本发明的另一个实施例，所述燃气涡轮具有布置成垂直于所述燃气涡轮的机器轴线的筒仓型燃烧室。 [0029] 根据本发明的另一个实施例，所述燃气涡轮包括压缩机，并且流过所述冷却空气通道的所述压缩冷却空气由所述压缩机供应。 [0030] 根据本发明的另一个实施例，所述文丘里布置设置在所述燃烧器衬套壁的外部处。 [0031] 根据本发明的另一个实施例，所述文丘里布置集成到所述燃烧器衬套壁中。 [0032] 特别地，所述文丘里布置均包括单独的喷嘴和单独的扩散器，并且喷嘴布置在燃烧室内，并且通过相应的吸气孔将压缩空气喷射到所述扩散器中，所述扩散器布置在所述燃烧器衬套壁的外部。 [0033] 根据本发明的另一个实施例，所述文丘里布置均包括单独的喷嘴和单独的扩散器，它们一个接一个地沿着公共轴线布置。 [0034] 根据本发明的另一个实施例，穿过所述文丘里布置的所述加压流体的质量流由阀机构控制。 [0035] 文丘里喷嘴可具有圆形横截面，如例如在管的收缩部中。然而，可设想到其它横截面。例如，两个平行板(其中流域由两个板之间的通道的高度限定)之间的收缩部还用来使通过通道高度减小而加压的入流加速，这导致静压力降低，其进而可用于吸入来自燃烧器的排气。通过随后增大通道高度，可恢复动态压力，以输送排气和加压流体的入流的混合物。附图说明 [0036] 现在借助于不同的实施例和参照附图来更仔细地阐明本发明。 [0037] 图1以图表显示烟道气再循环方案的空气/烟道气混合物中的NOx排放与O2含量的依赖关系；图2显示根据本发明的实施例的冷却空气通道中的文丘里排气再循环布置的简明图； 图3显示根据本发明的另一个实施例的、集成到燃烧器衬套壁中的文丘里排气再循环布置的简明图； 图4显示根据本发明的又一个实施例的、具有额外的冷却器件的冷却空气通道中的文丘里排气再循环布置的简明图； 图5显示根据本发明的又一个实施例的、穿过GT24/26型燃气涡轮的截面，该燃气涡轮具有顺序燃烧和特定的文丘里布置位置； 图6显示根据本发明的另一个实施例的、穿过GT13E2型燃气涡轮的截面，该燃气涡轮具有环形燃烧器和特定的文丘里布置位置； 图7显示根据本发明的另一个实施例的、穿过不同的燃气涡轮(a)的截面，该燃气涡轮具有多个单独的沿周向布置的燃烧器(b)(罐式燃烧器构造)和特定的文丘里布置位置；以及 图8以透视图显示根据本发明的又一个实施例的GT11N2型燃气涡轮(a)，该燃气涡轮具有筒仓型燃烧器(b)和特定的文丘里布置位置。 [0038] 部件列表10、10'、10''燃烧器 11燃烧室 12冷却空气通道 13燃烧器衬套壁 14、14'文丘里布置 15喷嘴 16扩散器 17吸气孔 18排气(主流) 18a排气(局部流) 19压缩空气(主流) 19a、19b压缩空气(局部流) 20混合排气/空气流(再循环流) 21冷却空气流路径(单独的) 22、30、31、32燃气涡轮 23压缩机 24、26、33喷燃器 25、25'、27，34燃烧室 28、28'涡轮区段 29气室 35过渡区段 A、B、C、D、E文丘里布置位置。 具体实施方式[0039] 在本发明中，提出系统，其中，提出新颖的被动烟道气再循环。再循环在发动机的内部直接在燃烧器处完成。此类构造可良好适合顺序环形燃烧系统(如在GT24/GT26中的，参见图5)、环形燃烧(GT13E2，参见图6)、罐式燃烧器构造(参见图7)或筒仓燃烧器(GT11N2，参见图8)。 [0040] 用于使排气再循环的系统应当设计成能够再循环10%-50%。这表示空气/烟道气混合物中的烟道气(或排气)含量的范围为10%至50%。 [0041] 如图2中显示的，燃烧器衬套壁13包封燃气涡轮的燃烧器10的燃烧室11。排气(烟道气)18在该示例中从右流到左，以便离开燃烧器，并且进入随后的具有旋转叶片(未显示)的涡轮区段。在燃烧器衬套壁13的外部布置冷却空气通道12。压缩空气19沿着冷却空气通道12与排气流18相反地流动，以冷却燃烧器衬套壁13，并且随后与燃料混合，以通过相应的喷燃器(参见例如图5中的喷燃器24、26)进入燃烧器。 [0042] 在燃烧器衬套壁13中提供吸气孔或烟道气出口17。吸气孔或烟道气出口17优选位于冷却空气源的位置中，其中达到冷却空气的低静压力和高流速。用于生成此类低静压力的优选结构选择是文丘里布置(文丘里喷射器)14，其包括喷嘴15和扩散器16，由此，来自吸气孔17的烟道气管的出口平面位于文丘里布置14的具有最小横截面的区域中(参见图2)。 [0043] 压缩空气19沿着燃烧器衬套壁13朝喷燃器移动，其中，压缩空气19进入燃烧室11。通过将压缩空气18的一部分导引到喷嘴15中，空气加速，并且产生包围低压区域。通过该低压，排气18a被吸出燃烧器(燃烧室11)，并且夹带到高速度空气射流中，导致混合排气/空气流20。 [0044] 通过将空气射流引导到适当的文丘里喷嘴15、16中，可优化排气抽出的过程，用于最小化压力损失。在文丘里布置14和燃烧器10的上游端处的喷燃器之间的足够长的路径将确保喷射的排气18a和压缩空气19之间的良好混合。 [0045] 作为一种选择，可由阀机构(未显示)调整穿过文丘里布置14的空气质量流。 [0046] 作为备选选择(图3)，可将文丘里布置14'的喷嘴15置于燃烧器10'或燃烧室11的内部，因为喷嘴15将被内部流动的空气冷却。扩散器16直接连接于吸气孔17。整个布置定向成垂直于冷却空气通道12中的压缩空气流19的方向。功能将与图2中阐明的一样。 [0047] 大烟道气再循环比率可导致压缩空气和烟道气混合物(20)的较高温度。为了防止燃烧器过热，与压缩空气齐平的单独的通道可用于使热混合物(压缩空气&烟道气)与燃烧器衬套壁分开。图4显示呈类似于图2的一个的文丘里布置14的形式的适当实施例。在该实施例中，通过提供单独的冷却空气流路径21来实现燃烧器10''的燃烧室11的改进冷却，其中压缩空气的局部流19b用于使文丘里布置14和混合排气/空气流20与燃烧器衬套壁13以热的方式分开。 [0048] 可选地，可由阀或瓣片调节空气质量流和随后的排气再循环。 [0049] 此外，过程可由蒸汽而非压缩空气驱动。 [0050] 最后，如图4中显示的，可利用用于冷却空气的单独的流径来达到燃烧器衬套壁的冷却的改进。 [0051] 如之前已经提到的，图2-4中显示的这类文丘里布置可在各种类型的燃气涡轮中在相应的文丘里布置位置A-E(图5-8)处使用。 [0052] 图5显示穿过众所周知的GT24/26型燃气涡轮22的截面，燃气涡轮22具有顺序燃烧，包括第一燃烧室25和第二燃烧室27、第一喷燃器24和第二喷燃器26，以及第一涡轮区段28和第二涡轮区段28'。文丘里布置位于燃烧室25、27和涡轮区段28、28'之间的过渡部处的特定的文丘里布置位置A和B处。压缩空气在该情况下由燃气涡轮22的压缩机23生成，并且通过气室29供应。 [0053] 图6显示穿过众所周知的GT13E2型燃气涡轮30的截面，燃气涡轮30具有环形燃烧室25和在具有其燃烧室25和喷燃器24的燃烧器和涡轮区段28之间的特定的文丘里布置位置C。再次，压缩机23经由气室29供应压缩空气。 [0054] 图7显示穿过不同的燃气涡轮31(a)的截面，燃气涡轮31(a)具有多个单独的沿周向布置的燃烧室25'(b)(罐式燃烧器构造)和在燃烧室25'和随后的涡轮区段28之间的过渡区段35处的特定的文丘里布置位置D。再次，压缩机23经由气室29供应压缩空气。 [0055] 图8在透视图中显示众所周知的GT11N2型燃气涡轮32，燃气涡轮32具有带燃烧室34和喷燃器33的筒仓型燃烧器，以及在燃烧室34和涡轮区段28之间的过渡区段35中的特定的文丘里布置位置E。压缩机23供应压缩空气。 [0056] 可从压缩机气室(29)或冷却空气管获得驱动文丘里喷射器的冷却空气(或压缩空气)(例如对于图5的GT24/26类型，可使用压缩机出口空气或高压冷却空气来驱动第二燃烧器26、27的再循环)。在冷却空气供应管线中，控制阀和/或升压器/送风机可布置成控制冷却空气流，并且从而控制再循环热气的量。 [0057] 可行的运行构思例如可在低部分负载(例如高达50或60%能量损耗率.负载)下具有高再循环比率，以使燃烧器入口温度由于热烟道气再循环而升高。 [0058] 对于较高负载，可减少循环(完全关闭压缩空气或最小流，以避免在没有冷却空气流的情况下吸入热气)。 [0060] 当使用压缩机出口空气来驱动喷射器时，由于温度改变，故可实现质量流控制：在部分负载下，压缩机出口压力降低，同时热气温度保持高。因而与在基本负载下相比，驱动注射器的压缩空气的密度与烟道气的密度的比为较高的。该增大的密度比导致较高再循环比率(总燃烧器烟道气与再循环烟道气的比率)。 [0061] 在另一个实施例中，可使用再冷却压缩空气来驱动文丘里注射器。可控制温度，以控制再循环比率。 [0062] 在具有CAES(压缩空气能量存储器，参见例如文献DE 34 114 44 A1)的燃气涡轮的特定情况下，围绕燃烧器施加烟道气再循环对于此类系统特别有利。在CAES系统中，特别是在启动期间，燃烧器入口温度非常低，因为压缩空气取自存储器，并且不具有压缩机出口温度。 |
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