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涡轮机燃烧器组件

阅读：558发布：2021-04-11

专利汇可以提供涡轮机燃烧器组件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开一种涡轮机燃烧器组件，该燃烧器组件包括具有燃烧室的燃烧器体部，以及安装至燃烧器体部的喷嘴支承件。喷嘴支承件包括中心开口，以及围绕中心开口延伸的多个开口。中心火焰耐受喷嘴组件位于中心开口内，并且多个微混合器喷嘴组件围绕中心火焰耐受喷嘴组件安装在多个开口中的相应开口中。中心火焰耐受喷嘴组件以及多个微混合器喷嘴组件中的每一个都构造和布置成将空气- 燃料混合物输送至燃烧室中。，下面是涡轮机燃烧器组件专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种燃烧器组件(8)，其包括：
燃烧器体部(30)，所述燃烧器体部(30)包括燃烧室(38)；
喷嘴支承件，所述喷嘴支承件安装至所述燃烧器，所述喷嘴支承件包括中心开口(68)以及围绕所述中心开口(68)延伸的多个开口(71-76)；
中心火焰耐受喷嘴(80)组件(60)，所述中心火焰耐受喷嘴(80)组件(60)位于所述中心开口(68)内；以及
多个微混合器喷嘴组件(84-89)，所述多个微混合器喷嘴组件(84-89)围绕所述中心火焰耐受喷嘴(80)组件(60)安装在所述多个开口(71-76)中的相应开口中，所述中心火焰耐受喷嘴(80)组件(60)以及所述多个微混合器喷嘴组件(84-89)中的每一个都构造和布置成将空气-燃料混合物输送至所述燃烧室(38)中。
2.根据权利要求1所述的燃烧器组件(8)，其特征在于，所述中心火焰耐受喷嘴(80)组件(60)包括预混喷嘴。
3.根据权利要求2所述的燃烧器组件(8)，其特征在于，所述预混喷嘴包括火焰耐受旋流喷嘴。
4.根据权利要求3所述的燃烧器组件(8)，其特征在于，所述火焰耐受旋流喷嘴包括中心体部(92)、围绕所述中心体部设置的燃烧管(104)，所述中心体部包括分隔部(99)，所述分隔部(99)形成冷却室(100)和出口室(101)。
5.根据权利要求4所述的燃烧器组件(8)，其特征在于，所述燃烧器组件(8)包括：在所述中心体部与所述燃烧管(104)之间延伸的至少一个旋流器叶片，所述至少一个旋流器叶片流体连接至所述出口室(101)。
6.根据权利要求4所述的燃烧器组件(8)，其特征在于，所述分隔部(99)包括至少一个旁通开口(103)，所述至少一个旁通开口(103)使所述冷却室(100)与所述出口室(101)直接流体连接。
7.根据权利要求4所述的燃烧器组件(8)，其特征在于，所述中心体部包括内体部构件(94)和外体部构件(93)、由所述内体部构件(94)限定的流体通路以及被限定在所述外体部构件(93)与所述内体部构件(94)之间的环形逆流通道。
8.根据权利要求1所述的燃烧器组件(8)，其特征在于，所述多个微混合器喷嘴组件(84-89)中的每一个都包括多个小型管(138)，所述多个小型管(138)中的每一个都包括构造和布置成形成空气-燃料混合物的空气入口和燃料入口(149)。

说明书全文

涡轮机燃烧器组件

技术领域

[0001] 本说明书所公开的主题涉及涡轮机领域，并且更具体地，涉及用于涡轮机的燃烧器组件。

背景技术

[0002] 总体而言，燃气涡轮机对燃料/空气混合物进行燃烧，燃料/空气混合物释放热能以形成高温气流。高温气流通过热气路径被导入涡轮部。涡轮部将来自高温气流的热能转化成使涡轮轴旋转的机械能。涡轮部可以被用于多种应用中，例如用于向泵或发电机提供动力。

[0003] 在燃气涡轮机中，发动机效率随着燃烧气流温度的升高而提高。遗憾的是，较高的气流温度产生较高水平的氮氧化物(NOX)——同时受联邦和州管理的一种排放物。因此，在以高效范围对燃气涡轮机进行操作同时还保证NOX的输出保持在规定水平以下之间存在仔细的平衡手段。实现低NOX水平的一个方法是保证燃料与空气在燃烧之前的良好混合。实现低NOX水平的另一个方法是采用在较低的火焰温度下燃烧时产生较少排放物的反应性较高的燃料。发明内容

[0004] 根据本发明的一个方面，一种燃烧器组件包括具有燃烧室的燃烧器体部，以及安装至燃烧器体部的喷嘴支承件。喷嘴支承件包括中心开口以及围绕中心开口延伸的多个开口。中心火焰耐受喷嘴组件位于中心开口内，并且多个微混合器喷嘴组件围绕中心火焰耐受喷嘴组件安装在多个开口中的相应开口中。中心火焰耐受喷嘴组件以及多个微混合器喷嘴组件中的每一个都构造和布置成将空气-燃料混合物输送至燃烧室中。

[0005] 进一步的，所述中心火焰耐受喷嘴组件包括预混喷嘴。

[0006] 进一步的，所述预混喷嘴包括火焰耐受旋流喷嘴。

[0007] 进一步的，所述火焰耐受旋流喷嘴包括中心体部，围绕所述中心体部设置的燃烧管，所述中心体部包括分隔部，所述分隔部形成冷却室和出口室。

[0008] 进一步的，所述燃烧器组件包括：在所述中心体部与所述燃烧管之间延伸的至少一个旋流器叶片，所述至少一个旋流器叶片流体连接至所述出口室。

[0009] 进一步的，所述分隔部包括至少一个旁通开口，所述至少一个旁通开口使所述冷却室与所述出口室直接流体连接。

[0010] 进一步的，所述中心体部包括内体部构件和外体部构件、由所述内体部构件限定的流体通路以及被限定在所述外体部构件与所述内体部构件之间的环形逆流通道。

[0011] 进一步的，所述多个微混合器喷嘴组件中的每一个都包括多个小型管，所述多个小型管中的每一个都包括构造和布置成形成空气-燃料混合物的空气入口和燃料入口。

[0012] 根据本发明的另一个方面，一种涡轮机包括压缩机部、操作性地连接至压缩机部的涡轮部以及流体连接至压缩机部和涡轮部的燃烧器组件。该燃烧器组件包括具有燃烧室的燃烧器体部，以及安装至燃烧器体部的喷嘴支承件。喷嘴支承件包括中心开口以及围绕中心开口延伸的多个开口。中心火焰耐受喷嘴组件位于中心开口内，并且多个微混合器喷嘴组件围绕中心火焰耐受喷嘴组件安装在多个开口中的相应开口中。中心火焰耐受喷嘴组件以及多个微混合器喷嘴组件中的每一个都构造和布置成将空气-燃料混合物输送至燃烧室中。

[0013] 进一步的，所述中心火焰耐受喷嘴组件包括预混喷嘴。

[0014] 进一步的，所述预混喷嘴包括火焰耐受旋流喷嘴。

[0015] 进一步的，所述火焰耐受旋流喷嘴包括中心体部，围绕所述中心体部设置的燃烧管，所述中心体部包括分隔部，所述分隔部形成冷却室和出口室。

[0016] 进一步的，所述涡轮机进一步包括：在所述中心体部与所述燃烧管之间延伸的至少一个旋流器叶片，所述至少一个旋流器叶片流体连接至所述出口室。

[0017] 进一步的，所述分隔部包括至少一个旁通开口，所述至少一个旁通开口使所述冷却室与所述出口室直接流体连接。

[0018] 进一步的，所述中心体部包括内体部构件和外体部构件、由所述内体部构件限定的流体通路以及被限定在所述外体部构件与所述内体部构件之间的环形逆流通道。

[0019] 进一步的，所述多个微混合器喷嘴组件中的每一个都包括多个小型管，所述多个小型管中的每一个都包括构造和布置成形成空气-燃料混合物的空气入口和燃料入口。

[0020] 根据本发明的又一个方面，一种对涡轮机燃烧器组件中的空气-燃料混合物进行燃烧的方法包括：使第一量的空气和第一量的燃料通入中心火焰耐受喷嘴组件中；在中心火焰耐受喷嘴组件中混合第一量的空气和第一量的燃料，以形成第一空气-燃料混合物；并且将第一空气-燃料混合物排出至燃烧室中。该方法还包括：使第二量的空气和第二量的燃料通入围绕中心火焰耐受喷嘴排列的多个微混合器组件；在微混合器组件中的多个管中的每一个管内混合第二量的空气和第二量的燃料，以形成多个第二空气-燃料混合物；
将多个第二空气-燃料混合物排出至燃烧室中；并且在燃烧室中对第一空气-燃料混合物和多个第二空气-燃料混合物进行燃烧。

[0021] 进一步的，所述方法进一步包括：使所述第一量的空气和所述第一量的燃料通过所述中心火焰耐受喷嘴中的旋流器叶片，以形成所述第一空气-燃料混合物。

[0022] 进一步的，使第一冷却流体通入所述中心火焰耐受喷嘴中，以对中心体部和围绕所述中心体部延伸的燃烧管的部分进行冷却。

[0023] 进一步的，所述方法进一步包括：使第二冷却流体通入所述中心火焰耐受喷嘴中，以对旋流器叶片的部分进行冷却。

[0024] 通过以下描述并结合附图，这些以及其它的优点和特征将变得更加显而易见。

附图说明

[0025] 权利要求中特别指出并且明确要求保护本发明的主题。通过以下具体实施方式并结合附图，本发明的上述和其它的特征以及优点是显而易见的，在附图中：

[0026] 图1是根据示例性实施例的涡轮机的部分横截面侧视图，该涡轮机包括燃烧器组件；

[0027] 图2是根据示例性实施例的图1的燃烧器组件的横截面图，该燃烧器组件包括喷嘴组件；

[0028] 图3是图2的喷嘴组件的横截面图；

[0029] 图4是图2的喷嘴组件的平面图；

[0030] 图5是图3是喷嘴组件的中心火焰耐受喷嘴的横截面透视图；以及[0031] 图6是图3的喷嘴组件的多个微混合器喷嘴中的一个微混合器喷嘴的横截面透视图。

[0032] 通过参照附图的示例，具体实施方式对本发明的实施例及其优点和特征进行描述。

[0033] 附图标记列表：

[0034]2 涡轮机
4 压缩机部
6 涡轮部
8 燃烧器组件
10 公共的压缩机/涡轮轴
22 扩压器
24 压缩机排气增压室
30 燃烧器体部
36 燃烧器衬套
38 燃烧室
39 环形燃烧室冷却通路
45 过渡件
48 内壁(45)
49 外壁(45)
52 开口(49)
54 环形通路
56 引导腔
60 喷嘴组件
64 帽构件
65 第一表面
66 第二表面
68 中心开口
71 开口
72 开口
73 开口
74 开口
75 开口
76 开口
80 中心火焰耐受喷嘴
84 微混合器喷嘴组件
85 微混合器喷嘴组件
86 微混合器喷嘴组件
87 微混合器喷嘴组件
88 微混合器喷嘴组件
89 微混合器喷嘴组件
92 中心体部
93 外体部构件
94 内体部构件
96 燃料通路
97 环形逆流燃料通道
98 端壁
99 分隔部
冷却室
100
出口室
101
旁通开口
103
燃烧管
104
外表面(104)
105
内表面(104)
106
空气通路(104)
108
冷却通路
110
燃料-空气混合通路
112
旋流器叶片
115
喷射路径
116
开口
117
最外侧体部
121
主体部段(84)
131
第一端部段(131)
133
第二端部段(131)
134
内部流动路径
136
多个小型管
138
中心接收端口
141
内部燃料增压室
143
燃料入口管
146
燃料入口
149
开口
154
开口
156

具体实施方式

[0035] 首先参照图1和图2，根据示例性实施例构造的涡轮机大体由2表示。涡轮机2包括压缩机部4，压缩机部4通过燃烧器组件8连接至涡轮部6。压缩机部4还通过公共的压缩机/涡轮轴10连接至涡轮部6。压缩机部4包括扩压器(diffuser)22和压缩机排气增压室(plenum)24，它们彼此以流体连通方式连接，并且，它们也与燃烧器组件8以流体联通方式连接。通过该布置，压缩空气经由扩压器22和压缩机排气增压室24通入燃烧器组件8。压缩空气与燃料混合并且燃烧，以形成热气。热气被导入涡轮部6。涡轮部6将来自热气的热能转化成机械旋转能。

[0036] 燃烧器组件8包括燃烧器体部30和燃烧器衬套36。如图所示，燃烧器衬套36从燃烧器体部30径向向内定位，以便限定燃烧室38。燃烧器衬套36和燃烧器体部30共同限定环形燃烧室冷却通路39。过渡件45将燃烧器组件8连接至涡轮部6。过渡件45朝向涡轮部6的第一级(未单独标出)向下游引导燃烧室38中所产生的燃烧气体。过渡件45包括限定环形通路54的内壁48和外壁49，环形通路54被限定在内壁48与外壁49之间。内壁48限定引导腔56，引导腔56在燃烧室38与涡轮部6之间延伸。为了完整性的原因并且为了能够更好地理解涉及布置在燃烧器组件8内的喷嘴组件60的示例性实施例，设置上述结构。

[0037] 如图3和图4最佳示出的，喷嘴组件60包括喷嘴支承件，在示例性实施例中，喷嘴支承件示为构成帽构件64，帽构件64位于燃烧室38的上游端(未单独标出)处。当然应当理解，也能够采用其它形式的喷嘴支承件。帽构件64包括第一表面65和暴露于燃烧室38中的第二表面66。帽构件64包括中心开口68，中心开口68在第一表面65与第二表面
66之间延伸。多个开口71-76围绕中心开口68排列并且同样在第一表面65与第二表面66之间延伸。中心火焰耐受喷嘴80布置在中心开口68内，并且多个微混合器喷嘴组件84-89位于开口71-76中的相应开口内。如将在下文中变得更加明显的，中心火焰耐受喷嘴80构造成承受与对反应性较高的燃料(higher reactivity fuel)(例如，液化石油气(LPG)、具有较高烃的燃料、氢气(H2)和具有提高的火焰保持性能的合成气)进行燃烧相关联的高温和潜在的火焰稳定性。

[0038] 参照图5，中心火焰耐受喷嘴80包括中心体部92，中心体部92具有外体部构件93和限定燃料通路96的内体部构件94。内体部构件94与外体部构件93间隔开，以便限定环形逆流燃料通道97。外体部构件93包括端壁98，端壁98使通过燃料通路96的燃料朝向分隔部99偏转回到环形逆流燃料通道97中。分隔部99形成冷却室100和出口室101，出口室101具有多个旁通开口103。中心火焰耐受喷嘴80进一步包括燃烧管104，燃烧管104围绕中心体部92延伸。燃烧管104包括外表面105和内表面106以及空气通路108。
燃烧管104还包括多行冷却通路110，多行冷却通路110在外表面105与内表面106之间延伸。燃烧管104与中心体部92间隔开，以便限定燃料-空气混合通路112。

[0039] 中心火焰耐受喷嘴80还示为包括多个旋流器叶片115，多个旋流器叶片115在中心体部92与燃烧管104的内表面105之间延伸。旋流器叶片115通过形成在内体部构件94中的多个开口117流体连接至燃料通路96。旋流器叶片115包括燃料喷射端口118，燃料喷射端口118将燃料从燃料通路96引导至燃料-空气混合通路112中，如下文将更充分地讨论的。中心火焰耐受喷嘴80还包括冷却通路110，冷却通路110便于冷却剂膜在燃烧管104上产生，从而相对于热燃烧气体提供保护。冷却通路110的数量、尺寸和角度，或者多行冷却通路110之间的距离可以发生变化，以便在火焰保持事件期间实现期望的壁温度。

[0040] 通过该布置，燃料进入燃料通路96并且朝向端壁98流动。燃料接着进入环形逆流通道97并且向上游流入冷却室100中。燃料围绕分隔部99流动，并且进入出口室101并进入旋流器叶片115。根据示例性实施例的一个方面，分隔部99呈对进入出口室101的燃料流向进行限制的金属壁的形式，由此对旋流器叶片115的内部表面进行冷却。冷却室100和出口室101可以呈多种形状，其中包括非线性形状，例如锯齿形冷却剂流动通路、U形冷却剂流动通路、蜿蜒的冷却剂流动通路或者弯曲的冷却剂流动通路。除了流入旋流器叶片115中，一部分燃料还可以通过设置在分隔部99中的旁通开口125从冷却室100直接流入出口室101。

[0041] 根据示例性实施例的一个方面，旁通开口125可以允许例如流过分隔部99的全部燃料流的大约1-50％、5-40％或者10-20％在冷却室100与出口室101之间直接流动。利用旁通开口103可以允许对可能发生的任何燃料系统压降进行调节、对传导热传递系数进行调节或者对分配给燃料喷射端口118的燃料进行调节。旁通开口125还可以对进入并通过燃料喷射端口118的燃料分配进行改进。此外，旁通开口125可以降低从冷却室100到出口室101的压降，由此便于燃料通路通过燃料喷射端口118。此外，旁通开口103还可以允许经过调节的流通过燃料喷射端口118，从而在通过喷射端口118导入燃料-空气混合通路112之前改变施加给燃料流的旋流的量。除了排出燃料，旋流器叶片115还对通过燃料-空气混合通路112的气流起到旋流器的作用，以改进燃料-空气混合。因此，中心火焰耐受喷嘴80呈预混旋流喷嘴或旋流喷嘴(swozzle)的形式。此外，旁通开口103的特别布置提供使得火焰耐受喷嘴80能够承受与对反应性较高的燃料进行燃烧相关联的火焰保持和/或火焰吸入(ingestion)事件的燃料和冷却控制。

[0042] 现在将参照图6对微混合器组件84进行描述，应当理解，其余的微混合器组件85-89可以包括相应的结构。微混合器组件84包括主体部段131，主体部段131包括延伸至相对的第二端部段134的第一端部段133，第二端部段134暴露于内部流动路径136。微混合器组件84还包括多个小型管，多个小型管中的一个小型管由138表示。小型管138使内部流动路径136与燃烧室38相互流体连接。此外，成束的微混合器喷嘴组件84包括通向内部燃料增压室143的中心接收端口141。在这一点上应当理解，仅示出和描述一个内部燃料增压室，但是本发明的示例性实施例能够包括多个燃料增压室。在任何情况下，中心接收端口141都流体连接至燃料入口管146。在图示的示例性实施例中，小型管138围绕中心接收端口141排列。通过该布置，燃料从燃料入口管146进入中心接收端口141。燃料填充内部燃料增压室143并且围绕多个小型管138中的每一个被分配。根据示例性实施例的一个方面，每个小型管138都包括例如由149表示的燃料入口。

[0043] 燃料入口149的特定位置产生期望的空气-燃料混合物。例如，将燃料入口149布置成邻近帽构件64的第二表面66提供短的混合间隔，以便使得燃料和空气以稀薄的、直接的方式喷射到燃烧室38中。在主体部段131的第一端部段133与第二端部段134之间居中地布置燃料入口149使得燃料和空气部分预混地喷射到燃烧室38中，并且将燃料入口149定位成邻近第一端部段133，使得燃料和空气更完全预混地喷射到燃烧室38中。管138的长度和燃料开口的布置将基于期望的操作特性。此外，微混合器组件84能够具有多于一个的燃料增压室，所述燃料增压室具有沿多个小型管138位于不同轴向位置处的多个燃料开口。通过该布置，每个微混合器组件84-89都可以相似地构造，或者设置在多种构造(例如，稀薄直接喷射、部分预混稀薄直接喷射和完全预混稀薄直接喷射)中的一种构造中，以控制特定燃烧器内的燃烧。微混合器喷嘴组件84内的小型管138的特定布置便于使用反应性较高的燃料。即，小型管138的特定几何形状抑制微混合器喷嘴组件84内的火焰喷射或火焰保持。此外，小型管的具体尺寸、样式和布置可以变化。因此，燃烧器组件8中能够采用反应性较高的燃料。

[0044] 中心火焰耐受喷嘴与微混合器喷嘴组件的组合使用提供燃料选择的灵活性。更具体地，中心火焰耐受喷嘴中所结合的冷却特征(其中包括例如，由燃料冷却的中心体部、中心体部尖端、旋流器叶片和由空气冷却的燃烧管)使得喷嘴能够承受持久的火焰保持事件。在这种火焰保持事件期间，冷却特征保护喷嘴不受任何硬件损坏的影响，并且允许有时间检测和校正将火焰吹出预混器的措施同时在正常模式操作下重新建立预混火焰。因此，燃烧器组件可以对反应性较高的燃料(例如，完全合成气以及天然气、高氢气体等)进行燃烧而不会使喷嘴遭受损坏。使用反应性较高的燃料使得排放物减少，尤其使得可能增加涡轮机的整体操作包络线(envelope)的NOX排放物减少。

[0045] 尽管已经仅结合数量有限的实施例对本发明进行了详细描述，但是应当易于理解，本发明并不限于这种所公开的实施例。相反，能够将本发明修改成结合到目前为止未进行描述但是与本发明的精神和范围相当的任何数量的改型、变型、替代或等同布置。此外，尽管已经对本发明的各种实施例进行了描述，但是应当理解，本发明的各个方面可以仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明并不受到以上描述的限制，而是仅仅通过所附权利要求的范围进行限定。

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