用于燃气涡轮机使用的切向且无火焰的环形燃烧器的制造方法
【专利摘要】一种在产生推进力或使轴旋转用于发电的燃气涡轮机的燃烧装置，该燃烧装置包括环式燃烧器，该环式燃烧器带有一系列的燃料和空气入口通道和喷嘴，这使其成为无焰燃烧器，使得在典型的燃气涡轮燃烧器中不存在固定的火焰。燃料和空气入口在多个纵向位置处且周向地间隔地设置，并采用一些喷嘴仅喷射空气而其他喷嘴喷射富燃料-空气混合物的几种不同的构造。该燃烧装置提供了燃料和空气的最佳混合以及形成了降低污染物排放的燃烧环境从而降低对昂贵的污染控制装置需求，并且增强了点火和火焰的稳定性、减少了导向问题并改善了减振。
【专利说明】用于燃气涡轮机使用的切向且无火焰的环形燃烧器
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃气涡轮机中的装置，该装置有助于容纳燃料空气混合物并产生燃料和空气混合物的燃烧。这种装置包括(但不限于):燃料-空气喷嘴、燃烧器衬套和壳体、以及流动过渡件，该流动过渡件用在军用和商用飞机、发电及其它与燃气涡轮机有关的应用中。
【背景技术】
[0002]燃气涡轮机包括从以很高的温度、压力和速度流动的燃烧气体中提取功的机械装置。所提取的功可用于驱动用于发电的发电机或用于为飞机提供所需的推力。典型的燃气涡轮机由把大气压缩至高压的多级压缩机组成。压缩空气然后在燃烧器中以给定的燃料/空气比混合，其中压缩空气的温度升高。高温高压的燃烧气体然后膨胀通过涡轮以做功，从而根据其应用而提供所需的推力或驱动发电机。涡轮包括至少一级，其中，每一级均包括一排刮片和一排叶片。这些刮片周向地布置在旋转毂上，其中每个刮片的高度覆盖热气流路。不旋转的叶片的每个级沿周向地设置，该级还延伸通过热气流路。本发明涉及燃气涡轮机的燃烧器以及将燃料和空气引导到所述装置中的部件。
[0003]燃气涡轮机的燃烧器部分可具有几种不同的类型:罐式/管式、环式、以及以上两种的组合而形成的罐式-环式燃烧器。在这个部件中，压缩的燃气空气混合物通过燃气空气喷嘴，并发生混合物的燃烧反应，从而产生热燃气流使混合物的密度降低并使混合物向下游加速。典型地，罐式燃烧器由单独的周向间隔的罐组成，该罐单独容纳每个喷嘴的火焰。然后，来自每个罐的流体被引导通过管，并在该流体进入第一级叶片之前被结合到环形过渡件中。在环形燃烧器类型中，燃料空气喷嘴典型地周向分布并引导混合物进入发生燃烧的单个环形室中。流体完全离开环形件的下游端进入第一级涡轮中，而无需过渡件。最后一种类型的罐式-环式燃烧器的关键差别在于它具有被环形壳体包围的单独的罐，环形壳体包含供给到每个罐中的空气。取决于具体应用，每个变型例均具有其各自的优点和缺点。
[0004]在用于燃气涡轮的燃烧器中，对于燃气空气喷嘴来说，在混合物中引入涡流有几个原因。一个原因是增强混合从而增强燃烧，另一个原因是增加的涡流使火焰稳定以防止火焰熄灭并允许较贫的燃料-空气混合物以减少排放。燃料空气喷嘴可以采用不同的构造，例如在每一个上都具有旋流叶片的一个至多个环形入口。
[0005]对于其他的燃气涡轮机部件，需要实施冷却方法以防止燃烧器材料熔化。一种典型的用于冷却燃烧器的方法是扩散冷却(effusion cooling),该扩散冷却通过在燃烧气体与燃烧器衬套之间的附加的偏移衬套围绕燃烧器衬套来实施，压缩机排出的空气通过稀释孔和冷却通道进入热燃气流路。该技术消除了来自部件的热量，并且在衬套和燃烧气体之间形成了薄边界层冷空气膜，从而防止热量传递到衬套。稀释孔根据其在衬套上的轴向位置而有如下两个目的:第一，较靠近燃料-空气喷嘴的稀释孔会有助于气体的混合以增强燃烧并提供未燃空气用于燃烧；第二，较靠近涡轮布置的孔会冷却热气流并能够设计成控制燃烧器的出口温度曲线。
[0006]可见，可以将几种方法和技术合并到用于燃气涡轮机的燃烧器的设计中以改善燃烧并减少排放。尽管燃气涡轮趋向于比其他发电方法产生更少的污染，但在这个领域中仍存在改善空间。随着一些国家中加强了政府排放法规，需要改善该技术以满足这些需求。
【发明内容】
[0007]至于本发明，提供了一种新颖的和改善的燃烧器设计，它能够以典型的方式运行同时使由于燃料和空气混合物的燃烧的污染物排放最小化。本发明由典型的环形燃烧器组成，其具有空气喷嘴、燃料喷嘴、预混合的燃料-空气喷嘴和/或稀释孔，该稀释孔将压缩机排出的空气和加压燃料在沿着纵向方向和周向方向的多个位置处引入燃烧器中。本发明的原始特征在于燃料和空气入口被布置成使得在前壁附近形成燃烧区域。将燃料喷嘴和空气喷射喷嘴分离以及将空气喷嘴设置于燃料喷嘴下游提高了燃烧反应物的混合，并且在燃烧区域形成了特定的氧浓度，这大大减少了 NOx的产生。另外，燃烧区域的下游处压缩机排出的空气的引入允许在燃烧的期间产生的任何CO在进入第一级涡轮之前被燃烧/消耗。事实上，该燃烧器会改善燃气涡轮的排放水平，因此减少对排放控制装置的需求以及使这种装置的环境影响最小化。除了该改善之外，切向点燃的燃料和燃料-空气喷嘴将任何火焰朝向相邻的燃烧器弓I导，从而极大增强了燃烧器的点火过程。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]参考以下附图:
[0009]图1是示出了附接到燃烧器外衬套并具有指向燃烧器内部的周向方向和径向方向(喷嘴的可能的纵向方向未示出)的喷嘴的二维示意图；
[0010]图2是具有所提出的分级燃料和空气喷射的环形燃烧器实例的等轴侧视图；
[0011]图3是具有由发动机中心线和半径限定的截面的等轴截面图。
[0012]图4A是从前向后观察到的等轴侧视图，示出了本发明可以具有的前壁和穿孔前壁；
[0013]图4B是根据图4A的图像的细节放大图；
[0014]图5A是从后向前观察到的示例性燃烧器的等轴正视图，示出了出口喷嘴和入口喷嘴；并且
[0015]图5B是根据图5A的图像的细节放大图。
【具体实施方式】
[0016]图1示出了具有切向指向的燃料-空气喷嘴的环形燃烧器的大体结构。燃烧器包括:外壳体(或外衬套)1，其在纵向方向上具有恒定或变化的半径；内壳体(或内衬套)2，其在纵向方向上具有恒定或变化的半径；以及前壁9，该前壁9连接外衬套I和内衬套2。如图可见，本发明的示例性构造示出了主要沿着周向方向指向的燃料喷嘴3和纯空气/预混合燃料-空气喷嘴4，其中角度14形成在与外衬套相切的线12和喷嘴3、4的中心线13之间，但可以具有相对于其方向的径向或纵向分量。这些各个喷嘴3、4可以共用由纵向方向和沿发动机中心线的点限定的公共平面，并且可以在周向上等距间隔开或具有沿着该方向的间距的图案。各种类型的喷嘴可以将纯燃料5、纯空气(压缩机排出的空气)6或者预混合的燃料-空气7 —起引导由外壳体1、内壳体2和前壁9形成的燃烧器容积空间内。由燃料和空气喷嘴3、4喷射的反应物在该区域内燃烧，并产生通过该燃烧器的绕发动机中心线旋转的流场8。
[0017]图2示出了本发明的示例性构造，其中燃料喷嘴3布置在空气/预混合燃料-空气喷嘴4的上游(左侧)。燃料喷嘴3和空气喷嘴4的数量可以是至少一个，最高可以不限数量。压缩机排出的空气也通过图3、4A和4B所示的穿孔前壁9引入到燃烧器容积空间中。前壁附近的燃料喷射以及在燃料喷嘴3下游喷射的所述压缩机排出的空气产生了期望的混合和燃料-空气分级效果，这会形成降低来自燃烧器的NOx和CO排放的最佳燃烧环境。更具体地，通过下游组的喷嘴喷射的空气混合物中的大部分随着它朝向富燃料燃烧区域的上游行进/扩散而被燃料气体稀释。该稀释的氧混合物降低了火焰温度，并提供了发生低排放燃烧的手段。然后，热的燃烧产物通过图5A和5B所示的环形开口 10离开燃烧器，其中该热的燃烧产物进入燃气涡轮机的第一级涡轮。
[0018]以上参考优选实施例描述了本发明。然而，本领域技术人员会认识到在不脱离本发明的性质和范围的情况下可以在所述实施例中做出变化和变型。在本文所选取的用于说明目的的实施例的各种变化和变型对本领域技术人员来说是容易理解的。在这种变型和变体没有脱离本发明的精神的范围内，因此该变型和变体被认为是包含在本发明的范围内。
[0019]为了便于本领域技术人员理解和实践，已经以清楚简练的语句充分描述了本发明，本发明的权利要求参见下文。
【权利要求】
1.一种用于燃气涡轮机的环形燃烧器，所述燃气涡轮机用在地面发电、陆基或海基车辆或航空发动机应用中，所述燃烧器包括:多个周向间隔开的燃料、空气和/或燃料-空气喷嘴，所述多个喷嘴排列在与纵向方向垂直的平面上；壳体/衬套，所述壳体/衬套由高温合金或陶瓷材料制成；被称为前壁的衬套，所述前壁由上述材料制成并将内衬套和外衬套连接。
2.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，在与所述纵向方向垂直的公共平面内周向间隔开且最靠近所述前壁的喷嘴在任何物理状态下都仅喷射燃料，或者能够喷射主要具有周向方向且能够具有径向方向和/或纵向方向的富燃料混合物。
3.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，位于权利要求2所述的喷嘴下游且在与所述纵向方向垂直的公共平面内周向间隔开的喷嘴仅喷射压缩机排出的空气，或者喷射主要具有周向方向且能够具有径向方向和/或纵向方向的贫燃料混合物。
4.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所述喷嘴能够具有在平面-平面之间的恒定或变化的角度值，如附图标记14所示，其范围为O度至90度。
5.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，处于不同平面内的所述喷嘴能够具有相同的燃料/空气比或不同的燃料/空气比。
6.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，处于同一平面内的所述燃料空气喷嘴能够具有相同的燃料/空气比或不同的燃料/空气比值。
7.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，切向指向的所述喷嘴大大增强了所述燃烧器的点火过程，这是因为相邻的喷嘴会将任何最初的火焰向前朝着其平面内的相邻喷嘴引导。
8.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，权利要求5所述的增强的点火过程产生了固有地稳定的燃烧，这将会降低火焰引起的震动以及在部分载荷和满载荷水平运行时由于火焰不稳定性产生的声响。
9.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所述切向的燃料-空气喷嘴布置结构增强了反应物的混合，用于在非常低的载荷水平下有效燃烧。
10.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，由于提高了火焰稳定性，诸如低BTU气体的低反应性燃料能够容易地用在所述燃烧器中并在所述燃烧器中燃烧。
11.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，减少了使燃料-空气混合物燃烧所需的停留时间；因此，减小了燃烧空间，这减少了发动机尺寸(这在所有燃气涡轮机的应用中都很重要)，并因此减小了重量/推力比(这在航空燃气涡轮机的应用中很重要)。
12.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，在所述燃烧器的出口处实现了更均匀的温度分布，这允许所述燃烧器在较高的燃烧温度(点燃温度)下运行，而不会减少所述燃烧器和涡轮机部件的寿命。
13.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，权利要求12所述的在较高的燃烧温度下运行的能力提高了发动机效率和动力输出，因此降低了二氧化碳排放水平。
14.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所述前壁衬套能够具有至少一个孔(所述至少一个孔能够是通过火花电放电加工而产生的笔直或喇叭口形的入口孔)或喷嘴，这允许压缩机排出的空气以比权利要求3所述的喷嘴低的速度值穿过所述衬套。
【文档编号】F23R3/00GK103930721SQ201180073011
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2011年8月22日 优先权日:2011年8月22日
【发明者】马吉德·托甘, 布伦特·阿伦·格雷戈里, 乔纳森·达维德·赖盖莱, 里安·萨多·亚马内 申请人:马吉德·托甘, 布伦特·阿伦·格雷戈里, 乔纳森·达维德·赖盖莱, 里安·萨多·亚马内