CN103635750B - 合理的延迟贫喷射 - Google Patents

Abstract

一种燃气涡轮机的燃烧器区段包括燃烧器衬套、套管和燃料空气混合管。燃烧器衬套限定燃烧室。套管包围燃烧器衬套。燃烧器衬套和套管在其之间限定环形流动空间。燃料空气混合管构造成引导燃料和空气的混合物并且包括入口和出口。入口与套管的外部流体连通，出口与燃烧室流体连通。燃烧器壳体包围相对于混合管的入口位于上游的燃烧器区段并且由此向下游延伸。套管和燃烧器壳体在其之间限定排气空间。排气空间与燃料空气混合管流体连通。燃料供应装置定位在燃烧器壳体的外部并构造成向燃料空气混合管内喷射燃料。

Description

合理的延迟贫喷射

背景技术

本发明大致涉及燃气涡轮机，并且更具体地涉及用于形成燃料和空气的混合物以及在燃气涡轮机内部输送用于燃烧的混合物的装置和方法。

大型燃烧应用，比如燃气涡轮机，能够向大气中排放大量的氮氧化物（NOx）。这些排放物不仅对环境有害，而且存在环境条例限制或防止燃烧应用的运行，除非排放物量下降至可接受程度。因此，需要在保持低水平的NOx排放物的量的同时进行运行的燃烧应用。

发明内容

以下部分呈现本发明的简化的概述，以便提供对本发明的一些示例方面的基本了解。该概述不是本发明的广泛的综述。此外，该概述并非旨在表明本发明的关键要素，也不划定本发明的范围。概述的唯一目的是以简化形式呈现本发明的一些构思，作为随后呈现的更详细说明的序言。

根据一个方面，燃气涡轮机的燃烧器区段包括初级燃烧器衬套（liner）、次级燃烧器衬套、初级套管、次级套管和燃料空气混合管。初级燃烧器衬套限定初级燃烧室。次级燃烧器衬套限定次级燃烧室并且连接至与其流体连通的初级燃烧器衬套。初级套管包围初级燃烧器衬套。次级套管包围次级燃烧器衬套并且连接至初级套管。燃烧器衬套和套管在其之间限定环形流动空间。燃料空气混合管构造成引导燃料和空气的混合物并且包括入口和出口。入口与初级套管的外部流体连通，并且出口与次级燃烧室流体连通。

根据另一个方面，燃气涡轮机包括燃烧器区段、燃烧器壳体和燃料供应装置。燃烧器区段包括燃烧器衬套、套管和燃料空气混合管。燃烧器衬套限定燃烧室。套管包围燃烧器衬套。燃烧器衬套和套管在其之间限定环形流动空间。燃料空气混合管构造成引导燃料和空气的混合物并且包括入口和出口。入口与套管的外部流体连通，出口与燃烧室流体连通。燃烧器壳体包围相对于混合管的入口位于上游的燃烧器区段并且由此向下游延伸。套管和燃烧器壳体在其之间限定排气空间。排气空间与燃料空气混合管流体连通。燃料供应装置定位在燃烧器壳体的外部并且构造成向燃料空气混合管内喷射燃料。

根据又一个方面，提供一种将燃料和空气的混合物供应至燃气涡轮机的燃烧器区段的方法。燃烧器区段包括初级燃烧器衬套、次级燃烧器衬套、初级套管、次级套管。初级燃烧器衬套限定初级燃烧室。次级燃烧器衬套限定次级燃烧室并且连接至与其流体连通的初级燃烧器衬套。初级套管包围初级燃烧器衬套。次级套管包围次级燃烧器衬套并且连接至初级套管。燃烧器衬套和套管在其之间限定环形流动空间。该方法包括提供包括入口和出口的混合管的步骤。入口与初级套管的外部流体连通。出口与次级燃烧室流体连通。该方法还包括向入口供应燃料和空气。

附图说明

本发明所涉及技术领域的技术人员在阅读参照附图的以下说明时将更清楚地理解本发明的上述和其他方面，在附图中：

图1示出具有多个燃料空气混合管的燃气涡轮机的燃烧器区段的示例实施例的轴向取向的横截面图；

图2示出燃料空气混合管的第一实施例的横截面图；

图3示出燃料空气混合管的第二实施例的横截面图；

图4示出联接两个管节段（segment）的接头的横截面图；

图5示出具有燃料空气混合管的第一示例布置的燃烧器区段的示例性实施例的径向取向的横截面图；

图6示出具有燃料空气混合管的第二示例布置的燃烧器区段的示例性实施例的径向取向的横截面图；

图7示出具有燃料空气混合管的第三示例布置的燃烧器区段的示例性实施例的径向取向的横截面图；以及

图8示出具有燃料空气混合管的可替代实施例的燃气涡轮机的燃烧器区段的可替代示例性实施例的轴向取向的横截面图。。

具体实施方式

在附图中描述和示出结合本发明的一个或更多个方面的实施例的示例。这些示出的示例并非旨在限制本发明。例如，本发明的一个或多个方面可被用于其他实施例以及甚至其他类型的设备。

参考图1的所示示例，提供了通过燃气涡轮机100的燃烧器区段10的示例实施例的轴向定向的横截面图。燃气涡轮机100可以包括在圆形阵列中周向地间隔开的多个燃烧器区段10。为罐状环形（can-annular）逆流型的示例燃烧器区段10包括上游端处的头端12并且沿下游方向通向涡轮部分14。尽管可以采用各种构造的燃料喷射装置，头端12包括各种特征，比如端盖12a、起动燃料喷嘴12b、预混合燃料喷嘴12c、旋流器12d、燃料辐板12e和帽组件12f。燃烧器区段10尤其还可以包括燃烧器壳体16、初级燃烧器衬套18、次级燃烧器衬套20（即，过渡件）、初级套管22（即，圆筒形流动套管）和次级套管24（即，冲击套管）。初级燃烧器衬套18限定初级燃烧室26，同时次级燃烧器衬套20限定次级燃烧室28。初级燃烧器衬套18联接至次级燃烧器衬套20，使得两个燃烧室26、28与其流体连通。初级套管22和次级套管24彼此联接并且分别包围初级燃烧器衬套18和次级燃烧器衬套20。环形流动空间30由套管22、24与燃烧器衬套18、20之间的间隙形成。

燃烧器壳体16定位在套管22、24的外部并且包围燃烧器区段10的一部分。燃烧器壳体16与套管22、24之间的空间是排气空间32（即压缩器排出腔），从压缩器部分13排出的空气通过该排气空间32被引导以便进入燃烧室26、28内。在逆流型燃烧器中，从燃气涡轮机100的压缩器部分排出的空气2通过排气空间32或环形流动空间30向上游运动并且进入燃烧室。初级套管22和次级套管24包括孔，来自排气空间32的空气2能够通过孔进入环形流动空间30。空气2然后朝向初级燃烧器衬套18向上游行进，初级燃烧器衬套18也包括允许空气2进入初级燃烧室26的孔。来自压缩器部分的空气2具有冷却燃烧器区段10的部件和提供燃烧所需的空气2的双重目的。进入初级燃烧室26的空气2与由喷管喷射的燃料4混合，混合物6在初级燃烧室26的内部被点燃。排气2的初级部分作为燃料空气混合物通过头端12中的喷管12b、12c进入燃烧室26、28。燃料空气混合物6的不同之处在于，混合物6由燃料4的次级或延迟喷射产生。由燃烧产生的工作气体驱动涡轮部分14中的一排或更多排轮叶。

多个燃料空气混合管34可以围绕燃烧器区段10周向地布置，图1中示出其中的两个。图1中的示例性燃烧器区段10构造有示意性地示出的混合管34的多个实施例。图5示出围绕图1中的燃烧器区段10布置的混合管34的横截面图。在该实施例中，混合管34中的一些位于环形流动空间30的内部，而混合管34的其余部分在环形流动空间30的外部。如图5所示，多个混合管34可以围绕燃烧器区段10的外周关于角位置大致均匀地分散。但是，混合管34的数量以及其围绕燃烧器区段10的外周的布置相对于环形流动空间30或关于角位置可以变化。图2和3更详细地示出混合管34的两种布置。必须注意，虽然燃烧器区段10可以如图5所示地包括部分布置在环形流动空间30的内部和部分布置在环形流动空间30的外部的混合管34，但是全部混合管34可以都布置在环形流动空间30的内部（图6）或者环形流动空间30的外部（图7）。

图2示出混合管34的第一实施例，混合管34的相当大的部分设置在套管22、24与衬套18、20之间的环形流动空间30内。在图2的实施例中，混合管34完全在环形流动空间30内。图3示出混合管34的第二实施例，混合管34的相当大的部分设置在环形流动空间30的外侧以及套管22、24的外部。在图3的实施例中，混合管34部分位于环形流动空间30内以及部分在环形流动空间30的外侧。每个混合管34包括提供有燃料4和空气2的进口34a和与次级燃烧室28流体连通的出口34b。但是，在图8所示的混合管35的可替代的实施例中，混合管35的出口还可被构造成在其下游部分处与初级燃烧室26流体连通。混合管34的进口34a可以靠近燃烧器区段10的头端12形成，并且因此可以形成在初级套管22上（图2）或接近初级套管22（图3）。例如，混合管34可以通过初级套管22设置，进口34a可以形成在初级套管22的外部。出口34b可以靠近燃气涡轮机100的涡轮部分14形成，并且因此可以配置在次级燃烧器衬套20上或其附近。例如，出口34b可以形成以便使得混合管34的出口端设置成通过次级套管24并且突出到次级燃烧室28内。

燃烧器壳体16围绕套管22、24配置，使得混合管34的入口34a与初级套管22的外部流体连通并且因此与排气空间32流体连通。因此，燃烧器壳体16在相对于混合管34的入口34a的位置位于上游的位置处包围燃烧器区段10并且由此向下游延伸。燃烧器壳体16可以是燃气涡轮机100的外壳的一部分。排气空间32中的压力梯度使得在空气2穿过形成在套管22、24上的孔的情况下，排出的空气2沿着套管22、24的外部或燃烧器衬套18、20的外部向上游运动。因此，排出的空气2朝向燃烧室26、28运动的趋势将使其一部分进入混合管34的入口34a并且运动通过该入口。此外，燃料供应装置36设置在燃烧器壳体16的外部并且可以包括将燃料4供给到入口34a内的喷射器38。燃料供应装置36可以独立于主燃料供应装置而设置，主燃料供应装置可以定位在头端12处以向初级燃烧室26提供燃料4。可替代地，燃料供应装置36可以简单地作用为将燃料4从主燃料供应装置引导至喷射器38，以及例如，可以为歧管。燃料供应装置36可以整体地或部分地定位在燃烧器壳体16的外部，以减少其暴露于燃烧器区段10中或其周围的高温。在图2和图3中示意性地示出的喷射器38可以为允许燃料4和空气2进入混合管34的入口34a的各种构造。例如，喷射器38可以包括喷嘴状特征，喷嘴状特征定位在距离入口34a预定距离处并且从一定距离向入口34a内喷射燃料4，同时还允许排出的空气2进入入口34a。如果多个混合管34围绕燃烧器区段10周向地设置，则每个混合管34可以设置有一个燃料供应装置36或一个喷射器38。

如图2-4所示，混合管34由多个管节段40形成，以允许热膨胀以及降低定位在高温区域附近的混合管34上的热应力的影响。管节段40利用可移动的接头44联接，如图4所示，以防止燃料4和空气2的混合物6泄漏并且围绕彼此可运动。例如，管节段40可以通过比如球形接头、活塞环、轴承或类似部件联接和密封。此外，由于燃料空气混合管34被引导成在燃料4和空气2行进通过整个混合管34时增强燃料4和空气2的混合，混合管34将足够长以获得所需水平的混合。例如，混合管34的长度与直径的比值可以为大约20。每个管节段40可以通过本领域已知的装置（比如托架）支承在燃烧器区段10的相邻部件（比如套管22、24或衬套18、20）上。例如，初级套管22可被构造成支承一个管节段40，同时次级套管24被构造成支承另一个管节段40

燃料空气混合管34在燃气涡轮机100的操作期间不必处于恒定操作中。当燃气涡轮机100上的负载在预定水平（比如，基本负载的80%）以下时，可能不必要提供第二燃烧区域。能够基于施加在燃气涡轮机100上的负载控制混合管34的使用。例如，这可以通过提供打开/关闭机构42（比如，阀）以在燃气涡轮机100上的负载较低时切断燃料4向混合管34的供给以及在负载超过预定水平时将燃料4供给到混合管34内来实现。因此，燃料的供应可被激活（activate）和停止（deactivate）。此外，进入到混合管34内的燃料4的容积速率可被控制以获得所需的燃料-空气比。例如，由混合管34供给的在次级燃烧室28处的燃料-空气比与初级燃烧室26中的0.03的燃料-空气比相比为0.035。该比值也可以通过调整打开/关闭机构42的开口的尺寸进行控制。

通过提供燃料4向燃烧器内的二次供应，以及更具体地说通过将混合管34的出口34b布置成向次级燃烧室28（或如上所述以及如图8所示的初级燃烧室26的下游部分）内提供燃料4，混合管34在第一燃烧区域的下游的燃烧室中形成第二燃烧区域，第一燃烧区域形成在头端12附近的第一燃烧室26中。这种改变涉及向初级燃烧室26增加较少的燃料，并且因此，初级燃烧室26处的燃烧温度可以降低，由此降低NOx排放物的水平。此外，由于燃料空气混合物6从出口34b至次级燃烧器衬套20的出口（或涡轮部分14的入口）行进的距离与形成在初级燃烧室26中的燃料4和空气2的混合物6行进的距离相比更短，因此从混合管34排出的燃料空气混合物6的滞留时间更短。因此，由于NOx排放物的水平与在高温中度过的时间长度部分地成比例，因此更短的滞留时间导致在次级燃烧室28中排放更少的NOx。出口34b的位置可被控制以调整燃料空气混合物6的滞留时间。例如，滞留时间可以是6毫秒或更短，或者小于4至6毫秒。

已经参照如上所述的示例实施例对本发明进行了说明。在阅读和理解本说明书时将想到各种修改和变型。结合本发明的一个或多个方面的示例实施例旨在包括落入所附权利要求的范围内的所有这些修改和变型。

Claims (20)

1.一种燃气涡轮机的燃烧器区段，包括：

限定初级燃烧室的初级燃烧器衬套；

限定次级燃烧室的次级燃烧器衬套，所述次级燃烧器衬套连接至与其流体连通的所述初级燃烧器衬套，并且所述次级燃烧器衬套位于所述初级燃烧器衬套的下游；

包围所述初级燃烧器衬套的初级套管；

包围所述次级燃烧器衬套并且连接至所述初级套管的次级套管，所述燃烧器衬套和所述套管在其之间限定环形流动空间；以及

燃料空气混合管，所述燃料空气混合管构造成引导燃料和空气的混合物并且包括入口和出口，所述入口与所述初级套管的外部流体连通，所述出口与所述次级燃烧室流体连通。

2.根据权利要求1所述的燃烧器区段，其特征在于，还包括包围所述套管以便向其引导空气的燃烧器壳体，所述燃烧器壳体包围所述混合管的至少所述入口和所述入口的下游的所述燃烧器区段的一部分，所述初级套管和次级套管以及所述燃烧器壳体在其之间限定排气空间，所述排气空间与所述燃料空气混合管流体连通。

3.根据权利要求1所述的燃烧器区段，其特征在于，所述混合管包括多个管节段。

4.根据权利要求3所述的燃烧器区段，其特征在于，所述管节段以密封方式连接并且允许围绕彼此相对运动。

5.根据权利要求1所述的燃烧器区段，其特征在于，所述混合管的相当大的部分定位在所述环形流动空间内。

6.根据权利要求5所述的燃烧器区段，其特征在于，所述混合管通过靠近所述入口的所述初级套管而设置。

7.根据权利要求1所述的燃烧器区段，其特征在于，所述混合管的相当大的部分定位在所述环形流动空间的外侧。

8.根据权利要求7所述的燃烧器区段，其特征在于，所述混合管通过靠近所述出口的所述次级套管而设置。

9.根据权利要求1所述的燃烧器区段，其特征在于，所述混合管部分定位在所述环形流动空间内以及部分定位在所述环形流动空间的外侧。

10.根据权利要求1所述的燃烧器区段，其特征在于，所述出口围绕所述次级套管定位，使得所述燃料混合物的滞留时间不超过6毫秒。

11.根据权利要求1所述的燃烧器区段，其特征在于，还包括围绕所述燃烧器区段周向地分散的多个混合管。

12.一种燃气涡轮机，包括：

燃烧器区段，所述燃烧器区段包括：

限定燃烧室的燃烧器衬套；

包围所述燃烧器衬套的套管，所述燃烧器衬套和所述套管在其之间限定环形流动空间；以及

燃料空气混合管，所述燃料空气混合管构造成引导燃料和空气的混合物并且包括入口和出口，所述入口与所述套管的初级套管的外部流体连通，所述出口与所述初级套管后部的次级燃烧室流体连通；

燃烧器壳体，所述燃烧器壳体包围相对于所述混合管的所述入口位于上游的燃烧器区段并且由此向下游延伸，所述套管和所述燃烧器壳体在其之间限定排气空间，所述排气空间与所述燃料空气混合管流体连通；以及

燃料供应装置，所述燃料供应装置定位在所述燃烧器壳体的外部并构造成向所述燃料空气混合管内喷射燃料。

13.根据权利要求12所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述燃料供应装置包括与所述燃料空气混合管的所述入口以一定距离定位的喷射器，所述燃料供应装置构造成激活或停止燃料向所述燃料空气混合管内的喷射。

14.根据权利要求12所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述混合管包括多个管节段。

15.根据权利要求14所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述管节段以密封方式连接并且允许围绕彼此相对运动。

16.根据权利要求12所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述出口围绕所述套管定位，使得所述燃料混合物的滞留时间不超过6毫秒。

17.根据权利要求12所述的燃气涡轮机，其特征在于，还包括所述燃烧器区段的下游的涡轮部分，所述混合管的所述出口位于所述涡轮部分的附近。

18.根据权利要求12所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述燃烧器衬套包括初级燃烧器衬套和所述初级燃烧器衬套下游的次级燃烧器衬套，所述套管包括所述初级套管和所述初级套管下游的次级套管，所述初级燃烧器衬套限定初级燃烧室，所述次级燃烧器衬套限定所述次级燃烧室，所述混合管的所述出口与所述初级燃烧室流体连通。

19.一种将燃料和空气的混合物供应至燃气涡轮机的燃烧器区段的方法，所述燃烧器区段包括限定初级燃烧室的初级燃烧器衬套、限定次级燃烧室并且连接至与其流体连通的所述初级燃烧器衬套的次级燃烧器衬套、包围所述初级燃烧器衬套的初级套管、以及包围所述次级燃烧器衬套以及连接至所述初级套管的次级套管，所述燃烧器衬套和所述套管在其之间限定环形流动空间，其中所述次级燃烧器衬套位于所述初级燃烧器衬套的下游，所述方法包括以下步骤：

提供包括入口和出口的混合管，所述入口与所述初级套管的外部流体连通，所述出口与所述次级燃烧室流体连通；以及

向所述入口供应燃料和空气。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括围绕所述次级燃烧室布置所述出口使得燃料和空气的混合物的滞留时间为6毫秒或更短的步骤。