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CN1172116C - 燃气涡轮燃烧室 - Google Patents

燃气涡轮燃烧室 Download PDF

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Abstract

改善燃气涡轮机燃烧室以提高冷却效果和火焰维持能力，从而降低NOx的产生。燃烧室13包括内圆柱形构件13a和扩大的外圆柱形构件13b的双结构，从而扩大燃烧区的直径。预混喷嘴11包括其前端突出超过基板17的外套筒23和内侧的预混喷嘴部21。空气在外套筒23和预混喷嘴部21之间流动以提高预混喷嘴11的冷却效果。内、外高温气体循环流15、16形成在燃烧区以提高火焰维持能力。降低了迄今为火焰维持必不可少的辅助燃料的量，从而降低了辅助燃料燃烧产生的NOx量。防止了暴露于高温气体的基板17受预混喷嘴11的突出前部的过度加热。

Description

燃气涡轮燃烧室
技术领域
本发明涉及一种实现低NOx燃烧的燃气涡轮燃烧室。
背景技术
图4(a)和(b)示意地表示现有技术的燃气涡轮燃烧室，其中图4(a)是纵剖视图，示出燃烧室的内部，而图4(b)是燃烧室半边的前视图。在图4(a)和(b)中，主燃料40流入在燃烧室体36内绕其中轴线安排的八个预混喷嘴31中，然后与空气预混合，如下文所述，形成主预混合物以供应至燃烧室33的燃烧区中。由压缩机(未示出)供应空气以馈入燃烧室33，流经燃烧室体36的内周边空间部分，如图4(a)的箭头50所示。另一方面，辅助燃料41流进安排在燃烧室体36中轴线上的辅助喷嘴32，以喷入燃烧室33.从而辅助燃料41与主预混合物在此点燃以进行燃烧。在辅助喷嘴32上设有一个火焰维持锥体34，并且由火焰维持锥体34形成的高温循环气流35维持辅助燃料41的火焰。这种燃烧室具有预混喷嘴和如上所述的构成，一般称为低NOx燃烧室。
在上述现有技术的预混合火焰型低NOx燃烧室中，辅助喷嘴32的火焰由扩散的火焰维持，就是说，由火焰维持锥体34形成的高温循环气流35维持，从而降低了由预混喷嘴31产生的NOx的量。然而，由辅助喷嘴32的扩散火焰产生的NOx量不能受到抑制，会使得在总体上实现低NOx产生受到这种量值的限制。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种燃气涡轮燃烧室，这种燃气涡轮燃烧室构成得，既通过高温燃气循环流提高火焰维持能力，又改善预混喷嘴的冷却以从而降低辅助燃料量，同时降低辅助燃料产生的NOx量。
为了达到所述的目的，本发明提供了下述(1)至(4)项的措施：
(1)燃气涡轮燃烧室，包括在所述燃烧室的中轴线上安排的辅助喷嘴和多个绕所述辅助喷嘴安排的预混喷嘴，其特征在于，所述燃烧室的燃烧区的直径是这样设定的，使得在燃烧室的径向平面上测量面积时，处于燃烧区的内部和定位圈的外侧的面积、减去多个预混喷嘴在定位圈的外侧所占的面积后，剩余面积是全部多个预混喷嘴的面积的一半或一半以上，其中，将定位圈定义为多个预混喷嘴的所有中心轴线都设置在其上的圆圈。
(2)如以上措施(1)中所述的燃气涡轮燃烧室，其特征在于，多个预混喷嘴的每一个具有其前端突出超过支承该预混喷嘴的基板并且这种突出的前端的突出距离设定为预混喷嘴的外径的三分之一或三分之一以上。
(3)如以上措施(1)中所述的燃气涡轮燃烧室，其特征在于，多个预混喷嘴的每一个的前部做成具有内构件和外构件的双结构，在该内构件和外构件之间保持预定的间隙，空气可以在此间隙中流动。
(4)如以上措施(1)中所述的燃气涡轮燃烧室，其特征在于，燃烧室体作为燃烧室的外壳，在其中包括内圆柱形构件和外圆柱形构件，内圆柱形构件安排得包绕多个预混喷嘴，而外圆柱形构件的内径做得大于内圆柱形构件的外径，并且安排得包绕内圆柱形构件的前端部并且延伸内圆柱形构件的下游，以覆盖燃烧区，以此能够把燃烧区的直径扩大得超过内圆柱形构件的内径。
在本发明的措施(1)中，产生高温燃气的燃烧区的直径是这样设定的，使得处于燃烧区的内部和定位圈的外侧的截面积、减去多个预混喷嘴在定位圈的外侧所占的截面积后，剩余面积是全部多个预混喷嘴的截面积的一半或一半以上。以此结构，燃烧区的外周边空间部被扩大，并且在该空间部中形成气体滞留区，即在预混喷嘴前的外周边空间部内。通过来自预混喷嘴的预混合物燃烧产生的外部高温气体循环流形成在此气体滞留区。此外，辅助燃料产生的内部高温气体循环流形成在火焰维持锥体旁辅助喷嘴前的燃烧区的中心空间部。这样，通过内部和外部高温气体循环流，可以大大地提高燃烧室的火焰维持能力。从而，可以降低迄今为火焰维持必不可少的辅助燃料的量，可以降低辅助燃料燃烧产生的Nox量值，在整体上实现非常低的NOx产生。
在本发明的措施(2)中，多个预混喷嘴的每一个具有前端突出超过基板，使得基板不能够直接地暴露于高温气体循环流。从而防止了基板过热，并且可以更加可靠地实现本发明的措施(1)的作用。
在本发明的措施(3)中，多个预混喷嘴的每一个具有其前部做成具有内构件和外构件的双结构，在该内构件和外构件之间保持预定的间隙，空气可以在此间隙中流动，用于冷却预混喷嘴。从而防止了预混喷嘴过热，并且可以更加可靠地实现本发明的措施(1)的作用。
在本发明的措施(4)中，燃烧室体作为燃烧室的外壳，在其中包括内圆柱形构件和外圆柱形构件。外圆柱形构件的内径做得大于内圆柱形构件的外径。从而把燃烧区的直径向外扩大，使得易于在预混喷嘴前燃烧区的外周边空间部中形成气体滞留区。通过来自预混喷嘴的预混合物燃烧产生的外部高温燃烧气体循环流形成在此气体滞留区，并且提高了火焰维持能力。因此可以进一步保证通过本发明的措施(1)实现低NOx产生的作用。
附图说明
图1(a)和(b)示意地表示根据本发明的一个实施例的燃气涡轮燃烧室，其中图1(a)是纵剖视图，示出燃烧室的内部，而图1(b)是燃烧室半边的前视图。
图2是预混喷嘴之一的放大的纵剖视图。
图3是与图1(a)所示相同的视图，其中增加了画阴影线的部分。
图4(a)和(b)示意地表示现有技术的燃气涡轮燃烧室，其中图4(a)是纵剖视图，示出燃烧室的内部，而图4(b)是燃烧室半边的前视图。
具体实施方式
下面，结合附图说明根据本发明的一个实施例。
图1(a)和(b)示意地表示该实施例的燃气涡轮燃烧室，其中图1(a)是纵剖视图，示出燃烧室的内部，而图1(b)是燃烧室半边的前视图。在图1(a)和(b)中，标号10表示燃烧室体，作为燃烧室的外壳，八个预混喷嘴11设在其中，围绕燃烧室体10的中轴相互连接。预混喷嘴11构造得以其前端突出超过基板17，这将于后文说明。标号11表示辅助喷嘴，该辅助喷嘴安排在燃烧室体10的中轴线上。标号13表示燃烧室，该燃烧室包括燃烧室体10和安排在其中的其他部件。燃烧室体10在其中包括内圆柱形构件13a和外圆柱形构件13b。外圆柱形构件13b的内径做得既大于内圆柱形构件13a的外径，又大于现有技术的燃烧室的圆柱形构件的外径。外圆柱形构件13b安排得包绕内圆柱形构件13a的前端部并且延伸内圆柱形构件13a的下游，以覆盖燃烧室13的燃烧区。标号14表示火焰维持锥体，该火焰维持锥体取消了其前端部，使之短于现有技术的火焰维持锥体。标号17表示基板，这是把八个预混喷嘴11支承到内圆柱形构件13a的内圆周壁表面上的构件。
图2是预混喷嘴11之一的放大的纵剖视图。该预混喷嘴11的前部做成具有内侧的预混喷嘴部21和外侧的外套筒23的双结构。在图中略去了，外套筒23经过多个加强肋构件支承在预混喷嘴部21上。现有技术的预混喷嘴在其前端于基板位置进行截切，不进一步突出，而本发明的预混喷嘴11却于其前端突出超过基板17。就是说，外套筒23的前端向前突出超过基板17的位置。标号14表示火焰维持锥体，该锥体前端部由外套筒23的突起截短。标号22表示一个涡旋式喷嘴叶片，其结构与现有技术的相同。
在以上参照图1和图2描述的燃烧室中，主燃料40流入八个预混喷嘴11中并且与空气预混以形成预混合物，用于在燃烧室13的燃烧区中燃烧。空气由压缩机(未示出)供应以馈入燃烧室13中流经燃烧室体10的内周边空间部，如图1(a)中箭头50所示，然后流经预混喷嘴部21以及流经预混喷嘴部21的外周边空间部，如图2中的箭头51所示。另一方面，辅助燃料41经燃烧室中心位置的辅助喷嘴12供入燃烧室13中，并且在该室中与预混合物一起燃烧。
在辅助喷嘴12的火焰维持锥体14的前中心空间部，由辅助燃料产生高温气体内循环流15。此外，在预混喷嘴11前面的外圆柱形构件13b的内周边空间部，由从预混喷嘴11进入的预混合物产生高温气体外循环流16。从而通过这两个循环气流15、16，可靠地进行火焰维持。由于燃烧室13的结构，即燃烧室13包括内圆柱形构件13a和外圆柱形构件13b，并且把外圆柱形构件13b的内径做得较大，因而在预混喷嘴11的前面外圆柱形构件13b的内周边空间部中形成气体滞留区。这样，随着主预混合物的燃烧产生的高温燃烧气体循环流动，在此气体滞留区形成高温气体外循环流16。
随着增加火焰维持锥体14产生的高温气体内循环流引起的火焰维持，由于高温气体内循环气流和外循环气流15、16的结构，大大地加强了火焰维持能力。从而，迄今为火焰维持所需要的辅助燃料用量可以降低，从而可以减少辅助燃料产生的NOx，实现非常低NOx的燃烧。
如参照图2所作的说明，预混喷嘴11包括涡旋式喷嘴叶片22、预混喷嘴部21和外套筒23。外套筒23安排得与其内侧的预混喷嘴部21保持预定的间隙，如图2中箭头51所示，空气流入该间隙，从而可以有效地冷却受到高温气体加热的混喷嘴部21和外套筒23。
而且，由外套筒23的前端形成的预混喷嘴11的前端，突出超过基板17。由于这个突起的部分，防止直接暴露于高温气体外循环流16的基板17过度加热。图2中，L是突起部突出的距离，也就是基板17的前侧表面与预混喷嘴11前端之间的距离，而D是预混喷嘴11的外径，也就是外套筒23的外径，如果把L设定到D/3或者以上(L≥D/3)，就可以提高防止基板17过热的效果。
图3是与图1(a)相同的视图，其中增加了阴影线的部分。在图3中，字母P定义为定位圈，定位圈是所有预混喷嘴的中心轴线都设置在其上的圆圈。相应于燃烧室中燃烧区的直径的外圆柱形构件13b的内径是这样设定的，使得在燃烧室的径向平面上测量面积时，处于外圆柱形构件13b的内侧和定位圈P的外侧的面积、减去预混喷嘴11在定位圈P的外侧所占的面积，也就是说，图3中阴影线部分所占的面积是全部预混喷嘴11的面积的一半或一半以上。通过这样选择燃烧室内燃烧区的直径，在预混喷嘴11的前外侧空间部中有效地形成上述气体滞留区，从而可以大大地提高了火焰维持能力。
按照上述构成的燃气涡轮燃烧室，可以得到显著的降低NOx的效果。例如，NOx的量可以由现有技术的25PPM降低到10PPM或以下。
尽管在上面已经描述了本发明的优选实施例，应当理解，本发明不限于这里图示的和描述的具体结构和安排，而是包括落入权利要求书范围内的其修改形式。

Claims (4)

1.燃气涡轮燃烧室，包括在所述燃烧室的中轴线上安排的辅助喷嘴和多个绕所述辅助喷嘴安排的预混喷嘴，其中所述燃烧室的燃烧区的直径是这样设定的，使得在所述燃烧室的径向平面上测量面积时，处于所述燃烧区的内部和定位圈的外侧的面积、减去所述多个预混喷嘴在所述定位圈的外侧所占的面积后，剩余面积是全部所述多个预混喷嘴的面积的一半或一半以上，其中，将定位圈定义为所述多个预混喷嘴的所有中心轴线都设置在其上的圆圈。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮燃烧室，其特征在于，所述多个预混喷嘴的每一个具有其前端突出超过支承所述预混喷嘴的基板并且这种突出的前端的突出距离设定为所述预混喷嘴的外径的三分之一或三分之一以上。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮燃烧室，其特征在于，所述多个预混喷嘴的每一个的前部做成具有内构件和外构件的双结构，在所述内构件和所述外构件之间保持预定的间隙，空气可以在所述间隙中流动。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮燃烧室，其特征在于，燃烧室体作为所述燃烧室的外壳，在其中包括内圆柱形构件和外圆柱形构件，所述内圆柱形构件安排得包绕所述多个预混喷嘴，而所述外圆柱形构件的内径做得大于所述内圆柱形构件的外径，并且安排得包绕所述内圆柱形构件的前端部并且延伸所述内圆柱形构件的下游，以覆盖所述燃烧区，以此能够把所述燃烧区的直径扩大得超过所述内圆柱形构件的内径。
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