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CN113864818A - 燃烧器空气流动路径 - Google Patents

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CN113864818A
CN113864818A CN202110587893.4A CN202110587893A CN113864818A CN 113864818 A CN113864818 A CN 113864818A CN 202110587893 A CN202110587893 A CN 202110587893A CN 113864818 A CN113864818 A CN 113864818A
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combustion zone
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R·巴加特
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General Electric Co PLC
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General Electric Co
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Publication date
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Abstract

本发明题为“燃烧器空气流动路径”。本发明公开了一种用于涡轮机的燃烧器(50)，该燃烧器包括头部端部(72)、至少部分地限定热气体路径的衬里(66)以及周向地围绕该衬里(66)的至少一部分的流动套筒(68)。流动套筒(68)与衬里(66)间隔开以在其间形成冷却流动环带(90)。冷却流动环带(90)与高压充气室(58)直接流体连通，由此来自高压充气室的空气流入冷却流动环带(90)并且从冷却流动环带(90)流动到头部端部(72)。燃烧器(50)还包括第一燃烧区和沿着热气体路径(32，70)在第一燃烧区下游的第二燃烧区。多个燃料喷射器(84)与第二燃烧区流体连通，并且不与高压充气室(58)直接流体连通。

Description

燃烧器空气流动路径
技术领域
本公开整体涉及用于涡轮机的燃烧器。更具体地讲，本公开涉及具有轴向分级燃料喷射器的燃烧器和限定用于此类燃烧器的空气流动路径的特征。
背景技术
涡轮机用于各种工业和应用中以用于能量传递目的。例如，气体涡轮引擎通常包括压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。压缩机区段逐渐增加进入气体涡轮引擎的工作流体的压力，并且将该压缩的工作流体供应到燃烧区段。经压缩的工作流体和燃料(例如，天然气)在燃烧区段内混合并在燃烧室中燃烧以生成高压和高温燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段流入涡轮区段，在该涡轮区段中燃烧气体膨胀以做功。例如，涡轮区段中燃烧气体的膨胀可使连接到例如发电机的转子轴旋转以产生电力。然后燃烧气体经由排气区段离开气体涡轮。
气体涡轮机通常燃烧烃燃料并产生排放物，诸如氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)。通常期望使此类排放物的产生最小化。气体涡轮机中分子氮的氧化取决于位于燃烧器中的气体的温度，以及位于燃烧器内最高温度区域中的反应物的停留时间。因此，可通过将燃烧器温度保持在产生NOx的温度以下或通过限制反应物在燃烧器中的停留时间来减少由气体涡轮机产生的NOx的量。
一种用于控制燃烧器的温度的方法涉及预混合燃料和空气以在燃烧之前产生贫燃料-空气混合物。该方法可包括燃料喷射的轴向分级，其中第一燃料-空气混合物被喷射并在燃烧器的第一或主燃烧区处点燃以产生高能燃烧气体的主要流，并且其中第二燃料-空气混合物经由定位在主燃烧区下游的多个径向取向且周向间隔开的燃料喷射器或轴向分级的燃料喷射器组件(有时也称为后贫喷射器)喷射到高能燃烧气体的主流中并与其混合。轴向分级喷射增加了可用燃料完全燃烧的可能性，这继而减少了不期望的排放。
在燃烧器的操作期间，有必要冷却形成燃烧室的一个或多个衬里或导管和/或穿过燃烧器的热气体路径。衬里冷却通常通过引导冷却介质诸如来自压缩机的经压缩的工作流体通过在衬里和流动套筒和/或围绕衬里的冲击套筒之间限定的冷却流动环带或流动通道来实现。因此，转移通过轴向分级喷射器的经压缩的工作流体的部分可减少提供给燃烧室外部的冷却量。
因此，用于向轴向分级喷射器供应经压缩的工作流体而不减少提供给燃烧衬里或导管的冷却的改进的系统和方法将是有用的。
发明内容
根据本公开的系统的各方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过该技术的实践来学习。
根据一个实施方案，提供了用于涡轮机的燃烧器。燃烧器联接至涡轮机的外部壳体并与外部壳体内的高压充气室流体连通。燃烧器包括头部端部、至少部分地限定热气体路径的衬里以及周向地围绕衬里的至少一部分的流动套筒。流动套筒与衬里间隔开以在其间形成冷却流动环带。冷却流动环带与高压充气室直接流体连通，由此来自高压充气室的空气流入冷却流动环带并且从冷却流动环带流动到头部端部。燃烧器还包括由衬里限定的第一燃烧区和由衬里限定的第二燃烧区，该第二燃烧区沿着热气体路径在第一燃烧区的下游。多个燃料喷射器与第二燃烧区流体连通。多个燃料喷射器被配置成将燃料和空气的混合物直接喷射到第二燃烧区中。多个燃料喷射器不与高压充气室直接流体连通。
根据另一个实施方案，提供了一种涡轮机。涡轮机包括从入口延伸到排放口的压缩机。压缩机的排放将高压空气流直接提供到限定在涡轮机的外部壳体内的高压充气室中。涡轮机还包括燃烧器。燃烧器包括头部端部、至少部分地限定热气体路径的衬里以及周向地围绕衬里的至少一部分的流动套筒。流动套筒与衬里间隔开以在其间形成冷却流动环带。冷却流动环带与高压充气室直接流体连通，由此来自高压充气室的空气流入冷却流动环带并且从冷却流动环带流动到头部端部。燃烧器还包括由衬里限定的第一燃烧区和由衬里限定的第二燃烧区，该第二燃烧区沿着热气体路径在第一燃烧区的下游。多个燃料喷射器与第二燃烧区流体连通。多个燃料喷射器被配置成将燃料和空气的混合物直接喷射到第二燃烧区中。多个燃料喷射器不与高压充气室直接流体连通。涡轮机还包括燃烧器下游的涡轮机和涡轮机下游的排气口。
参考以下描述和所附权利要求，本发明组件的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。结合到本说明书中并构成其一部分的附图示出了本技术的实施方案，并与描述一起用于解释本技术的原理。
附图说明
本说明书中参考附图阐述了涉及本领域的普通技术人员的本发明系统的完整且能够实现的公开内容，包括制造和使用本发明组件的最佳模式，其中：
图1是根据本公开的实施方案的涡轮机的示意图；
图2示出了示例性涡轮机的一部分的横截面侧视图，该涡轮机包括可涵盖本公开的各种实施方案的示例性燃烧器；
图3示出了根据本公开的一个或多个实施方案的燃烧器的一部分的简化侧截面图；
图4示出了根据本公开的一个或多个实施方案的用于涡轮机的燃烧器的一部分的透视图；
图5示出了根据本公开的一个或多个实施方案的用于涡轮机的燃烧器的凸缘的截面图；
图6示出了根据本公开的一个或多个附加实施方案的用于涡轮机的燃烧器的凸缘的截面图；并且
图7示出了根据本公开的一个或多个实施方案的用于涡轮机的燃烧器的某些部件的部分的示意性截面图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明系统的实施方案，其一个或多个示例在附图中示出。每个示例是通过解释本发明技术的方式提供的，而不是对本技术的限制。事实上，对于本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离受权利要求书保护的本发明技术的范围或实质的情况下，可以在本发明技术中进行修改和变化。例如，作为一个实施方案的一部分示出或描述的特征可以用于另一个实施方案，以产生又一个实施方案。因此，本公开旨在涵盖落入所附权利要求书及其等同物的范围内的这些修改和变化。
具体实施方式使用数字和字母名称指代附图中的特征结构。附图和说明书中的相似或类似的名称已经用于指代本发明的相似或类似的部件。如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用，以将一个部件与另一个部件区分开来，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
如本文所用，术语“上游”(或“向上”)和“下游”(或“向下”)是指相对于流体通路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从其流动的方向，并且“下游”是指流体向其流动的方向。术语“径向地”是指基本垂直于特定部件的轴向中心线的相对方向，术语“轴向地”是指与特定部件的轴向中心线基本平行和/或同轴对准的相对方向，并且术语“周向地”是指围绕特定部件的轴向中心线延伸的相对方向。近似术语，诸如“大体”或“约”包括在大于或小于指定值的百分之十内的值。当在角度或方向的上下文中使用时，此类术语包括在大于或小于所述角度或方向的十度内。例如，“大体竖直”包括沿任何方向(例如，顺时针或逆时针)在竖直的十度内的方向。
现在参见附图，图1示出了涡轮机的一个实施方案的示意图，该涡轮机在所示实施方案中是气体涡轮10。尽管本文示出并描述了工业或陆基气体涡轮机，但除非在权利要求中另外指明，否则本公开不限于工业和/或陆基气体涡轮机。例如，如本文所述的系统可用于任何类型的涡轮机，包括但不限于蒸汽涡轮机、飞行器气体涡轮机或船用气体涡轮机。
如图所示，气体涡轮机10通常包括入口区段12、设置在该入口区段12下游的压缩机区段14、设置在该压缩机区段14下游的燃烧器区段16内的多个燃烧器50(图2中示出了其中一个示例)、设置在该燃烧器区段16下游的涡轮机区段18、以及设置在该涡轮机区段18下游的排气区段20。另外，气体涡轮10可包括联接在压缩机区段14和涡轮区段18之间的一个或多个轴22。
压缩机区段14一般可包括多个转子盘24(示出了其中一个)以及从每个转子盘24径向向外延伸并且连接到每个转子盘的多个转子叶片26。每个转子盘24继而可联接到或者形成延伸穿过压缩机区段14的轴22的一部分。
涡轮区段18一般可包括多个转子盘28(示出了其中一个)以及从每个转子盘28径向向外延伸并且互连到每个转子盘的多个转子叶片30。每个转子盘28继而可联接到或形成延伸穿过涡轮区段18的轴22的一部分。涡轮区段18还包括外部壳体31，该外部壳体周向围绕轴22的部分和转子叶片30，从而至少部分地限定穿过涡轮区段18的热气体路径32。
在操作期间，工作流体诸如空气流过入口区段12并进入压缩机区段14，在该处空气逐渐被压缩，从而将加压空气提供给压缩机区段16的燃烧器。加压空气与燃料混合并在每个燃烧器内燃烧以产生燃烧气体34。燃烧气体34从燃烧器区段16流过热气体路径32，流入涡轮区段18，在该涡轮区段中能量(动能和/或热能)从燃烧气体34传递到转子叶片30，从而导致轴22旋转。然后，机械旋转能可用于为压缩机区段14供电和/或发电。然后，离开涡轮区段18的燃烧气体34可经由排气区段20从气体涡轮10排出。
图2提供了包括示例性燃烧器50的示例性气体涡轮机10的一部分的横截面侧视图，例如，该示例性燃烧器可以是设置在图1中所示并且如上所述的燃烧器区段16中的若干个燃烧器中的一个。所示的示例性燃烧器50可涵盖本公开的各种实施方案。如图所示，燃烧器50至少部分地被外部壳体52(诸如设置在压缩机14下游的压缩机排出壳体54)和/或外部涡轮机壳体56围绕。外部壳体52与压缩机14流体连通并且至少部分地限定围绕燃烧器50的至少一部分的高压充气室58。端盖60在燃烧器50的一个端部处联接至外部壳体52。
如图2所示，燃烧器50通常包括从端盖60向下游延伸的至少一个轴向延伸的燃料喷嘴62、在端盖60下游的外部壳体52内径向和轴向延伸的环形端帽组件64、从端帽组件64向下游延伸的环形热气体路径导管或燃烧衬里66、以及围绕燃烧衬里66的至少一部分的环形流动套筒68。燃烧衬里66限定用于引导燃烧气体34通过燃烧器50的热气体路径70。端盖60和端帽组件64至少部分地限定燃烧器50的头部端部72。
端帽组件64通常包括定位在端盖60下游的前端74、设置在前端74下游的后端76、以及至少部分地在它们之间延伸的一个或多个环形护罩78。在特定实施方案中，轴向延伸的燃料喷嘴62至少部分地延伸穿过端帽组件64以从压缩机14向主燃烧区82提供第一可燃混合物80，该第一可燃混合物主要由燃料和一部分压缩的工作流体19例如空气组成，该主燃烧区被限定在端帽组件64的后端76下游的燃烧衬里66内。
在特定实施方案中，燃烧器50还包括一个或多个径向延伸的燃料喷射器84(也称为轴向分级燃料喷射器或后贫燃料喷射器)，其在至少一个轴向延伸的燃料喷嘴62下游的点处延伸穿过流动套筒68和燃烧衬里66。燃烧衬里66限定燃烧器50内的燃烧室86。在特定实施方案中，燃烧衬里66还限定次燃烧区88，该次燃烧区靠近燃料喷射器84并且在主燃烧区82的下游。在特定实施方案中，燃烧衬里66、流动套筒68和燃料喷射器84作为燃烧模块100的一部分提供，该燃烧模块轴向延伸穿过外部壳体52并且周向地围绕端帽组件64的至少一部分。
燃烧模块100包括相对于燃烧模块100的轴向中心线106(图4)与后端或下游端104轴向分离的前端或上游端102。如图2所示，燃烧衬里66向下游延伸并终止于后框130。安装支架131可联接至后框130。在一些实施方案中，后框130和/或安装支架131可联接至外部涡轮机壳体56，并且安装凸缘112可连接至压缩机排出壳体54，以便在燃烧模块100的前端102和后端104处约束燃烧模块100。
图3提供了根据本公开的各种实施方案的燃烧器50的一部分的简化侧截面图。如在图3中可见，流动套筒68可周向地围绕衬里66的至少一部分，并且流动套筒68可与衬里66间隔开以在其间形成冷却流动环带90。来自压缩机排放充气室58的经压缩的工作流体19可沿着衬里66的外部流过冷却流动环带90以向衬里66提供对流冷却，然后反转方向以流过头部端部72和轴向延伸的燃料喷嘴62(图2)。
多个燃料喷射器84可围绕一个或多个主燃料喷嘴62下游的衬里66和流动套筒68周向地布置。燃料喷射器84提供通过衬里66和流动套筒68并进入燃烧室86的流体连通。燃料喷射器84可接收与供应到燃料喷嘴62的燃料相同或不同的燃料，并且将燃料与经压缩的工作流体19的一部分混合然后将混合物喷射到燃烧室86中或同时将混合物喷射到燃烧室中。这样，燃料喷射器84可将燃料和经压缩的工作流体19的混合物直接供应到次燃烧区88以用于附加燃烧，从而升高燃烧器50的温度，并因此提高效率。在示例性实施方案中，燃料通过限定在流动套筒68中的通道输送，但也可替代使用在流动套筒68径向向外设置的燃料导管(如图4所示)。
在一些实施方案中，如图3所示，燃烧器50可包括围绕多个燃料喷射器84中的一些或全部的至少一个空气罩92。例如，在一些实施方案中，单个空气罩92(诸如图3所示)可周向地围绕燃料喷射器84，以防止燃料喷射器84受到从压缩机14流出的经压缩的工作流体19的直接冲击。因此，多个燃料喷射器84不与高压充气室58直接流体连通。空气罩92可压力配合或换句话讲连接至安装凸缘112和/或围绕流动套管68的圆周以在空气罩92和流动套管68之间提供基本上封闭的容积或第二环形通道94。空气罩92可沿着流动套筒50的一部分或整个长度轴向延伸，终止于燃料喷射器84处或略微向后。在图3所示的特定实施方案中，例如，空气罩92沿流动套管68的整个长度轴向延伸，使得空气罩92与流动套管68基本上共延。
在一些实施方案中，例如，如图4所示，可提供多个空气罩92，诸如对于每个燃料喷射器84具有一个空气罩92，例如，空气罩92和燃料喷射器84之间一一对应，使得对于每个燃料喷射器84具有一个空气罩92，并且每个空气罩92围绕一个燃料喷射器84。如图4所示，每个燃料喷射器84可通过在燃料喷射器84和安装凸缘112之间延伸的流体导管126流体地联接至燃料源。另外如图4可见，后框130可定位在燃烧衬里66的后端或下游端128处并围绕其延伸。例如，后框130可周向地围绕后端128，例如，如图4所示。
图5示出了与包括单个空气罩92(例如，如图3所示)的实施方案一起使用的凸缘112的截面图。在此类实施方案中，凸缘112可包括围绕凸缘112连续的单个通道96，例如，单个通道96可围绕整个凸缘112周向地延伸，如图5所示。图6示出了与包括多个空气罩92(例如，如图4所示)的实施方案一起使用的凸缘112的截面图。在此类实施方案中，凸缘112可包括穿过其中的多个通道96，并且多个通道96可在凸缘112上以周向阵列布置，例如，多个通道96可围绕凸缘112的圆周间隔开，如图6所示，使得每个通道96与相应的空气罩92和燃料喷射器84周向对准。
由每个空气罩92限定的封闭容积94可与凸缘112中的狭槽或通道96直接流体连通，以从凸缘112接收经压缩的工作流体(例如，空气)19的直接流动并将空气19输送到多个燃料喷射器84，诸如通过安装凸缘112中的一个或多个通道96，例如，如图3和图7所示。例如，在各种实施方案中，流过冷却流动环带90的空气19的一部分可径向向外引导到一个或多个通道96中，例如，如图7所示。此外，空气19从凸缘112向多个燃料喷射器84的流动可以是空气到多个燃料喷射器84的唯一流动。因此，多个燃料喷射器84可完全位于凸缘112的下游并且例如经由凸缘112仅与高压充气室58和冷却流动环带90间接流体连通，其中经压缩的工作流体(例如，空气)19在完全行进通过冷却流动环带90之后仅到达多个燃料喷射器84，并且然后到达至少凸缘112。因此，经压缩的工作流体可仅在例如沿着从高压充气室58到凸缘112的连续且不间断的流动路径(例如，经由冷却流动环带90)流过整个冷却流动环带90之后流到多个燃料喷射器84。例如，从高压充气室58至凸缘112的流动路径可为不间断的，至少因为来自高压充气室58的经压缩的工作流体19没有在到达凸缘112之前被转移至多个燃料喷射器84。例如，与允许压缩的工作流体19中的一些在到达冷却流动环带90之前(诸如在压缩的工作流体19流过整个冷却流动环带90之前)从高压充气室58直接流动到多个燃料喷射器84的设计相比，此类流动路径可有利地为衬里66提供改善的或增加的冷却。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质差异的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种用于涡轮机的燃烧器(50)，所述燃烧器(50)联接至所述涡轮机的外部壳体(31，52)并且与所述外部壳体(31，52)内的高压充气室(58)流体(19)连通，所述燃烧器(50)包括：
头部端部(72)；
衬里(66)，所述衬里至少部分地限定热气体路径(32，70)，所述热气体路径包括第一燃烧区和在所述第一燃烧区下游的第二燃烧区：
流动套筒(68)，所述流动套筒周向地围绕所述衬里(66)的至少一部分，其中所述流动套筒(68)与所述衬里(66)间隔开以在其间形成冷却流动环带(90)，所述冷却流动环带(90)与所述高压充气室(58)直接流体(19)连通，由此来自所述高压充气室(58)的空气(19)流入所述冷却流动环带(90)中并从所述冷却流动环带(90)流动到所述头部端部(72)；和
与所述第二燃烧区流体(19)连通的多个燃料喷射器(84)，所述多个燃料喷射器(84)被配置成将燃料和空气(19)的混合物直接注入所述第二燃烧区中；
其中所述多个燃料喷射器(84)不与所述高压充气室(58)直接流体(19)连通。
2.根据权利要求1所述的燃烧器(50)，其中所述燃烧器(50)限定从所述高压充气室(58)到所述头部端部(72)的连续且不间断的流动路径。
3.根据权利要求2所述的燃烧器(50)，其中所述连续且不间断的流动路径经由所述冷却流动环带(90)从所述高压充气室(58)延伸到所述头部端部(72)。
4.根据权利要求1所述的燃烧器(50)，还包括围绕所述多个燃料喷射器(84)的至少一个空气(19)罩。
5.根据权利要求4所述的燃烧器(50)，其中所述至少一个空气(19)罩包括围绕所述多个燃料喷射器(84)中的每个燃料喷射器(84)的单个空气(19)罩。
6.根据权利要求4所述的燃烧器(50)，其中所述至少一个空气(19)罩包括多个空气(19)罩。
7.根据权利要求6所述的燃烧器(50)，其中所述多个空气(19)罩中的每个空气(19)罩围绕所述多个燃料喷射器(84)中的对应的一个燃料喷射器，并且所述多个燃料喷射器(84)中的每个燃料喷射器(84)由所述多个空气(19)罩中的对应的空气(19)罩围绕。
8.根据权利要求1所述的燃烧器(50)，还包括设置在所述头部端部(72)附近的凸缘(112)，其中所述凸缘(112)联接至所述外部壳体(31，52)并且限定与所述冷却流动环带(90)流体(19)连通的至少一个通道，以用于将空气流(19)从冷却流动环带(90)引导到所述多个燃料喷射器(84)。
9.根据权利要求8所述的燃烧器(50)，其中经由所述凸缘(112)中的所述至少一个通道引导到所述多个燃料喷射器(84)的所述空气流(19)是通向所述多个燃料喷射器(84)的唯一空气流(19)。
10.一种涡轮机，所述涡轮机包括：
从入口延伸到排放口的压缩机(14)，所述压缩机(14)的所述排放口将高压空气流(19)直接提供到限定在所述涡轮机的外部壳体(31，52)内的高压充气室(58)中；
燃烧器(50)，所述燃烧器(50)包括：
头部端部(72)；
衬里(66)，所述衬里至少部分地限定热气体路径(32，70)，所述热气体路径包括第一燃烧区和在所述第一燃烧区下游的第二燃烧区；
流动套筒(68)，所述流动套筒周向地围绕所述衬里(66)的至少一部分，其中所述流动套筒(68)与所述衬里(66)间隔开以在其间形成冷却流动环带(90)，所述冷却流动环带(90)与所述高压充气室(58)直接流体(19)连通，由此来自所述高压充气室(58)的空气(19)流入所述冷却流动环带(90)中并从所述冷却流动环带(90)流动到所述头部端部(72)；和
与所述第二燃烧区流体(19)连通的多个燃料喷射器(84)，所述多个燃料喷射器(84)被配置成将燃料和空气(19)的混合物直接注入所述第二燃烧区中；
其中所述多个燃料喷射器(84)不与所述高压充气室(58)直接流体(19)连通；和
涡轮机，所述涡轮机在所述燃烧器(50)下游。
11.根据权利要求10所述的涡轮机，其中所述燃烧器(50)限定从所述高压充气室(58)到所述头部端部(72)的连续且不间断的流动路径。
12.根据权利要求11所述的涡轮机，其中所述连续且不间断的流动路径经由所述冷却流动环带(90)从所述高压充气室(58)延伸到所述头部端部(72)。
13.根据权利要求10所述的涡轮机，还包括围绕所述多个燃料喷射器(84)的至少一个空气(19)罩。
14.根据权利要求13所述的涡轮机，其中所述至少一个空气(19)罩包括围绕所述多个燃料喷射器(84)中的每个燃料喷射器(84)的单个空气(19)罩。
15.根据权利要求13所述的涡轮机，其中所述至少一个空气(19)罩包括多个空气(19)罩。
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