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CN1316198C - 带出口环的预混合引燃燃烧器 - Google Patents

带出口环的预混合引燃燃烧器 Download PDF

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CN1316198C CNB038187736A CN03818773A CN1316198C CN 1316198 C CN1316198 C CN 1316198C CN B038187736 A CNB038187736 A CN B038187736A CN 03818773 A CN03818773 A CN 03818773A CN 1316198 C CN1316198 C CN 1316198C
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Abstract

一种用于操作热发生器的燃烧器包括：上游漩涡发生器，用于使燃烧空气流产生漩涡；用于将至少一种燃料喷射到上游漩涡发生器中的燃烧空气流内的装置，以在上游漩涡发生器中形成燃烧空气和燃料流；出口环，位于燃烧器的下游端处，且在燃料进行燃烧的燃烧室的边缘处；混合部分，设置在上游漩涡发生器的下游，具有下游端、用于向下游传输燃烧空气和燃料流的至少一个传输通道以及位于所述至少一个传输通道的下游且从所述至少一个传输通道中接收燃烧空气和燃料流的混合管；混合部分的下游端毗邻燃烧室且由出口环形成。通过将引燃系统设置在出口环中，以将液体燃料喷射到燃烧室内，使得燃烧器的引燃模式操作是有利的和经济的。

Description

带出口环的预混合引燃燃烧器
技术领域
本发明涉及一种用于操作热发生器的燃烧器，其包括：上游漩涡发生器，其用于使燃烧空气流产生漩涡；用于将至少一种燃料喷射到上游漩涡发生器中的燃烧空气流内的装置；出口环，其位于燃烧器的下游端处，且在燃料进行燃烧的燃烧室的边缘处。
背景技术
预混合燃烧器的特征在于：如果在贫油燃烧条件(leancondition)下进行操作，则NOx的排放量特别低。相应地，这些预混合燃烧器在标准载荷的贫油燃烧条件下操作。如果载荷减少，则在燃料供应减少时这些预混合燃烧器有变得不稳定的趋势。
例如在EP 0321809B1中提出了一种预混合燃烧器，其包括若干锥形壁部分，所述锥形壁部分彼此之间相互偏置，且留有可使燃烧空气进入燃烧室内部的入口缝。液体和气体燃料可在这样一个预混合燃烧器中燃烧，优选地利用位于燃烧器轴线上的中央喷油嘴来喷射液体燃料，同时在锥形壁部分之间的入口缝处将气体燃料添加到燃烧空气流中。
在例如EP 0704657A2或EP 0780629A2中描述的另一种替代性预混合燃烧器中，额外地在燃烧器的下游处包括在EP 0321809B1中所描述的混合管，其中在混合管的入口处具有传输通道，用作漩涡燃烧空气进入混合管的可控制入口。
为了允许减少燃料供应同时可避免上述问题，通过在中央喷油嘴处设置特定的引燃喷嘴或设置特别长的中央喷油嘴，可使所谓的引燃模式适用于上述燃烧器。可选地，进行以下设置可使引燃模式成为可能，即靠近燃烧器、在燃烧室的后侧壁上且与燃烧器出口相隔开地设置单独燃料喷射管道(如EP 1070914A1中所述)，或设置燃料和燃烧空气用的单独混合元件(如EP 0797051A2中所述)，其中该燃料和燃烧空气可用于燃烧器的引燃操作。在EP 0994300A1中描述了另一种可能的引燃操作，其中根据EP0704657A2或EP 0780629A2所述的燃烧器设置有包括漩涡发生器的出口环，且其中引燃气体喷射到燃烧室内并进入由上述漩涡发生器产生的漩涡中。在EP 0931980A1中描述了引燃操作用的另一种替代性方式，其中引燃气体在和燃烧空气混合之后，紧靠着出口环喷射到燃烧室内。此外，在该文献中也公开了用于点燃引燃气体的装置。EP 1199522A2中描述了一种特定的喷油器，其具有内外喷油口和内外空气旋流器，以将燃料和空气导入内外再循环区域，其中内区域是主燃烧区，外区域是引燃区域。根据EP 1058062A1的喷油器包括环形分配腔，其中通过许多个管道将燃料从该环形分配腔分配到燃烧室内以供给引燃火焰，该引燃火焰具有环形形状且围绕中央主火焰。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种可进行引燃操作的替代性通用燃烧器。特别地，引燃操作应当可用于这样一种燃烧器(其可用于操作热发生器)，该燃烧器包括：上游漩涡发生器，其用于使燃烧空气流产生漩涡；用于将至少一种燃料喷射到上游漩涡发生器中的燃烧空气流内的装置；出口环，其位于燃烧器的下游端处，且在燃料进行燃烧的燃烧室的边缘处。上述燃烧器的一个例子是如EP 0321809B1中所述的双锥形燃烧器。
本发明如下来解决上述问题，即引燃系统设置在出口环中(或出口环处)，用于将液体燃料喷射到燃烧室内。公知地，将引燃气体用的引燃系统定位在出口环中，但是在引燃模式下使用上述利用液体燃料的引燃系统时会引起许多问题，即在正常载荷条件下在上述区域中产生巨大的热量。将液体燃料用于引燃模式的可能性，对于工业用燃气轮机来说特别引人注意(其中工业用燃气轮机对各种燃料的适应性是一个关键问题)。此外，在引燃模式下使用燃油会使点火更加容易，因为点燃液体燃料通常比点燃引燃气体要容易。此外，与现有技术中的燃油引燃喷嘴相比，一旦操作从空载改变成满负荷，则所提出的液体引燃系统就不必使用清洗空气来清洗。在满负荷条件下，仍然可以使用燃油引燃系统(＜5％的燃油引燃)来加强火焰稳定性。因此，不需要关闭这些喷嘴，并且由于这样就不需要进行清洗。这降低了不同操作模式之间的时间延迟。将燃油喷射位置设置在出口环上且将液体引燃燃料直接喷射到燃烧室内，会将减少发生回火的危险。
因此，本发明提供了一种用于操作热发生器的燃烧器，其包括：上游漩涡发生器，其用于使燃烧空气流产生漩涡；用于将至少一种燃料喷射到上游漩涡发生器中的燃烧空气流内的装置，以在上游漩涡发生器中形成燃烧空气和燃料流；出口环，其位于燃烧器的下游端处，且在燃料进行燃烧的燃烧室的边缘处；引燃系统，其设置在出口环中，用于将液体燃料喷射到燃烧室内；混合部分，其设置在上游漩涡发生器的下游，其中该混合部分具有：下游端；至少一个传输通道，其用于向下游传输所述燃烧空气和燃料流；以及混合管，其位于所述至少一个传输通道的下游，且从所述至少一个传输通道中接收述燃烧空气和燃料流；其中，所述混合部分的所述下游端毗邻燃烧室且由所述出口环形成；其中，液体燃料在一个包括混合管的轴线的平面中进行喷射而产生射流，液体燃料的射流优选相对于所述轴线向外倾斜一个位于15°-60°范围内、更优选为25°的角度。
各种结构的出口环可用于定位上述的引燃系统。然而，如下构造的出口环将特别地有利，即所述出口环包括锥形倾斜前表面，其背对着燃烧器轴线面向燃烧室，且液体燃料通过所述倾斜前表面中的至少一个孔、优选仅一个孔进行喷射。相对于燃烧器出口处的通常流动条件，优选地沿正交于倾斜前表面的轴线方向来引导喷射。已经表明，每个燃烧器设置一个引燃喷嘴就足以维持稳定的引燃操作；特别是如果燃烧室内的相邻燃烧器的喷嘴相对于彼此适当地取向，则更是如此。
根据本发明的另一个优选实施例，所述燃烧器的特征在于：利用管将所述液体燃料传送给所述引燃系统；并且，喷嘴位于所述管的下游端，其中所述液体燃料通过所述喷嘴进行喷射；并且，设置有将空气导向出口环中的孔内的装置，其中由所述喷嘴产生的射流通过所述孔进入燃烧室。优选地，将空气导入燃烧器末端的所述装置包括位于出口环中的环形空气通道。在喷嘴周围进行流动并隔离喷溅的空气，会使得喷嘴表面冷却，并防止特别是在全负荷条件下产生过热。
本发明的另一个优选实施例的特征在于：在管中的所述喷嘴的上游，设置有用于在管内产生液体燃料流动中湍流的装置。用于产生湍流的上述装置增加了液体燃料射流的张角，该张角提高了燃烧空气和液体燃料之间的混合。优选地，所述装置被设置为具有至少两个孔的至少一个湍流发生器，其中液体燃料必须流经所述至少一个湍流发生器。类似地，以特别容易地方式在管内产生了湍流。
根据本发明的另一个优选实施例，所述喷嘴位于终止了管的倾斜端板中，所述端板优选大致平行于倾斜前表面。所述端板是延伸到管下游的孔内的端部锥体，其中所述端部锥体的轴线与孔的轴线大致对准。通过使用锥形端板，从喷嘴排出液体燃料的实际位置可以更靠近出口环中的孔的出口，从而可以防止燃料的射流例如被空气所偏转，其中该空气通过将射流推到孔的壁上而对其造成障碍。
根据本发明的另一个优选实施例，所述出口环附加包括第二引燃系统，用于将引燃气体喷射到燃烧室内，其中优选地所述第二引燃系统也设置在出口环中，且包括多个喷射位置，所述多个喷射位置沿周向布置在背对燃烧器轴线的出口环锥形倾斜前表面的周围。所提出的液体燃料用引燃系统和位于同一个出口环内的常见引燃气体用引燃系统相结合，使得可以通过对上述引燃气体系统进行简单地修改，就可显著增强燃烧器的通用性。
本发明还涉及一种用于燃气轮机装置的环形燃烧室，其特征在于：在所述环形燃烧室内，设置有至少两个上述的燃烧器，优选设置有至少十个上述的燃烧器。优选地，上述环形燃烧室的特征在于，每一个所述燃烧器都具有一个喷嘴，用于喷射引燃操作所用的液体燃料；其中对于所有的喷嘴/燃烧器而言，每个燃烧器中的所述喷嘴的径向位置相对于环形燃烧室内的每个燃烧器的径向位置都是相等的。在环形燃烧室内的燃烧器喷嘴的上述布置方式，最优化了引燃操作的稳定性，由于环形燃烧室内的外侧漩涡方向，相邻燃烧器的燃油引燃火焰的形状会优化地进行重叠。从而，可以增强引燃模式下的截面点火性能。
附图说明
在附图中，显示了本发明的优选实施例，其中：
图1显示了出口环的透视图；
图2显示了沿图1中A-A线(即在设有引燃油用管的位置处)所截取的轴向剖视图；
图3显示了一个示意性轴向剖视图，其经过了带有混合管的双锥形燃烧器；
图4具体地显示了出口环中的引燃油路径(包括引燃油的射流)；
图5显示了环形燃烧室中的燃烧器的圆形布置方式，表现了引燃油喷射的相对位置关系。
具体实施方式
附图用来示意说明本发明的优选实施例，但是不用于限定本发明；参考附图，图1显示了出口环1的透视图。在燃烧器被安装后，则燃烧室2位于右手侧下部。混合管位于左手侧上方。出口环1包括倾斜前表面3，其背对着在操作中从燃烧器排出的燃烧空气流(或燃料流)。倒圆内表面16面向从混合管的腔体5中排出的燃烧空气流(或燃料流)。该倒圆表面16设置了分断棱边，该分断棱边稳定并扩大了在燃烧器的下游区域中形成的回流区。更具体地，可参考专利文献EP 0780629A2，其公开的内容结合在此作为参考。
出口环1设置有使用引燃气体的引燃系统，以及设置有使用液体燃料(即引燃油)的引燃系统。为了操作使用引燃气体的燃烧器，在出口环1的倾斜前表面3上设置有多个孔4(16个孔)。这些孔的轴线34大致垂直于倾斜前表面3所在的平面。这些孔4当中仅有一个孔，即连接到引燃油用管8的孔(在图1中被A-A线所剖切)，将用于引燃油操作。为了向引燃燃料供应燃烧空气，设置了特定的通道来将该燃烧空气引导到孔4内。该燃烧空气随后通过入口孔7进入出口环的内部。
图2显示了沿图1中A-A线剖切出口环1所截取的轴向剖视图。在顶部，该剖视图经过了引燃油供应系统。引燃油用管8直接通到出口环内且在其中一个孔4处终止。在出口环1的末端区域，即倾斜前表面3下面，设置有环形空气通道10，其中孔4从该环形空气通道10处分叉。引燃油用管8终止于倾斜端板15处，其中该倾斜端板15排列成大致平行于倾斜前表面3，且大致与孔4的轴线34正交。同时，在图2中也可见燃烧室2的后侧壁11的位置，其中该后侧壁11相对于出口环1的前端向后阶状布置。
在图2的底侧，可以看见引燃气体26的流动。引燃气体26由管23供应到出口环1，以进入引燃气体用的环形导管(未示)，其中该环形导管用于将引燃气体分配到环形空气通道10内。引燃气体与在环形空气通道10中流动的空气相混合，然后作为引燃气体/空气混合物从孔4中排出进入燃烧室2中。沿着出口环1的圆周方向，引燃气体26用的导管相对于空气用的入口孔7和这些孔与环形空气通道10之间的轴向连接部交替地布置。
图3显示了通过带有混合管的双锥形燃烧器24的剖视图。这样一个燃烧器例如在专利文献EP 0780629A2中所描述。该双锥形燃烧器24包括作为上游漩涡发生器的双锥形燃烧器17，其能够使燃烧空气流产生漩涡。燃烧空气流经设置于锥形体之间的入口缝19而进入双锥形燃烧器17的腔体。气体燃料通常在入口缝19的区域中被导入燃烧空气流内。液体燃料通常利用燃烧器轴线9上的中央喷油嘴18被导入燃烧器的腔体中。双锥形燃烧器17的下游是传输通道20，其用于将双锥形燃烧器17中产生的漩涡导入混合管21内。由出口环1形成混合管21的末端。出口环1的倾斜前表面3相对于燃烧室2的后侧壁11倾斜α角，其中该α角通常位于25°左右的范围内。此外，在该视图中，详细地显示了倒圆内表面16。
图4更详细地显示了引燃油27如何被引导至设在引燃油用管8终点的倾斜端板15。该倾斜端板大致平行于倾斜前表面3进行排列。在与孔4的轴线34相对准的中央位置处，该倾斜端板15包括孔(即喷嘴28)，其中引燃油首先通过该孔喷射到孔4内，然后以射流29的形式喷射到燃烧室2内。孔28可以是圆柱形，但是朝向出口张开或缩窄的锥形也可以。这些孔28的直径/长度之比优选在0.25-0.75的范围内进行选择，且直径位于0.5至0.6甚至0.75的范围内。为了增加射流29的张角，可以通过例如将湍流发生器插入到引燃油用管8内来将湍流引入引燃油用管8中。
图5显示了燃气轮机的环形燃烧室中的燃烧器24的布置方式。10个燃烧器24布置在一个圆上，且每个燃烧器都装配有一个引燃油喷射嘴39。为了在引燃模式下具有最优截面点火性能，喷射位置39是以旋转对称的方式布置在燃烧室38中。这意味着，在环形燃烧室38内，每个喷射位置39相对于燃烧器的径向位置42具有相同的径向位置43。如果喷射位置39相应地类似于上述地进行布置，则由于在上述环形燃烧室38内呈现出外侧漩涡方向41，因此相邻燃烧器的油引燃火焰的形状40可最佳地重叠。这样，就可显著地提高引燃模式下的截面点火特性。
附图标记列表
1出口环
2燃烧室
3出口环1的倾斜前表面
4引燃火焰用孔
5混合管的腔体
7供应空气用的入口孔
8引燃油用管
9燃烧器的轴线
10环形空气通道
11燃烧室的后侧壁
15引燃油用管8的倾斜端板
16出口环1的倒圆内表面
17双锥形燃烧器，漩涡发生器
18中央喷油嘴
19双锥形燃烧器17的锥形体之间的入口缝
20传输通道
21混合管，混合长度
23引燃气体用的管
24带有混合管的双锥形燃烧器
25空气
26引燃气体
27引燃油
28倾斜端板15中的喷嘴
29喷射到燃烧室内的引燃气体的射流
34引燃火焰用孔4的轴线
38环形燃烧室
39引燃油喷射的位置
40油引燃火焰的形状
41外侧漩涡方向
42环形燃烧室内的燃烧器的径向位置
43一个燃烧器内的引燃油喷射的径向位置
α倾斜前表面3的倾角

Claims (9)

1.一种用于操作热发生器的燃烧器(24)，其包括：
上游漩涡发生器(17)，其用于使燃烧空气流产生漩涡；
用于将至少一种燃料喷射到上游漩涡发生器(17)中的燃烧空气流内的装置，以在上游漩涡发生器(17)中形成燃烧空气和燃料流；
出口环(1)，其位于燃烧器(24)的下游端处，且在燃料进行燃烧的燃烧室(2)的边缘处；
引燃系统，其设置在出口环(1)中，用于将液体燃料(27)喷射到燃烧室(2)内；
混合部分(20、21)，其设置在上游漩涡发生器(17)的下游，其中该混合部分(20、21)具有：下游端；至少一个传输通道(20)，其用于向下游传输所述燃烧空气和燃料流；以及混合管(21)，其位于所述至少一个传输通道(20)的下游，且从所述至少一个传输通道(20)中接收述燃烧空气和燃料流；其中，所述混合部分(20、21)的所述下游端毗邻燃烧室(2)且由所述出口环(1)形成；
其特征在于，液体燃料(27)在一个包括混合管(21)的轴线(9)的平面中进行喷射而产生射流，液体燃料的射流(29)优选相对于所述轴线(9)向外倾斜一个位于15°-60°范围内、更优选为25°的角度。
2.如权利要求1所述的燃烧器(24)，其特征在于：所述出口环(1)包括锥形倾斜前表面(3)，其背对着燃烧器轴线(9)面向燃烧室(2)，且液体燃料(27)通过所述倾斜前表面(3)中的至少一个引燃火焰用孔(4)、优选仅一个引燃火焰用孔(4)进行喷射，优选沿着与倾斜前表面(3)正交的轴线(34)方向来引导射流(29)。
3.如权利要求2中所述的燃烧器(24)，其特征在于：利用引燃油用管(8)将所述液体燃料(27)传送给所述引燃系统；喷嘴(28)位于所述引燃油用管(8)的下游端，其中所述液体燃料(27)通过所述喷嘴(28)进行喷射；并且，设有用于将空气(25)导向出口环(1)中的引燃火焰用孔(4)的装置，其优选包括位于出口环(1)中的环形空气通道(10)，其中由所述喷嘴(28)产生的射流(29)通过所述引燃火焰用孔(4)进入燃烧室(2)。
4.如权利要求3所述的燃烧器(24)，其特征在于：在引燃油用管(8)中的所述喷嘴(28)的上游设置有用于在引燃油用管(8)内在液体燃料(27)的流动中产生湍流的装置，其中所述产生湍流的装置优选被设置为至少一个湍流发生器，其具有被液体燃料(27)流经的至少两个孔。
5.如权利要求1所述的燃烧器(24)，其特征在于：所述喷嘴(28)位于设在引燃油用管(8)终点处的倾斜端板(15)中，所述端板(15)优选平行于倾斜前表面(3)。
6.如权利要求5所述的燃烧器(24)，其特征在于：所述端板是延伸到引燃油用管(8)下游的引燃火焰用孔(4)内的端部锥体，其中所述端部锥体的轴线与引燃火焰用孔(4)的轴线(34)对准。
7.如前面权利要求中任一所述的燃烧器(24)，其特征在于：所述出口环(1)附加包括用于将引燃气体(26)喷射到燃烧室(2)内的第二引燃系统，其中所述第二引燃系统优选也设置在出口环(1)中，且包括多个喷射位置，所述多个喷射位置沿周向布置在背对燃烧器轴线(9)的出口环(1)锥形倾斜前表面(3)的周围。
8.一种用于燃气轮机装置的环形燃烧室(38)，其特征在于：在所述环形燃烧室(38)内，设置有至少两个、优选至少十个根据权利要求1至7中任一所述的燃烧器(24)。
9.如权利要求8所述的环形燃烧室(38)，其特征在于：每一个所述燃烧器(24)都具有一个用于喷射引燃操作所用的液体燃料(27)的喷嘴(28)；其中对于所有的喷嘴(28)而言，每个燃烧器(24)中的所述喷嘴(28)的径向位置(43)相对于环形燃烧室(38)内的每个燃烧器(24)的径向位置(42)都是相同的。
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