用于燃氣渦輪機使用的切向且無火焰的環(huán)形燃燒器的制造方法
【專利摘要】一種在產生推進力或使軸旋轉用于發(fā)電的燃氣渦輪機的燃燒裝置，該燃燒裝置包括環(huán)式燃燒器，該環(huán)式燃燒器帶有一系列的燃料和空氣入口通道和噴嘴，這使其成為無焰燃燒器，使得在典型的燃氣渦輪燃燒器中不存在固定的火焰。燃料和空氣入口在多個縱向位置處且周向地間隔地設置，并采用一些噴嘴僅噴射空氣而其他噴嘴噴射富燃料-空氣混合物的幾種不同的構造。該燃燒裝置提供了燃料和空氣的最佳混合以及形成了降低污染物排放的燃燒環(huán)境從而降低對昂貴的污染控制裝置需求，并且增強了點火和火焰的穩(wěn)定性、減少了導向問題并改善了減振。
【專利說明】用于燃氣渦輪機使用的切向且無火焰的環(huán)形燃燒器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及燃氣渦輪機中的裝置，該裝置有助于容納燃料空氣混合物并產生燃料和空氣混合物的燃燒。這種裝置包括(但不限于):燃料-空氣噴嘴、燃燒器襯套和殼體、以及流動過渡件，該流動過渡件用在軍用和商用飛機、發(fā)電及其它與燃氣渦輪機有關的應用中。
【背景技術】
[0002]燃氣渦輪機包括從以很高的溫度、壓力和速度流動的燃燒氣體中提取功的機械裝置。所提取的功可用于驅動用于發(fā)電的發(fā)電機或用于為飛機提供所需的推力。典型的燃氣渦輪機由把大氣壓縮至高壓的多級壓縮機組成。壓縮空氣然后在燃燒器中以給定的燃料/空氣比混合，其中壓縮空氣的溫度升高。高溫高壓的燃燒氣體然后膨脹通過渦輪以做功，從而根據其應用而提供所需的推力或驅動發(fā)電機。渦輪包括至少一級，其中，每一級均包括一排刮片和一排葉片。這些刮片周向地布置在旋轉轂上，其中每個刮片的高度覆蓋熱氣流路。不旋轉的葉片的每個級沿周向地設置，該級還延伸通過熱氣流路。本發(fā)明涉及燃氣渦輪機的燃燒器以及將燃料和空氣引導到所述裝置中的部件。
[0003]燃氣渦輪機的燃燒器部分可具有幾種不同的類型:罐式/管式、環(huán)式、以及以上兩種的組合而形成的罐式-環(huán)式燃燒器。在這個部件中，壓縮的燃氣空氣混合物通過燃氣空氣噴嘴，并發(fā)生混合物的燃燒反應，從而產生熱燃氣流使混合物的密度降低并使混合物向下游加速。典型地，罐式燃燒器由單獨的周向間隔的罐組成，該罐單獨容納每個噴嘴的火焰。然后，來自每個罐的流體被引導通過管，并在該流體進入第一級葉片之前被結合到環(huán)形過渡件中。在環(huán)形燃燒器類型中，燃料空氣噴嘴典型地周向分布并引導混合物進入發(fā)生燃燒的單個環(huán)形室中。流體完全離開環(huán)形件的下游端進入第一級渦輪中，而無需過渡件。最后一種類型的罐式-環(huán)式燃燒器的關鍵差別在于它具有被環(huán)形殼體包圍的單獨的罐，環(huán)形殼體包含供給到每個罐中的空氣。取決于具體應用，每個變型例均具有其各自的優(yōu)點和缺點。
[0004]在用于燃氣渦輪的燃燒器中，對于燃氣空氣噴嘴來說，在混合物中引入渦流有幾個原因。一個原因是增強混合從而增強燃燒，另一個原因是增加的渦流使火焰穩(wěn)定以防止火焰熄滅并允許較貧的燃料-空氣混合物以減少排放。燃料空氣噴嘴可以采用不同的構造，例如在每一個上都具有旋流葉片的一個至多個環(huán)形入口。
[0005]對于其他的燃氣渦輪機部件，需要實施冷卻方法以防止燃燒器材料熔化。一種典型的用于冷卻燃燒器的方法是擴散冷卻(effusion cooling),該擴散冷卻通過在燃燒氣體與燃燒器襯套之間的附加的偏移襯套圍繞燃燒器襯套來實施，壓縮機排出的空氣通過稀釋孔和冷卻通道進入熱燃氣流路。該技術消除了來自部件的熱量，并且在襯套和燃燒氣體之間形成了薄邊界層冷空氣膜，從而防止熱量傳遞到襯套。稀釋孔根據其在襯套上的軸向位置而有如下兩個目的:第一，較靠近燃料-空氣噴嘴的稀釋孔會有助于氣體的混合以增強燃燒并提供未燃空氣用于燃燒；第二，較靠近渦輪布置的孔會冷卻熱氣流并能夠設計成控制燃燒器的出口溫度曲線。
[0006]可見，可以將幾種方法和技術合并到用于燃氣渦輪機的燃燒器的設計中以改善燃燒并減少排放。盡管燃氣渦輪趨向于比其他發(fā)電方法產生更少的污染，但在這個領域中仍存在改善空間。隨著一些國家中加強了政府排放法規(guī)，需要改善該技術以滿足這些需求。

【發(fā)明內容】

[0007]至于本發(fā)明，提供了一種新穎的和改善的燃燒器設計，它能夠以典型的方式運行同時使由于燃料和空氣混合物的燃燒的污染物排放最小化。本發(fā)明由典型的環(huán)形燃燒器組成，其具有空氣噴嘴、燃料噴嘴、預混合的燃料-空氣噴嘴和/或稀釋孔，該稀釋孔將壓縮機排出的空氣和加壓燃料在沿著縱向方向和周向方向的多個位置處引入燃燒器中。本發(fā)明的原始特征在于燃料和空氣入口被布置成使得在前壁附近形成燃燒區(qū)域。將燃料噴嘴和空氣噴射噴嘴分離以及將空氣噴嘴設置于燃料噴嘴下游提高了燃燒反應物的混合，并且在燃燒區(qū)域形成了特定的氧濃度，這大大減少了 NOx的產生。另外，燃燒區(qū)域的下游處壓縮機排出的空氣的引入允許在燃燒的期間產生的任何CO在進入第一級渦輪之前被燃燒/消耗。事實上，該燃燒器會改善燃氣渦輪的排放水平，因此減少對排放控制裝置的需求以及使這種裝置的環(huán)境影響最小化。除了該改善之外，切向點燃的燃料和燃料-空氣噴嘴將任何火焰朝向相鄰的燃燒器弓I導，從而極大增強了燃燒器的點火過程。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]參考以下附圖:
[0009]圖1是示出了附接到燃燒器外襯套并具有指向燃燒器內部的周向方向和徑向方向(噴嘴的可能的縱向方向未示出)的噴嘴的二維示意圖；
[0010]圖2是具有所提出的分級燃料和空氣噴射的環(huán)形燃燒器實例的等軸側視圖；
[0011]圖3是具有由發(fā)動機中心線和半徑限定的截面的等軸截面圖。
[0012]圖4A是從前向后觀察到的等軸側視圖，示出了本發(fā)明可以具有的前壁和穿孔前壁；
[0013]圖4B是根據圖4A的圖像的細節(jié)放大圖；
[0014]圖5A是從后向前觀察到的示例性燃燒器的等軸正視圖，示出了出口噴嘴和入口噴嘴；并且
[0015]圖5B是根據圖5A的圖像的細節(jié)放大圖。
【具體實施方式】
[0016]圖1示出了具有切向指向的燃料-空氣噴嘴的環(huán)形燃燒器的大體結構。燃燒器包括:外殼體(或外襯套)1，其在縱向方向上具有恒定或變化的半徑；內殼體(或內襯套)2，其在縱向方向上具有恒定或變化的半徑；以及前壁9，該前壁9連接外襯套I和內襯套2。如圖可見，本發(fā)明的示例性構造示出了主要沿著周向方向指向的燃料噴嘴3和純空氣/預混合燃料-空氣噴嘴4，其中角度14形成在與外襯套相切的線12和噴嘴3、4的中心線13之間，但可以具有相對于其方向的徑向或縱向分量。這些各個噴嘴3、4可以共用由縱向方向和沿發(fā)動機中心線的點限定的公共平面，并且可以在周向上等距間隔開或具有沿著該方向的間距的圖案。各種類型的噴嘴可以將純燃料5、純空氣(壓縮機排出的空氣)6或者預混合的燃料-空氣7 —起引導由外殼體1、內殼體2和前壁9形成的燃燒器容積空間內。由燃料和空氣噴嘴3、4噴射的反應物在該區(qū)域內燃燒，并產生通過該燃燒器的繞發(fā)動機中心線旋轉的流場8。
[0017]圖2示出了本發(fā)明的示例性構造，其中燃料噴嘴3布置在空氣/預混合燃料-空氣噴嘴4的上游(左側)。燃料噴嘴3和空氣噴嘴4的數量可以是至少一個，最高可以不限數量。壓縮機排出的空氣也通過圖3、4A和4B所示的穿孔前壁9引入到燃燒器容積空間中。前壁附近的燃料噴射以及在燃料噴嘴3下游噴射的所述壓縮機排出的空氣產生了期望的混合和燃料-空氣分級效果，這會形成降低來自燃燒器的NOx和CO排放的最佳燃燒環(huán)境。更具體地，通過下游組的噴嘴噴射的空氣混合物中的大部分隨著它朝向富燃料燃燒區(qū)域的上游行進/擴散而被燃料氣體稀釋。該稀釋的氧混合物降低了火焰溫度，并提供了發(fā)生低排放燃燒的手段。然后，熱的燃燒產物通過圖5A和5B所示的環(huán)形開口 10離開燃燒器，其中該熱的燃燒產物進入燃氣渦輪機的第一級渦輪。
[0018]以上參考優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明。然而，本領域技術人員會認識到在不脫離本發(fā)明的性質和范圍的情況下可以在所述實施例中做出變化和變型。在本文所選取的用于說明目的的實施例的各種變化和變型對本領域技術人員來說是容易理解的。在這種變型和變體沒有脫離本發(fā)明的精神的范圍內，因此該變型和變體被認為是包含在本發(fā)明的范圍內。
[0019]為了便于本領域技術人員理解和實踐，已經以清楚簡練的語句充分描述了本發(fā)明，本發(fā)明的權利要求參見下文。
【權利要求】
1.一種用于燃氣渦輪機的環(huán)形燃燒器，所述燃氣渦輪機用在地面發(fā)電、陸基或?；囕v或航空發(fā)動機應用中，所述燃燒器包括:多個周向間隔開的燃料、空氣和/或燃料-空氣噴嘴，所述多個噴嘴排列在與縱向方向垂直的平面上；殼體/襯套，所述殼體/襯套由高溫合金或陶瓷材料制成；被稱為前壁的襯套，所述前壁由上述材料制成并將內襯套和外襯套連接。
2.根據權利要求1所述的燃燒器，其中，在與所述縱向方向垂直的公共平面內周向間隔開且最靠近所述前壁的噴嘴在任何物理狀態(tài)下都僅噴射燃料，或者能夠噴射主要具有周向方向且能夠具有徑向方向和/或縱向方向的富燃料混合物。
3.根據權利要求1所述的燃燒器，其中，位于權利要求2所述的噴嘴下游且在與所述縱向方向垂直的公共平面內周向間隔開的噴嘴僅噴射壓縮機排出的空氣，或者噴射主要具有周向方向且能夠具有徑向方向和/或縱向方向的貧燃料混合物。
4.根據權利要求1所述的燃燒器，其中，所述噴嘴能夠具有在平面-平面之間的恒定或變化的角度值，如附圖標記14所示，其范圍為O度至90度。
5.根據權利要求1所述的燃燒器，其中，處于不同平面內的所述噴嘴能夠具有相同的燃料/空氣比或不同的燃料/空氣比。
6.根據權利要求1所述的燃燒器，其中，處于同一平面內的所述燃料空氣噴嘴能夠具有相同的燃料/空氣比或不同的燃料/空氣比值。
7.根據權利要求1所述的燃燒器，其中，切向指向的所述噴嘴大大增強了所述燃燒器的點火過程，這是因為相鄰的噴嘴會將任何最初的火焰向前朝著其平面內的相鄰噴嘴引導。
8.根據權利要求1所述的燃燒器，其中，權利要求5所述的增強的點火過程產生了固有地穩(wěn)定的燃燒，這將會降低火焰引起的震動以及在部分載荷和滿載荷水平運行時由于火焰不穩(wěn)定性產生的聲響。
9.根據權利要求1所述的燃燒器，其中，所述切向的燃料-空氣噴嘴布置結構增強了反應物的混合，用于在非常低的載荷水平下有效燃燒。
10.根據權利要求1所述的燃燒器，其中，由于提高了火焰穩(wěn)定性，諸如低BTU氣體的低反應性燃料能夠容易地用在所述燃燒器中并在所述燃燒器中燃燒。
11.根據權利要求1所述的燃燒器，其中，減少了使燃料-空氣混合物燃燒所需的停留時間；因此，減小了燃燒空間，這減少了發(fā)動機尺寸(這在所有燃氣渦輪機的應用中都很重要)，并因此減小了重量/推力比(這在航空燃氣渦輪機的應用中很重要)。
12.根據權利要求1所述的燃燒器，其中，在所述燃燒器的出口處實現了更均勻的溫度分布，這允許所述燃燒器在較高的燃燒溫度(點燃溫度)下運行，而不會減少所述燃燒器和渦輪機部件的壽命。
13.根據權利要求1所述的燃燒器，其中，權利要求12所述的在較高的燃燒溫度下運行的能力提高了發(fā)動機效率和動力輸出，因此降低了二氧化碳排放水平。
14.根據權利要求1所述的燃燒器，其中，所述前壁襯套能夠具有至少一個孔(所述至少一個孔能夠是通過火花電放電加工而產生的筆直或喇叭口形的入口孔)或噴嘴，這允許壓縮機排出的空氣以比權利要求3所述的噴嘴低的速度值穿過所述襯套。
【文檔編號】F23R3/00GK103930721SQ201180073011
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2011年8月22日 優(yōu)先權日:2011年8月22日
【發(fā)明者】馬吉德·托甘, 布倫特·阿倫·格雷戈里, 喬納森·達維德·賴蓋萊, 里安·薩多·亞馬內 申請人:馬吉德·托甘, 布倫特·阿倫·格雷戈里, 喬納森·達維德·賴蓋萊, 里安·薩多·亞馬內