用于燃气轮机的燃烧室和燃烧器装置

摘要

本发明涉及一种用于燃气轮机(1)的燃烧室(10、20)，包括至少一个燃烧区(23、24)，以及至少一个用于在燃烧区(23、24)内燃烧燃料/空气混合物的燃烧器装置(11、28)，其中，燃烧器装置(11、28)包括至少一个汇入燃烧区(23、24)内用于制备燃料/空气混合物的预混合通道(29)，以及在预混合通道(29)内汇入一个包括在燃烧器装置(11、28)内的空气供给装置(32)和至少一个燃料供给装置(33)。这种燃烧室能够特别有效地抑制燃烧室压力波动。为此目的，空气供给装置(32)分段式设计，从而可赋予所述分段式空气供给装置的汇入预混合通道(29)内的出口(34、34a、34b、34c)以不同的延迟时间(τ1、τ2、τ3)。

权利要求

1.一种用于燃气轮机(1)的燃烧室(10、20)，包括

-至少一个燃烧区(23、24)，以及

-至少一个用于在燃烧区(23、24)内燃烧燃料/空气混合物的燃烧器装置(11、28)，-其中，燃烧器装置(11、28)包括至少一个汇入燃烧区(23、24)内的用于制备燃料/空气混合物的预混合通道(29)，以及在预混合通道(29)内汇入一个包括在燃烧器装置(11、

28)内的空气供给装置(32)和至少一个燃料供给装置(33)，

其特征为：空气供给装置(32)分段式设计，从而可赋予所述分段式空气供给装置的汇入预混合通道(29)内的出口(34、34a、34b、34c)以不同的延迟时间(τ1、τ2、τ3)，其中，所述延迟时间根据进入预混合通道内的空气为抵达燃烧区所需要的时间确定，所述分段式空气供给装置的最小延迟时间τmin和最大延迟时间τmax与要抑制的频率f的燃烧室压力波动的关系，适用条件：τmax-τmin＞1/f，以及所述分段式空气供给装置(32)的汇入预混合通道(29)内的出口(34、34a、34b、34c)布置为，使得由至少一种频率f′的优先的燃烧室压力波动，在预混合通道(29)内通过出口(34a、34b、34c)输入的流体中引起的密度波动，基于所赋予出口(34、34a、34b、34c)的不同延迟时间(τ1、τ2、τ3)，而叠加为使这些密度波动基本上互相抵消。

2.按照权利要求1所述的燃烧室(10、20)，其特征为，除了所述分段式设计的空气供给装置(32)外，同样分段式设计一个汇入预混合通道(29)内并能加入气态燃料的燃料供给装置。

3.按照前列诸权利要求之一所述的燃烧室(10、20)，其特征为，燃烧器装置(28)的预混合通道(29)汇入一个第二燃烧区(24)内，其中，在该第二燃烧区(24)的上游设置具有第一燃烧器装置(11)的第一燃烧区(23)。

4.按照权利要求3所述的燃烧室(10、20)，其特征为，所述燃烧器装置(28)包括一个在外部围绕燃烧室机匣(12、21)设置的燃料分配环(36)和多个预混合通道(29)，其中，预混合通道(29)将其一端在燃烧室机匣(12、21)内汇入燃烧区(24)中，并与至少一个从燃料分配环(36)分路出来的燃料供给装置(33)相对应，至少沿其中一个预混合通道(29)分布地设置分段式空气供给装置(32)的出口(34、34a、34b、34c)。

5.一种具有至少一个燃烧室(10、20)的燃气轮机(1)，其特征为：设计至少一个按照权利要求1至4之一所述的燃烧室(20)。

6.一种用于燃气轮机(1)的燃烧器装置(28)，其特征为：它是按照权利要求1至4之一所述燃烧室(20)的组成部分。

说明书

用于燃气轮机的燃烧室和燃烧器装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于燃气轮机的燃烧室，包括至少一个燃烧区，以及至少一个用于燃烧燃料/空气混合物的燃烧器装置，其中，燃烧器装置包括至少一个汇入燃烧区内用于制备燃料/空气混合物的预混合通道，以及在预混合通道内汇入一个包括在燃烧器装置内的空气供给装置和至少一个燃料供给装置。

[0002] 本发明还涉及一种具有这种燃烧室的燃气轮机以及涉及一种燃烧器装置。

背景技术

[0003] 已知的燃气轮机除前言提及的燃烧室外还包括压气机和涡轮。压气机压缩输入燃气轮机内的空气，其中，一部分空气用于在燃烧室内燃烧燃料，以及一部分空气使用于冷却燃气轮机和/或燃气。通过在燃烧室内的燃烧过程提供的高温气体从燃烧室引入涡轮，此时高温气体在涡轮中膨胀和冷却，与此同时作功并输出功率，使涡轮叶片旋转。燃气轮机借助旋转能量驱动作功机械。作功机械可例如涉及发电机。

[0004] 通过所述至少一个燃烧器装置制备的燃料/空气混合物，在所述至少一个预混合通道内预混合，然后在流入燃烧区后被点燃。与过去通常将燃料直接喷入燃烧区内相比，燃料与空气的预混合降低了在燃烧时产生的有害气体排放量。当然，预混合燃料的缺点是，这种装置对于形成的燃烧室压力波动非常敏感。若在燃烧区内导致压力波动，也会在预混合通道内造成燃料/空气混合物的浓度波动，在燃烧时这种浓度波动将导致放热量变动。这种热声学的不稳定性又会增强燃烧室的压力波动，其中，对于这种被激励的燃烧室压力波动在这种装置中有一些优先的频率。在燃料/空气混合物中的浓度波动，亦即空气燃料混合比随时间的变化，也可以称为充气系数波动。充气系数波动源于空气供给装置与燃料供给装置有不同的声学阻力。为了抑制燃烧室压力波动，已知的燃气轮机包括设置在机匣内的谐振器。因为谐振器与燃烧区直接相邻，而且截断了机匣内的热屏装置并因而必须冷却，所以燃烧室的结构很复杂。为了抑制这种燃烧室压力波动，已知燃烧室的一种作为替代方式的设计规定，汇入预混合通道中的一些燃料喷嘴沿预混合通道轴向分布地设置，从而在预混合通道内形成具有不同延迟时间的混合区。燃料供给装置的这种分段式设计，实现了减轻在通过燃料供给装置喷入的燃料内因燃烧室压力波动引起的浓度波动。燃料喷嘴也可以称为燃料供给装置出口。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是，提供一种前言所述类型的燃烧室和有这种燃烧室的燃气轮机以及包括在这种燃烧室内的燃烧器装置，这种燃烧室能够特别有效地抑制燃烧室压力波动。

[0006] 上述技术问题按本发明在前言所述类型的燃烧室中采取下述措施得以解决：空气供给装置分段式设计，从而可赋予分段式空气供给装置的汇入预混合通道内的出口以不同的延迟时间。

[0007] 通过已知的燃料供给装置具有沿预混合通道轴向分布地设置的燃料喷嘴，虽然可以补偿由燃烧室压力波动引起的沿预混合通道与空气流混合的燃料量的波动，但是基于空气和燃料不同的声学阻力，这种已知的分段没有能力做到使燃料以这样的方式喷入空气流中，亦即，从预混合通道排出并进入燃烧区的是比例恒定的燃料与空气和每单位时间恒定的燃料量。因此为了抑制燃绕室压力波动并由此也抑制放热量变动，按本发明建议，汇入预混合通道的空气供给装置分段式设计，因此减轻由燃烧室压力波动引起在流过预混合通道的空气流中的密度波动。基于空气与例如液态燃料相比高的可压缩性，以及与在燃料输送管道内的压力相比在空气输送管道内较低的压力，所以所述建议能特别有效地抑制燃绕室压力波动。

[0008] 按本发明，分段式空气供给装置包括一些汇入预混合通道内的出口，可赋予它们不同的延迟时间。此外，分段式空气供给装置可以包括另一些可赋予它们冗余的延迟时间的出口。延迟时间也可以称为对流的时间延迟。它根据进入预混合通道内的流动元素为抵达燃烧区所需要的时间确定。出口也可以称为排出口。

[0009] 燃烧器装置可例如包括一个主控燃烧器，它有预混合通道和设在预混合通道中心的主控燃烧器喷管，其中主控燃烧器喷管与燃料供给装置连接以及包括一些燃料喷嘴。在主控燃烧器的预混合通道内汇入空气供给装置。围绕主控燃烧器可以设置一定数量包括在燃烧器装置内的主混合器。每个主混合器可以有一个被圆柱形外壳环绕的预混合通通，空气供给装置汇入预混合通道内，以及在预混合通道内沿轴向设置一个与燃料供给装置连接并具有燃料喷嘴的喷管。喷管可例如通过扰流叶片支承在外壳上。按本发明，在作为示例提供的燃烧器装置中，至少其中一个预混合通道包括分段式空气供给装置。例如各个主混合器的空气供给装置都可以是分段式设计，为此扰流叶片设计在汇入预混合通道内的可赋予不同延迟肘间的空气出口内。不同的延迟时间可优选地选择为，使得能借助空气出口不同的延迟时间，至少在优先的燃烧室压力波动的频率范围内，消除或减弱由这种压力波动引起的所输入空气中的密度波动。

[0010] 本发明的一种有利的扩展设计可以规定，除了分段式设计的空气供给装置外，同样分段式设计一个汇入预混合通道内并能加入气态燃料的燃料供给装置。

[0011] 因为与空气相比，气态燃料同样有高的可压缩性，所以通过对能加入气态燃料的燃料供给装置的附加的分段设计，可以更有效地抑制由燃烧室压力波动引起的从预混合通道流入燃烧区内的燃料/空气混合物浓度和密度波动。若预混合通道包括一个以上能加入气态燃料的燃料供给装置，则一个或多个这种能加入气态燃料的燃料供给装置可以分段式设计。

[0012] 还可以有利地规定，可赋予分段式供给装置的出口以延迟时间，其中，最小延迟时间τmin和最大延迟时间τmax与要抑制的频率f的燃烧室压力波动的关系，适用条件：τmax-τmin＞1/f。

[0013] 通过所述条件保证，至少在要抑制的燃烧室压力波动的频率范围内，有效减弱在通过分段式供给装置输入的流体中由燃烧室压力波动引起的密度波动。分段式供给装置涉及分段式空气供给装置。若还有另一些汇入预混合通道内的供给装置分段式设计，则所述条件也适用于这些供给装置。在所述条件中表示的最小和最大延迟时间，涉及赋予一个供给装置一些出口的最短和最长的延迟时间。

[0014] 也可以认为有利的是，分段式供给装置的汇入预混合通道内的出口布置为，使得由至少一种频率f′的优先的燃烧室压力波动，在预混合通道内通过出口输入的流体中引起的密度波动，基于所赋予出口的不同延迟时间，叠加为使这些密度波动基本上互相抵消。

[0015] 按本发明的一种有利的扩展设计可以规定，燃烧器装置设置在轴向第二阶段的区域内，包括至少一个汇入燃烧区内的预混合通道，其中，燃烧区在具有第一燃烧器装置的第一燃烧区之后处于下游。

[0016] 借助轴向第二阶段，放热量可以沿整个可供使用的燃烧空间大范围分布，从而进一步降低燃烧系统热声学不稳定的趋势。此外，轴向第二阶段的燃烧器装置的至少一个预混合通道的分段式空气供给装置，在设备上特别容易实现。

[0017] 本发明一项优选的扩展设计可以规定，燃烧器装置包括一个在外部围绕燃烧室机匣设置的燃料分配环，其中，预混合通道将其一端在燃烧室机匣内汇入燃烧区中，并与至少一个从燃料分配环分路出来的燃料供给装置相对应，在这里，至少沿其中一个预混合通道分布地设置分段式空气供给装置的出口。

[0018] 轴向第二阶段的燃烧器装置的至少一个预混合通道的分段式空气供给装置，在设备上特别容易实现。预混合通道可例如设计为软管状，在这种情况下完全适用于本发明的是，空气出口沿预混合通道的位置或与空气出口对应的延迟时间，可以与要抑制的燃烧室压力波动的频率相匹配。例如，软管状预混合通道可以用弹性材料制造，它的长度，并因而还有与出口对应的延迟时间，均能与要抑制的频率相匹配。

[0019] 本发明另一个要解决的技术问题是，提供一种包括至少一个前言所述燃烧室的燃气轮机，这种燃烧室能够特别有效地抑制燃烧室压力波动。

[0020] 为此，这种燃气轮机具有至少一个按照权利要求1至4之一设计的燃烧室。

[0021] 本发明另一个要解决的技术问题是，提供一种包括在前言所述燃烧室内的燃烧器装置，它能够特别有效地抑制燃烧室压力波动。

[0022] 为此，这种燃烧器装置是按照权利要求1至4之一所述燃烧室的组成部分。

附图说明

[0023] 本发明其他恰当的扩展设计和优点是参见附图说明本发明实施例的技术主题，附图中同样的附图标记指示作用相同的构件。

[0024] 其中：

[0025] 图1示意性示出了按现有技术的燃气轮机的剖视图；

[0026] 图2示意性示出了按本发明一种实施例的燃烧室轴向第二阶段的局部剖视图；以及

[0027] 图3示意性示出了图2所示实施例在分段式空气供给装置区域内的剖切详图。

具体实施方式

[0028] 图1示意表示按现有技术的燃气轮机1的剖视图。燃气轮机1在内部具有围绕旋转轴线2旋转支承的转子3和轴4，转子也称为涡轮转子。沿转子3彼此相继的是进气机匣6、压气机8、有一定数量燃烧室10的燃烧系统9、涡轮14以及排气机匣15，燃烧室10分别包括一个燃烧器装置11和一个燃烧室机匣12。

[0029] 燃烧系统9与例如环形的高温燃气通道相连。在那里多个前后串联的涡轮级构成涡轮14。每个涡轮级由一些叶片环构成。沿工质的流向看，在高温通道内在由导流叶片17构成的叶片组之后，设置由工作叶片18构成的叶片组。其中导流叶片17固定在静子19的内机匣上，而一组工作叶片18例如借助涡轮盘安装在转子3上。与转子3连接的例如是发电机(没有示出)。

[0030] 在燃气轮机运行期间，压气机8通过进气机匣6吸入空气并压缩。由压气机8在涡轮一侧的端部提供的压缩空气被导向燃烧系统9，并在那里在燃烧器装置11的区域内与燃料混合。混合物然后借助燃烧器装置11在燃烧系统9中燃烧，形成工作气流。从那里出发，工作气流沿高温燃气通道流过导流叶片17和工作叶片18。工作气流在工作叶片18处膨胀并传输脉冲，所以工作叶片18驱动转子3，以及转子3又驱动与它连接的发电机(没有示出)。

[0031] 图2表示按本发明一种实施例的燃气轮机燃烧室20的局部图。燃烧室20有燃烧室机匣21，它设计为围绕轴线22旋转对称。第一燃烧区23和第二燃烧区24处于燃烧室机匣21内，就主流动方向26而言，其中第二燃烧区24在第一燃烧区23之后处于下游。燃烧室20包括第一燃烧器装置(没有示出)和第二燃烧器装置28，后者用于在第二燃烧区24内燃烧燃料/空气混合物。第二燃烧器装置28包括一个汇入第二燃烧区24的预混合通道29，用于制备燃料/空气混合物，在预混合通道29内汇入包括在第二燃烧器装置28内的空气供给装置32和燃料供给装置33，其中空气供给装置32分段式设计，从而可赋予分段式空气供给装置32汇入预混合通道29的出口34不同的延迟时间。

[0032] 因此第二燃烧器装置28设置在轴向第二阶段的区域内。第二燃烧器装置28包括在外部围绕燃烧室机匣21设置的燃料分配环36和多个预混合通道29，其中预混合通道29将其一端37在燃烧室机匣21内汇入第二燃烧区24中，并分别与从燃料分配环36分路的燃料供给装置33相对应，在这里，沿至少其中一个预混合通道29分布地设置一个分段式空气供给装置32的出口34。

[0033] 按本发明图示的实施例一种有利的扩展设计，第二燃烧器装置28的每个预混合通道29可以有一个分段式空气供给装置。

[0034] 通过燃料供给装置33喷入预混合通道29内的燃料，与通过出口34进入预混合通道29的空气混合，所以燃料/空气混合物在预混合通道内沿流动方向39流动。从出口34排出的空气体积与燃料混合，在这里，从出口34的位置出发，为了到达燃烧区24内需要一个延续时间。所述延续时间称为延迟时间，以及它根据进入预混合通道内的流动元素为抵达燃烧区所需要的时间确定。沿预混合通道29排布的出口34，基于它们在预混合通道29内的不同布置，所以与不同的延迟时间相对应。由此可赋予预混合通道29中每一个出口不同的延迟时间。

[0035] 图3表示图2所示按本发明一种实施例的燃烧室，在轴向第二阶段的第二燃烧器装置区域内的详图。图中表示了一部分燃烧室机匣21，它围绕第一燃烧区23(图中表示了一部分)和连接在其下游的第二燃烧区24(图中表示了一部分)，其中，包括在第二燃烧器装置内、用于制备燃料/空气混合物的预混合通道29汇入第二燃烧区24内。在软管状设计的预混合通道29内，汇入用于在预混合通道29内喷入燃料35的燃料供给装置33以及分段式设计的空气供给装置32。分段式设计的空气供给装置32包括汇入预混合通道29内的用于输入空气40用的出口34a、34b、34c，在这里可赋予出口34a、34b、34c不同的延迟时间τ1、τ2、τ3。例如，从出口34a排出的空气体积与流过的通过燃烧供给装置33喷入的燃料35混合，以及在这里，从出口34a的位置出发，为了抵达第二燃烧区24内需要一个延续时间τ1。为了衰减或抑制频率f的燃烧室压力波动，出口34a、34b和34c的位置可以有利地选择为，使τ1-τ3＞1/f。由频率f的燃烧室压力波动在出口处引起的空气密度波动，当燃料/空气混合物在第二燃烧区24内点燃时，基于不同的延迟时间τ1、τ2、τ3，可以叠加为使这些密度波动基本上互相抵消。为此，可相应地选择出口34a、34b、34c沿预混合通道29的布局。频率f的燃烧室压力波动可涉及一种基于燃烧室的设计可优先激励的燃烧室压力波动。它也可以称为优先的燃烧室压力波动。图示实施例的一种扩展设计还可以规定，燃料供给装置33同样分段式设计(这里没有示出)。