燃烧器

摘要

本发明涉及一种沿轴线(X)延伸的燃气涡轮机的燃烧器(B)，其沿轴向顺序包括：旋流器段(SW)；混合段(MX)；出口段(OT)；主燃烧区(CZ)；其中，所述旋流器段(SW)包括旋流器叶片(SWV)，所述旋流器叶片(SWV)被制成使得进入所述旋流器段(SW)的燃料(F)和含氧气体(OCG)的流沿着周向方向旋流；其中，所述混合段(MX)将燃料(F)和含氧气体(OCG)的预混合物(MFOCG)引导至所述出口段(OT)；其中，所述出口段(OT)将所述预混合物(MFOCG)排放到所述燃烧区(CZ)中，从轴向截面较小的所述混合段(MX)到轴向截面较大的所述燃烧区(CZ)来扩大所述预混合物(MFOCG)的流动，其使所述流动的流线径向发散。所述出口段(OT)的面向所述预混合物(MFOCG)的流动的表面设置有第一燃料喷嘴(FN1)，以便在所述预混合物（MFOCG）通过所述出口段(OT)流动进入到所述燃烧区（CZ）中之前，沿径向向内倾斜的方向将燃料喷射到所述预混合物（MFOCG）中，这改善了稳定性。

权利要求

1.一种沿轴线(X)延伸的燃气涡轮机的燃烧器(B)，其沿轴向顺序包括：旋流器段(SW)；

混合段(MX)；

出口段(OT)；

主燃烧区(CZ)；

其中，所述旋流器段(SW)包括旋流器叶片(SWV)，所述旋流器叶片(SWV)被制成使得进入所述旋流器段(SW)的燃料(F)和含氧气体(OCG)的流沿着周向方向旋流；

其中，所述混合段(MX)将燃料(F)和含氧气体(OCG)的预混合物(MFOCG)引导至所述出口段(OT)；

其中，所述出口段(OT)将所述预混合物(MFOCG)排放到所述主燃烧区(CZ)中，从轴向截面较小的所述混合段(MX)到轴向截面较大的所述主燃烧区(CZ)来扩大所述预混合物(MFOCG)的流动，其使所述流动的流线径向发散；

其特征在于，

所述出口段(OT)的面向所述预混合物(MFOCG)的流动的表面设置有第一燃料喷嘴(FN1)，以便在所述预混合物（MFOCG）通过所述出口段(OT)流动进入到所述主燃烧区（CZ）中之前，沿径向向内倾斜的方向将燃料喷射到所述预混合物（MFOCG）中；

其中，所述出口段(OT)包括突出到所述主燃烧区(CZ)中的环形边沿(R)，所述环形边沿(R)包括第二燃料喷嘴(FN2)，所述第二燃料喷嘴(FN2)沿径向向外的方向排放燃料(F)。

2.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所述混合段(MX)包括用于喷射含氧气体(OCG)的入口孔(IH)，其中所述入口孔(IH)被制成沿所述混合段(MX)的内表面提供含氧气体(OCG)的膜。

3.根据权利要求1或2所述的燃烧器，其中，所述旋流器段(SW)包括中心液体燃料喷射(CFI)，其实现成喷射液态燃料(LF)。

4.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所述旋流器段(SW)包括气体燃料喷射(GFI)，其包括用于喷射气态燃料(GF)的气体燃料喷射喷嘴(GFN)，其作为所述旋流器叶片的一部分。

5.根据权利要求1所述的燃烧器，其中，所述混合段(MX)具有沿所述轴线(X)同轴延伸的圆筒形状。

说明书

燃烧器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种沿轴线延伸的燃气涡轮机的燃烧器，其沿轴向顺序包括：

[0002] - 旋流器段，

[0003] - 混合段，

[0004] - 出口段，

[0005] - 主燃烧区，以及

[0006] - 其中所述旋流器段包括旋流叶片，以使进入旋流器段的燃料和含氧气体的流沿周向方向旋流，

[0007] - 其中所述混合段将燃料和含氧气体的预混合物引导至所述出口段，[0008] - 其中所述出口段将所述预混合物排放到所述燃烧区中，从轴向截面较小的所述混合段到轴向截面较大的所述燃烧区来扩大所述预混合物的流动，其使得所述流动的流线径向发散。

背景技术

[0009] 在燃气涡轮机的燃烧器的领域中，燃烧器出口处的火焰稳定性对于得到低排放和低燃烧动力学现象（所述燃烧动力学现象可能损坏燃烧室硬件）极其重要。通常，燃料的流动是通过燃烧器系统内的喷射喷嘴来输送的，并且燃烧是在包含燃烧区的燃烧室中实现的。这种燃烧器在专利US 6152726（2000年11月28日授予专利权）中被描述。该已知的燃烧器利用了若干个喷射通道用于燃料供给。目前的气态燃料例如使用天然气。第一燃料供给位于旋流器段中，用于喷射燃料的主要部分，其中在主旋流器叶片的边缘处提供多个喷嘴。第二燃料供给可位于中心喷枪处，其与所述燃烧器的主轴线同轴地延伸。该第二燃料供给是可任选的，且优选用于将火焰前缘固定于特定位置处以避免高频波动。第三燃料供给位于所述出口段的端部处，用于点燃且保持主燃烧区中的火焰前缘；所述第三燃料供给包括突出到所述燃烧区中的环形边沿，其中所述边沿设置有沿径向向外方向排放燃料的第二燃料喷嘴。

[0010] 已知的燃烧器实现了低排放，这是由于大多数燃料被输送至旋流器叶片区域，所述旋流器叶片区域能够相应地将燃料均匀分布在气流中以保证较好的预混合物。由于在更高的中心气体流速下火焰位置变动提高了燃烧室的动态性能，所述中心气体喷射在范围有限的操作中改善了火焰的稳定性。通过所述外部先导喷嘴喷射燃料的第三种方式通过散布性火焰改善了稳定性，但也增加了排放，这也限制了操作的范围。在满负荷情况下需要降低排放，因此外部先导仅通过很小部分的燃料来供应，这导致了更小的引燃火焰区域，其对于稳定主火焰的效果较小。特别是，在燃烧器的位于主燃烧区与出口段的所述边沿之间的所述出口段中，流动是高度湍流的，同时在高流速与流速降低的区域之间形成剪流层。在外部先导的散布性火焰类型与主燃烧区之间形成该剪流层，这降低了处于所述出口段外部边沿的外部先导对主燃烧区的火焰前缘的稳定效果。为了避免主燃烧区的火焰前缘熄灭，外部先导的燃料流量必须增加，这将导致较高的NOX排放量。这一效果通过混合管的空气冷却孔喷射的空气进一步知晓，其进一步降低了剪流层的燃料浓度。为了相应地补偿这种效果，必须进一步增加对外部先导的燃料供给以使燃烧稳定，这样不仅增加了NOX的排放量而且也导致所述出口段的外部边沿的温度在所述出口段的材料相关特性的方面是不能忍受的。

发明内容

[0011] 本发明的一个目的是要增加前述燃烧器类型的燃烧稳定性。

[0012] 本发明的另一个目的是要使得前述燃烧器类型的操作范围能够更宽。

[0013] 本发明的又一个目的是减少前述燃烧器类型的排放，特别是NOX的排放。

[0014] 本发明的又一个目的是使得关于待燃烧的燃料能够具有更高的灵活性。

[0015] 本发明的又一个目的是要改善前述燃烧器类型的燃烧效率。

[0016] 为了解决上述目的中的至少一个目的，本发明提出了一种沿轴线延伸的燃气涡轮机的燃烧器，其沿轴向顺序包括：旋流器段；混合段；出口段；主燃烧区；其中，所述旋流器段包括旋流器叶片，所述旋流器叶片被制成使得进入所述旋流器段的燃料和含氧气体的流沿着周向方向旋流；其中，所述混合段将燃料和含氧气体的预混合物引导至所述出口段；其中，所述出口段将所述预混合物排放到所述主燃烧区中，从轴向截面较小的所述混合段到轴向截面较大的所述主燃烧区来扩大所述预混合物的流动，其使所述流动的流线径向发散；其中，所述出口段的面向所述预混合物的流动的表面设置有第一燃料喷嘴，以便在所述预混合物通过所述出口段流动进入到所述主燃烧区中之前，沿径向向内倾斜的方向将燃料喷射到所述预混合物中；其中，所述出口段包括突出到所述主燃烧区中的环形边沿，所述环形边沿包括第二燃料喷嘴，所述第二燃料喷嘴沿径向向外的方向排放燃料。优选地，所述混合段包括用于喷射含氧气体的入口孔，其中所述入口孔被制成沿所述混合段的内表面提供含氧气体的膜。优选地，所述旋流器段包括中心液体燃料喷射，其实现成喷射液态燃料。优选地，所述旋流器段包括气体燃料喷射，其包括用于喷射气态燃料的气体燃料喷射喷嘴，其作为所述旋流器叶片的一部分。优选地，所述混合段具有沿所述轴线同轴延伸的圆筒形状。

[0017] 如上所述的燃烧器也经常称为燃烧室。所述旋流器叶片被设计成增加周向速度分量，特别是在所述混合段中，其导致了燃料和空气的更好的混合。所述混合段可为由外壳包围的圆筒形腔。所述外壳的表面可具有喷射空气（相应地，含氧气体）的穿孔部分。将所述含氧气体喷射到混合区，以便一方面可增加预混和物的氧气含量，另一方面可冷却混合段的壳。被喷射空气形成的冷却膜防止了来自燃烧区的热冲击将所述壳毁坏。

[0018] 出口段基本上是所述混合段的圆筒形壳的延续部分，其中没有用于冷却空气喷射的穿孔。出口段的下游端优选包括轴向截面稍微扩大的所述壳，以减少进入燃烧区的预混物的流动中的任何湍流。此外，所述出口段可包括突出到所述燃烧区中并且位于所述出口段的下游端处的环形边沿。所述环形边沿的外表面可设置有第二燃料喷嘴，其沿着介于轴向方向和严格的径向向外方向之间的倾斜方向排放燃料。排放的燃料基本形成沿轴向下游方向发散的圆锥。

[0019] 优选地，所述燃烧器包括沿轴向向下游方向同轴延伸的中心喷枪，其中所述喷枪的下游尖端提供了用于气体和油的燃料喷射喷嘴。

附图说明

[0020] 下面结合附图以及参考对实现本发明的目前最佳模式的下述描述，本发明本身将更好被理解，并且本发明的上述特性、其他特征和优点以及获得它们的方式将变得更加显而易见，附图中

[0021] 图1示出了根据本发明的燃烧器的三维图示；

[0022] 图2示出了沿轴线X对根据本发明的燃烧器进行剖切的纵向剖视图；

[0023] 图3根据图2中细节III示出了出口段的第一实施例的细节；

[0024] 图4根据图2中细节IV示出了出口段的细节。

具体实施方式

[0025] 图1和图2分别以示意性三维图示和沿着中心轴线X的纵向剖视图示出了根据本发明的燃气涡轮机的燃烧器B。按照含氧气体OCG（以下称为空气A）的流动和燃料F（气态或液态燃料）的流动，燃烧器B可以自上游端UE至下游端DE沿轴向顺序被划分为旋流器段SW、混合段MX、出口段OT以及主燃烧区CZ。

[0026] 所述旋流器段SW包括旋流器叶片SWV。所述旋流器叶片SWV的前缘可参见图1中的三维图示。图2示意性地示出了所述旋流器叶片SWV的几何形状，以及其在所述旋流器段SW内的延伸部。主气体供给MGS以及中心气体供给CGS是所述旋流器段的一部分。所述主要气体供给MGS提供了所述燃料F的主要部分，其中燃料F从更加径向的方向流动进入到由所述旋流器叶片SWV限定的通道，并且被偏转到所述轴向方向中。所述中心气体供给CGS被设计成类似与轴向同轴延伸的喷枪。在所述喷枪L的下游端，设置有用于燃料喷射的喷嘴，以便沿着介于轴向方向和径向向外方向之间的倾斜方向来喷射燃料F。所述旋流器叶片SWV使所述流动具有圆周速度分量，以改善下游的混合段MX中燃料和空气的混合。

[0027] 所述混合段MX由圆筒形壳SG限定，以便将燃料从所述旋流器段SW向下游引导至所述出口段，随后进入所述燃烧区CZ中。所述圆筒形壳SG的内表面包括用于喷射空气的穿孔段PF。喷射的空气建立起覆盖由薄片构成的所述壳SG内表面的膜。喷射的空气A与来自所述旋流器段SW的所述燃料F混合，结果产生含氧气体OCG与燃料F的预混合物MFOCG。在所述混合段MX下游，所述预混合物MFOCG进入所述出口段OT。所述出口段OT是所述混合段MX的圆筒形延续部分。所述出口段OT的内表面提供有第一燃料喷嘴FN1以将燃料F喷射到所述预混合物MFOCG中。所述第一燃料喷嘴FN1以介于径向向内方向和所述轴向方向之间的倾斜方向喷射燃料。通常，所述第一燃料喷嘴FN1的喷射方向可稍向下游方向。在所述预混合物和膜空气排放到所述燃烧区CZ中之前，由所述第一燃料喷嘴FN1喷射的燃料F使所述膜空气A富含燃料F。所述燃烧区CZ的主火焰区域MFR使其中心位于所述轴线X上。在所述燃烧区CZ的所述主火焰区域MFR与所述出口段OT下游端之间形成剪流层SL。所述出口段OT的所述下游端突出为进入到所述主燃烧区CZ中的边沿R。所述边沿R的外表面具有外部先导喷嘴，相应地为第二燃料喷嘴FN2，以便将燃料F沿径向向外方向排放。所述径向向外方向是介于所述轴向方向和所述径向向外方向向下游倾斜的。在所述第二燃料喷嘴FN2处，散布性类型的火焰在所述主火焰区域MFR中建立起稳定的火焰前缘FF。在所述引燃火焰和所述主火焰区域MFR之间，被建立的所述剪流层SL主要由来自所述混合段MX和所述出口段OT的所述空气A，相应为膜空气FA，的流动构成。由于所述膜空气FA富集有从所述第一燃料喷嘴FN1排放的燃料A，所以通过所述引燃火焰对所述主燃烧区域MFR的火焰点火得以改善。

[0028] 图3和图4示出了所述出口段OT的壳SG中提供的内部通道的相应的几何形状。

[0029] 在图3的实施例中，为所述内壁喷射点和所述外部先导喷射器提供了单独的通道，即：用于所述第一燃料喷嘴FN1（相应地，内壁喷射点）的第一燃料通道CHF1，以及用于所述第二燃料喷嘴FN2（相应地，外部先导喷射器）的第二燃料通道。

[0030] 图4的实施例中，为所述第一燃料喷嘴FN1（相应地，所述内壁喷射点，以及相应地，所述第一喷嘴FN1）和所述第二燃料喷嘴FN2（相应地，所述外部先导喷射器）提供了共同的通道。