[发明专利]在燃气涡轮机上使用的、具有预混合的燃料和空气的切向环形燃烧器

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃气涡轮机中的装置，该装置有助于容纳燃料空气混合物并产生燃料空气混合物的燃烧。这样的装置包括(但不限于)：燃料-空气喷嘴、燃烧器衬套和壳体、以及流动过渡件，该流动过渡件用在军用和商用飞机、发电及其它与燃气涡轮机有关的应用中。

背景技术

燃气涡轮机包括从以很高的温度、压力和速度流动的燃烧气体中提取功的机械。所提取的功可用于驱动用于发电的发电机，驱动压缩装置或用于提供飞机所需的推力。典型的燃气涡轮机包括多级压缩机，在该多级压缩机中，大气被压缩至高压。然后，压缩空气在燃烧器中以特定的燃料/空气比混合，其中，升高了其温度。然后，高温高压的燃烧气体通过涡轮而膨胀以做功，从而根据其应用而提供所需的推力或驱动发电机。涡轮包括至少一级，其中，每一级均包括一排刮片和一排叶片。这些刮片周向地布置在旋转毂上，其中每个刮片的高度覆盖热气流路。不旋转的叶片的每个级沿周向地布置，该级还延伸通过热气流路。本发明涉及燃气涡轮机的燃烧器以及将燃料和空气引导到所述装置中的部件。

燃气涡轮机的燃烧器部分可以有几种不同类型：筒式、罐式/管状、环形、以及罐式/管状与环形的组合以形成罐式-环形燃烧器。通过该部件，压缩的燃料-空气混合物通过燃料-空气涡流器并发生混合物的燃烧反应，从而形成引起其密度下降和向下游加速的热气流。罐式燃烧器典型包括单独的周向间隔的罐，该罐单独容纳每个喷嘴的火焰。来自每个罐的气流然后被引导通过管，并且在其进入第一级NGV之前被结合在环形过渡件中。在环形燃烧器类型中，燃料-空气喷嘴典型地周向分布并将混合物引导到发生燃烧的单个环形室中。在不需要过渡件的情况下，气流完全离开环形件的下游端并进入第一级涡轮中。最后一种类型(即，罐状-环形燃烧器)的关键差别在于其具有由容纳空气供给到每个罐中的环形壳体包围的单独的罐。取决于具体应用，每个变型例均具有其各自的优点和缺点。

在用于燃气涡轮机的燃烧器中，典型的是燃料-空气喷嘴将涡流引入混合物中。一个原因是增强混合并因此增强燃烧，另一个原因是增加的涡流使火焰稳定以防止火焰熄灭并允许较贫的燃料-空气混合物以减少排放。燃料空气喷嘴可采用不同的结构，例如在每一个上都具有旋流叶片的一个至多个环形入口。

对于其他的燃气涡轮机部件，需要冷却方法以防止燃烧器材料熔化。一种典型的用于冷却燃烧器的方法是扩散冷却，该扩散冷却通过以在燃烧器衬套与燃烧气体之间的附加的偏移衬套围绕燃烧器衬套来实施，压缩机排出的气体通过稀释孔和冷却通道经过并进入热气流路。该技术消除了来自部件的热量，并且在衬套与燃烧气体之间形成了薄边界层冷空气膜，从而防止了热量传递至衬套。稀释孔根据其在衬套上的轴向位置而有如下两个目的：第一，较靠近燃料空气喷嘴的稀释孔会有助于气体的混合以增强燃烧并提供未燃空气用于燃烧，第二，较靠近涡轮布置的孔会冷却热气流并可以设计为控制燃烧器的出口温度曲线。

可见，可以将几种方法和技术合并到用于燃气涡轮机的燃烧器的设计中以改善燃烧并减少排放。尽管燃气涡轮机倾向于比其它发电方法产生更少的污染，但在该领域中仍然存在改善空间。随着一些国家加强了政府排放法规，该技术将需要改进以满足需求。

发明内容

关于本发明，提供了一种新颖的和改善的燃烧器设计，它能够以典型的方式运行，同时使由于燃料和空气混合物的燃烧的污染物排放最小化。本发明由典型的由环形燃烧器构成，其具有预混合的燃料-空气喷嘴和/或稀释孔，在沿着纵向方向和周向方向不同的位置处将压缩机排出的空气和加压燃料引导到燃烧器中。本发明的原有特征是燃料和空气入口被布置成使得形成燃烧反应物和产物的提高的混合的环境。将预混合燃料和空气喷嘴分级以具有比另一组下游喷嘴多的燃料上游提高了燃烧反应物的混合，并且在燃烧区域中产生了特定的氧浓度，这大大降低了NOx的产生。此外，燃烧区域下游的压缩机排出的气体的引入允许在燃烧期间产生的任何CO在进入第一级涡轮之前被燃烧/消耗。实际上，燃烧器将改进燃气涡轮机排放水平，因此降低了对排放控制装置的需要以及使这样的装置的环境影响最小化。除了该改善之外，切向点燃的燃料和燃料-空气喷嘴将其火焰向其相邻的燃烧器引导，从而大大提高了燃烧器的点火过程并且离开燃烧器的最终气流具有大的周向速度分量，这降低了第一级NGV的所需尺寸。

附图说明

参照以下附图：

图1是示出了附接到燃烧器外衬套上并具有指向燃烧器内部的周向和径向方向(喷嘴的可能的纵向方向未示出)的喷嘴的二维示意图；

图2是具有所提出的分级燃料和空气喷射的示例性环形燃烧器的等轴侧视图；