燃气轮机燃烧器及其操作方法技术

一种燃气轮机用的燃烧器（３０）具有一个环形的燃烧室（３１），其上有径向内外两排燃料喷射器（１９’，２０）同心地设置在燃烧器头部壁（３２）上。在每一排中的每一个喷射器都与另一排中两个喷射器之间的空隙在角度上对准。每一个燃料喷射器都具有一个用来产生具有涡旋运动的燃料／空气混合物的装置和一个外在所说装置下游的混合管。每一混合管经燃烧器头部壁（３２）通入燃烧室（３１）内，并各具有一段长度足以使燃料／空气混合物作为发散的涡旋气流（３８、４０）在进入到燃烧室内之前至少有一部分得到均匀混合。两排混合管的纵向轴线（Ｌ１’、Ｌ２’）的走向分别与各自的第一和第二假想圆锥形表面的生成母线重合。这两圆锥形表面在燃烧室的主燃烧区内相交，构成夹角（２０），致使处在不同排内的喷射器下游方向上相互斜交，而从其内产生的燃料／空气混合物的发散涡旋气流（３８、４０）在燃烧室内以相互交叉方式相交，这样就可在来自不同排的气流之间造成强烈的混合作用，并促使主燃烧区内的燃烧均匀而且快速。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及燃气轮机用的燃烧器，包括相关的燃料燃烧嘴，或被称为燃料喷嘴或喷射器。它特别但并不仅仅涉及那些适宜在所谓“低排放燃烧模式”下操作的燃烧器，因为这些燃烧器能支撑预混合稀薄燃烧过程。某些已知型式的燃烧器采用预混合稀薄燃烧的模式来减少污染物如氮氧化合物(“NOx”)、一氧化碳(“CO”)和未燃碳氢化合物(“UHC”)的排放，使燃烧温度保持在已知可减少产生污染物的某些限度之内。为了得到这样一个低排放的燃烧模式，在将燃料/空气混合物初始喷射到燃烧室的燃烧区带内之前预先使空气与燃料混合。术语稀薄燃烧意谓与燃料混合的空气量大于燃料完全燃烧时所需的空气量。燃气轮机可在转速和载荷条件的广阔范围内运行，从初始的起动状态，通过各种转速/载荷的组合到最大值都可运行。当发动机的燃烧器在一预混合稀薄燃烧、低排放的燃烧模式下运转时，大家都知道在较低的功率范围内火焰很低达到稳定，这是因为燃烧过程是在空气/燃料混合物接近熄灭极限的条件下进行的。还有一个相关问题是燃烧过程很不均匀，导致温度和留在主燃区内的燃烧产物的组成都会发生不希望有的变化，以及在最接近燃烧过程的燃烧器壁内温度梯度的增加。这种不均匀的燃烧是由于燃料/空气混合物在燃烧室内建立的火焰前沿内点燃时，它本身还没有足够快地均匀化起来而引起的。促进空气和燃料很好混合的一个大家都知道的方法是在将燃料喷入到空气流内之前、之中或之后使燃料和空气产生涡旋运动。公告的专利说明书EP 0378 505 B1公开了在一环形的燃烧室内如何使用设有相关空气涡旋器的燃料喷射器来使燃料和空气沿着或平行于燃烧室的轴向中心线而喷射。燃料喷射器被排列在燃烧器头部内的径向内外两个沿圆周方向延伸的层或排上，并且燃料是在燃烧室内离开喷射器的端头后才与涡旋的空气混合。与一排喷射器相关的空气涡旋器使空气沿一个旋转方向涡旋，而由另一排的空气涡旋器传给空气的涡旋沿相反的旋转方向涡旋。另外，在每一排内的燃料喷射器在角度上对准在另一排的喷射器之间的间隙，这样，从一个排内的喷射器排出的燃料和空气就会与从另一个排内的两个相邻的燃料喷射器排出物相互起作用。即在燃烧器前部或头部建立起一个增强的燃料/空气涡旋模型可用来使燃烧稳定。但这个先有技术专利技术的目的是在非预混合扩散控制燃烧过程中增加燃烧的强度，而对于旨在减少排放的预混合稀薄燃烧的燃烧过程，燃烧强度都须被控制在一定限度之内。采用数个阶段来完成燃烧过程的方法可将稳定的预混合稀薄燃烧延伸到至少比较低的功率范围内，例如国际专利公报W0 92/07221号所示。该公报公开了一个在相继排列的燃烧室内发生的、具有一次、二次、如果需要还可有三次燃烧的接续而分阶段的燃烧过程，其中含有一次燃烧区的燃烧室将燃烧产物输送到第二阶段，该阶段的燃烧产物又继续往下输送。这种接续而分阶段的燃烧过程的缺点为燃烧器需有特别大的长度方能确保在每一阶段内合适地完成燃烧过程，然后才能继续将预混合的燃料和空气添加到燃烧产物中以便开始下一阶段的燃烧。授与本转让人的英国专利申请号GB 9519826.3公开了一种稀薄燃烧的燃烧器，其中主要预混合燃料燃烧嘴或喷射器有一环绕一中心先导燃料燃烧嘴或喷射器的环。该主预混合燃料-贫燃料/空气混合物被喷射到燃烧室内，作为初始的沿径向向内移动的涡旋流，与来自先导燃烧嘴的轴向强气流会合。这个强气流提高了主燃料一贫燃料/空气混合物在进入燃烧室时的均匀化，并有助于防止其过早的点燃。先导强气流的形状使它能形成一个被遮蔽的燃烧区域，该区域在发动机部分功率状态下支撑正在先导燃烧嘴下游的燃烧过程，并增加预混合稀薄燃烧过程的稳定性。这样安排可使所谓“平行分阶段”式“燃料分阶段”的燃料过程容易进行，其中一次和二次燃烧过程都在同一流动方向的轴向位置上发生，而燃料按照燃料流量对功率值的规范在先导烧嘴和主要燃烧嘴之间合适地分配。这样可同时得到一个在广阔的功率范围的低排放燃烧模式和较短的燃烧室。尽管如此，但由于预混合稀薄燃烧的主火焰和富含燃料的先导火焰必需靠近先导烧嘴，会导致先导燃烧嘴的露出端的温度过高，并且在发动机低功率时，富含燃料的先导火焰还会导致一定量的NOx的形成。当然，实际的设计不可避免地将是这些互相矛盾的要求折衰的结果，但从上述当可知道，需要有较短燃烧器结构，它须使我们容易得在到广阔的功率范围内稳定的低排放燃烧，同时还能在适当地与燃烧器头部间隔开的主燃烧区域内得到均匀的燃烧过程。按照本专利技术，燃气轮机用的燃烧器具有一个环形的燃烧室，在其径向上设有内外两个同心的壁，而在其上游端设有一个燃烧器头部的壁，多个设在燃烧器头部壁内的燃料喷射器；这些燃料喷射器互相间隔开地被排列在燃烧器头部壁的圆周上，成为径向在外的第一排喷射器和径向在内的第二排喷射器，这两排喷射器与燃烧器头部壁同心，而在第一排和第二排中的喷射器被这样设置，使在每一排中的每一个喷射器与另一排中两个喷射器之间的空档在角度上对准，而且每一个燃料喷射器都具有一个用来产生具有涡旋运动的燃料/空气混合物的装置；一个位在用来产生燃料/空气混合物的装置的下游的混合管；这些混合管经燃烧器头部壁通入燃烧室内，并各具有一段长度足够使燃料/空气混合物作为发散的涡旋气流在进入到燃烧室内之前至少有一部分得到均匀混合。这些在第一和第二排喷射器中的混合管的纵轴线的走向分别与各自的第一和第二假想的圆锥形表面的生成母线重合，而这些圆锥形表面的母线在燃烧室的主燃烧区内相交，其时位在不同排内的喷射器在下游方向上相互斜交，致使从不同排喷出的燃料/空气混合物的发射的涡旋气流在燃烧室内以相互交叉方式相交，从而在来自不同排的气流之间造成强烈的混合作用并促使主燃烧区内的燃烧均匀。上面所使用的名词“圆锥形表面”包括两个圆锥形表面中有一个而且只有一个圆锥形表面实际上为一圆筒形表面的情况，圆筒可看作顶点在无穷远的圆锥。人们相信，交叉相交的涡流的强烈混合作用是由于气流外层的涡旋运动在互相作用时出现扰动的冲突而造成的。随着气流的向下游流动，扰动也很快地沿下游方向的横向传播，由此产生一个基本上均匀的燃料/空气混合物和具有所需均匀度的燃烧产物留在主燃烧区内。对于燃料/空气混合物的交叉气流之间的扰动的相互作用，目前认为最有效的做法是使每一排的相邻喷射器的涡旋运动的方向都相反。但本专利技术还包括可替代的第二和第三种安排，即从所有喷射器出来的气流的涡旋运动方向都相同，或者其中在同一排上的喷射器都相同，而在不同排上的喷射器都相反。目前，我们认为，第三种安排不能象第一种和第二种那样得到这种有效的混合，但在发动机点燃的阶段内可很好地使环形燃烧器能较好地点燃。对于固定式陆用燃气轮机，其中低排放性能可能要比良好的点燃特性优先考虑，这时第一和第二种安排较为有利，而对于车辆用的燃气轮机，特别是航空发动机，由于希望得到良好的点燃特性，第三种安排可能较优。按照本专利技术设计的燃烧器在主燃烧区及其下游具有一个较为均匀的燃烧过程和温度，因此在其燃烧器壁，特别是在燃烧器头部的壁内经受不太陡的温度梯度。由于在壁部材料内的低应力，因此燃烧器壁可有较长的寿命。另外，如上所述，位在不同排的混合管相互斜向交叉，带来增强的混合作用，可减少主燃烧区的长度，因此能采用较短的燃烧室，从而在材料所占空间、重量和费用及冷却燃烧器壁所需的冷却空气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃气轮机用的燃烧器，具有： 一个环形燃烧室，在其径向上设有内外两个同心的壁，而在其上游端设有一个燃烧器头部的壁，及 多个设在燃烧器头部壁内的燃料喷射器，这些燃料喷射器互相间隔地被排列在燃烧器头部壁的圆周上，成为径向在外的第一排喷射器和径向在内的第二排喷射器，这两排喷射器与燃烧器头部壁同心，而在第一排和第二排中的喷射器被这样设置使在每一排中的每一个喷射器都与另一排中两个喷射器之间的空档在角度上对准，而且每一个燃料喷射器都具有： 一个用来产生具有涡旋运动的燃料／空气混合物的装置； 一个位在用来产生燃料／空气混合物的装置的下游的混合管，这些混合管经燃烧器头部壁通入燃烧室内，并各具有一段长度，足以使燃料／空气混合物作为发散涡旋气流进入到燃烧室内之前至少部分均匀， 这些在第一和第二排喷射器中的混合管的纵向轴线的走向分别与各自的第一和第二假想圆锥形表面的生成母线一致，而这些圆锥形表面在燃烧室内的主燃烧区内相交，其时位于不同排内的混合管沿下游方向相互斜交，致使来自不同排的燃料／空气混合物的发散涡旋气流在燃烧室内以交叉的方式相交，从而在来自不同排的气流之间产生强烈的混合作用，从而提高主燃烧区内的燃烧均匀性。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：P塞尼尔，S梅德霍夫，
申请(专利权)人：欧洲燃气轮机有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]