在燃气轮机上使用的具有分级切向燃料-空气喷嘴的筒状环形燃烧室

摘要

一种在燃气轮机中使用、为发电而产生推力或使轴旋转的燃烧设备，其包括具有燃料和空气入口通道以及喷嘴的筒状环形燃烧室，其产生了燃料和空气的最优的燃烧环境。燃料、空气和/或燃料空气入口在不同的纵向位置处放置且周向分布，并与筒体衬套相切或几乎相切地引导气流。该燃烧设备提供燃料和空气的最优的混合，产生了一种燃烧环境，该燃烧环境减少污染排放，减少对于高成本污染控制设备的需求，促进点火和火焰稳定性，减少导向问题并促进减震。

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机中的设备，所述设备有助于容纳和产生燃料 和空气混合物的燃烧。这种设备包括但不限于用于军用和商用飞机、 发电和其他燃气轮机的相关应用中的燃料-空气喷嘴、燃烧室衬套和壳 体以及流动过渡组件。

背景技术

燃气轮机包括从以非常高的温度、压力和速度流动的燃烧气体中 汲取能量的机械装置。所汲取的能量可用于驱动用于发电的发电机， 或为飞机提供所需的推力。典型的燃气轮机由多级压缩机构成，其中 大气被压缩为高压。然后压缩的空气在燃烧室中以特定的燃空比混合， 在此其温度增高。接着高温和高压的燃烧气体膨胀通过涡轮机来提取 能量，以依靠此应用提供所需的推力或驱动发电机。该涡轮机包括至 少一个单个级，每级由一排桨叶和一排叶片构成。该桨叶沿周向分布 在旋转轮毂上，其中每个桨叶的高度覆盖热气流路径。非旋转叶片的 每级沿周向布置，其也延伸穿过热气流路径。所包含的发明包括燃气 轮机的燃烧室和将燃料和空气引入到所述装置中的组件。

燃气轮机的燃烧室部分可以有几种不同的类型：筒状/管状、环形、 以及以上二者结合形成的筒状环形燃烧室。在该组件中，压缩的燃料- 空气混合物穿过燃料-空气旋流器或喷嘴，并发生混合物的燃烧反应， 从而产生导致混合物密度下降的热气流，并在下游加速。筒状类型燃 烧室通常包括独立的、周向间隔开的筒，所述筒分别容纳每个喷嘴的 火焰。随后，来自于每个筒的气流被引导通过导管，并在其进入第一 级叶片之前在环形过渡件中整合。在环形燃烧室类型中，燃料空气喷 嘴通常沿周向分布，并将混合物引入到发生燃烧的单个环形燃烧室中。 气流仅从环形物的下游端离开进入到第一级涡轮机中，而不需要过渡 件。最后的类型、即筒状环形燃烧室的关键不同在于，其具有独立的、 由环形壳体包围的筒，所述环形壳体容纳被供给到每个筒中的空气。 依据本发明，每个变形都有其有利和不利之处。

在用于燃气轮机的燃烧室中，由于多种原因，通常由燃料-空气喷 嘴来将涡流引入到混合物。一个原因是为了提高混合程度从而促进燃 烧，另一个原因是增加涡流稳固了火焰，以防止火焰熄灭，并允许燃 料-空气混合物较为稀薄，以减少排放。燃料-空气喷嘴可采用不同的配 置，例如一个对多个的环形入口，每个环形进口上都有涡流叶片。

对于其它燃气涡轮机组件，需要实施冷却方法，以防止燃烧室材 料熔化。一种冷却燃烧室的典型方法是致密微孔壁冷却，用额外的偏 置衬套包围燃烧衬套来实施，其中额外的偏置衬套位于燃烧室和燃烧 衬套之间，压缩机排放空气通过掺混孔和冷却通道穿过并进入到热气 流路径。该技术从组件中去除热量，同时在衬套和燃烧气体之间形成 冷空气边界层薄膜，从而阻止向衬套的热传递。掺混孔根据其在衬套 上的轴向位置有两个目的：更靠近燃料-空气喷嘴的掺混孔将有助于气 体的混合，以促进燃烧，同时为燃烧提供未燃烧空气，第二，更靠近 于涡轮机放置的孔会冷却热气流，并可设计为用来控制燃烧室的出口 温度分布。

可以看出，不同的方法和技术可并入在用于燃气轮机的燃烧室的 设计中，以促进燃烧并降低排放。只要燃气涡轮机趋于比其他发电方 法产生较少的污染，在本领域就还有改进空间。随着在一些国家中政 府的排放标准的严格化，该技术需要改进以满足这些要求。

发明内容

关于本发明，其提供了一种新颖的改进后的燃烧室设计，其能够 以通常的方式操作，同时使得燃料和空气混合物的燃烧所产生的污染 排放最小化，并解决这类设备所面临的一些其他问题。本发明包括典 型的筒状环形燃烧室，其具有燃料和空气气喷嘴和/或掺混孔，燃料空 气喷嘴和/或掺混孔在纵向和周向方向上的不同位置将压缩机排放空气 和增压燃料引入到燃烧室。本发明的独创特征是燃料和空气喷嘴以如 此方式放置：产生提高燃烧反应物和产物的混合的环境。将燃料和空 气喷嘴分级，使上游喷嘴主要喷射燃料，另一组下游喷嘴主要喷射空 气，这促进了燃烧反应物的混合，并在燃烧区域产生可大大减少形成 NOx的特定氧浓度。在该设备中，没有附加的/固定的火焰，而是具有 在筒体中邻近前壁的区域，在该区域发生扩散燃烧。分离的燃料和空 气喷嘴的新颖构造意味着下游喷射和上游扩散的空气会被稀释，因此 降低产生火焰的氧浓度，并降低火焰高峰温度。这使得本发明能够减 少排放。另外，在燃烧区域下游引入压缩机排放空气，使得在燃烧期 间形成的所有的cO在其进入第一级涡轮机之前被燃烧/消耗。实际上， 燃烧室会提高燃气涡轮机的排放水平，因此减少排放控制设备的需要， 同时减少这样设备的环境影响。除了这些改进，每个筒体中，切向燃 烧燃料和燃料空气喷嘴将最初的火焰前部引导到相邻的燃烧器喷嘴， 从而大大提高了燃烧室的点火过程。

附图说明

参看附图：

图1是示出具有附接到外部筒体衬套的喷嘴的筒状环形装置的二 维草图，该喷嘴将燃料和空气喷射到公共平面中；

图2是示出筒状环形燃烧室中应用于筒体的切向喷嘴的基本构思 的二维草图；

图3是所述发明的示例性配置的上游部分的等距侧视图；

图4A是本发明的等距剖视图；

图4B是图4A图像的特写图；

图5是示出图3中限定的部分A-A的剖面图；并且

图6是示出图3中限定的部分B-B的剖面图。

具体实施方式

图1示出筒状环形燃烧室的通常配置的实施例，其具有在公共半 径上周向隔开的筒体1，所有的筒体被包围在筒形外衬2和筒形内衬3 之间。图1还显示出筒体的切向喷嘴的布置。图2示出筒体的更多细 节。筒体衬套4形成筒体容积，燃料/空气喷嘴5喷射燃料或空气。喷 嘴在喷嘴中心线6以及筒体衬套4与喷嘴中心线6的交叉点处的切线 之间形成角度8。该角度限定了喷嘴的周向。

图2还示出了筒状环形燃烧室装置的示例中筒体的通常操作，其 中燃料或空气9以角度8喷入筒体1。在本发明中并不固定的火焰10 在与筒体衬套一致的路径11中形成，并穿过筒体。这些切向的喷嘴使 得每个喷嘴的气流与相邻下游喷嘴相互作用。这一关键特点通过允许 来自一个喷嘴的火焰点燃相邻下游的喷嘴处的燃料来促进点火，并减 少对于多个燃烧器喷嘴定向的问题。

图3示出了除去下游部分的示例的筒体的起始或上游部分。本发 明具有沿着筒体的纵向隔开的多个喷嘴排。每排喷嘴12、13可以具有 至少一个喷嘴，并相对于相邻的喷嘴排偏移一周向角。尤其是，靠近 前壁15的喷嘴排中的喷嘴12以前述方式将纯燃料/大部分燃料喷射到 筒体中，同时这些喷嘴下游的喷嘴13以类似的方式将纯压缩机排放空 气或燃料空气混合物喷射到筒体中。该筒体还可以具有多排周向隔开 的孔14或通道，以使冷却空气在任一位置进入筒体。

图4A和图4B示出筒体的最上游面15，其可具有与掺混孔类似的 孔16，所述孔16允许压缩机将空气排放到筒体。图5和图6示出每组 喷嘴中的喷嘴12、13如何以一定周向角偏置。不同排的喷嘴允许燃料 和空气的分开喷射，在前壁附近处产生不出现高氧浓度的燃烧反应物 区，这将降低火焰峰值温度。朝着前壁向上游行进的烟气将从燃烧产 物中稀释，使得燃烧反应物能够遇见较低的氧浓度。由分级燃料和空 气喷嘴产生的这种燃烧环境能够减少排放。

本发明根据优选实施例在上面描述。然而，本领域技术人员会意 识到在不脱离本发明本质和范围时可对上面描述的实施例作出改变和 变型。这里选择的用于说明目的的对实施例的不同改变和变型很容易 被本领域人员想到。在某种程度上，这样的变型和变体并没有脱离本 发明的精神，它们还旨在被包括在本发明范围内。

已经以清楚、具体的术语充分地描述了本发明，以使得本领域技 术人员能够理解并实施该发明，本发明的权利要求如下。