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CN102235670A - 通过燃料分级的燃烧器排出温度轮廓控制及相关方法 - Google Patents

通过燃料分级的燃烧器排出温度轮廓控制及相关方法 Download PDF

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CN102235670A CN2011100997863A CN201110099786A CN102235670A CN 102235670 A CN102235670 A CN 102235670A CN 2011100997863 A CN2011100997863 A CN 2011100997863A CN 201110099786 A CN201110099786 A CN 201110099786A CN 102235670 A CN102235670 A CN 102235670A
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Abstract

本发明涉及通过燃料分级的燃烧器排出温度轮廓控制及相关方法。具体而言，燃气轮机燃烧器(10)包括由燃烧器衬套(38)限定的燃烧室(39)，燃烧器衬套具有支承一个或多个喷嘴(32)的上游端盖(30)，喷嘴(32)布置成将燃料供给至燃烧室，在燃烧室中，燃料与从压缩机供送的空气相混合。过渡管道(20)连接在燃烧室衬套的下游端与第一级涡轮喷嘴(50，52，54)之间，过渡管道将气态燃烧产物供送至所述第一级涡轮喷嘴。一个或多个附加的燃料喷射喷嘴(56，58)布置在过渡管道(20)的后端处，以便将用于燃烧的附加燃料和空气在第一级涡轮喷嘴的上游引入过渡管道(20)中。

Description

通过燃料分级的燃烧器排出温度轮廓控制及相关方法
技术领域
本发明主要涉及燃气涡轮机，并且更具体地涉及一种构造成用于延迟燃料喷射来管理燃烧器排出温度轮廓(或出口温度轮廓)的筒型燃烧器。
背景技术
燃气轮机通常包括压缩机、一个或多个燃烧器、燃料喷射系统以及多级涡轮区段。通常，压缩机使进入空气加压，该进入空气然后转向或反向流动至燃烧器，在燃烧器中，进入空气用于冷却燃烧器，并且还向燃烧过程提供空气。在一些多燃烧器涡轮中，燃烧器自身定位成围绕涡轮转子的圆形布置，通常称为″环筒″阵列，并且过渡管道(duct)将燃烧气体从各个燃烧器输送至涡轮区段的第一级。
更具体而言，在典型燃气轮机构造中，各燃烧器均包括固定到涡轮壳体上的大致圆柱形的燃烧器壳体。各燃烧器还包括流动套筒以及大致同心地布置在流动套筒内的燃烧器衬套。流动套筒和燃烧器衬套两者都在其下游或后端处的双壁过渡管道和其上游或前端处的燃烧器衬套帽盖组件之间延伸。过渡管道的外壁和流动套筒的一部分在其相应表面的大部分上设有冷却空气供送开孔的布置，从而容许压缩机空气进入过渡件内壁与外壁之间以及燃烧器衬套与流动套筒之间的径向空间，且反向流至燃烧器的上游部分，在其中，空气流再次反向流过帽盖组件并进入燃烧器衬套内的燃烧室中。干式低NOx(DLN)燃气轮机通常使用双燃料燃烧器，其具有液体和气体两种燃料的能力。一种常见的布置包括五个双燃料喷嘴，其包绕中央双燃料喷嘴，布置成将燃料和空气供送至燃烧室。
然而，在各种操作状态下，以及为了获得较高的效率，期望的是保持相对较高的燃烧气体温度来引入到涡轮第一级中。然而，将燃烧气体温度保持在期望的高水平通常将不利地影响经受此种高温的热气体通路构件的使用寿命。
发明内容
根据第一示例性而非限制性的实施例，本发明提供了一种燃气轮机燃烧器，其包括：由燃烧室衬套限定的燃烧室，该衬套具有上游端盖，其支承布置成用以将燃料供送至燃烧室的一个或多个喷嘴，在燃烧室中，燃料与从压缩机供送的空气相混合；连接在燃烧室衬套下游端与第一级涡轮喷嘴之间的过渡管道，该过渡管道将气态燃烧产物供给至第一级涡轮喷嘴；以及一个或多个附加燃料喷射喷嘴，其布置在过渡管道后端处以便将用于燃烧的附加燃料和空气在第一级涡轮喷嘴的上游引入该过渡管道中。
根据另一示例性而非限制性的方面，提供了一种燃气轮机，其包括压缩机、布置成环形阵列的多个燃烧器，各燃烧器均具有布置成用以将燃料供给至燃烧室的一个或多个燃料喷嘴，各燃烧器均具有用于将燃料室连接到第一级涡轮喷嘴上的过渡管道；定位在过渡管道后端处的一个或多个附加燃料喷射喷嘴；以及布置成用以将燃料供给至各过渡管道的附加燃料喷射喷嘴的歧管。
在又一示例性而非限制性的方面，提供了一种管理燃烧器排出温度轮廓的方法，包括：(a)使燃烧气体从涡轮燃烧室经由过渡管道流至第一级喷嘴，该过渡管道在一端附接到至少部分地限定燃烧室的燃烧器衬套上；(b)将一个或多个燃料喷射喷嘴布置在远离燃烧室的过渡管道的后端处；以及(c)向该一个或多个燃料喷射喷嘴供送足量的燃料以实现期望的燃烧器排出温度轮廓。
现在将结合下文标示的附图来详细描述本发明。
附图说明
图1为公知的燃气轮机燃烧器的局部截面图；
图2为燃烧器过渡管道与涡轮第一级喷嘴之间界面(interface)的顶部透视和局部示意性视图；
图3为燃烧器过渡管道排出端处的平均温度轮廓和峰值温度轮廓的图表，该燃烧器并未如在本发明的示例性而非限制性实施例中那样将附加燃料喷嘴结合到过渡管道中；
图4为类似于图3的图表，但示出了根据示例性而非限制性实施例的结合有附加喷嘴的过渡管道的平均温度轮廓和峰值温度轮廓；
图5为示出涡轮各种操作状态的流程图，表示根据本文所公开的示例性而非限制性实施例的延迟贫燃料喷射技术的定时；以及
图6为过渡管道和喷嘴导叶的示意性端视图，示出了根据本文所述的示例性而非限制性实施例的关于管道壁和喷嘴导叶的峰值温度区的位置。
具体实施方式
首先参看图1，公知的燃气轮机10(部分地示出)包括压缩机12(也部分地示出)、多个环筒型燃烧器14(示出了一个)，以及这里由单个喷嘴叶片16所代表的涡轮区段。尽管并未明确地示出，但涡轮沿公共轴线(即转子轴线)传动地连接到压缩机12上。压缩机12使进入空气加压，该进入空气然后反向流动至燃烧器14，在其中，空气用于冷却燃烧器且将其提供给燃烧过程。然而，将会认识到的是，本发明不限于环筒型燃烧器。
如上文所述，多个燃烧器14定位成围绕燃气轮机轴线的环形阵列。过渡管道18将各燃烧器的后端与涡轮的入口端相连，以便将热燃烧产物输送至涡轮第一级。在各种燃烧器14中，借助于结合有联焰管22(示出了一个)的火花启动装置以常用方式实现点燃。
各燃烧器14均包括大致圆柱形的燃烧器壳体24，该壳体24借助于螺栓28固定到涡轮壳体26上。燃烧器壳体的前端由端盖组件30封闭，该端盖组件30包括供送管、歧管和相关的阀，如本领域广为所知的那样用于将气态燃料、液态燃料、空气和水供送至燃烧器。端盖组件30还支承多个(例如，三个至六个)″外部″燃料喷嘴组件32(出于方便和清楚的目的，图1仅示出了一个)以及一个中央喷嘴(图1中不可见)，其中，组件32以圆形阵列围绕燃烧器的纵轴线布置。
在燃烧器壳体24内，以大致与其同心的关系安装了大致圆柱形的流动套筒34，该套筒34在其后端处连接到过渡管道18的外壁36上。流动套筒34在其前端借助于径向凸缘35在对接接头37处连接到燃烧器壳体24上，其中，燃烧器壳体24的前部区段和后部区段在对接接头37处相连结。
在流动套筒34内，存在同心地布置的燃烧器衬套38，其限定燃烧室39，且该燃烧器衬套38在其后端与过渡管道18的内壁40相连。燃烧器衬套38的前端由燃烧器衬套帽盖组件42支承，该帽盖组件42继而又由多个支柱(strut)和相关的安装组件(并未详细示出)支承在燃烧器壳体24内。
过渡管道18的外壁36和流动套筒34可设有孔口44阵列，用以容许压缩机排放空气流过孔口44并进入流动套筒34与燃烧器衬套38之间的环形空间中，在其中，排放空气反向朝燃烧器上游端流动(如由图1中的流动箭头所示)。这为广为公知的布置，无需进一步阐述。
转到图2，更改的过渡管道20在管道的后端处附接到涡轮区段的第一级上，该后端由相对刚性的外周构架部件46和大体上以48表示的附加附接器件(hardware)限定。过渡管道的构架和附接器件是通常公知的，且并不形成本发明的部分。涡轮第一级喷嘴在图2中由多个第一级喷嘴导叶50，52和54表示，应当理解的是，喷嘴导叶以环形阵列布置在附接到涡轮转子(未示出)的第一级叶轮上的叶片或轮叶附近。
根据示例性而非限制性的实施例，两个或多个延迟贫燃料喷射喷嘴56，58(也简单地称为″燃料喷射喷嘴″)安装到过渡管道上，位于其邻近附接器件48和刚性构架46的后端20处，并延伸穿过双壁管道，即外壁36和内壁40。燃料借助于歧管60和供送导管62供送至喷射喷嘴56，58，其中，供送导管62延伸至包绕环筒形燃烧器后端的另一歧管(未示出)。因此，该包绕歧管将供给燃料至燃料喷射喷嘴56，58和与多个燃烧器过渡管道中的各个相关的分支入口64，66。
可选且不限制本文所述发明的是，燃料喷射喷嘴56，58可具有敞开的上端68，70，其分别将压缩机排放空气吸入喷嘴中以与由歧管60供送的燃料相混合。如果期望的话，内部旋流器装置72，74还可包括在喷嘴56，58内，以便于空气和燃料在喷射到过渡管道18中之前进行混合。本领域的普通技术人员将会理解的是，喷射喷嘴56，58的敞开端68，70的尺寸将选择为用以吸收期望量的空气以便与燃料相混合，且随后引入过渡管道中，大致垂直于管道内的燃烧气流。混合物的点燃可由任何适合以及另外的常规方式实现。
如还从图2中清楚的那样，燃料喷射喷嘴56，58定位成以便沿周向大致位于下游成对的涡轮第一级喷嘴导叶50，52与52，54之间，且处在过渡管道纵轴线的每一侧上。因此，在所示的实施例中，喷射喷嘴56沿周向定位在喷嘴导叶50和52之间，而喷射喷嘴58沿周向定位在喷嘴导叶52和54之间。在所示的实施例中，三个喷嘴导叶大致定位在过渡管道20的排出开口轮廓内。对于其它涡轮应用，过渡管道的出口轮廓内可存在四个喷嘴导叶，且在此情况下，可存在三个延迟贫燃料喷射喷嘴，它们也沿周向安置在相应的相邻导叶对之间。
通过将延迟贫燃料喷射喷嘴56，58定位在过渡管道18的后端处，且合适地对准第一级喷嘴导叶50，52和54，在未将热气体通路燃烧器构件暴露在峰值温度下的情况下，燃烧器排出温度的平均温度轮廓可以保持或甚至增大。换言之，延迟贫燃料燃烧出现在燃烧室39的下游，该燃烧室39一般处于高于过渡管道18后端的温度。此外，由延迟贫燃料喷射燃烧产生的峰值温度区定位成远离管道壁，且沿周向处在第一级喷嘴导叶之间，如在图6中以P1和P2所示。
有关保持温度排出轮廓但却延长热气体通路构件的使用寿命的本发明的另一优点还可从图3和图4的比较中看出。在图3中，平均温度轮廓和峰值温度图案并非完美地对称，示出了所谓的冷条纹，其离由水平线76和78表示的过渡管道侧壁的其中一侧更近。为了保持更为均匀的轮廓，供给至延迟贫燃料喷射喷嘴56，58的燃料可为不同(或有差别)的，以便在特征为冷条纹的一侧比管道另一侧提供更多燃料。通过增加延迟贫燃料喷射器，可使温度轮廓更为均匀，且同时，温度峰值图案可转移远离过渡管道的侧壁，如图4中所示。换言之，尽管平均排出温度如在图3与图4之间那样保持不变，但峰值温度图案设计为远离过渡管道侧壁76，78。
换言之，峰值温度可保持远离金属零件，而进入涡轮中的总体热量可增大或调整成用以提供更均匀的排出温度轮廓。这导致构件的使用寿命更长和涡轮的输出效率提高。
图5以流程图形式示出了涡轮从启动至全速至满载的各种操作状态。更具体而言，在启动之后，涡轮进入全速空载状态，且随后到达点火温度(firing temperature)，该点火温度一般由热气体通路构件的耐用性限定。通过使用根据本文所述的实施例的延迟贫燃料喷射，涡轮点火温度可增大而不会不利地影响热气体通路的耐用性，且可使涡轮进入构件耐用性可接受的全速满载状态。
尽管已结合当前认作是最为实用和优选的实施例来描述了本发明，但应当理解，本发明不限于所公开的实施例，而相反的是旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的多种修改和同等布置。

Claims (14)

1.一种燃气轮机燃烧器(10)，包括：
由燃烧器衬套(38)限定的燃烧室(39)，所述燃烧器衬套具有支承一个或多个喷嘴(32)的上游端盖(30)，所述喷嘴(32)布置成用以将燃料供给至所述燃烧室，在所述燃烧室中，所述燃料与从压缩机(12)供送的空气相混合；
连接在所述燃烧室衬套的下游端与第一级涡轮喷嘴(50，52，54)之间的过渡管道(20)，所述过渡管道将气态燃烧产物供给至所述第一级涡轮喷嘴；以及
一个或多个附加燃料喷射喷嘴(56，58)，其布置在所述过渡管道(20)的后端，以便将用于燃烧的附加燃料和空气在所述第一级涡轮喷嘴的上游引入所述过渡管道(20)中。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，所述一个或多个附加燃料喷射喷嘴(56，58)布置成用以沿大致垂直于所述过渡管道(20)中的气态燃烧产物流的方向引入附加的燃料和空气。
3.根据权利要求2所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，所述一个或多个附加燃料喷射喷嘴(56，58)包括布置在所述过渡管道(20)纵轴线的每一侧上的一对燃料喷射喷嘴。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，所述一个或多个附加燃料喷射喷嘴(56，58)包括三个燃料喷射喷嘴。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，所述一个或多个附加燃料喷射喷嘴(56，58)中的各个均构造成用以从周围的压缩机排放空气中吸收空气来与供送至所述一个或多个附加燃料喷射喷嘴的燃料相混合。
6.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，所述一个或多个附加燃料喷射喷嘴(56，58)定位成用以升高所述第一级喷嘴处的进入温度，但将较高的峰值温度移动远离邻近的涡轮热气体通路构件的表面。
7.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器，其特征在于，供给至所述一个或多个燃料喷射喷嘴(56，58)的燃料有差别地引入，以便将更多燃料供给至燃烧气体温度相对较冷的区域。
8.一种管理燃烧器排出温度轮廓的方法，包括：
(a)使燃烧气体从涡轮燃烧室(39)经由过渡管道(20)流动至第一级喷嘴(50，52，54)，所述过渡管道(20)在一端附接到至少部分地限定所述燃烧室(39)的燃烧器衬套(38)上；
(b)将一个或多个燃料喷射喷嘴(56，58)布置在远离所述燃烧室(39)的所述过渡管道(20)的后端处；以及
(c)向所述燃料喷射喷嘴供送足量的燃料以实现期望的燃烧器排出温度轮廓。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤(c)期间，向所述燃料喷射喷嘴(56，58)中的各个供送不同量的燃料。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(b)通过将所述一个或多个燃料喷射喷嘴(56，58)沿周向定位在邻近的第一级喷嘴导叶(50，52，54)之间来进行。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤(c)期间，所述一个或多个燃料喷射喷嘴(56，58)中的各个均将压缩机排放空气吸入所述一个或多个燃料喷射喷嘴中。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述一个或多个附加燃料喷射喷嘴(56，58)比至少部分地暴露在所述过渡管道(20)的排出开口轮廓内的第一级喷嘴叶片(50，52，54)的数目少一个。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述一个或多个附加燃料喷射喷嘴(56，58)布置成沿大致垂直于所述过渡管道(20)中的气态燃烧产物流的方向引入附加燃料。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述一个或多个燃料喷射喷嘴包括至少两个燃料喷射喷嘴(56，58)。
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