CN103542428A

CN103542428A - 炉子装置

Info

Publication number: CN103542428A
Application number: CN201310285688.8A
Authority: CN
Inventors: S.伯内罗; E.帕斯夸洛托; E.弗雷塔格
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: Energy Resources Switzerland AG
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2033-07-09
Also published as: EP2685171B1; JP5855049B2; JP2014016147A; CN103542428B; KR20140007297A; US20140060060A1; RU2013131633A; EP2685171A1; US20160298844A9; RU2560087C2; US9664390B2

Abstract

本发明涉及用于产生将在燃气涡轮中膨胀的热气体(8)的炉子装置，其包括在气室(1)内的炉子以及位于所述炉子下游的具有流体地连接至燃气涡轮的出口的燃烧室(7)，所述炉子具有用于燃料喷射的装置(5)、用于空气供应的装置(6)以及用于在炉子内产生可燃的燃料/空气混合物的装置。本发明的特征在于，用于空气供应的装置(6)包括至少两个单独的流通路(14，15)，并且该两个流通路中的一个以第一供应压力(p₁)供给，而另一流通路以第二供应压力(p₂)供给。

Description

炉子装置

技术领域

本发明涉及固定式燃气涡轮的领域，具体而言涉及用于产生将在涡轮中膨胀的热气体的炉子(burner)装置，其包括位于气室(plenum)内的炉子以及在所述炉子下游的具有流体地连接至燃气涡轮的出口的燃烧室，所述炉子具有用于燃料喷射的装置、用于空气供应的装置以及用于在炉子内产生可燃的燃料/空气混合物的装置。

背景技术

在燃气涡轮的开发中，增加的循环性能和降低的污染物排放均是主要目标，以使环境影响最小化并使经济利益最大化。为了增加燃气涡轮效率，重要的是优化离开压缩机的空气的分布以及离开燃烧器的热气体的分布，即，工作流体在其开始在涡轮中膨胀之前经历可能的最小压降。

前述目标可通过布置用于燃烧器壁的冷却路径和并行的炉子空气路径(其在图2a中示出)而实现。关于图2a，示出了包括气室1的炉子装置的草图，气室1与固定式燃气涡轮的压缩机级(未示出)流体地连接，使得气室1的体积填充有处于常压p₁下的压缩空气2。气室1包封炉子装置，该炉子装置包括由炉子罩4围绕的炉子部段3，其具有用于燃料喷射的装置5、用于空气供应的装置6、以及用于产生燃料/空气混合物的装置(未示出)，燃料/空气混合物在位于炉子部段3下游的燃烧室7内被点燃。产生于所述燃烧室7内的热气体8离开所述炉子装置直接进入涡轮(未示出)中以用于通过膨胀而做功。为了避免炉子装置尤其是燃烧器的任何热超载，燃烧器壁提供包括空隙9的燃烧器衬套，来自气室1的压缩空气2分别从压缩机进入空隙9以用于冷却目的。空隙9呈现冷却空气路径以冷却燃烧器壁。冷却空气离开冷却空气路径并直接进入燃烧室。气室1内的还有一部分压缩空气经由用于空气供应的装置进入炉子部段3，该装置呈位于炉子罩4内的入口开口6的形式，以用于与由喷射装置5喷射的燃料混合，用于产生可燃的燃料/空气混合物11。

然而，这一系统的缺点是以下事实：气室内的并非所有由压缩机供给的空气参与燃烧，因此为了相同的热气体温度要达到更高的火焰温度，其后果是较高的NO_x排放。备选地，如果布局的目标是降低NO_x，则必须降低热气体温度，由此负面地影响发动机效率。

经常使用一种备选系统，其中冷却和炉子空气路径串行连接，参见图2b。图2包括相同的参考标号，其标注已在图2a中说明的构件，从而避免重复说明这些构件。在此，用于燃烧器的冷却路径(其为空隙9)与炉子部段3流体地连接，使得冷却空气经由用于空气供应的装置6进入炉子，以与燃料混合以用于产生燃料/空气混合物11。

这具有以下优点：整体空气质量流参与燃烧，因而最小化排放，但在这种情况下，整体压力损失可能较高，因此降低了效率。利用这一布局，通过旁通从气室1直接到炉子罩4的空气11中的一些，可有选择地降低冷却路径的压力损失。但是，旁通空气11仍经历压力损失且由此不提供额外益处。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于产生将在燃气涡轮中膨胀的热气体的炉子装置，该炉子装置包括在气室内的炉子以及位于所述炉子下游的具有流体地连接至燃气涡轮的出口的燃烧室，所述炉子具有用于燃料喷射的装置、用于空气供应的装置以及用于在炉子内产生可燃的燃料/空气混合物的装置，其允许在较高温度下操作并同时实现NO_x、CO排放的减少且减轻压力降问题。

该目的通过根据权利要求1所述的特征总和来实现。通过在从属权利要求中以及在下面特别参照优选实施例的描述中公开的特征，可有利地修改本发明。

本发明的思想基于如图2a和图2b中说明的两种已知的空气分配布局的组合的优点，并且通过使用根据权利要求1的前序部分的特征的炉子装置而避免相应的缺点，该炉子装置的特征在于用于燃烧空气的两个单独的流路径，即，进到炉子中的空气供应用的装置包括至少两个单独的流通路，其中，这两个流通路中的一个以第一供应压力供给且另一流通路以第二供应压力供给。

实际上，在炉子装置的优选实施例中，两个流通路中的至少一个流体地连接至气室，在该气室中第一压力占优势，该气室流体地连接至压缩机且另一流通路流体地连接至空隙，在该空隙中第二压力占优势，并且该空隙由燃烧器衬套接界，燃烧器衬套具有至少一个到气室的流体入口。两个通路终止于炉子部段中，使得供给通过两个通路的全部空气量与燃料混合，以用于在燃烧室内被点燃之前形成燃料/空气混合物。

供给空气通过每个通路的方式可以两种不同方式执行，即，串行或并行于冷却空气路径，其对应于用于冷却燃烧壁的燃烧衬套内的空隙。在串行空气流的情况下，气室内的压缩空气的一部分经由入口开口进入燃烧衬套的空隙，以在经由流通路中的一个进入炉子区域之前首先冷却燃烧器壁，以用于与燃料混合。在经过入口开口以用于进入燃烧衬套的空隙时，用于冷却燃烧器的空气经历压降，使得在燃烧衬套内，p₂的流压占优势，其小于p₁。在并行空气流的情况下，气室内的压缩空气的另一部分经由其它较低通路直接进入炉子，而不明显地冷却燃烧器壁。因此将进入炉子以用于形成燃料/空气混合物的燃烧空气流分成至少两个单独的流路径允许一个流路径并行于冷却空气路径供给且另一个同时串行于其的可能性。

两个流通路优选地被设计成使得两个流通路中的一个是围绕另一流通路的外部流通路，另一流通路是所谓的内部流通路。在轴对称炉子的情况下，内部流通路和外部流通路是同轴的，并且每个流通路具有流出口平面，其处于每个流通路的下游端，使得内部流通路的出口平面不同，优选地在外部流通路的出口平面的上游。

可选地，每个流通路可包括流旋流器(swirler)，其在内部流通路和外部流通路之间可不同，使得可分别调整被引入两个流中的旋流，以用于增强喷射燃料下游的混合过程的目的。

用于燃料喷射的装置可设计和布置为不同风格和在不同位置处。一种优选的用于燃料喷射的装置涉及延伸于内部流通路中或穿过其的燃料喷管(lance)。备选地或与所述燃料喷管结合，进一步的用于燃料喷射的装置可布置得类似于位于环绕内部流通路的通道壁的下游边缘处的燃料喷射喷嘴，即，至少一个燃料喷嘴被放置在内部流通路的出口平面处。当然，用于燃料喷射的其它技术可顺利地适用于本发明的炉子装置。

用以增强内部通路下游的流特性的又一优点特征是环绕内部流通路的通道壁的出口边沿的叶状(lobed)设计。更多细节结合下面示出的实施例给出。

附图说明

随后应结合附图基于示例性实施例更详细地说明本发明。在附图中：

图1示出了本发明的炉子装置，其带有用于燃烧器空气的双空气通路，

图2a、图2b示出了技术现状的炉子装置，其带有a)并行的空气冷却流和b)串行的空气冷却流，

图3示出了建议的双空气通路概念的草图，

图4a、图4b示出了优选实施例，a)带有串行的外部通路和并行的内部通路)，b)带有并行的外部通路和串行的内部通路，

图5示出了基于锥形旋流器的带有串行的外部通路和并行的内部通路的本发明的炉子，

图6示出了基于锥形旋流器的带有并行的外部通路和串行的内部通路的本发明的炉子，

图7示出了带有叶状混合边缘的本发明的双流通路的纵截面的局部视图，

图8示出了带有并行外部通路和串行内部通路的双空气通路的本发明的炉子装置的剖视图。

附图标记：

1 气室

2 压缩空气

3 炉子部段

4 炉子罩

5 用于燃料喷射的装置

5’ 燃料喷管

6,6’ 用于空气供应的装置

7 燃烧室

8 热气体

9 空隙

10 入口开口

11 燃料空气混合物

12 旁通空气流

13 冷却空气流

14 外部流通路

15 内部流通路

16 旋流器

17 旋流器

18 内部流通路的出口平面

19 外部流通路的出口平面

20 内部流通路的通道壁

21 开口

22 外部流通路的通道壁

23 锥形旋流器

24 开口

25 轴向旋流器

26 通道壁的边缘

27 叶状形状

28 进入开口

29 燃烧器前面板

30 扩散器部件

31 空气槽

32 火焰区

33 中心体。

具体实施方式

图1示出了包括气室1的炉子装置的示意纵截面图，气室1与固定式燃气涡轮的压缩机级(未示出)流体地连接，使得气室1的体积填充有处于常压p₁下的压缩空气2。气室1包封炉子装置，该炉子装置包括被炉子罩4围绕的炉子部段3，其具有用于燃料喷射的装置5、用于空气供应的装置6、6’、以及用于产生燃料/空气混合物的装置(未示出)，燃料/空气混合物在位于炉子部段3下游的燃烧室7内被点燃。产生于所述燃烧室7内的热气体8离开所述炉子装置直接进入涡轮(未示出)中，以用于通过膨胀而做功。为了避免炉子装置尤其是燃烧器的任何热超载，燃烧器壁提供包括空隙9的燃烧器衬套，来自气室1的压缩空气分别从压缩机经由入口开口10进入空隙9中以用于冷却目的。由于由入口开口导致的压力下降，空隙9内的压力p₂小于p₁。空隙9包围冷却空气流13以冷却燃烧器壁。在流动方向上经过空隙9之后，冷却空气流13通过开口6’进入，该开口6’充当用于空气供应到外部流通路14中的装置，外部流通路14在上游端(图中的左侧)闭合且在其下游端开放到燃烧室7中。由优选地圆柱形壁环绕的外部流通路包围内部流通路15，开口6’布置在圆柱形壁中。内部流通路15与气室1流体地连接且开放到燃烧室7中。外部通路14和内部通路15同轴地布置和设计，并且呈现双燃烧器空气炉子布置。内部流通路15允许在压力p₁下从气室1直接进到炉子部段3中的压缩空气流。外部流通路14允许首先冷却燃烧器壁的冷却空气流13进入炉子部段3中。因此，从内部流通路和外部流通路14、15喷射的空气流均与燃料混合以用于产生燃料/空气混合物11，其被点燃且在燃烧室7中燃烧以用于产生热气体8，用于给燃烧室下游的涡轮级(未示出)提供动力。

这种双空气通路炉子的原理如图3中所示。以供应压力p2(其为燃烧器衬套的空隙9内的压力)供给的外部流通路围绕以供应压力p1(其为气室1内的压力)供给的内部流通路15。

通过两个流通路的质量流m1和m2优选地不同且可适当调整。

可选地，每个流路径14、15可配备有旋流器16、17，其在内部流路径和外部流路径14、15之间可分别不同。内部流路径15包括用于燃料喷射的非流线体，其也可为用于流稳定的装置。内部流通路15的出口平面18可不同于外部流通路14的出口平面19，且特定而言，可位于外部流通路14的出口平面19的上游。

在其中两个流通路(即，外部流通路和内部流通路14、15)同轴布置的轴对称炉子装置的情况下，提出了两种基本的布局选项。

图4a示出一个实施例，其中外部流通路14由炉子冷却空气13串行地供给且内部流通路15直接供给有来自与其平行的气室1的压缩空气。这里假设用于燃料喷射的装置5也是到燃气涡轮壳体(未示出)的凸缘的一部分，其提供几乎延伸通过整个内部流通路15的燃料喷管5’。在环绕内部流通路15的通道壁20的上游部分设置有开口21，来自气室1的压缩空气通过该开口21进入内部流通路15。旋流器17布置在内部流通道15内。

内部流通道15沿着其轴线被外部流通道部分地围绕，轴线本身由通道壁22径向地环绕。通道壁20、22形状为圆柱形，并且沿着相同炉子轴线同轴布置。还沿着外部流通道布置了旋流器16。如图4a中所描绘的，进入内部流通路15的空气流(其平行于冷却空气流13引导)的流压力p₁和流质量m₁不同于冷却空气流13在进入外部流通路14时的那些p₂、m₂。

图4b示出一个实施例，其中外部流通路14由来自气室1的压缩空气并行地供给且内部流通路15由燃烧器冷却空气13串行地供给。炉子罩4包围炉子的内部区域并分开气室形成的体积。

图5示出了基于锥形旋流器23的带有双空气通路(包括串行的外部流通路14和并行的内部流通路15)的炉子装置的截面图。与所有其它示出的实施例中相同，该炉子装置被未示出的气室包围。内部流通路15供给有压缩空气，其在压力p₁下进入上游开口24并带有质量流m₁。另外，燃料喷管5’延伸到内部流通路15中，其将燃料喷射到由锥形旋流器23旋流的空气流中。此外，冷却空气流13在冷却燃烧器壁之后进入外部流通路14，并在经过外部流通路14时也通过锥形旋流器23变得旋流。因此，沿着内部流通路15产生的空气/燃料混合物将在经过出口平面18之后与外部流通路14内的旋流的额外空气混合。外部流通路中的额外的旋流空气具有较低压力p₂和另一质量流m₂，使得可通过适当地调整p₂和m₂而在外部流通路14内优化混合效率，以用于在经过外部流通路的出口平面19之前得到完全均匀混合的燃料/空气混合物。

图6示出了基于轴向旋流器23的带有双空气通路(包括串行的外部流通路14和并行的内部流通路15)的炉子装置的截面图。与所有其它示出的实施例中相同，该炉子装置被气室1包围。内部流通路15供给有压缩空气，其在压力p₁下进入上游开口24并带有质量流m₁。另外，燃料喷管5’延伸到内部流通路15中，以用于将燃料喷射到各由锥形旋流器23旋流的两股空气流中。燃料喷射到两股空气流中在内部流通路的出口平面18处同时发生，在此两股旋流空气流相遇。

在图7a、图7b中所示的优选实施例中，内部流通路15被通道壁20围绕，该通道壁20具有提供叶状形状27(参见图7a)的轴向下游边缘26，其可从图7b中示出的截面看出。这种叶状轮廓27尤其适合于高活性燃料。

图8示出了根据图4b所示的概念的炉子装置。该炉子被包封在炉子罩4中。穿过燃烧衬套的空隙9的冷却空气流13在冷却燃烧器壁之后进入炉子罩4内的炉子部段。该空气流然后通过进入开口28串行地流入内部流通路15中，若干燃料喷射器5布置在进入开口28处。串行的空气流和燃料在轴向方向上流通过内部流通路15并且仅由于燃料射流扩散而最初混合。轴向燃料喷射装置还允许在可抽取喷管5’上集中炉子的燃料喷射部件并因此与炉子空气动力学分开。

此外，可轴向调整燃料喷射位置。沿同流方向的燃料喷射产生燃料射流的较弱振荡并因此导致更高的火焰稳定性。

压缩空气流2并行地布置且在压力p₂下从气室1直接供给。该压缩空气流2与交替布置的单独流通道中的第一冷却空气流13相交，并且然后沿燃烧器前面板29的表面流动，以便将前面板29对流地冷却。然后，该压缩空气流2在炉子扩散器部件30周围流动并获得沿炉子周向方向的角动量。最后，空气流通过一些伸长的空气槽31到炉子的内部部分中，与主空气流合并，且将旋流引入到整体炉子流。二级压缩空气流2与第一空气流13和燃料的混合在非常短的距离上发生，使得整体混合物在到达火焰区32之前充分地预混合，该火焰区32在炉子下游延伸并且可到达与中心非流线体33的延伸一样多的上游。为了在火焰锚定位置32之前进一步增强混合，中心体33还可进一步向下游延伸。外部燃料通路中的额外燃料喷射可提供额外的燃料预混和更低排放的可能性。

本发明的新炉子概念的优点可概括如下：

- 通过避免空气旁通炉子(如在图2a中所示的炉子的情况下)而在高热气体温度下进行低排放操作的可能性。

- 通过优化两个本发明的流通路之间的空气分支而降低整体燃烧器压降。

- 通过使两个流通路在热声上去耦合而改进脉动行为的可能性。

- 在两个流通路中具有不同流特性(例如旋流、湍流水平)的可能性，以更好地应对不同操作条件(例如恶劣的)或其它边界条件(例如燃料类型、燃料成分)。

- 可用于两个流路径中的一个的高压降可用作最合适的，例如用于改进燃料混合，用于赋予更高旋流和实现更好的流稳定，用于实现高速和避免高活性燃料的闪回。

- 两股流动流合并的对接区域可被设计成优化不同参数，例如在两股空气流和燃料之间的混合、火焰稳定、闪回安全。

- 创建和提供燃料至两个空气通路的机械部件可彼此分开，并且通过模块化设计，允许配置的更容易变化(例如用于不同燃料)以及更简单设计和改进的制造、装配、检查和整修。

关于图4a和图4b中描述的建议布局，第一概念(参见图4a)的额外益处是：

- 通过简单的设计减少第一和生命周期成本，因为主要部件可由同心管形成。

- 通过跨大截面在两个通路中允许入流并以最低流转向要求进一步降低压降。

第二概念(参见图4b)的额外益处是：

- 对压缩机出口压力的高效使用以冷却炉子前节段和炉子前端面，可能地通过对流冷却。

本发明概念的可能的更多实施例是：

- 应用至筒状、环形或料仓式燃烧器。

- 对于不同的流通路，不同类型的旋流器(非旋流、轴向、径向、锥形旋流器或其组合)。

- 两个同轴的流通路或更多，例如串行于衬套冷却的流通路、串行于前节段冷却的流通路、并行于两者的流通路。

- 非共轴流通路(例如，从内部和外部衬套冷却空气分支流路径)。

- 模块化变型，其中流通路中的一个是固定的，并且另一个是分别针对标准燃料(NG，湿油)或高活性燃料(富含H₂，干油)优化的，由此允许以最少的硬件改动得到增加的燃料灵活性。

- 模块化变型，其中外部流通路的外壁被连接至前节段，而所有燃料供应通过形成中心流通路的部件发生，由此允许炉子和前节段之间的空气泄漏，并且通过具有仅仅较小的可伸缩中心体而提高设计简单性和鲁棒性。

- 在将被调整的不同流通路之间的可变空气流分支，例如通过不同开放区域的可交换筛。

- 与不同几何形状/旋流器类型结合的不同燃料喷射方案：来自内/外/中间壁的横流，来自旋流器或流分离部件的直列式喷射，来自(多个)中心/额外的燃料喷管。

- 两个通路之间的不同的和可调整的燃料分流。

为了使热声脉动最小化，已知的是，对于不同的流干扰和/或燃料喷射，在火焰的位置与原始点的那些之间的大时延扩散是有益的。

- 当前的炉子概念尤其适合于这个目的，因为涡流发生器、燃料喷射位置以及整体流速可对于不同流通路保持不同，由此使时延扩散最大化。

- 类似地，可在不同轴向位置处方便地放置中心喷管的顶端、两个通路之间的分离壁的下游边缘、以及炉子出口边缘。

在同轴空气通路的情况下，两个通路之间的分离壁的下游边缘可具有叶状形状，并且可选地包括燃料喷射孔。优点因而是：

- 以最小压降改进混合(保持高整体流速并降低闪回风险的可能性)。

- 通过不存在强的流转向而最小的流干扰(降低闪回风险)。

- 通过从后缘直列式喷射的可能性而最小的流干扰(降低闪回风险)。

这尤其适合于高活性燃料，并且可在如图7a和图7b中所示的炉子概念中实现。

Claims

1. 一种用于产生将在燃气涡轮中膨胀的热气体(8)的炉子装置，包括在气室(1)内的炉子以及位于所述炉子下游的具有流体地连接至所述燃气涡轮的出口的燃烧室(7)，所述炉子具有用于燃料喷射的装置(5)、用于空气供应的装置(6)、以及用于在所述炉子内产生可燃的燃料/空气混合物的装置，其特征在于，所述用于空气供应的装置(6)包括至少两个单独的流通路(14，15)，并且所述两个流通路中的一个以第一供应压力(p₁)供给，并且另一流通路以第二供应压力(p₂)供给。

2. 根据权利要求1所述的炉子装置，其特征在于，所述两个流通路中的一个流体地连接至所述气室(1)，在所述气室(1)中所述第一压力(p₁)占优势，所述气室(1)流体地连接至压缩机且所述另一流通路流体地连接至空隙(9)，在所述空隙(9)中所述第二压力(p₂)占优势，并且所述空隙(9)由燃烧器衬套接界，所述燃烧器衬套具有至少一个到所述气室(1)的流体入口(10)。

3. 根据权利要求2所述的炉子装置，其特征在于，到所述气室(1)的所述燃烧器衬套的所述至少一个流体入口(10)位于所述燃烧室(7)的下游区域中。

4. 根据权利要求1至3中的一项所述的炉子装置，其特征在于，所述两个流通路中的一个是围绕另一流通路的外部流通路(14)，所述另一流通路是所谓的内部流通路(15)。

5. 根据前述权利要求中的一项所述的炉子装置，其特征在于，流旋流器(16，17)沿着所述两个流通路中的至少一个布置。

6. 根据权利要求4或5所述的炉子装置，其特征在于，所述内部流通路和外部流通路(15，14)是同轴的，且每个流通路具有流出口平面(18，19)，并且，所述内部流通路(15)的出口平面(18)位于所述外部流通路(14)的出口平面(19)的上游。

7. 根据权利要求4至6所述的炉子装置，其特征在于，所述用于燃料喷射的装置(5)中的至少一个布置在所述内部流通路(15)内。

8. 根据权利要求4至7所述的炉子装置，其特征在于，所述空隙(9)与所述内部流通路(15)流体地连接，并且所述气室(1)与所述外部流通路(14)流体地连接。

9. 根据权利要求4至7所述的炉子装置，其特征在于，所述空隙(9)与所述外部流通路(14)流体地连接，并且所述气室(1)与所述内部流通路(15)流体地连接。

10. 根据权利要求4至9所述的炉子装置，其特征在于，所述内部流通路(15)由具有轴向下游边缘(26)的通道壁(20)围绕，所述轴向下游边缘(26)具有叶状形状(27)。

11. 根据权利要求4至10所述的炉子装置，其特征在于，所述内部流通路(15)由具有轴向下游边缘(26)的通道壁(20)围绕，所述轴向下游边缘(26)包括用于燃料喷射的装置(5)。