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燃烧器单元、燃气涡轮组件和用于控制燃料喷射的方法与流程

2022-07-16 01:28:40 来源:中国专利 TAG:
燃烧器单元、燃气涡轮组件和用于控制燃料喷射的方法
1.相关申请的交叉引用本专利申请要求享有2020年12月24日提交的欧洲专利申请第20217211.0号的优先权,其全部公开内容以引用方式并入本文。
技术领域
2.本发明涉及用于燃气涡轮组件的燃烧器单元和尤其是动力设备(power plant,有时也称为发电厂)的燃气涡轮组件。
3.本发明还涉及一种用于控制燃烧器单元中的燃料喷射的方法。


背景技术:

4.众所周知,用于动力设备的燃气涡轮组件包括压缩机、燃烧器单元和涡轮。
5.特别地,压缩机包括供应有空气的入口和压缩通过的空气的多个叶片。离开压缩机的压缩空气流入增压室,即封闭容积,并从那里流入燃烧器单元,在那里压缩空气与至少一种燃料混合并燃烧。产生的热气离开燃烧器单元并在涡轮中膨胀,产生机械功。
6.为了实现高效率,需要高涡轮入口温度。
7.然而,由于这种高温,会产生高nox排放。
8.为了减少这些排放并增加操作灵活性,已经开发出燃气涡轮组件,其包括执行顺序燃烧循环的燃烧器单元。
9.通常,顺序燃烧器单元包括两个串联的燃烧器,其中每个燃烧器设置有各自的喷燃器和燃烧室。沿着主气流方向,上游燃烧器称为“预混”燃烧器,且由压缩空气供给。下游燃烧器称为“顺序”或“再热”燃烧器,且由离开第一燃烧室的热气供给。
10.根据第一种已知构造,两个燃烧器被高压涡轮物理地分隔开。沿着主气流,第一种配置包括压缩机、预混燃烧器、高压涡轮、再热燃烧器和低压涡轮。
11.根据第二种已知的构造,预混燃烧器和再热燃烧器直接一个在另一个的下游布置在共同的外壳内、尤其是筒形外壳内,并且没有使用高压涡轮。根据这种顺序燃气涡轮,设置了多个筒形燃烧器,它们围绕涡轮轴线分布。
12.每个再热燃烧器优选设置有再热喷燃器和再热燃烧室,来自预混的热流被排放到该再热燃烧室中。过渡管道布置在再热燃烧室的下游并且将离开再热燃烧器的热气导向涡轮。
13.再热喷燃器可以包括多个相同的喷射单元,这些喷射单元围绕再热燃烧室周向布置并且被设计成将燃料均匀地喷射到再热燃烧室中。
14.在某些操作条件下,再热喷燃器火焰产生自激热声脉动,其可能超过可接受的脉动极限并且不合需要地限制燃气涡轮的操作范围。
15.为此,燃烧器组件通常设置有抑制装置以抑制这些压力振荡。然而,抑制装置并不总是有效并且需要空间,并非总是在所有燃烧器组件中都可用。


技术实现要素:

16.因此,本发明的主要目的是提供一种燃烧器单元,其中以成本有效的方式减少火焰脉动,且同时不影响nox排放。
17.根据本发明,该目的通过一种用于燃气涡轮组件的燃烧器单元来实现,该燃烧器单元包括沿气流方向串联布置的预混燃烧器和再热燃烧器;再热燃烧器包括:
·
大体上沿纵向轴线延伸并限定再热燃烧室的壳体,
·
分布在再热燃烧室周围并供给以空气和燃料的多个喷射单元;
·
多个喷射单元中的至少一个第一喷射单元被配置为相对于其他喷射单元不同地喷射燃料和空气。
18.通过根据非均匀分布模式设计喷射单元,当出现易于出现不希望的热声脉动的操作条件时,火焰行为得到控制并防止或减少不稳定性。
19.事实上,喷射单元的不均匀性会造成火焰特性特征(局部延迟时间、火焰前沿等)的不均匀分布。这样,热声脉动不仅不会增加,而且会因破坏性干扰而减少。
20.根据一个变型方案,多个喷射单元中的所有喷射单元被构造成彼此不同地喷射燃料和空气。
21.根据本发明的一个变型方案,多个喷射单元中的至少一个第一喷射单元被配置为根据不同的当量比和/或空气和燃料之间的不同混合和/或相对于其他喷射单元到再热燃烧室中的不同穿透喷射燃料和空气。
22.根据本发明的另一变型方案,多个喷射单元中的至少一个第一喷射单元的几何形状不同于多个喷射单元中的其他喷射单元的几何形状。
23.根据本发明的一个变型方案,供给到多个喷射单元中的至少一个第一喷射单元的空气和/或燃料的量不同于供给到多个喷射单元中的其他喷射单元的空气和/或燃料的量。
24.根据本发明的一个变型方案,多个喷射单元中的每个喷射单元接合壳体的相应孔。
25.根据本发明的一个变型方案,多个喷射单元中的每个喷射单元包括燃料供应管线和与燃料供应管线流体连通的至少一个燃料喷嘴;空气供应管线和与空气供应管线流体连通的至少一个空气喷嘴;沿延伸轴线延伸并设置有流入再热燃烧室的出口的输送管;在输送管中,来自至少一个燃料喷嘴和空气喷嘴的空气和燃料混合。
26.根据本发明的另一变型方案,输送管的入口与空气喷嘴重合。
27.根据本发明的一个变型方案,至少一个第一喷射单元具有输送管,该输送管的第一管长度不同于其他喷射单元的输送管的管长度。
28.优选地,根据本发明的一个实施例,至少一个第一喷射单元的至少一个第一燃料喷嘴的第一直径不同于其他喷射单元的燃料喷嘴的直径。
29.根据本发明的另一实施例,至少一个第一喷射单元具有第一输送管,所述第一输送管的第一管宽不同于其他喷射单元的输送管的管宽。
30.根据本发明的另一实施例,至少一个第一喷射单元具有第一空气喷嘴,该第一空气喷嘴的通道截面不同于其他喷射单元的空气喷嘴的通道截面。
31.根据本发明的另一实施例,第一喷射单元包括计量板,该计量板设置有孔并联接
到第一空气喷嘴以调节第一空气喷嘴的通道截面。
32.根据本发明的另一实施例,至少第一喷射单元具有沿着延伸轴线延伸的第一输送管,该延伸轴线与其他喷射单元的输送管的延伸轴线不同地倾斜。
33.本发明的另一个目的还是提供一种燃气涡轮组件,其中以成本有效的方式减少火焰脉动,且同时不影响nox排放。
34.根据这些目的,本发明涉及如权利要求15所述的燃气涡轮组件。
附图说明
35.为了更好地理解本发明及其优点,下面结合附图对本发明的一个示例性实施例进行说明,其中:
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图1是设置有根据本发明的燃烧器单元的燃气涡轮组件的示意图,其中为了清楚起见去除了部件;
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图2a是根据本发明的燃烧器单元的示意性侧向截面图,其中为了清楚起见去除了部件;
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图2b是图2a的细节的放大图;
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图3a-3c是图2的燃烧器单元的细节的示意性放大截面图;
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图4a-4c是根据本发明的第一变型方案的图2的燃烧器单元的细节的示意性放大截面图;
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图5a-5c是根据本发明的第二变型方案的图2的燃烧器单元的细节的示意性放大截面图;
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图6a-6c是根据本发明的第三变型方案的图2的燃烧器单元的细节的示意性放大截面图。
具体实施方式
36.图1是根据本发明的用于动力设备的燃气涡轮组件1的示意图。
37.燃气涡轮组件1包括压缩机2、燃烧器组件3和涡轮4。压缩机2和涡轮4具有公共轴线a并形成可绕轴线a旋转的转子5的相应部分。
38.众所周知,环境空气6进入压缩机2并被压缩。压缩空气7离开压缩机2并进入增压室8,即由外壳9限定的容积。从增压室8,压缩空气7进入燃烧器组件3,该燃烧器组件3包括围绕轴线a环形布置的多个燃烧器单元10。燃烧器单元10通常被定义为“筒式燃烧器”。在燃烧器单元10中,至少喷射燃料,并且点燃空气/燃料混合物,产生输送到涡轮4的热气11。
39.如图2a中更好地示出的,每个燃烧器单元10被容纳在外壳9的相应入口孔中并且具有轴线b。燃烧器单元10包括沿着气流m串联的第一或预混燃烧器15、第二或再热燃烧器16和过渡管道19,其将离开再热燃烧器16的热气导向涡轮4。
40.特别地,预混燃烧器15包括预混喷燃器17和第一燃烧室18。
41.再热燃烧器16包括限定燃烧室23和再热喷燃器22的壳体20。
42.优选地,壳体20是双壁壳体,其中形成有冷却间隙24(在图3a-3c、4a-4c、5a-5c、6a-6c中更好地可见)。冷却间隙24由来自增压室8的空气供给。
43.壳体20布置在外壳25内,该外壳25基本上围绕壳体20以形成气室26,该气室26由
来自增压室8的空气供给。
44.参考图2b,再热喷燃器22包括多个喷射单元,共同标记为27,并分别标记为27a,27b,27c,27d等。
45.多个喷射单元27围绕再热燃烧室23布置并且被供给以空气和燃料。优选地,多个喷射单元27围绕再热燃烧室23周向布置。
46.每个喷射单元27a,27b,27c,27d等与在壳体20中制成的相应通孔28接合。
47.参考图3a-3c,每个喷射单元27a,27b,27c,27d包括燃料供应管线30和与燃料供应管线30流体连通的至少一个燃料喷嘴31、空气供应管线29和与空气供应管线29流体连通的至少一个空气喷嘴32、和输送管33,其中来自至少一个燃料喷嘴31和空气喷嘴32的空气和燃料混合。
48.输送管33沿轴线c延伸。在此处公开和图示的非限制性示例中,输送管33从与空气喷嘴32重合的入口延伸到流入再热燃烧室23的出口35。
49.优选地,输送管33是圆柱形的并且至少部分地容纳在壳体20的孔28中。
50.空气供应管线29包括空气室26,其围绕壳体20并供应所有空气喷嘴32。
51.燃料供应管线30包括燃料导管37(示意性表示)和燃料收集器38,优选地围绕输送管33的入口部分。供应到燃料供应管线30的燃料可以是供应到第一燃烧器15的相同燃料或不同的燃料。
52.在此处公开和图示的非限制性示例中,每个喷射单元27a,27b,27c,27d,27e包括多个燃料喷嘴31,它们沿着在与轴线c正交的平面上延伸的大致圆周路径布置。
53.多个喷射单元27中的至少一个喷射单元27a构造成与多个喷射单元27中的其他喷射单元不同地喷射燃料和空气。
54.表述“不同地”是指空气和/或燃料的几何形状或供应控制不同于多个喷射单元27中的其他喷射单元27b,27c,27d,27e的几何形状或供应控制。
55.优选地,喷射单元27a被配置为根据不同的当量比和/或空气和燃料之间的不同混合和/或相对于多个喷射单元27中的其他喷射单元27b,27c,27d,27e到再热燃烧室23中的不同穿透来喷射燃料和空气。
56.表述“当量比”是指比率,其根据以下公式定义:作为燃料空气比与化学计量燃料空气比之比。
57.使用当量比而不是燃料空气比的优点是它考虑了(且因此独立于)燃料和空气的质量和摩尔值二者。
58.表述“空气和燃料之间的混合”是指将燃料和供应到喷射单元的空气混合的方式(例如存在涡流发生器/偏转器和用于控制燃料和空气之间的混合的其他装置)。
59.表述“到再热燃烧室中的穿透”是指喷射到再热燃烧室23中的混合空气/燃料流的射流特性。特别地,混合空气/燃料流的射流特性可以取决于射流动量、射流直径、射流角度以及来自喷射单元的混合空气/燃料流被喷射到再热燃烧室23中的位置。
60.以此方式,在再热燃烧室23中引入至少一种不均匀性。这导致在再热燃烧器16的反应区(火焰)处的流场和热气、燃料、空气混合场的不均匀分布。因此声学动力学被抑制并
且避免了一些声学振荡的危险增加。
61.在图3a-3c中,表示了本发明的第一实施例,其中至少喷射单元27a具有输送管33a,其管长度la不同于其他喷射单元27b,27c,27d,27e的输送管33b,33c,33d,33e的管长度lb,lc,ld,le。管长度沿轴线c测量。
62.优选地,管长度la大于其他喷射单元27b,27c,27d,27e的输送管33b,33c,33d,33e的管长度lb,lc,ld,le。
63.更优选地,管长度la大于壳体20的深度。
64.根据未示出的变型方案,管长度la,lb,lc,ld,le彼此不同,以改变每个喷射单元27的穿透深度。
65.在图4a-4c中表示本发明的第二实施例,其中至少喷射单元27a具有燃料喷嘴31a,该燃料喷嘴31a的直径da不同于其他喷射单元27b,27c,27d,27e的燃料喷嘴31b,31c,31d,31e的直径db,dc,dd,de。
66.优选地,燃料喷嘴31a的直径da大于其他喷射单元27b,27c,27d,27e的燃料喷嘴31b,31c,31d的直径db,dc,dd,de。
67.根据未示出的变型方案,燃料喷嘴31a,31b,31c,31d,31e的直径da,db,dc,dd,de彼此不同,以改变当量比和每个喷射单元27的空气和燃料之间的混合。
68.在图5a-5c中表示本发明的第三实施例,其中至少喷射单元27a具有输送管33a,其管宽wa不同于其他喷射单元27b,27c,27d,27e的输送管33b,33c,33d,33e的管宽wb,wc,wd,we。管宽沿与轴线c正交的方向测量。
69.优选地,管宽wa小于其他喷射单元27b,27c,27d,27e的输送管33b,33c,33d,33e的管宽wb,wc,wd,we。
70.根据未示出的变型方案,管宽wa,wb,wc,wd,we彼此不同,以改变当量比和每个喷射单元27的空气和燃料之间的混合以及到再热燃烧室23中的穿透。
71.在图6a-6c中,表示了本发明的第四实施例,其中至少喷射单元27a具有空气喷嘴32a,该空气喷嘴32a的通道截面aa不同于其他喷射单元27b,27c,27d,27e的空气喷嘴32b,32c,32d,32e的通道截面ab,ac,ad,ae。
72.优选地,空气喷嘴32a具有比其他喷射单元27b,27c,27d,27e的空气喷嘴32b,32c,32d,32e的通道截面ab,ac,ad,ae小的通道截面aa。
73.更优选地,空气喷嘴32a联接到具有孔40的计量板39,该孔40的通道截面是期望的aa。
74.根据未示出的变型方案,喷射单元27a,27b,27c,27d,27e的空气喷嘴32a,32b,32c,32d,32e的通道截面aa,ab,ac,ad,ae彼此不同以改变当量比和每个喷射单元27的空气和燃料的混合在此处公开和图示的示例中,所有输送管33a,33b,33c,33d,33e沿轴线b延伸,该轴线b基本上相对于燃烧器单元10的轴线b径向布置。
75.根据未示出的变型方案,喷射单元27a,27b,27c,27d,27e中的至少一个设置有沿非径向布置的轴线延伸的输送管33a,33b,33c,33d,33e。
76.根据另一变型方案,所有输送管33a,33b,33c,33d,33e沿各自的轴线延伸,这些轴线不是径向布置的并且彼此不同地倾斜。
77.根据未示出的变型方案,喷射单元27a中的至少一个设置有燃料喷嘴31a,其形状和/或位置不同于其他燃料喷嘴31b,31c,31d,31e的形状和/或位置。
78.根据未示出的另一变型方案,燃料喷嘴31a,31b,31c,31d,31e的形状和/或位置彼此不同,以改变当量比和每个喷射单元27的空气和燃料之间的混合。
79.根据未示出的变型方案,供应管线30可以被调节以将不同的燃料流率供应到多个喷射单元27中的至少一个喷射单元。例如,至少一个喷射单元27a的燃料导管37的通道截面可以与至少一个喷射单元37b,37c,37d,37e的燃料导管37的通道截面不同。
80.根据未示出的另一变型方案,多个喷射单元27中的至少一个喷射单元设置有上文针对每个实施例描述的不同特征的组合。
81.可以考虑并集中于进一步改变能够修改当量比和/或空气与燃料之间的混合和/或到再热燃烧室23中的穿透的喷射单元的几何参数的其他变型方案。
82.以这种方式,喷射喷嘴的不同行为会在火焰前沿产生不均匀性,且因此会造成声波振荡的破坏性干扰。
83.尽管本发明已经结合其上述优选实施例进行了解释,但是应当理解,在不脱离所附权利要求书的范围的情况下,可以做出许多其他可能的修改和变化。
再多了解一些

本文用于企业家、创业者技术爱好者查询,结果仅供参考。

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