CN1088172C - 起动燃气轮机燃烧室的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提出一种起动燃烧室的方法和设备，以便提高燃气轮机的效率，并降低NOx的排放量。按本发明为达到上述目的，对于这种具有设计为主燃烧器和引燃燃烧器的预混合燃烧器的方法，以及这些预混合燃烧器用气态和液态燃料进行工作时，令主燃烧器(3)只起混合器的作用，用来制备燃料和空气混合物(25′、28′)。主燃烧器(3)以已知的方式由引燃燃烧器(2)点燃。在燃烧室(1、29)工作过程中，主燃烧器(3)的火焰前锋(27′)持续地由引燃燃烧器(2)的火焰前锋(27)来使之稳定。

Description

起动燃气轮机燃烧室的方法和设备

本发明涉及一种起动燃气轮机燃烧室的方法和设备。

由EP-B1-0321809已知一种双锥式预混燃烧器，它由两个中心线互相错开的部分锥体组成。在燃烧器的两侧设计成切向进气缝，沿径向进入的气态的或沿轴向进入的液态的燃料与从压气机流来的助燃空气在其中混合。在具有很高圆周速度的燃料-空气混合物分离时，即所谓旋涡分离时，在燃料器入口区形成一种最佳的均匀的燃料浓度。

通过沿径向相对移动这两个部分锥体，可以增大在它们之间构成的进气缝，并因而改变了燃料和空气混合物的圆周速度，以便于根据使用条件始终能创造形成旋涡分离的最佳条件。

由EP-A1-0387532已知在燃气轮机燃烧室中，在其入流端设有多个这样的双锥式燃烧器。按照流过它们的助燃空气量，它们或起引燃燃烧器的作用，或起主燃烧器的作用。这两种燃烧器在燃烧室中交替地排成一排。从而可以使较小的引燃燃烧器在全负荷时工作在理想的混合状态，在局部负荷时也因此能做到有较少的氮氧化物(NOx)排放量。

但是从环境保护的观点看，仍有一个进一步降低氮氧化物排放量的持续不变的任务，然而用这些已知的燃烧室不可能做到这一点。业已证明，这类燃烧室的缺点是双锥燃烧器压力损失较大。其后果是提高了燃料消耗量，降低了功率，从而降低了燃气轮机的效率。

本发明试图克服所有这些缺点。本发明的目的是提出一种起动燃烧室的方法和设备，以此提高燃气轮机的效率和减少氮氧化物的排放量。

按本发明达到上述目的所采取的措施是令主燃烧器仅仅起制备燃料和空气混合物的混合器的作用，它们由引燃燃烧器按已知的方式点燃。在燃烧室工作时，主燃烧器的火焰前锋持续地通过引燃燃烧器的火焰前锋来使之稳定。为此，进入主燃烧器的是具有较低涡流比的助燃空气，进入引燃燃烧器的是具有较高涡流比的助燃空气。

本发明的优点是几乎完全消除了迄今由主燃烧器造成的氮氧化物排放。但只有当燃料和空气混合物在主燃烧器内的逗留时间较短时，才能实现这种几乎没有氮氧化物的燃烧。因此流入主燃烧器中的助燃空气的涡流比，应降低到不再能形成旋涡分离的程度。主燃烧器因而变得不稳定并仅起混合器的作用。

众所周知，造成旋涡分离的涡流比极限值为0.7，所以，进入主燃烧器的助燃空气其涡流比在此极限值以下，而进入引燃燃烧器的助燃空气，其涡流比在此极限值之上。因此，没有引燃燃烧器，主燃烧器既不能在全负荷时也不能在部分负荷工作时点燃。相比之下，按迄今已知方法的主燃烧器只是低水平地运行，所以它们在全负荷工作时不会熄火，而在部分负荷工作时可得到引燃燃烧器的支持。

所要求的减少主燃烧器的涡流比最好这样来达到，即应使进气缝与主燃烧器出口面积之比，设计为比引燃燃烧器中的此相应比值大。为此，或增大主燃烧器的进气缝，或减小其出口面积。减小主燃烧器的张角，也可以达到同样的目的。

本发明方案的另一个优点是，由于扩大了主燃烧器的进气缝，所以减少了压力损失。因此，无论是燃气轮机的功率还是其效率都能得到提高。

由于主燃烧器和引燃燃烧器至少排成两排并设在彼此的空档处，可以改善燃烧室的点火，使工作更可靠，部分负荷时的温度分布比只有一排燃烧器时更合理。当每排只设有结构相同的双锥燃烧器时，引燃燃烧器保证良好的横向点火。反之，在每一排中交替地排列主燃烧器和引燃燃烧器，可以更好地控制主燃烧器，并能在燃烧室内有更均匀的径向温度分布。

最好使功率由几乎没有氮氧化物的主燃烧器产生，并将引燃燃烧器的火焰温度只提高到能保证各种工作状态下燃烧室稳定的程度。

在本发明的另一种结构形式中，燃烧室设计为环形燃烧室，双锥燃烧器排成三排，并以已知的方式在一个公共的垂直面内排成圆形。在这种情况下，在两排主燃烧器之间设置一排引燃燃烧器。采用这一结构获得了一种特别有利的引燃燃烧器与主燃烧器之间的关系，此时，由于引燃燃烧器的数量较少，所以可以进一步减少氮氧化物的排放量。此外，若将两排主燃烧器设置成可一起或分别接通和切断，则可以有目的地影响径向温度分布，从而在涡轮的叶片端部可以有更高的负荷。

提高引燃燃烧器中的火焰温度，可以有利地改善燃烧室的熄火特性，与此同时不会明显地增加氮氧化物的排放。

附图借助于一种圆形或环形燃烧室和单个燃烧器，表示了本发明的多种实施例。其中：

图1  配备有不同双锥燃烧器的燃气轮机圆形燃烧室俯视示意

     图；

图2  设计为双锥燃烧器的引燃燃烧器侧视图，局部剖切并透视

     表示；

图3  设计为双锥燃烧器的主燃烧器侧视图，局部剖切并透视表

     示；

图4  图2的IV-IV剖面的简化示意图；

图5  图3的V-V剖面的简化示意图；

图6  配备有不同双锥燃烧器的燃气轮机环形燃烧室片段的俯

     视示意图；

图7  另一种结构形式相应于图6的示意图；

图8  另一种结构形式相应于图6的示意图；

图中只表示了那些为理解本发明必要的构件。除燃烧室和燃烧器外，燃气轮机的其它构件没有表示。工作介质的流动方向在图中用箭头来表示。

在燃气轮机的圆形燃烧室1中，在一个公共平面内，环形地排列着作为引燃燃烧器2或主燃烧器3的多个双锥式燃烧器。其中，从外向内交替地在一排主燃烧器3后接着是一排引燃燃烧器2(图1)。

设计成传统的双锥式燃烧器的引燃燃烧器2由两个空心的二分之一锥体4、5组成，它们沿侧向互相错开并彼此相叠(图2)。部分锥体4、5的中心线6、7因而也沿侧向彼此错开(图4)。以此方式在引燃燃烧器2的两侧，成镜象结构地各造成了一个切向的进气缝8、9。助燃空气10通过这些进气缝8、9流入引燃燃烧器2的内腔，亦即流入锥形空腔11内(图2)。

这两个部分锥体4、5各有一个圆柱形起始段12、13，与部分锥体4、5类似，它们同样彼此错开。因此，切向进气缝8、9的入流侧设计成沿引燃燃烧器2的全长。在圆柱形起始段12、13中没有喷嘴14，它的燃料喷口15设在由两个部分锥体4、5构成的锥形空腔11最窄的横截面处。当然，引燃燃烧器2也可设计成没有圆柱形起始段12、13的单纯的锥形。

在两个部分锥体4、5上和在切向进气缝8、9的外端，均设有燃料管16、17。燃料管16、17上制有一些孔18，气态燃料19通过这些孔18进入引燃燃烧器2的锥形空腔11内。这些气态燃料19与经切向进气缝8、9流动的助燃空气10掺混。掺混在切向进气缝8、9的所在区内进行。这两个部分锥体4、5有一个较小的张角20。引燃燃烧器2的燃烧室端21有一块固定部分锥体4、5用的端板22。

经喷嘴14流动的液体燃料23按一个锐角喷入锥形空腔11，所以在引燃燃烧器2的出口面24的平面内具有尽可能均匀的燃料喷雾锥。这一锥形的液态燃料断面25被切向流入的旋转的助燃空气10所包围。液态燃料23的浓度沿轴向由于不断掺入助燃空气10而逐渐降低。沿整个横截面最适宜和均匀的燃料浓度是在旋涡分离(Vortex-Breakdown)区，即在回流区26。点火在回流区26的顶端进行。只有在这一位置才能建立稳定的火争前锋27。若在切向进气缝8、9外端掺混到助燃空气10中去的气态燃料19被烧掉，那么在那里同样形成燃料和空气混合物28。

主燃烧器3也设计为传统的双锥式燃烧器，但它们的部分锥体4′、5′互相沿侧向错开得比引燃燃烧器2更多些。所以，它们的中心线6′、7′彼此的侧向间距大于引燃燃烧器2中心线6、7的间距(图4，图5)。这导致增大了主燃烧器3的切向进气缝8′、9′，从而使助燃空气10′的涡流比降低。在这种情况下不会形成旋涡分离，这意味着主燃烧器3仅起混合器的作用，并且既不能单独点燃也不能形成稳定的火焰前锋27′。

在燃气轮机的圆形燃烧室1中，具有较低涡流比的助燃空气10′进入主燃烧器3，具有较高涡流比的助燃空气10进入引燃燃烧器2。所以在引燃燃烧器2中可形成上面已介绍过的稳定的火焰前锋27。主燃烧器3的燃料和空气混合物25′、28′由相邻的引燃燃烧器2点燃。在圆形燃烧室1工作过程中，主燃烧器3的火焰前锋27′持续地通过引燃燃烧器2的火焰前锋27来使之稳定(图1至3)。

在第二种实施例中，燃气轮机的燃烧室设计成环形燃烧室29，并配备了两排双锥燃烧器，它们成圆形地均设置在一个公共的垂直平面内。每一排只有结构相同的双锥燃烧器，其中，引燃燃烧器2的那一排靠外，而主燃烧器3的那一排设在里面(图6)。这两排燃烧器的排列次序也可以反过来。同样也可以在每排双锥燃烧器中既有引燃燃烧器2也有主燃烧器3，此时它们在这一排内互相交替排列，并相对于相邻排设在空档位置(图7)。

在另一种实施例中，燃气轮机的环形燃烧室29配备有三排双锥式燃烧器，它们成圆形地排列在一个公共的垂直平面内，其中，一排引燃燃烧器2设在两排主燃烧器3之间(图8)。

                      符号表1   图形燃烧室         22  端板2   引燃燃烧器         23  液态燃料3   主燃烧器           24  出口面(积)4   部分锥体           25  液态燃料断面，燃料和空气混合物5   部分锥体           26  流区6   中心线             27  火焰前锋7   中心线             28  燃料和空气混合物8   切向进气缝         29  环形燃烧室9   切向进气缝         4′ 部分锥体10  助燃空气           5′ 部分锥体11  锥形空腔           6′ 中心线12  圆柱形起始段       7′ 中心线13  圆柱形起始段       8′ 切向进气缝14  喷嘴               9′ 切向进气缝15  燃料喷            10′ 助燃空气16  燃料管            19′ 气态燃料17  燃料管            20′ 张角18  孔                24′ 出口面(积)19  气态燃料          25′ 燃料和空气混合物20  张角              27′ 火焰前锋21  燃烧室            28′ 燃料和空气混合物

Claims (15)

1.起动燃气机燃烧室的方法，该燃烧室具有设计为主燃烧器和引燃燃烧器的预混燃烧器，它们用气态和液态燃料工作，其特征为：

a)由引燃燃烧器(2)点燃主燃烧器(3)，以及

b)在燃烧室(1、29)工作过程中，主燃烧器(3)的火焰前锋(27′)由引燃燃烧器(2)的火焰前锋(27)来持续地稳定。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征为：向主燃烧器(3)供给具有较低涡流比的助燃空气(10′)，向引燃燃烧器(2)供给具有较高涡流比的助燃空气(10)。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：向主燃烧器(3)供给涡流比小于0.7的助燃空气，而向燃燃烧器(2)供给涡流比大于0.7的助燃空气(10)。

4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：通过主燃烧器(3)燃烧大部分的气态和液态燃料(19、23)，并将引燃燃烧器(2)的火焰温度提高到能保证燃烧室(1、29)稳定的程度。

5.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：用至少两排相邻的双锥燃烧器来控制燃烧室(1，29)。

6.按照权利要求1或2所述的方法，其特征为：用一排引燃燃烧器(2)和两排相邻的主燃烧器(3)来控制燃烧室(1，29)，这两排主燃烧器(3)可以一起接通和断开，以影响火焰前锋的径向温度。

7.按照权利要求6所述的方法，其特征为：以小于引燃燃烧器(2)流量的一半的燃料/空气混合物的流量来控制主燃烧室。

8.实施按照权利要求1所述方法的燃气轮机燃烧室，其中设置有多个双锥燃烧器，它们或起引燃燃烧器的作用，或起主燃烧器的作用，其特征为：主燃烧器(3)的进气缝(8′、9′)与出口面积(24′)之比设计成大于引燃燃烧器(2)的主一相应的比值。

9.按照权利要求8所述的燃烧室，其特征为：主燃烧器(3)的进气缝(8′，9′)设计成比引燃燃烧器(2)的进气缝大。

10.按照权利要求8所述的燃烧室，其特征为：主燃烧器(3)的出口面积(24′)设计成比引燃燃烧器(2)的出口面积小。

11.按照权利要求8所述的燃烧室，其特征为：主燃烧器(3)的张角(20′)设计成比引燃燃烧器(2)的张角(20)小。

12.按照权利要求8至11之一所述的燃烧室，其特征为：主燃烧器(3)和引燃燃烧器(2)设置在至少两排内，并设在彼此的空档处。

13.按照权利要求12所述的燃烧室，其特征为：在每一排内只设有结构相同的双锥燃烧器。

14.按照权利要求12所述的燃烧室，其特征为：每一排双锥燃烧器中既有主燃烧器(3)，也有引燃燃烧器(2)，在一排中它们交替地排列。

15.按照权利要求8至11之一所述的燃烧室，其特征为：燃烧室被设计成环形燃烧室(29)，双锥燃烧器排成三排，它们以已知的方式成圆形地排列在一个公共的垂直平面内，其中，一排引燃燃烧器(2)排在两排主燃烧器(3)之间。

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