在燃氣輪機上使用的具有分級切向燃料-空氣噴嘴的筒狀環(huán)形燃燒室的制作方法
【專利摘要】一種在燃氣輪機中使用、為發(fā)電而產生推力或使軸旋轉的燃燒設備，其包括具有燃料和空氣入口通道以及噴嘴的筒狀環(huán)形燃燒室，其產生了燃料和空氣的最優(yōu)的燃燒環(huán)境。燃料、空氣和/或燃料空氣入口在不同的縱向位置處放置且周向分布，并與筒體襯套相切或幾乎相切地引導氣流。該燃燒設備提供燃料和空氣的最優(yōu)的混合，產生了一種燃燒環(huán)境，該燃燒環(huán)境減少污染排放，減少對于高成本污染控制設備的需求，促進點火和火焰穩(wěn)定性，減少導向問題并促進減震。
【專利說明】在燃氣輪機上使用的具有分級切向燃料-空氣噴嘴的筒狀環(huán)形燃燒室
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及燃氣輪機中的設備，所述設備有助于容納和產生燃料和空氣混合物的燃燒。這種設備包括但不限于用于軍用和商用飛機、發(fā)電和其他燃氣輪機的相關應用中的燃料-空氣噴嘴、燃燒室襯套和殼體以及流動過渡組件。
【背景技術】
[0002]燃氣輪機包括從以非常高的溫度、壓力和速度流動的燃燒氣體中汲取能量的機械裝置。所汲取的能量可用于驅動用于發(fā)電的發(fā)電機，或為飛機提供所需的推力。典型的燃氣輪機由多級壓縮機構成，其中大氣被壓縮為高壓。然后壓縮的空氣在燃燒室中以特定的燃空比混合，在此其溫度增高。接著高溫和高壓的燃燒氣體膨脹通過渦輪機來提取能量，以依靠此應用提供所需的推力或驅動發(fā)電機。該渦輪機包括至少一個單個級，每級由一排槳葉和一排葉片構成。該槳葉沿周向分布在旋轉輪轂上，其中每個槳葉的高度覆蓋熱氣流路徑。非旋轉葉片的每級沿周向布置，其也延伸穿過熱氣流路徑。所包含的發(fā)明包括燃氣輪機的燃燒室和將燃料和空氣引入到所述裝置中的組件。
[0003]燃氣輪機的燃燒室部分可以有幾種不同的類型:筒狀/管狀、環(huán)形、以及以上二者結合形成的筒狀環(huán)形燃燒室。在該組件中，壓縮的燃料-空氣混合物穿過燃料-空氣旋流器或噴嘴，并發(fā)生混合物的燃燒反應，從而產生導致混合物密度下降的熱氣流，并在下游加速。筒狀類型燃燒室通常包括獨立的、周向間隔開的筒，所述筒分別容納每個噴嘴的火焰。隨后，來自于每個筒的氣流被引導通過導管，并在其進入第一級葉片之前在環(huán)形過渡件中整合。在環(huán)形燃燒室類型中，燃料空氣噴嘴通常沿周向分布，并將混合物引入到發(fā)生燃燒的單個環(huán)形燃燒室中。氣流僅從環(huán)形物的下游端離開進入到第一級渦輪機中，而不需要過渡件。最后的類型、即筒狀環(huán)形燃燒室的關鍵不同在于，其具有獨立的、由環(huán)形殼體包圍的筒，所述環(huán)形殼體容納被供給到每個筒中的空氣。依據本發(fā)明，每個變形都有其有利和不利之處。
[0004]在用于燃氣輪機的燃燒室中，由于多種原因，通常由燃料-空氣噴嘴來將渦流引入到混合物。一個原因是為了提高混合程度從而促進燃燒，另一個原因是增加渦流穩(wěn)固了火焰，以防止火焰熄滅，并允許燃料-空氣混合物較為稀薄，以減少排放。燃料-空氣噴嘴可采用不同的配置，例如一個對多個的環(huán)形入口，每個環(huán)形進口上都有渦流葉片。
[0005]對于其它燃氣渦輪機組件，需要實施冷卻方法，以防止燃燒室材料熔化。一種冷卻燃燒室的典型方法是致密微孔壁冷卻，用額外的偏置襯套包圍燃燒襯套來實施，其中額外的偏置襯套位于燃燒室和燃燒襯套之間，壓縮機排放空氣通過摻混孔和冷卻通道穿過并進入到熱氣流路徑。該技術從組件中去除熱量，同時在襯套和燃燒氣體之間形成冷空氣邊界層薄膜，從而阻止向襯套的熱傳遞。摻混孔根據其在襯套上的軸向位置有兩個目的:更靠近燃料-空氣噴嘴的摻混孔將有助于氣體的混合，以促進燃燒，同時為燃燒提供未燃燒空氣，第二，更靠近于渦輪機放置的孔會冷卻熱氣流，并可設計為用來控制燃燒室的出口溫度分布。
[0006]可以看出，不同的方法和技術可并入在用于燃氣輪機的燃燒室的設計中，以促進燃燒并降低排放。只要燃氣渦輪機趨于比其他發(fā)電方法產生較少的污染，在本領域就還有改進空間。隨著在一些國家中政府的排放標準的嚴格化，該技術需要改進以滿足這些要求。
【發(fā)明內容】
[0007]關于本發(fā)明，其提供了一種新穎的改進后的燃燒室設計，其能夠以通常的方式操作，同時使得燃料和空氣混合物的燃燒所產生的污染排放最小化，并解決這類設備所面臨的一些其他問題。本發(fā)明包括典型的筒狀環(huán)形燃燒室，其具有燃料和空氣氣噴嘴和/或摻混孔，燃料空氣噴嘴和/或摻混孔在縱向和周向方向上的不同位置將壓縮機排放空氣和增壓燃料引入到燃燒室。本發(fā)明的獨創(chuàng)特征是燃料和空氣噴嘴以如此方式放置:產生提高燃燒反應物和產物的混合的環(huán)境。將燃料和空氣噴嘴分級，使上游噴嘴主要噴射燃料，另一組下游噴嘴主要噴射空氣，這促進了燃燒反應物的混合，并在燃燒區(qū)域產生可大大減少形成NOx的特定氧濃度。在該設備中，沒有附加的/固定的火焰，而是具有在筒體中鄰近前壁的區(qū)域，在該區(qū)域發(fā)生擴散燃燒。分離的燃料和空氣噴嘴的新穎構造意味著下游噴射和上游擴散的空氣會被稀釋，因此降低產生火焰的氧濃度，并降低火焰高峰溫度。這使得本發(fā)明能夠減少排放。另外，在燃燒區(qū)域下游引入壓縮機排放空氣，使得在燃燒期間形成的所有的CO在其進入第一級渦輪機之前被燃燒/消耗。實際上,燃燒室會提高燃氣渦輪機的排放水平，因此減少排放控制設備的需要，同時減少這樣設備的環(huán)境影響。除了這些改進，每個筒體中，切向燃燒燃料和燃料空氣噴嘴將最初的火焰前部引導到相鄰的燃燒器噴嘴，從而大大提高了燃燒室的點火過程。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]參看附圖:
[0009]圖1是示出具有附接到外部筒體襯套的噴嘴的筒狀環(huán)形裝置的二維草圖，該噴嘴將燃料和空氣噴射到公共平面中；
[0010]圖2是示出筒狀環(huán)形燃燒室中應用于筒體的切向噴嘴的基本構思的二維草圖；
[0011]圖3是所述發(fā)明的示例性配置的上游部分的等距側視圖；
[0012]圖4A是本發(fā)明的等距剖視圖；
[0013]圖4B是圖4A圖像的特寫圖；
[0014]圖5是示出圖3中限定的部分A-A的剖面圖；并且
[0015]圖6是示出圖3中限定的部分B-B的剖面圖。
【具體實施方式】
[0016]圖1示出筒狀環(huán)形燃燒室的通常配置的實施例，其具有在公共半徑上周向隔開的筒體1，所有的筒體被包圍在筒形外襯2和筒形內襯3之間。圖1還顯示出筒體的切向噴嘴的布置。圖2示出筒體的更多細節(jié)。筒體襯套4形成筒體容積，燃料/空氣噴嘴5噴射燃料或空氣。噴嘴在噴嘴中心線6以及筒體襯套4與噴嘴中心線6的交叉點處的切線之間形成角度8。該角度限定了噴嘴的周向。[0017]圖2還示出了筒狀環(huán)形燃燒室裝置的示例中筒體的通常操作，其中燃料或空氣9以角度8噴入筒體I。在本發(fā)明中并不固定的火焰10在與筒體襯套一致的路徑11中形成，并穿過筒體。這些切向的噴嘴使得每個噴嘴的氣流與相鄰下游噴嘴相互作用。這一關鍵特點通過允許來自一個噴嘴的火焰點燃相鄰下游的噴嘴處的燃料來促進點火，并減少對于多個燃燒器噴嘴定向的問題。
[0018]圖3示出了除去下游部分的示例的筒體的起始或上游部分。本發(fā)明具有沿著筒體的縱向隔開的多個噴嘴排。每排噴嘴12、13可以具有至少一個噴嘴，并相對于相鄰的噴嘴排偏移一周向角。尤其是，靠近前壁15的噴嘴排中的噴嘴12以前述方式將純燃料/大部分燃料噴射到筒體中，同時這些噴嘴下游的噴嘴13以類似的方式將純壓縮機排放空氣或燃料空氣混合物噴射到筒體中。該筒體還可以具有多排周向隔開的孔14或通道，以使冷卻空氣在任一位置進入筒體。
[0019]圖4A和圖4B示出筒體的最上游面15，其可具有與摻混孔類似的孔16，所述孔16允許壓縮機將空氣排放到筒體。圖5和圖6示出每組噴嘴中的噴嘴12、13如何以一定周向角偏置。不同排的噴嘴允許燃料和空氣的分開噴射，在前壁附近處產生不出現高氧濃度的燃燒反應物區(qū)，這將降低火焰峰值溫度。朝著前壁向上游行進的煙氣將從燃燒產物中稀釋，使得燃燒反應物能夠遇見較低的氧濃度。由分級燃料和空氣噴嘴產生的這種燃燒環(huán)境能夠減少排放。
[0020]本發(fā)明根據優(yōu)選實施例在上面描述。然而，本領域技術人員會意識到在不脫離本發(fā)明本質和范圍時可對上面描述的實施例作出改變和變型。這里選擇的用于說明目的的對實施例的不同改變和變型很容易被本領域人員想到。在某種程度上，這樣的變型和變體并沒有脫離本發(fā)明的精神，它們還旨在被包括在本發(fā)明范圍內。
[0021]已經以清楚、具體的術語充分地描述了本發(fā)明，以使得本領域技術人員能夠理解并實施該發(fā)明，本發(fā)明的權利要求如下。
【權利要求】
1.一種筒狀環(huán)形燃燒室，用于陸基發(fā)電設備、陸基或海基交通工具或飛行器發(fā)動機設備中使用的燃氣輪機，包括多個周向隔開的筒體襯套，所述筒體襯套呈筒形，且被包圍在兩個筒形襯套之間，每個筒體具有多個切向指向且周向隔開的燃料-空氣噴嘴，所述燃料-空氣噴嘴在與所述筒體的中心線正交的公共平面上共面，所有的襯套由高溫合金或陶瓷材料制成。
2.根據權利要求1所述的筒狀環(huán)形燃燒室，其中，在與縱向方向正交的公共平面中周向隔開、且靠近所述筒體的前壁的噴嘴僅噴射燃料，或可以噴射富含燃料的混合物，所述燃料或富含燃料的混合物主要具有周向方向，并且可以具有徑向和/或縱向方向。
3.根據權利要求1所述的筒狀環(huán)形燃燒室，其中，在與縱向方向正交的公共平面中周向隔開、且位于權利要求2所述噴嘴的下游處的的噴嘴僅噴射壓縮機排放空氣，或可以噴射燃料-空氣混合物，所述燃料-空氣混合物的燃空比低于權利要求2所述噴嘴的燃空比，所述燃料-空氣混合物主要具有周向方向，并且可以具有徑向和/或縱向方向。
4.根據權利要求1所述的筒狀環(huán)形燃燒室，其中，各個平面上的所述噴嘴可以具有恒定的角度或變化的角度，如圖2中的標記8所示，其范圍從O度到90度。
5.根據權利要求1所述的筒狀環(huán)形燃燒室，其中，不同平面上的所述噴嘴可以具有相同的燃空比或變化的燃空比。
6.根據權利要求1所述的筒狀環(huán)形燃燒室，其中，同一平面中的所述燃料-空氣噴嘴具有相同的燃空比或變化的燃空比。
7.根據權利要求1所述的筒狀環(huán)形燃燒室，其中，由于相鄰的噴嘴將任意火焰引導至下一相鄰的燃燒器， 并有助于相互之間的點火，因此所述切向噴嘴極大地增強了所述燃燒室的點火過程。
8.根據權利要求5所述的筒狀-環(huán)形燃燒室，其中，被增強的點火過程本身產生穩(wěn)定的燃燒，這將減少在局部負荷或滿負荷水平運行時火焰的不穩(wěn)定性所產生的、火焰引起的震動和聲響。
9.根據權利要求1所述的筒狀環(huán)形燃燒室，其中，所述切向燃料-空氣噴嘴布置提高了反應物的混合，用于極低負載水平下的高效燃燒。
10.根據權利要求1所述的筒狀環(huán)形燃燒室，其中，由于火焰的穩(wěn)定性得以提高，從而例如低BTU燃氣這樣的低反應性燃料易于在所述燃燒室中使用并燃燒。
11.根據權利要求1所述的筒狀環(huán)形燃燒室，其中，所述筒體的中心線周圍產生渦流(切向燃料-空氣噴嘴的主要效果)，其促進了燃燒器出口處的穩(wěn)定燃燒。
12.根據權利要求1所述的筒狀環(huán)形燃燒室，其中，降低了燃燒所述燃料-空氣混合物所需的滯留時間，從而減少了燃燒空間，這減少了發(fā)動機尺寸(在所有應用中是重要的)，并因此降低了重量推力比(在航空燃氣渦輪機應用中是重要的)。
13.根據權利要求1所述的筒狀環(huán)形燃燒室，其中，所述燃燒室的出口處實現了更均勻的溫度分布，這允許所述燃燒室在較高燃燒(點燃)溫度下運行，而不會降低所述燃燒室和渦輪部件的壽命。
14.根據權利要求1所述的筒狀環(huán)形燃燒室，其中，以如權利要求13所述的較高燃燒溫度運行的能力提高了發(fā)動機效率和動力輸出，從而降低了二氧化碳的排放水平。
15.根據權利要求1所述的筒狀環(huán)形燃燒室，其中，所述筒體前壁襯套可具有至少一個孔或噴嘴，所述孔或噴嘴允許壓縮機排出的空氣以低于權利要求2、3所述噴嘴的速度值穿過所述襯套。
16.根據權利要求1所述的筒狀環(huán)形燃燒室，其中，所述筒體的半徑和長度可以基于所述燃氣輪機的尺寸和外形在縱向方向上變化。
17.根據權利要求1所述的筒狀環(huán)形燃燒室，其中，可以使用任何適用于冷卻燃氣渦輪機組件的冷卻方法,例如,沖擊冷卻、致密微孔壁冷卻、蒸汽冷卻等等。
18.根據權利要求1所述的筒狀環(huán)形燃燒室，其中，共用一公共平面的所述噴嘴相對于不同平面中的另一組噴嘴可以關于所述筒體的中心線以一定的周向角偏移。
19.根據權利要求1所述的筒狀環(huán)形燃燒室，其中，以附圖標記14和16示出的空氣通道可以是直孔或者具有鐘形孔入口，其通過使用電火花放電加工工藝(EDM)制成。
【文檔編號】F02C3/00GK103998745SQ201180073013
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2011年8月22日 優(yōu)先權日:2011年8月22日
【發(fā)明者】馬吉德·托甘, 布倫特·阿倫·格雷戈里, 喬納森·達維德·賴蓋萊, 里安·薩多·亞馬內 申請人:馬吉德·托甘, 布倫特·阿倫·格雷戈里, 喬納森·達維德·賴蓋萊, 里安·薩多·亞馬內