专利名称：燃气轮机燃烧器及其运行方法
技术领域：
本发明涉及一种燃气轮机燃烧器，该燃烧器带有燃烧区，该燃烧区用于燃
烧由添加了燃料气体的燃烧尾气形成的混合物；还带有燃料混入设备，该燃料 混入设备具有用于将燃料气体喷射到燃烧尾气内的燃料喷嘴。此外，本发明涉 及一种带有燃烧区的燃气轮机燃烧器的运行方法，在该燃烧区内燃烧添加了燃
料气体的燃烧尾气，其中，以燃料喷嘴将燃料气体喷入燃烧尾气内。
背景技术：
为实现在燃气轮机中的安静和稳定的燃烧，已知将燃料气体喷入热的燃烧 尾气内，使得形成其温度在自燃温度以上的气体混合物。
从US 5,617,718 A中已知用于带有次级燃烧区的燃气轮机燃烧器的燃烧系
燃气轮机的初级燃烧区的由添加了燃料气体的燃烧尾气形成的混合物发生燃 烧。
从US 2005/0229581中已知了带有燃料喷嘴的燃料混入设备，该燃料喷嘴 用于将燃料气体喷入次级燃烧区的燃烧尾气内。燃烧尾气通过声屏障导入到次 级燃烧区内，以便在其中布置了燃烧喷嘴的混合管内以及在燃烧室内衰减声脉 动。
发明内容
本发明所要解决的技术问题特别地在于提供一种可以保证低污染燃烧的 燃气轮机燃烧器及其运行方法。
燃烧尾气内。通过至少对应于0.2马赫数(Ma=0.2)的速度，可以达到束的坚 固性，以此达到了在束的边缘区域内的较高的剪切梯度，即从束内向束外越过
边缘区域明显降低的速度。剪切梯度例如可以通过按照关于束的中心轴线的横 向或径向方向对流体或气体速度在束的纵向方向上的分量求导而定量化。在带 有高的剪切梯度的区域内，燃烧反应可以不发生，使得与带有坚固性较小的边 缘的束相比，混合物较晚点燃。通过此效应使燃烧延迟，且可以保证燃烧尾气 与燃料气体的良好混合。
在常规的再加热燃烧系统中，燃烧已在0.3ms或更短的时间后点燃，使得 燃料可能与燃烧尾气混合得很少。因此形成了不利的扩散火焰，它导致不可接 受的NOx排放。扩散火焰是无空气预混合而燃烧的火焰。燃烧所需的氧以及所 有其他的空气成分扩散越过火焰边缘到火焰内，因此越向火焰核内的火焰的供 氧就越差且因此燃料燃烧更緩慢。
与此相反，通过根据本发明的再加热燃烧系统，作为可见的火焰前锋的替 代实现了不发光的燃烧，该燃烧也已知为温和燃烧、无色燃烧或体积燃烧，且 该燃烧特别是低污染的。气体在其剪切梯度高于临界剪切梯度的区域内为自燃 而与尾气混合，且仅在对流地运输到其中剪切梯度的值低于临界剪切梯度值的 区域内时才点燃。实现了大体积的火焰区，其中燃烧近似均匀地进行。通过合 适地选择燃料气体的组成，可以进一步实现很稀薄的燃烧，这最终导致在次级 燃烧尾气内的例如NOx或CO的有害排放成分的量很低。
根据本发明的解决方案的重要的参数是束相对于参考系统的速度。参考系 统可以是静止的燃烧室，特别是当所要喷入到的燃烧尾气緩慢地流动时，使得 燃烧尾气的速度可忽略。如果所要喷入到的热气也较快移动，则参考系统可选 择为与包围了束的燃烧尾气一起移动的参考系统。则燃料气体喷入燃烧尾气的 速度优选是相对于与燃烧尾气一起移动的参考系统的。声速在此合适地视作从 喷嘴出来的未燃烧的含有燃料的燃料混合物(在下文中也简称为燃料气体)的 声速，它取决于燃料气体的温度和压力。燃料气体可以因此与束一起喷入燃烧 尾气内，该束的速度至少为燃料气体内的声速的0.2倍。
只要声速的频率相关性决定了扩散效应，那么其值就可考虑为数百赫兹。 喷入速度可以在束中间测量，或在束的整个截面或截面的部分上平均地测量。
燃气轮机燃烧器合适地是后燃烧器系统或再加热燃烧系统或其一部分。燃 料气体合适地含有燃料成分，燃料成分是充分的，以使燃烧尾气以预先给定的 温度积聚燃料使其自燃。燃料可以是所有可在燃气轮机中使用的燃料，例如燃 油、合成气、天然气、曱醇或纯氢气以及气体混合物。可通过高的喷入速度达
立性为特征。
在本发明的一种有利的构造中，燃气轮机燃烧器包括初级燃烧室，其中燃 烧区在尾气流中布置在初级燃烧室的后方，且提供了用于将燃料气体喷入到来 自于初级燃烧室的燃烧尾气内的燃料混入设备。燃料气体可以喷入到燃烧尾气 内而不需要燃烧尾气的循环，.以此可实现带有高的剪切梯度的稳定的喷入束。
在本发明的一种扩展中建议将燃料混入设备设计为使得燃料气体(4)以
至少0.4倍声速喷入到燃烧尾气(6)内。 一般地，其中的剪切梯度值高于临界 值的区域越大，则束越快且越坚固。通过技术上简单且可廉价实现的以0.4马 赫数的喷入，可实现自燃的明显延迟，这最终导致在次级燃烧尾气内的有害物 浓度的满意的降低。
如果将燃料混入设备设计为使得燃料气体以小于燃烧尾气内的声速的0.9 倍的速度喷入到燃烧尾气内，则可实现在一方面对于更高的速度的要求且另一 方面对于廉价的燃料混入设备的要求之间的满意的平衡。
如果燃料混入设备包括用于将燃料气体与含氧气体混合的预混合单元，则 可以实现在燃烧产物中带有较少有害物浓度的稀薄的柔和的燃烧。由预混合得 到的混合产物是喷入到尾气内的燃料气体。
特别地建议将预混合单元设计为使得燃料气体因此与含氧气体预混合，使 得燃料分子数与氧分子数之间的比值在0.2至10之间。只要将预混合单元设计 为使得燃料气体以燃料分子数与氧分子数之间的比值在1.0以下的方式与含氧燃烧。
替代地或补充地，可向燃料中混入惰性物质，其中合适地也考虑到以上给 出的比值，不过现在以惰性物质来替代含氧气体。惰性物质特别地合适地包括 水蒸气、C02或氮气。惰性物质的微粒量数(Anzahlteilchenmenge)可以是燃料 量的直至十倍。燃料也可以在不混合含氧气体或惰性物质的情况下作为燃料气 体喷入。
如果在喷嘴出口的前方(即在喷嘴出口的下游处)的区域内的束的边缘区 域内的剪切梯度在支持自燃的临界剪切梯度以下，则可以保证自燃的延迟。
因此有利的是，其中的剪切梯度在支持自燃的临界剪切梯度以上的喷嘴出 口前方的区域的长度至少为10 cm。区域的长度当然取决于束的速度和燃烧尾
气的速度，且特别地有利的是这样选择区域的长度，使得自燃至少延迟lms。
高20%,特别是高50%的压力喷入到燃烧尾气内，则可以以特别地简单的方式
实现束。 一般地，束压力和燃烧尾气的压力之间的压力差与燃烧尾气的压力的
比值等于束速度和燃烧尾气内的声速的比值。
如果由燃料气体形成的喷入束包括至少一个由含有燃料的气体形成的内
束和由冷气体形成的包围内束的外束(其中冷气体的温度低于燃烧尾气的温
度)，则可以实现特别地有效的预混合，因为冷气体通过使自燃温度延迟达到而
进一步延迟了自燃。另外需注意的是剪切梯度的临界值与温度相关，使得该临
界值由于冷气体的添加而降低。这可以最终导致预混合区的放大，在该预混合
区内剪切梯度处在与局部温度相关的临界值之上。
如果冷气体的温度在200°C至400。C之间，则可以实现有效的冷却。 如果由冷气体形成的外束的速度等于内束的速度，则束边沿的坚固性并不
由于附加的外束而降低，因此可实现更大的剪切梯度。
如果由冷气体形成的外束的速度大于内束的速度，则可以进一步提高燃烧
延迟的优点。可实现与仅以内束和环境相比在外束和环境之间的更高的剪切梯
度，从而可进一步将燃烧延迟。
如果另一方面由冷气体形成的外束的速度小于内束的速度，则可以以廉价
的方式产生外束而不需昂贵的压缩机和喷嘴。
如果冷空气含有燃料，则可以实现在火焰区内的均质的燃料浓度。 通过使冷气体至少基本上由空气形成可以廉价地实现燃气轮机燃烧器。 当燃烧尾气的温度在900。C至1600。C之间时，本发明的优点因为在此温度
范围内特别快的自燃而特别地得以实现。
方法方面的技术问题通过用于运行以上所述的类型的燃气轮机的方法来
由于以上所述的原因可以实现低排放的燃烧。
下面结合附图中示出的实施例进一步解释本发明，在附图中
图1示出了根据本发明的第一实施例的带有次级燃烧区的燃气轮机燃烧
器，
图2示出了根据本发明的一种替代设计的再加热燃烧系统的燃料喷嘴，和 图3示出了根据本发明的另一种替代设计的构造为喷枪的再加热燃烧系统 的燃料喷嘴。
具体实施例方式
图1示出了用于燃气轮机设备的再加热燃烧系统2，该燃烧系统2具有带 次级燃烧区6的燃气轮机燃烧器4,在燃烧区6内由添加了燃料气体8的燃烧 尾气10形成的混合物发生燃烧。燃烧尾气10来自燃气轮机设备的在燃烧区6 的上游为燃烧尾气IO设置的初级燃烧室12,初级燃烧室12通过燃气轮机的涡 轮级14与燃烧区6分开，燃烧区6的动叶片16由来自燃烧室12的燃烧尾气 10驱动。次级燃烧区2基本上是环形的且关于涡轮级14的未示出的旋转轴线 旋转对称。流入次级燃烧区6内的燃烧尾气10的温度在90(TC至160(TC之间。 作为通过涡轮级14将次级燃烧区2与初级燃烧室12分开的替代，替代初级燃 烧室12在整个燃烧室内在次级燃烧区2的上游的燃烧前级也是可能的。
再加热燃烧系统2包括带有燃料喷嘴20的燃料混入设备18,通过该燃料 喷嘴20将燃料气体8引入到相对于涡轮级14的旋转轴线以径向向内指向的方 向分量向次级燃烧区2内沿轴向流入的燃烧尾气10内。
燃料混入设备18通过强力压缩机和喷嘴几何形状设计为使得燃料气体8 在脉动且快速的喷入束22内喷入到燃烧尾气10内。喷入束22的速度可以根据 含有再加热燃烧系统2的状态的特征值的传感器信号与检测到的状态柔性地匹 配，匹配通过由再加热燃烧系统2的在此未示出的控制单元调节燃料混入设备 18的压缩机压力来进行。
然而，速度至少在以高剪切梯度进行燃烧的运行模式中处于燃烧尾气10 内的声速的0.4倍至0.9倍之间的区域内。为此，控制单元可以根据燃烧尾气 10的压力和温度确定喷入束22的速度，或控制喷入束22的固定速度，该固定 速度在各种温度和压力情况下都超过了对应于0.4倍声速的最小速度。
在以特别低污染的燃烧为特征的运行模式中，燃料混入设备18将燃料气 体4以在燃烧尾气10内的声速的0.6倍至0.8倍之间的一个速度喷入燃烧尾气 6内。
在此实施例中燃料喷嘴20设计为亚音速喷嘴，使得燃料混入设备18可以 将燃料气体8以最大为燃烧尾气10内的声速的0.9倍的速度喷入燃烧尾气10
内。
另外，燃料混入设备18包括在此仅示意地示出的用于将燃料气体8与含
氧气体或惰性物质预混合的预混合单元24。预混合单元24可以以可变的可调 节混合比将燃料气体8与相应的气体预混合。可能的混合比的范围，即燃料分 子数与氧分子数之间的可能的比值特别地包括0.2至2.0之间的范围。
至少在具有高的剪切梯度的燃烧模式中，控制单元将预混合单元24控制 为使得预混合单元24将燃料气体8与含氧气体以这样的比例预混合，使得燃料 分子数和氧分子数之比小于1.0。
喷入数22的速度的大小使得在喷嘴出口 28前方的区域内的脉动的束12 的边缘区域26内的剪切梯度在支持自燃的临界剪切梯度以上。在此，喷嘴出口 28前方的其中的剪切梯度在支持自燃的临界剪切梯度以上的区域的长度至少 为10 cm。
为产生高的速度，燃料混入设备18包括在此未示出的压缩机，使得燃料 混入设备18可以将燃料气体8以至少高于次级燃烧区6内的燃烧尾气10的平 均压力20%的压力喷入到燃烧尾气10内。在图示的实施例中，来自初级燃烧 区的燃烧尾气6在次级燃烧区2内的压力大约为20 bar,而燃料气体4的压力 为30 bar。
在此，由含有燃料的气体形成的内束30和由冷气体形成的包围内束30的 外束32组成了由燃料气体8形成的喷入束22。冷气体的温度在20(TC至600°C 之间，使得冷气体的温度低于从初级燃烧区流入到次级燃烧区6内的燃烧尾气 10的温度。
在再加热燃烧系统运行期间，燃料气体在初级燃烧区12内发生燃烧，且 热的燃烧尾气IO通过涡轮级14流入到次级燃烧区6内。在此尾气流中，燃料 气体8以至少为燃烧尾气10内的0.2倍声速的速度喷入束12内。在第一实施 例中，在此由冷气体形成的外束32的速度与内束30的速度相等，使得在内束 30和外束32之间不产生剪切梯度。大的剪切梯度产生于外束32的外部边缘和 包围了整个喷入束22的燃烧尾气10之间的过渡处的边缘区域26内。
在构造上更廉价的替代构造中，由冷气体形成的外束32的速度小于内束 30的速度。
冷气体至少基本上包括例如氮气、C02和水蒸气的惰性物质，其中燃料混 入设备18可以以可调节的比例为冷气体混合燃料，以使火焰均质化。替代地，
也可以构思为将空气放入冷气体内或将空气作为冷气体。
图2示出了替代的再加热燃烧系统的燃烧喷嘴34。燃烧喷嘴34包括内管 36和同心地包围了内管36的外管38,外管38在流动方向上向前突伸出内管 36，且外管38在前部的混合区域40内具有锥形渐缩的截面，截面终止于燃料 喷嘴34的圓形的排气口 42。
在内管36内引导纯的燃料或至少富舍燃料的气体，而在内管36和外管38 之间的区域内引导富氧的包围流，在一个优选的实施例中引导空气。在中间区 域40内，富含燃料的气体和富氧的包围流混合为预混合燃料气体8。
在燃料喷嘴34的锥形渐缩的前部混合区域40内燃料气体8被加速，因为 在束外形上平均速度基本上与截面积成反比例。预混合的燃料气体8最后通过 排气口 42引入到次级燃烧区6内的喷入束22内。
图3示出了替代的再加热燃烧系统44,该替代的再加热燃烧系统44与在 图1和图2中图示的再加热燃烧系统的区别在于构造为喷枪46的、突伸到来自 燃烧尾气10的流中间的燃料喷嘴48。燃料气体8被引导通过燃料喷嘴48的关 于涡轮级14的旋转轴线径向地突伸到次级燃烧区6内的管50。在管50的径向 内端处连接有喷枪46,该喷枪46指向在次级燃烧区6内被引导的燃烧尾气10 的流动方向，通过该喷枪46将燃料气体8在喷入束22内以在优选的范围内在 0.4至0.9马赫数的速度基本上沿燃烧尾气10的流动方向喷入到燃烧尾气10内。
权利要求
1. 一种燃气轮机燃烧器(4)，该燃气轮机燃烧器(4)带有燃烧区(6)，该燃烧区(6)用于燃烧由添加了燃料气体(8)的燃烧尾气(10)形成的混合物；还带有燃料混入设备(18)，该燃料混入设备(18)具有用于将所述燃料气体(8)喷入所述燃烧尾气(10)内的燃料喷嘴(20、34、48)，其特征在于所述燃料混入设备(18)设计为将所述燃料气体(8)以至少0.2倍声速喷入所述燃烧尾气(10)内。
2. 根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器(4),其特征在于初级燃烧室 (12),其中所述燃烧区(6)布置在所述初级燃烧室(12)下游的尾气流内，且提供了用于将所述燃料气体(8 )喷入来自所述初级燃烧室(12 )的所述燃烧 尾气(10 )内的所述燃料混入设备(18 )。
3. 根据权利要求1或2所述的燃气轮机燃烧器(4),其特征在于所述燃 料混入设备(18)设计为使得所述燃料气体(8)以至少0.4倍声速的速度喷入 到所述燃烧尾气(10)内。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的燃气轮机燃烧器(4),其特征在于 所述燃料混入设备(18 )设计为使得所述燃料气体(8 )以小于所述燃烧尾气(10 ) 内的声速的0.9倍的速度喷入到所述燃烧尾气(10 )内。
5. 根据权利要求1至4中任一项所述的燃气轮机燃烧器(4 ),其特征在于 所述燃料混入设备(18 )包括用于将所述燃料气体(8 )与含氧气体或惰性物质 预混合的预混合单元(24)。
6. 根据权利要求5所述的燃气轮机燃烧器(4),其特征在于所述预混合 单元(24 )设计为使得所述燃料气体(8 )与所述含氧气体这样地预混合，以便 使燃料分子数与氧分子数之间的比值在0.2至10之间。
7. 根据权利要求5或6所述的燃气轮机燃烧器(4),其特征在于所述预 混合单元(24)设计为使得所述燃料气体(8)与所述含氧气体这样地预混合， 使得燃料分子数与氧分子数之间的比值在1 ，0以下。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的燃气轮机燃烧器(4 )，其特征在于 在喷嘴出口 (28)前方区域内的喷入束(22)的边缘区域(26)内的剪切梯度 在支持所述燃料气体(8)的自燃的临界剪切梯度以上。
9. 根据权利要求8所述的燃气轮机燃烧器(4)，其特征在于所述喷嘴出 口 (28)前方的其中的剪切梯度在支持自燃的临界剪切梯度以上的区域的长度 至少为10cm。
10. 根据权利要求1至9中任一项所述的燃气轮机燃烧器(4),其特征在 于所述燃料混入设备(18 )设计为使得所述燃料气体(8 )以高于所述燃烧区(6)内的平均压力至少20%的、特别是高于50%的压力喷入所述燃烧尾气(10) 内。
11. 根据权利要求1至10中任一项所述的燃气轮机燃烧器(4 )，其特征在 于由所述燃料气体(8)形成的所述喷入束(22)包括至少一个由含有燃料的 气体形成的内束(30)和由冷气体形成的包围所述内束(30)的外束(32)，其 中所述冷气体的温度低于所述燃烧尾气(10)的温度。
12. 根据权利要求11所述的燃气轮机燃烧器(4)，其特征在于所述冷气 体的温度在200 。C至600 。C之间。
13. 根据权利要求11或12所述的燃气轮机燃烧器(4),其特征在于由 所述冷气体形成的所述外束(32)的速度等于所述内束(30)的速度。
14. 根据权利要求11或12所述的燃气轮机燃烧器(4)，其特征在于由 所述冷气体形成的所述外束(32)的速度大于所述内束(30)的速度。
15. 根据权利要求11至14中任一项所述的燃气轮机燃烧器(4),其特征 在于所述冷气体含有燃料。
16. 根据权利要求11至14中任一项所述的燃气轮机燃烧器(4),其特征 在于所述冷气体至少基本上包括惰性物质和/或空气。
17. 根据权利要求1至16中任一项所述的燃气轮机燃烧器(4),其特征在 于在所述燃烧区(6)内的燃烧尾气(3)的温度在900。C至1600。C之间。
18. —种燃气轮机燃烧器(4)的运行方法，该燃气轮机燃烧器(4)带有 燃烧区(6)，由添加了燃料气体(8)的燃烧尾气(10)形成的混合物在所述燃 烧区(6)内发生燃烧，其中，所述燃料气体(8)以燃料喷嘴(20、 34、 48) 喷入所述燃烧尾气(10)内，其特征在于所述燃料气体(8)以至少02倍声 速喷入所述燃烧尾气(10 )内。
全文摘要
本发明涉及一种燃气轮机燃烧器(4)，该燃烧器(4)带有燃烧区(6)，该燃烧区用于燃烧由添加了燃料气体(8)的燃烧尾气(10)形成的混合物的；还带有燃料混入设备(18)，该燃料混入设备具有用于将燃料气体(8)喷入燃烧尾气(10)内的燃料喷嘴(20、34、48)。为实现低污染和均匀的燃烧，建议将燃料混入设备(18)设计为将燃料气体(8)以至少0.2倍声速喷入燃烧尾气(10)内。
文档编号F23R3/24GK101395428SQ200780007127
公开日2009年3月25日 申请日期2007年2月20日 优先权日2006年2月28日
发明者安德烈亚斯·海洛斯, 杰亚普·范坎彭, 沃纳·克雷布斯 申请人:西门子公司