空气导向的燃料喷射的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种燃气轮机的燃烧室，该燃烧室尤其包括用于向内腔喷射空气喷流的空气喷流喷射器。
【背景技术】
[0002]在燃气轮机的燃烧室中，一个目的是减少排放，例如氮氧化物NOx和/或一氧化碳CO。燃烧室内的温度导致很高的CO和NOx排放量。
[0003]为了减少排放，采用所谓的干式低排放(DLE)燃烧系统，典型情况下，该系统具有主燃料流和辅燃料流，其中，主燃料流以预混火焰模式燃烧。辅燃料流可产生所谓的引燃火焰，该引燃火焰可为全扩散型，或者在一定程度上是预混的。这能稳定燃烧室中的主火焰。极贫燃料混合物在主火焰中燃烧。在正常情况下，这会导致易发生变动的不稳定火焰。因此，DLE系统使用引燃火焰。引燃火焰包括富燃料混合物或较富燃料混合物，其中，富燃料混合物或较富燃料混合物比贫燃料主火焰更稳定，由这种高温引燃火焰产生的热量和基团能够稳定主火焰。
[0004]燃气轮机中的液体系统的点燃一直存在问题。其中涉及多种因素，例如燃料流量、燃料的雾化、空气辅助流量、燃料喷射器/点火器的位置、以及点燃区中的气体动力学。干式低排放(DLE)系统尤其如此，因为还有需要平衡的导燃/主流量。
[0005]在适当位置布置点火器以实现液体引燃燃料的可靠点火的自由度很有限。点火器和相应的引燃燃料喷射器是独立装置，并依靠燃烧室的燃烧器腔体内的局部空气动力学状况使喷射的引燃燃料喷雾在点火器上方冲过。
[0006]需要依靠燃烧室内的燃烧器腔体中的流体流动使喷射的引燃燃料在点火器上方冲过。因此，若局部液流趋向于背离点火器表面移动，则燃料可能被从点火器冲走，而不会被点燃。
[0007]尤其是，燃烧室内的空气动力学状况设计为当满载运转时达到最优，此时，不希望燃料冲过燃烧室的任何部分，因为这可能导致积碳。因此，在燃气轮机的起动和放电点燃阶段，点火器处的空气动力学状况很差。
[0008]为了提高点燃可靠性，利用了多种方法，例如气体辅助点燃、等离子体点火器、以及较高功率的点火器。气体辅助点燃需要较多的气体供应(例如来自气瓶的气体供应)，而维持这种气体供应的成本可能很高。目前，等离子体点火器的使用寿命很短，并且还没有在燃气轮机中使用它们的经验。较高功率的点火器会很快烧毁，其使用寿命很短。
[0009]图9示出了一种常规型引燃燃烧器装置，其包括常规型引燃器本体900。常规型引燃器本体900的常规型引燃器表面901朝向常规型燃烧室的内腔(燃烧器腔体)。常规型燃料喷射器902和常规型点火器单元903安装在常规型引燃器本体900内，从而常规型的燃料喷雾904可向内腔注入。流体在内腔中的流向106把注入的常规型燃料喷雾904引导至常规型点火器单元903。
[0010]EP0728989BI公开了一种燃气轮机燃烧室。燃料被引燃燃烧器喷射，并被引燃燃烧器外周中的唇缘沿径向导向燃烧室内腔的中央。从引燃燃烧器的基底区喷射的气柱把喷射的燃料导离引燃燃烧器表面。
[0011]W02009/056425公开了一种包括燃烧器头部的燃气轮机燃烧室。燃料由引燃燃料喷嘴喷射，引燃燃料喷嘴相对于燃烧器头部的纵轴偏心布置。燃料由喷嘴沿预定的锥形喷雾方向喷射。
[0012]EP1837597A2公开了一种包括引燃器本体的燃烧室燃烧器。喷雾喷嘴附接至燃烧器，其中，喷雾喷嘴向燃烧室的内腔喷射燃料。多个喷吹口向燃烧室的内腔的混合部分中喷射用于氧化的空气，并沿远离燃烧器表面的方向喷射空气。
[0013]EP1279897A2公开了一种燃气轮机燃烧室的引燃喷嘴。引燃喷嘴布置在喷射燃料的燃烧室主喷嘴附近。而且，引燃空气喷入燃气轮机燃烧室中，它把喷射的燃料导离引燃燃烧器的表面。
【发明内容】
[0014]本发明之目的是提高燃气轮机的燃烧室的喷射燃料的点燃效能。
[0015]此目的可通过独立的权利要求中所述的一种燃气轮机的燃烧室和一种操作燃烧室的方法来实现。
[0016]根据本发明的第一方面，提供一种燃气轮机的燃烧室。该燃烧室包括引燃燃烧器装置、燃料喷射器、点火器单元和空气喷流喷射器。
[0017]该引燃燃烧器装置包括具有引燃器表面的引燃器本体，该引燃器表面朝向燃烧室的内腔(即，燃烧器腔体)。燃料喷射器包括用于向内腔中喷射燃料的燃料出口，所述燃料出口布置在引燃器表面上。点火器单元适合于点燃该内腔中的燃料，其中，点火器单元布置在引燃器表面处，使得流过点火器单元的燃料可点燃。该空气喷流喷射器适合于向内腔中喷射空气喷流。
[0018]该空气喷流喷射器包括位于引燃器表面上的空气喷流出口，其中，该空气喷流出口布置在引燃器表面上，使得空气喷流可沿朝向燃料出口和点火器单元的方向喷射，从而把燃料导向点火器单元。
[0019]根据本发明的另一个方面，提供一种操作燃烧室的方法。燃料由燃料喷射器喷射到燃烧室的内腔(即，燃烧器腔体)中。燃烧室包括引燃燃烧器装置，该引燃燃烧器装置包括具有引燃器表面的引燃器本体，该引燃器表面导向并朝向燃烧室的内腔。燃料喷射器包括布置在引燃器表面处的燃料出口。内腔中的燃料被点火器单元点燃，其中，点火器单元布置在引燃器表面处，使得流过点火器单元的燃料可点燃。空气喷流被布置在引燃器表面处的空气喷流喷射器喷射到内腔中，其中，空气喷流喷射器包括布置在引燃器表面处的空气喷流出口，从而朝燃料出口和点火器单元喷射空气喷流，以便把燃料导向点火器单元。
[0020]该燃烧室可为用于燃气轮机的环形或筒形燃烧室。该燃烧室可为管形，并且可具有圆筒形或椭圆形横截面。该燃烧室可包括主燃烧段和预燃烧段，旋流器装置和上述的引燃燃烧器装置安装到该预燃烧段上。该引燃燃烧器装置产生引燃火焰，其中，该引燃火焰用于稳定内腔中的主火焰。
[0021]包括引燃器表面的引燃燃烧器装置例如可附接至旋流器装置附近的燃烧室末段上。引燃燃烧器装置的(引燃)燃料喷射器布置在引燃器表面处，用于向内腔中注入燃料。
[0022]引燃器表面朝向燃烧室的内腔(燃烧器腔体)。引燃器本体可安装到燃烧室的开口端上(例如端面的孔中)。引燃器本体例如以可拆卸方式安装到燃烧室的端面上。燃烧室的端面相对于燃烧室内的气流处于燃烧室的最上游位置。燃烧室的侧壁附接至该端面，并包括相对于该端面的角度。燃烧室的侧壁(至少部分地)沿燃烧室的中轴线从端面延伸。
[0023]由燃料喷射器在引燃器表面处注入的燃料用于控制主火焰，由旋流器装置注入的主燃料在主火焰中燃烧。注入的(引燃)燃料产生预定的火焰形状。主燃料流相对于燃烧室的中轴线以大致正切于燃烧室的方向经由旋流器引入。注入的主燃料流和引燃燃料流可包括液体燃料或气体燃料。主燃料和引燃燃料流在注入燃烧室后大致沿中轴线朝远离引燃器表面的方向流动。主燃料和引燃燃料流也可相对于中轴线以稍稍倾斜的角度流动。引燃燃料被点火器单元点燃，以形成引燃火焰。引燃火焰点燃主燃料，以形成主火焰。
[0024]燃烧室的中轴线可为燃烧室的对称线，尤其是预燃烧段的对称线。燃烧室的中轴线可为与燃气轮机的中心线重合的其它设计。
[0025]空气喷流喷射器的空气喷流出口例如包括喷嘴，该喷嘴把空气喷流导向预定的所需方向。根据本发明，空气喷流由空气喷流出口沿朝向燃料出口和点火器单元的方向喷射。例如，空气喷流喷射器、燃料喷射器和点火器单元可在引燃器表面处依次布置，使得从空气喷流出口喷射的空气喷流被喷向燃料喷射器和点火器单元。因此，空气喷流把由燃料喷射器喷射的燃料导向点火器单元。
[0026]空气喷流喷射器沿具有与引燃器表面的法向正交的(方向)分量的喷射方向喷射空气喷流。换言之，空气喷流由空气喷流喷射器沿与引燃器表面至少部分地平行并且与引燃器表面的法向至少部分地不平行于或与燃烧室的中轴线至少部分地不平行的方向喷射。该空气喷流例如可为氧气或空气(即，压缩空气)。
[0027]因此，利用本发明的方式，由空气喷流喷射器喷射的空气喷流把由燃料喷射器喷射的燃料喷雾导向位于引燃器表面的点火器单元的点火器头上方，