具有环状非流线型主体的燃烧器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及用于改善燃气涡轮燃烧器中的燃烧稳定性的系统和方法。
【背景技术】
[0002]为了减少来自燃气动力涡轮的污染排放量，政府机构已制定了许多要求减少氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)的量的法规。更低的燃烧排放通常可归因于更有效率的燃烧过程，尤其与燃料注入器场所和混合效果有关。
[0003]早期的燃烧系统利用扩散型喷嘴，其中燃料在最接近火焰区处通过扩散而与燃料喷嘴外部的空气混合。已知扩散型喷嘴由于燃料和空气在高温下化学计量地喷燃以维持足够的燃烧器稳定性和低燃烧冲击而产生高的排放。
[0004]燃烧技术的增强为利用预混合，使得燃料和空气在燃烧之前混合以形成均匀的混合物，该混合物在比扩散型火焰低的温度下喷燃且产生更低的NOx排放。在燃烧之前将燃料和空气预混合在一起允许燃料和空气形成更均匀的混合物，其对于给定的燃烧器出口温度而言将在较低的峰温度下喷燃，从而导致更低的排放。在US专利申请US2004/0211186A1中公开了此种燃气涡轮火焰片燃烧系统的示例，该燃气涡轮火焰片火焰片燃烧系统具有在多种负载状态下的降低的排放和改善的火焰稳定性。
[0005]尽管现有技术的燃烧器具有在降低的负载设置下操作的改善的排放水平和稳定性，但火焰片燃烧器的热声仍可导致不稳定性的模式(诸如脉动)，这可限制操作窗。因此，喷燃器的空气动力特性允许在某些情形下在混合区中的偶然的火焰附加，从而导致逆火和过热的风险。而且，现在的燃料分阶段策略可导致燃烧器衬套上的不对称的热负载，这可导致蠕变问题。
[0006]此外，帮助对抗跳动的方法，例如主燃料供应中的1/3-2/3组的分阶段可导致不对称的衬套热负载，以及导致燃烧器出口温度分布中的不均匀。
[0007]意图还可提供火焰稳定性，同时还降低热声不稳定性的系统，其可放大当前燃烧器设计可用的操作窗。以下描述的实施例意图超过当前可用的范围来加宽操作窗，而不牺牲低排放值。
【发明内容】
[0008]本发明的一个目的是提供具有进一步改善的稳定性和改善的热声特性的燃烧器。
[0009]本发明的上述和其他目的通过以下燃气涡轮燃烧器而实现，该燃气涡轮燃烧器包括:流动套管;燃烧衬套，其至少部分地位于该流动套管内，从而形成在该流动套管和该燃烧器衬套之间的主通道;和圆顶，其位于该流动套管的前方且包围该燃烧衬套的至少一部分，该圆顶具有基本上圆形的头端部，从而形成在该衬套与该头端部之间的转向通道;和涡旋器壁，其沿该燃烧器的中心线对齐，该涡旋器壁突出到由该衬套界定的空间中，其中，该涡旋器壁和该圆形的头端部连接，且其中，该连接形成环状端面。
[0010]根据本发明的一个实施例，该燃烧器还包括中央主体，该中央主体沿该中心线定位且延伸到由该涡旋器壁界定的空间中，从而形成在该涡旋器壁与该中央主体之间的先导通道。
[0011]根据本发明的又一实施例，该先导管道的宽度沿先导管道的长度基本上为恒定的。
[0012]根据本发明的另一实施例，该环状端面的面积是该先导通道的截面的面积的1.5倍到5倍。
[0013]根据本发明实施例的又一实施例，燃料喷管布置在该中央主体中。
[0014]根据本发明的另一实施例，该燃烧器还包括基本上圆柱形的延伸部，该延伸部从该圆形头端部的径向内端部或端面延伸到该衬套中，其中，该延伸部与该燃烧器的中心线对齐。根据本发明的又一实施例，该延伸部具有沿该衬套的中心线基本上恒定的半径，并且/或者该延伸部的厚度基本上等于该圆形头端部的厚度。
[0015]根据本发明的另一实施例，由该中央主体、该环状端面和该圆形头端部限定的凹处包括赫尔姆霍茨阻尼器或/和用于先导油注入的器件。
[0016]根据本发明的又一实施例，该燃烧衬套包括环形圆形唇缘区段和弯曲中间区段，它们适于在操作期间形成火焰稳定区。根据本发明的另一实施例，该唇缘区段包括赫尔姆霍茨阻尼器和/或液体燃料注入器件。
[0017]根据本发明的另一实施例，该先导通道包括与至少一个先导燃料注入器流体地连通的先导涡旋器，且该先导涡旋器为轴向涡旋器或径向涡旋器。根据本发明的另一实施例，该主通道或转向通道包括与至少一个主燃料注入器流体地连通的主涡旋器，且其中，该主涡旋器为轴向涡旋器或径向涡旋器。
[0018]根据本发明的另一实施例，涡旋器壁为圆锥形喷燃器(例如，EV喷燃器或AEV喷燃器)的一部分。
[0019]本申请还提供用于包括在上述燃烧器的燃气涡轮。
[0020]此外，本申请还提供用于操作该燃气涡轮燃烧器的方法。该方法包括:将第一燃料射流供应到该先导管道或圆锥形喷燃器(例如，EV喷燃器或AEV喷燃器)中以与第一空气流混合，且将所得的第一混合物供给到燃烧区中以用于提供先导火焰;将第二空气流供应到该主通道中；将第二燃料射流供应到该主通道或转向通道中以与第二空气流混合，且将所得的第二混合物供给到该燃烧区中以用于提供主火焰。
[0021]本发明的附加优点和特征将在接下来的描述中部分地得到阐述，且在检查以下时对于本领域技术人员来说将部分地变得显而易见的，或可从本领域的实践中习得。现在将具体参照附图而描述本发明。
【附图说明】
[0022]在下面参考附图描述本发明的优选实施例，附图用于例示本发明的本优选实施例且不用于限制其。在附图中:
图1示出现有技术的燃气涡轮燃烧系统的截面图。
[0023]图2a示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器的截面图。
[0024]图2b示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器的端视图。
[0025]图2c示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器的截面图，其示意地指示操作期间的火焰锋。
[0026]图3a示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器的截面图。
[0027]图3b示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器的端视图。
[0028]图4a示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器的截面图。
[0029]图4b示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器的截面图。
[0030]图5示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器的截面图，其示意地指示用于进一步的火焰稳定的再流通区。
[0031]图6a、6b、6c示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器的一部分的截面图。
[0032]图7a示出根据本发明实施例的包括EV喷燃器的燃气涡轮燃烧器的一部分的截面图。
[0033]图7b示出根据本发明实施例的包括AEV喷燃器的燃气涡轮燃烧器的一部分的截面图。
[0034]图8a示出EV喷燃器的一部分的透视图。
[0035]图8b示出AEV喷燃器的一部分的截面图。
[0036]参考标号列表 1，2部分圆锥主体 3喷嘴
5圆锥形柱 6逆流区 14喷燃器的内部 15旋转射流 100燃烧器 102先导喷嘴 104径向流入混合器 108主阶段混合器 110分隔器 120火焰锋 200燃烧器 202流动套管 204燃烧衬套 206主通道 208圆顶 210头2而部 212转向通道 214涡旋器壁 216燃烧器中心线 218端面 220中央主体 222先导通道 226中央主体前表面
228具有注入器的先导涡旋器
230先导燃料供应
232具有注入器的主涡旋器
234主燃料供应
240延伸部
242凹处
250燃烧区
260主火焰
262先导火焰
420唇缘区段
430弯曲中间区段
440冷却孔
510主火焰稳定区
520外先导稳定区
530中央先导稳定区
602赫尔霍姆茨阻尼器
604先导油注入
606油注入
608燃料喷管
610赫尔霍姆茨阻尼器
612赫尔霍姆茨阻尼器
614燃料注入器
618先导涡旋器
620主涡旋器
622燃料注入器
702EV喷燃器
704AEV喷燃器
802混合区段
804管。
【具体实施方式】
[0037]在图1中示出用于现有技术的燃气涡轮的预混合火焰片燃烧器100的示例。燃烧器100为回流预混合燃烧器类型，该回流预混合燃烧器利用先导喷嘴102、径向流入混合器104、和多个主阶段混合器108。燃烧器100的先导部分通过中央分隔器部分110而与主阶段燃烧区域分离。中央分隔器部分110使通过先导喷嘴102注入的燃料与通过主阶段混合器108注入的燃料分离。对应地，通过分隔器110来分离通过主喷燃器和先导喷燃器进入的空气。可在非设计情况下发生的火焰锋120示意地示为指示先导火焰和主火焰的相互作用，这可引起热声不稳定。
[0038]图2a示出根据本发明实施例的燃气涡轮燃烧器200的截面图。燃烧器200包括流动套管202、燃烧衬套204，该燃烧衬套204至少部分地位于流动套管202内，从而形成流动套管204与燃烧器衬套204之间的主通道206。燃烧器200还包括圆顶208，该圆顶208位于流动套管的前方且包围燃烧衬套204的至少一部分。圆顶208具有基本上圆形的头端部210，从而形成在衬套204与头端部210之间的转向通道212。压缩机200还包括沿燃烧器200的中心线216对齐的涡旋器壁214，其中，涡旋器壁214突出到衬套204中。涡旋器壁214和圆形头端部210连接，其中，该连接形成环状端面218。端面218的结构和厚度可变化，且在一个实施例中，端面218为薄板，例如片状金属板。在一个实施例中，端面218具有基本上垂直于中心线216的平坦表面。在本发明的一个实施例中，端面218通过泻流和/或冲击冷却而得到冷却。
[0039]在根据本发明的一个实施例中，燃烧器200还包括中央主体220，该中央主体220沿中心线216定位且延伸到通过涡旋器壁214界定的空间中。涡旋器壁214和中央主体220形成先导通道222。中央主体包括前表面226，其取决于燃烧器设计(诸如非流线型主体形状)而可具有