专利名称：具有分布气团流的预混燃烧器、燃气轮机和燃烧燃料方法
技术领域：
本发明涉及一种在空气中燃烧燃料并可稳定预混焰的预混燃烧器，更具体地，涉及一种用于燃烧轮机的预混燃烧器。该装置包括预混室，在燃烧燃料前将燃料和空气在预混室中预混合。
背景技术：
术语“预混燃烧器”指的是本领域技术人员所公知的燃烧装置，其具备如下特征在燃料和为燃烧所供应的空气互相混合后，燃料仅燃烧一定的时间段。
传统预混燃烧器的工作过程中，当为燃烧器供应的燃料增加时，经常达到这样一种状态其中，燃烧变得不稳定，在装备有燃烧器的发电设备(plant)中产生声振动。声振动通常由术语“燃烧振动”表述。燃烧振动可能会很大，从而对预混燃烧器和发电设备造成负面影响，其中，预混燃烧器是发电设备整体中的一部分。预混燃烧器形成不稳定燃烧的趋势越大，燃烧前燃烧器中形成的燃料和空气的混合物越均匀。但是，考虑到只有在燃烧过程中产生的一氧化二氮很低情况下，尽可能均匀的混合物才是所希望的，此时混合物更均匀。如果混合物是完全均匀的，混合物燃烧过程中产生的最高温度是最低的，并且这种效果对于一氧化二氮生成量极低的情况而言很重要。欧洲专利EP0193838B1以及EP058952081公开这这样的装置。
为稳定预混燃烧器的燃烧，Buchner等人的美国专利US5758587以及6056538提出了如下的方案将从燃烧器流出的引燃(igniting)混合物用一层空气包裹，从而防止在混合物的边缘区域形成涡旋，在形成有涡旋的地方产生涡旋燃烧过程，可以认为所述涡旋燃烧对燃烧的失稳起了很大的作用。这样的缺点在于在实际燃烧操作过程中需要将包裹混合物的空气抽出，这使所形成的一氧化二氮明显增多。
美国专利US6152724及其同族欧洲专利EP0925470B1描述了一种在空气中燃烧燃料的装置。该装置包括主体，其具有轴线以及用以引导空气围绕轴线流动的环形通路；和主体相连的涡流叶栅(swirl cascade)，用以使气流产生涡流；和主体相连的空气流延迟器，用以使相对轴线位于径向外侧的气流部分相对气流的其他部分延迟；以及，和主体相连的混合器，使气流和燃料混合，从而形成基本均匀的空气/燃料混合物。当气流被从装置中释放出来时，其速度被设置成相对于轴线在径向上不均匀。这是通过在环形路径中设置过滤网等形式的适当阻挡物从而将气流局部分散而实现的，所述适当的阻挡物设置在环形路径的适当点。但同时，可以保持气流中空气和燃料的均匀性。
德国专利DE19839085C2涉及一种用于燃烧设备的燃烧装置，尤其是一种燃烧轮机，其具有预混燃烧器形式的主燃烧器以及第一和第二引燃烧器(pilot burner)。该第一引燃烧器被主燃烧器包围并相对于主燃烧器的主轴定心。第二引燃烧器置于主燃烧器的出口处，燃料和空气的混合物从该出口进入燃烧室。第二燃烧器通过多个主燃烧器出口处的孔提供额外的燃料，这导致在主燃烧器的出口处流体的不均匀供应。为了实现这一效果，需要安装用以供应流体的额外的管以及其他的机械特征，这样使得燃烧装置复杂并占用空间。
国际专利申请WO98/35186A1涉及一种抑制燃烧轮机发电设备中的燃烧振动的主动方法(active method)。用以主动地缓解燃烧室中燃烧振动的该方法使用至少两个控制元件，其中，控制元件的操作杆要求仅仅在有限个点处测量燃烧振动。这主要通过利用由燃烧室中的自激励而产生的声振动的对称性实现。所有用以抑制和控制燃烧振动的有效方法要求额外的电控制装备以及暴露给热燃烧气体的传感器。
发明内容
根据本发明的目的，提供一种在空气中燃烧燃料的预混燃烧器，其能够克服大体这种类型的现有技术中的装置和方法的上述缺点，其中，具体说明了一种稳定燃烧过程、尤其是在预混燃烧器中稳定燃烧过程的方法。本发明的另一个目的是提供一种在宽的操作范围中具有高燃烧过程稳定性的燃气轮机。本发明的另一个目的是提供一种在空气中燃烧燃料的方法，其中，燃烧过程在较宽的操作条件范围下保持稳定。
鉴于前述和其他的目的，根据本发明提供一种预混燃烧器，包括沿着流动方向引导燃烧空气的环形空气通道以及将燃料供应给所述燃烧空气的、位于燃料入口位置的燃料人口，其中，在所述燃料入口位置上游的所述空气通道内设置有分布装置(profiling means)，用以使所述燃烧空气的气团流在垂直于所述流动方向的方向上进行分布，其中，根据所述分布，所述燃料入口下游的燃料密度沿着穿过所述环形空气通路的各径向改变。
根据本发明，可产生燃料在空气中非均匀分布的燃料/空气混合物。这种分布沿着穿过所述环形空气通路的径向改变。这样，在燃烧器的所有操作范围之内、而不是仅仅在燃烧器通常操作的优选范围内实现火焰的稳定，在所述通常范围内，其他依赖谐振腔(resonator)的系统工作。通过富含空气的燃料区域实现预混火焰的稳定，所述富含空气的燃料区域在围绕环形通道的周向上均匀分布，但如上所述，在径向上非均匀分布。这样伴随着局部高的燃料/空气比(FAR)。该燃料/空气比定义为实际燃料/空气质量比除以化学燃料/空气质量比。空气数λ(在欧洲使用)定义为燃料/空气混合比的倒数。因此，阻挡件导致于空气中产生局部的富含燃料的混合物，和预混室中的平均燃料/空气混合物相比，其燃料/空气混合比仍然小于1(这意味着λ数仍然大于1)。这种局部富化混合物在燃烧室中以较高的燃烧温度燃烧，并因此于燃烧室中导致局部和离散地增加了的燃烧温度，其另一方面又稳定了预混火焰并将火焰熄灭的下限移至更低的燃料/空气混合比(这意味着更高的空气数(air number))。
优选地，所述分布装置是带孔的环形金属板，其中，所述板的每个孔具有相应的孔面积，从而形成所述金属板的孔面积密度，并且，其中，所述孔面积密度在径向变化。更为优选地，孔面积密度沿径向向外的方向增加。这样的带孔金属板提供了一种易于制造的、使气团流分布的装置。该板可以为锥形，即非平面，而是锥形面的一部分等。当然，可以设计不同的分布装置，例如栅板或者具有变化的网眼尺寸的筛板。
在一个优选实施例中，所述分布使得所述燃烧空气的所述气团流沿径向向外的方向增加。气团流从燃烧器的中部向外到空气通路的外边缘的增加意味着在燃烧器的中心有富含燃料的区域，这对稳定火焰非常有效。优选地，环形空气通路环绕着中部扩散燃烧器。在扩散燃烧器中，混合燃料和空气的区域或多或少等同于燃烧区域，即，没有执行燃料和空气的预混合。因此，预混燃烧器还能够扩散燃烧。
有利地，燃烧器还包括至少一个位于空气入口处的空气阻挡件，用于通过局部地阻挡进入所述预混合室的气流而稳定燃烧器预混合火焰，使得在所述出口的下游，局部不均匀的燃料浓度导致产生比平均火焰温度更热的燃烧气体的局部热气流。但是，该阻挡件导致沿着周向的不均匀分布。
根据另一个伴随特征，该阻挡件被固定到分布装置上。可以通过焊接或其他合适的方法于带孔板的上游或下游将该阻挡件固定到带孔板。可以一起制造该板和该阻挡件，并将阻挡件作为板的一部分。
根据本发明，提供一种燃气轮机，其包括根据上述设计的燃烧器。该燃烧器是燃气轮机的一部分，并包括燃烧室。燃烧器和燃烧室流体连通，从而燃料的混合物流入燃烧室且燃料在燃烧室中燃烧。燃气轮机还包括例如压缩机或旋转叶片和导向叶片等元件，它们对于本领域技术人员而言都是公知的，故省略其描述。
而且，根据本发明，还提供一种在空气中燃烧燃料的方法，包括如下步骤●引导空气经过预混燃烧器的环形通路；●使所述空气的气团流进行分布，使得气团流沿着穿过所述环形空气通路的每个径向改变；●在燃料入口位置将燃料供应给所述以被成形的空气流，从而产生燃料密度沿着穿过所述环形空气通路的每个径向变化的燃料/空气混合物；●引燃并燃烧所述燃料/空气混合物。
优选地，所使用的燃料为流体燃料、尤其是气体，例如天然气，或者是液体燃料，例如石油。燃烧器的燃料入口和所有其他的燃料引导部分最好被设计成用于流体-气态或液态燃料。
为了在具有预混合室的燃烧器中实现稳定效果，不需要对喷射燃料的方法进行实质性的改变，仅有空气流受到影响，以产生富化的燃料/空气混合物。
趋于在某些操作条件下产生燃烧引发的振动的燃烧器设计中，使用根据本发明的合适的分布装置能够明显地抑制燃烧引发的振动的形成，并能够减小最终还是产生了的、燃烧引发的振动的最大压力幅度。该最大幅度可以被减小4或更大的因数。此外，在趋于产生燃烧引发的振动的燃烧器设计或没有这种振动的设计中使用合适的分布装置将会明显地减少燃烧过程中产生的一氧化碳(CO)的量，尤其是在高的空气数条件下。
这种预混燃烧器可以具体用于燃气轮机或燃烧轮机、加热设备、燃炉或者其他使用具有预混室的燃烧器的燃烧装置。
根据其他的特征，燃烧器包括设置在环形通道内的涡旋件，用以对气流施加动量或涡旋。该涡旋件还可用以为气流供应燃料。该涡旋件可以配置成为涡流叶栅，其可以根据各种不同情况的需求而是轴向、径向或对角线涡流叶栅。优选地，通过多个涡流件中的多个孔将燃料喷射到空气流中，这样，除了由成形件导致的不均匀之外，维持几乎均匀的混合物。应该理解，原则上燃料可以以任何形式供应，例如，经由涡流叶栅引导叶片中的喷嘴或者经由位于涡流叶栅之前或之后的分离的混合装置。
根据伴随特征，环形通路被相对于预混燃烧器的主轴线倾斜，这意味着，垂直于截面区域的轴线和燃烧器的主轴线成小于90度的角。实际上，多个截面区域上的垂直轴线(法向轴线)形成一个锥形表面，该表面的打开角度小于90度，且以燃烧器的主轴线作为中心轴线。
根据一个附加特征，将燃烧器设计为利用流体燃料、特别是例如天然气的气态燃料或者例如石油的液体燃料来操作。这些燃料被广泛使用，特别是用于发电用的固定燃气轮机。也可以使用其他用于喷气式引擎的燃料。通过使用这些燃料，可以实现排放气体中较低的NOx浓度，从而满足更加严格的环保要求。
尽管此处以预混燃烧器、燃气轮机和在空气中燃烧燃料的方法作为实施例示出和说明了本发明，由于在不背离本发明的精神和权利要求书及其等价物所限定的范围的条件下，可以进行各种变形和结构的改变，所以本发明不限于所示出和描述的细节。
通过以下结合附图对本发明具体实施例的描述，本发明的结构以及其其他的目的和优点将得到最佳的理解。附图中图1是根据本发明的预混燃烧器的纵剖视图；图2是预混燃烧器的透视图；图3是分布装置的局部视图；
图4是燃气轮机的概要视图。
具体实施例方式
在附图中，各个实施例中相应的元件具有相同的附图标号。
附图并不代表具体实施的示例性实施例，而是对其进行了简化以便强调特定的特征。在本领域技术人员的知识和能力的范围内，从附图直接得到的信息可以对实践操作起到辅助作用。
现在详细参照附图，首先参照图1，其为沿着装置1的主轴线7的剖视图，示出根据本发明的预混燃烧器1的示例性实施例。
预混炉1沿着主轴线7延伸，并包括环形空气通路3。该环形空气通路3具有环形空气入口8。在该空气入口8中，环形截面区域9以小于90度的角度相对于主轴线7倾斜。环形空气通路3具有对中于主轴线7的环形出口12。在空气入口8和空气出口12之间有涡旋叶栅(swirl cascade)，其包括多个涡旋件18。每个涡旋件18横跨环形通路3延伸。为了清楚起见，仅示出两个涡旋件18，每个涡旋件都包括多个特别是形成为喷嘴的燃料入口11，用以将燃料5供应给环形空气通路3。该环空气形通路3围绕沿着主轴7延伸并对中于主轴线7的扩散燃烧器16。对于本领域技术人员，扩散燃烧器16的结构特征是公知的，故省略其说明。该扩散燃烧器16还具有如下特征通常带有涡旋件或混合件的空气入口、位于环形空气通路3中的出口和燃料管。
预混燃烧器1被装配到燃烧室20的壁22之中。该燃烧室20可以是环形室或罐状室，并且可以是发电用的静止燃气轮机、喷气式引擎、加热装置、燃烧器或任何其他燃烧装置的一部分。
在空气入口8的区域内，设置有空气分布装置(air profiling means)2。该分布装置2位于空气入口8的外周边14处。
在预混燃烧器1的操作过程中，空气流4被供应到空气入口8。该气流4流经环形通路3并和通过涡旋件18的燃料入口11供应的燃料5混合。在流经环形空气通路3的同时，空气4和燃料5混合而形成几乎均匀的空气/燃料混合物。在没有分布装置2影响空气流4(图1中出口12的右部分)的情况下，这导致在出口12处混合物中的燃料的浓度在出口12的整个区域是几乎恒定的。由于空气分布装置2的影响，气团流(air mass stream)在径向向外的方向上增加。为了进行比较，预混燃烧器1的右侧示出根据没有分布装置2的现有技术设计的情况，导致产生均匀的径向气团流分布，并因而产生均匀的径向燃料/空气混合物。但是，图1的左侧示出分布装置的影响，以沿径向向外的方向增加气团流速23，从而导致燃料密度沿相同方向上减小，如箭头25所示。在具有富化燃料浓度(enriched fuel concentration)的区域23，空气/燃料混合物流的分布24受到影响，并显示出减小的速度分量25。由于区域23内的富化含燃料混合物，可以在径向内部区域23中得到更高的燃烧温度。
涡旋件18的扩展到出口12的下游形成预混区15。
图2示出预混燃烧器1插入燃烧室20前的透视图。在空气入口8中放置带孔的环形板，用以形成分布装置2。该板2具有使空气4进入环形空气通路3的孔13，将参照图3做详细描述。两个三角形的阻挡件19焊接到板2上。三角形阻挡件19的底侧具有宽度D。阻挡件19被置于带孔板2上，其底侧位于空气入口8的外周边14处。阻挡件19通过延迟空气流而产生圆向非均匀的空气/燃料混合物。这导致离散的热空气流，从而进一步稳定了燃烧。
图3示出分布装置的一部分，将该分布装置设计成带孔板的形式并具有图2所示的孔隙或孔13。在径向向外的方向R上，每个孔13的直径H基本上连续地增加，从径向内边缘的最小值H2增大到径向外边缘的最大值H1。因此，板2表面上的孔面积密度(hole area density)不恒定。换言之，孔面积密度沿着径向方向R增加。这导致形成所述的空气流从而燃料/空气混合物的所述分布。
本发明的所有实施例使用在燃气轮机中很重要，以便通过燃烧燃料加热被压缩机压缩的压缩空气流，从而加热的气流在涡轮机中膨胀。图4概要示出燃气轮机110，其具有压缩机100、环形燃烧室102和涡轮机部分104，所有的部件安装在单一一个轴106上。空气4被压缩机100压缩并和燃料一起被预混燃烧器1如所述地引入燃烧室102。然后，产生的热气体被引导穿过涡轮机部分104，从而旋转轴106。特别是，环形燃烧室会受到燃烧不稳定的影响，所以，本发明对于这种设计尤其有价值。
本发明的特征在于一方面，其提供了一种稳定燃烧的被动方法；另一方面，其不需要另外可用于燃烧的空气分流。
权利要求
1.一种预混燃烧器(1)，包括用以沿着流动方向引导燃烧空气(4)的环形空气通路(3)和用以将燃料(5)供入所述燃烧空气(4)的燃料入口(11)，其中，分布装置(2)在所述燃料入口(11)上游设置在所述空气通路(3)中，用以在垂直于所述流动方向的方向上对所述燃烧空气(4)的气团流进行分布，其中，根据所述分布，所述燃料入口(11)下游的燃料密度沿着环形空气通路(3)的各径向(R)变化。
2.如权利要求1所述的燃烧器，其中，分布装置(2)是带孔的、环形金属板，其中，所述板(2)的每个孔(13)具有相应的孔面积，从而形成所述金属板的孔面积密度，其中，所述孔面积密度在径向(R)上变化。
3.如权利要求2所述的燃烧器，其中，孔面积密度在径向向外的方向(R)上增加。
4.如权利要求1所述的燃烧器，其中，所述分布装置(2)是栅板。
5.如权利要求1所述的燃烧器，其中，所述分布装置(2)是筛板。
6.如权利要求1所述的燃烧器，其中，所述分布使得所述燃烧空气(4)的所述气团流沿径向向外的方向(R)增加。
7.如权利要求1所述的燃烧器，其中，环形空气通路(3)围绕中心扩散燃烧器(16)。
8.一种燃气轮机(110)，包括根据前述权利要求中任一项所述的燃烧器(1)。
9.一种在空气(4)中燃烧燃料(5)的方法，包括如下步骤引导空气穿过预混燃烧器(1)的环形通路(3)；使所述空气(4)的气团流以这样一种方式进行分布使得气团流沿着所述环形空气通路(3)的各径向(R)变化；在燃料入口(11)处将燃料(5)供入所述分布后的气流，从而产生燃料密度沿着所述环形空气通路(3)的各径向(R)变化的燃料/空气混合物；引燃并燃烧所述燃料/空气混合物。
全文摘要
本发明涉及一种将燃料(4)和空气(5)一起燃烧从而生成燃烧气体的预混燃烧器(1)，尤其是一种用于燃烧轮机的预混燃烧器。设置分布装置(2)，以便使燃烧空气(4)的气团流在环形空气通路(3)的径向上成形，从而产生用以稳定燃烧的径向可变燃料/空气混合物。因此，本发明还涉及一种燃气轮机(110)和一种在空气中燃烧燃料的方法。
文档编号F23R3/14GK1492184SQ0315857
公开日2004年4月28日 申请日期2003年9月19日 优先权日2002年9月20日
发明者马尔特·布洛迈耶, 马尔特 布洛迈耶 申请人:西门子公司