专利名称：用于igcc燃烧器的内部歧管抽气系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于IGCC燃烧器的内部歧管抽气系统和方法。
背景技术：
燃气轮机通常由压缩机、燃烧器和渴轮组成。涡轮联接到压缩机 上以便驱动压缩机。燃烧室接收诸如燃烧气体的燃料和一定量的氮气 以降低燃烧器的燃烧室内的火焰温度，这使得能使减小排放到大气的 氮氧化物。可通过气化获得燃烧气体，即诸如煤的碳产物的氧化。这 种部分氧化在被称作气化器的独立单元中进行。通常，燃气轮机与空 气分离单元组合。空气分离单元使主要由空气、尤其是氧气或氮气的 气体中的一种气体所组成的至少一种气体流从输入空气供应。为了组 合空气分离单元与燃气轮机，在空气分离单元中所产生的氧气和氮气 分别被准许进入气化器和燃烧器的燃烧室。
发明内容
本发明提出燃气轮机与空气分离单元的组合，其中被递送到空气 分离单元的进入空气至少部分地由燃气轮机供应。
因此，本发明可实施为用于涡轮的燃烧器，该燃烧器包括燃烧 器衬套；包围所述燃烧器衬套的第一导流套筒，在第一导流套筒与燃 烧器衬套之间具有第一导流环形空间，所述第一导流套筒具有绕其圆 周形成的至少 一个冷却孔口 ，用于将压缩机排出空气作为冷却空气引 导至所述第一导流环形空间内；包围第一导流套筒的外壳，在第一导 流套筒与外壳之间具有第二导流环形空间，所述第一导流套筒具有绕 其圆周形成的至少一个抽气开口 ，用于将来自所述第一导流环形空间 的压缩机排出空气作为抽出空气引导至所述第二导流环形空间内；以及抽出端口 ，其可操作地联接到所述外壳用于从所述笫二导流环形空 间抽出所述抽出空气。
本发明还可实施为涡轮发动机，其包括燃烧区段；在燃烧区段 下游的空气排出区段；在燃烧区段与空气排出区段之间的过渡区；限 定燃烧区段和过渡区的一部分的燃烧器衬套；包围所述燃烧器衬套的 第一导流套筒，在燃烧器衬套与第一导流套筒之间具有第一导流环形 空间，所述第一导流套筒具有绕其圆周形成的至少一个冷却孔口，用 于将压缩机排出空气作为冷却空气引导至所述第一导流环形空间内；
包围第 一导流套筒的外壳，在第 一导流套筒与外壳之间具有第二导流 环形空间，所述第 一 导流套筒具有绕其圆周形成的至少 一 个抽气开 口 ，用于将来自所述第 一导流环形空间的压缩^L排出空气作为抽出空 气引导至所述第二导流环形空间内；以及抽出端口，其可操作地联接 到所述外壳用于从所述第二导流环形空间抽出所述抽出空气。
本发明还可实施为从燃烧区段抽出空气的方法，该燃烧区段包括 燃烧器衬套；包围所述燃烧器衬套的第一导流套筒，在燃烧器衬套与 第一导流套筒之间具有第一导流环形空间；以及包围所述第一导流套 筒的外壳，所述第一导流套筒具有绕其圆周形成的至少一个冷却孔 口 ，用于将压缩机排出空气作为冷却空气引导至所述第一导流环形空 间内，该方法包括在所述外壳与所述第一导流套筒之间形成第二导 流环形空间；绕第一导流套筒的圓周形成至少一个抽气开口，用于将 来自所述第 一导流环形空间的压缩机排出空气作为抽出空气引导至 所述第二导流环形空间；将抽出端口可操作地联接到所述外壳，用于 从所述第二导流环形空间抽出所述抽出空气；通过所述至少 一个冷却 孔口将压缩机排出空气供应至所述第一导流环形空间内；使来自所述 第 一导流环形空间的抽出空气通过所述至少 一个抽气开口流动到所 述第二导流环形空间内；以及通过所述抽出端口>^人所述第二导流环形
空间抽出空气。
结合附图，通过仔细研究本发明的目前优选的示范性实施例的下 文的更详细的描述，本发明的这些和其它的目的和优点将会被全面地
理解和了解，在附图中
图l是燃气轮机燃烧器区段的部分示意图2是连接到过渡件上的更加常规的燃烧器衬套和导流套筒的部
分的{旦更详细的透#见图3是示意性的部分截面视图和部分断裂视图，其示出了作为本
发明的示例性实施例的用于抽气的内部歧管；
图4是根据本发明的示例性实施例的导流套筒的示意3见图5是图3所示的燃烧器区段的示意截面图6是类似于图5的示意截面图，其示出了替代的导流套筒构造；
图7是类似于图6的截面图，其示出了另一替代的导流套筒构造；
图8是类似于图7的截面图，其示出了另一导流套筒构造；
图9是示出了另一替代的导流套筒构造的示意截面图IO是类似于图9的示意截面图，其示出替代的外壳构造。
部件列表 过渡件12 过渡件主体14 沖击套筒16 燃烧衬套18、 118
导流套筒20、 120、 120A、 120B、 120C、 120D、 120E
过渡件前方套筒組件22
外壳24、 124、 124E
抽出端口 126
抽气孔口/开口 128、 128B
凹口/凹槽132、 132A、 132B、 132C环形空间134、 134C、 134D、 134E
倾斜壁136
倾斜壁138
底壁140、 140A
延伸部142、 142B
管端口 14具体实施例方式
传统的燃气轮机燃烧器使用扩散(即非预先混合的)燃烧，其中燃 料和空气分离地进入燃烧室。混合和燃烧过程产生超过3900。F的火焰 温度。由于具有衬套的常规燃烧器和/或过渡件通常仅能耐受大约 1500。F数量级的最高温度达大约10，000小时(hrs),因此必须采取措施 来保护燃烧器和/或过渡件。这典型地通过薄膜式冷却来进行，薄膜式 冷却涉及将较冷的压缩机空气引入至由包围燃烧器外部的燃烧器村 套所形成的稳压室(plenum)内。在此布置中，来自稳压室的空气经过 燃烧器衬套的通气孔(louver)，并且然后作为薄膜在衬套的内表面上传 递，从而维持燃烧器衬套的完整性。
图1示意性地描绘了燃烧器后端的截面图。可见，在此示例中， 过渡件12包括径向内部过渡件主体14和与过渡件主体14间隔开的 径向外部过渡件冲击套筒16。在过渡件12上游是燃烧衬套18和燃烧 器导流套筒20,燃烧衬套18具有使空气流入至燃烧室内的端口 ，燃 烧器导流套筒20被限定为相对燃烧器衬套成包围关系。圆圈区域是 过渡件前方套筒组件22。
来自燃气轮机压缩机单元(未图示)的流体进入外壳24。压缩机排 出空气的至少一部分进入上游燃烧器导流套筒20的冷却孔口 28内， 并且进入至导流套筒20与衬套18之间的第一导流环形空间30内。 空气最终在燃烧室中与燃气轮机燃料混合。
减小与IGCC参考电厂相关的成本的一种方法是对于组合的过程和电力模块实现更高的净电厂输出。因此，使用燃气轮机压缩机空气
变成减小空气分离单元("ASU")所需的主空气压缩机("MAC")负荷的 一个可行的选择。而且，如上文所述，来自ASU的可用的氮气供应 可用作NOx减排的稀释剂。此外，抽气提供在操作范围内用于燃气轮 机控制的一种手段。由于第一级喷嘴通常被堵塞，因此对于热值比天 然气的热值小大约一个数量级的低BTU燃料来说，抽气变成重要的 设计考虑。但是，为了实现上述益处，燃气轮机需要允许所需的抽气 的改进。所面临的挑战是在现有组件的约束范围内允许额外的抽出端 口并且不影响燃烧器的耐用性和性能。本发明以最小的空气动力学的 和机械的风险提供燃气轮机抽气能力，其从燃烧器外壳抽气以供应至 空气分离单元。
为实现这个目的，本发明提供在燃烧外壳内部的导流环形空间或 歧管，其形成于外壳与导流套筒外径之间用于气化过程的抽气。
更具体而言，参看图3至图5，本发明采用第二导流环形空间， 其围绕导流套筒120以便供给空气至单个抽出端口 126内，该端口安 装于外壳124的上死点(TDC)处。这通过在导流套筒120与外壳124 之间容纳内部歧管而实现。而且， 一个或多个抽气开口位于导流套筒 中以允许围绕衬套进行均匀地抽气。在图3至图5所示的示例性实施 例中，提供多个抽气孔128。这些孔等距地间隔开，在此实施例中提 供了 24个孔。4艮据本发明的概念，在导流套筒120上的这些尺寸优 选的孔处于抽气系统设计的核心。随着连续孔之间的马赫数(Mach number)从底部到顶部逐渐变高，抽气孔逐渐变小。
由于包括衬套、端盖、帽和燃料喷嘴组件的管状燃烧系统的对称 性，燃烧器空气流围绕衬套保持均匀。结果，在具有通气孔的冷却衬 套118、混合喷射器与六环一(six around zero)喷嘴之间的空气分流的 平衡对于燃烧器设计而言至关重要。因此，从燃烧器进行单点径向抽 气必须谨慎地考虑，而不对衬套与导流套筒之间的主燃烧器空气流造 成任何不当的二次流场。另外，先前所述的至关重要的平衡的丧失可 能会不利地影响燃烧器动力学、排放、压降和构件寿命。而且，抽气系统必须符合电厂平衡(BOP)所需的压降分配。而且，抽气腔压力必 须足够高以防止热气体通过交叉火焰管端口 143回流。
在所示的示例性实施例中，周向凹口或凹槽132形成于导流套筒 120中以在套筒120与外壳124之间限定空腔或导流环形空间134。 抽出端口 126联接至外壳124用于围绕燃烧器的外围在某个位置抽 气。在图3至图5的实施例中，周向凹槽132包括在其一个轴向端的 第一倾斜壁136，在其另一个轴向端的第二倾斜壁138和底壁140。 在此实施例中，所谓的至少一个抽气开口包括穿过下游倾斜壁138绕 第一导流套筒120的圆周形成的多个抽气孔口 128。
图6至图IO示出相对于图1实施例的导流套筒和外壳的替代构造。
具体而言，图6进一步示出了导流套筒120A的凹槽132A的底壁 140A的挡板延伸部142,其用于覆盖燃烧室的最下游的进入端口(相 对于冷却空气流经过第一环形空间的方向)，以便获得覆盖那些进入端 口的一致的稳压室直径。
图7类似于图6的实施例，但绕导流套筒120B外围的多个均匀 地间隔开的抽气开口或端口 128B布置于周向凹口或凹槽132B的下游 侧上，并且通过挡板延伸部142B相对衬套中的进口屏蔽。
图8是类似于图7的实施例，但省略了凹槽132C的下游壁使得 第二导流环形空间134C在导流套筒120C的下游端向第一导流环形空 间敞开，以限定使冷却空气从第 一导流环形空间流动到第二导流环形 空间并继续流动到抽出端口的连续通路。
图9示出通过在抽出端口的轴向附近使导流套筒120D与外壳124 偏移而限定的浅稳压室134D。
最后，图10示出了外壳124E，其相对于衬套和导流套筒120E 倾斜或扩口，使得稳压室或第二导流环形空间134E由导流套筒限定。
虽然结合目前被认为最实用和优选的实施例的内容描述了本发 明，但应了解本发明并不限于所公开的实施例，相反，本发明预期涵 盖包括于权利要求的精神和范围内的各种改进和等效布置。
权利要求
1. 一种用于涡轮机的燃烧器，其包括燃烧室衬套(118)；包围所述燃烧室衬套的第一导流套筒(120，120A，120B，120C，120D，120E)，在所述燃烧室衬套与所述第一导流套筒之间具有第一导流环形空间(30)，所述第一导流套筒具有绕其圆周形成的至少一个冷却孔口(28)，用于将压缩机排出空气作为冷却空气引导至所述第一导流环形空间内；包围所述第一导流套筒的外壳(124，124E)，在所述第一导流套筒与所述外壳之间具有第二导流环形空间(134，134C，134D，134E)，所述第一导流套筒具有绕其圆周形成的至少一个抽气开口(128，128B)，用于将来自所述第一导流环形空间的压缩机排出空气作为抽出空气引导至所述第二导流环形空间内；以及抽出端口(126)，其可操作地联接到所述外壳，用于从所述第二导流环形空间抽出所述抽出空气。
2. 根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于,.所述抽出端口可 操作地联接至所述空气分离单元，使得从所述第二导流环形空间抽出 的空气作为用于空气分离单元的进入空气递送至所述空气分离单元。
3. 根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述第一导流套 筒包括周向凹槽(132,132A，132B，132C),以与所述外壳限定所述第二 导流环形空间。
4. 根据权利要求3所述的燃烧器，其特征在于，所述周向凹槽包 括在其一个轴向端的第一倾斜壁(136)，在其另一个轴向端的第二倾斜 壁(138)和底壁(140,140A),所述至少一个抽气开口包括穿过所述倾斜 壁中的一个绕所述第一导流套筒的圓周形成的多个抽气孔口 (128,128B)。
5. 根据权利要求4所述的燃烧器，其特征在于，所述凹槽的所述底壁(140，140A)基本上平行于所述燃烧器衬套。
6. 根据权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，挡板部件 (142,142B)从所述凹槽的所述底壁延伸，所述挡板壁相对于燃烧气体 流经过所述燃烧器衬套的方向在轴向上游方向上延伸。
7. 根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述至少一个抽 气开口包括绕所述第一导流套筒的圆周形成的多个抽气孔口 (128)。
8. 根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述导流套筒在 所述抽出端口附近成台阶状，以限定所述第二导流环形空间。
9. 根据权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，所述台阶状导流 套筒相对于燃烧气体经过所述燃烧衬套的方向终止于台阶状导流套 筒的上游端，并且与所述外壳和所述燃烧器衬套成间隔开的关系，使 得所述第二环形空间(134C)在所述导流套筒的所述上游端与所述第一 环形空间敞开连通，由此压缩机排出空气可/人所述第 一环形空间流动 至所述第二环形空间并且流动至所述抽出端口 。
10. —种用于从燃烧区段抽气的方法，所述燃烧区段包括燃烧器 衬套(118);包围所述燃烧器衬套的第一导流套筒(120,120A，120B,120C, 120D,120E),在所述燃烧器衬套与所述第一导流套筒之间具有第一导 流环形空间(30);以及包围所述第一导流套筒的外壳(124,124E)，所述 第一导流套筒具有绕其圆周形成的至少一个冷却孔口(28)，用于将压 缩机排出空气作为冷却空气引导至所述第一导流环形空间内，所述方 法包括在所述外壳与所述第 一导流套筒之间形成第二导流环形空间 (134,134C，134D，134E);绕所述第 一导流套筒的圆周形成至少 一个抽气开口 (128，128B)， 用于将来自所述第一导流环形空间的压缩机排出空气作为抽出空气 引导至所述第二导流环形空间内；将抽出端口 (126)可操作地联接到所述外壳(124，124E)上，用于从 所述第二导流环形空间抽出所述抽出空气；通过所述至少一个冷却孔口(28)将压缩机排出空气供应至所述第 一导流环形空间(30)内；使来自所述第一导流环形空间(30)的抽出空气通过所述至少一个 抽气开口 (128，128B)流动至所述第二导流环形空间(134，134C，134D， 134E)内；以及通过所述抽出端口从所述第二导流环形空间中抽出空气。
全文摘要
本发明涉及用于IGCC燃烧器的内部歧管抽气系统和方法，该燃烧器包括燃烧器衬套；包围燃烧室衬套的第一导流套筒，在其间具有第一导流环形空间，第一导流套筒具有绕其圆周形成的至少一个冷却孔口，用于将压缩机排出空气作为冷却空气引导至第一导流环形空间内；包围第一导流套筒的外壳，在其间具有第二导流环形空间，第一导流套筒具有绕其圆周形成的至少一个抽气开口，用于将来自所述第一导流环形空间的压缩机排出空气作为抽出空气引导至第二导流环形空间内；以及抽出端口，其可操作地联接到外壳上，用于从第二导流环形空间抽出该抽出空气。
文档编号F23R3/42GK101446421SQ20081017879
公开日2009年6月3日 申请日期2008年11月26日 优先权日2007年11月26日
发明者A·索姆, J·D·贝里 申请人:通用电气公司