运行燃气涡轮的燃烧器的方法和燃气涡轮的燃烧器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于运行燃气涡轮的燃烧器的方法，其具有多燃料能力，热效率提高，而且NOx和未完全氧化的燃料(特别是CO)的排放少。另外，本发明涉及一种用于燃气涡轮的燃烧器。
【背景技术】
[0002]在已知的燃气涡轮(航空器发动机和用于发电的固定式燃气涡轮产生两者)中燃料在燃烧室内较完全或不那么完全地转化成燃烧产物，主要是0)2和h2o。在燃烧室下游的导叶排中，排气加速，并且朝至少一个叶片排偏转，以做机械功。通常，多个导叶和叶片排级后续布置成利用热气流的动能和热能。
[0003]在燃烧室中达到的最高温度和燃烧产物在燃烧室中的停留时间会产生不合需要的NOx和CO。产生氮氧化物的不那么重要的参数是燃烧室中的压力和燃料成分。
[0004]本质上了解到，通过提高预混合喷燃器或旋流发生器元件内或者单独的喷燃器或旋流发生器元件之间的燃料和空气的混合质量(包括使燃料和空气混合物均匀)，或者通过减少空气泄漏和燃烧室的热损失，或者通过减少热燃烧气体在燃烧室中的停留时间，来实现很大程度上局部地降低最高燃烧温度和这个温度下的停留时间，以及因而减少不合需要的氮氧化物的形成。这样的改进措施变得越来越有挑战性，而且NOx减少的可实现性变得更低。
[0005]通过减少停留时间来减少NOx形成是有限的，因为CO排放在部分负载下增加。
[0006]一种在降低燃烧温度的同时保持相同的转子入口温度的方法是用封闭式冷却回路，使用蒸汽作为冷却剂，来冷却涡轮导叶。
[0007]这种方法的缺点在于额外的冷却管理的复杂性、额外的费用，以及在某种程度上，系统的可靠性和可用性较低。
[0008]WO 2006/053825和DE 10043933描述了一种燃烧器，其通过停留时间较低(因此燃烧不完全)的第一燃烧室、在第一燃烧室的下游的第一导叶排，以及在后面的第二燃烧区，即顺序燃烧室来实现污染物排放(特别是NOx)减少，顺序燃烧室喷射或不喷射额外的燃料，而且停留时间足以进行完全燃烧。所述第一导叶排使热的燃烧气流沿轴向方向对齐。另外，气流加速，因此其温度显著降低。因此，第二燃烧区中的温度低于第一燃烧室中的温度。这个较低的温度水平与NOx的形成的参数相匹配。照这样，NOx的形成显著减少。
[0009]WO 2011/061059涉及一种用于燃气涡轮的再热燃烧器。此文献公开了如何用冷却空气冷却第一燃烧室和顺序燃烧室的特征，然后冷却空气供应到燃烧室且与燃料预混合。目标是使燃烧器出口温度和预混合火焰中的最高温度之间的差降低到最低，从而减少强烈依赖于温度的NOx的形成。
【发明内容】
[0010]本发明提供用于燃气涡轮运行的顺序燃烧技术的新功能原理，其基于预混合燃烧，具有多燃料能力，这允许在以下情况下进行燃烧:N0x排放非常低，以及未完全氧化的燃料(特别是CO)的排放非常低，顺序燃烧室处的出口温度高达1820K或更高。
[0011]根据本发明，公开一种用于运行燃气涡轮的燃烧器的方法和用于燃气涡轮的燃烧器，燃烧器至少包括:具有宽运行范围的第一燃烧室；后续的偏转单元，其用于使第一燃烧室的热气流至少沿周向方向偏转，并且包括用于喷射和混合额外的空气和/或燃料的器件；以及顺序燃烧室，在顺序燃烧室中，热气的温度达到其最高值，其中，在第一燃烧室中，预混合燃料空气混合物以范围介于1400K和1800K之间的平均火焰温度在稳定火焰中燃烧，以允许CO排放和NOx排放在第一燃烧室的出口处低于10 vppmd，在第一燃烧室的下游端处，额外的空气的质量流喷射到热气流中，以便使温度降低到1400K以下，优选1350K以下，这允许在所述空气喷射的下游喷射额外的燃料，产生热排气、空气和燃料的混合物，自燃时间介于I毫秒和10毫秒之间，其中，所述混合物进入偏转单元，并且在那里至少沿周向方向偏转，但在到达顺序燃烧室之前不发生反应，在顺序燃烧室里，混合物由于自燃和/或自燃和的热的反应产物的再循环的组合而燃烧。
[0012]根据第一优选实施例，第一燃烧室是预混合燃烧器，其运行范围介于1550K和1800K之间(与平均火焰温度有关)，更优选地介于1600K和1800K之间。
[0013]根据另一个实施例，第一燃烧室中的停留时间为15毫秒至30毫秒。
[0014]根据特别优选的实施例，第一燃烧室中的停留时间为顺序燃烧室中的停留时间(停留时间为大约3毫秒至10毫秒)的大约二至五倍长。
[0015]根据第一方面，在第一燃烧室的出口区域中喷射额外的空气允许这个第一燃烧器在高得足以使CO排放稳定在较低水平的温度下运行。
[0016]根据第二方面，这个喷射使排气的温度缓和到低得足以避免在I毫秒内立即自燃但高得足以在3毫秒至10毫秒内自燃的温度水平，在到达顺序燃烧室之前不自燃。
[0017]根据第三方面，热气温度这样在偏转单元中的偏转和加速导叶之前降低使得能够以小于经过流的4%的范围仅将非常少量的冷却空气喷射到经过流中。因此，偏转和加速导叶的空气动力学损失可降到最低(混合损失降低，导叶的后缘较薄)。
[0018]根据另一个重要实施例，在混合区段的下游，S卩，在顺序燃烧室的上游区段中，热气流(排气、空气和燃料的混合物)经过突然横截面扩大部的区域，诸如向后的台阶。逆流区在台阶之后产生，其中，这个逆流区在通入顺序燃烧室中的入口处限定火焰锚定点。
[0019]除了自燃反应前锋之外，在自燃式顺序燃烧室的上游区段中产生再循环区允许产生传播的火焰前锋，传播的火焰前锋使反应产物与排气、燃料和空气的混合物的未反应离析物混合。因此，顺序燃烧室中的热释放位置在时间和空间上更稳定，而且另外对于不同的燃料成分或第一燃烧器出口温度显示了较少的变化。
[0020]所有这些作用都允许燃烧系统在压力、入口和出口温度变化、燃料成分方面具有非常广泛的运行范围。
[0021 ] 顺序燃烧室中的高入口温度水平允许来自第一燃烧器的燃料和空气和排气的混合物在非常短的停留时间里完全燃烧。因此，在顺序燃烧器的端部处的NOx和CO水平与第一燃烧器的端部处的水平相同，即，CO排放〈10 vppmd，或者处于均衡水平且NOx排放〈10vppmdο
[0022]关于根据本发明的燃烧系统的多燃料能力，有两个选择:第一燃烧器和第二燃烧器两者都用气态燃料和液体燃料运行，或者第一燃烧器和第二燃烧器两者都用气态燃料运行，而第一燃烧器可另外用液体燃料运行，或者第一燃烧器(I)和第二燃烧器(3)两者都用液体燃料运行，而第一燃烧器(I)可另外用气态燃料运行。
【附图说明】
[0023]在下面，将借助于示例性实施例，参照附图来更详细地描述本发明，其中:
图1示意性地示出具有一体式偏转单元的燃烧室的第一实施例；
图2显示根据本发明的燃烧室的另一个实施例；
图3a和3b显示导叶，其具有波状(图3a)或叶形(图3b)后缘，以加强在热气流中形成旋涡；
图4示意性地示出燃烧室，其具有扩张到顺序燃烧器中的台阶；
图5a和5b更详细地显示突然流横截面扩大部的实施例。
[0024]部件列表 I第一燃烧室
2偏转单元、偏转区段 3顺序燃烧室 4预混合喷燃器 5入口空气 6燃料 7燃烧区
8第一涡轮叶片排 9额外的空气 10额外的燃料 11导叶、导叶排 12导叶11的波状后缘 13导叶11的叶形后缘 14突起、旋涡发生器 15流道轮廓
16热气流道的突然扩大部
17逆流区
18涡轮轴线
19涡轮
20向后的台阶
21额外的燃料
22冷却空气
23转子
24额外的燃料喷射器件 25燃料喷射器件24的后缘 26混合区 27燃烧器衬套
28导叶11的前缘
29燃料喷射器件24的前缘
30反应区
31凹入式环形通道
32热气。
【具体实施方式】
[0025]图1示意性地显示具有再热燃烧系统的燃气涡轮的纵向截面图。燃气涡轮包括压缩机、燃烧系统1、2、3、4、5、6、9、10和围绕转子23 (其具有旋转轴线18)沿周向延伸的涡轮19，以及至少第一排涡轮叶片8。燃烧系统包括在第一燃烧室I和顺序燃烧室3之间的一体式偏转单元2。第一燃烧室I是预混合燃烧器，其具有多个布置成环形的预混合喷燃器4，各个喷燃器4连接到用于供