专利名称：点燃燃气轮机设备燃烧室的方法及实施该方法的点燃装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃气轮机的领域。本发明涉及到用于点燃一种燃气轮机设备的燃烧室的一种方法以及用于实施该方法的点燃装置。
背景技术：
必须通过一个外来点火源点燃燃烧混合物(通常是一种空气/燃油混合物)来使一个燃气轮机的燃烧室里连续地进行燃烧。通常这通过电火花来进行，电火花或者直接点燃燃烧室里的混合物或者间接地通过一个所谓起动喷嘴来点着。另一种可选的方案是建议用点火源，这种点火源通过一个加热的表面或通过一个激光源输入所需要的能量。用于产生点火火花的点火棒要求直接在燃烧室里提供高电压。这种由于在压缩机出口处出现的温度而只能设计成陶瓷材料的高压管路的通入、尤其是绝缘相对来说容易发生热膨胀和振动。因此这种点火系统比较来说容易出问题，并且必须在一个燃气轮机使用寿命期间内过多地更换。这可能导致设备的可用性太低。同样也熟知的借助于炽热点火器的点火虽然避免了输入高压，但是这陶瓷炽热元件本身目前还不能达到所需要的寿命。
在一个完全不同的技术领域里、也就是在军事应用方面，需要用尽可能简单而牢固的装置引发一种化学反应。因此开发出了所谓谐振点火极(谐振点火器)，它充分利用了一种气体的加热来点火，该气体超过临界地将一个谐振管里的压力能量耗散成热量。通常点着的为固体的反应混合物或者(通过一种H2/O2-或者H2/空气-点火焰)也可以是其它燃油(例如参见US-A-3,994,232或者US-A-5,109,669)。
发明内容
本发明的任务是提出一种用于点燃一种燃气轮机设备的燃烧室的方法以及一种用于实施此方法的点火装置，它们避免了已知的方法和装置所存在的缺点，并且其特征在于结构简单而牢固、可用性好、功能可靠、没有电气的装置而且可以方便地集成在现有设备里。
该任务通过权利要求1和13所述的全部特征来解决。本发明的核心在于使用原来就已知的谐振点火机构来点燃一个燃气轮机设备的燃烧室，其方法是使一种具有超过临界的压力比例的压缩的气体通过一个喷嘴来卸压，并通过与一个后置于该喷嘴的谐振管的相互作用加热到一个适合于点燃碳氢化合物的温度上，而且将已加热的气体直接地或间接地应用于点燃进入到燃烧室中的燃油/空气混合物。
燃烧室最好包括有一个燃烧腔，紧接于燃烧腔的是一个通入到燃烧室的燃烧腔中的一个起动喷嘴的焰道。使点火燃油和点火空气进入到焰道里并在该焰道里点燃所述点火燃油/点火空气混合物。
原则上可以将各种不同气体用于谐振点火。但是最好应用空气作为压缩气体，因为此处不必附加地对气体进行加热就可以。
如果应用一种与空气不同的气体、尤其是氮气作为压缩气体的话，那么就要应用附加的点火空气来点火，并且要附带地加热点火空气。
按照本发明的一种优选的设计方案，在焰道和谐振管之间设有一个通入到焰道中的点火腔，并将一部分在谐振管里加热过的空气通过谐振管里的点火孔输送给点火腔，在那里与火点燃油混合并自己点着火。其余部分的卸压到谐振管中的空气最好在点火腔处经过并排出至焰道里。
另一种方案可以通过与谐振管的一个加热表面的接触而在焰道里点燃点火燃油/点火空气混合物。
但是也可以考虑将所有卸压到谐振管里的空气用于点燃点火燃料/点火空气混合物。
如果应用燃气轮机里反正存在有的燃料作为点火燃料，那么按照本发明的方法就特别简单。
但是也可以应用一种与燃气轮机的燃料不同的燃料、尤其如甲烷或丙烷来作为点火燃料。
如果向谐振管里加热了的空气和/或其余的在谐振管里卸压的空气添加氧气，那就可以改善可点燃性。
如果用于点燃燃烧室的压缩空气取自于压缩机和/或一个外部的点火空气供应设备的话，那么所述方法就可以特别方便地集成在一个具有一个用于压缩燃烧空气的压缩机的燃气轮机设备里。
按照本发明的点火装置的设计最好能在燃烧室的点火腔处接上一个通入到点火腔里的焰道，而且至少一部分通过喷嘴卸压到谐振管中的气体通过一个在谐振管之外延伸的出口通道而流入到焰道中。
在该方案的一种改进方案中，所有通过喷嘴卸压到谐振管里的气体经过在谐振管之外延伸的出口通道流入到焰道中，其中具有一个加热表面的谐振管紧接着焰道。
在该方案的一种改进方案中，谐振管紧靠着一个点火腔，该点火腔通入到焰道里，而且一部分位于谐振管里的气体通过一个点火孔从谐振管里直接流出到点火腔中。
其它的实施形式由从属权利要求得出。
以下按照与附图有关的实施例对本发明进行详细的说明。附图示出图1按照本发明的一个点火装置的第一个优选实施例的纵向局部剖视图，该装置具有一个位于焰道和谐振管之间的点火腔，加热的气体直接从谐振管流出进入到该点火腔里；图2按照本发明的一个点火装置的第二个优选实施例的一个可与图1相比较的图形，在此实施例中谐振管直接用一个加热的表面紧靠着焰道；图3给一个集成在一个燃气轮机设备里的按照本发明的点火装置提供压缩空气的设备简图；图4按照本发明的一个点火装置的第三种优选实施例的一个可与图1比较的图形，在此实施例中谐振点火器装入在一个更改过的点火火炬里；而且图5按照本发明的一个点火装置的另一个优选实施例的一个可与图1相比较的图形，在此实施例中谐振管与燃料管直接连接。
具体实施例方式
图1表示了按照本发明的点火装置的第一个优选实施例的一个纵向局剖视图。点火装置10由一种如同在EP-A1-0 992 661的图1中所反映的配置出发。驱动燃气轮机所需要的热的气体通过在一个燃烧室(图3中的30)的燃烧腔11里燃烧一种气体状的和/或液体状的燃料而产生。燃烧腔11侧面由一个燃烧腔壁12限定住。通过燃烧腔壁12里的一个孔使一个焰道13通入到燃烧腔11里。焰道13在所示实施例中与中心轴线14同心。通过一个中心的燃料管23将燃料送入焰道13里。
在按照EP-A1-0 992 661的图1所示的装置中燃烧空气通过一个同心地围住燃料管23的空气输入装置(70)进入焰道里，并且为了点火设有一个点火电极(51)，它伸入一个点火腔(50)中，该点火腔通过连接通道(55，56)从燃料管和空气输入装置里供给空气和燃料，而在按本发明的图1所示的点火装置10里这种(容易出问题)的电点火机构则由一种紧固的谐振点火机构替代了。
发明的目的是通过一种坚固的点火喷管在没有电的构件的情况下提高燃气轮机的可用性。谐振点火机构基于以下作用原理如果压缩气体(例如空气)通过一个喷嘴卸压的话，那么气体首先就冷却，因为压缩能转变成动能。但如果卸压时有一个远超过临界的压缩比例，那么气体的压力还远高于周围环境。产生了使压力通过压缩冲击而卸压到环境压力的后膨胀。这种压缩冲击在很大程度上是耗散的，也就是使现有的压缩能转变成热量。如果附带地对流动进行制动，那么动能也还作为热量可供使用。因此大部分原始的压缩能可以转变成热量。
在图1所示的点火装置里中断了集中的外部输入空气。使空气通过一个平行于燃料管23延伸的点火气体管22在到达焰道之前通过一个也可以设计成拉瓦尔喷嘴的喷嘴21而卸压。在该喷嘴后的腔室里在点火装置的对称轴线15上设置一个谐振管19，该谐振管向着喷嘴21方向敞开着。由喷嘴21流出的气体(空气)直接进入谐振管19里。通过所述位于紧靠着喷嘴21的出口处的谐振管19的一种相应的结构设计可以在谐振管19的局部地或者完全封闭的相反端处产生强烈的温度升高。那么一小部分封闭在谐振管里的空气(点火空气)就被加热超过碳氢化合物的点火温度用于点火。所述点火空气通过谐振管19的一个小点火孔20输送给一个随后的、分离开的、位于谐振管19和焰道13之间的点火腔16，在此腔内所述点火空气与燃料混合造成自动点火。其余的卸压空气则平行于谐振管19和点火腔经过一个出口孔17和一个出口通道18排出。但是也可以应用所述剩余部分或者全部输入的空气来点燃混合物。当应用压缩空气作为谐振气体时为了实现点火温度必须使该范围中的压力大于10巴。因此建议用压力为10巴(或更高的)左右的空气，并借助于一个谐振管使所述空气加热到点火温度。
主要是应用燃气轮机的燃料作为点火燃料。另一种办法但也可以考虑用其它燃料，例如象目前所应用的甲烷或丙烷。
在图2所示的实施例中在那里的点火装置24中，谐振管19的对置于喷嘴21的端部完全封闭住。点火腔取消了，因而谐振管19的封闭端以其加热的表面直接与焰道13里的气体接触。全部通过喷嘴21而卸压的空气通过出口孔17和出口通道18排出至焰道13里。另外可以将氧气26添加入点火气体管22里，并通过一个氧气通道25加入到出口通道18里。
按图3所示点火装置31可以按相对简单的方式集成在一个燃气轮机设备27里燃气轮机设备27包括有一个用于压缩经燃烧空气入口输入的燃烧空气的压缩机28、一个燃烧室30和一个燃气轮机29，在该设备里从燃烧室30来的热气体在工作功率下卸压，并接着在一个废气出口39处排出给一个烟囱或者废热蒸气发生器。可以根据燃气轮机29的压缩机终端压力通过燃气轮机29本身和/或通过外部的点火空气供应设备35作为源来进行空气的储备。从这两个可供选择的气体源出发将压缩空气经过止回阀36、37输给一个点火空气存储器34，并从那里根据需要经过一个可控阀33而输入点火装置31里。必要的点火燃料通过一个点火燃料供应装置32引入。必需要的谐振加热也可以用另一种燃气作为空气(例如氮气)来实现，如果这更有利地供使用的话。在这种情况下当然必须使必要的点火空气附加地加热。这可以通过热的表面或者通过与加热燃气或一部分燃气的混合来实现。
所述借助于谐振管(图2)加热表面的点燃也可以在将空气用作燃气时来进行。可以通过将氧气添加到谐振管里和/或添加到其余卸压的要排出的空气中来改善可点燃性。
原则上说所述的方法可以适应不同的几何特性。但由于其紧凑的结构形式特别有利的是这样来设计谐振管19，从而使目前的电构件(EP-A1-0 992 661的图1)方便地通过具有压风输入21、22的谐振管来更换。类似于图1和2，可以将具有谐振管10、喷嘴21和点火气体管22的谐振点火机构按照图4所示在形成一个点火装置40时也装入到一个传统的点火气体火炬里。剩余的没有通过点火孔20进入到点火腔16中的卸压空气经过一个出口孔41进入到一个出口腔42中，并从那里经过一个连接通道43进入到焰道13里。
最后在图5所示的实施例中使通过经喷嘴21卸压并在谐振管19里加热过的空气经过一个相对来说较窄的连接通道46与从燃料管23里出来的燃料混合。所形成的混合物在点火时从谐振管19的封闭面上的点火孔45出来进入到焰道13中，并且然后使得在焰道13里形成的燃料/空气混合物点燃。
附图标记列表10，24，40，44点火装置11燃烧腔12燃烧腔壁13焰道14中心轴线(点火装置)15对称轴线16点火腔17，41出口孔18出口通道19谐振管20，45点火孔21喷嘴22点火气体管23燃料(油)管25氧气通道26氧气27燃气轮机设备28压缩机29燃气轮机30燃烧室31点火装置32点火燃料供应装置33阀34点火空气存储器35外部的点火空气供应装置36，37止回阀38燃烧空气入口39废气出口42出口腔43，46连接通道
权利要求
1.用于点燃一个燃气轮机设备(27)的燃烧室(30)的方法，其特征在于，具有一种远超过临界的压力比例的压缩气体经过一个喷嘴(21)进行卸压，并通过与一个后置于喷嘴(21)的谐振管(19)的相互作用而加热到一个适合于点燃碳氢化合物的温度；而且所述加热的气体直接或间接地被用来点燃一种进入到燃烧室(30)中的燃料/空气混合物。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，燃烧室(30)包括有一个燃烧腔(11)，接着该燃烧腔是一个通入到燃烧腔(11)里的焰道(13)；使点火燃料和点火空气进入到焰道(13)里；而且点火燃料/点火空气混合物在焰道(13)里进行点火。
3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用空气作为所述压缩气体。
4.按权利要求3所述的方法，其特征在于，在焰道(13)和谐振管(19)之间布置了一个通入到焰道(13)里的点火腔(16)；而且一部分在谐振管里(19)被加热的空气通过谐振管(19)里的一个点火孔(20)输送给点火腔(16)，在那里与点火燃料相互混合并自己点燃。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于，其余部分的卸压到谐振管(19)里的空气经过点火腔(16)输出到焰道(13)里。
6.按权利要求3所述的方法，其特征在于，点火燃料/点火空气混合物在焰道(13)里通过与谐振管(19)的一个加热表面的接触来点火。
7.按权利要求3所述的方法，其特征在于，全部卸压到谐振管(19)中的空气用来点燃点火燃料/点火空气混合物。
8.按权利要求3至7中任意一项所述的方法，其特征在于，应用燃气轮机的燃料作为点火燃料。
9.按权利要求3至7中任意一项所述的方法，其特征在于，应用一种与燃气轮机的燃料不同的燃料、尤其是甲烷或丙烷来作为点火燃料。
10.按权利要求3至8中任意一项所述的方法，其特征在于，为了改善在谐振管(19)里经加热的空气和/或其余的卸压到谐振管(19)中的空气的可点燃性而添加了氧气。
11.按权利要求3至10中任意一项所述的方法，其特征在于，燃气轮机设备(27)包括有一个用于压缩燃烧空气的压缩机(28)，而且用于点燃燃烧室的压缩空气取自于压缩机(28)和/或一个外部的点火空气供应装置(35)。
12.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，应用一种与空气不同的气体、尤其是氮气作为所述压缩的气体；应用附加的点火空气用于点火；而且对点火空气附加地进行加热。
13.用于实施按权利要求1至12中任意一项所述方法的点火装置(10，24，40，44)，其特征在于一个喷嘴(21)和一个布置在这喷嘴(21)后面的谐振管(19)，所述喷嘴经一个点火气体管(22)被供给一种压缩的气体，从喷嘴(21)里流出的气体就流入到所述谐振管里，而且该谐振管与燃烧室(30)或者燃烧室(30)的一个燃烧腔(11)连接。
14.按权利要求13所述的点火装置，其特征在于，紧接着燃烧室(30)的燃烧腔(11)是一个通入到燃烧腔(11)中的焰道(13)；而且至少一部分通过喷嘴(21)卸压到谐振管(19)中的气体通过一个位于谐振管(19)之外延伸的出口通道(18)流入到焰道(13)里。
15.按权利要求14所述的点火装置，其特征在于，全部通过一个喷嘴(21)卸压到谐振管(19)中的气体通过所述在谐振管(19)之外延伸的出口通道(18)而流入到焰道(13)里。
16.按权利要求15所述的点火装置，其特征在于，具有一个加热表面的谐振管(19)紧靠着焰道(13)。
17.按权利要求14所述的点火装置，其特征在于，谐振管(19)紧接着一个点火腔(16)，该点火腔通入到焰道(13)里；而且一部分位于谐振管(19)里的气体通过一个点火孔(20)从谐振管(19)直接流出进入到点火腔(16)里。
18.按权利要求14至17中任意一项所述的点火装置，其特征在于，设有用于将氧气(26)添加到出口通道(18)和/或点火气体管(22)里的机构(25)。
19.按权利要求14至18中任意一项所述的点火装置，其特征在于，一个中央的燃料管(23)通向焰道(13)；点火气体管(22)、喷嘴(21)和谐振管(19)前后地平行于燃料管(23)地进行布置。
20.按权利要求19所述的点火装置，其特征在于，谐振管(19)通过一个连接通道(46)与燃料管(23)相连接。
全文摘要
在一种用于点燃一种燃气轮机设备的燃烧室的方法中通过如下方法来达到一种功能可靠的点燃、并且同时使点燃装置(10)有长的寿命使一种具有远超过临界的压缩比例的压缩气体经一个喷嘴(21)卸压，并通过与一个后置于喷嘴(21)的谐振管(19)的相互作用加热到一个适合于点燃碳氢化合物的温度，而且将加热的气体直接地或间接地应用于点燃一种进入到燃烧室里的燃油/空气混合物。
文档编号F02C7/26GK1653254SQ03810922
公开日2005年8月10日 申请日期2003年2月21日 优先权日2002年3月14日
发明者F·约斯, M·施塔德尔 申请人:阿尔斯托姆科技有限公司