专利名称：用于燃烧器的同心的固定稀释及可变的旁路空气喷射的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带有旁路空气喷射的涡轮机的燃烧器。
背景技术：
目前燃气轮机的制造涉及在研究和工程规划上生产新的燃气轮机，其能够以高的效率操作而不产生不希望的空气污染排放物。通常由于燃烧常规碳氢燃料的燃气轮机产生的主要空气污染排放物是氧化氮、一氧化碳和未燃烧的碳氢物质。
在燃气轮机中通常使用催化反应器来控制当一个催化反应在低温下燃烧燃料和空气混合物时污染物的数量，因此减少了在燃烧中的污染物的释放。随着一个催化反应器的老化，为了随着时间使所述反应器的效率最大，通过所述反应器的反应物的等值比(由用于燃烧的化学计量燃料/空气比率除以实际燃料/空气比率)需要增加。
发明内容
本发明的示意性实施例包括用于燃气涡轮机的燃烧器，该燃烧器包括具有孔的燃烧器主体和封闭所述主体的壳体，该壳体限定在它们之间用于输送压气机输出空气的通道。具有至少一个喷射管，其用于供应一定量的所述压气机输出空气进入所述燃烧器主体并且所述喷射管被设置在所述孔和所述壳体之间并穿过所述壳体。一套管(collar)被布置在所述通道上并且围绕所述喷射管使得所述喷射管通过所述套管。在所述套管和所述喷射管之间设置一个间隙。所述套管具有多个开口。
在本发明的进一步示意性实施例中包括在燃气涡轮机中熄灭燃烧的方法，该方法包括将一定量的压气机输出空气供应到燃气轮机的燃烧器主体内并且供应可变的压气机输出空气到所述主体内。所述固定量压气机输出空气被布置成同心地围绕所述可变量的压气机输出空气，并且固定量压气机输出空气通过所述多个在所述套管(floating collar)上的开口在每个喷射位置被供到所述主体内。
图1为形成一部分燃气轮机的燃烧器的示意性剖视图；图2示出图1所示的一部分燃烧器壳体，该壳体具有用于抽取压气机输出空气的一组开口；图3是一旁路喷射结构的详细视图；图4是当一个套管被组装在所述旁路喷射设置上时的详细剖视图；图5是图4所示的套管的正视图；图6示出本发明的另一个实施例，其中从所述燃烧器中去掉了催化反应器。
具体实施例方式
燃气轮机通常包括压缩段、燃烧段和涡轮段。由所述涡轮段典型地通过公用轴连接驱动所述压缩段。所述燃烧段典型地包括环形布置的沿圆周隔开的燃烧器。在每个燃烧器中燃料/空气混合物燃烧以产生热的做功气体，其流动通过转换件到所述涡轮段。出于本描述的目的，仅仅讨论和显示一个燃烧器，应该明白所有其它布置在涡轮机上的燃烧器彼此基本相同。
现在参考图1，其中显示一个用于燃气轮机的燃烧器，一般用10来表示，其包括燃料喷射组件12，该组件具有单个喷嘴或多个喷嘴(未示出)和包括燃烧室14的第一反应区的内衬组件13；一个圆筒主体组件16，其为主燃料预混合(MFP)组件24的一部分；以及主燃烧室29。所述燃料喷射组件12还包括一个封闭所述主体组件16的壳体20因而限定了通道18，优选地为一个在其间的环面18。提供一个点火装置(未显示)并且优选地包括一个电能火花塞以在涡轮机启动时在预燃室组件11中点燃燃料空气混合物。输出空气44从压气机40经过一入口管38流动通过所述环面18并且进入预燃室组件11并且通过多个设置在所述第一燃烧室14上的多个孔22进入主体16。
压气机输出空气44在横跨盖组件21上以不同压力进入主体16以与从燃料喷射器组件12来的燃料混合。该混合物的燃烧发生在预燃室组件11的主体16内的第一燃烧室或第一反应区14，因此提高燃烧气体的温度到达用于催化剂27进行反应的足够水平。来自第一燃烧室14的燃烧空气流动通过主燃料预混合器(MFP)组件24并且然后通过催化剂27进入用于燃烧的所述主燃烧室或主反应区29。附加的燃料被泵入所述MFP组件24以与热气体混合，离开所述地燃烧室14，因此在所述主燃烧室29内产生燃烧反应。因此，所述燃烧的热气体通过转换件36以驱动所述涡轮机(在42处显示涡轮机的入口段)。
一个预定量的压气机输出空气44从环面18中经过位于壳体20的开口25的阵列被抽取进入歧管26并且引入到开口28中，所述开口28密封地与旁路管30的一端配合，而所述管30的第二端引入一个喷射歧管32。一个阀31调整从歧管26供应到歧管32的空气量。被接纳在歧管32内的空气44通过多个喷射管33被喷射到主体组件16内，绕过催化剂27。要注意的是尽管该示意性实施例示出一个圆管用于喷射管33，喷射管33可以为任意的形状并且不必是圆形，只要所述管是空心以允许空气从管中通过。每个所述喷射管33和歧管32被基本上布置在与燃烧器中心线垂直的一个共轴平面中(在同一平面内围绕所述主体组件16的周边分开)。
参考图3，每个喷射管33通过孔隙34而通向主体16。可移动法兰盖23被设置在喷射歧管上，基本上与相应的喷射管33在径向上对准以提供所述管的出入口。所述喷射管33通过法兰盖23从歧管32的外部圆周向地绕所述壳体20和主体16隔开布置地被安装。在一个示意性实施例中，具有四个围绕所述壳体20以大约90度分开的喷射管33。所述喷射空气冷却所述反应并且熄灭所述燃烧过程。
参考图3和4，其中表示了半个燃烧器的剖面图。通过参考燃烧器中心线，如附图标记58所示，这一点非常明显。每个喷射管33通过一具有开口61(例如孔、槽等)(也叫做套管开口)的套管60与主体16相接。一旦压气机输出空气44到达所述套管60，空气44被限制作为一个预定量的空气62和一个可变量的空气64。套管60允许来自通路18的预定量的空气62恒定地被喷射进入随着燃烧器的热气体通路63。所述套管60也允许通过旁路管30并且由所述阀31(见图1)控制的变量空气64被喷射进入燃烧器的热气体通路63。因此，所述套管60允许变量空气64和设置在同心环绕所述变量空气64外侧的环形面中的固定量空气62被喷射进入热气体通路63。
所述喷射管33穿过所述壳体20和通路18插入到主体16中。所述喷射管33被例如螺旋连接到所述壳体20上。在一个示意性实施例中，在所述主体16和喷射管33的端部68之间具有一个间隙66。所述间隙66的存在使得在燃烧操作中，当所述喷射管33和所述主体16受热且膨胀时，所述喷射管33不会膨胀超过所述主体16。
所述套管60在第一端70被安装在所述主体16上并且在第二端72靠在喷射管上。所述套管60是一个圆筒件，其在通路18处环绕所述喷射管33。所述套管60具有一个预定数量的开口件。所述开口件的数量和尺寸可以变换以确定要恒定供应进入所述燃烧器的所述预定量的空气62(固定稀释流量)。在一个示意性实施例中，所述各开口61具有大致0.6厘米到大致1.3厘米的直径并且被对准，使得在套管60的成角度段86上绕所述整个套管60具有等间距分隔开的两排15到20个开口并且在绕所述整个套管60的直线段88具有等间距分隔开的一排15至20个开口。但是，所述孔的尺寸、数量和位置将依赖于希望的和要求的固定稀释量来变化。
在一个示意性实施例中，所述套管60通过保持夹80被安装在主体16上。也可以在所述套管60的两侧布置两个保持夹。所述保持夹80套在主体16的伸出部82上并且进入在所述套管60的第一端70上的槽84内。所述保持夹80在所述伸出部82被焊接到位。所述保持夹80通过防止所述套管60的自转及防止所述主体16的延伸部82的抬起而限制所述套管60的运动。
此外，当所述喷射管通过通路18被插入到主体16上时，所述主体16中的孔34大于喷射管的端部68，这样会产生一个间隙78。所述孔34比所述端68大的原因是当燃烧器运行时在主体16上产生热膨胀。热膨胀也将引起喷射管33在所述孔34内处在不同的位置，这取决于燃烧器的状态。因此，在冷的条件下，所述喷射管将处在相对于孔34的一个固定位置上并且在整个操作中所述喷射管将处在相对于孔34的不同位置上。在整个操作中，所述喷射管33的中心线将位于所述孔34的中心线上。在冷的条件下，喷射管33的中心线会从孔34的中心线偏离。
而且，所述套管覆盖所述间隙78使得空气44不会泄漏进入燃烧器中，除通过受控制条件下的开口61以外。而且，由于空气62流过套管60的开口61进入腔体90，因此产生高压，该高压馈送围绕所述可变旁路稀释的固定同心稀释。所述高压通风向围绕所述喷射管33外侧的间隙78(或环形)提供一个均匀的、受控制的空气流动，然后，其以一个环形喷射的形式被喷射到燃烧器流动中。
如此构成的所述套管60具有的优点是，所述套管60提供将围绕所述可变旁路流喷射的受到控制的固定同心稀释，与所述喷射管33与孔34的相对位置无关。通过具有所述固定同心稀释流，如果所述固定同心稀释包括在通过所述阀31的流动中时，激励所述阀31的必要运动范围小于从前。因此，适当尺寸的阀31可以在其最高精度范围内操作，其允许可变旁路流精细地调整(更好地控制)。同样，通过由所述套管60产生的具有固定量的稀释流，所述歧管26和32、旁路管30和阀31的尺寸被减小，这是由于它们只需要容纳可变流。所述固定同心稀释流允许在整个可变旁路流范围内使在喷射流中增加的浓度与主燃烧器流63混合。
参考图6，其表示本发明的第二实施例，其中与图1中燃烧器类似的部件使用在相同附图标记加上1的标记。这里，燃烧器110包括发生主燃烧的燃烧室或反应区114。本实施例中没有催化剂27和MFP组件24。在此，压气机输出空气从环形118流动进入歧管126，并且通过绕经燃烧室114的喷射管133，从歧管126经过管130流入主体116。还有，与压气机输出空气混合的燃料的总量通过没有催化剂和MFP组件的燃料喷射器组件112被喷射。应该理解，燃烧室114的位置无需紧靠所述燃料喷射器组件112。而是其可以在主体116内，位于端件143和歧管132之间。类似地，歧管132可以沿壳体120适当地定位以喷射空气进入主体116，其使燃烧室被旁路以熄灭所述燃烧操作。相同的套管60(见图2-5)可以结合在燃烧器110的喷射管133上。
因此，本发明具有最大化催化反应效率的优点，从而增加燃烧的效率。本发明进一步提供一个简单的装置通过独立于机器(涡轮机)操作地对燃烧区提供空气控制能力来控制在非催化燃烧器中的燃烧过程。
而且，虽然参考示意性实施例对本发明进行了说明，但是本领域技术人员应该明白的是，在不背离本发明范围的前提下可以进行各种变化和可以用等同物来替换其中的部件。还有，在不背离本发明范围内的本发明指导的前提下，可以利用改变特殊的情况和材料做出许多的变形。因此，本发明不想以作为实现了本发明最佳模式所公开的特殊实施例来对本发明进行限制，而是将包括所有落入权利要求书范围内的实施例。而且，所使用的第一、第二等等术语，不代表任何顺序和重要性，而是用于区分各个部件。
权利要求
1.一种用于燃气涡轮机的燃烧器(10)，包括具有孔(34)的燃烧器主体(16)；封闭所述主体(16)的壳体(20)，其还限定在它们之间的用于输送压气机输出空气(44，62，64)的通道(18)；至少一个喷射管(33)，其用于供应一定量的所述压气机输出空气(64)进入所述燃烧器主体(16)，所述喷射管(33)被布置在所述孔(34)和所述壳体(20)之间并穿过所述壳体(20)；以及布置在所述通道(18)上的套管(60)，其中所述套管(60)围绕所述喷射管(33)使得所述喷射管(33)通过所述套管(60)并且在所述套管(60)和所述喷射管(33)之间设置一个间隙(78)，所述套管(60)具有多个开口(61)。
2.如权利要求1所述的燃烧器(10)，其中所述多个开口(61)被布置和定尺寸，从而使得预定量的所述压气机输出空气(62)被恒定地供入所述燃烧器主体(16)。
3.如权利要求1所述的燃烧器(10)，其中所述套管(60)具有第一端(70)和第二端(72)，所述第一端(70)安装在所述燃烧器主体(16)上并且所述第二端(72)延伸到所述喷射管(33)。
4.如权利要求3所述的燃烧器(10)，其中还包括一个保持夹(80)，其用于在所述第一端(70)将所述套管(60)连接到所述主体(16)。
5.如权利要求1所述的燃烧器(10)，其中还包括在所述主体(16)的所述孔(34)的外径和所述喷射管(33)的一端(68)之间的间隙(66)。
6.如权利要求1所述的燃烧器(10)，其中所述孔(34)大于所述喷射管(33)的外跨度。
7.如权利要求1所述的燃烧器(10)，其中所述套管(60)包括一个被安装在所述主体(16)上的直线段(88)和一个延伸到所述喷射管(33)的倾斜段(86)。
8.如权利要求1所述的燃烧器(10)，其中还包括布置在所述主体(16)中用于在燃烧期间控制污染物排放的催化反应器(27)。
9.如权利要求1所述的燃烧器(10)，其中还包括在所述燃烧主体(16)内用于燃料和空气主燃烧的反应区(14)。
10.如权利要求1所述燃烧器(10)，其中来自所述至少一个喷射管(33)的所述压气机输出空气(64)的所述数量是可变的并且所述多个开口(61)供应一个固定量的所述压气机输出空气(62)进入所述燃烧器主体(16)。
全文摘要
一种用于涡轮机的燃烧器(10)包括具有孔(34)的燃烧器主体(16)和封闭所述主体(16)的壳体(20)，壳体(20)限定在它们之间的用于输送压气机输出空气(44，62，64)的通道(18)。具有至少一个喷射管(33)，其用于供应一定量压气机输出空气(64)进入所述燃烧器主体(16)，所述喷射管(33)被布置在所述孔(34)和所述壳体(20)之间并穿过所述壳体(20)。套管(60)被布置在所述通道(18)上并且围绕所述喷射管(33)使得所述喷射管(33)通过所述套管(60)。并且在所述套管(60)和所述喷射管(33)之间设置一个间隙(78)。所述套管(60)具有多个开口(61)。在燃气涡轮机中熄灭燃烧的方法包括将一定量的压气机输出空气(62)供应到燃气涡轮机的燃烧器主体(16)内并且供应可变量的压气机输出空气(64)到所述主体(16)内。所述固定量压气机输出空气(62)布置成同心地围绕所述可变量的压气机输出空气(64)。
文档编号F02C7/18GK1743734SQ20051008755
公开日2006年3月8日 申请日期2005年7月27日 优先权日2004年9月2日
发明者詹姆斯·M·斯托里 申请人:通用电气公司