用于低排放(NOx)燃烧器的燃烧室/文丘里管冷却的装置和方法 【发明领域】
本发明总的涉及一种装置和方法，该装置和方法用于冷却用于燃气轮机发动机冷却燃烧室和文丘里管以减少氧化物排放量。更具体地说是揭示了一种装置，该装置用于冷却燃烧室/文丘里管，并可将经过预热的冷却空气引入混合室以用于燃烧过程并降低氮的氧化物排出量。
有关背景技术的叙述
本发明是典型地用于驱动发电机的乾式低NOx的燃气轮机发动机中的。每个燃烧器包括一在上游的燃料/空气预混合室以及一下游的燃烧室，其间由一具有一窄的喉部的文丘里管隔开，该具有喉部的文丘里管起火焰抑制器的作用。本发明涉及改进包括文丘里管壁地燃烧室的冷却，同时降低氮的氧化物排出量。
美国专利4,292,801中叙述了一燃气轮机燃烧器，该燃烧器包括在上游的燃料和空气的预混合室和一下游的燃烧室。
美国专利5,117,636及美国专利5,285,631谈到了冷却燃烧室壁和文丘里管壁。该两专利中说，如果冷却用的空气通道的出口太接近于文丘里管的喉部，就存在一个允许冷却空气通道排入燃烧室的问题。文丘里管在发散部(渐扩部)的下游有一个分隔区，它产生一压力差，从而吸引冷却用的空气，这一情况会造成燃烧的不稳定性。然而文丘里管壁及燃烧室壁被充分冷却也是很重要的，因为在燃烧室中的温度是很高的。
本发明消除了已有技术中所讨论的问题，因为对文丘里管的冷却路线经过调整使冷却用的空气不再在轴向尾部及文丘里喉部下游排放入燃烧区。事实上，冷却用的空气以相反方向流动以使用于冷却燃烧室及文丘里管的空气被驱进入文丘里管上游的预混合室中，提高了总的燃烧过程的效率同时消除了在美国专利5,117,636中讨论的在文丘里管尾部的任何类型的冷却空气的重复循环的分隔区。
最近政府颁布的对排放的条例非常关切燃气轮机燃烧器的制造商和使用者。特别关切氮的氧化物(NOx)的排放，因为氮的氧化物排放导致对空气的污染。
众所周知氮的氧化物的形成是火焰温度停留时间及当量比的函数。过去的事实表明的氮的氧化物可以通过降低火焰温度以及火焰停留在较高温度的时间而降低。氮的氧化物也是当量比和燃料对空气(f/a)化学计量的函数。亦即，降氮的氧化物排放需要极低的f/a比。降低f/a比并不是没有代价的，主要是可能“熄火”。“熄火”是这样一种情况：由于它的不稳定性，火焰不再能维持。当燃料—空气化学计量降低至稍高于稀薄可燃性极限(贫可燃性极限)时这种情况是通常会发生的。通过把预混合空气预热，可以降低火焰的“熄火”温度，从而允许在降低温度下燃烧，因此NOx的排放可以较低。所以引入预热空气是驱动f/a比到一稀薄极限的下限以减少NOx，而同时仍保持稳定的火焰是一理想情况。
在一双级双模式燃气轮机系统中，第二级燃烧器包括一文丘里管构造以稳定燃烧火焰。燃料(天然气或液体)以及空气在文丘里管上游的燃烧器预混合室进行预混合，空气/燃料的混合物在文丘里管喉部的下游进行燃烧。该文丘里管构造可加速空气/燃料流过喉部并且理想地不让火焰闪回预混合区。在文丘里管中超过喉部的火焰保持区是燃料连续和稳定燃烧所必需的。燃烧室壁以及在窄的喉部区前面及后面的文丘里管壁被燃烧火焰加热，因此必需冷却。在过去，这是由后侧冲击冷却法冷却的，进行冷却的空气沿着燃烧壁和文丘里管壁的后侧流动，在那里冷却空气出去被卸入文丘里管下游的燃烧室。
本发明克服了上述类型的空气冷却通道所发生的问题，完全消除了让进行冷却的空气进入文丘里管下游的燃烧区域的情况。本发明不允许任何冷却文丘里管的空气流入下游的燃烧室。本发明使进行冷却的空气流过沿着燃烧室壁和文丘里管壁的空气通道使该进行冷却的空气被预热并把在文丘里管(会聚壁)上游的进行冷却的空气馈入预混合室。这又提高了总的降低NOx排放的效率。
发明概要
一种用于在低氮的氧化物排放燃气发动机中冷却燃烧室壁的具有一抑制火焰的文丘里管的改进装置，它包括一燃气轮机燃烧器，该燃气轮机燃烧器具有一预混合室、一第二燃烧室及一文丘里管，一冷却空气通道同心地围绕该文丘里管壁及该燃烧室壁。多个进入冷却空气通道的冷却空气入口孔设置在燃烧室端部的附近。
该燃烧室壁本身基本上是圆筒形并且在外表面上包括多个凸出的肋用以增加与在燃烧圆筒内衬上流过的进行冷却的冷空气互作用的表面面积。文丘里管壁也与燃烧室连在一起并包括一对具有限制喉部的收敛/发散壁，后者与燃烧室内衬错综复杂地形成在一起。冷却用的空气不仅围绕圆筒形燃烧室壁流过并且绕文丘里管流过，为整个燃烧器室及文丘里管提供冷却空气。当冷却空气向着喉部上游流动时，冷却空气的温度上升。
冷却空气通道是由另一个与燃烧室壁隔开的圆筒形壁形成的，它同心地安装在燃烧室壁周围，一对锥形壁同心地以类似地构造设置在文丘里管壁周围以形成一完整环形通道以让空气绕整个燃烧室及整个文丘里管流动。燃烧室的下游端以及冷却空气的入口孔被一环形阻断层隔开，以使在通道中的冷却空气无法向下游流入燃烧室。没有空气被向燃烧室的下游引入，或者进入文丘里管的被隔开的区域。事实上，冷却空气出口位于文丘里管上游，冷却空气与燃烧气流以相反方向流动，先通过燃烧室壁，然后文丘里管壁。被预热的冷却空气最后被引入预混合室，增加了系统的效率，因火焰稳定而减少了氮的氧化物的排放量。
冷却空气源自汽轮机的压缩机，该压缩机使高压空气相对于燃烧过程是上游的方向围绕整个燃烧器器体流动。该高压空气被驱动绕着燃烧体流动并流经多个在燃烧室下游端附近的冷却空气通道的空气入口孔。强制冷却空气沿着燃烧器外壁向文丘里管流动，经过文丘里管的喉部，经过有着一出口空气通道的文丘里管壁的前沿以及一接收通道，后者使空气通过另一系列的入口孔而进入文丘里管喉部上游的预混合室。由于这样的流动形式，冷却空气就不可能干扰发生在第二燃烧室的燃烧过程，因为没有出口或孔可以与第二燃烧室本身相互作用。此外，当冷却空气流向文丘里管和被引入在文丘里管上游的入口预混合室时，冷却空气在通道中被加热，被加热的空气有助于燃烧器的效率而降低污染排放。
燃烧器的外壳体包括一环形外带，该环形外带接受通过文丘里管上游的出口孔的冷却空气。此空气然后进一步向上游通过多口通向预混合室的入口空气孔，允许被预热的冷却空气在前文丘里管壁的空气通道流入预混合区域。
燃烧室壁包括多个隆起的环以增加热从燃烧壁向空气的传递效率，使该壁具有更多与空气接触的面积。虽然用了一个另外的同心壁以形成围绕燃烧室及文丘里管的冷却空气通道，但是在另一个实施例中，利用该燃烧器本身的外壁来提供这种功能。
本发明的一个目的是通过对燃烧室及文丘里管提供空气冷却，在所希望的运行条件下，维持一稳定的火焰，从而在一燃气轮机燃烧器系统中降低氮的氧化物的排放。
本发明的另一个目的是提供一低氮的氧化物的排放的燃烧器系统，它利用一文丘里管以提供多种冷却空气的使用以冷却燃烧室和文丘里管。
本发明的又一点目的是通过利用从冷却燃烧室及文丘里管来的在预混合过程中的被预热的空气，降低燃烧器的火焰“熄火”温度。
按照这些以及将在下面变得更为清楚的及其他目的，下面将结合附图对本发明作出详细的叙述。
附图的简单介绍
图1示出了一表示已有技术的燃气轮机系统的侧截面视图，其中一冷却空气通道，把冷却空气排放入燃烧室及燃烧室周围；
图2示出了本发明的一燃气轮机系统的立体图；
图3示出了本发明的一燃气轮机燃烧器系统的侧截面视图；
图4示出了用于本发明的燃烧室及文丘里管及部分预混合室的截面剖视图；
图5示出了一截面视图，其中部分剖视了在环形腹带室中的位于文丘里管上游的冷却空气通道，用于接收冷却空气以将该空气引入预混合室；
图6示出了燃烧室壁尾端界面的剖视及放大图；
本发明实施例的详细叙述
现请参阅图1。图中示出了已有技术的一原有燃气轮机的燃烧器110。该燃烧器110包括一文丘里管111，一预混合室112，它用于预混合空气和燃料，一燃烧器室113和一燃烧盖115。
如在此已有技术燃烧器所示，由箭头表示的冷却空气在压力下沿着文丘里管111外壁流动。该冷却空气通过沿着内衬110的多个位置进入系统。一部分空气通过孔120进入，而其余的空气沿着外壳流动。在压力下的冷却空气，以汽轮机压缩机为源，通过多个孔121进入系统。如图1所示，冷却空气撞击并冷却文丘里管111的锥形的收敛/发散壁(缩放形壁)127，并向下游流过圆筒形通道114，冷却圆筒形燃烧室113的诸壁。该冷却空气沿着燃烧室壁通过环形释放孔125出去。此空气然后进入下游的燃烧过程。一部分冷却空气也通过孔126进入预混合区。其余的冷却空气流向内衬的前端，在那里空气通过孔123进入内衬的前端及燃烧盖115。没有通过孔123进入的冷却空气部分进入并通过区域124与气体及燃料混合。美国专利5，117，636讨论了示于图1的现有技术的文丘里管的构造。讨论了关于冷却空气在文丘里管111附近通过出口通道125因而对燃烧过程及混合物基于636专利称之为分隔区的存在而干扰燃烧过程的问题。
本发明完全消除了在专利636中所提出的任何问题。
现请参阅图2及图3，图中示出了燃气轮机燃烧器10，它包括一文丘里管11。
文丘里管11包括一圆筒形部分，它形成燃烧器室13及一整体地形成的文丘里管壁，文丘里管壁在下游方向收敛和发散(缩放)，形成一环形或圆形缩颈喉部11a。文丘里管及缩颈喉部11a的目的是防止火焰的火舌从燃烧室13回闪。
室12是预混合室，在该室中，空气和燃料进行混合并在压力下被强制驱向下游通过文丘里管缩颈喉11a进入燃烧器室13。
一同心的、部分圆筒形的壁11b围绕着包括收敛和发散文丘里壁的文丘里管11以在文丘里管11和同心壁11b之间形成一空气通道14，此通道允许冷却空气沿着文丘里管11的外表面通过以进行冷却。
在燃烧器10的外面围绕着一壳体(图中未示出)并且包含受压的空气，此空气向上游的预混合区域12移动。该空气是从汽轮机的压缩机来的。这是压力很高的空气。该冷却空气通道14具有若干入口孔27，此入口孔27允许围绕燃烧器的高压空气通过孔27进入并被围绕文丘里管11的通道14的第一部分45所接收。冷却空气沿着文丘里管11通过，经过文丘里管的收敛和发散壁及文丘里管的缩颈喉部11a。被预热的冷却空气从出口孔28出去，进入环形腹带室16。燃烧器利用经过加热的冷却空气并被允许通过孔29及22进入预混合室12。具体细节示于图5及图6。请注意进入在文丘里管的收敛壁及文丘里管缩颈喉部11a上游的预混合室的现在是在冷却过程中被加热的冷却空气。使用被预热过的空气驱使f/a比达到一稀薄极限(贫比的下限)以在稳定火焰的同时降低NOx的排放。
现请参阅图4，冷却空气通道14包括多个间隔器14a，它们把文丘里管11与壁11b分隔开。腹带壁16形成通道14的第二部分46的一个径向外边界并且提供一基本上呈环形的室，它允许外面的压力空气及出去的冷却空气被容纳在预混合室12之内。在由文丘里管11的环形尾端或后端形成的燃烧室13的下游端处，设置着一环形阻断环40，它防止冷却空气向下游泄漏进入燃烧室。这就减轻了已有技术中由冷却空气造成的燃烧问题。
现请参阅图5，图中示出了空气通道14沿着具有收敛和发散壁及喉部11a的文丘里管那一段，其中冷却空气通过孔28排出而进入由鼓起的腹带壁16形成的空气室。在较高压力下的又一部分的空气通过孔32进入并驱使包括在通道14中的现在被加热的冷却空气在内的空气通过孔22及29进入预混合室12。
图6示出了燃烧室13的后端部及包括阻断环40的文丘里管11的端部，此阻断环40呈环形且是以密封形式围绕文丘里管11的整个后端部设置的。进入通道14的冷却空气不能逸失或进入燃烧室13的任何部分。请注意有一些空气是允许通过孔30及31进入超过燃烧室13的较后部的室壁的。孔30及31设置在燃烧器10的外面用于冷却燃烧器的后端部的。
本发明还包括改进的冷却燃烧室及文丘里管的方法，该方法允许用于冷却的空气来提高燃烧过程本身的效率以降低NOx的排放量。在空气流方面，冷却空气通过多个孔27进入文丘里管外通道14。一预定数量的空气由一部件17引入通道14。冷却空气由阻断环40驱向下游，它扩张以在热负荷条件下接触燃烧器10。冷却空气向上游通过通道14的第一部分45的收敛/发散段，它通过文丘里管11的孔28进入通道的第二部分及燃烧器10。该冷却空气然后充满由环腹带16形成的一个室。由于整个冷却路径中的压力降及温度的增加，增加了压力的空气通过多个孔32被引入腹带室16。该冷却空气在多个单元18周围通过，此多个单元位于整个腹带室16以支持处于压力下的腹带。冷却空气通过孔22及燃烧器10的槽29进入预混合室。在冷却通道14及预混合室12之间没有不希望的泄漏发生因为有固定在燃烧器10及文丘里管上的前支撑19。冷却空气没有通过孔27的其余部分在单元17上通过并向上游行进以被引入燃烧器10或盖子15。这空气是通过在腹带腔16前面的多个位置被引入的。
正是通过这样的过程，改变了过去用于冷却和供应燃烧空气的路径，降低了燃料一空气比，使NOx的排放降低而没有产生不稳定的火焰。
虽然本发明如上所述并且是作为目前的较佳实施例来叙述的，但是，应予理解的是，本发明并不限于所揭示的实施例。相反，本发明拟将在所附权利要求书的精神实质和范围内的所有种种变化及等效的安排包括在本发明的保护范围之内。