CN103727534B - 用于延迟贫油喷射燃烧器系统的空气管理装置以及输送空气流的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于延迟贫油喷射燃烧器系统的空气管理装置以及输送空气流的方法，所述空气管理装置包括限定燃烧器腔室的燃烧器衬里。此外，所述空气管理装置还包括环绕所述燃烧器衬里的至少一部分的套管，所述燃烧器衬里和所述套管限定冷却环带，用于将冷却空气流从所述燃烧器衬里的后端附近输送到所述燃烧器衬里的前端。所述空气管理装置进一步包括冷却空气流分配器区域，所述冷却空气流分配器区域配置用于将冷却空气流分割为第一冷却空气流部分和第二冷却空气流部分，其中所述第一冷却空气流部分输送到至少一个主空气燃料喷射器，其中所述第二冷却空气流部分输送到至少一个贫油直接喷射器，所述贫油直接喷射器延伸穿过所述套管和所述冷却环带，以便将所述第二冷却空气流部分喷射到所述燃烧器腔室内。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃烧器系统，确切地说，涉及一种用于延迟贫油喷射燃烧器系统的空气管理装置，以及在此类延迟贫油喷射燃烧器系统内输送空气流的方法。
背景技术
在诸如燃气涡轮机等燃烧应用中，例如，燃烧器部分包括由燃烧器衬里限定的燃烧器腔室，所述燃烧器衬里通常被套管环绕，例如流动套管。空气流通常流过置于燃烧器衬里与套管之间的通道以冷却燃烧器衬里，以及将空气流输送到位于燃烧器衬里前端的空气燃料喷射器。空气流来自空气供应，所述空气供应还必须将空气提供给其他区域以用于各种用途。此类区域可以包括延迟贫油喷射器，所述延迟贫油喷射器将空气喷射到燃烧器腔室中，以便减小向大气环境中进行不需要的排放。随着延迟贫油喷射燃烧器系统的使用日益普遍，并且越来越多地使用空气供应来将空气提供给延迟贫油喷射器，冷却燃烧器衬里可能存在困难，因为空气供应中用于冷却套管与燃烧器衬里之间通道的可用空气减少。
基于空气流被直接供应到空气燃料喷射器，当燃烧发生波动并且燃烧压力突然增加时，燃烧系统需要承受背压(back pressure)。燃烧器腔室内压力升高会立即将可燃燃料/空气混合物“推入”诸如压缩机排出段（CDC）等空气供应腔室内。此类可燃混合物可能损坏CDC并且导致关机。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种用于延迟贫油喷射燃烧器系统的空气管理装置，所述空气管理装置包括限定燃烧器腔室的燃烧器衬里。此外，所述空气管理装置还包括环绕所述燃烧器衬里的至少一部分的套管，所述燃烧器衬里和所述套管限定冷却环带，用于将冷却空气流从所述燃烧器衬里的后端附近输送到所述燃烧器衬里的前端。所述空气管理装置进一步包括冷却空气流分配器区域，所述冷却空气流分配器区域配置用于将冷却空气流分割为第一冷却空气流部分和第二冷却空气流部分，其中所述第一冷却空气流部分输送到至少一个主空气燃料喷射器，其中所述第二冷却空气流部分输送到至少一个贫油直接喷射器，所述贫油直接喷射器延伸穿过所述套管和所述冷却环带，以便将所述第二冷却空气流部分喷射到所述燃烧器腔室内。
进一步地，其中所述冷却空气流来自空气供应。
进一步地，其中所述空气供应的大致100%作为所述冷却空气流输送到所述冷却环带。
进一步地，其中所述至少一个贫油直接喷射器包括多个贫油直接喷射器。
进一步地，其中所述多个贫油直接喷射器以轴向间隔方式分级布置。
进一步地，其中所述冷却空气流分配器区域置于所述燃烧器衬里的所述前端附近。
进一步地，进一步包括过渡件，所述过渡件置于所述燃烧器衬里的所述后端附近，所述过渡件的至少一部分被所述套管环绕。
进一步地，所述至少一个贫油直接喷射器延伸穿过所述套管和所述燃烧器衬里。
进一步地，所述至少一个贫油直接喷射器延伸穿过所述套管和所述过渡件。
进一步地，进一步包括过渡件，所述过渡件置于所述燃烧器衬里的所述后端附近，环绕所述燃烧器衬里的所述套管包括流动套管，并且所述过渡件至少部分被冲击套管环绕。
进一步地，所述至少一个贫油直接喷射器延伸穿过所述流动套管和所述燃烧器衬里。
进一步地，所述至少一个贫油直接喷射器延伸穿过所述冲击套管和所述过渡件。
进一步地，所述冷却空气流分配器区域置于所述流动套管附近的轴向位置上。
进一步地，所述冷却空气流分配器区域置于所述冲击套管附近的轴向位置上。
根据本发明的另一方面，提供一种输送用于延迟贫油喷射器燃烧器系统的空气流的方法。所述方法包括将冷却空气流输送到冷却环带中，所述冷却环带由燃烧器衬里和环绕所述燃烧器衬里的至少一部分的套管限定，其中所述冷却空气流通过所述冷却环带从所述燃烧器衬里的后端附近输送到所述燃烧器衬里的前端。所述方法还包括将所述冷却空气流分割为第一冷却空气流部分和第二冷却空气流部分。所述方法进一步包括将所述第一冷却空气流部分输送到至少一个主空气燃料喷射器。所述方法进一步包括将所述第二冷却空气流输送到至少一个贫油直接喷射器，所述贫油直接喷射器延伸穿过所述套管和所述冷却环带，以便将所述第二冷却空气流部分喷射到燃烧器腔室内。
如上所述的方法，进一步包括将被推出所述燃烧器腔室之外的回火燃料空气混合物输送到以下其中至少一项附近，以便所述回火燃料空气混合物重新进入所述燃烧器腔室内：所述至少一个主空气燃料喷射器和所述至少一个贫油直接喷射器。
如上所述的方法，进一步包括从空气供应提供所述冷却空气流，其中所述空气供应大致100%作为所述冷却空气流输送到所述冷却环带。
如上所述的方法，其中所述冷却空气流在所述燃烧器衬里的所述前端附近进行分流。
如上所述的方法，其中所述冷却空气流在位于所述燃烧器衬里的所述前端与所述后端之间的中间轴向位置附近进行分流。
如上所述的方法，进一步包括通过多个贫油直接喷射器将所述第二冷却空气流部分喷射到所述燃烧器腔室内。
结合附图阅读以下说明可以更好地了解这些和其他优点和特征。
附图说明
本发明在随附的权利要求书中具体指出并明确提出权利要求。结合附图阅读以下具体实施方式可以清楚地了解本发明的上述和其他特征以及优点，在附图中：
图1是燃气涡轮机系统的示意图；
图2是燃气涡轮机系统的燃烧器部分的局部示意图；
图3是燃烧器部分的空气管理装置的示意图；以及
图4是输送用于燃烧器部分的空气流的方法的流程图。
具体实施方式部分通过参考附图来以示例方式介绍本发明的实施例以及相应优点和特征。
具体实施方式
参见图1，其中使用参考数字10示意性地示出了燃气涡轮机系统。燃气涡轮机系统10包括压缩机部分12、燃烧器部分14、涡轮机部分16、轴18以及一个或多个空气燃料喷嘴20。应认识到，燃气涡轮机系统10的一个实施例可以包括多个压缩机部分12、燃烧器部分14、涡轮机部分16、轴18以及一个或多个空气燃料喷嘴20。压缩机部分12和涡轮机部分16通过轴18连接。轴18可以是单轴，也可以彼此连接以形成轴18的多个轴段。
燃烧器部分14使用诸如天然气或富氢合成气等可燃液体和/或其他气体燃料来运行燃气涡轮机系统10。例如，一个或多个空气燃料喷嘴20可以具有多种类型，如下文详述，并且与空气供应22和燃料供应24流体连通。一个或多个空气燃料喷嘴20产生空气燃料混合物，并且将空气燃料混合物排放到燃烧器部分14，从而实现燃烧并生成高温加压排放气体。燃烧器部分14通过过渡件将高温加压气体引入涡轮机喷嘴（或者“一级喷嘴”）或者其他动叶片级和喷嘴中，以使涡轮机部分16在涡轮机外壳26内旋转。涡轮机部分16旋转将使轴18旋转，从而在空气流入压缩机12中时压缩空气。在一个实施例中，高温气体通道部分位于燃烧器部分14内和附近，其中所述部件附近的高温气体流会使部件蠕变、氧化、磨损和热疲劳。随着燃烧温度升高，高温气体通道部件需要适当冷却，以满足使用寿命并有效执行预期的功能。
现在参见图2，其中更详细地示出了燃烧器部分14。燃烧器部分14包括采用导管形式的过渡件28，所述导管至少部分被置于过渡件28的径向外部的冲击套管30环绕。在所述过渡件的上游，冲击套管30的正向区域（forward region）附近设有限定燃烧器腔室34的燃烧器衬里32。燃烧器衬里32至少部分被置于燃烧器衬里32的径向外部的流动套管36环绕。尽管燃烧器衬里32和过渡件28被描述为单独的部件，但应认识到，燃烧器衬里32和过渡件28可以形成为一个完整的结构部件，所述部件形成燃烧器腔室34和过渡区。类似地，尽管流动套管36和冲击套管30被描述为单独的部分，但应认识到，流动套管36和冲击套管30可以形成为一个完整的套管，所述套管配置用于环绕燃烧器衬里32和过渡件28的至少一部分，无论所述部件是单独还是形成一体的部件。
不论燃烧器衬里32的确切构造如何，过渡件28、流动套管36和冲击套管30、压缩机排放段38被图示为并且包括压缩机排放出口40，所述排放出口配置用于输送用于燃烧器部分14内的多种用途的空气供应22。空气供应22通常来自压缩机部分12，并且进入压缩机排放段38内。空气供应22离开压缩机排放出口40附近的压缩机排放段38，并且急速向下流向过渡导管28和/或燃烧器衬里32。具体来说，相对于将空气供应22的一部分直接输送到诸如空气燃料喷嘴等多个部件，几乎所有的空气供应22均作为冷却空气流42被输送至由燃烧器衬里32和流动套管36限定的第一冷却环带44。冷却空气流42在第一冷却环带44内从燃烧器衬里32的后端48被输送至燃烧器衬里32的前端49。如上详述，预期存在与套管以及燃烧器衬里32和过渡件28相关的多个实施例，并且应了解，空气供应22可以作为冷却空气流42被输送至由过渡件28和冲击套管30限定的第二冷却环带46。对于具有限定被一个或多个套管环绕的燃烧室腔室34的单个衬里或导管的实施例，空气供应22可以作为冷却空气流42被输送至此类冷却环带。对于本说明书，所参考的被燃烧器衬里32和流动套管36限定的第一冷却环带44旨在用于将冷却空气流42输送到上述任何冷却环带。
燃烧器部分14可以与延迟贫油喷射（LLI）相容。与LLI相容的燃烧器是出口温度超过2500°F,或能够处理热端停留时间（hot side residence time）大于10毫秒（ms）且活性大于甲烷组分的燃料的任何燃烧器。
无论用于燃气涡轮机系统10内的实施例如何，至少一个，但是通常是多个贫油直接喷射器（“LDI”）50各自与多个外壳形成一体或者在结构上受其支撑，所述多个外壳径向延伸到过渡件28或燃烧器衬里32中的至少一者内。多个LDI50在相应的部件内，例如在过渡件28或燃烧器衬里32中延伸到不同的深度。也就是说，多个LDI50各自配置用于沿大体横向于过渡件28和/或燃烧器衬里32内的主要流动方向的方法，通过燃料喷射将第二燃料（即，LLI燃料）供应到燃烧区内。对于上述的每一个实施例，应强调，多个LDI50可以置于过渡件28或燃烧器衬里32附近，尽管图示的实施例将多个LDI50图示为仅与过渡件28和燃烧器衬里32中的一者相连。此外，多个LDI50可以同时与过渡件28和燃烧器衬里32相连。多个LDI50可以置于单个轴向圆周级中，所述级包括多个当前正在运行的LDI，这些LDI分别置于过渡件28和/或燃烧器衬里32的单个轴向位置的圆周周围。应了解，多个LDI50可以置于单个轴向级中、多个轴向级中，或者多个轴向圆周级中。单个轴向级包括当前正在运行的单个LDI。多个轴向级包括多个当前正在运行的LDI，这些LDI分别置于多个轴向位置。多个轴向圆周级包括多个当前正在运行的LDI，这些LDI在其多个轴向位置处置于过渡件28和/或燃烧器衬里32的圆周周围。
现在参见图3，冷却空气流42被图示为位于燃烧器衬里32的前端49附近。如图所示，冷却空气流42在第一冷却环带44内和多个LDI50周围被输送到燃烧器衬里32的前端49。冷却空气流42在燃烧器衬里32上提供对流冷却效应，同时流向燃烧器衬里32的前端49。如上所述，几乎所有（即，约100%）的空气供应22均被输送至第一冷却环带44以用于冷却。在到达燃烧器衬里32的前端49附近时，冷却空气流分配器区域将冷却空气流42分割为第一冷却空气流部分54和第二冷却空气流部分56，其中如图示的实施例中所示，所述冷却空气流分配器区域可以仅为燃烧器部分14的壁区域。
第一冷却空气流部分54输送到位于燃烧器衬里32的前端49处的至少一个主空气燃料喷射器58，以便将空气燃料混合物混合并喷射到燃烧器腔室34内。至少一个主空气燃料喷射器58通常相对平行于燃烧器腔室34内的最主要方向。第二冷却空气流部分56输送到多个LDI50，以便混合和喷射上述LLI燃料。尽管在上文图示和描述为位于燃烧器衬里32的前端49附近，但应认识到，冷却空气流分配器区域可以位于沿燃烧器衬里32和/或过渡件28的任何位置，以及沿流动套管36和/或冲击套管30的任何位置。具体来说，冷却空气流42可以在所需位置处分割为第一冷却空气流部分54和第二冷却空气流部分56，以用于特定的应用。此外，燃烧器部分14可以包括多个冷却空气流分配器区域，并且冷却空气流42可以分割为两个以上部分。
通过第一冷却环带44输送所有空气供应22可以减小在燃烧器腔室34内燃烧压力的突然升高或波动时被推出燃烧器腔室34之外的“回火”的可能性。在这样的增加或燃烧压力波动的情况下，空气燃料混合物的路径是曲折的，该路径延伸到遭受损坏的敏感区域。具体来说，减小了空气燃料混合物到达压缩机排放段38的可能性。有利地，除了通道较长且更曲折之外，空气燃料混合物为回火提供了多条通道。具体来说，分割燃烧器衬里32的前端49附近的冷却流42允许被推回的空气燃料混合物进入至少一个主空气燃料喷射器58或多个LDI50中的一个LDI中。例如，如果空气燃料混合物被推出多个LDI50中的一个LDI之外，则空气燃料混合物可以穿过至少一个主空气燃料喷射器58以重新进入燃烧器腔室34内。
如图4的流程图所示，并且参见图1至3，本发明还提供了一种输送用于延迟贫油喷射燃烧器系统100的空气流的方法。燃气涡轮机系统10和燃烧器部分14上文已做描述，因此无需再进一步详细描述具体的结构部件。所述输送用于延迟贫油喷射燃烧器系统100的空气流的方法包括：将冷却空气流输送到由燃烧器衬里32和环绕燃烧器衬里32的至少一部分的套管限定的冷却环带中102；冷却空气流被分割为第一冷却空气流部分和第二冷却空气流部分104；所述第一冷却空气流部分被输送到至少一个主空气燃料喷射器106，而第二冷却空气流部分输送到至少一个贫油直接喷射器108。
有利地，几乎所有的空气供应22均用于冷却处于极热条件下的多个部件，例如过渡件28和/或燃烧器衬里32。通过将冷却空气流42输送到多个空气燃料喷射器，包括多个LDI50，空气供应22具有双重益处。具体来说，冷却空气42将冷却多个部件，然后与燃料混合以喷射到燃烧器腔室34内。
尽管上文已经结合有限数量的实施例详细描述本发明，但应清楚地了解，本发明并不限于此类公开的实施例。相反，本发明可以进行修改以包括上文未做描述，但与本发明的精神和范围相符的任何数量的变化、改变、替代或等效装置。此外，尽管已描述本发明的实施例，但应了解，本发明的方面可以只包括一些所述的实施例。因此，本发明并不视作受上述说明限制，而是仅受随附权利要求书的范围限制。
Claims (19)
1.一种用于延迟贫油喷射燃烧器系统的空气管理装置，所述空气管理装置包括：
环绕燃烧器腔室的燃烧器衬里；
环绕所述燃烧器衬里的至少一部分的套管，所述燃烧器衬里和所述套管之间限定了冷却环带，以用于将冷却空气流从所述燃烧器衬里的后端附近输送到所述燃烧器衬里的前端；
环绕所述套管的至少一部分的壁；以及
冷却空气流分配器区域，所述冷却空气流分配器区域配置用于将所述冷却空气流分割为第一冷却空气流部分和第二冷却空气流部分，其中所述第一冷却空气流部分经从所述空气流分配器区域延伸至至少一个主空气燃料喷射器的第一空气流通路输送到所述至少一个主空气燃料喷射器，其中所述第二冷却空气流部分经位于所述冷却环带径向外侧并在所述套管和所述壁之间延伸的第二空气流通路输送到至少一个贫油直接喷射器，所述贫油直接喷射器延伸穿过所述套管和所述冷却环带，以便将所述第二冷却空气流部分喷射到所述燃烧器腔室内。
2.根据权利要求1所述的空气管理装置，其中所述冷却空气流来自空气供应。
3.根据权利要求2所述的空气管理装置，其中所述空气供应的大致100％作为所述冷却空气流输送到所述冷却环带。
4.根据权利要求1所述的空气管理装置，其中所述至少一个贫油直接喷射器包括多个贫油直接喷射器。
5.根据权利要求4所述的空气管理装置，其中所述多个贫油直接喷射器以轴向间隔方式分级布置。
6.根据权利要求l所述的空气管理装置，其中所述冷却空气流分配器区域置于所述燃烧器衬里的所述前端附近。
7.根据权利要求l所述的空气管理装置，进一步包括过渡件，所述过渡件置于所述燃烧器衬里的所述后端附近，所述过渡件的至少一部分被所述套管环绕。
8.根据权利要求7所述的空气管理装置，所述至少一个贫油直接喷射器延伸穿过所述套管和所述燃烧器衬里。
9.根据权利要求7所述的空气管理装置，所述至少一个贫油直接喷射器延伸穿过所述套管和所述过渡件。
10.根据权利要求1所述的空气管理装置，进一步包括过渡件，所述过渡件置于所述燃烧器衬里的所述后端附近，环绕所述燃烧器衬里的所述套管包括流动套管，并且所述过渡件至少部分被冲击套管环绕。
11.根据权利要求10所述的空气管理装置，所述至少一个贫油直接喷射器延伸穿过所述流动套管和所述燃烧器衬里。
12.根据权利要求10所述的空气管理装置，所述至少一个贫油直接喷射器延伸穿过所述冲击套管和所述过渡件。
13.根据权利要求10所述的空气管理装置，所述冷却空气流分配器区域置于所述流动套管附近的轴向位置上。
14.一种输送用于延迟贫油喷射燃烧器系统的空气流的方法，所述方法包括：
将冷却空气流输送到冷却环带中，所述冷却环带由燃烧器衬里和环绕所述燃烧器衬里的至少一部分的套管限定，其中所述冷却空气流通过所述冷却环带从所述燃烧器衬里的后端附近输送到所述燃烧器衬里的前端；
在冷却空气流分配区域将所述冷却空气流分割为穿过第一空气流通路的第一冷却空气流部分和穿过第二空气流通路的第二冷却空气流部分，其中所述第二空气流通路位于所述冷却环带的径向外侧，并且所述第二空气流通路在所述套管和环绕所述套管的至少一部分的壁之间延伸；
将所述第一冷却空气流部分穿过所述第一空气流通路从所述冷却空气流分配器区域输送到至少一个主空气燃料喷射器；以及
将所述第二冷却空气流部分穿过所述第二空气流通路从所述冷却空气流分配区域输送到至少一个贫油直接喷射器，所述贫油直接喷射器延伸穿过所述套管和所述冷却环带，以便将所述第二冷却空气流部分喷射到燃烧器腔室内。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括将被推出所述燃烧器腔室之外的回火燃料空气混合物输送到以下其中至少一项附近，以便所述回火燃料空气混合物重新进入所述燃烧器腔室内：所述至少一个主空气燃料喷射器和所述至少一个贫油直接喷射器。
16.根据权利要求14所述的方法，进一步包括从空气供应提供所述冷却空气流，其中所述空气供应大致100％作为所述冷却空气流输送到所述冷却环带。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述冷却空气流在所述燃烧器衬里的所述前端附近进行分流。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述冷却空气流在位于所述燃烧器衬里的所述前端与所述后端之间的中间轴向位置附近进行分流。
19.根据权利要求14所述的方法，进一步包括通过多个贫油直接喷射器将所述第二冷却空气流部分喷射到所述燃烧器腔室内。
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