專利名稱：燃氣輪機燃燒器及其操作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃氣輪機燃燒器及其操作方法。
現有技術的說明本發(fā)明特別涉及低NOx型燃氣輪機燃燒器，該燃氣輪機燃燒器排出低量的氮氧化物。該現有技術在日本專利申請公開平05-172331中公開。
在燃氣輪機燃燒器中，因為從啟動到額定負載狀態(tài)的調節(jié)比很大，因此廣泛采用直接將燃料噴入燃燒室內的擴散燃燒系統(tǒng)，以便保證燃燒在很寬的區(qū)域內穩(wěn)定。還可以采用預混合燃燒系統(tǒng)。
在所述現有技術中，擴散燃燒系統(tǒng)有高NOx量的問題預混合燃燒系統(tǒng)也有在啟動操作和部分負載操作時的燃燒穩(wěn)定和火焰穩(wěn)定的問題，該燃燒穩(wěn)定問題例如回火。在實際操作中，優(yōu)選是同時解決這些問題。
發(fā)明簡介本發(fā)明的主要目的是提供一種燃氣輪機燃燒器，該燃燒器的NOx排出量較低，且燃燒穩(wěn)定性好，同時還提供該燃氣輪機燃燒器的操作方法。
本發(fā)明提供了一種燃氣輪機燃燒器，該燃燒器有燃燒室，燃料和空氣供給到該燃燒室內，其中，燃料和空氣作為大量同軸射流供給到所述燃燒室內。
而且，本發(fā)明的燃氣輪機燃燒器的操作方法是操作具有燃燒室的燃氣輪機燃燒器的方法，燃料和空氣供給到該燃燒室內，其中，燃料和空氣作為大量同軸射流供給到所述燃燒室內。
附圖的簡要說明

圖1是包括表示本發(fā)明第一實施例的總體剖視圖的視圖。
圖2是表示擴散燃燒系統(tǒng)的剖視圖。
圖3是表示預混合燃燒系統(tǒng)的剖視圖。
圖4(a)是本發(fā)明第一實施例的噴嘴部分的剖視圖。
圖4(b)是圖4(a)的側視圖。
圖5(a)是詳細表示本發(fā)明第二實施例的噴嘴部分的剖視圖。
圖5(b)是圖5(a)的側視圖。
圖6(a)是詳細表示本發(fā)明第三實施例的噴嘴部分的剖視圖。
圖6(b)是圖6(a)的側視圖。
圖7(a)是詳細表示本發(fā)明第四實施例的噴嘴部分的剖視圖。
圖7(b)是圖7(a)的側視圖。
圖8(a)是詳細表示本發(fā)明第五實施例的噴嘴部分的剖視圖。
圖8(b)是圖8(a)的側視圖。
圖9(a)是詳細表示本發(fā)明第六實施例的噴嘴部分的剖視圖。
圖9(b)是圖9(a)的側視圖。
圖10是詳細表示本發(fā)明第七實施例的噴嘴部分的剖視圖。
圖11是詳細表示本發(fā)明第八實施例的噴嘴部分的剖視圖。
最佳實施例的說明首先將介紹燃氣輪機燃燒器的兩種燃燒系統(tǒng)。
(1)在擴散燃燒系統(tǒng)中，如圖2所示，燃料在布置于燃燒器頭部的空氣渦旋器出口附近向外噴射，從而與渦旋氣流相交，在中心軸上產生環(huán)流，從而穩(wěn)定擴散焰。
在圖2中，由壓氣機10送出的空氣50從外殼體2和燃燒器襯墊3之間經過，一部分空氣流入燃燒室1作為稀釋空氣32，該稀釋空氣32促進冷卻空氣31和燃氣在燃燒器襯墊內混合，另一部分空氣作為頭部渦旋空氣49而通過空氣渦旋器12流入燃燒室1。氣體燃料16從擴散燃料噴嘴13向外噴入燃燒室1中，以便與渦旋氣流相交，并與頭部渦旋空氣49和主燃燒空氣33一起形成穩(wěn)定的擴散火焰。所生成的高溫燃氣流入渦輪18并作功，然后排出。
這里所示的擴散燃燒系統(tǒng)有很高的燃燒穩(wěn)定生，但是火焰形成于燃料和氧氣之比達到化學當量比的區(qū)域內，使得火焰溫度升高到接近絕熱火焰溫度。因為當火焰溫度升高時，氮氧化物的形成速率按指數規(guī)律增加，擴散燃燒通常排出大量的氮氧化物，從控制空氣污染的方面來說不希望這樣。
(2)另一方面，預混合燃燒系統(tǒng)用于降低NOx量。圖3表示了一個實例，其中，中心部分采用燃燒穩(wěn)定性良好的擴散燃燒，外周側采用NOx排量低的預混合燃燒，以降低NOx量。在圖3中，從壓氣機10送出的空氣50從外殼體2和燃燒器襯墊3之間經過，一部分空氣流入燃燒室1作為用于燃燒器襯墊以及燃燒器襯墊內的燃氣的冷卻空氣31，另一部分空氣流入預混合室23作為預混合燃燒空氣48。剩余的空氣流入燃燒室1，從而流過預混合室1通道和燃燒器端板之間的通道，然后流過燃燒空氣孔14和冷卻空氣孔17。用于擴散燃燒的氣體燃料16通過擴散燃料噴嘴13噴入燃燒室1內，從而形成穩(wěn)定的擴散焰4。預混合氣體燃料21通過燃料噴嘴8噴入環(huán)形預混合室23，從而與空氣混合，以便成為預混合空氣燃料混合物22。該預混合的空氣燃料混合物22流入燃燒室1以形成預混合焰5。所生成的高溫燃氣送向渦輪18并作功，然后排出。
不過，當采用該預混合燃燒系統(tǒng)時，預混合燃燒所特有的不穩(wěn)定因素將使得火焰進入預混合室和燒壞該結構，或者導致產生回火現象。
在本發(fā)明的實施例中，燃料噴射通道和燃燒空氣流動通道布置成同軸，以便形成同軸射流，其中，空氣流包圍著燃料流，且該燃料噴射通道和燃燒空氣流動通道還布置在燃燒室的壁表面上，以便形成多孔同軸射流，且該多孔同軸射流布置成能使大量的同軸射流散射。而且，該實施例布置成這樣，即一部分或全部同軸射流能夠以合適的渦旋角環(huán)繞燃燒器的軸線流入。而且，它布置成這樣，即燃料供給系統(tǒng)分成多個部分，這樣，當該燃氣輪機啟動操作和部分負載操作時，僅有該系統(tǒng)的一部分進行燃料供給。
在空氣流包圍燃料的同軸射流形式中，燃料流入燃燒室，并與周圍的同軸空氣流混合，從而形成有合適化學當量混合比的預混合空氣燃料混合物，然后再與高溫氣體接觸和開始燃燒。因此，可以進行與貧油預混合燃燒等價的低NOx燃燒。這時，與普通預混合燃燒器的預混合管對應的部分非常短，在壁表面附近的燃料濃度幾乎為零，這使得發(fā)生由于回火而引起的停止燃燒的可能性非常小。
而且，通過提供這樣的結構，即一部分或全部同軸射流以合適渦旋角環(huán)繞燃燒器軸線流入，不管同軸射流的形式如何，都可以同時形成回流，以便使火焰穩(wěn)定。
而且，通過在燃氣輪機啟動操作和部分負載操作時僅由系統(tǒng)的一部分供給燃料，從而保證燃燒穩(wěn)定，因此使得燃料局部濃度過高，并通過類似于擴散燃燒的機理來使燃料燃燒，該擴散燃燒利用周圍空氣中的氧。
第一實施例下面將參考圖1介紹本發(fā)明的第一實施例。在圖1中，從壓氣機10送出的空氣50從外殼體2和燃燒器襯墊3之間經過。一部分空氣50作為燃燒器襯墊3的冷卻空氣31流入燃燒室1。另外，剩下的空氣50作為同軸空氣從內柱體2a的內部通過空氣孔52流入燃燒室1。
燃料噴嘴55和56布置成與燃燒空氣孔52同軸或幾乎同軸。燃料53和燃料54作為與燃燒空氣幾乎同軸的射流而通過供給通路55a、56a從燃料噴嘴55和燃料噴嘴56噴入燃燒室1內，從而形成穩(wěn)定的火焰。所生成的高溫燃氣送入渦輪18并作功，然后排出。
在該實施例中，對于燃料53和燃料54，有控制閥80a的燃料供給系統(tǒng)80被分隔開。也就是，該燃料供給系統(tǒng)80被分隔成第一燃料供給系統(tǒng)54b和第二燃料供給系統(tǒng)53b。該第一燃料供給系統(tǒng)54b和第二燃料供給系統(tǒng)53b分別有可單獨控制的控制閥53a和54a。該控制閥53a和54a布置成這樣，即各閥根據燃氣輪機的負載單獨控制各燃料流量。其中，控制閥53a能夠控制在中心部分的燃料噴嘴組56的流量，控制閥54a能夠控制燃料噴嘴組55的流量，該燃料噴嘴組55為周圍的燃料噴嘴組。本實施例包括多個燃料噴嘴組，一個在中心部分的燃料噴嘴組和一個周圍的燃料噴嘴組；與各燃料噴嘴組對應的燃料供給系統(tǒng)；以及控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)能夠如上所述單獨控制各燃料流量。
下面將參考圖4(a)和4(b)詳細介紹噴嘴部分。在本實施例中，燃料噴嘴本體分成中心燃料噴嘴56和周圍燃料噴嘴55。在燃料噴嘴55和56的沿噴射方向的前側有相應的空氣孔52和57。都是小直徑的大量空氣孔52和57在盤狀部件52a上。提供有大量空氣孔52和57，以便與大量燃料噴嘴55和56相對應。
盡管空氣孔52和57的直徑很小，但是優(yōu)選是使該孔形成這樣的尺寸，即當從燃料噴嘴55和56噴出的燃料經過空氣孔52和57時，將能夠伴隨著周圍的空氣而形成燃料射流和包圍該燃料射流的環(huán)形空氣流。例如，優(yōu)選是該直徑稍微大于從燃料噴嘴55和56噴出的射流直徑。
空氣孔52和57布置成與燃料噴嘴55和56一起形成同軸射流，且大量同軸射流從空氣孔52和57的端表面噴出，在該同軸射流中，環(huán)形空氣流包圍燃料流。也就是，燃料噴嘴55和56的燃料孔布置成與空氣孔52和57同軸或幾乎同軸，且該燃料射流在空氣孔52和57的進口中心附近噴射，從而使該燃料射流和周圍的環(huán)形空氣流形成同軸射流。
因為燃料和空氣布置成形成大量小直徑的同軸射流，燃料和空氣能夠在很短距離混合。因此，沒有不合適的燃料分配并能保持很高的燃燒效率。
而且，因為本實施例的結構促進了燃料在從空氣孔的端表面噴射之前的部分預混合，因此可以認為該燃料和空氣能夠在短得多的距離中混合。而且，通過調節(jié)空氣孔通道的長度，可以將在該通道中幾乎不產生混合的狀態(tài)調節(jié)到在該通道中幾乎完全預混合的狀態(tài)。
而且，在本實施例中，使中心燃料噴嘴56和中心空氣孔57有合適的渦旋角，從而產生環(huán)繞燃燒室軸線的渦旋。通過使相應的空氣孔57有渦旋角以便產生環(huán)繞燃燒室軸線的渦旋分量，由于該渦旋，能夠在包括中心燃料的空氣燃料混合物流中形成穩(wěn)定的回流區(qū)，從而使火焰穩(wěn)定。
而且，本實施例可以認為對燃氣輪機的各種負載狀態(tài)非常有效。通過利用圖1中所示的控制閥53a和54a來調節(jié)燃料流量，可以使燃氣輪機在各種負載狀態(tài)下工作。
也就是，在低燃氣輪機負載狀態(tài)下，燃料流量與總空氣容積之比很小。這時，通過僅供給中心燃料53，在中心區(qū)域的燃料濃度水平能夠保持為高于形成穩(wěn)定火焰所需的水平。而且，在高燃氣輪機負載狀態(tài)下，通過供給中心燃料53和周圍燃料54，可以總體形成貧油的低NOx燃燒。而且，在中間負載狀態(tài)下，通過將中心燃料53容積與從空氣孔57流出的空氣容積的當量比值設置為大于1，可以以類似于擴散燃燒的方式工作，該擴散燃燒利用周圍的空氣進行燃燒。
因此，根據各種燃氣輪機負載，能夠使火焰穩(wěn)定和進行低NOx燃燒。
如上所述，通過布置成空氣流包圍燃料的同軸射流，燃料例如燃燒室，并與周圍的同軸空氣流混合，從而形成有合適化學當量混合比的預混合空氣燃料混合物，然后與高溫氣體接觸的開始燃燒。因此，可以進行與貧油預混合燃燒等效的低NOx燃燒。這時，與普通預混合燃燒器的預混合管相對應的部分非常短。
而且，在壁表面附近的燃料濃度幾乎為零，這使得發(fā)生由于回火而引起的停止燃燒的可能性非常小。
如上所述，本實施例可以提供一種具有低NOx排出量和良好燃燒穩(wěn)定性的燃氣輪機燃燒器，以及一種該燃氣輪機燃燒器的操作方法。
第二實施例圖5(a)和5(b)詳細表示了第二實施例的噴嘴部分。在該實施例中，有單個燃料系統(tǒng)，該單個燃燒系統(tǒng)沒有分隔成中心部分和周圍部分。而且，在中心部分的噴嘴和燃燒空氣孔沒有渦旋角。在由于操作原因或燃料類型而使得燃燒穩(wěn)定性不重要時，本實施例能夠簡化該噴嘴結構。
第三實施例圖6(a)和6(b)表示了第三實施例。該實施例布置成這樣，即多個圖5中所示第二實施例的噴嘴組合形成一個燃燒器。也就是，多個模件組合形成一個燃燒器，各模件由燃料噴嘴和空氣孔構成。
如第一實施例所述，該結構能夠提供多個燃料系統(tǒng)，從而能夠柔性處理渦輪負載的變化，還可以很容易地通過增加和減少噴嘴的數目而使每一個燃燒器有不同能力。
第四實施例圖7(a)和7(b)所示為第四實施例。該實施例基本與第二實施例相同，不過，區(qū)別點為通過空氣渦旋器58而使同軸射流自身有渦旋分量。
該結構能促進各同軸射流的混合，這可以更均勻地進行低NOx燃燒。使得燃料射流有渦旋分量的燃料噴嘴結構也能促進混合。
第五實施例圖8(a)和8(b)所示為第五實施例。該實施例的區(qū)別點為用普通擴散燃燒器61代替安裝在第三實施例中心軸上的噴嘴，該普通擴散燃燒器61包括空氣渦旋器63和分別與該渦旋器相交的燃料噴嘴孔62。
在本結構中，在啟動、加速和部分負載時利用普通擴散燃燒的燃燒器，當啟動穩(wěn)定性還重要時，本實施例很有利。
第六實施例圖9(a)和9(b)所示為第六實施例。該實施例有在圖8(a)和8(b)所示實施例的擴散燃燒器61中的液體燃料噴嘴68和噴射空氣噴嘴69，這樣，液體燃料能夠通過噴射空氣65而霧化，從而進行液體燃料燃燒。盡管從低NOx排出量方面考慮本實施例并不是很好，但是本實施例使得燃燒器能夠根據燃料供給狀態(tài)而柔性工作。
第七實施例圖10所示為第七實施例。該實施例除了圖1和圖4(a)和4(b)所示第一實施例外，還在燃燒器下游側提供了輔助燃料供給系統(tǒng)71、集管72和噴嘴73。從噴嘴73噴射的燃料作為穿過空氣孔74的同軸射流而流入燃燒室中，且通過從上游側流出的高溫氣體而促進燃燒反應。
盡管該布置方式使得結構負載，但是它能提供能夠更柔性地響應負載的低NOx燃燒器。
第八實施例圖11所示為第八實施例。在該實施例中，圖5(a)和5(b)所示實施例的各燃料噴嘴制成雙結構，這樣，液體燃料66供給內部液體燃料噴嘴68，噴射空氣65供給外部噴嘴81。該結構能夠在使用液體燃料66時形成大量的同軸射流，從而在幾乎不會回火的情況下實現低NOx燃燒。
而且，通過停止液體燃料的供給和將氣體燃料代替噴射空氣而供給，它還可以作為氣體燃料的低NOx燃燒器。因此，能夠提供一種能處理液體燃料和氣體燃料的燃燒器。
如上所述，通過使一部分或全部燃料噴嘴構成雙結構以便能夠交替或組合噴射液體燃料和氣體燃料，從而能夠處理液體和氣體燃料。
因此，根據上述實施例，通過布置有大量空氣流包圍燃料的同軸射流，燃料流入燃燒室，并與周圍的同軸空氣流混合，從而形成具有合適化學當量混合比的預混合空氣燃料混合物，然后與高溫氣體接觸和進行燃燒。因此能夠進行等效于貧油預混合燃燒的低NOx燃燒。這時，與普通預混合燃燒器的預混合管對應的部分非常短，且在壁表面附近的燃料濃度幾乎為零，這使得由于回火而引起停止燃燒的可能性非常低。
本實施例能夠提供一種具有低NOx排出量和良好燃燒穩(wěn)定性的燃氣輪機燃燒器，并提供了該燃氣輪機燃燒器的操作方法。
權利要求
1.一種燃氣輪機燃燒器，有燃燒室，燃料和空氣供給到該燃燒室內，其中，燃料和空氣作為大量同軸射流供給到所述燃燒室內。
2.一種燃氣輪機燃燒器，包括用于將燃料噴射到燃燒室內的燃料噴嘴和用于將空氣噴射到所示燃燒室內的空氣孔，其中，該燃料噴嘴和空氣孔布置成這樣，即該燃料和空氣作為大量同軸射流噴射到所述燃燒室內。
3.一種燃氣輪機燃燒器，包括燃料噴嘴、空氣孔和燃燒室，其中，該該燃料和空氣作為大量小直徑的同軸射流噴射到所述燃燒室內。
4.根據權利要求3所述的燃氣輪機燃燒器，其中燃料噴嘴的燃料孔布置成與空氣孔同軸或幾乎同軸，燃料射流朝著空氣孔進口中心附近噴射，且燃料射流和包圍該燃料射流的環(huán)形空氣流作為同軸射流而從空氣孔的出口噴射到燃燒室內。
5.根據權利要求4所述的燃氣輪機燃燒器，其中大量的燃料噴嘴被分成多個燃料供給系統(tǒng)，控制系統(tǒng)能夠根據燃氣渦輪的負載而單獨控制各燃料的流量。
6.根據權利要求5所述的燃氣輪機燃燒器，其中在大量燃料噴嘴中的一部分或全部燃料噴嘴和相應的空氣孔有渦旋角，該渦旋角提供了環(huán)繞燃燒器軸線的渦旋分量。
7.根據權利要求5所述的燃氣輪機燃燒器，其中燃料噴嘴的燃料孔布置成與空氣孔同軸或幾乎同軸，燃料射流朝著空氣孔進口中心附近噴射，且燃料射流和包圍該燃料射流的環(huán)形空氣流作為同軸射流而從空氣孔的出口噴射到燃燒室內，以及多個模件組合形成燃燒器，各模件包括燃料噴嘴和空氣孔。
8.根據權利要求3至7中任意一個所述的燃氣輪機燃燒器，其中有使得各空氣孔或燃料噴嘴有環(huán)繞各軸線的渦旋分量的機構。
9.根據權利要求3所述的燃氣輪機燃燒器，其中一部分或全部燃料噴嘴構成雙結構，這樣，能夠交替或組合噴射液體燃料和氣體燃料。
10.一種操作具有燃燒室的燃氣輪機燃燒器的方法，燃料和空氣供給到該燃燒室內，其中，燃料和空氣作為大量同軸射流供給到所述燃燒室內。
11.一種操作具有燃燒室的燃氣輪機燃燒器的方法，燃料和空氣供給到該燃燒室內，其中，提供有大量用于噴射燃料的燃料噴嘴，該燃料噴嘴被分成多個燃料供給系統(tǒng)，各燃料的流量可根據燃氣渦輪的負載而單獨進行控制，且該燃料和空氣作為大量同軸射流而被供給。
全文摘要
一種燃氣輪機燃燒器，有燃燒室，燃料和空氣供給到該燃燒室內，其中，燃料和空氣作為大量同軸射流供給到所述燃燒室內。
文檔編號F23R3/36GK1401938SQ0210803
公開日2003年3月12日 申請日期2002年2月28日 優(yōu)先權日2001年8月29日
發(fā)明者井上洋, 小金澤知己, 小林成嘉, 竹原勛 申請人:株式會社日立制作所