燃气涡轮发动机和用于操作其的方法与流程

燃气涡轮发动机和用于操作其的方法
1.相关申请的交叉引用本专利申请要求享有2021年12月1日提交的欧洲专利申请第21211820.2号的优先权，该欧洲专利申请的全部公开通过引用并入本文中。
技术领域
2.本发明涉及燃气涡轮发动机和用于操作其的方法。
3.燃气涡轮发动机优选地是用于发电的发电厂的一部分。


背景技术：

4.包括压缩机、顺序燃烧系统和涡轮的燃气涡轮发动机是已知的；顺序燃烧系统具有第一燃烧器和第二燃烧器，在第一燃烧器处，供给第一燃料，并且第一燃料与来自压缩机的压缩空气燃烧从而生成第一热气体，在第二燃烧器处，第二燃料注射到第一热气体（其可在高压涡轮中部分地膨胀或不膨胀）中并且通过自点火而燃烧。
5.传统上，燃气涡轮发动机供给有天然气作为燃料，但燃气涡轮发动机应能够利用比天然气具有更高反应性的不同燃料诸如氢（纯氢或具有例如按体积计70％或更多、例如按体积计90％或95％或98％的高百分比的氢的燃料混合物）正确地操作。
6.由于降低第一级火焰温度以用于降低第一级和第二级两者处的反应性的可能性，故顺序燃烧系统能够处理高反应性燃料。反应性通过火焰传播速度来测量，并且取决于诸如燃料成分、可用于燃烧的氧量、温度等的许多因素。
7.为了处理高反应性燃料，例如设计成用于利用天然气操作的传统燃烧系统可在第一级处利用贫燃燃料-空气混合物（即，具有低燃料量的混合物）操作，使得实现低火焰传播速度。第一级处的贫燃混合物生成具有低温的第一热气体，这引起第二级处的较长自点火时间。
8.因此，顺序燃烧系统可调节成使得高反应性并且因此火焰传播速度不会妨碍燃烧系统的正确操作。
9.然而，调节的可能性受到实现具有有限的排放物（诸如nox排放物）的正确燃烧（特别是在第一级处）的需要的限制。


技术实现要素：

10.本发明的一个方面包括提供一种燃气涡轮发动机和一种由其可实现燃气涡轮发动机的灵活操作的方法。
11.有利地，此类灵活操作也可利用诸如纯氢或具有高氢含量的混合物的高反应性燃料实现。无论如何，有利的操作也可利用诸如天然气的传统燃料来实现。
12.这些和其它方面通过提供根据所附权利要求书的燃气涡轮发动机和方法来达成。
13.有利地，根据本发明的燃气涡轮发动机可在宽操作窗口中也利用高反应性燃料操作，并且在第一级处没有lbo（贫燃吹熄）的约束。
附图说明
14.从在附图中以非限制性示例的方式示出的燃气涡轮发动机和方法的优选但非排他性实施例的描述，其它特征和优点将更加明显，在附图中：图1示出了根据本发明的一个实施例的燃气涡轮；图2至图5示出了燃料-空气混合物在其中通过自点火而燃烧的燃烧器的不同实施例。
具体实施方式
15.关于附图，这些示出了包括压缩机2、燃烧系统3和涡轮4的燃气涡轮发动机1。
16.燃烧系统3包括用于将来自压缩机2的压缩空气加热到预定温度的热交换器6，以及用于将来自热交换器6的压缩空气与燃料混合从而生成燃料-空气混合物的烧嘴7。
17.然后燃料-空气混合物可在燃烧室9中燃烧；燃烧室9中的燃烧通过自点火发生。
18.图1示出了一个示例，其中烧嘴7具有管状本体，管状本体具有突入其中的喷枪11。还提供了喷枪11上游（关于压缩空气流）可能的空气旋流器。喷枪11传送燃料，燃料供给到烧嘴7中并且与来自热交换器6的压缩空气混合。
19.图2至图5示出了烧嘴7的不同实施例，烧嘴具有中心本体烧嘴15和提供有燃料注射系统17的臂16。
20.任何类型的热交换器可用作热交换器6，但优选地其为回收热交换器，即其中来自压缩机2的空气相对于来自燃气涡轮发动机本身的另一热流被加热的热交换器。
21.回收热交换器6可供给有待加热的压缩空气，并且供给有来自涡轮的排出气体，使得在热交换器中，排出气体被冷却并且同时压缩空气被加热。
22.备选地，已经冷却燃气涡轮1的不同部分（诸如燃烧室9）的冷却空气也可用于加热来自压缩机2的压缩空气；在此实施例中，热交换器9供给有待加热的压缩空气并且供给有来自燃烧室9周围的冷却空气，使得在热交换器6中，来自燃烧室9周围的冷却空气被冷却并且同时来自压缩机2的压缩空气被加热。
23.热交换器可集成在燃气涡轮发动机中或可为单独的构件。
24.优选地，燃烧系统3包括火焰稳定器20，其有利地提供在燃烧室9的入口21处。火焰稳定器20为混合物提供点火点，并且可对于保证正确燃烧从而避免lbo和有限脉动有用。
25.在不同的示例中，火焰稳定器20包括导燃烧嘴，即提供燃烧室9中供应的总燃料的至多20%或15%或10%或5%的小烧嘴；在预计有多于一个导燃烧嘴的情况下，用于导燃烧嘴的指示燃料量必须理解为意指由所有导燃烧嘴供应的燃料量。另外，导燃烧嘴20可布置成用于生成扩散火焰或预混火焰。在这两种情况下，由于由导燃烧嘴生成的火焰是小的，故其可相对富集，因此非常稳定，并且因此可稳定较大烧嘴的燃烧。
26.火焰稳定器20还可包括等离子体炬，即供给有电力并且能够生成等离子体的炬。
27.优选地，当燃烧系统具有更多烧嘴时，每个烧嘴关联至少一个导燃烧嘴，并且优选地在（主）烧嘴周围对称提供的多个导燃烧嘴关联到每个（主）烧嘴。
28.附图示出了火焰稳定器20的不同示例。
29.图2示出了提供在燃烧室9的入口21处且提供在烧嘴（主烧嘴）的侧部处的火焰稳定器20的示例。
30.图3和4示出了提供在燃烧室9的入口21处且提供在中心本体烧嘴15中的火焰稳定器20的不同示例。图3和4的两个示例的不同之处在于臂16下游（关于压缩空气流24）的烧嘴7的部分23的长度；此不同的部分23提供不同的用于混合的时间并且允许燃烧室9中的燃料的自点火。
31.图5示出了提供在燃烧室9的入口21处且提供在烧嘴（主烧嘴）的侧部处的火焰稳定器20的示例。另外，该示例还示出了用于空气和燃料的混合器27，以用于火焰稳定器20生成预混火焰或部分预混（和部分扩散）火焰。
32.燃气涡轮发动机的操作从所描述和所示的内容明显并且基本上如下。
33.空气在压缩机2处压缩，并且同时由于压缩而被加热。压缩机2的出口处的空气温度可能高于高反应性燃料（诸如纯氢或具有高氢含量的混合物）的自点火温度，但不高到足以允许燃料在与压缩空气混合时足够快地自点火；换句话说，用于燃料注射之后自点火的时间可能对于涡轮太长而不能正确地操作。
34.来自压缩机2的空气因此供给到热交换器6中，在那里其相对于来自涡轮的排出气体被加热（在所示示例中，但如上所描述，可设想其它可能性）。
35.已经在压缩机2处压缩并且在热交换器6处被加热（或进一步被加热，因为其在压缩期间已经被加热）的空气因此供给到烧嘴7中，在烧嘴处注射燃料。
36.在穿过烧嘴7时，燃料与空气混合并且由空气加热，从而生成压缩的高温燃料-空气混合物。
37.当燃料-空气混合物进入燃烧室9时，燃料自点火并且开始燃烧。
38.在预计有火焰稳定器20的情况下，其通过提供固定并且稳定的燃烧点来稳定燃烧。例如，由火焰稳定器20生成的火焰可通过提供局部高温区域来帮助燃料的自点火。
39.燃烧生成热气体，热气体在涡轮4中膨胀。涡轮4排放排出气体，排出气体用于加热热交换器6中的压缩空气并且然后排放到大气（参考标号28）。
40.在热交换器6处的加热在没有火焰的情况下发生，因此不存在由燃烧强加的约束。例如，在期望降低供给到燃烧室9中的第一热气体的温度的情况下，为了处理燃料的高反应性，有可能降低热交换器6处的加热；此调节不受lbo（贫燃吹熄）的风险的限制，因为预计在热交换器处没有燃烧。因此，确保了操作的灵活性。另外，燃气涡轮发动机的操作窗口是宽的。
41.本发明还涉及一种用于操作燃气涡轮发动机的方法。
42.该方法包括在压缩机2中压缩空气、在燃烧系统3中使燃料与压缩空气燃烧从而生成热气体以及在涡轮4中膨胀热气体。
43.燃烧包括在热交换器6中将来自压缩机2的压缩空气加热到预定温度，并且在烧嘴7中将来自热交换器6的压缩空气与燃料混合从而生成燃料-空气混合物，并且然后在燃烧室9中通过自点火而燃烧燃料-空气混合物。
44.预定温度使得其不仅高于燃料的自点火温度，而且其还允许足够短的自点火时间，即从注射到自点火的开始的时间。用于自点火温度的参考情况是燃烧室中的燃料情况，即燃料-空气比、温度、压力等是燃烧室中的情况，因为在燃烧室处更可能发生自点火。
45.有利地，自点火发生在从燃料注射几毫秒的时间窗口中；例如，时间窗口为从烧嘴7中燃料的注射5-50毫秒并且优选5-20毫秒。此时间窗口通常允许燃料与空气混合，穿过烧
嘴并且进入燃烧室9。
46.火焰稳定器20（如果提供的话）可通过在烧嘴周围提供加热区域来帮助自点火。
47.大体上，可限定自点火延迟时间，即燃料注射与自点火开始之间的时间；因此可设置预定温度，使得预定温度对应于限定的自点火延迟时间。
48.自点火延迟时间有利地与燃烧系统3关联，即，燃烧系统3需要自点火延迟时间以用于混合物穿过烧嘴7并且在燃烧室中点火。
49.所描述的燃气涡轮发动机和方法在用于燃烧高反应性燃料（诸如氢或具有高氢含量的混合物）时特别有利；无论如何，清楚的是所描述的燃气涡轮发动机和方法可有利地用于燃烧任何种类的燃料，即也可燃烧诸如天然气的传统燃料以便实现操作的改进灵活性。
50.自然，所描述的特征可独立于彼此提供。在实践中，可根据要求和技术的状态随意选择所使用的材料和尺寸。

技术特征：
1.一种燃气涡轮发动机（1），包括压缩机（2）、燃烧系统（3）和涡轮（4），其特征在于，所述燃烧系统（3）包括用于将来自所述压缩机（2）的压缩空气加热到预定温度的热交换器（6）、用于将来自所述热交换器（6）的压缩空气与燃料混合从而生成燃料-空气混合物的烧嘴（7）、以及所述燃料-空气混合物在其中通过自点火而燃烧的燃烧室（9）。2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机（1），其特征在于，所述燃烧系统（3）包括火焰稳定器（20）。3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机（1），其特征在于，所述火焰稳定器（20）提供在所述燃烧室（9）的入口（21）处。4.根据权利要求2至权利要求3中任一项所述的燃气涡轮发动机（1），其特征在于，所述火焰稳定器（20）包括导燃烧嘴。5.根据权利要求2至权利要求3中任一项所述的燃气涡轮发动机（1），其特征在于，所述火焰稳定器（20）包括等离子体炬。6.一种用于操作燃气涡轮发动机（1）的方法，包括在压缩机（2）中压缩空气、在燃烧系统（3）中使燃料与压缩空气燃烧从而生成热气体以及在涡轮（4）中膨胀所述热气体，其特征在于，燃烧包括在所述热交换器（6）中将来自所述压缩机（2）的压缩空气加热到预定温度、在烧嘴（7）中将来自所述热交换器（6）的压缩空气与燃料混合从而生成燃料-空气混合物、在燃烧室（9）中通过自点火而燃烧所述燃料-空气混合物。7.根据权利要求6向前中任一项所述的方法，其特征在于，限定自点火延迟时间，其中所述预定温度对应于限定的自点火延迟时间。8.根据权利要求6向前中任一项所述的方法，其特征在于，所述压缩机（2）的出口处的空气温度高于用于所述燃料的自点火温度。9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，燃烧在所述燃烧室中生成火焰，所述方法进一步包括由火焰稳定器（20）稳定所述火焰。10.根据权利要求6向前中任一项所述的方法，其特征在于，所述燃料为氢或具有按体积计至少70％氢含量的混合物。

技术总结
本发明涉及燃气涡轮发动机和用于操作其的方法。具体而言，燃气涡轮发动机（1）包括压缩机（2）、燃烧系统（3）和涡轮（4）。燃烧系统（3）包括用于将来自压缩机（2）的压缩空气加热到预定温度的热交换器（6）、用于将来自热交换器（6）的压缩空气与燃料混合从而生成燃料-空气混合物的烧嘴（7）、以及燃料-空气混合物在其中通过自点火而燃烧的燃烧室（9）。燃料优选为氢或具有按体积计至少70％氢含量的混合物。按体积计至少70％氢含量的混合物。按体积计至少70％氢含量的混合物。


技术研发人员：A
受保护的技术使用者：安萨尔多能源瑞士股份公司
技术研发日：2022.12.01
技术公布日：2023/6/3