CN101349425B - 用于冷却低NOx燃烧器中的燃烧室/文丘里管的装置/方法 - Google Patents

用于冷却低NOx燃烧器中的燃烧室/文丘里管的装置/方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于冷却低NOx燃烧器中的燃烧室/文丘里管的装置/方法。一种干式低氮氧化物排放的燃烧器包括预混合室和燃烧室。该燃烧器还包括文丘里管，其具有大致环形的壁并且位于预混合室与燃烧室之间，该环形壁包括限定收缩部分的汇聚壁部分和发散壁部分，已预混合的燃料与空气通过文丘里管到达燃烧室。该壁限定了用于冷却气流的通道，该通道沿燃烧室轴向延伸并具有使冷却气体流入燃烧室的出口。位于汇聚壁部分和发散壁部分处的多个入口将冷却气体吸入通道以产生冲击冷却效果。布置在入口的下游的多个紊流器与冷却气体相互作用以产生紊流冷却效果。燃烧器可在相当大的温度范围内被有效地点燃，以减少燃烧器的NOx排放。

Description

用于冷却低NOx燃烧器中的燃烧室/文丘里管的装置/方法
技术领域
本发明大体涉及了用于减少燃气涡轮燃烧系统中的氮氧化物(NOx)排放的装置。更具体地说，本发明涉及用于冷却燃烧室/文丘里管以减少氮氧化物排放的装置。
背景技术
众所周知的是，涡轮的温度影响燃气涡轮发动机的效率。因此，越来越倾向于使用更高的温度，这将引起涡轮上的热载荷的增加以及更高的NOx排放。还众所周知的是，当燃烧器入口温度升高时，NOx的排放呈指数级增加。涡轮部件上的这种热载荷因大量地暴露于来自燃料空气混合物的热通量而产生，该混合物来自燃烧室。
近年来，政府的排放法规越来越关注燃气涡轮的污染物排放。氮氧化物因造成空气污染而受到特别关注。
美国专利5,117,636涉及用于冷却燃烧室与文丘里管壁的装置。在该专利中，该装置使用来自单个入口的压缩空气来冷却文丘里管壁，接着沿下游方向离开而进入燃烧室。人们发现的是，为了维持高效率的燃烧器，冷却的空气应在距离文丘里喉管合理的距离处排出(dump)。否则，冷却空气将向上游移动进入燃烧室，即所谓的回流，从而危及稳定的火焰。
美国专利6,446,438也涉及用于冷却燃烧室与文丘里管壁的装置。但在该专利中，该装置使用了逆流(upstream flow)，将冷却的空气重新导入预混合室，从而没有空气被排出至燃烧室。
本发明涉及改进包括文丘里管壁的燃烧室的冷却并且同时减少氮氧化物的排放。
发明内容
提供了一种干式(dry)低氮氧化物(NOx)排放的燃烧器，其包括：预混合室，其用于混合燃料与空气；和燃烧室，其位于预混合室的下游，用于燃烧已预混合的燃料与空气。该燃烧器还包括文丘里管，其具有大致环形的壁并且位于预混合室与燃烧室之间，该环形壁包括限定收缩部分(constricted portion)的汇聚壁部分和发散壁部分，已预混合的燃料与空气通过文丘里管到达燃烧室。该壁限定了用于冷却空气流的通道，该通道沿燃烧室轴向延伸并具有使冷却空气流入燃烧室的出口。位于汇聚壁部分和发散壁部分处的多个入口将冷却空气吸入通道以产生冲击冷却效果。布置在入口的下游的多个紊流器与冷却空气相互作用以产生紊流冷却效果。燃烧器可在相当大的温度范围内被有效地点燃，以减少燃烧器的NOx排放。
还提供了一种燃烧室中的干式低氮氧化物(NOx)排放的方法，其包括预混合燃料与空气以及收缩该燃料与空气流。该方法还包括冷却空气的冲击冷却和冷却空气的紊流冷却。该方法还包括在相当大的温度范围内燃烧已预混合的燃料和空气，从而减少NOx排放。
附图说明
图1是现有技术燃气涡轮燃烧器系统的截面的简化视图；
图2是本发明示例性实施例的燃气涡轮燃烧器系统的截面的简化视图；
图3是图2的燃气涡轮燃烧器系统的前方集成环(forwardintegrating ring)的截面图。
附图标记：
燃烧器      10，30
燃料        11，31
文丘里管    12，46
燃料流控制器                  13，33
预混合室                      14，36
燃料喷嘴                      15，34
燃烧室                        16，32
孔                            17，48
上壁                          18，40
中心线                        19，35
下壁                          20，42
外壁                          21，37
气流通路                      22，44
母体衬里(parent liner)        23，38
入口                          24，56
方向箭头                      25，39
排出开口                      26，64
汇聚壁                        27，41
发散壁                        29，43
紊流冷却部分                  58
支撑条                        60
紊流器                        62
前方集成环                    50
集成环实体                    52
集成环角形鳍状物(angled fin)  54
具体实施方式
参考图1，大体显示了已有的燃气涡轮燃烧器10。该燃烧器10包括文丘里管12，用于预混合空气与燃料的环形预混合室14以及燃烧室16。涡轮压缩机(未显示)向预混合室14提供气流，该预混合室14接着引入燃料并形成燃料空气混合物。燃料11通过燃料流控制器13提供至一个或多个燃料喷嘴15。空气通过一个或多个进入孔17引入。燃烧室16的形状是围绕燃烧器中心线19的大致圆柱形，且被壁21和母体衬里或壁23所包围。如箭头25所示，该燃料-空气混合物沿下游方向移向燃烧室16。在此处，燃料-空气混合物的流动被汇聚壁/发散壁27和29所收缩，该汇聚壁/发散壁27和29限定了具有约112.5度锥角的锥形。该收缩使燃料-空气的混合物加速进入它将在其中燃烧的燃烧室16，这将在文丘里管12上生成大量的热通量。涡轮压缩机(未显示)通过入口24提供冷却空气，以在上壁18与下壁20之间进入通路22，从而产生后侧(backside)冲击冷却。冷却空气随后将通过文丘里管的通路22向下游移动，从而冷却通路22的壁。冷却空气沿着燃烧室壁通过排出开口26离开。该空气随后用于燃烧室16内的冷却和燃烧工艺。
参考图2，本发明实施例的燃气涡轮燃烧器大体示为30。燃气涡轮燃烧器30大体包括燃烧室32，燃料喷嘴34(如此处所示，一些燃气涡轮在各燃烧器中采用多个喷嘴)，环形预混合室36及文丘里管46。涡轮压缩机(未显示)向预混合室36提供气流，该预混合室36接着引入燃料形成燃料空气混合物。燃料31通过燃料流控制器33提供至燃料喷嘴34。空气通过一个或多个进入孔48引入。燃烧室32的形状是围绕燃烧器中心线35的大致圆柱形，且被壁37和母体衬里或壁38所包围。基本为圆柱形的母体衬里38包括上壁40和下壁42，从而限定了燃烧室32。上壁40与下壁42之间的径向空间限定了气流通道或通路44。
如箭头39所示，该燃料-空气混合物沿下游方向移向燃烧室32。在此处，燃料-空气混合物的流动被汇聚壁/发散壁41和43所收缩，该汇聚壁/发散壁41和43限定了具有约67.5度锥角的锥形。但是，认为介于约60度到约90度的范围内的锥角提供了本发明的良好性能和足够冷却的优点，并且处于本发明范围内。已预混合的燃料和空气随后将向下游引入燃烧室32。基于伯努利原理，文丘里管46引起的流动收缩将使得混合物在通过汇聚壁时加速，由此在速度增加的同时压力将降低。因此，这将导致燃料-空气的混合物加速进入它将在其中燃烧的燃烧室32，这在需要冷却的文丘里管46上形成极大量的热通量。
文丘里管46提供多种冷却方式。一种冷却方式包括后侧冲击冷却，其中涡轮压缩机(未显示)通过多个入口或者缝56提供冷却空气(压缩空气)，以在上壁40和下壁42之间进入通路44。入口56定向在母体衬里38的上壁40上，并且沿文丘里管46的汇聚壁与和发散壁集中。冷却空气随后将向下游通过文丘里管的通路44移动到紊流冷却部分58。
紊流冷却部分58被收缩，由此上壁40向内汇聚。为保持该形状，支撑条60位于紊流冷却部分58的进口和排出口处。在紊流冷却部分58内，紊流器62沿下壁42纵向等距地定向，并且在文丘里通路44内向内地导向上壁40。紊流器62形成在冷却空气与上壁40和下壁42的金属之间的更多接触，从而因紊流而促成更好的热交换。
来自紊流冷却部分58的冷却空气随后将通过通路44移动至排出开口64。排出开口64随后将冷却空气释放至燃烧室32内，这有助于在燃烧过程中提供稳定的火焰以及为燃烧室32提供冷却。
仍参考图3，引入前方集成环50以减小通路44上的前方内部锥形联接点处的热应力，并且同时保持高效的冷却模式。前方集成环50还设有防漏接头。前方集成环50具有实体52及角形鳍状物54，该角形鳍状物防护了接收有限量冷却的通路44的一小部分，从而有助于减少排放。鳍状物54离开实体52轴向延伸，从而覆盖通路44的足够多的部分以减小热应力。
燃烧器30内的这种增强的前述多种冷却空气的方式减少了NOx排放，并且同时保持稳定的火焰。进一步地，由于前方集成环50的引入以及文丘里管46集成于母体衬里38内，故泄漏路径得以消除，这明显有助于前述用于控制流动变化的方式。更进一步地，约67.5度的文丘里管锥角也有助于冷却且不牺牲性能。该多种冷却方式的使用，如冲击和紊流，节约了冷却空气。NOx排放的减少也有助于遵守政府法规。
虽然表示和描述了优选实施例，但是可对实施例进行各种改动或者替换而不偏离本发明的精神和范围。因此，可以理解本发明是以示例性方式而不是以限制性方式进行描述。

Claims (6)

1.一种干式低氮氧化物(NOx)排放的燃烧器(30)，其包括：
预混合室(36)，其用于混合燃料(11)与空气；
燃烧室(32)，其位于所述预混合室(36)的下游，用于燃烧已预混合的燃料与空气；及
文丘里管(46)，其具有大致环形的壁并且位于所述预混合室(36)与所述燃烧室(32)之间，所述环形壁包括限定收缩部分的汇聚壁部分(41)和发散壁部分(43)，所述已预混合的燃料与空气通过所述文丘里管(46)到达所述燃烧室(32)，所述环形壁限定了用于冷却空气流的通道(44)，所述通道沿所述燃烧室(32)轴向延伸并具有使冷却空气流入所述燃烧室(32)的出口，位于所述汇聚壁部分(41)和所述发散壁部分(43)处的多个入口(56)将冷却空气吸入所述通道(44)以产生冲击冷却效果，布置在所述入口(56)的下游的多个紊流器(62)与所述冷却空气相互作用以产生紊流冷却效果；
所述文丘里管(46)还包括前方集成环(50)，所述前方集成环具有实体(52)和鳍状物(54)；
所述鳍状物覆盖所述通道(44)的足够多的部分以减小热应力；
因此，所述燃烧器(30)可在相当大的温度范围内被有效地点燃，以减少所述燃烧器(30)的NOx排放。
2.根据权利要求1所述的燃烧器(30)，其特征在于，所述汇聚壁部分(41)和所述发散壁部分(43)限定了介于约60度到约90度之间的锥角。
3.根据权利要求2所述的燃烧器(30)，其特征在于，所述锥角为约67.5度。
4.根据权利要求1所述的燃烧器(30)，其特征在于，所述鳍状物(54)离开所述前方集成环(50)的实体(52)轴向延伸。
5.根据权利要求1所述的燃烧器(30)，其特征在于，所述文丘里管(46)集成于所述燃烧器(30)的母体衬里(38)内。
6.根据权利要求1所述的燃烧器(30)，其特征在于，所述通道(44)的直径在所述紊流器(62)所处的位置处减小。
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