CN101377305A - 带径向分级流通道的预混合器和混合空气及燃气的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及带径向分级流通道的预混合器和混合空气及燃气的方法,具体而言,涉及一种在工业燃气涡轮机的燃烧系统中使用的燃烧器(110)。该燃烧器包括燃料/空气预混合器,其包括分流叶片(253,353),该分流叶片(253,353)限定第一径向内通道(216,316)和第二径向外通道(218,318),第一通道和第二通道各具有气流导向叶片部分,该导向叶片部分将旋流传递给穿过预混合器的燃烧空气。各通道中的叶片部分一般地构造成在各通道中传递相同的旋流方向。可提供多个分流叶片(353),以在预混合器中限定三个或更多个环状通道。
Description
技术领域
[0001]本发明涉及重型工业燃气涡轮机,具体地说,涉及用于燃气涡轮机中的燃烧系统的燃烧器,其包括燃料/空气预混合器和用于使燃气涡轮发动机燃烧器中的预混合的燃气稳定的结构。
背景技术
[0002]燃气涡轮制造商通常涉及研究和设计程序以生产新的燃气涡轮机,该燃气涡轮机将以高效率操作,而不会产生不需要的空气污染排放物。通常由燃气涡轮机燃烧传统的烃类燃料所产生的主要的空气污染排放物是氮氧化物、一氧化碳和未烧过的烃。在本领域中众所周知的是喷气发动机中的氮分子的氧化非常依赖于燃烧系统反应区域中的最大的热燃气温度。形成氮氧化物(NOX)的化学反应的速率是温度的指数函数。如果燃烧室的热燃气的温度被控制在足够低的水平,将不会产生热的NOX。
[0003]一种将燃烧室的反应区域的温度控制在形成热的NOX水平之下的优选方法是:在燃烧之前将燃料和空气预先混合成稀燃混合物。存在于稀燃预混合燃烧器的反应区域中的过剩空气的热质量吸收热量,并将燃烧产物的温升减少至不形成热的NOX的水平。
[0004]对于以燃料和空气的稀燃预混合进行运行的干式低排放燃烧室,存在若干个相关的问题,其中燃料和空气的易燃混合物存在于燃烧室的预混合部分内,该预混合部分在燃烧室的反应区域之外。在预混合部分中由于逆燃或自燃而存在发生燃烧的倾向,当火焰从燃烧室的反应区域传播到预混合部分内时会发生逆燃,当燃料/空气混合物在预混合部分中的停留时间和温度足以在没有点火器的条件下开始燃烧时,将会发生自燃。预混合部分中燃烧的后果是排放性能的降低和/或预混合部分的过热和损伤,该预混合部分典型地没有设计成可承受燃烧热量。因此,有待解决的问题是防止导致预混合器中的燃烧的逆燃或自燃。
[0005]另外,离开预混合器并进入燃烧室的反应区域中的燃料和空气的混合物必须非常均匀,以获得所需的排放性能。如果在流场中存在这样的区域,其中燃料/空气的混合强度显著高于平均值,那么这些区域中的燃烧产物将达到高于平均值的温度,并且将形成热的NOX。这可能导致无法满足NOX的排放目标,该排放目标依赖于温度和停留时间的组合。如果在流场中存在这样的区域,其中燃料/空气的混合强度显著地低于平均值,那么可能发生猝熄,从而无法将烃和/或一氧化碳氧化至平衡水平。这会导致无法满足一氧化碳(CO)和/或未燃烧的烃(UHC)的排放目标。因而,另一个要解决的问题是离开预混合器时产生一种燃料/空气混合强度分布,其足够均匀以满足排放性能目标。
[0006]此外,为了在许多应用中满足强加于燃气涡轮上的排放性能目标,对于大多数烃类燃料需要将燃料/空气混合强度减少至接近可燃性下限的水平。这导致了火焰传播速度以及排放的降低。结果,稀燃预混合燃烧室比更为传统的扩散焰燃烧室更不稳定,并且时常导致高水平的燃烧驱动的动压力波动(动态)。动态会具有负面后果,例如由于磨损或疲劳、逆燃或吹灭而引起的燃烧室和涡轮机的硬件损伤。因而,又一个有待解决的问题是将燃烧动态控制在可接受的低水平。
[0007]用于减轻排放的稀燃预混合燃料喷射器普遍用于整个行业,其已经在重型工业燃气涡轮机中被实施了二十几年。在美国专利No.5,259,184中描述了这种装置的一个典型示例,其公开内容通过引用而结合在本文中。这种装置在减轻燃气涡轮机废气排放的领域已经获得了极大的进展。相对于现有技术的扩散焰燃烧器,在不使用注入稀释剂例如蒸汽或水的条件下,已经实现了将氮氧化物NOX排放减小一个数量级或更多。
[0008]然而如上面提到的那样,这些排放性能上的获益是以引起若干问题的风险为代价而得到的。具体地说,保持在该装置的预混合部分内的逆燃和火焰会导致排放性能的降低和/或由于过热引起的硬件损伤。另外,增加的燃烧驱动的动压力活动的水平会导致燃烧系统部件和/或燃气涡轮机的其它部件的使用寿命由于磨损或高循环疲劳失效而减少。此外,增加了燃气涡轮机的操作复杂性和/或需要对燃气涡轮机有操作限制,以避免导致高水平的动压力活动、逆燃或吹灭的状况。
[0009]除了这些问题,传统的稀燃预混合燃烧室在燃料和空气完全均匀地预混合的状态下没有达到可能的最大的排放减少性能。
[0010]已知双环状反向旋转旋流器(DACRS)类型的燃料喷射旋流器由于它们的高流体剪力和湍流而具有非常好的混合特性,在美国专利No.5,165,241、5,251,447、5,351,477、5,590,529、5,638,682、5,680,766中描述了其示例,这些公开内容通过引用而结合在本文中。参照图1中的示意图,DACRS型燃烧器10包括收敛的中心体12和反向旋转的叶片组14,叶片组14限定相对于中心体轴线20的径向内通道16和径向外通道18,它们是同轴通道且各具有旋流器叶片。喷嘴结构由外径撑杆22支撑,该外径撑杆22包含用于为外通道18的叶片供应燃料的燃料歧管24。
[0011]虽然已知DACRS型燃料喷射旋流器具有非常好的混合特性,但是这些旋流器并不在中心线上产生强的再循环流,并因此经常需要补充注入未预混合的燃料,以充分地稳定火焰。这种未预混合的燃料将NOX排放提高到高于如果燃料和空气完全预混合时会达到的水平。
[0012]Swozzle型燃烧器采用沿着燃烧器的中心线而延伸的圆柱形的中心体,在美国专利No.6,438,961中描述了其一个典型的示例,其公开内容通过引用而结合在本文中。此中心体的末端设置了非流线形体,在其尾流中形成了锚定火焰的强紊流区域。已知这种类型的燃烧器架构具有良好的固有的火焰稳定性。
[0013]参看图2,其示意性地描绘了Swozzle型燃烧器的一个示例。空气在40处从高压风室进入到燃烧器42中,风室包围着该组件,进入燃烧室反应区域的排气端44除外。
[0014]在穿过入口40之后,空气进入旋流器或“Swozzle”组件50中。Swozzle组件包括由一系列翼型状导向叶片56连接的轮毂52(例如,中心体)和护罩54,导向叶片56将旋动传递给穿过预混合器的燃烧空气。各导向叶片56包括穿过翼型芯的(多个)气体燃料供给通道58。这些燃料通道将气体燃料分配至穿透翼型壁的气体燃料喷射孔(未显示)中。气体燃料进入Swozzle组件中,穿过(多个)入口和(多个)环状通道60,该通道60为导向叶片通道58供给燃料。气体燃料在Swozzle组件62中与燃烧空气开始混合,并且在环状通道中完成燃料/空气的混合,环状通道由中心体延长部分64和Swozzle护罩延长部分66形成。在离开环状通道之后,燃料/空气混合物进入燃烧室反应区域中,在此处发生燃烧。
[0015]DACRS和Swozzle型燃烧器都是沿用已久的燃烧器技术。然而,并不是说不能对这些燃烧器进行改进。实际上,如上面提到的那样,DACRS型燃烧器通常并不提供良好的预混合火焰稳定性。另一方面,Swozzle型燃烧器通常并不能实现燃料和空气的完全均匀的预混合。
[0016]参看图3、图4和图5,美国专利No.6,993,916公开了一种混合结构,该专利的公开内容通过引用而结合在本文中,该混合结构采用DACRS和Swozzle的特征,以提供轴向流动反向旋转叶片旋流器的高混合性能和非流线型中心体的良好的动态稳定性特征。更具体地说,图3是穿过燃烧器110的横截面,除了图4详图和图5透视图中所显示的旋流器的结构之外,所述燃烧器基本上与图2所示的传统Swozzle型燃烧器相对应。
[0017]空气140从高压流(没有详细显示)进入燃烧器中,除了进入燃烧室反应区域中的排气端,该高压流包围着整个组件。典型地用于燃烧的空气将通过入口流调节器(未显示)而进入预混合器中。如传统的那样,为了消除旋流器入口处的护罩壁附近的低速区域,在入口流调节器(未显示)和旋流器150之间使用了喇叭口形状的过渡部分148。旋流器组件包括分别由第一和第二系列反向旋转的气流导向叶片156,157连接的轮毂152、分流环或叶片153和护罩154(图5中省略),导向叶片156,157将旋流传递给穿过预混合器的燃烧空气。因而,分流叶片153与轮毂152限定第一径向内通道116(相对于中心体的轴线),并与护罩154限定径向外通道118,它们是同轴的通道并各具有气流旋转叶片,即旋流器叶片156,157,这些叶片将旋流传递给穿过预混合器的燃烧空气。如图所示,第一通道116的叶片156分别连接在中心体或轮毂152上,而分流叶片153和第二通道118的叶片157分别连接在分流叶片153和外壁或护罩154上。在此结构中,和在DACRS旋流器中一样,内外阵列的叶片定向成分别沿相反的周向方向引导气流。
[0018]在图3、图4和图5所示的结构中,将燃料输送给内外叶片通道116,118的叶片156,157,而燃料通过环状燃料通道160从内径供应。至少一些,并且典型地是各导向叶片都包含穿过翼型芯的气体燃料供给通道158,159。燃料通道将气体燃料分配给至少一个气体燃料喷射孔161,163,这些喷射孔分别限定在内外阵列的导向叶片中。
[0019]在图3至图5所示的结构中,气体燃料进入旋流器组件中,穿过(多个)入口和(多个)环状通道,环状通道为导向叶片通道158,159输送气体燃料,以流向燃料入口161,163。气体燃料在旋流器组件150中与燃烧空气开始混合,并且在环状通道162中完成燃料/空气的混合,环状通道162由中心体延长部分164和旋流器护罩延长部分166形成。在离开环状通道之后,燃料/空气混合物进入燃烧室反应区域中,在此处发生燃烧。
发明内容
[0020]本发明可用一种用于燃烧系统的燃烧器来实施,该燃烧器包括:外围壁;同轴地布置在所述外壁中的燃烧器中心体;燃料/空气预混合器,其包括进气口、至少一个燃料入口和分流叶片,该分流叶片相对于中心体轴线限定第一径向内通道,并与外壁限定第二径向外通道,第一通道和第二通道各具有气流导向叶片部分,该导向叶片部分将旋流传递给穿过预混合器的燃烧空气;以及气体燃料流通道,该气体燃料流通道被限定在所述中心体内,并且关于所述中心体至少部分周向地延伸,用于将气体燃料引导至所述燃料/空气预混合器中,其中各所述通道中的所述叶片部分一般地构造成在各所述通道中传递相同的旋流方向。
[0021]本发明还可用一种用于燃烧系统的燃烧器来实施,该燃烧器包括:外围壁;同轴地布置在所述外壁中的燃烧器中心体;燃料/空气预混合器,其包括进气口、至少一个燃料入口和多个分流叶片,该分流叶片布置在所述中心体和所述外壁之间,以在其之间限定至少三个径向相邻的环状通道,各所述通道具有气流导向叶片部分,该叶片部分将旋流传递给穿过预混合器的燃烧空气;限定在所述外壁和所述中心体之间的环状混合通道,其位于导向叶片部分的下游,所述外壁大致平行于所述中心体并平行于所述中心体的所述轴线而延伸,使得所述混合通道沿着中心体的长度具有基本恒定的内径和外径。
[0022]本发明还可用一种在燃烧系统的燃烧器中预混合燃料和空气的方法来实施,所述燃烧器包括外围壁;同轴地布置在所述外壁中的燃烧器中心体;燃料/空气预混合器,其包括进气口、至少一个燃料入口和分流叶片,所述分流叶片相对于中心体轴线限定第一径向内通道,以及第二径向外通道,第一通道和第二通道各具有气流导向叶片部分,该叶片部分将旋流传递给穿过预混合器的燃烧空气,各所述通道中的所述叶片部分一般地构造成在各所述通道中传递相同的旋流方向;以及气体燃料流通道,其被限定在所述中心体内,并且关于所述中心体至少部分周向地延伸,用于将气体燃料引导至所述燃料/空气预混合器中,所述方法包括:(a)在燃料入口上游控制进入的空气的径向和周向分布;(b)使所述进入的空气流入所述旋流器组件的所述第一通道和所述第二通道;(c)利用所述导向叶片部分将旋流传递给所述进入的空气;和(d)在所述导向叶片部分的下游将燃料和空气混合成均匀的混合物,以注入到该燃烧器的燃烧室反应区域中。
附图说明
[0023]图1是传统的DACRS型燃烧器的示意图;
[0024]图2是传统的Swozzle型燃烧器的示意性的截面图;
[0025]图3是现有技术的燃烧器的示意性的截面图;
[0026]图4是图3的标注部分的示意图;
[0027]图5是现有技术的图3的燃烧器中所提供的反向旋转叶片组的透视图;
[0028]图6是作为本发明一个实施例而提供的共转(co-rotating)叶片组的透视图;和
[0029]图7是显示了根据本发明一个备选实施例的叶片组构造的示意性的透视图,在这个实施例中提供了多个分流叶片。
部件列表
10 DACRS型燃烧器
12 中心体
14 反向旋转的叶片组
16 内通道
18 外通道
20 轴线
22 撑杆
24 燃料歧管
40 入口
42 Swozzle型燃烧器
44 排气端
50 旋流器或“Swozzle”组件
52 轮毂
54 护罩
56 导向叶片
58 (多个)气体燃料供给通道
60 (多个)入口和(多个)环状通道
62 Swozzle组件
64 中心体延长部分
66 Swozzle护罩延长部分
110 燃烧器
116 径向内通道
118 径向外通道
140 进气口
148 过渡部分
150 旋流器
152 轮毂
153 分流环或叶片
154 护罩
156,157 反向旋转的气流导向叶片
158,159 气体燃料供给通道
160 环状燃料通道
161,163 气体燃料喷射孔
162 环状通道
164 中心体延长部分
166 旋流器护罩延长部分
216,218 径向通道
253 分流叶片
316,318,319 径向通道
350 预混合器
353 分流叶片
363 孔
具体实施方式
[0030]本文提出了一种燃气涡轮机预混合器(喷嘴),其使用(多个)分流叶片来径向地将由系列翼型状导向叶片所限定的预混合器流通道分隔成独立的径向通道,这些导向叶片在中心体和护罩之间延伸。将预混合器流通道分隔成径向子部分,这会减少由于单独的旋流器叶片的倾斜而在预混合器中引起的二次流运动。这种径向分隔还将产生较小的流通道,并可导致预混合器轴向速度增加。较高的速度可有助于预混合器对逆燃/火焰稳定的抵抗力。另一好处是通过恰当地确定一个或多个分流叶片的位置,可控制空气/燃料混合物的径向分段输送。这可在给定的燃烧器中产生操作性、排放和热方面的好处。
[0031]在图6-图7中显示了根据本发明的预混合器的示例性实施例。应该懂得该预混合器包含在图3所示类型的燃烧器110中,出于便于图示的目的,在图6-图7中省略了其细节。另外,导向叶片包含如图3-图5的结构中的燃料供给通道和燃料喷射孔,但是出于便于图示的目的从图6-图7中省略了其细节。在图6的实施例中,大体上对应于或相似地定位于图3-图5所示的结构上的那些部件,其利用上面使用的大体上对应的标号来标示,但带有前缀2而非1。类似地,在图7的实施例中,大体上对应于或相似地定位于图3-图5所示的结构上的那些部件,其利用上面使用的大体上对应的标号来标示,但带有前缀3而非1。
[0032]在图6的实施例中,燃气涡轮预混合器由一系列翼型状导向叶片253组成,用于将旋流传递给穿过预混合器的燃烧空气,翼型状导向叶片在中心体和护罩(图6中未显示)之间延伸。如上面提到的那样,各导向叶片包括穿过相应的翼型芯的气体燃料供给通道,如同图3-图5所示的结构。这些燃料通道将气体燃料分配给气体燃料喷射孔(未显示),这些孔如图3-图5的结构中那样,穿透翼型的壁。喷射孔(燃料入口,其将燃料喷射到流过旋流器叶片组件的空气中)可定位在导向叶片的压力侧、吸力侧或其两侧。另外或在备选方案中,其它实施例提供了从护罩或轮毂或(多个)分流叶片的燃料入口处的燃料注入,使得导向叶片本身不需要具有燃料入口,但导向叶片可具有用于将燃料引向分流叶片或护罩的流通道。
[0033]分流叶片可利用任何可接受的制造方法(例如,旋转、铸造、成形)或其组合来制成。在图6所示的实施例中,单个分流叶片253显示为将各预混合器流通道分隔成独立的径向通道216,218。然而,如图7中所示,可提供多个分流叶片353,并将其放置在预混合器350中的任何径向位置,使得径向通道316,318,319不需要具有相同的径向尺寸。此外,燃料入口(未显示)在各径向通道中的分布可根据需要或预期而变化。
[0034]通过例如将前缘倒圆或使后缘渐缩可确定分流叶片的形状,以提供空气动力好处。因而,根据本发明的其它特征,分流叶片的后缘是空气动力学弯曲的,例如椭圆形构造。这最大限度地减小了分流叶片后的尾流或空气动力分隔区域,燃烧器中的一个有利的特征,即由于火焰在分隔区域中保持稳定的可能性而在燃烧器中采用了预混合的气体混合物,这会导致燃料喷嘴本身的燃烧。
[0035]如图7进一步所示,可在(多个)分流叶片353的本体中包含一系列孔363。在此实施例中,这些孔穿透分流叶片。可通过多种可接受的制造方法(标准钻孔或激光钻孔、电火花加工(EDM)、冲孔、铸造)引入这些孔。同样地,这些孔可具有各种尺寸或形状,并可置于分流叶片本体上的各种位置。孔363的目的是加强否则将形成于分流叶片353表面上的边界层。这将增强预混合器对逆燃/火焰稳定的抵抗力。还应该注意分流叶片的放置可与特别设计的入口流调节器结合,以提供对径向燃料/空气分段输送和速度控制的进一步控制。
[0036]虽然已经结合目前被认为是最切实际且最优选的实施例描述了本发明,但是应该懂得本发明并不限于所公开的实施例,相反,其意图覆盖包含在附属权利要求的精神和范围内的各种变体和等同装置。
Claims (10)
1.一种用于燃烧系统中的燃烧器(110),所述燃烧器包括:外围壁(166);同轴地布置在所述外壁内的燃烧器中心体(164);燃料/空气预混合器,其包括进气口、至少一个燃料入口和分流叶片(253,353),所述分流叶片相对于所述中心体的轴线限定第一径向内通道(216,316),以及第二径向外通道(218,319),所述第一通道和所述第二通道各具有气流导向叶片部分,所述导向叶片部分将旋流传递给穿过所述预混合器的燃烧空气;以及气体燃料流通道(160),其被限定在所述中心体内,并且关于所述中心体至少部分周向地延伸,用于将气体燃料引向所述燃料/空气预混合器,其中,各所述通道中的所述叶片部分一般地构造成在各所述通道中传递相同的旋流方向。
2.根据权利要求1所述的燃烧器,其特征在于,所述径向内通道的至少一些叶片包括内部燃料流通道(158),所述气体燃料流通道(160)将燃料引入所述内部燃料流通道。
3.根据权利要求2所述的燃烧器,其特征在于,所述至少一个燃料入口包括多个与所述内部燃料流通道相通的燃料计量孔。
4.根据权利要求1所述的燃烧器,其特征在于,所述分流叶片的后缘是空气动力弯曲的,以减少所述分流叶片后的尾流或空气动力分隔区域。
5.根据权利要求1所述的燃烧器,其特征在于,所述燃烧器还包括环状混合通道(162),所述混合通道(162)位于所述导向叶片的下游,限定在所述外壁(166)和所述中心体(164)之间,并且其中,所述外壁大致平行于所述中心体、并且平行于所述中心体的所述轴线而延伸,使得所述混合通道沿着所述中心体的长度具有基本上恒定的内径和外径。
6.根据权利要求1所述的燃烧器,其特征在于,一系列的孔(363)穿透所述分流叶片。
7.根据权利要求1所述的燃烧器,其特征在于,在所述中心体和所述外壁之间布置有多个分流叶片(353),由此在其之间限定至少三个环状通道(316,318,319)。
8.一种在用于燃烧系统的燃烧器(110)中预混合燃料和空气的方法,所述燃烧器(110)包括外围壁(166);同轴地布置在所述外壁中的燃烧器中心体(164);燃料/空气预混合器(150),其包括进气口、至少一个燃料入口和分流叶片(253,353),所述分流叶片相对于所述中心体的轴线限定第一径向内通道(216,316),以及第二径向外通道(218,318,319),所述第一通道和所述第二通道各具有气流导向叶片部分,所述导向叶片部分将旋流传递给穿过预混合器的燃烧空气,各所述通道中的所述叶片部分一般地构造成在各所述通道中传递相同的旋流方向;以及气体燃料流通道(160),其被限定在所述中心体内,并且关于所述中心体至少部分周向地延伸,用于将气体燃料引向所述燃料/空气预混合器;所述方法包括:(a)在所述燃料入口上游控制进入的空气的径向和周向分布;(b)使所述进入的空气流入所述旋流器组件的所述第一通道和所述第二通道中;(c)利用所述导向叶片部分将旋流传递给所述进入的空气;和(d)在所述导向叶片部分的下游将燃料和空气混合成均匀的混合物,以注入到所述燃烧器的燃烧室反应区域中。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,所述径向内通道的至少一些叶片包括内部燃料流通道(158),所述气体燃料流通道将燃料引入所述内部燃料流通道。
10.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,在所述中心体和所述外壁之间布置有多个分流叶片(353),由此在其之间限定至少三个环状通道(316,318,319)。
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090304 |