CN101598337A - 用于低排放燃烧器的康达式前导喷嘴 - Google Patents

用于低排放燃烧器的康达式前导喷嘴 Download PDF

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CN101598337A CNA200910130599XA CN200910130599A CN101598337A CN 101598337 A CN101598337 A CN 101598337A CN A200910130599X A CNA200910130599X A CN A200910130599XA CN 200910130599 A CN200910130599 A CN 200910130599A CN 101598337 A CN101598337 A CN 101598337A
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Abstract

本发明涉及一种用于低排放燃烧器的康达式前导喷嘴，该燃烧器包括限定燃烧室的燃烧器壳体。辅助喷嘴沿着燃烧室的中心线布置，并构造成将空气或者空气和燃料的第一混合物喷射到燃烧室的下游侧。该辅助喷嘴包括构造成将包括空气、稀释剂或者它们的组合的第一流体引入到辅助喷嘴内的空气进口。至少一个燃料压室构造成将包括燃料、另一种稀释剂或者它们的组合的第二流体引入到辅助喷嘴内和燃料压室附近的预定轮廓上方。该预定轮廓构造成便于第二流体附着到轮廓上，以形成流体边界层并且通过流体边界层传输引入的第一流体，从而促进第一流体、第二流体和燃料的混合，以产生第一流体混合物。

Description

用于低排放燃烧器的康达式前导喷嘴
技术领域
本发明大体涉及燃烧器，尤其涉及用于低排放燃烧装置的康达式前导喷嘴(coanda pilot nozzle)。
背景技术
例如用于燃气涡轮装置或联合循环装置中的燃气涡轮可操作，以在较高的温度和较高的压力条件下实现较高的操作效率，但是这倾向于增加排气气流中的排放(NOx)。虽然产生NOx的许多因素是已知的，但是主导因素是火焰温度。
存在一些用于减少排气气流中的NOx的传统技术。一种通常采用的方法包括将蒸汽或水喷射到燃烧器的高温燃烧区域内，用于降低燃烧期间的火焰温度。尽管这种方法易于实施，但是却遭遇如下问题，即需要大量的蒸汽或水。因此，装置效率可能降低。此外，将大量的蒸汽或水喷射到燃烧器内将增加燃烧振动和部分燃烧产物。
考虑到上述缺点，开发了干式预混合多级贫燃方法，在该方法中，燃料和燃烧空气在贫燃料的条件下预混合并燃烧。在这种预混合多级贫燃技术中，提供扩散燃烧火焰的火焰结构用于确保在大的燃料空气比范围内的稳定燃烧。虽然改善了燃烧器的动态性和操作性，但是由于火焰中的局部热点，这种技术将倾向于产生较多的NOx。由于NOx排放正比于火焰温度，故NOx排放水平变得更大。
因此，需要一种用于燃气涡轮中的系统，其减少来自燃烧器的NOx排放而不危及燃烧器的动态性和操作性。
发明内容
根据本发明的一个示例性实施例，低排放燃烧器包括限定燃烧室的燃烧器壳体。辅助喷嘴沿着燃烧室的中心线布置，并构造成将空气或者空气和燃料的第一混合物喷射到燃烧室的下游侧。该辅助喷嘴包括构造成将空气引入到辅助喷嘴内的空气进口。至少一个燃料压室(plenum)构造成将燃料引入到辅助喷嘴内和燃料压室附近的预定轮廓上方。该预定轮廓构造成便于将燃料附着到轮廓上，以形成燃料边界层并且通过燃料边界层传输引入的空气，从而促进空气和燃料的混合，以产生空气和燃料的第一混合物。在某些实施例中，空气、稀释剂或者它们的组合可通过空气进口引入。在一些实施例中，燃料压室构造成将燃料、稀释剂或者它们的组合引入到辅助喷嘴内和燃料压室附近的预定轮廓上方。多个主要燃料喷嘴布置在燃烧室的上游侧附近，并位于辅助喷嘴周围，且构造成将空气或空气和燃料的第二混合物喷射到燃烧室的上游侧。典型地，空气和燃料的第一混合物的量少于空气和燃料的第二混合物。
根据另一个示例性实施例，公开了具有低排放燃烧器的燃气涡轮。
根据另一个示例性实施例，低排放燃烧器包括限定燃烧室的燃烧器壳体。康达式辅助喷嘴沿着燃烧室的中心线布置，并构造成在燃料供应到辅助喷嘴时将空气和燃料的第一混合物喷射到燃烧室的下游侧。康达式辅助喷嘴构造成在燃料没有供应到辅助喷嘴时将空气喷射到燃烧室的下游侧。多个主要燃料喷嘴布置在燃烧室的上游侧附近，并位于辅助喷嘴周围，且构造成将空气和燃料的第二混合物喷射到燃烧室的上游侧。
根据另一个示例性实施例，公开了在低排放燃烧器内的燃烧方法。
附图说明
当参考附图阅读下列的详细说明时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在整个附图中相同的附图标记表示相同的部件。其中：
图1是根据本发明的示例性实施例的燃气涡轮的简图，该燃气涡轮具有带有辅助喷嘴的燃烧器；
图2是根据本发明的示例性实施例的具有辅助喷嘴的燃烧器的简图；
图3是根据本发明的示例性实施例的辅助喷嘴的简图；
图4是根据本发明的示例性实施例的辅助喷嘴的简图；
图5是根据本发明的示例性实施例的辅助喷嘴的简图；以及
图6是根据本发明的示例性实施例的、基于康达效应的、在辅助喷嘴的轮廓附近形成燃料边界层的简图。
部件列表
10 燃气涡轮
11 压缩空气
12 低排放燃烧器
13 燃烧器排出气流
14 压缩机
16 涡轮
17 燃烧室
18 轴
19 覆盖组件
20 燃烧器壳体
21 一端
22 燃烧衬套
24 流动套筒
26 文丘里管组件
28 辅助喷嘴
29 空气和燃料的第一混合物
30 中心线
32 下游燃烧区域
34 主要喷嘴
36 上游燃烧区域
38 燃料管路
40 燃料压室
42 空气进口喷嘴轮廓
44 空气进口
46 喷嘴出口
48 扩散器壁
50 喉形区域
52 预定轮廓
54 燃料出口环形件
56 燃料进口管路
58 燃料进口管路
60 燃料压室
62 燃料压室
64 扩散器壁
66 中心体
68 预定轮廓
70 预定轮廓
72 燃料出口
74 燃料出口
76 中心线
78 燃料流
80 燃料边界层
82 引入的空气流
84 剪切层
具体实施方式
如下详细地说明，本发明的某些实施例公开了具有限定燃烧室的燃烧器壳体的低排放燃烧器。辅助喷嘴沿着燃烧室的中心线布置，并构造成将空气或者空气和燃料的第一混合物(也称为“前导喷射”)喷射到燃烧室的下游侧。该辅助喷嘴包括构造成将空气引入到辅助喷嘴内的空气进口。至少一个燃料压室构造成将燃料引入到辅助喷嘴内，并将燃料引导到布置在燃料压室附近的预定轮廓上方。该预定轮廓构造成便于燃料附着到轮廓上，以形成燃料边界层并且通过燃料边界层传输引入的空气，从而促进空气和燃料的混合。在某些实施例中，空气、稀释剂或者它们的组合可通过空气进口引入。在某些实施例中，燃料压室构造成将燃料、稀释剂或者它们的组合引入到辅助喷嘴内和燃料压室附近的预定轮廓上方。在一些实施例中，多个燃料压室可构造成允许喷射不同的燃料和/或稀释剂。多个主要喷嘴布置在燃烧室的上游侧附近，并位于辅助喷嘴周围，且构造成将空气或空气和燃料的第二混合物(又称为“主喷射”)喷射到燃烧室的上游侧。空气和燃料的第一混合物的量通常少于空气和燃料的第二混合物。此处应当注意的是，在下面说明的实施例中，空气可包括第一流体，该第一流体包括空气、一种或多种稀释剂或者它们的组合；燃料可包括第二流体，该第二流体包括燃料、一种或多种稀释剂或者它们的组合。在某些实施例中，预定轮廓构造成便于第二流体附着到轮廓上，以形成流体边界层并且通过流体边界层传输引入的第一流体，从而促进第一流体和第二流体的混合，以产生第一流体混合物。
根据本发明的另一个示例性实施例，公开了具有低排放燃烧器的燃气涡轮。根据本发明的另一个示例性实施例，公开了采用低排放燃烧器的燃烧方法。基于该辅助喷嘴的燃料供应，辅助喷嘴(又称为“前导喷嘴”)以可变预混合模式操作。辅助喷嘴包括用于混合燃料和空气的康达装置。如果燃料没有供应到辅助喷嘴，则辅助喷嘴只喷射空气。这导致燃烧器的前导喷射区域内的局部热点最小化。因此，NOx排放减少。
如下详细地说明，本技术的实施例用于减少在诸如地面动力燃气涡轮燃烧器、燃气炉和内燃机的各种应用中的燃烧过程的排放。尤其，本技术采用具有在燃烧区域上游的康达装置的前导喷嘴，用于在燃烧区域燃烧之前增强空气和气态燃料的混合。现在转向附图并首先参考图1，示出了具有低排放燃烧器12的燃气涡轮10。该燃气涡轮10包括构造成压缩周围空气的压缩机14。燃烧器12与压缩机14流体连通，并且构造成从压缩机14接收压缩空气11并燃烧燃料流，以便产生燃烧器排出气流13。在一个实施例中，燃烧器12包括筒式燃烧器。在可选的实施例中，燃烧器12包括环管式燃烧器或者单纯环式燃烧器。此外，燃气涡轮10包括位于燃烧器12下游的涡轮16。涡轮16构造成膨胀燃烧器排出气流13，以驱动外负载。在所说明的实施例中，压缩机14通过轴18由涡轮16产生的动力所驱动。
在所说明的实施例中，燃烧器12包括限定燃烧区域的燃烧器壳体20。此外，燃烧器12包括康达式前导喷嘴，其构造成用于混合压缩空气和燃料流，并在燃烧前将空气和燃料的混合物喷射到燃烧区域。尤其，预混合装置采用康达效应，以提高该装置的混合效率，该装置将参考随后的附图在下文进行说明。如本文所用，术语“康达效应”指的是流体流本身将附着到附近表面并且即使在该表面远离流体运动的初始方向弯曲时仍保持附着的倾向。
参考图2，示出了根据图1的低排放燃烧器12。燃烧器12可以是筒式燃烧器、环管式燃烧器或者环式燃烧器。示例性的燃烧器12包括限定燃烧室17的燃烧器壳体20。覆盖组件19位于燃烧器壳体14的一端21上。燃烧衬套22布置在位于燃烧器壳体20内的流动套筒24内。文丘里管组件26布置在燃烧衬套22内侧。
辅助喷嘴28(也称为“前导喷嘴”)布置成与燃烧室17的中心线30对齐。辅助喷嘴28构造成混合空气和燃料，并将空气和燃料的第一混合物(也称为“前导混合物”)喷射到燃烧室17的下游燃烧区域32。在某些实施例中，燃料可包括烃，天然气，高纯氢气，氢气，沼气，一氧化碳，或合成气和预定量的稀释剂。稀释剂可包括氮气，二氧化碳，水，蒸汽等等。在所说明的实施例中，辅助喷嘴28是康达式喷嘴。辅助喷嘴的细节参考随后的附图而更详细地说明。多个主要喷嘴34布置在燃烧室17的上游侧，并位于辅助喷嘴28周围，且构造成将空气和燃料的第二混合物(也称为“主混合物”)喷射到燃烧室17的上游燃烧区域36。在一个实施例中，主要喷嘴34可以是康达式喷嘴。此处应该注意的是，空气和燃料的第一混合物的量少于空气和燃料的第二混合物的量。燃料不均匀地分布在燃烧室内，并且燃烧室内的空气利用得以增强。较少量的前导喷射便于阻止燃料附着到气缸壁上。因此，废气排放基本上得以控制，并且燃料消耗率得以减小。
在一些实施例中，燃料可包括液态燃料。在一些实施例中，当使用液态燃料时，液态燃料与诸如蒸汽、氮气或空气的惰性气体预混合，并预热到蒸汽相。然后，蒸发的燃料在康达式喷嘴内与燃烧空气混合。
从燃烧涡轮产生的氮氧化合物(NOx)是温度和停留时间的函数。较高的燃烧温度导致大气氮分解成单一原子，该单一原子随后与氧气反应以形成NOx。当燃烧温度增加为超出阈限温度时，NOx的产生迅速增加。燃烧涡轮内的平均温度通常低于该阈限温度，但是燃烧器内的某些区域可能更热，从而导致NOx的产生。一氧化碳(CO)可能由于不完全燃烧而产生。影响CO形成的因素可包括不恰当的空气燃料比和不充分的燃料空气混合。除了产生CO之外，这些因素降低燃烧温度并降低机器的效率。众所周知，燃烧室的设计对排放、尤其对NOx和CO的形成有重要影响。较高的燃烧温度改善了涡轮效率并减少CO的产生，但是增加NOx的产生。对于较低的燃烧温度则相反。在一个传统技术中，将水喷射到涡轮内用于减少排放。然而，这种技术不能够将NOx排放减少到预定的限制内。在另一个传统的技术中，在后燃烧阶段采用选择性催化还原。这种技术复杂且昂贵。
在所说明的实施例中，燃烧器12以预混合模式操作。燃料供应在主要喷嘴34与辅助喷嘴28之间分离。火焰完全停留在燃烧室16的下游燃烧区域32内。文丘里管组件26为进入下游燃烧区域32的流体在预混合模式期间增强燃料空气混合。该文丘里管组件26产生突然膨胀和强烈再循环区域。这改善了燃烧稳定性和混合。文丘里管组件26通过将一部分进口空气转向到文丘里管组件26而冷却。根据本示例性实施例，主要喷嘴34和辅助喷嘴28的使用便于在机器的负载改变和非峰值操作期间的灵活的燃料供应。康达式喷嘴增强燃烧效率，并使回火最小。空气流设计降低峰值火焰温度，并增强燃烧器构件的冷却。
参考图3，示出了根据本发明的示例性实施例的辅助喷嘴28。如前所述，辅助喷嘴28布置成与燃烧室的中心线对齐。辅助喷嘴28构造成混合空气和燃料，并将空气和燃料的第一混合物29(也称为“前导混合物”)喷射到燃烧室的下游燃烧区域。所示附图示出了在辅助喷嘴28内混合的空气和气态燃料。
众所周知，为了稳定燃烧室内的火焰，采用扩散火焰或前导喷射。即使通过采用该技术可增强燃烧器的动态性和操作性，但是由于火焰内的局部热点将产生更大量的NOx和烟灰排放以及不完全燃烧产物。根据本发明的示例性实施例，空气和燃料混合，以在燃烧之前提供作为前导燃料喷射的空气和燃料的第一混合物29。在前导喷射期间的压降将被减小。在一个实施例中，当燃料供应到辅助喷嘴28时，辅助喷嘴28提供预混合的前导喷射。当燃料没有供应到辅助喷嘴28时，辅助喷嘴28只喷射空气。换言之，在某些操作条件期间喷嘴28作为稀释源。可根据操作条件提供来自于辅助喷嘴28的预混合的前导喷射。因此，由于燃烧器内的局部热点的最小化，故改善了燃烧器的操作性和动态性并且减少了NOx的产生。
图4是在图2和图3的燃烧器中采用的辅助喷嘴28的示例性构造的简图。在该实施例中，如图4所示，辅助喷嘴28包括用于将燃料引导到辅助喷嘴28的燃料压室40内的燃料管路38。辅助喷嘴28的空气进口喷嘴轮廓和空气进口由附图标记42和44表示。此外，喷嘴28包括喷嘴出口46，扩散器壁48和喉形区域50。喷嘴28从燃料压室40接收燃料，并且该燃料通过燃料出口环形件54被引导为流过预定轮廓52或者一组狭槽或孔口。随后，该燃料与来自空气进口44的引入空气混合，以形成燃料空气混合物。预混合的程度由如下因素控制：燃料类型，轮廓的几何形状，燃料压力，燃料温度，空气温度，预混合长度，燃料喷射速度或者它们的组合。在一些实施例中，可采用多个燃料压室40或燃料狭槽/孔口，以喷射燃料和/或稀释剂的不同组合。
图5是在图2和图3的燃烧器中采用的辅助喷嘴28的另一个示例性构造的简图，用于相当大的空气流和燃料分级(staging)能力。在图5所示的实施例中，辅助喷嘴28包括便于壁混合和中心混合的双混合构造喷嘴。该辅助喷嘴28包括两个燃料进口管路56和58以及两个燃料压室60和62，以便为壁混合和中心混合单独地提供燃料。另外，扩散器壁和中心体分别由附图标记64和66表示。来自于燃料压室60和62的燃料通过两个燃料出口72和74引导为流过预定轮廓68和70。辅助喷嘴28接收沿着喷嘴28的中心线76的空气流，并且便于空气和燃料在喷嘴28内的混合。预定轮廓68和70可基于康达效应设计成便于预混合装置内的混合。在所示的实施例中，预定轮廓68和70便于引入的燃料附着到轮廓68和70上，以形成燃料边界层。此外，在预定轮廓68和70附近形成的燃料边界层便于空气传输，从而增强辅助喷嘴28的混合效率。在辅助喷嘴28内产生的康达效应便于在燃烧之前的较高的预混合度，从而显著地减少来自燃烧系统的污染排放。尤其，燃料因康达效应而附着到轮廓68和70上的能力和随后的空气传输将导致在燃烧之前的喷嘴28的较高的预混合效率。
图6是基于康达效应的在图5的辅助喷嘴28中的轮廓68附近形成燃料边界层的简图。在所说明的实施例中，燃料流78附着到轮廓68，并且即使在轮廓68的表面远离初始燃料流方向弯曲时仍保持附着。更具体地，当燃料流78加速以平衡动量传递时，在该燃料流上存在压差，该压差使离轮廓68表面较近的燃料流78偏转。本领域技术人员将理解的是，当燃料流78在轮廓68上移动时，在燃料流78与轮廓68之间发生一定量的表面摩擦。对于该燃料流的这种阻力使燃料78朝向轮廓68偏转，从而导致燃料流粘着到轮廓68上。此外，由该原理形成的燃料边界层80传输引入的空气流82，以与燃料边界层80形成剪切层84，从而促进空气流82和燃料78的混合。此外，由燃料边界层80与传输空气82的分离和混合而形成的剪切层84导致不均匀的混合物。
关于康达装置的更多细节参考美国申请No.11/273,212更详细地说明，该申请通过引用而结合到本文中。本文上述的辅助喷嘴28的许多方面用于不同的应用，例如用于燃气涡轮的燃烧器和诸如高炉的加热装置。此外，喷嘴28可用于煤气灶器具中。在某些实施例中，喷嘴28可用于飞机发动机的氢气燃烧器和用于航空衍生物和重型机械的其它燃气涡轮燃烧器。
因此，上述的基于康达效应的预混合技术能够增强燃烧器的预混合和火焰稳定性。此外，本技术能够减少来自这种燃烧器的排放，尤其是NOx排放，从而便于燃气涡轮以对环境有益的方式操作。在某些实施例中，该技术有利于减小燃烧器，尤其是氢气燃烧器内的压降。此外，通过康达效应实现的增强的预混合有利于防止停机(enhancedturndown)、防止回火和增加燃烧器的熄火裕度。
尽管本文仅仅已经示出和说明了本发明的某些特征，但是本领域技术人员可想到许多的改进和变化。因此，应当理解的是，权利要求意图覆盖属于本发明的真正精神内的所有这种改进和变化。

Claims (10)

1.一种低排放燃烧器(12)，其包括：
燃烧器壳体(20)，其限定燃烧室(17)；
辅助喷嘴(28)，其沿着所述燃烧室(17)的中心线(30)布置，并构造成将空气或者空气和燃料的第一混合物喷射到所述燃烧室(17)的下游侧；其中，所述辅助喷嘴(28)包括：
空气进口(44)，其构造成将包括空气、稀释剂或者它们的组合的第一流体引入到所述辅助喷嘴(28)；
至少一个燃料压室(40)，其构造成将包括燃料、另一稀释剂或者它们的组合的第二流体引入到所述辅助喷嘴(28)内和布置在所述燃料压室(44)附近的预定轮廓(52)上方，其中，所述预定轮廓(52)构造成便于所述第二流体附着到所述轮廓(52)，以形成流体边界层(80)并且通过所述流体边界层(80)传输引入的第一流体，从而促进所述第一流体与所述第二流体的预混合，以产生第一流体混合物；
多个主要喷嘴(34)，其布置在所述燃烧室(17)的上游侧附近，并位于所述辅助喷嘴(28)周围，且构造成将空气或者空气和燃料的第二混合物喷射到所述燃烧室(17)的上游侧；其中，第一流体混合物的量少于空气和燃料的第二混合物。
2.根据权利要求1所述的燃烧器(12)，其特征在于，所述预定轮廓(52)通过康达效应使供应的第二流体朝向所述轮廓(52)偏转。
3.根据权利要求1所述的燃烧器(12)，其特征在于，通过所述空气进口(44)供应的所述第一流体与所述流体边界层(80)形成剪切层(84)，以便于所述第一流体和所述第二流体的预混合，并显著地减少污染排放。
4.根据权利要求1所述的燃烧器(12)，其特征在于，预混合的程度由以下因素控制：燃料类型，所述预定轮廓的几何形状，燃料压力，所述燃料的温度，所述空气的温度，预混合的长度，燃料喷射速度，或者它们的组合。
5.根据权利要求1所述的燃烧器(12)，其特征在于，所述辅助喷嘴(28)构造成在所述第二流体供应到所述辅助喷嘴(28)时将所述第一流体混合物喷射到所述燃烧室(17)的下游侧。
6.根据权利要求5所述的燃烧器(12)，其特征在于，所述辅助喷嘴(28)构造成在所述第二流体没有供应到所述辅助喷嘴(28)时将所述第一流体喷射到所述燃烧室(17)的下游侧。
7.根据权利要求1所述的燃烧器(12)，其特征在于，所述多个主要喷嘴(34)包括康达式喷嘴。
8.一种燃气涡轮(10)，其包括：
压缩机(14)，其构造成压缩周围空气；
燃烧器(12)，其与所述压缩机(14)处于流体连通，所述燃烧器(12)构造成从所述压缩机(14)接收压缩空气并燃烧燃料流，以产生燃烧器排出气流；所述燃烧器(12)包括：
燃烧器壳体(20)，其限定燃烧室(17)；
辅助喷嘴(28)，其沿着所述燃烧室(17)的中心线(30)布置，并构造成将空气或者空气和燃料的第一混合物喷射到所述燃烧室(17)的下游侧；其中，所述辅助喷嘴(28)包括：
空气进口(44)，其构造成将空气引入到所述辅助喷嘴(28)；
至少一个燃料压室(40)，其构造成将燃料引入到辅助喷嘴(28)内和布置在所述燃料压室(44)附近的预定轮廓(52)上方，其中，所述预定轮廓(52)构造成便于所述燃料附着到所述轮廓(52)，以形成燃料边界层(80)并且通过所述燃料边界层(80)传输引入的空气，从而促进空气和燃料的预混合，以产生空气和燃料的第一混合物；
多个主要喷嘴(34)，其布置在所述燃烧室(17)的上游侧附近，并位于所述辅助喷嘴(28)周围，且构造成将空气或者空气和燃料的第二混合物喷射到所述燃烧室(17)的上游侧；其中，空气和燃料的第一混合物的量少于空气和燃料的第二混合物。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮(10)，其特征在于，通过所述空气进口(44)供应的所述空气与所述燃料边界层(80)形成剪切层(84)，以便于空气和燃料的预混合，并显著地减少污染排放。
10.一种低排放燃烧器(12)，其包括：
燃烧器壳体(20)，其限定燃烧室(17)；
康达式辅助喷嘴(28)，其沿着所述燃烧室(17)的中心线(30)布置，并构造成在燃料供应到所述辅助喷嘴(28)时将空气和燃料的第一混合物喷射到所述燃烧室(17)的下游侧；或者在燃料没有供应到所述辅助喷嘴(28)时将空气喷射到所述燃烧室(17)的下游侧；
多个主要喷嘴(34)，其布置在所述燃烧室(17)的上游侧附近，并位于所述辅助喷嘴(28)周围，且构造成将空气或者空气和燃料的第二混合物喷射到所述燃烧室(17)的上游侧。
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