CN101625122A - 一种用于涡轮发动机的预混合装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于涡轮发动机(2)的预混合装置(14)，其包括主体(44)以及多个流体传输管(60)，该主体具有进口部分(46)、出口部分(52)和可选择地限定至少一个流体传输高压间(74、76、78)的外壁(45)，该流体传输管延伸穿过至少部分该至少一个流体传输高压间(74、76、78)。每个该多个流体传输管(60)包括流体连通到该至少一个流体传输高压间(74、76、78)的至少一个流体传输开口(103、104、105)。在这种结构下，第一流体可选择地被传输到到该至少一个流体传输高压间(74、76、78)，穿过该至少一个流体传输开口(103、104、105)并且在涡轮发动机(2)的燃烧室(12)内燃烧之前与流过该多个流体传输管(60)的第二流体混合。

Description

一种用于涡轮发动机的预混合装置

本发明是基于美国能源部(DOE)所授的合同No.DE-FC26-05NT4263在政府资助下产生的。政府拥有该发明的一定权利。

技术领域

本发明的示例性实施方式，涉及涡轮机燃烧系统的领域，尤其是涉及用于涡轮机燃烧器的预混合装置。

背景技术

通常，燃气涡轮发动机燃烧油/气混合物，该油/气混合物释放热能以形成高温气流(gas stream)。该高温气流经由热气管线而通到涡轮。该涡轮将高温气流的热能转换为旋转涡轮轴的机械能。该轴可具有多种应用，例如为泵或者发电机提供动力。

在燃气涡轮机中，发动机效率随着燃烧气流温度的增加而增加。不幸的是，较高的气流温度产生较高级别(level)的氮氧化物(NOx)，该排放物必须符合于联邦和州的条例。因而，需要在有效的范围内存在操作燃气涡轮机期间精细的平衡作用，同时还要确保低于规定水平的氮氧化物的排出。

可通过确保燃油和空气的非常好的混合而实现产生低的氮氧化物(NO_X)级别。不同的技术，例如干低的氮氧化物(DLN)燃烧器包括低级(lean)预混燃烧器和低级的直接喷射燃烧器，这些技术用于确保适当的混合。在采用低级预混燃烧器的涡轮机中，燃料在允许进入反应或者燃烧区域之前在预混装置中与空气进行预混合。预混合降低了燃烧温度以及，进而也降低了氮氧化物的排出。然而，由于采用特殊的燃料，预混合可导致自动燃烧、逆火和/或保持在预混合装置内的火焰。

在采用低级直接喷射(LDI)概念的涡轮机中，燃料和空气可在混合之前，直接被引导并分别引导到燃烧线路中，该燃烧线路布置在燃烧器的上游端。然而，一些采用LDI概念的系统遇到了在燃烧线路内部的快速和均匀的混合贫(lean)燃料和富空气的困难。在该区域的局部火焰温度可超过形成最小的氮氧化物的阈值温度，并且将氮氧化物的产物提高到不希望的级别。在一定情况下，添加稀释剂以降低氮氧化物的级别。然而，惰性稀释剂并不是速效的，反而会影响发动机的热效率，以及增加投资和操作成本。

其他系统可采用具有位于反应区域下游的稀释区域的燃烧器。在这种情况下，惰性稀释剂被直接引导到稀释区域并且与油/气混合物进行混合以实现预定的混合物和/或进入到涡轮机段的气流的温度、然而，正如上面所讨论的那样，惰性稀释剂通常并不有效，反而会影响发动机的热效率，以及增加投资和操作成本。此外，在反应区域下游添加稀释剂，并不导致氮氧化物级别的产生显著的改变。

发明内容

根据本发明的一个示范性实施方式，用于涡轮发动机的预混合装置，包括具有进口部分、出口部分和外壁的主体，该外壁可选择地限定至少一个流体传输高压间；以及多个流体传输管，这些管延伸穿过该至少一个流体传输高压间的至少一部分。多个流体传输管的每个包括至少一个流体连通到该至少一个流体传输高压间的流体传输开口。在该结构中，第一流体可选择地传输到该至少一个流体传输高压间，其穿过该至少一个流体传输开口并且在涡轮发动机的燃烧室中燃烧之前，与流过该多个流体传输管的第二流体混合。

根据本发明的另一示范性实施方式，提供了一种在混合装置中形成可燃烧混合物的方法，该混合装置具有主体，该主体包括进口部分、出口部分和可选择地限定至少一个流体传输高压间的外壁。该方法包括将第一流体引导到该至少一个流体传输高压间中，以及通过多个流体传输管传输第二流体，该多个流体传输管延伸穿过该至少一个流体传输高压间。该多个流体传输管的每个包括进口端部、出口端部以及中间部分。该方法进一步包括使第一流体流过形成在每个该多个流体传输管的流体传输开口，在该多个流体传输管中混合第一和第二流体，并且将该第一和第二流体从每个该多个流体传输管的出口端部传输到燃烧室。

根据本发明的又一示范性实施方式，涡轮发动机包括至少一个包含第一流体的第一流体源，至少一个包含第二流体的第二流体源，以及用于混合该至少一个第一流体和至少一个第二流体的装置。该装置包括主体以及多个流体传输管，该主体包括进口部分、出口部分和可选择地限定至少一个流体传输高压间的外壁，该流体传输管延伸穿过该至少一个流体传输高压间。该多个流体传输管的每个包括暴露于主体的进口部分处的第一端部、暴露于主体和中间部分的出口部分处的第二端部，以及与该至少一个流体传输高压间流体连通的至少一个流体传输开口。在该结构下，该第一流体可选择地被传输到该至少一个流体传输高压间，穿过该至少一个流体传输开口并在涡轮发动机的燃烧室中燃烧之前与流过该多个流体传输管的至少一部分的第二流体混合。

附图说明

图1是示范性的燃气发动机的侧面剖视图，该发动机包括预混合装置，其根据本发明的示范性实施方式构造；

图2是图1的预混合装置的正视图；

图3是图2的预混合核装置的侧面剖视图；

图4是根据本发明的另一个示范性实施方式的预混合装置的出口部分的剖面透视图，该实施方式采用直管替代角管作为替代的燃料进口；

图5是根据本发明的另一示范性实施方式构造的预混合装置的出口部分的正视图；

图6是根据本发明的又一示范性实施方式构造的预混合装置的出口部分的正视图；

图7是根据本发明的再一示范性实施方式构造的预混合装置的出口部分的部分正视图；以及

图8是根据本发明的进一步示范性实施方式构造的预混合装置的剖视图。

具体实施方式

图1是示范性燃气涡轮发动机2的图解说明。发动机2包括压缩机4和燃烧器组件8。燃烧器组件8包括燃烧器组件壁10，其至少部分限定了燃烧室12。预混合装置或喷嘴14延伸穿过燃烧器组件壁10，并伸入燃烧室12中。正如下面将详细讨论的，喷嘴14通过燃料进口18接收第一流体或燃料，并从压缩机4接收第二流体或压缩空气。该燃料和压缩空气混合，通到燃烧室12并被点燃以形成高温，高压燃烧产物或气流。尽管在该示范性实施方式中仅示出了单个燃烧组件8，但是发动机2可包括多个燃烧器组件8。在任何情形下，发动机2还包括涡轮30和压缩机/涡轮轴34(有时候表示为转子)。在现有技术已知的方式中，涡轮30联接到并驱动轴34，进而驱动压缩机4。

在操作中，流到压缩机4的空气被压缩成高压气体。该高压气体被提供给燃烧器组件8并且与燃料，例如为过程气体和/或合成气体(syngas)，在喷嘴14内混合。该燃料/空气或可燃混合物被通到燃烧室12中并被点燃，以形成高压高温燃烧气流。可替代的，燃烧器组件8可燃烧燃料，该燃料包括但不限于天然气和/或燃油。在任何情况下，燃烧器组件8将燃烧气流通到涡轮30，该涡轮30将内能转换成旋转机械能。

现在参照图2-4描述根据本发明的一个示范性实施方式的构造的喷嘴14。正如所示，喷嘴14包括主体44以及出口部分52，该主体具有限定进口部分46的外壁45，该进口部分46包括第一流体进口48，从该出口部分52可燃混合物流到燃烧室12。喷嘴14进一步包括多个流体传输或混合管，其中之一标记为60，其在进口部分46和出口部分52之间延伸，以及多个流体传输高压间(plenum)74、76和78可选择地将第一流体和/或其他物质传输至传输管60，此将在下文中进行更详尽地描述。在所示的示范性实施方式中，高压间74限定了靠近出口部分52布置的第一高压间，高压间76限定了在喷嘴14内部中央布置的中间高压间，以及高压间78限定了靠近进口部分46布置的第三高压间。最后，所示的喷嘴14包括安装凸缘80。采用安装凸缘80以将喷嘴14安装到燃烧器组件壁10上。

管60设置用于将第二流体和可燃烧混合物传输到燃烧室12中的通道。需要知晓的是，可在每个管设置一个以上的通道，根据发动机2的操作需要在不同角度形成每个管60(图2和3)。当然，管60如图4中所示也可以形成不具有角部。以下将变得明显，每个管60构造成在第一和第二流体引入到燃烧室12之前确保第一和第二流体的适当混合。朝着该末端，每个管60包括设置在进口部分46处的第一或进口端部88，设置在出口部分52和中间部分90处的第二或出口端部89。

根据所示的示范性实施方式，管60包括大致圆环形横截面，其直径基于增强性能和可制造性构造。如下面的进一步描述，管60的直径可沿着管60的长度变化。根据一个实施例，管60构造为具有大约2.54mm-22.23mm或者更大的直径，管60还包括大致10倍直径的长度。当然该特定直径和长度的关系可根据选择用于发动机2的特定应用而改变。在进一步根据所示的实施方式中，中间部分90，如图2和3所示，包括角部93，因此进口端部88沿着轴线延伸，该轴线相对于出口端部89偏移。角部93通过在管60内部产生旋转作用而易于将第一和第二流体混合。除了便于混合，角部93产生用于高压间74、76、78的空间。当然，根据构造和/或操作需要，管60可构造为不具有角部93，如图4所示，第一流体进口48被布置在侧部或者类似部分。

根据图1-4中图示的示范性实施方式，每个管60包括：第一流体传输开口103，其布置靠近出口端部89并与第一高压间74流体连通；第二流体传输开口104，其沿着中间部分90布置并流体连通第二高压间76；以及第三流体传输开口105，其大体布置为从进口端部88隔开并位于第一和第二流体传输开口103和104的上游。第三流体传输开口105与第三高压间78流体连通。流体传输开口103-105可根据所采用发动机2的特定应用以不同的角度形成。根据本发明的一个示范性方面，采用窄角度，以便允许燃料辅助空气流过管60，并且使压降最小化。此外，窄角度使空气流中由燃料过滤器导致的任何潜在干扰最小化。根据另一示范性方面，管60形成减小的直径，其产生较高速流的区域，例如在第一流体传输开口103处，以减少保持潜力的火焰。然后该直径在下游增加，以提供压力恢复。通过该布置，第一流体传输开口104促使隐蔽(recessed)可燃烧混合物的低级直接喷射，第二流体传输开口103促使部分预混合的可燃混合物喷射，以及第三流体传输开口105促使全部预混合的可燃烧混合物传输到燃烧室12。

更具体的是，第一流体传输开口103促使第一流体或燃料引导到管60，该管已经包含第二流体或空气的气流。第一流体传输开口103的特定位置保证了第一流体与第二流体仅仅在进入燃烧室12之前混合。这种情况下，燃料和空气保持在进入燃烧室12之前实质未混合。第二流体传输开口104促使第一流体在从出口端部89隔开的位置处引导到第二流体。通过将第二流体传输开口104从出口端部89隔开，使得燃料和空气在被引导到燃烧室12之前局部混合。最终，第三流体传输开口105实际上从出口端部89隔离开，并优选的从角部93隔离开，以便第一流体和第二流体在被引导到燃烧室12之前实际上完全预混合。因为燃料和空气沿着管60传输，角部93产生有助于混合的蜗旋作用。为了形成具有不同角度的流体传输开口103-105，可在每个管60上增加突起，其可引导流体脱离管壁(并非各个标记)。突起可对应于流体传输开口103-105以相同的角度形成，或者不同的角度，以便调节进入流体的喷射角度。

基于整个结构，燃料可选择地传送穿过第一流体进口48并进入一个或多个高压间74、76和78，以在沿着管60的不同点处与空气混合，从而调节油/气混合物，以及适应不同的环境或操作条件。即，完全混合的油/气比部分或未混合油/气更趋向于产生较低的氮氧化物级别。然而，在冷启动和/或关闭条件下，富混合物是优选的，因而，本发明的示范性实施方式通过可选择地控制油/气混合物提供燃烧产物的更高控制，以便适应发动机2的不同操作或者环境条件。

除了可选择地引导燃料，可将其他物质或者稀释剂引导到油/气混合物中，以调节燃烧特性。即，当燃料被基本上引导到第三高压间78的时候，稀释剂可被引导到例如第二高压间76，并在被引导到燃烧室12之前与燃料和空气混合。上述结构的另一优点在于高压间74、76和78中的燃料或者其他剂将冷却油/气混合物，该油/气混合物穿过管60熄灭火焰，因而提供较好的火焰保持能力。在任何情况下，由于成倍增加高压间和传输开口具有明显的优点，需要知晓的是，喷嘴14可形成具有单个燃料传输开口，其流体连通单个燃料高压间，该高压间有策略的布置，以便于有效的燃烧，以满足发动机2的不同应用。此外，根据发动机2不同的操作参数、环境条件和燃烧目标，喷嘴14可设置任何其他数量的开口/高压间。

图5-8说明了用于预混合喷嘴的不同的管的结构，该喷嘴根据本发明的其他示范性实施方式进行构造。即，需要知晓的是，图5-8中说明的喷嘴包括类似于喷嘴14的结构，但用于不同的公开的方面。在任何情况下，参照图5对于喷嘴140的描述，该喷嘴根据本发明的另一实施方式进行构造。喷嘴140包括主体142，该主体具有限定流体高压间(未示出)的外壁144。喷嘴140包括出口部分146以及多个管，管中之一标记为148。在所示的示范性实施方式中，管148具有大致矩形截面。该特定的结构促使在喷嘴140内部的管148的较紧密填充。即，具有矩形截面的管可紧密的布置为靠近另一个。相反，当布置具有环形截面的流体传输管在紧密的靠近，例如通过“紧密地填充”，不连续的中间空间保持了防止流体传输管相互靠近。

参照图6描述喷嘴240，该喷嘴根据本发明的又一示范性实施方式构造。喷嘴240包括主体242，该主体具有限定流体高压间(未示出)的外壁244。喷嘴240包括出口部分246和多个管，管中之一标记为248。在所示的示范性实施方式中管248通常具有矩形截面，该截面通过多个薄壁部分260-263而分割成多个内部通道250-254。薄壁部分260-263在一个实施方式中由薄金属片形成，例如用于热交换轧件。当然，其他适当材料也可以采用。在这种情况下，多个管可简单地形成，且每个管具有不同的内部轮廓以方便混合，例如褶皱。

图7说明了根据本发明的再一示范性实施方式构造的喷嘴340。喷嘴340包括主体342，该主体具有限定流体高压间(未示出)的外壁344。喷嘴34包括出口部分346和多个管，管中之一标记未348。在所示的示范性实施方式中，管348具有大致椭圆的截面，该截面通过蛇形壁元件360隔开成多个内部通道350-355。在这种布置下，每个通道350-355包括流体传输开口，通道350中的流体传输开口之一标记为370。蛇形壁360有利于流过通道350-355的燃料和气体的混合。

图8说明了根据本发明的再一示范性实施方式构造的喷嘴440。喷嘴440包括主体442，该主体具有新型流体高压间(未示出)的外壁444。喷嘴440包括出口部分446和多个管，管中之一标记为448。在所示的示范性实施方式中，每个传输管448包括螺旋形部分450。在该结构中，流体传输开口(未各个标记)从每个螺旋部分450中提供上游气流。在该情况下，例如螺旋形450辅助完全混合的空气和燃料流过管448。

基于此，可以理解的是，本发明的不同的示范性实施方式可选择地促使第一和第二流体不同阶段地混合，例如燃料和空气，以使得氮氧化物NOx的级别保持在政府规定的限制之内，同时避免了许多通过其他混合装置辅助的缺点，例如为自动点火，逆火和或火焰保持以及高局部火焰温度。

通常，该所写的说明书使用实施例以公开本发明，包括最好的模式，而且使得本领域技术人员实现本发明，其包括制造和使用任何装置或系统以及操作任何包括的方法。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可能包括本领域技术人员所知晓的其他实施例。如果他们具有并不区别于权利要求的文字表述的结构元件，或者他们包括并非实质上区别于权利要求的文字表述的等同的结构元件，这些其他的实施例同样落入本发明的示范性实施方式的范围内。

部件列表

2燃气涡轮发动机

4压缩机

8燃烧组件

10燃烧组件壁

12燃烧室

14喷嘴

18燃料进口

30涡轮

34压缩机/涡轮轴

44主体(14)

45外壁(14)

46进口部分(14)

48第一流体进口

52出口部分

60流体传输/混合管

74流体传输高压间

76流体传输高压间

78流体传输高压间

80安装架(14)

88进口端部(60)

89出口端部(60)

90中间部分

93角部(90)

103第一流体传输开口

104第二流体传输开口

105第三流体传输开口

140喷嘴(图5)

142主体(140)

144外壁(140)

146出口部分(140)

148管

240喷嘴

242主体(240)

244外壁(240)

246出口部分(240)

248管

250-254内部通道

260-263薄壁部分

340喷嘴

342主体(340)

344外壁

346出口部分

348管

350-355内部通道(348)

360蛇形壁元件

370流体传输开口

440喷嘴

442主体(440)

444外壁

446出口部分

448管

450螺旋形部分

Claims (10)

1、一种用于涡轮发动机(2)的预混合装置(14)，其包括：

主体(44)，所述主体具有进口部分(46)、出口部分(52)和可选择地限定至少一个流体传输高压间(74、76、78)的外壁(45)；以及

多个流体传输管(60)，所述流体传输管延伸穿过所述至少一个流体传输高压间(74、76、78)的至少一部分，每个所述多个流体传输管(60)包括流体连通到所述至少一个流体传输高压间(74、76、78)的至少一个流体传输开口(103、104、105)，其中，第一流体可选择地被传输到所述至少一个流体传输高压间(74、76、78)，穿过所述至少一个流体传输开口(103、104、105)，并且在涡轮发动机的燃烧室(12)内燃烧之前与流过述多个流体传输管(60)的第二流体混合。

2、如权利要求1所述的预混合装置(14)，其中，每个所述多个流体传输管(60)包括暴露于主体(44)的出口端部(88)、暴露于主体(44)的出口部分(52)的出口端部(89)以及中间部分(90)，所述至少一个流体传输开口(103、104、105)位于靠近所述出口端部(89)处，以便限定低级直接喷射开口。

3、如权利要求1所述的预混合装置(14)，其中，每个所述多个流体传输管(60)包括暴露于主体(44)的出口部分(52)的出口端部(89)，暴露于主体(44)的进口部分(46)的进口端部(88)以及中间部分(90)，所述至少一个流体传输开口(103、104、105)稍微从所述进口端部(88)隔开，以便限定部分的预混合的低级直接喷射开口。

4、如权利要求1所述的预混合装置(14)，其中，每个所述多个流体传输管(60)包括暴露于主体(44)的出口部分(52)的出口端部(89)、暴露于主体(44)的进口部分(46)的进口端部(88)以及中间部分(90)，所述至少一个流体传输开口(103、104、105)显著地从所述进口端部(88)隔开，以便限定全部的预混合开口。

5、如权利要求1所述的预混合装置(14)，其中，所述至少一个流体传输高压间(74、76、78)包含包括第一高压间(74)、第二高压间(76)以及第三高压间(78)的多个流体传输高压间(74、76、78)。

6、如权利要求5所述的预混合装置(14)，其中，在每个所述多个流体传输管(60)中的所述至少一个流体传输开口(103、104、105)包含多个流体传输开口(103、104、105)，所述多个流体传输开口包括与第一燃料高压间(74)流体连通的第一流体传输开口(103)，与第二高压间(76)流体连通的第二流体传输开口(104)以及与第三高压间(78)流体连通的第三流体传输开口(105)。

7、如权利要求6所述的预混合装置(14)，其中每个所述多个流体传输管(60)包括进口端部(88)，第一流体传输开口(103)布置为靠近所述进口端部(88)。

8、如权利要求7所述的预混合装置(14)，其中每个所述多个流体传输管(60)包括进口端部(88)，第三流体传输开口(105)明显的从进口端部(88)隔离开。

9、如权利要求8所述的预混合装置(14)，其中第二流体传输开口(104)布置在第一和第三流体传输开口(103、105)之间。

10、如权利要求1所述的预混合装置(14)，其中，至少一个所述多个流体传输管(60)包括角部(93)。

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