CN101865470A - 具有内冷却的燃气涡轮机预混合器 - Google Patents

具有内冷却的燃气涡轮机预混合器 Download PDF

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CN101865470A CN201010125720A CN201010125720A CN101865470A CN 101865470 A CN101865470 A CN 101865470A CN 201010125720 A CN201010125720 A CN 201010125720A CN 201010125720 A CN201010125720 A CN 201010125720A CN 101865470 A CN101865470 A CN 101865470A
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Abstract

本发明涉及具有内冷却的燃气涡轮机预混合器,具体而言,一种系统包括含有空气-燃料预混合器(170)的涡轮燃料喷嘴(144)。该空气-燃料预混合器(170)包括涡旋叶片(176),该涡旋叶片构造成使燃料和空气沿下游方向涡旋,其中,涡旋叶片(176)包括内冷却剂通道(200),该内冷却剂通道从下游端部(177)沿上游方向通过涡旋叶片(176)的基本长度。

Description

具有内冷却的燃气涡轮机预混合器
技术领域
本文所公开的主题涉及构造成使用来在燃气涡轮发动机的燃烧器中燃烧的燃料和空气预混合的燃气涡轮机预混合器。更具体地,本文所公开的主题涉及用于燃气涡轮机预混合器的冷却系统。
背景技术
燃气涡轮发动机燃烧燃料和空气的混合物以产生热燃烧气体,热燃烧气体又驱动一个或多个涡轮机。具体地,热燃烧气体推动涡轮机叶片旋转,从而驱动轴来旋转一个或多个负载,例如发电机。如所理解的,火焰在具有燃料和空气的可燃混合物的燃烧区域内形成。不幸的是,火焰有时会变得位于未设计成紧邻反应的表面上或接近这些表面,这会导致由于燃烧热而造成的损坏。燃料/空气预混合器中的此现象通常称为驻焰(flame holding)。例如,驻焰可发生在燃料-空气预混合器上或附近,预混合器可由于燃烧热而快速地失效。同样地,火焰有时会从燃烧区域向上游传播,并由于燃烧热而引起不同部件的损坏。此现象通常称为回火(flashback)。
发明内容
下文概述了与最初要求保护发明的范围相称的某些实施例。这些实施例不意图限制所要求保护发明的范围,相反这些实施例旨在仅提供本发明的可能形式的简述。实际上,本发明可包括类似于或不同于下文陈述的实施例的多种形式。
在第一实施例中,一种系统包括燃料喷嘴,该燃料喷嘴包括:中心体、布置在该中心体周围的外管、布置在中心体和外管之间的空气通道、布置在空气通道中的叶片,其中,叶片包括燃料进口、燃料出口、布置在燃料进口和燃料出口之间的分隔器和延伸通过该中心体至燃料进口进入叶片的燃料通道,其中燃料通道绕分隔器从燃料进口至燃料出口沿非直线方向延伸通过叶片。
在第二实施例中,一种燃气涡轮机燃料喷嘴包括中心体,该中心体包括:具有第一流道和第二流道的多方向流道,该第一流道构造成沿第一轴向方向引导燃料,该第二流道构造成沿与第一轴向方向相反的第二轴向方向引导燃料;布置在中心体周围的外管;布置在中心体和外管之间的空气通道;布置在空气通道中的叶片,其中,叶片包括相对于第一轴向方向布置在叶片的下游腔中的燃料进口、相对于第一轴向方向布置在叶片的上游腔中的燃料出口、从下游腔至上游腔的燃料通道和构造成独立于该燃料通道将燃料引至上游腔的旁路。
在第三实施例中,一种系统包括涡轮机燃料喷嘴,该燃料喷嘴包括具有构造成沿下游方向使燃料和空气涡旋的涡旋叶片的空气-燃料预混合器,其中,涡旋叶片包括从下游尾部沿上游方向通过该涡旋叶片的基本长度的内冷却剂通道。
附图说明
当参考附图阅读下列具体实施方式时,本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解,其中,在所有附图中相似的字符代表相似的部件,其中:
图1是整体煤气化联合循环(IGCC)发电设备的一个实施例的示意性方框图;
图2是根据本技术的一个实施例的如图1中所示的燃气涡轮发动机的剖视侧视图;
图3是如图2中所示的燃气涡轮发动机的燃烧器的头端透视图,其图示了根据本技术的某些实施例的多个燃料喷嘴;
图4是如图3中所示的燃料喷嘴的横截面侧视图,其图示了根据本技术的某些实施例的具有内冷却的预混合器;
图5是如图4中所示的燃料喷嘴的透视剖视图,其图示了根据本技术的某些实施例的预混合器的涡旋叶片内的内冷却;
图6是如图5中所示的预混合器的剖面侧视图,其图示了根据本技术的某些实施例的涡旋叶片内的内冷却;
图7是如图5中所示的预混合器的剖面侧视图,其图示了根据本技术的某些实施例的涡旋叶片内的内冷却;以及
图8是如图5中所示的预混合器的剖面侧视图,其图示了根据本技术的某些实施例的涡旋叶片内的内冷却。
具体实施方式
以下将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简明描述,在本说明书中不会描述实际实施方案的所有特征。应了解的是,在任何此类实际实施方案的研发中,如在任何工程项目或设计项目中,要实现研发者的具体目标,必须做出许多实施方案特定的决定,例如,遵守与系统相关的限制以及与商业相关的限制,这些限制可能从一个实施方案到另一个实施方案而变化。此外,还应了解的是,这种研发的努力可能是复杂而耗时的,但对于受益于本发明公开的技术人员,这依然会是一种设计、制作、制造的日常任务。
当介绍本发明的各种实施例的元件时,用词“一”、“一个”、“该”以及“所述”意在指存在有一个或多个元件。用语“包含”、“包括”以及“具有”意在为包含性的,并且意指除列举的元件外还可能有其它的元件。
在某些实施例中,如下文详细所述,燃气涡轮发动机包括具有内冷却通道以抵抗与回火和/或驻焰相关的热损伤的一个或多个燃料喷嘴。具体而言,燃料喷嘴可在燃料-空气预混合器中包括一个或多个内冷却通道,例如,涡旋叶片构造成在燃料和空气进入燃烧区域之前促进燃料-空气混合。例如,燃料喷嘴可包括成周向布置的多个涡旋叶片,其中,内冷却通道大体上沿涡旋叶片的整个轴向长度延伸。在某些实施例中,各内冷却通道可从相应涡旋叶片的下游尾部将冷却剂引导至到上游尾部,从而在下游尾部处提供最大冷却。例如,冷却剂可以是燃料,其可通过涡旋叶片从下游尾部流至上游尾部。在上游尾部处,燃料可通过一个或多个燃料口从涡旋叶片离开,这引导燃料进入空气流以产生燃料-空气混合物。因此,燃料流起两个功能,不仅用作用于燃烧的燃料源,而且还用作热交换器介质,以便在它注入到空气流中之前将热从涡旋叶片传开。
在某些实施例中,各个内冷却通道可在下游尾部处接收燃料流的第一部分,同时也在上游尾部处接收燃料流的第二部分。换句话说,燃料流的第二部分可描述为旁路流,其不沿涡旋叶片的整个轴向长度从下游尾部流到上游尾部。因此,系统可控制燃料流的第一和第二部分以便对燃料系统压降、对流传热系数和到燃料口的燃料分配提供调整。
在驻焰或回火的情况下,内冷却通道提供足以探测和纠正该状况的一段时间的热阻、绝热或对热损伤的防护。例如,内冷却通道可提供至少大于约15、30、45、60、75、90秒或更多秒的热防护。此外,使用燃料作为冷却剂或热交换器介质的内冷却通道在热损伤的情况下提供内置失效保护。具体地,热损伤可发生在涡旋叶片的下游尾部(例如,尖端)处,从而引起燃料从内冷却通道直接流入空气流。结果,燃料流大体上或完全绕开涡旋叶片的上游尾部处的燃料口,从而大体上或完全消除了涡旋叶片的下游尾部(例如,尖端)处的热损伤的上游的任何燃料-空气混合物。因此,涡旋叶片的下游尾部(例如,敞开尖端)处的热损伤可减少或消除对燃料喷嘴(例如,更上游处)的任何进一步损伤的可能性。
图1是可产生和燃烧合成的气体(即合成气)的整体煤气化联合循环(IGCC)系统100的一个实施例的图示。IGCC系统100的元件可包括可用作用于IGCC的能量源的燃料源102,例如固体原料。燃料源102可包括煤、石油焦炭、生物量、木基材料、农业废弃物、焦油、焦炉气和沥青,或其它含碳产品。
可将燃料源102的固体燃料传给给料准备单元104。给料准备单元104可例如通过剁碎、研磨、粉碎、磨碎、压块或堆码燃料源102来改变燃料源102的大小或使燃料源102再成形以产生给料。此外,水或其它合适的液体可添加到给料准备单元104中的燃料源102以产生浆状给料。在其它实施例中,没有液体添加到燃料源,因而产生干给料。
给料可从给料准备单元104传给气体发生器106。气体发生器106可将给料转化成合成气,例如,一氧化碳和氢气的组合。此转化可根据所使用的气体发生器106的类型,通过使给料经受处于升高的压力例如从大约20巴到85巴)和温度(例如大约700摄氏度到1600摄氏度)下的受控量的蒸汽和氧气的作用来完成。气化过程可包括给料经受热解过程,从而加热给料。气体发生器106内的温度在热解过程期间可在大约150摄氏度到700摄氏度的范围内变化,这取决于用来产生给料的燃料源102。热解过程期间给料的加热可产生固体(例如,炭)和残余气(例如,一氧化碳、氢气和氮气)。从热解过程自给料残留的炭可能仅重约初始给料重量的30%。
然后可在气体发生器106中发生燃烧过程。燃烧可包括将氧气引向炭和残余气。炭和残余气可与氧气起反应以形成二氧化碳和一氧化碳,这为后续的气化反应提供热。燃烧过程期间的温度可在大约700摄氏度至1600摄氏度的范围内变化。然后,蒸汽可在气化步骤期间引入气体发生器106内。炭可与二氧化碳以及蒸汽起反应以便在从大约800摄氏度到1100摄氏度的范围内变化的温度下产生一氧化碳和氢气。本质上,气体发生器使用蒸汽和氧气以便允许其中一些给料被“燃烧”以产生一氧化碳并释放能量,这驱动将更多给料转化为氢气和另外的二氧化碳的第二反应。
这样,合成气体由气体发生器106制造。此合成气体可包括大约85%的等比例的一氧化碳和氢气,以及CH4、HCl、HF、COS、NH3、HCN和H2S(基于给料的硫含量)。此合成气体可称为脏合成气,因为它包含例如H2S。气体发生器106也可产生废弃物,例如渣108,其可以是湿灰材料。此渣108可以从气体发生器106中移除,并例如作为路基或另一建筑材料处理。为了清洁脏合成气,可使用气体净化单元110。该气体净化单元110可净化脏合成气以便从脏合成气中去除HCl,HF,COS,HCN和H2S,这可包括在硫处理器112中例如通过硫处理器112中的酸性气去除工艺分离硫111。此外,气体净化单元110可从脏合成气中通过水处理单元114分离盐113,水处理单元114可利用水净化技术从脏合成气中产生有用的盐113。随后,来自气体净化单元110的气体可包括干净的合成气(例如,已经从合成气中去除了硫111),以及微量的其它化学物质,例如NH3(氨气)和CH4(甲烷)。
气体处理器116可用来从清洁的合成气中去除残留的气体成分117,比如氨气和甲烷,以及甲醇或任何残留化学物质。然而,从清洁的合成气中去除残留的气体成分117是可选的,因为即便包含残留的气体成分117比如尾气时,清洁的合成气也可用作燃料。在这一点上,清洁的合成气可包括大约3%的CO、大约55%的H2、大约40%的CO2以及充分剥离的H2S。可将此清洁的合成气作为可燃烧燃料传送给燃气涡轮发动机118的燃烧器120,比如燃烧室。备选地,可在传送给燃气涡轮发动机之前将CO2从清洁的合成气中移除。
IGCC系统100还可包括空气分离单元(ASU)122。ASU 122可操作以通过例如蒸馏技术将空气分离成成分气体。ASU 122可从由补充空气压缩机123供应给它的空气中分离出氧气,并且ASU 122可将分离的氧气传送给气体发生器106。另外,ASU 122可将分离的氮传送给稀释氮(DGAN)压缩机124。
DGAN压缩机124可将从ASU 122接收的氮压缩到至少等于燃烧器120中的压力的压力水平,以便不干涉合成气的适当燃烧。因而,一旦DGAN压缩机124已经充分地将氮压缩到适当的水平,则DGAN压缩机124可将压缩的氮传递给燃气涡轮发动机118的燃烧器120。例如,氮可用作稀释剂以便于排放控制。
如先前描述,压缩的氮可从DGAN压缩机124传递到燃气涡轮发动机118的燃烧器120。燃气涡轮发动机118可包括涡轮130、驱动轴131和压缩机132以及燃烧器120。燃烧器120可接收可从燃料喷嘴在适当压力下喷射的燃料,比如合成气。此燃料可与压缩空气以及来自DGAN压缩机124的压缩的氮混合,并在燃烧器120内燃烧。此燃烧可产生热的加压排气。
燃烧器120可将排气引向涡轮130的排气出口。当来自燃烧器120的排气穿过涡轮130时,排气推动涡轮130中的涡轮叶片使沿燃气涡轮发动机118的轴线的驱动轴131旋转。如图所示,驱动轴131连接到燃气涡轮发动机118的不同部件(包括压缩机132)上。
驱动轴131可将涡轮130连接到压缩机132以形成转子。压缩机132可包括联接到驱动轴131上的叶片。因此,涡轮130中的涡轮叶片的旋转可使将涡轮130连接到压缩机132上的驱动轴131转动压缩机132内的叶片。压缩机132中的叶片的此转动使压缩机132压缩经由压缩机132中的进气口接收的空气。压缩空气然后可供给燃烧器120,并与燃料和压缩的氮混合以允许更高效的燃烧。驱动轴131也可连接到可以是例如发电设备内的静荷载的负载134上,比如用来产生电力的发电机。实际上,负载134可为由燃气涡轮发动机118的旋转输出驱动的任何适宜的装置。
IGCC系统100也可包括蒸汽涡轮发动机136和热回收蒸汽发生(HRSG)系统138。蒸汽涡轮发动机136可驱动第二负载140。第二负载140也可为用来产生电力的发电机。然而,第一和第二负载134、140均可为能被燃气涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136驱动的其它类型的负载。另外,尽管如图示实施例中所示,燃气涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136可驱动分离的负载134和140,但也可串接地使用燃气涡轮发动机118和蒸汽涡轮发动机136以经由单一轴驱动单一负载。蒸汽涡轮发动机136以及燃气涡轮发动机118的具体构造可以是实施方案特定的,并可包括区段的任意组合。
系统100也可包括HRSG 138。来自燃气涡轮发动机118的热排气可被传送到HRSG 138中,并用来加热水且产生用来驱动蒸汽涡轮发动机136的蒸汽。例如来自蒸汽涡轮发动机136的低压区段的排气可导入到冷凝器142中。冷凝器142可利用冷却塔128来交换热水和冷水。冷却塔128用来将冷水提供给冷凝器142,以辅助冷凝从蒸汽涡轮发动机136传递给冷凝器142的蒸汽。来自冷凝器142的冷凝水又可导入HRSG 138中。此外,来自燃气涡轮发动机118的排气也可导入HRSG 138以加热来自冷凝器142的水并产生蒸汽。
在诸如IGCC系统100的联合循环系统中,热的排气可从燃气涡轮发动机118流出并传送到HRSG 138,在HRSG 138中热的排气可用来产生高压、高温的蒸汽。HRSG 138所产生的蒸汽然后可穿过用于发电的蒸汽涡轮发动机136。另外,所产生的蒸汽也可供应到可使用蒸汽的任何其它过程,比如供应到气体发生器106。燃气涡轮发动机118发生循环常称为“至顶循环”,而蒸汽涡轮发动机136发生循环常称为“及底循环”。通过如图1中所示结合这两个循环,IGCC系统100可在两个循环中导致更大的效率。具体而言,来自至顶循环的排热可被捕获并用来产生用于及底循环中的蒸汽。
图2是燃气涡轮发动机118的一个实施例的剖视侧视图。燃气涡轮发动机118可使用液体和/或气体燃料(比如天然气和/或富氢合成气)来运行。燃气涡轮发动机118包括位于一个或多个燃烧器146内的一个或多个燃料喷嘴144。如所描述的那样,燃料喷嘴144吸入燃料供应,将燃料与压缩空气混合(下文讨论),并将燃料-空气混合物分配到混合物在其中燃烧的燃烧器146中,从而产生热的加压排气。在一个实施例中,六个或更多个燃料喷嘴144可以环形或其它布置附接到各燃烧器146的头端上。此外,燃气涡轮发动机118可包括成环形布置的多个燃烧器16(比如4、6、8或12个)。
空气通过进气口148进入燃气涡轮发动机118,并可在压缩机132的一个或多个压缩机级中增压。压缩空气然后可与气体混合,以在燃烧器146内燃烧。例如,燃料喷嘴144可将燃料-空气混合物以合适比率喷入燃烧器,以便于最优燃烧、排放、燃料消耗和功率输出。如下文讨论的那样,燃料喷嘴144的某些实施例包括内冷却通道,该内冷却通道构造成提供对与回火和/或驻焰相关的热损坏的热阻。燃烧器146通过涡轮130的一个或多个涡轮级将排气导向排气出口150,以产生功率,如参考图1在上文所讨论的那样。
图3为具有端盖152的燃烧器头端151的详细透视图,端盖152具有经由密封接头156附接在表面154上的多个燃料喷嘴144。在图示中,五个燃料喷嘴144经由接头156附接到端盖基面154上。然而,可将任何适宜数目和布置的燃料喷嘴144经由接头156附接到端盖基面154上。头端151通过端盖152将来自压缩机132的压缩空气和燃料引导到各燃料喷嘴144上,燃料喷嘴在空气燃料混合物进入燃烧器146中的燃烧区域中之前大体上预混合压缩空气和燃料。如下文进一步讨论的那样,燃料喷嘴144可包括一个或多个内冷却通道,内冷却通道构造成提供对与回火和/或驻焰相关的热损坏的热阻。
图4为具有内冷却系统的燃料喷嘴144的一个实施例的横截面侧视图,该内冷却系统构造成提供对与回火和/或驻焰相关的热损坏的热阻。在图示的实施例中,燃料喷嘴144包括外周边壁166和置于外周边壁166内的喷嘴中心体168。外周边壁166可描述为燃烧管,而喷嘴中心体168可描述为燃料供应管。燃料喷嘴144还包括燃料/空气预混合器170、空气入口172、燃料进口174、涡旋叶片176、混合通道178例如,用于混合燃料和空气的环形通道)和燃料通道180。涡旋叶片176构造成在燃料喷嘴144内引起回旋流。因此,鉴于此涡旋特征,燃料喷嘴144可描述为涡旋喷嘴(swozzle)。应当注意的是,燃料喷嘴144的不同方面可参考轴向方向或轴线181、径向方向或轴线182、圆周方向或轴线183进行描述。例如,轴线181对应于纵向中心线或纵向方向,轴线182对应于相对于纵向中心线的交叉方向或径向方向,而轴线183对应于绕纵向中心线的周向方向。
如图所示,燃料通过燃料进口174进入燃料通道180而进入喷嘴中心体168。如方向箭头184所示,燃料轴向地181沿下游方向移动,通过中心体168的整个长度,直到其冲击在内燃料通道180的内端壁186(比如,下游端部)上,随之燃料逆向流动,如方向箭头188所示,并沿上游轴向方向进入逆向流动通道190。逆向流动通道190定位成与燃料通道182同中心。因此,燃料首先沿轴线181在轴向方向184上向下游流向燃烧区域,沿相对于轴线182的径向方向径向地穿越内端壁186,然后沿轴线181在轴向方向188上从燃烧区域往上游流出。为了讨论目的,用语“下游”可表示燃烧气体通过燃烧器120向涡轮130的流动方向,而用语“上游”可表示与燃烧气体通过燃烧器120向涡轮130的流动方向的相背或相反的方向。
在与端壁186相对的逆向流动通道190的轴向181延伸端处,燃料冲击在壁192(比如上游端部)上,并被导入冷却室194(下游腔或通道),如可通过箭头196所见。于是,燃料从冷却室194行进至出口室198(比如上游腔或通道),如箭头200所示。如通过箭头200所见,燃料流不从冷却室194导向出口室196。实际上,流动被分隔器202至少部分地堵塞或重新定向。例如,分隔器202可为限制燃料进入出口室196的流向的一片金属,从而使燃料内冷却叶片176的所有表面。在某些实施例中,室194和198以及分隔器202可描述为非线性冷却剂流动通道,例如Z字形冷却剂流动通道、U形冷却剂流动通道、蛇形冷却剂流动通道或弯曲冷却剂流动通道。
燃料可绕分隔器202通过,并进入出口室198,由此,燃料可通过涡旋叶片176内的燃料喷射口204从出口室198排出,在那里燃料可与从空气入口172流过混合通道178的空气混合,如箭头206所示。例如,燃料喷射口204可将燃料横向地喷向空气流以引起混合。同样地,涡旋叶片176引起空气和燃料的回旋流,从而增加空气和燃料的混合。当燃料/空气混合物流过混合通道178时,燃料/空气混合物离开预混合器170并继续混合,如方向箭头208所示。通过预混合通道178的燃料和空气的此继续混合允许燃料/空气混合物离开预混合通道178,以在它进入可在该处燃烧混合的燃料和空气的燃烧器146时基本上完全混合。燃料喷嘴144的构造也允许在燃料与空气混合前将燃料作为热交换器介质或传热流体使用。就是说,当例如发生回火(例如,火焰从燃烧器反应区域传播到预混合通道178中)和火焰驻留在预混合器170和/或混合通道178中时,燃料可用作用于混合通道178的冷却流体。此燃料喷嘴144对于在燃烧器反应区域内混合空气和燃料、获得低排放以及提供燃料喷嘴出口下游的火焰稳定方面非常有效。
图5为在图4的弧线5-5内所取的预混合器170的一个实施例的透视剖视图。预混合器170包括周向地置于喷嘴中心体168周围的涡旋叶片176,其中,叶片176自喷嘴中心体168径向向外地延伸到外壁166。如图所示,各涡旋叶片176是具有冷却室194、出口室198和分隔器202的中空体,比如中空翼型状体。燃料进入涡旋叶片176的下游端部附近的冷却室194,在分隔器202周围的非线性通道中向上游移动至出口室198,然后通过燃料喷射口204离开出口室198。因而,流过各涡旋叶片176的燃料在进入空气流之前充当冷却剂。此外,燃料流大体上沿涡旋叶片176的整个长度冷却涡旋叶片176,并在下游端部177处提供最大的冷却。例如,燃料流可沿轴线181冷却各涡旋叶片176的长度的至少50%、60%、70%、80%、90%或100%。
在燃料喷嘴144中发生回火或驻焰的情况下,通过各涡旋叶片176(比如经由室194和198)的内冷却可提供足以对消除回火或驻焰采取纠正措施的一段持续时间的热防护。例如,通过各涡旋叶片176的内冷却可提供至少大于约15、30、45、60、75、90秒或更多秒的热防护。此外,通过各涡旋叶片176的内冷却(使用燃料作为冷却剂或热交换器介质)在热损坏的情况下提供内置的失效保护。尤其是,热损坏可发生在涡旋叶片176的下游端部177(比如下游尖部)处,从而使燃料直接从冷却室194流入空气流。结果,燃料流在涡旋叶片176的上游端部175处大体上或完全地绕开燃料口204,从而大体上或完全消除了涡旋叶片176的下游端部177(例如下游尖端)处的热损伤的上游的任何燃料-空气混合物。因此,涡旋叶片176的下游端部177(例如,敞开的下游尖端)处的热损失可减少或消除对燃料喷嘴144(例如,更上游处)的任何进一步损伤的可能性,尽管这可能导致氧化氮排放的增加。
在图示的实施例中,预混合器170包括以45度增量围绕喷嘴中心体168的周围均等地隔开的八个涡旋叶片176。在某些实施例中,预混合器170可包括以相等或不同增量围绕喷嘴中心体168的周围布置的任何数目的涡旋叶片176(比如4、5、6、7、8、9、10、11、12、13或14个)。涡旋叶片176构造成使流旋转,从而在绕轴线181的周向方向183上引起燃料-空气混合。如图所示,各涡旋叶片176自上游端部175向下游端部177弯曲或成曲线。尤其是,上游端部175通常沿轴线181在轴向方向上定向,而下游端部177通常沿轴线181自轴向方向倾斜、弯曲或偏离。例如,下游端部177可相对于上游端部175倾斜大约5至60的角度,或大约10至45度的角度。结果,各涡旋叶片176的下游端部177将流偏向或导入轴线181周围的旋转通道(比如回旋流)。此回旋流在燃料-空气输送到燃烧器120中之前增强了燃料-空气在燃料喷嘴144内的混合。
另外,一个或多个燃料喷射口204可在上游端部175处置于叶片176上。例如,这些喷射口204的直径可大约为千分之1至千分之100、千分之10至千分之50、千分之20至千分之40或千分之24至千分之35英寸。在一个实施例中,喷射口204的直径可为大约千分之30至千分之50英寸。各涡旋叶片176可在叶片176的第一和/或第二侧210、212上包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多个燃料喷射口204。第一和第二侧210和212可组合以形成叶片176的外表面。例如,第一和第二侧210和212可限定翼型状表面,如上所讨论的那样。在某些实施例中,各涡旋叶片176可在第一侧210上包括大约1至5个燃料喷射口204,在第二侧212上包括大约1至5个燃料喷射口204。然而,一些实施例可在第一侧210或第二侧212上不包括燃料喷射口204。
此外,各燃料喷射口204可沿轴线181在轴向方向上定位、沿轴线182在径向方向上定位。换句话说,各燃料喷射口204可具有相对于涡旋叶片176的表面的简单或复合角205,从而影响燃料-空气混合并改变燃料喷口后的回流区域的尺寸。例如,喷射口204可使燃料以大约5至45、10至60或20至90度的角度从涡旋叶片176的第一侧210和/或第二侧212的表面流入预混合器170。通过进一步的示例,燃料喷射口204可使燃料以相对于轴向方向181大约5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55或60度的复合角进入预混合器170。以这种方式倾斜喷射口204可允许空气-燃料混合物在预混合器170内更完全地混合。
此预混合以及叶片176的弯曲翼型状可允许更均匀的燃料空气混合物。例如,预混合可使得能够进行具有约2-3ppm NOx(氧化氮)排放的清洁燃烧。在未能几乎完全地混合空气和燃料的情况下,反应区域中的峰值温度可高于均衡的稀混合物。这会导致例如在排气流中大约200ppm的氧化氮,而不是在燃料充分混合后大约2-3ppm的氧化氮。
图6是在图4的弧线5-5内所取的预混合器170的一个实施例的剖视侧视图。如图6中所示,预混合器170可从逆向流动通道190接收燃料,如通过箭头200所见。就是说,燃料可从逆向流动通道190流入分隔器202周围的冷却室194并进入出口室198。另外,旁路孔214(比如回流通道)可置于冷却室194和出口室198之间。此旁路孔214可相对于壁192径向地182向外延伸,直到它到达分隔器202为止。就是说,旁路孔214实际上去除了分隔器202的一部分,轴向地通过分隔器202,使得燃料可直接从冷却室194轴向地流入出口室198,如方向箭头215所示。此旁路孔214可允许例如从冷却室194流入出口室198的总燃料的大约1%至50%、5%至40%或10%至20%在室194和198之间直接流动。旁路孔214的使用可允许对可发生的任何燃料系统压降的调节、对传导性传热系数的调节或对到喷射口204的燃料分配的调节。就是说,例如,当在涡旋叶片176中使用旁路孔214时,可将更多或更少的燃料直接传送至喷射口204。旁路孔214可改善进入和通过喷射口204的燃料分配,例如更均匀的分配。旁路孔214也可减少从室194到室198的压降,从而帮助迫使燃料通过喷射口204。另外,旁路孔214的使用可允许通过燃料喷射口204的定制流动,以改变燃料流在经由喷射口204喷入预混合器270中之前所包含的涡旋的量。
图7是在图4的弧线5-5内所取的预混合器170的一个实施例的剖视侧视图。预混合器170可包括如图6中所示的叶片176的所有元件,但没有旁路孔214。因此,分隔器202不包括允许燃料从冷却室194直接传送到出口室198中的旁路。作为替代,各涡旋叶片176可包括与分隔器202分开的旁路孔216(即不在室194和198之间),以允许燃料自燃料通道180(即,不是从燃料通道190)直接流入出口室198,如方向箭头218所示。此外,此旁路孔216可允许流过喷射口204的总燃料的大约1%至50%、5%至40%或10%至20%流入出口室198。这又可直接控制流入喷射口204的燃料的量、分配和方向,并同样控制通过通道180和190的长度的燃料的量。同样地,旁路孔216可充分减少从室194到室198的压降,从而帮助迫使燃料通过燃料口204喷出。在另外的实施例中,作为允许燃料从燃料通道180直接流入出口室198的旁路孔216的替代或补充,旁路孔216可允许燃料从燃料通道180直接流入冷却室194。
图8是在图4的弧线5-5内所取的预混合器170的一个实施例的剖视侧视图,进一步图示了图6和图7所示的实施例的组合。如图8中所示,各涡旋叶片176可包括来自通道190的旁路孔214和来自通道180的旁路孔216两者。通过这种方式,旁路孔214和216可引导大约5%至50%、10%至50%或20%至40%之间的总燃料进入喷射口204,在不首先通过冷却室194和绕过分隔器202的情况下直接进入出口室198。通过这种方式,更多的燃料可直接输送给喷射口204,这可允许对喷入预混合器170的燃料的更好的控制和对燃料压力损失的更好的控制。然而,作为折衷,沿方向箭头200减少的燃料流可不彻底地冷却叶片176。
应当注意的是,燃料穿过叶片176时可能为大约50至500华氏度。相比之下,合成气可在大约3000华氏度的温度下燃烧。因此,通过叶片176中的燃料对用来制造预混合器170的材料进行的冷却可允许预混合器170在暴露于燃烧的混合气一段短时间(例如大约15、30、45、60、75、90秒或更多秒)时继续起作用。用来制造预混合器170的材料例如可以是钢、或含钴和/或铬的合金。可用来制造预混合器170的一种制造技术是直接金属激光烧结工艺。其它制造方法包括铸造和焊接或铜焊。通过将燃料用作用于预混合器通道178和叶片176的冷却介质,可在通道178内维持驻焰长达一分钟而不损坏燃料喷嘴144。就是说,由于合成气的高反应性(尤其是合成气中的氢气),典型地驻留在经过燃料喷嘴144的下游端进入燃烧器146的燃烧室大约0.5-2英寸处的火焰可回火到通道178中,到达预混合器170。可监测此事件,并通过冷却燃料喷嘴144的元件,用户或自动控制系统可有多达一分钟来通过一种方法消除预混合器中的驻焰,该方法包括但不限于减少燃料流、增加空气流,或改变到喷嘴144的燃料的组分。
通过这种方式,无需将额外的冷却流体引入燃料喷嘴144中以协助减少燃料喷嘴144中的回火损坏,因为燃料可用作用来降低通道和预混合器170暴露于其下的总体温度的热交换器流体。另外,通过在叶片176中包括分隔器202,燃料可流过叶片176的整个内部,从而在回火到预混合器170中的情况下提供作为热交换器的冷却剂流。通过这种方式,而不是回火破坏,例如,预混合器170中的叶片176由于暴露在高热(例如,大约2000华氏度)下,整体温度被经由穿过叶片176和逆向流动通道190的燃料而发生在预混合器170内的传热降低。这可降低预混合器170暴露于其下的温度,从而允许预混合器170以及其内的叶片176抵抗由预混合器170中的回火或驻焰造成的损坏。
本书面说明书使用示例来公开本发明,包括最佳模式,并且还使得本领域的技术人员能够实践本发明,包括制造和使用任何装置或系统,并执行任何结合的方法。本发明可授予专利的范围由权利要求书限定,并且可包括本领域技术人员所能想到的其他示例。如果此类其他示例具有无异于权利要求书字面语言的结构元件,或包括与权利要求书字面语言无实质性差异的等效结构元件,则它们都意在属于权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种系统(100),包括:
燃料喷嘴(144),其包括:
中心体(168);
布置在所述中心体(168)周围的外管(166);
布置在所述中心体(168)和所述外管(166)之间的空气通道(148);
布置在所述空气通道(206)中的叶片(176),其中,所述叶片(176)包括燃料进口(194)、燃料出口(204)和布置在所述燃料进口(194)和所述燃料出口(204)之间的分隔器(202);以及
延伸通过所述中心体(168)至所述燃料进口(194)进入所述叶片(176)的燃料通道(184),其中,所述燃料通道(184)绕所述分隔器(202)从所述燃料进口(194)至所述燃料出口(204)沿非直线方向延伸通过所述叶片(176)。
2.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述分隔器(202)在所述叶片(176)中轴向地布置在具有所述燃料进口(194)的下游腔(177)和具有所述燃料出口(204)的上游腔(175)之间。
3.如权利要求2所述的系统,其特征在于,所述上游腔(175)包括旁路(216),所述旁路适于将来自延伸通过所述中心体(168)的所述燃料通道(184)的燃料直接导入所述上游腔(175)。
4.如权利要求2所述的系统,其特征在于,所述下游腔(177)包括旁路,所述旁路适于将来自延伸通过所述中心体(168)的所述燃料通道(184)的燃料直接导入所述下游腔(177)。
5.如权利要求2所述的系统,其特征在于,所述分隔器(202)包括通过所述分隔器(202)的交叉通道(214),其中,所述交叉通道(214)适于将来自所述下游腔(177)的燃料直接导入所述上游腔(175)。
6.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述叶片(176)被弯曲以在所述空气通道(206)中产生涡旋。
7.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述中心体(168)包括延伸下游轴向方向的燃料通道(180)和沿上游轴向方向延伸的逆向流动通道(190),其中,所述中心体(168)轴向下游地远离所述叶片(176)延伸。
8.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述燃料出口(204)成角度地位于所述叶片(176)的外表面上。
9.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述系统包括具有所述燃料喷嘴(144)的燃烧器(146),具有所述燃料喷嘴(144)的涡轮发动机(118),或它们的组合。
10.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述燃料通道(184)沿上游方向从所述燃料进口(194)至所述燃料出口(204)延伸通过所述叶片(176)的基本长度,并且所述上游方向大体上与沿所述空气通道(206)的空气流的下游方向相反。
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