CN101881454A - 由惰性气体或较低反应性燃料层进行燃料覆盖 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及由惰性气体或较低反应性燃料层进行燃料覆盖。一种用于燃气涡轮燃烧器的预混合器包括:构造成用来喷射高反应性燃料的第一通道;以及构造成用来喷射惰性气体或较低反应性燃料或二者的混合物的第二通道。第二通道构造成用来形成惰性气体或较低反应性燃料或二者的混合物的层,该层覆盖高反应性燃料的层。另一种预混合器包括多个喷嘴,各个喷嘴包括一对同心管,这对同心管包括第一管和第二管,第一管构造成用来喷射高反应性燃料,第二管包围第一管且构造成用来分配惰性气体或较低反应性燃料或二者的混合物,该惰性气体或较低反应性燃料或二者的混合物覆盖高反应性燃料。
Description
技术领域
本发明涉及用于燃气涡轮发动机的燃烧器的空气燃料混合器,且涉及用于混合空气与燃料的方法。
背景技术
燃气涡轮制造商规律地参与研究和工程规划以生产将会高效地操作而不会产生不合需要的空气污染排放的新燃气涡轮。通常由燃烧常规碳氢化合物燃料的燃气涡轮所产生的主要空气污染排放为氮的氧化物、一氧化碳和未燃碳氢化合物。喷气发动机中分子氮的氧化在很大程度上取决于燃烧系统反应区中的最大热气体温度。形成氮的氧化物(NOx)的化学反应速率是温度的指数函数,因此由这些反应所生成的NOx也被称作热NOx。如果燃烧室热气体的温度被控制到足够低的水平,则将不产生热NOx。
控制燃烧器反应区的温度低于形成热NOx所处的水平的一种方法是在燃烧之前将燃料与空气预混合为贫混合物。存在于贫预混合的燃烧器的反应区中的过量空气的热质量吸热,且将燃烧产物的温升降至不会形成热NOx的水平。
存在与以燃料与空气的贫预混合操作的干式低排放燃烧器(其中燃料与空气的易燃混合物存在于处于燃烧器的反应区外部的燃烧器的预混合区段内)相关联的若干潜在问题。由于回火或自燃,在预混合区段内可存在发生燃烧的趋势,回火在火焰从燃烧器反应区传播到预混合区段内时发生,且使得火焰在燃料喷射柱(射流横流)或叶片后缘后方的尾流内保持,自燃在燃料/空气混合物在预混合区段中的停留时间和温度足以在无点火器的情况下开始燃烧时发生。预混合区段中燃烧的结果是排放性能劣化和/或预混合区段的过热和损坏,预混合区段通常并不设计成耐受燃烧的热。因此,要解决的问题是防止会导致在预混合器内燃烧的回火或自燃。
此外,离开预混合器及进入燃烧器反应区的燃料与空气的混合物应非常均匀,以实现所希望的排放性能。如果在流场中存在燃料/空气混合物强度比平均值浓得多的区域,则在这些区域中的燃烧产物将到达高于平均值的温度,且可形成热NOx。取决于温度与滞留时间的组合,这可能会导致不符合NOx排放目标。如果在流场中存在燃料/空气混合物强度比平均值稀得多的区域,那么可能会发生火焰淬熄而不能将碳氢化合物和/或一氧化碳氧化到平衡水平。这可能会导致不符合一氧化碳(CO)和/或未燃碳氢化合物(UHC)排放目标。因此,要解决的另一问题是产生离开预混合器的、足够均匀以符合排放性能目标的燃料/空气混合物强度分布。
更进一步,为了满足在许多应用中强加于燃气涡轮的排放性能目标,必须将燃料/空气混合物强度减小至接近关于大多数碳氢燃料的贫可燃极限的水平。这可能会导致火焰传播速度以及排放的减小。因此,贫预混合燃烧器可倾向于比更常规的扩散火焰燃烧器更不稳定,且常常导致高水平的燃烧驱动动态压力波动(也被称作燃烧动态性)。燃烧动态性可具有不利的结果,诸如由于磨损或疲劳、回火或吹熄造成燃烧器和涡轮硬件损坏。因此,要解决的另一问题是将燃烧动态性控制到可接受的低水平。
用于减排的贫预混合燃料喷射器在工业中普遍使用,二十多年来,一直在精简,以便在重型工业燃气涡轮中实践。美国专利5,259,184中描述了这种装置的代表性实例。这种装置实现了燃气涡轮排气减排方面的进步。相对于现有技术的扩散火焰燃烧装置,在不使用诸如蒸汽或水的稀释喷射的情况下,实现了氮的氧化物,NOx的一个数量级或更多的降低。
但是,如上文所述,可能在招致若干问题的风险下获得排放性能中的这些益处。特别地,该装置的预混合区段内的回火和火焰稳定导致排放性能劣化和/或由于过热而引起硬件损坏。此外,增大的水平的燃烧驱动动态压力活动由于磨损或高循环疲劳故障而导致燃气涡轮的燃烧系统部件和/或其它部件的使用寿命缩短。更进一步,增大了燃气涡轮操作复杂性和/或必须对燃气涡轮进行操作限制,以便避免导致高水平动态压力活动、回火或吹熄的条件。
除了这些问题之外,常规贫预混合的燃烧器可能未实现离开预混合器且进入反应区的燃料和空气的完全均匀的预混合可能实现的最大排放减少。
发明内容
根据一实施例,用于燃气涡轮燃烧器的预混合器包括:构造成用来喷射高反应性燃料的第一通道;以及构造成用来喷射惰性气体或较低化学反应性燃料或二者的混合物的第二通道,其中,第二通道构造成用来形成惰性气体或较低反应性燃料或二者的混合物的层,该层覆盖高反应性燃料的层。
根据另一实施例,用于燃气涡轮燃烧器的预混合器包括多个喷嘴,各个喷嘴包括一对同心管,这对同心管包括第一管和第二管,第一管构造成用来喷射高反应性燃料,第二管包围第一管且构造成用来喷射惰性气体或较低反应性燃料或二者的混合物,该惰性气体或较低反应性燃料或二者的混合物覆盖高反应性燃料。
根据又一实施例,形成用于燃气涡轮燃烧器的可燃混合物的方法包括:喷射高反应性燃料;以及喷射惰性气体或较低反应性燃料或二者的混合物,其中惰性气体或较低反应性燃料或二者的混合物覆盖高反应性燃料。
附图说明
图1示意性地描绘了包括扩散的水平燃料通道和惰性和/或较低反应性燃料通道的预混合器;
图2示意性地描绘了根据图1的预混合器由惰性和/或较低反应性燃料进行的燃料覆盖;
图3示意性地描绘了根据另一实施例在管内包括多个燃烧装置管的预混合器;
图4至图11示意性地描绘了根据另外的实施例的第一通道和第二通道。部件列表:毂与护罩区段 2第一槽 4第二槽 6惰性气体/较低反应性燃料 8燃料 10空气流 12燃烧器 14喷嘴 16内管 18外管 20燃料 22惰性气体/较低反应性燃料 24空气流 26漩涡 28反漩
涡 30回火制止器 32
具体实施方式
参看图1和图2,燃烧器的预混合器的毂与护罩区段2包括第一通道4和第二通道6。从第一通道4提供燃料10。燃料10可为高反应性燃料,例如氢气(H2)或者具有高氢水平的燃料。燃料10也可例如为天然气、液体燃料、煤气化得到的气体、合成燃料和碳氢化合物燃料或者具有高碳氢化合物水平的燃料。燃料10与空气流12混合以形成用于燃烧的燃料-空气混合物。应了解惰性气体和/或较低反应性燃料也可刚好在高反应性燃料之后喷射。这可能会潜在地降低由燃料喷射引起的回流区的反应性,且因此降低火焰稳定的倾向性。
从第二通道6提供惰性气体或较低反应性燃料或者二者的混合物8。惰性气体可为例如氮气(N2)或者水蒸汽(H2O)或者二氧化碳(CO2)或其组合。第一或燃料通道4构造成用来保持燃料10远离毂与护罩区段2,在毂与护罩区段2处,燃料10可被截留并造成火焰稳定。如在图2中详细地示出,第二通道6具有逐渐扩张的区域。第二通道6如图1所示比燃料通道4更宽,且延伸到毂与护罩区段2,以完全遮盖燃料10的层。
如图2所示,可通过由惰性气体或较低反应性燃料或二者的混合物8的层覆盖高反应性燃料10来提高火焰稳定界限,以控制由于流动相关问题造成的燃烧提早发生。对于高反应性燃料,如氢气,流动扰动可截留燃料且引起火焰稳定问题。
使用通道4、6来缓慢地扩散并形成由惰性气体或较低反应性燃料8遮盖的高反应性燃料10的层,并且阻滞燃料空气界面之间的反应。如在图2中详细地示出,第二通道6具有逐渐扩张的区域,但应了解第一通道4和第二通道6两者都可包括逐渐扩张的区域,以经由逐渐扩张的区域来缓慢地扩散惰性气体或较低反应性燃料以及高反应性燃料的流。通道4、6构造成用来提供大体上均匀的分布,并且在高反应性燃料10上形成惰性气体或较低反应性燃料8的层。经由逐渐扩张来引导流动也减小了在叶片表面处看到的射流引起的分离。
对于高反应性燃料10,也可通过控制燃料引导空间附近的空气燃料相互作用来防止火焰稳定。通道4、6还构造成用来控制空气/燃料混合界面,以控制点燃。
如图3所示,也可在同心管布置中使用由惰性气体或较低反应性燃料对高反应性燃料的覆盖。
燃烧器14包括预混合器,该预混合器包括喷嘴16。各个喷嘴16包括同心管,该同心管包括内管18和外管20。内管18提供燃料22,例如,高反应性燃料,且外管20提供覆盖燃料22的惰性气体或较低反应性燃料24。向燃烧器14提供空气流26以与燃料22形成可燃混合物。空气流26可包括漩涡28和反漩涡28。还可提供回火制止器32。
预混合器可用于需要高氢燃料或高氢合成气燃料的机器。
参看图4至图11,通道4、6可具有各种构造。举例而言,通道4、6可如图4所示为圆形或者如图5所示为矩形。通道4、6也可为形状的组合,如图6至图8所示。如图10所示,通道4之一可形成为多个通道。还应了解到两种通道都可形成为多个通道。参看图11,可彼此垂直地提供通道。
虽然已结合目前被认为是最实用和优选的实施例的内容描述了本发明,但将了解的是,本发明将不局限于所公开的实施例,而是相反,本发明意图涵盖包括于所附权利要求书的精神和范畴内的各种修改和等效布置。
Claims (15)
1.一种用于燃气涡轮燃烧器(14)的预混合器,包括:
构造成用来喷射高反应性燃料(10;22)的第一通道(4;18);以及
构造成用来喷射惰性气体或较低反应性燃料(8;24)或者二者的混合物的第二通道(6;20),其中,所述第二通道(6;20)构造成用来形成覆盖所述高反应性燃料(10;22)的层的惰性气体或较低反应性燃料(8;24)或二者的混合物的层。
2.根据权利要求1所述的预混合器,其特征在于,所述第二通道(6)比所述第一通道(4)更宽。
3.根据权利要求1或2所述的预混合器,其特征在于,所述第二通道(6)包括扩张的区域。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的预混合器,其特征在于,所述第一通道(4)构造成用来远离毂与护罩区段(2)扩散所述高反应性燃料(10)。
5.根据权利要求4所述的预混合器,其特征在于,所述第二通道(6)延伸到所述毂与护罩区段(2),以扩散所述惰性气体或较低反应性燃料(8)或二者的混合物,以完全遮盖所述第一通道(4)。
6.根据权利要求1所述的用于燃气涡轮燃烧器(14)的预混合器,其特征在于,所述预混合器还包括:
多个喷嘴(16),各个喷嘴包括限定了所述第一通道和所述第二通道的一对同心管(18;20),所述一对同心管(18;20)包括第一管(18)和第二管(20),所述第一管(18)构造成用来喷射所述高反应性燃料(22),所述第二管(20)包围所述第一管(18)且构造成用来喷射覆盖所述高反应性燃料(22)的所述惰性气体或较低反应性燃料(24)或二者的混合物。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的预混合器,其特征在于,所述预混合器还包括回火制止器(32)。
8.一种形成用于燃气涡轮燃烧器的可燃混合物的方法,所述方法包括:
喷射高反应性燃料(10;22);和
喷射惰性气体或较低反应性燃料(8;24)或二者的混合物,其中,所述惰性气体或较低反应性燃料(8;24)或二者的混合物覆盖所述高反应性燃料(10;22)。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,喷射所述高反应性燃料(10;22)包括从第一通道(4;18)喷射所述高反应性燃料(10;22),且喷射所述惰性气体或较低反应性燃料(8;24)或二者的混合物包括从第二通道(6;20)喷射所述惰性气体或较低反应性燃料(8;24)或二者的混合物。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述第二通道(6)比所述第一通道(4)更宽。
11.根据权利要求9或10所述的方法,其特征在于,所述第二通道(6)具有逐渐扩张的区域。
12.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,喷射所述高反应性燃料(22)包括从限定了所述第一通道的第一管(18)喷射所述高反应性燃料(22)和从与所述第一管(18)同心的、限定了所述第二通道的第二管(20)喷射所述惰性气体或较低反应性燃料(24)或二者的混合物。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
提供空气流(12;26),以与所述惰性气体或较低反应性燃料(8;24)或二者的混合物以及所述高反应性燃料(10;22)混合。
14.根据权利要求13所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
向所述空气流(26)提供漩涡(28)。
15.根据权利要求14所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:
向所述空气流(26)提供反漩涡(30)。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
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 |
Application publication date: 20101110 |