CN101956979A - 用于预混合引燃器应用的稀薄直接喷射 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于预混合引燃器应用的稀薄直接喷射，具体而言，本发明的实施例提供一种用于与涡轮机的燃料喷嘴(10，101)一起使用的预混合引燃器(100)组件。通过在引燃器喷嘴的端部处快速地混合燃料和空气从而避免显著的富燃料和空气混合物区来降低由引燃器放出的氧化氮(NOx)的水平。通过使用第一圆筒(106)和第二圆筒(104)中的开口来使空气与燃料混合，第一圆筒(106)和第二圆筒(104)中的一个运载空气，一个运载引燃燃料。开口可按需要构造成在引燃器上获得期望效果。

Description

用于预混合引燃器应用的稀薄直接喷射
技术领域
本发明一般地涉及用于涡轮机的燃烧器。更具体而言，本发明涉及用于使用用于预混合引燃的(piloted)燃烧的稀薄直接喷射(leandirect injection)的解决方法。
背景技术
传统的燃气轮机燃烧器使用非预混合(“扩散”)火焰，在其中，燃料和空气单独地自由进入燃烧室。但是，扩散火焰在这样的高温下燃烧，使得排放出无法接受的水平的氧化氮(NOx)。
用来降低NOx排放的一种方法包括使用稀薄预混合燃烧，在其中，燃料和空气在预混合器区段中进行预混合，且燃料-空气混合物被喷射到燃烧室中，燃料-空气混合物在该燃烧室中燃烧。对于非常均匀的燃烧空气混合物，稀薄预混合燃烧可产生较低的NOx排放，但是，这种混合物通常倾向于燃烧不稳定性。可通过提供引燃器(pilot)来克服这种不稳定性。但是，通常引燃器会导致过量的NOx形成，这因此降低了使用稀薄预混合燃烧方法的好处。
发明内容
本发明的实施例提供了一种用于与涡轮机的燃料喷嘴一起使用的预混合引燃器组件。通过在引燃器喷嘴的端部处快速地混合燃料和空气从而避免显著的富燃料和空气混合物区来降低由引燃器放出的NOx的水平。通过使用第一圆筒和第二圆筒中的开口来使空气与燃料混合，第一圆筒和第二圆筒中的一个运载空气，一个运载引燃燃料。开口可按需要构造成在引燃器上获得期望效果。
本公开的第一方面提供了构造成联接到用于涡轮机燃烧器的燃料喷嘴上的预混合引燃器组件，该预混合引燃器组件包括：第一圆筒；构造成保持引燃燃料或空气中的选定的一个的第二圆筒，该第二圆筒设置在第一圆筒内，从而使得在第一圆筒和第二圆筒之间形成环形区域，该环形区域构造成允许引燃燃料或空气中的另一个流过环形区域；联接到第二圆筒上的末端(tip)，该末端构造成建立至少一个第二圆筒开口，以径向向外引导流过第二圆筒的引燃燃料或空气中的选定的一个；以及联接到第一圆筒上的端件，该端件构造成建立至少一个第一圆筒开口，以将流过环形区域的引燃燃料或空气中的另一个径向向内引导朝向自至少一个第二圆筒开口所引导的引燃燃料或空气中的选定的一个。
本公开的第二方面提供了一种燃料喷嘴，包括：限定主燃料喷嘴的壳体；设置在壳体内的中心主体管；联接到中心主体管的端部上的预混合引燃器组件，该预混合引燃器组件包括：第一圆筒；构造成保持引燃燃料或空气中的选定的一个的第二圆筒，该第二圆筒设置在第一圆筒内，从而使得在第一圆筒和第二圆筒之间形成环形区域，该环形区域构造成允许引燃燃料或空气中的另一个流过环形区域；联接到第二圆筒上的末端，该末端构造成建立至少一个第二圆筒开口，以径向向外引导流过第二圆筒的引燃燃料或空气中的选定的一个；以及联接到第一圆筒上的端件，该端件构造成建立至少一个第一圆筒开口，以将流过环形区域的引燃燃料或空气中的另一个径向向内引导朝向从至少一个第二圆筒开口中引导出来的引燃燃料或空气中的选定的一个。
本公开的第三方面提供了一种构造成联接到用于涡轮机的燃料喷嘴上的预混合引燃器组件，该预混合引燃器组件包括：用于输送引燃燃料或空气中的一个的第一通道；用于输送引燃燃料或空气中的另一个的第二通道，第一通道和第二通道沿着通道的长度彼此隔开；在第一通道中的第一开口，用以径向向外射出引燃燃料或空气中的一个；以及在第二通道中的第二开口，用以将引燃燃料或空气中的另一个径向向内射出朝向自第一开口所射出的引燃燃料或空气中的一个。
附图说明
图1显示了如本领域中已知的燃气轮机的主燃料喷嘴。
图2-5显示了根据本发明的实施例的预混合引燃器的各种构造的截面图。
注意的是，本发明的图不是按比例绘制的。这些图意在描绘本发明的仅典型方面，且因此不应理解为限制本发明的范围。
部件列表
10，101主燃料喷嘴
12液体燃料筒
14中心主体
16转向叶片
18燃烧管
20入口流调节器(IFC)
22扩散末端
100预混合引燃器
103端件
104第二圆筒
105环形区域
106第一圆筒
107末端
108空气开口
109引燃火焰
110燃料开口
具体实施方式
燃气轮机典型地包括多个用于燃烧的燃烧室，且各个用于燃烧的室包括多个主燃料喷嘴。在图1中显示了如本领域中已知的一种这样的主燃料喷嘴10。主燃料喷嘴10包括带有转向叶片16的燃烧管18，以及入口流调节器(IFC)20，主空气通过该入口流调节器(IFC)20进入喷嘴10。主燃料喷嘴10还包括中心主体14，该中心主体14由设置在主燃料喷嘴10内的管或圆筒组成。液体燃料筒12设置在中心主体14内。在中心主体14和液体燃料筒12的端部处的、由图1中的虚线表示的区域是称为扩散末端22的区域，且典型地例如通过焊接而联接到燃料喷嘴10的端部上。本文中论述的本发明的实施例包括修改或代替扩散末端22，以包括预混合引燃器100(图2-5)。
图2A中显示了根据本发明的实施例的、结合到主燃料喷嘴101中的预混合引燃器100的截面图。预混合引燃器100可通过任何已知手段添加到主燃料喷嘴101上。例如，预混合引燃器100可代替扩散末端22(图1)，或者可如本领域中已知的那样修改扩散末端22，以包括本文中所论述的预混合引燃器100的元件。例如，预混合引燃器100可添加到图1中所示的主燃料喷嘴10的端部上，且本领域中的技术人员可如需要的那样修改主燃料喷嘴10，以便将空气和燃料运送通过预混合引燃器100，且包括液体燃料筒12(如果期望的话)。图2A中显示了将空气和燃料运送通过预混合引燃器100的一种这样的构造。
转到图2B，显示了预混合引燃器100的放大截面图。预混合引燃器100包括第一圆筒106和在第一圆筒106内的第二圆筒104。因而，在第一圆筒106和第二圆筒104之间形成环形区域105。圆筒104运载燃料，而环形区域105则运载空气。注意的是，虽然圆筒104和106在图2-5中显示为圆柱形形状，但是本领域技术人员将理解，可使用任何适当地规定尺寸或成形的通道。还要注意，虽然圆筒104在图2-5中显示为运载燃料的空心圆筒，但是本领域技术人员将理解，在圆筒104内可包括附加的元件，例如附加的通道或机械元件，以便协助预混合引燃器100与燃料喷嘴10互相作用。
第一圆筒106还包括端件103，该端件103构造成建立至少一个第一圆筒开口108(也称为空气开口)，以径向向内引导流过环形区域105的空气。预混合引燃器100还包括在第二圆筒104的一端处的末端107。末端107构造成建立至少一个第二圆筒开口110(也称为燃料开口)，以径向向外引导流过第二圆筒104的引燃燃料。因而，引燃燃料通过开口110从第二圆筒104排出，足以保持引燃火焰109。如本文所论述的那样，一个或多个空气开口108允许环形区域105中的空气直接喷射在从第二圆筒104中的燃料开口110排出的引燃燃料处。来自空气开口108的这种空气流由标记为“a”的箭头显示，而来自燃料开口110的引燃燃料流则由标记为“f”的箭头显示。当燃料离开第二圆筒104时，空气径向向内直接喷射在燃料处。因而，空气和燃料被隔开，直到燃料正好从第二圆筒104中排出为止，从而避免显著的富燃料和空气混合物区。一旦空气和燃料已经混合，空气和燃料混合物(由标记为“f+a”的箭头显示)向下游流动，即远离第二圆筒104和末端107，且空气和燃料混合物将大致在图2中显示了引燃火焰109的地方开始燃烧。因而，在距燃料末端107较短的轴向尺寸内的混合区中将发生空气和燃料的剧烈混合。另外，根据本发明的实施例，将空气喷射在燃料处会为用于引燃火焰109的稳定的燃烧产生支持区。
开口108，110可为任何形状和大小，以便以期望的强度和倾度(inclination)实现空气和燃料的混合。例如，在在图3A-3C中的立体图中显示的一种实施例中，燃料开口110和空气开口108可包括分别沿着末端107和第二圆筒104移置的一个或多个不连续的分开的开口，各个开口起离散的喷口的作用，以喷射空气或燃料。在另一种实施例(未显示)中，燃料开口110和空气开口108可包括分别在整个末端107和整个第二圆筒104周围的一个或多个连续的环形开口。应当理解，可使用环形开口或不连续的分开的开口的任何构造。例如，燃料开口110和空气开口108两者可为连续的环形开口，或者开口108，110两者可为不连续的分开的开口。备选地，燃料开口110可为连续的环形环件，而空气开口108可为不连续的分开的开口，反之亦然。不管开口108，110是连续的(环形)还是不连续的分开的，开口108，110还可为期望的任何形状或几何截面。
开口108，110可在第二圆筒104和末端107中构造成实现期望水平的空气和燃料混合。例如，如果开口108，110是不连续的分开的开口，则开口108可构造成如图4A所示的那样与对应的开口110对准，从而使得燃料流直接撞击在空气流上。备选地，如图4B中所示的那样，开口108可构造成相对于开口110错开，从而使得燃料流不直接撞击在空气流上。
虽然在图2-4中显示了开口108，110将空气流基本垂直地引导到燃料处，但是开口108，110也可成角度以实现处于期望的角度下的空气和燃料的混合。例如，开口108，110可成角度以将成角度的空气流引导到成角度的燃料流处，或者开口108，110中的仅一个可成角度，而另一个开口与圆筒104，106基本垂直。例如，如在图5中的简明示意图中所示，角α是在包括燃料开口110的末端107的两个表面之间的角，且角α可在约0°至约60°的范围中。角θ是在圆筒106的水平面和空气开口108的表面之间的角。角θ可在约120°至约180°的范围中。虽然将这些角范围提供为开口108，110可如何成角度以实现空气和燃料的期望混合的一个实例，但要理解的是，所提供的角不意在限制本文公开的发明，因为针对开口108或110可使用任何角度来实现期望结果。另外，虽然图2-5显示了基本垂直或略微向下游地(即远离预混合引燃器100朝向火焰109)将空气喷射在燃料处，但是也可向上游将空气喷射在燃料处。
虽然本文论述的实施例指的是保持燃料的第二圆筒104和由保持空气的第一圆筒106形成的环形区域105，但要理解的是还公开了相反的情形。第二圆筒104可保持空气，且因此可将空气径向向外引导通过开口110，而环形区域105可保持燃料，且因此可将燃料径向向内引导通过第一圆筒106中的开口108。
用语“第一”、“第二”等在本文中不表示任何顺序、数量或重要性，而是相反，其用于使一个元件区别于另一个元件，而且用语“一个”和“一种”在本文中不表示数量限制，而是相反表示存在所参照的项目中的至少一个。结合数量使用的修饰语“约”包括所陈述的值，且具有由上下文指定的意思，(例如包括与特定数量的量度相关联的误差程度)。
虽然在本文中描述了各实施例，但是根据说明书将理解，其中的元件的各种组合、变化或改进可由本领域技术人员进行，且处于本发明的范围内。另外，可作出许多修改，以使特定的情形或材料适于本发明的教导，而不偏离本发明的实质范围。因此，意在本发明不限于被公开为用于执行本发明而构想的最佳模式的特定实施例，而是本发明将包括落在权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种构造成联接到用于涡轮机燃烧器的燃料喷嘴上的预混合引燃器(100)组件，所述预混合引燃器(100)组件包括：
第一圆筒(106)，
构造成保持引燃燃料或空气中的选定的一个的第二圆筒(104)，所述第二圆筒(104)设置在所述第一圆筒(106)内，从而使得在所述第一圆筒(106)和所述第二圆筒(104)之间形成环形区域(105)，所述环形区域(105)构造成允许引燃燃料或空气中的另一个流过所述环形区域(105)；
联接到第二圆筒(104)上的末端(107)，所述末端(107)构造成建立至少一个第二圆筒开口(110)，以径向向外引导流过所述第二圆筒(104)的引燃燃料或空气中的所述选定的一个；以及
联接到所述第一圆筒(106)上的端件(103)，所述端件(103)构造成建立至少一个第一圆筒开口(108)，以将流过所述环形区域(105)的引燃燃料或空气中的所述另一个径向向内引导朝向自所述至少一个第二圆筒开口(110)所引导的引燃燃料或空气中的所述选定的一个。
2.根据权利要求1所述的预混合引燃器组件，其特征在于，所述至少一个第一圆筒开口(108)包括一个或多个连续的环形开口，而所述至少一个第二圆筒开口(110)包括一个或多个连续的环形开口。
3.根据权利要求1所述的预混合引燃器组件，其特征在于，所述至少一个第一圆筒开口(108)包括一个或多个连续的环形开口，而所述至少一个第二圆筒开口(110)包括一个或多个不连续的分开的开口。
4.根据权利要求1所述的预混合引燃器组件，其特征在于，所述至少一个第一圆筒开口(108)包括一个或多个不连续的分开的开口，而所述至少一个第二圆筒开口(110)包括一个或多个连续的环形开口。
5.根据权利要求1所述的预混合引燃器组件，其特征在于，所述至少一个第一圆筒开口(108)包括一个或多个不连续的分开的开口，而所述至少一个第二圆筒开口(110)包括一个或多个不连续的分开的开口。
6.根据权利要求5所述的预混合引燃器组件，其特征在于，各个至少一个第一圆筒开口(108)与对应的至少一个第二圆筒开口(110)对准。
7.根据权利要求5所述的预混合引燃器组件，其特征在于，所述第一圆筒(106)的至少一个或多个不连续的分开的开口(108)相对于所述第二圆筒(104)的一个或多个不连续的分开的开口(110)错开。
8.根据权利要求1所述的预混合引燃器组件，其特征在于，所述预混合引燃器组件还包括混合区，在所述混合区处发生空气和引燃燃料的混合。
9.一种燃料喷嘴，包括：
限定主燃料喷嘴(101，10)的壳体(18)；
设置在所述壳体(18)内的中心主体(14)管；
联接到所述中心主体(14)管的端部上的预混合引燃器组件(100)，所述预混合引燃器组件(100)包括：
第一圆筒(106)，
构造成保持引燃燃料或空气中的选定的一个的第二圆筒(104)，所述第二圆筒(104)设置在所述第一圆筒(106)内，从而使得在所述第一圆筒(106)和所述第二圆筒(104)之间形成环形区域(105)，所述环形区域(105)构造成允许引燃燃料或空气中的另一个流过所述环形区域(105)；
联接到所述第二圆筒(104)上的末端(107)，所述末端(107)构造成建立至少一个第二圆筒开口(110)，以径向向外引导流过所述第二圆筒(104)的引燃燃料或空气中的所述选定的一个；以及
联接到所述第一圆筒(106)上的端件(103)，所述端件(103)构造成建立至少一个第一圆筒开口(108)，以将流过所述环形区域(105)的引燃燃料或空气中的所述另一个径向向内引导朝向从所述至少一个第二圆筒开口(110)中引导出来的引燃燃料或空气中的所述选定的一个。
10.一种构造成联接到用于涡轮机的燃料喷嘴上的预混合引燃器组件(100)，所述预混合引燃器组件(100)包括：
用于输送引燃燃料或空气中的一个的第一通道(106)；
用于输送引燃燃料或空气中的另一个的第二通道(104)，所述第一通道和所述第二通道沿着通道的长度彼此隔开；
在所述第一通道中的第一开口(110)，用以径向向外射出引燃燃料或空气中的所述一个；以及
在所述第二通道中的第二开口(108)，用以将引燃燃料或空气中的所述另一个径向向内射出朝向自所述第一开口(110)中所射出的引燃燃料或空气中的所述一个。
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