CN103032900B - 三元组反向旋转涡漩器和使用方法 - Google Patents
三元组反向旋转涡漩器和使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及三元组反向旋转涡漩器和使用方法。燃料-空气混合器包括环形罩、反向旋转的内涡漩器和外涡漩器、分离内涡漩器和外涡漩器的毂、沿环形罩轴向延伸的中心体、布置在外涡漩器径向外侧周向地绕环形罩的燃料罩、和布置在内涡漩器和外涡漩器下游的径向涡漩器，径向涡漩器构造为允许与流过内涡漩器和外涡漩器的流分开的从环形罩壁外侧区域进入环形罩的第二气体流的独立径向旋转，径向旋转的第二气体流在邻近环形罩的外壁的区域处进入环形罩。
Description
本申请是于2007年11月19日提交的专利申请(中国国家申请号为200710187060.9，发明名称“三元组反向旋转涡漩器和使用方法”)的分案申请。
技术领域
本发明的实施例一般地涉及燃烧器，且更特定地涉及用于低排放燃烧过程的稀薄预混合燃烧器的燃料-空气混合器。
背景技术
在历史上，从燃料获取能量在带有扩散控制(也称为非预混合)燃烧的燃烧器内进行，其中反应物最初是分离的且反应仅发生在燃料和氧化剂之间的界面上，在此处混合及反应均发生。这样的装置的例子包括但不仅限于航空燃气涡轮发动机和用于动力生成、船舶推进、气体压缩、热电联产、和海洋平台动力等的航改燃气轮机。在设计这样的燃烧器中，工程师具有挑战性的不仅在于对维持或降低燃烧器的总尺寸、增加最大运行温度和增加比能量释放率的持续需求，而且在于对降低法规限制的污染物的形成以及它们到环境中的排放的日益增长的需求。所关心的主要污染物的例子包括氮的氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、未燃烧和部分燃烧的碳氢化合物和温室气体，例如二氧化碳(CO2)。因为在发生燃烧时对流体机械混合、与局部化学当量燃烧相关的峰值温度、在升高的温度区域内的驻留时间和氧的可获得性的依赖所导致的控制流动中局部成分变化的困难，所以对于满足当前和将来的排放要求同时维持增加性能的希望水平，扩散燃烧器提供了有限的能力。
近来，稀薄预混合燃烧器已用于进一步降低不希望的污染物的排放水平。在这些燃烧器中，通过使用燃料-空气混合器，在任何显著的化学反应在燃烧器内发生前，使准确的燃料和氧化剂的量在混合室或混合区域内很好地混合，因此便于对以上所列出的扩散燃烧器和其他本领域中已知的燃烧器的困难的控制。预混合燃烧器的常规燃料-空气混合器合并多组内反向旋转涡漩器和外反向旋转涡漩器，它们一般地邻近混合道的上游端布置以向空气流赋予涡漩。已知在这样的设备内的不同的燃料喷射方式，包括向内和/或外环形涡漩器提供第一燃料，内和/或外环形涡漩器可以包括空心的叶片，叶片带有与罩内的燃料歧管流体连通的内腔，和/或将第二燃料通过由中心体壁内与第二燃料充满区流体连通的多个孔的交叉射流而喷射到混合道内。 在这样的设备中，来自压缩机的高压空气通过涡漩器被喷射到混合道内以形成强烈的剪切区域且燃料从外涡漩器叶片通道和/或中心体孔喷射到混合道内，使得在燃料/空气混合物在混合道的下游端供给出到燃烧器内且点燃前高压空气和燃料被混合。
因为交叉射流和局部燃料喷射点和涡漩被赋予的方式，在常规的燃料-空气混合器内的燃料浓度在混合器壁附近在出口面处最高，因此阻碍了在混合道出口处对燃料浓度局部变化的控制，特别是当考虑到对于能以大范围的燃料适当地运行的燃烧器的需求时，大范围的燃料包括但不限制于天然气、氢气和合成燃料气体(也已知为合成气)，其是从煤或其他材料气化过程所获得的富含一氧化碳和氢的气体。因此，输送到火焰区的燃料浓度分布形式可能包含不希望的空间变化，因此最小化了预混合对于污染物形成过程的完全影响以及对于在燃烧区内的总体火焰稳定性的影响可能性。
因此存在对于在具有在其出口处的提高的控制燃料浓度局部变化能力同时维持在混合道内的流动分离和火焰保持控制的稀薄预混合燃烧器中使用的燃料-空气混合器的需求。此增加的控制将允许开发具有降低的长度而大体上不影响设备内的总体压力下降的预混合设备。
发明内容
以上总结的和其他在本领域中已知的需求的一个或多个通过燃料-空气混合器解决，该燃料-空气混合器包括由壁限定的环形罩、布置在环形罩的上游端部部分处的第一和第二涡漩器，第二涡漩器布置在第一涡漩器径向外侧、将第一和第二涡漩器分开的毂、沿环形罩轴向延伸的中心体、在环形罩的上游端部部分处绕环形罩周向布置的燃料罩、和布置在内涡漩器和外涡漩器下游的第三涡漩器，第三涡漩器构造为在从邻近环形罩壁的环形罩外侧区域进入第三涡漩器的第二气体流上施加独立的旋转。披露本发明的实施例也包括低排放燃烧器和具有以上总结的燃料-空气混合器的燃气涡轮机燃烧器。
在所披露的发明的另一个方面中，燃气涡轮机披露为包括压缩机、燃烧燃料和空气的预先混合的混合物的与压缩机流体连通的燃烧器、和位于燃烧器下游的使离开燃烧器的高温气体流膨胀的涡轮机。这样的燃气涡轮机的燃烧器具有燃料-空气混合器，燃料-空气混合器包括由壁限定的环形罩、布置在环形罩的上游端部部分处的第一和第二涡漩器，第二涡漩器布置在第一涡漩器径向外侧、将第一和第二涡漩器分开的毂、沿环形罩轴向延伸的中心体、在环形罩的上游端部部分处绕环形罩周向布置的燃料罩、和布置在内涡漩器和外涡漩器下游的第三涡漩器，第三涡漩器构造为在从邻近环形罩壁的环形罩外侧区域进入第三涡漩器的第二气体流上施加独立的旋转。
在披露的本发明的另一个方面中，披露了气体到液体转化系统，气体到液体转化系统包括构造为从空气分离氧的空气分离单元、用于准备天然气的气体处理单元、用于使氧与天然气在升高的温度和压力下反应以产生富含一氧化碳和氢气的合成气的燃烧器、和与燃烧器流体连通以从合成气获取功且熄灭合成气的涡轮膨胀器。这样的气体到液体转化系统的燃烧器包括燃料-空气混合器，燃料-空气混合器具有由壁限定的环形罩、布置在环形罩的上游端部部分处的第一和第二涡漩器，第二涡漩器布置在第一涡漩器径向外侧、将第一和第二涡漩器分开的毂、沿环形罩轴向延伸的中心体、在环形罩的上游端部部分处绕环形罩周向布置的燃料罩、和布置在内涡漩器和外涡漩器下游的第三涡漩器，第三涡漩器构造为在从邻近环形罩壁的环形罩外侧区域进入第三涡漩器的第二气体流上施加独立的旋转。
用于在燃烧系统中预混合燃料和氧化剂的方法也在所披露的本发明的实施例的范围内，这样的方法包括如下步骤：将第一氧化剂流吸入燃料-空气混合器的环形罩内侧，在第一涡漩器内使第一氧化剂流的第一部分在第一方向涡漩，在第二涡漩器内使第一氧化剂流的第二部分在与第一方向相对的第二方向涡漩，将燃料从燃料罩喷射到燃料-空气混合器内，将第二气态流吸入环形罩内侧，和在第三涡漩器内使第二气态流涡漩，第三涡漩器布置在燃料罩和第一和第二涡漩器的轴向位置下游，第二气态流从环形罩外侧的区域吸入，且第二气态流的涡漩为使得控制环形罩的出口处的环形罩壁附近的燃料浓度。
以上的简要描述阐述了本发明的特征，以使得更好地理解如下的本发明的详细描述，且使得更好地认识到对本领域的贡献。当然，存在本发明的其他特征，这些其他特征将在后文中描述且为附带的权利要求书的主题。
因此，在详细解释本发明的数个优选实施例前，应理解的是本发明在其应用上不限制于构造的细节和在如下的说明阐述或附图内的图示的部件的布置。本发明可以具有其他实施例且可以以多种方式实行和完成。也应理解的是，在此使用的措辞和术语用于描述目的且不应视作限制。
同样，本领域一般技术人员将认识到，本披露所基于的构思可以容易地用作用于设计用于完成本发明的数个目的的其他结构、方法和系统的基础。因此，重要的是，权利要求书被视作包括这样的等价构造，只要它们不偏离本发明的精神和范围。
进一步地，前述的摘要的目的是使得美国专利和商标局以及一般公众且特别是本领域内的不熟悉专利或法律术语或措辞的科学家、工程师和从业者能从粗略的查阅而快速地确定本申请的技术披露的属性和实质。因此，摘要不意图于限定仅由权利要求书界定的本发明或本申请，也不意图于以任何方式限制本发明的范围。
附图说明
通过结合附图考虑而参考如下详细描述使本发明变得更好理解，从而容易地获得对本发明及其许多附带优点的更完整的认识，各图为：
图1是根据本技术的方面的具有带燃料-空气混合器的燃烧器的燃气涡轮机的概略图示；
图2是根据本技术的方面的使用在图1的燃气涡轮机内的低排放筒式燃烧器的典型构造的概略图示；
图3是根据本技术的方面的使用在图1的燃气涡轮机内的低排放环形燃烧器的另一个典型构造的概略图示；
图4是根据本技术的方面的具有燃料-空气混合器的另一个典型的低排放环形燃烧器的部分截面视图；和
图5图示了图4的燃料-空气混合器的径向涡漩器的透视图。
零件列表：
10 燃气涡轮机
12 燃烧器
14 压缩机
16 涡轮机
18 轴
20 壳体
22 燃烧器典型构造
24 燃烧器外壳
26 燃烧器衬
28 穹顶板
30 热屏蔽
32 预混合设备
34 空气流
36 火焰
38 冷却孔
40 燃烧器
42 内部外壳
44 外部外壳
46 燃烧器衬
48 燃烧器衬
50 板
52 热屏蔽
54 热屏蔽
56 扩散器部分
58 空气流
60 预混合设备
62 燃料管线
64 燃料管线
66 火焰
70 低排放环形燃烧器
72 燃料-空气混合器
74 空心主体
76 燃烧器室
78 涡漩杯
80 内涡漩器
82 外涡漩器
84 毂
86 燃料罩
90 环形罩
92 径向涡漩器
94 中心体
96 90的下游端
98 92的第一环
100 92的多个叶片
102 98的外表面
104 100的第一端部部分
106 100的第二端部部分
107 98的外边缘
108 环形唇部
110 第二环
112 110的第一表面
114 110的第二表面
116 径向延伸的间隙
118 轴向延伸的间隙
120 套筒。
具体实施方式
现在参考附图，其中类似的参考数字在所有不同的视图中指示相同或对应的零件，将描述所披露的燃料-空气混合器设备的数个实施例。在如下的解释中，将使用在燃气涡轮机内使用的所披露的燃料-空气混合器的典型实施例。然而，对于本领域一般技术人员将容易地显见的是相同的燃料-空气混合器可以使用在其中通过燃料和氧化剂的预混合来主要地控制燃烧的其他应用中。
图1图示了燃气涡轮机10，燃气涡轮机10具有在运行中将高压空气供给到低排放燃烧器12内的压缩机14。在喷射到燃烧器12内的燃料与空气(或另外的氧化剂)燃烧之后，高温燃气在高压下离开燃烧器12且通过涡轮机16膨胀，涡轮机16通过轴18驱动了压缩机14。如本领域一般技术人员所理解，在此参考的空气或空气流也指任何其他氧化剂，包括但不限制于纯氧。在一个实施例中，燃烧器12包括筒式燃烧器。在替代的实施例中，燃烧器12包括筒式环形燃烧器或纯的环形燃烧器。取决于应用，燃气可以进一步在喷嘴(未示出)中膨胀以生成推力，或燃气涡轮机10可以具有附加涡轮机(未示出)以从燃气获取附加能量来驱动外载荷。如在图1中图示，燃烧器12包括限定了燃烧区的燃烧器壳体20。另外，如在下文中进一步解释且在图2至图5中图示，燃烧器12包括燃料-空气混合器以在燃烧区内燃烧前混合压缩空气和燃料。
图2图示了在图1的燃气涡轮机10内使用的低排放燃烧器22的典型构造。在图示的实施例中，燃烧器22包括带有单一的燃料-空气混合器的筒式燃烧器；然而，本领域一般技术人员将认识到，取决于应用和希望的输出，在给定的燃烧器筒内也可以使用多个混合器。燃烧器22包括燃烧器外壳24和布置在燃烧器外壳24内的燃烧器衬26。燃烧器22也包括穹顶板28和构造为降低燃烧器壁温度的热屏蔽30。进一步地，燃烧器22包括燃料-空气混合器32，以在燃烧前预混合氧化剂和燃料。虽然图2图示了带有单一燃料-空气混合器32的筒式燃烧器，但本领域一般技术人员将认识到，具有多个燃料-空气混合器32的筒式燃烧器也在所披露的本发明的范围内。在一个实施例中，对于使用例如氢作为燃料的应用，燃料-空气混合器32可以布置为实现在燃烧器22内的分级燃料引入。在运行中，燃料-空气混合器32接收空气流34，空气流34与从燃料充满区引入到燃料-空气混合器32内的燃料混合。随后，空气-燃料混合物在燃烧器22内的火焰36内燃烧。在外壳24内也可以提供稀释或冷却孔38，如所图示。
图3图示了在图1的燃气涡轮机10内使用的低排放燃烧器40的另一个典型构造。在图示的实施例中，燃烧器40包括带有单一燃料-空气混合器的环形燃烧器；然而，本领域一般技术人员将认识到，取决于应用和希望的输出，在给定的环形燃烧器内也可以使用多个周向布置的混合器。如所图示，内部外壳42和外部外壳44限定了燃烧器40内的燃烧区。另外，燃烧器40典型地包括内燃烧器衬46和外燃烧器衬48以及穹顶50。进一步地，燃烧器40包括布置为邻近内燃烧器衬46和外燃烧器衬48的内热屏蔽52和外热屏蔽54以及用于将空气流58引导到燃烧区内的扩散器部分56。燃烧器40也包括布置在燃烧区的上游的燃料-空气混合器60。在运行中，燃料-空气混合器60从燃料充满区经由燃料管线62和64接收燃料。进一步地，来自燃料管线62和64的燃料与来流空气流58混合且将用于燃烧的燃料-空气混合物输送到火焰66。
图4描绘了具有根据本技术的方面的燃料-空气混合器72的另一个典型的低排放环形燃烧器70的部分截面视图。如本领域一般技术人员将理解到，环形燃烧器70是适合于使用在燃气涡轮发动机10内的连续燃烧的燃烧器具类型，且包括其内限定了燃烧室76的空心主体74。空心主体74一般在形式上是环形的且包括外衬48、内衬46和带穹顶端部或穹顶50。如所示出，空心主体74的带穹顶端部50连接到燃料-空气混合器72，以允许随后从燃料-空气混合器72引入燃料-空气混合物到燃烧室76内，同时具有由作为结果的混合物的点燃导致的最小的污染物形成。与在此描述的修改不同，燃料-空气混合器72将一般地具有在美国专利No 5,351,477，No 5,251,447和No 5,165,241中的混合器的形式，这些专利共同转让给本发明的受让人且其内容在此通过对其的完整参考合并。
如所图示，燃料-空气混合器72包括内涡漩器80和外涡漩器82。内涡漩器80和外涡漩器82优选地反向旋转。如本领域一般技术人员将理解，关键的不在于内涡漩器80或外涡漩器82使流过它们的空气在何方向旋转，只要一个涡漩器的旋转方向与另一个涡漩器的旋转方向相反即可。毂84将内涡漩器80和外涡漩器82相互分离，从而允许内涡漩器80和外涡漩器82共环且允许它们分开地使进入它们的空气旋转。内涡漩器80和外涡漩器82优选地是轴向的，但它们可以是径向的或轴向和径向的一些组合。如本领域一般技术人员所已知，内涡漩器80和外涡漩器82具有叶片，叶片以相对于燃烧器的轴向轴线A的从大约40度到大约60度变化的角度布置。另外，流动通过内涡漩器80的空气与流动通过外涡漩器82的空气的质量比可以通过设计调整，优选地大致等于1:3。
燃料-空气混合器72进一步包括带有燃料入口88的燃料罩86，燃料罩86周向地在混合器的上游端处围绕混合器，还包括布置在燃料罩86的下游的环形罩90。燃料罩86可以与外涡漩器82的叶片流体连通且从燃料罩86喷射的燃料可以由合适的燃料供给和控制机构计量，如常规地已知。同样，外涡漩器82的叶片优选地是具有连接到燃料罩86和燃料通道的内腔的空心设计，以将燃料从燃料罩86喷射到环形罩90内。也如常规地已知，虽然在图中未描绘，但燃料通道可以与内涡漩器80的叶片流体连通地提供。
虽然未图示，但本领域一般技术人员将认识到，形成环形罩90的壁可以包括一个或多个与来自环形罩90外侧的压缩空气流体连通的空气通道，以允许空气在环形罩90内侧流动，以激励沿环形罩90的内表面定位的空气和燃料的边界层。这些空气流通道可以不考虑燃料以何种方式喷射到燃料-空气混合器72内或燃料和空气如何在燃料-空气混合器72内混合而实施。这是因为由这样的空气通道供给的空气对于激励沿环形罩90的内环形表面的边界层将是有效的，且增加了空气在环形罩90内的向前速度。此外，空气也将具有稀释在边界层内的任何燃料浓度的效果且因此降低了边界层内的火焰速度，所有这些将降低环形罩90内回火的可能性。
如在图4中进一步图示，中心体94提供在燃料-空气混合器72内，中心体94可以具有直圆柱部分的形式，或优选地具有大体上均匀地从其上游端向其下游端会聚的形式。中心体94优选地定尺寸为在燃料-空气混合器72的下游端96前终止。在一个实施例中，中心体94可以优选地包括通过其尖端的通道，以将具有相对地高的轴向速度的空气接纳到邻近中心体94的燃烧室76内，此特别的实施例能降低局部燃空比，以帮助将火焰推向中心体尖端的下游。
中心体94可以进一步包括多个优选地定位在紧靠内涡漩器80的下游的孔，燃料也可以从此多个孔喷射到燃料-空气混合器72内。将理解的是，如果气态和液体燃料要喷射到燃料-空气混合器72内，则气态燃料将优选地通过涡漩器叶片通道喷射且液体燃料将通过布置在中心体94内的孔喷射。因此，将理解的是，燃料类型的改变可以相当地快速而简单地通过增加通过布置在中心体94内的孔喷射的燃料量同时相应地降低通过叶片喷射的燃料量来实现。
如在图4中进一步图示，在燃料罩86和环形罩90之间，燃料-空气混合器72包括径向涡漩器92。如先前所解释，在内涡漩器80或外涡漩器82内引入的燃料具有向环形罩90的表面积聚的倾向，因此造成了在环形罩90的下游端96处带有高燃料浓度的区域。在环形罩90的出口附近处的增加的燃料浓度可能不仅增加了向环形罩90内回火的可能性，而且增加了在燃烧室76内形成的NOx的量。径向涡漩器92的有利特征之一是通过它引入的空气增进了在环形罩90的表面附近的燃料空气混合，因此降低和/或消除了在环形罩90的出口处具有高燃料浓度的区域，且因此降低了在燃烧室76内形成的NOx的总量。图5示出了径向涡漩器92的透视图。
如在图5中示出，径向涡漩器92包括布置在其上游端处的第一环98，第一环98具有多个布置在外表面102上的叶片100。每个叶片100布置在外表面102上，以周向地绕燃料-空气混合器72的轴向轴线A延伸，使得每个叶片100的每个第一端部部分104位于靠近第一环98的外边缘107定位的每个叶片102的第二端部部分106的径向内侧。如所图示，第一环98也包括从其内边缘轴向延伸的环形唇部108。径向涡漩器92的另一个部件是轴向离开第一环98布置的第二环110，以形成第一环98和第二环110之间的沿径向方向和轴向方向延伸的间隙。如所示出，第二环110的第一表面112径向向内延伸，从而形成了在其中布置了多个叶片110的径向延伸的间隙116。第二环110的第二表面114轴向延伸，以与第一环98的环形唇部108形成轴向延伸的间隙118。第二环110也包括套筒120，在组装燃料-空气混合器72时，在套筒120内部布置了燃料-空气混合器72的环形罩90。
径向涡漩器92沿燃料-空气混合器72相对于内涡漩器80和外涡漩器82的位置的轴向位置和/或离开径向涡漩器92的空气流的径向旋转度可以基于在燃料-空气混合器72的下游端96处，特别是在紧接于环形罩92的壁的区域内的燃料-空气混合物的希望的混合程度来确定。另外，径向涡漩器92的几何形状和尺寸可以基于希望的预混合效率和包括例如但不限制于燃料压力、燃料温度、来流空气温度和燃料喷射速度的因素的运行条件，来选择/优化。燃料的例子包括天然气、高氢气体、氢、生物气、一氧化碳和合成气。然而，也可以使用多种其他燃料。
以上所述的燃料-空气混合器72特别地适合于使用在整体式气化组合循环或IGCC内，它是具有以由例如煤的固体燃料气化导致的燃料的燃烧来驱动的燃气涡轮机的循环，同时使来自燃气涡轮机的排气与水/蒸汽换热以生成过热蒸汽来驱动蒸汽涡轮机。IGCC装备的气化部分通过将煤与氧在气化器内组合而产生了清洁的煤气，以产生气态燃料，主要地为氢和一氧化碳，或合成气。气体清洁过程然后清洁了合成气，合成气随后在燃气涡轮机的燃烧器内使用以产生电力。IGCC装备典型地具有较高的效率和较低的排放以及较高的输出。在IGCC装备内当从空气分离单元或称ASU内获得的氮被引入到燃气涡轮机的燃烧器内时，由此增加了通过燃气涡轮机的质量流量且通过折减用于燃烧的空气而降低了总燃烧温度和氧浓度，实现了较高的输出。根据所披露的发明的实施例的燃料-空气混合器72适用于使用在IGCC装备内。特别地，燃料-空气混合器72可以使用在燃气涡轮机燃烧器内且当燃烧合成气时，氮可以引入到径向涡漩器92内，因此帮助降低在壁附近的高燃料浓度且增进燃料空气混合特性。也可以利用此径向涡漩器，使得在高氢燃烧期间氮能流过罩且与罩内的氢和空气混合，从而再次避免了在燃料-空气混合器的出口处的局部高当量比的区域。
在典型的IGCC燃气涡轮机燃烧器内，氢和氮一起通过在内涡漩器80和外涡漩器82内的燃料喷射口被引入。在所披露的实施例的一些中，作为将氢与氮混合且将混合物通过燃料口引入的替代，将包含氢的碳清洁合成气供给到燃料口且氮通过径向涡漩器喷射或与来流空气一起供给，因此折减空气以降低总的氧可获得性，从而与常规水平相比将NOx的水平降低了多达70％。在本发明的实施例的一个中，在燃烧器出口处的NOx水平为3至5 ppm或更低。实现了这样的在性能上的改进，同时折减的空气提供了在燃料-空气混合器72的环形罩90内对回火的增进的阻碍和火焰保持。然而，虽然以上所总结的优点对于IGCC装备是清楚的，但本领域一般技术人员将理解的是，所披露的燃料-空气混合器可以用于翻新产生动力的燃气涡轮机的当前燃烧器。
以上描述的燃料-空气混合器也可以使用在气体到液体转化系统中，以增进氧和天然气在系统的燃烧器内反应前的预混合。典型地，气体到液体转化系统包括空气分离单元、气体处理单元和燃烧器。在运行中，空气分离单元将氧从空气分离且气体处理单元准备用于在燃烧器内转化的天然气。来自空气分离单元的氧和来自气体处理单元的天然气被引导向燃烧器，在燃烧器内天然气和氧以升高的温度和压力反应以产生合成气。在此实施例中，燃料-空气混合器联接到燃烧器以便于氧和天然气在燃烧器内反应前的预混合。进一步地，燃料-空气混合器的径向涡漩器92便于来流天然气的夹带，以使得天然气和氧能以高的燃料与氧的当量比(例如大约3.5至大约4且更高)混合，以最大化合成气生产量，同时最小化驻留时间。在某些实施例中，蒸汽可以添加到氧或燃料以增进过程效率。
合成气体然后被熄灭且引入到Fischer-Tropsh处理单元中，其中通过催化将氢气和一氧化碳重组为长链液体碳氢化合物。最后，液体碳氢化合物在裂化单元内被转化且分馏为产品。有利地，具有径向涡漩器的燃料-空气混合器生成了快速的天然气和氧的预混合且在气体到液体转化系统内驻留时间大体上短。
以上描述的方法的多种方面在不同的应用中具有实用性，例如在燃气涡轮机内使用的燃烧器和例如熔炉的加热设备。此外，在此描述的技术增进了燃料和空气在燃烧前的预混合，因此大体上降低了排放且增进了燃气涡轮机系统的效率。预混合技术可以对于不同的燃料使用，例如但不限制于高和低体积热值的气态化石燃料，包括天然气、碳氢化合物、一氧化碳、氢、生物气和合成气。因此，如已解释，燃料-空气混合器可以使用在用于整体式气化组合循环(IGCC)的燃料灵活的燃烧器内以降低污染物排放。在某些实施例中，燃料-空气混合器使用在航空发动机氢燃烧器和用于航改和重载机器的其他燃气涡轮机燃烧器内。进一步地，燃料-空气混合器可以用于便于例如特别用于无二氧化碳循环和排气再循环的氧-燃料的流的部分混合。
因此，基于以上所述的附加的径向涡漩器的预混合技术使得能增进燃烧器内的预混合和火焰稳定性。此外，本技术使得能降低来自这样的燃烧器的排放，特别是降低NOx排放，从而实现了燃气涡轮机以环境友善的方式的运行。在某些实施例中，此技术便于最小化越过燃烧器，更特定地氢燃烧器内的压力下降。另外，通过附加的径向涡漩器实现的增进的预混合便于对于燃烧器的增进的关闭和回火阻力和增加的熄火裕量。
在图示的实施例中，燃料和空气的更好的混合允许更好的关闭且允许以具有低到大约0.2的当量比的天然气和空气混合物运行。另外，与现有系统相比，显著地改进了熄灭裕量。进一步地，如以上所描述，此系统可以使用多种燃料，因此提供了增进的燃料灵活性。例如，系统可以使用天然气或H2作为燃料。这样的系统的燃料灵活性消除了对于硬件改变或带有不同燃料所要求的不同的燃料口的复杂结构的需求。如以上所述，所描述的燃料-空气混合器可以使用多种燃料，因此提供了系统的燃料灵活性。此外，以上所述的技术可以使用在现有的筒式或筒式环形燃烧器内，以降低排放和燃烧器内的任何动态振荡和调制。此外，图示的设备可以用作现有燃烧器内的引燃器。
用于在燃烧系统内将燃料和氧化剂预混合的方法也在所披露的发明的实施例的范围内，这样的方法包括如下步骤：将第一氧化剂流吸入燃料-空气混合器的环形罩内侧，在第一涡漩器内使第一氧化剂流的第一部分在第一方向涡漩，在第二涡漩器内使第一氧化剂流的第二部分在与第一方向相对的第二方向涡漩，将燃料从燃料罩喷射到燃料-空气混合器内，将第二气态流吸入环形罩内侧，和在第三涡漩器内使第二气态流涡漩，第三涡漩器布置在燃料罩和第一和第二涡漩器的轴向位置下游，第二气态流从环形罩外侧的区域吸入，且第二气态流的涡漩为使得控制环形罩的出口处的环形罩壁附近的燃料浓度。在吸入第一氧化剂流的步骤中，这样的氧化剂可以包括空气或具有大约10％的体积含量的氧的氧化剂。另外，燃料可以包括合成气且氧化剂是用于在氧-燃料燃烧器内使用的高纯度氧，或燃料可以包括合成气且第二气态流是氮流。
参考以上描述，应认识到用于本发明的零件的最优尺寸关系，包括尺寸变化，形成功能和运行，组装和使用方式对于本领域一般技术人员是容易地显见和明显的，且因此所有等价于在附图中图示且在说明书中描述的关系意图于仅由附带的权利要求书的范围所包括。另外，虽然以结合当前被认为是实际的和本发明的数个典型实施例的特性和细节已在附图中示出且在上文中完全地描述本发明，但对于本领域一般技术人员将显见的是，可以进行许多本发明的修改而不偏离在此阐述的原理和构思。因此，本发明的正确的范围应仅通过附带的权利要求书的最广泛的解释来确定以包括所有这样的修改和等价物。
Claims (19)
1.一种燃料-空气混合器，其包括：
由壁限定的具有圆形截面的环形罩，该环形罩具有沿轴向方向延伸的轴向轴线、沿径向方向延伸的径向轴线、和上游和下游端部部分；
布置在环形罩的上游端部部分处的第一涡漩器；
布置在环形罩的上游端部部分处在径向方向上在第一涡漩器外侧的第二涡漩器；
将第一和第二涡漩器分离的毂，该毂构造为允许在环形罩的上游端部部分处进入环形罩的第一气体流的第一部分和第二部分独立旋转，气体流的第一和第二部分分别由第一和第二涡漩器旋转；
沿环形罩的轴向轴线延伸的中心体；
布置在环形罩的上游端部部分处在径向方向上在第二涡漩器外侧且周向绕环形罩的燃料罩，该燃料罩构造为将燃料喷射到环形罩内以与气体流的第一和第二部分混合；和
在燃料罩和第一和第二涡漩器的轴向位置下游布置的第三涡漩器，该第三涡漩器为径向涡漩器并且具有邻近所述环形罩的壁的轴向和径向间隙，其构造为允许从环形罩壁外侧区域进入第三涡漩器的第二气体流的独立旋转，第二气体流在邻近环形罩壁的区域处进入环形罩；
其中所述第三涡漩器进一步包括：
第一环，其具有多个布置在其外表面上的叶片和从第一环的内边缘轴向延伸的环形唇部；和
从第一环轴向分开布置的第二环，以形成第一环和第二环之间的间隙，所述第二环包括构造为接收燃料-空气混合器的环形罩的套筒。
2.根据权利要求1所述的燃料-空气混合器，其中第一涡漩器和第二涡漩器反向旋转，并且基于环形罩的出口平面处的所需燃料浓度值确定从第三涡漩器到第一涡漩器和第二涡漩器的轴向距离。
3.根据权利要求1所述的燃料-空气混合器，其中第一涡漩器和第二涡漩器是从包括径向涡漩器、轴向涡漩器和径向/轴向涡漩器的设备组中选出的。
4.根据权利要求1所述的燃料-空气混合器，其中第一涡漩器包括第一组叶片且燃料罩与第一组叶片流体连通。
5.根据权利要求1所述的燃料-空气混合器，其中第二涡漩器包括第二组叶片且燃料罩与第二组叶片流体连通。
6.根据权利要求1所述的燃料-空气混合器，其中第一和第二涡漩器分别包括第一组和第二组叶片，且燃料罩与第一组和第二组叶片流体连通。
7.根据权利要求1所述的燃料-空气混合器，其中从燃料罩喷射到环形罩内的燃料是合成气且第二气体流是氮气流，以折减第一气体流内的氧量来控制位于环形罩下游处的燃烧区域内形成的NOx的量。
8.根据权利要求1所述的燃料-空气混合器，其中第二气体流是空气流且第二气体流的独立旋转构造为降低邻近环形罩壁的区域内在环形罩出口处的局部燃料浓度。
9.根据权利要求1所述的燃料-空气混合器，其中所述燃料是在包括天然气、高氢气体、氢、生物气、一氧化碳和合成气的物质组中进行选择的。
10.一种包括根据权利要求1所述的燃料-空气混合器的燃气涡轮机燃烧器。
11.根据权利要求10所述的燃气涡轮机燃烧器，其中所述燃气涡轮机燃烧器包括筒式燃烧器、或者筒式环形燃烧器、或者环形燃烧器。
12.一种燃气涡轮机，其包括：
压缩机；
与压缩机流体连通的构造为燃烧燃料和空气的预先混合的混合物的燃烧器，该燃烧器包括布置在燃烧器上游的燃料-空气混合器，该燃料-空气混合器包括：
由壁限定的具有圆形截面的环形罩，该环形罩具有沿轴向方向延伸的轴向轴线、沿径向方向延伸的径向轴线、和上游和下游端部部分；
布置在环形罩的上游端部部分处的第一涡漩器；
布置在环形罩的上游端部部分处在径向方向上在第一涡漩器外侧的第二涡漩器；
将第一和第二涡漩器分离的毂，该毂构造为允许在环形罩的上游端部部分处进入环形罩的第一气体流的第一部分和第二部分独立旋转，气体流的第一和第二部分分别由第一和第二涡漩器旋转；
沿环形罩的轴向轴线延伸的中心体；
布置在环形罩的上游端部部分处在径向方向上在第二涡漩器外侧且周向绕环形罩的燃料罩，该燃料罩构造为将燃料喷射到环形罩内以与气体流的第一和第二部分混合；和
在燃料罩和第一和第二涡漩器的轴向位置下游布置的第三涡漩器，该第三涡漩器为径向涡漩器，其具有邻近所述环形罩的壁的轴向和径向间隙并且构造为允许从环形罩壁外侧区域进入第三涡漩器的第二气体流的独立旋转，第二气体流在邻近环形罩壁的区域处进入环形罩；和
位于燃烧器下游且构造为使离开燃烧器的气体流膨胀的涡轮机；
其中所述第三涡漩器进一步包括：
第一环，其具有多个布置在其外表面上的叶片和从第一环的内边缘轴向延伸的环形唇部；和
从第一环轴向分开布置的第二环，以形成第一环和第二环之间的间隙，所述第二环包括构造为接收燃料-空气混合器的环形罩的套筒。
13.一种气体到液体转化系统，其包括：
构造为从空气分离氧的空气分离单元；
用于准备天然气的气体处理单元；
用于使氧与天然气在升高的温度和压力下反应以产生富含一氧化碳和氢气的合成气的燃烧器；
布置在燃烧器上游的燃料-空气混合器，以便于将氧与天然气在燃烧器内反应前预混合，该燃料-空气混合器包括：
由壁限定的具有圆形截面的环形罩，该环形罩具有沿轴向方向延伸的轴向轴线、沿径向方向延伸的径向轴线、和上游和下游端部部分；
布置在环形罩的上游端部部分处的第一涡漩器；
布置在环形罩的上游端部部分处在径向方向上在第一涡漩器外侧的第二涡漩器；
将第一和第二涡漩器分离的毂，该毂构造为允许在环形罩的上游端部部分处进入环形罩的第一气体流的第一部分和第二部分独立旋转，气体流的第一和第二部分分别由第一和第二涡漩器旋转；
沿环形罩的轴向轴线延伸的中心体；
布置在环形罩的上游端部部分处在径向方向上在第二涡漩器外侧且周向绕环形罩的燃料罩，该燃料罩构造为将燃料喷射到环形罩内以与气体流的第一和第二部分混合；和
在燃料罩和第一和第二涡漩器的轴向位置下游布置的第三涡漩器，该第三涡漩器为径向涡漩器，其具有邻近所述环形罩的壁的轴向和径向间隙并且构造为允许从环形罩壁外侧区域进入第三涡漩器的第二气体流的独立旋转，第二气体流在邻近环形罩壁的区域处进入环形罩；和
与燃烧器流体连通的涡轮膨胀器，以从合成气体获取功且熄灭合成气体；
其中所述第三涡漩器进一步包括：
第一环，其具有多个布置在其外表面上的叶片和从第一环的内边缘轴向延伸的环形唇部；和
从第一环轴向分开布置的第二环，以形成第一环和第二环之间的间隙，所述第二环包括构造为接收燃料-空气混合器的环形罩的套筒。
14.根据权利要求13所述的气体到液体转化系统，进一步包括用于接收熄灭的合成气体且用于将熄灭的合成气体催化转化成碳氢化合物流体的Fischer-Tropsh处理单元。
15.根据权利要求13所述的气体到液体转化系统，进一步包括用于将碳氢化合物流体分馏为至少一种有用产品的裂化单元。
16.一种用于使燃料和氧化剂在燃烧系统内预混合的方法，其包括：
将第一氧化剂流通过燃料-空气混合器的环形罩的氧化剂入口吸入到燃料-空气混合器的环形罩内侧；
在第一涡漩器内使第一氧化剂流的第一部分在第一方向涡漩；
在第二涡漩器内使第一氧化剂流的第二部分在第二方向涡漩，第二方向与第一方向相对；
将燃料从燃料罩喷射到燃料-空气混合器内，该燃料罩一般地布置在与第一和第二涡漩器所处的轴向位置相同的轴向位置处；
将第二气态流吸入环形罩内侧；和
在第三涡漩器内使第二气态流涡漩，该第三涡漩器为径向涡漩器并且具有邻近所述环形罩的壁的轴向和径向间隙，其在燃料罩和第一和第二涡漩器的轴向位置下游布置在燃料-空气混合器中，第二气态流从环形罩外侧的区域吸入，且第二气态流的涡漩为使得控制环形罩的出口处的环形罩壁附近的燃料浓度；
其中所述第三涡漩器进一步包括：
第一环，其具有多个布置在其外表面上的叶片和从第一环的内边缘轴向延伸的环形唇部；和
从第一环轴向分开布置的第二环，以形成第一环和第二环之间的间隙，所述第二环包括构造为接收燃料-空气混合器的环形罩的套筒。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述氧化剂包括空气或者具有大约10％的体积含量的氧的氧化剂。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述燃料包括合成气且所述氧化剂包括用于在氧-燃料燃烧器内使用的高纯度氧。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述燃料包括合成气且所述第二气态流包括氮。
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