CN103134078B - 一种阵列驻涡燃料-空气预混器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列驻涡燃料-空气预混器，涉及燃气轮机技术，包括外周壁、中心体、叶片；圆筒状中心体套置于圆筒状外周壁内，中心体径向小于外周壁，中心体前端与燃料输送管路相通连；在中心体与外周壁的径向间隙中，有多个叶片；多个叶片垂直设于中心体外周圆面上，每圈均匀分布形成圆盘状，多个圆盘状相互平行形成多层结构；多个叶片包括空心叶片、扰流叶片、旋流叶片；每一圈空心叶片、扰流叶片、旋流叶片交错排列，构成阵列式叶栅，在环形空气通道中，空气和燃料-空气混合气为非直线流动。本发明的预混器利用阵列排布的叶片形成大量受控的小尺度驻涡，从而增强掺混、降低扰动、防止回火和自燃。

Description

一种阵列驻涡燃料-空气预混器

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，是用于燃气轮机燃烧室的一种阵列驻涡燃料-空气预混器。本发明包括燃料空气预混器及与之配合用于引导和组织气流和稳定火焰的外周壁和中心体结构。

背景技术

燃气轮机是化石能源清洁利用的重要设备之一。随着国家燃气轮机污染物排放标准的日益严格，降低氮氧化物(NOx)排放的技术对增强燃气轮机的市场竞争力起关键作用。

NOx的生成机理主要有三种：热力型，燃料型和快速型。对于以天然气等清洁能源为主要燃料的燃气轮机而言，以热力型NOx为主，控制热力型NOx的生成需要降低燃烧室内火焰的峰值温度。一种方法是扩散燃烧加注氮气或水蒸气等稀释剂，但带来效率降低、设备和控制复杂等问题。有效并且先进的方法是用预混器将燃料和空气在进入燃烧室之前混合均匀，形成燃料-空气比例低于燃烧化学当量比的贫混合气后再送入燃烧室进行燃烧，这种贫预混式燃料室也称为干式低NOx(DLN)或干式低排放(DLE)燃烧室，已成为主流技术并且在燃气轮机行业中普遍应用，是燃气轮机降低污染的重大进展，美国专利No.5259184介绍了这种装置的一个代表性示例。

对于贫预混燃烧室，预混器对其工作性能有重要影响。在预混器中，燃料和空气分别进入，在流动中接触并混合。如果预混器中混合过程需要时间较长并且不可控制，那么在燃烧室较高的空气进气温度和压力下，燃料-空气混合气容易因流动和浓度不均匀，在一些局部发生自燃和回火，导致燃烧发生在预混器内，损坏部件，使燃烧室不能安全稳定工作。因此加强燃料-空气掺混、缩短停留时间、增加流动和混合过程的可控程度是改进预混器技术的方向之一。

为了达到更加苛刻的NOx排放指标，要求预混器出口处的燃料-空气混合气接近燃料的贫燃极限。如果混合不够均匀，按照接近贫燃极限加注的燃料容易在局部不满足着火条件从而引起火焰局部淬熄，发生震荡燃烧甚至脱火，因此需要进一步增加预混器的混合均匀性。

贫预混火焰对气流扰动极为敏感，扰动也是震荡燃烧和脱火的重要诱发因素，因此希望预混器能降低气流扰动，实现出口流动平稳。

发展低碳燃烧和替代燃料，要求燃气轮机在高效低污染的同时拓展燃料适应性，用贫预混燃烧室燃烧含氢和高含氢燃料。氢气的可燃范围宽，火焰温度高、火焰传播速度快，火焰动态特征强烈，对于预混器防自燃、防回火、掺混均匀、降低气流扰动提出了更高的要求。

目前应用在贫预混燃烧室上的预混器采用旋流剪切以增强混合，需要较长的混合段与混合时间，流动和混合的可控性差，对于天然气燃料，不能完全避免自燃和回火，对于含氢和高氢的替代燃料不可用。其混合的均匀性不够，且旋流剪切容易引发大尺度非稳态旋涡，形成扰动，因此支持天然气燃料接近贫燃极限的稳定预混燃烧有困难，实际应用中要求复杂的燃烧模态组合及控制策略加以配合。

双环形对转式旋流预混器是较早应用于燃气轮机燃烧室的燃料-空气预混器，由于构造了强剪切流场，这一类型的预混器具有较好的混合性能，但是由于不能在出口下游的流场中心区域产生较强的回流流动，以及剪切流带来的扰动和间歇性，这种预混器的火焰稳定性较差。美国专利No.5165241、No.5251447、No.5351477、No.5590529、No.5638682和No.5680766介绍了其代表性的示例。

旋流喷嘴型燃料-空气预混器使用较大的来流导向叶片产生旋流，并在叶片前缘喷注燃料，使得预混器出口下游流场中产生了混合气体的中心回流流动，改善了火焰稳定性。但是由于流动中的剪切作用较弱，燃料与空气的掺混均匀度较低，因此这种预混器的掺混性能并不理想。美国专利No.6438961介绍了这一预混器的代表性示例。

双环形对转式旋流喷嘴预混器综合了上述两种预混器的设计特点，采用两级对转旋流器结构，并在叶片前缘喷注燃料，利用旋流器出口的两股反向旋流的剪切进一步强化混合，利用预混器出口处的非流线型中心体产生回流流动，提高火焰稳定性。但是由于预混器出口流场存在强剪切和回流分离流动，其下游流场出现大尺度非稳态旋涡，流动平稳性较差，从而直接影响了贫燃料预混火焰的稳定性。中国专利CN1707163A介绍了这一预混器的代表性示例。

综上所述，设计性能优良的燃料-空气预混器是燃气轮机燃烧室进一步降低污染、拓展燃料适应性的重要技术支撑，预混器应尽可能地缩短混合过程、强化掺混、增加流动和混合的可控性、保持流动平稳。虽然燃气轮机的贫预混燃烧室技术已经长时间、大范围使用，但目前应用的旋流掺混预混器在混合均匀度、流动和控制、流动平稳性等方面仍然存在不足和矛盾，造成实际使用中的性能缺憾和付出更多的代价，需要技术上的改进和提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种阵列驻涡燃料-空气预混器，可大幅度提升预混器的燃料-空气掺混均匀度，吸收和降低气流扰动，提高贫预混火焰稳定燃烧性能。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种阵列驻涡燃料-空气预混器，应用于燃气轮机燃烧室；其包括外周壁、中心体、叶片；

圆筒状中心体套置于圆筒状外周壁内，两者同轴共圆心，中心体径向小于外周壁，中心体前端与燃料输送管路相通连，后端封闭，中心体与外周壁的径向间隙构成环形空气通道；在中心体与外周壁的径向间隙中，有多个叶片；

多个叶片垂直设于中心体外周圆面上，每圈均匀分布形成圆盘状，多个圆盘状相互平行形成多层结构；

多个叶片包括空心叶片、扰流叶片、旋流叶片；空心叶片，固接于中心体外周圆面前部，周向设置至少一圈；扰流叶片，固接于中心体外周圆面中部，周向设置至少一圈；旋流叶片，固接于中心体外周圆面后部，周向设置一圈；旋流叶片与轴向平行，前半段宽，后端渐窄收起，后端相对预混器中心线(入口空气来流方向)呈一定周向夹角，后端头与中心体后端平齐，旋流叶片起导流作用，使混合气体产生绕中心线的旋流；

每一圈空心叶片、扰流叶片、旋流叶片交错排列，构成阵列式叶栅，在环形空气通道中，空气和燃料-空气混合气为非直线流动。

所述的预混器，其所述空心叶片，带有驻涡腔和燃料通道，内端固接于中心体外周圆面上；空心叶片前缘为大曲率弧形体，弧形体上设有多个通孔，为燃料喷口，后缘为平板状，后缘外侧面中心线上固接有挡流板，挡流板两侧形成两个对称的驻涡腔，空心叶片的内腔与中心体内空腔连通构成燃料通道。

所述的预混器，其所述扰流叶片带有驻涡腔，内端固接于中心体外周圆面上；扰流叶片前缘为大曲率弧形体，弧形体后外侧面中心线上固接有挡流板，挡流板两侧形成两个对称的驻涡腔。

所述的预混器，其所述空心叶片、扰流叶片，通过叶片阵列形成的在空间分布的大量驻涡运动加强燃料-空气掺混；根据空气来流条件和燃料的性质，设计空心叶片和扰流叶片的尺寸和阵列式排布方式，实现对预混器内的流动及涡旋的组织和控制，调控流动和浓度梯度引起的扩散，使叶片间不出现着火和稳定火焰的条件，在强化燃料-空气掺混、吸收和降低扰动的同时，消除发生回火和自燃的可能性。

所述的预混器，其所述中心体封闭的后端，为非流线型，形成具有稳定火焰作用的钝体。

本发明预混器的优点在于：阵列排布的叶栅，叶片中空输送和喷射燃料，叶型产生大量分布的驻涡流动增强混合，通过设计叶片尺寸和排列方式实现流动和混合可控、吸收和降低扰动；旋流叶片，前段平直后段弯曲，实现对气流的平顺导向；中心体，中空为燃料通道，末端非流线型钝体增强火焰稳定性。

可调控流动引起扩散和浓度梯度引起扩散的比例，使叶片间没有着火和火焰稳定的条件，在强化燃料-空气掺混的同时，消除发生回火和自燃的可能性。旋流叶片起导流作用，使混合气体产生绕通道中心线的旋流，同时不产生附着在叶片近壁处的涡旋。

附图说明

图1是本发明的一种阵列驻涡燃料-空气预混器外观的示意图；

图2是本发明的一种阵列驻涡燃料-空气预混器内部叶片的示意图。

具体实施方式

本发明应用阵列式排布的具有收缩叶型的叶片，利用在其表面产生空间分布的大量受控的驻涡流动，大幅度提升预混器的燃料-空气掺混均匀度，吸收和降低气流扰动，提高贫预混火焰稳定燃烧性能。

图1和图2是本发明预混器的示意图。燃气轮机压气机出口空气从环形通道13流入预混器。燃料从中心钝体12内部的通道11流入，经过空心叶片内部通道21，最终从位于空心叶片前缘两侧的多个喷口15流出，喷入空气流。在环形通道13内，燃料和空气共同向下游流动，在每个空心叶片或扰流叶片表面的驻涡腔内形成稳定、形状、强度可控的小尺度驻涡流动并相互掺混。通过上述大量空间分布的驻涡内部的旋转和剪切运动、以及气流穿过叶片阵列的绕流，燃料-空气的掺混均匀度大幅度提高，同时气流扰动被吸收和降低。根据空气来流条件和燃料的性质，通过设计空心叶片和扰流叶片的结构尺寸和排布方式，有效地控制预混器内的流动和涡旋，从而控制流场中的掺混以及对气流扰动的吸收过程，进而达到控制预混器内部及出口浓度场和速度场的目的。由于空心叶片和扰流叶片表面的驻涡尺寸小、旋转流速高，在增强掺混的同时，通过合理组织流动，增强低流速区的传热传质速率，消除发生回火和自燃的可能性。驻涡是依靠叶片壁面形成的稳定的流动结构，其尺度受叶型及列阵设计的控制，不会对下游流动施加大尺度非稳态的扰动，从而保证了掺混和流动的稳定性。掺混均匀后的燃料-空气混合气进入旋流叶片构成的叶栅通道，旋流叶片前直后弯、角度渐变的设计是气流平顺改变流动方向，不在旋流器叶片壁面附近形成分离和涡旋，最终从预混器出口22流出，进入燃烧室着火燃烧。中心钝体12和预混器出口22形成流动突扩，与旋流一起形成靠近中心线的轴向流速降低区域或回流区，起稳定火焰的作用。

通过以上具体实施方式对本发明进行了详细描述，但是应当理解，本发明并不限于所公开的实施例，相反，本发明旨在覆盖包括所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。因此，对保留本发明的目的而在细微之处略有不同的其他实例也是适用的。

Claims (4)

1.一种阵列驻涡燃料-空气预混器，应用于燃气轮机燃烧室；其特征在于，包括外周壁、中心体、叶片；

圆筒状中心体套置于圆筒状外周壁内，两者同轴共圆心，中心体径向小于外周壁，中心体前端与燃料输送管路相通连，后端封闭，中心体与外周壁的径向间隙构成环形空气通道；在中心体与外周壁的径向间隙中，有多个叶片；

多个叶片垂直设于中心体外周圆面上，每圈均匀分布形成圆盘状，多个圆盘状相互平行形成多层结构；

多个叶片包括空心叶片、扰流叶片和旋流叶片；空心叶片，固接于中心体外周圆面前部，前缘为大曲率弧形体，弧形体后外侧面中心线上固接有挡流板，挡流板两侧形成两个对称的驻涡腔，叶片周向设置至少一圈；扰流叶片，固接于中心体外周圆面中部，前缘为大曲率弧形体，弧形体后外侧面中心线上固接有挡流板，挡流板两侧形成两个对称的驻涡腔，叶片周向设置至少一圈；旋流叶片，固接于中心体外周圆面后部，周向设置一圈；旋流叶片与轴向平行，前半段宽，后端渐窄收起，后端相对预混器中心线呈一定周向夹角，后端头与中心体后端平齐，旋流叶片起导流作用，使混合气体产生绕中心线的旋流；

每一圈空心叶片、扰流叶片、旋流叶片交错排列，构成阵列式叶栅，在环形空气通道中，空气和燃料-空气混合气为非直线流动。

2.根据权利要求1所述的预混器，其特征在于，所述空心叶片，带有驻涡腔和燃料通道，弧形体上设有多个通孔，为燃料喷口，后缘为平板状，后缘外侧面中心线上固接有挡流板，空心叶片的内腔与中心体内空腔连通构成燃料通道。

3.根据权利要求1所述的预混器，其特征在于，所述空心叶片、扰流叶片，通过叶片阵列形成的在空间分布的大量驻涡运动加强燃料-空气掺混；根据空气来流条件和燃料的性质，设计空心叶片和扰流叶片的尺寸和阵列式排布方式，实现对预混器内的流动及涡旋的组织和控制，调控流动和浓度梯度引起的扩散，使叶片间不出现着火和稳定火焰的条件，在强化燃料-空气掺混、吸收和降低扰动的同时，消除发生回火和自燃的可能性。

4.根据权利要求1所述的预混器，其特征在于，所述中心体封闭的后端，为非流线型，形成具有稳定火焰作用的钝体。