CN1095463A - 气体燃料与空气混合燃烧的装置和方法 - Google Patents

Abstract

在燃气涡轮中将气态燃料与空气混合进行燃料 特别是预混式燃烧的装置，该装置含有一条形成空气 流通道的管道，该管道中有一个由相对的第一和第二 侧壁部分构成的变向弯头，上述两个侧壁部分分别限 定上述变向弯头的外面和内面。上述弯头建立一个 具有速度差的空气流区，该区域垂直于管道从邻近上 述弯头之外面的第一侧壁部分的高速区向低速区延 伸。气态燃料喷出装置将燃料从第一侧壁部分沿着 朝向低速区的方向喷入具有垂直于空气流的速度向 量的高速区内。获得快速而均匀的混合。

Description

本发明涉及将气态燃料与空气混合以便燃烧的装置和方法，具体地，涉及在燃气涡轮的燃烧器中的预混燃烧管道内将气态燃料与空气进行混合以便燃烧的装置和方法。虽然本发明的装置和方法可用于为了各种目的进行燃料与空气的混合，但是下面将主要涉及燃气涡轮燃烧器或燃烧室来进行说明。

能够按两种燃烧方式进行作业的燃气涡轮燃烧器已经被普遍采用。日本专利JP-A-61-22127（相应于美国专利US-A-4898001）公开了一种燃气涡轮燃烧器，这种燃烧器应用了采用多个喷嘴的扩散燃烧和也是采用多个喷嘴的预混燃烧，为了减少NO_x（氮的氧化物）的产生，往往进行用过多空气的低温燃烧。但是，在燃气涡轮燃烧的从点火到到额定荷载过程中要求很宽范围的燃料供入速度，这就使得不可能整个地通过预混燃烧来满足这种宽的供料速度范围。因此必需在从点火到燃气涡轮转动的某个转速或某个负载值的过程的燃烧速度范围内应用扩散燃烧。在扩散燃烧中，高温区会局部发生导致排放较多NO_x的倾向，因此，希望转到能进行均匀而用过多空气的低温燃烧的预混燃烧，以使尽可能减少NO_x。于是，燃气涡轮以点火时的扩散燃烧实现它的起动，然后，燃烧器逐渐转为预混燃烧，并由扩散燃烧火焰予以支持，这时空气与燃料之比达到预混燃烧的极限。

特别是在低的燃料供给速度的情况下，即使是预混燃烧，也不能在所有时间内都达到低的NO_x排放量。需要的是燃料进入预混燃烧空气中的均匀混合。

前面提到的JP-A-61-22127描述了燃料通过若干喷嘴局部供入预混燃烧空气流的情况，业已发现，当空气流量或燃料喷出速度发生变化时，燃料在空气中的浓度分布不是恒定的。尤其是，喷出燃料的轨迹在燃料喷入空气之后会随荷载的变化而发生明显变化。燃料分布不均匀将导致较高的NO_x产量。

日本专利JP-A-62-294815示出了从在气流通道的直线部分的位于空气流通道中心的喷嘴喷出燃料。认为要依靠通过通道的燃料与空气的混合，但未进行专门的测量。

在日本专利JP-U-59-108054所示的结构中，燃料沿相对于燃料器入口的径向向外方向喷入空气流通道的文杜里管区，燃料被从空气通道的径向内圆筒壁部分与向着通道的突起弯曲的径向外壁部分喷出，这里，也是依靠空气和燃料在燃料喷出区之出口处、空气通道的大致为直线的部分进行混合。

本发明的目的是提供用来在燃气涡轮燃烧器中将空气与燃料混合以便进行燃烧特别是预混燃烧的装置和方法。其中，燃料在空气中的浓度分布能保持高度的均匀，不管燃烧器的载荷如何变化（也就是空气量或燃料量的变化），也都是这样的。

为实现本发明的上述目的，本发明提供了一种在燃气涡轮的预混燃烧中混合气态燃料与空气的装置，该装置包含：一根构成空气流通通道的管道，其特征在于，该管道若沿纵剖面看去，有一个围绕着形成一弯头的顶点的一部件的变向弯头，上述装置还有用来将气态燃料沿着朝向上述弯头顶点的方向从对着上述顶点的管道的型部分喷入空气流中的装置。上述结构的作用在于，变向弯头在管道中形成一个具有速度差的空气流区，该区从邻近变向弯头外面的第一侧壁部分的高速区向着离开上述第一侧壁部分的低速区垂直于管道延伸。将气体燃料从第一侧壁部分沿着朝向低速区的方向喷入具有垂直于空气流的速度向量的高速区中，可使气体燃料快速而均匀地混入空气中。

一般说来，变向弯头可使空气流的方向从第一方向转为与第一方向成180°的第二方向，而气体燃料之喷出方向则大致平行于第二方向。这就使燃料在弯头之出口处得到特别良好的混合。

形成上述变向弯头顶点的部件最好是将上述管道的同心环形件隔成各自的上游和下游的隔板，这就使本发明装置的结构紧凑而较简单。上述形成弯头之顶点的隔板之端部最好是扩大的，以便使空气流平稳绕过弯头。

本发明还提供一种燃气涡轮的燃烧器，用于按预混方式作业，该燃烧器含有一个燃烧区和一根形成供应燃烧空气到燃烧区的通路的管道，所述通路包含一个变向弯头（若从纵剖面看去），上述燃烧器还有将气体燃料在变向弯头处沿垂直于空气流的方向从变向弯头的外面向着其内面喷入燃烧空气中去的装置。

燃烧空气的通路最好在变向弯头之下游处有一混合区，气体燃料在变向弯头的喷出方向大致平行于混合区的流动方向。

本发明还提供了一种在燃气涡轮中实现将气体燃料与空气预混以便燃烧的方法，该方法包括含使空气流在一变向弯头处反向，并将气体燃料在变向弯头处沿垂直于喷出位置的气流方向的方向从变向弯头的外面向着其内面喷入空气气流中。

下面结合附图通过非限定实例来说明本发明的实施例，附图中：

图1是装有本发明的燃料-空气混合装置的燃气涡轮燃烧器的轴向剖面图;

图2是沿图1的A-A的横剖面图;

图3是类似于图1的表示出本发明燃料-空气混合装置细节的轴向剖面图;

图4是用于图3的燃料-空气混合装置的燃料喷嘴部件的透视图;

图5是本发明的另一种燃气涡轮燃烧器（类似于图1）的部件的分解透视图;

图6是本发明装置的工作情况的解释性的视图;

图7是本发明装置的工作情况的另一个解释性的视图;

图8是说明混合程序与燃料喷出流速的关系的曲线图;

图9是本发明另一个实施例的燃料-空气混合装置的轴向剖面图;和

图10是本发明的再一个实施例的燃料-空气混合装置的轴向剖面图。

图1-4所示的燃气涡轮燃烧器或燃烧室是多个围绕燃气涡轮（未示出）轴线排列的同类燃烧器中的一个。每个燃烧器在空气中燃烧燃料提供燃气来驱动燃气涡轮。燃烧器本身通常是相对于其自身轴线10对称的。

燃烧器有外圆筒壁16和与它同心的圆筒形隔壁件9，该隔壁件9之一部分构成燃烧器的衬壁21而限定一个燃烧室12。将空气和燃料之混合物供入燃烧室12按两种方式进行燃烧，这两种方式是预混燃烧和扩散燃烧。下面将较详细地说明。

燃烧器之一侧是空气室3和空气扩散器2。来自燃气涡轮压气机（未示出）的压缩空气流1在扩散器2中提高静压力后供入空气室3。一部分压缩空气从空气室3沿箭头4所示路线通过衬壁21中的大量孔眼作为燃烧器衬壁21的冷却空气供入，其余的压缩空气则通过外壁件16与隔壁件9之间的环形通道。

环形件31通过支撑33安装在外壁16上，在其内圆周有一个大致为圆筒形的部件28，该部件28与外壁件9、隔壁件16同心，并向燃烧室12延伸。环形件31和28通过螺钉29固结在一起（细节见图3），管形件50通过法兰51安装在燃烧室的端壁34上，在其内部有一个扩散燃烧的燃料通道25。在管形件50与环形件31、28的内壁之间有一条扩散燃烧的空气用的环形通道17。该通道的出口端有来自扩散燃料通道25的孔道18，还有使燃料/空气混合物在它从扩散燃烧口20进入燃烧室12时发生旋转运动的叶片19。

支撑33之间形成孔道26，一部分空气的气流6从该孔道26流向通道17，其余的空气作为预混燃烧空气环绕通过隔壁件9的自由端（如箭头5所示），使其方向变换180°，流过环形件28与隔壁9之间的环形通道30，并通过环形预混燃烧入口11流到燃烧室12。

预混燃烧用的气体燃料流13借助管道27通过一个支撑33供入环形件31内的环形室14，并由此地流过多个燃料喷出口8，这些喷出口位于安装在环形件31的燃料喷嘴件7上，每个喷出口的直径为2mm，（细节见图3）。因此，预混燃烧燃料沿箭头13（见图3）所示方向（该方向垂直于预混燃烧空气的流动方向）在预混燃烧室空气流路的180°弯头的外面喷出。燃料喷出方向平行于在通道30的180°弯头出口处的预混燃烧空气的流动方向，并且对着构成180°弯头内面上的顶点的隔壁件9的自由端，如图3所示，隔壁件9的自由端有一扩大部分10，成为凸起的弯曲外表面，限定了180°弯头的内部。

如图2所示，有8个呈环形排列并由隔板25彼此隔开的燃料喷嘴件7。图4是一个燃料喷嘴件7的透视图，示出该喷嘴件7的向外表面是一个弯曲表面，该表面带有16个按圆弧排列的燃料喷出口8，因此，总共有128个喷出口8在燃烧器周围的圆弧上紧密相隔排列，这就可造成沿圆周方向进入预混燃烧空气中的燃料分布很均匀。如上所述并从图2可见，预混燃烧空气通道由隔板35沿圆周隔成8个扇形段件32，但也可用大量的隔板（例如32块隔板）35，每个扇形段件32有四个燃料喷口8。

扩散燃烧的燃料以燃料流24供入通道25，并从这里流过孔道18并在叶片19处进入扩散燃烧的空气流内。该燃料流在扩散燃烧器出口20开始燃烧，并在燃烧室12内继续燃烧。同样地，预混的空气/燃料混合物也在预混燃烧器出口处开始燃烧，并在燃烧室12内继续燃烧。在燃气涡轮初始转动过程中，由扩散火焰支持燃烧直到达到某一分载荷值为止。当载荷增大到额定值时，预混燃烧的比率逐渐增大以便达到某一低NO_x产出，在额定载荷时，扩散燃料流量可能减小到零值，尽管只有极少量扩散燃料供入以稳定火焰。在燃烧室12燃料产生的高温燃气流23通过过渡件22到达燃气涡轮入口（未示出）并驱动燃气涡轮。上面已提到过，围绕涡轮的轴线有一列同类的燃烧器。

如上所述，预混空气流5回转180°通过连接两个同心环形通道件的变向弯头，该变向弯头的外部有燃料喷嘴件7，在其内部有隔壁9的凸起弯曲扩大端10。环形件28有一个弯曲表面部分28A，有助于空气流沿上述弯头平稳流动。在环形件28和隔件9之间的环形通道内上述弯头的出口处，燃料与空气在混合区内混合，在该混合区内，流动方向平行于燃料通过喷出口8的喷出方向。因此，预混燃料在燃料喷出位置上沿着垂直于空气流方向的方向从180°弯头的外面向着该弯头的内面喷出。

图5示出图1-4所示燃烧器结构的一种改进方案，其中，相应的部件用相同的标号表示。图5示出两个主要部件即环形件31和28是如何用螺钉29固结在一起的。在该实施例中，没有隔板35。燃料喷嘴件7从环形件31凸起，并套入环形件28的孔道36内。

图6用实线37示出预混燃料的喷出轨迹，用虚线38示出同一区域的空气流。两条实线37表示燃料轨迹，大部分燃料在这两条线之间的区域内流过。虽然燃料轨迹由于在燃料正好喷出后被空气流沿其方向弄得弯曲，但是，由于跟随着空气流本身的弯曲的区域A内支流的发展而使紊流变得更大时，混合过程迅速发展。流过变向弯大的空气有一个速度差，即靠近喷嘴件7是高速区，而靠近隔壁9的端头10是低速区。燃料喷入对着低速区的高速区。图6还示出已流过弯头的空气离开环形件28的表面流向隔壁件9的内表面，所以，已在A区混合入空气的燃料向着隔壁件9的表面扩散，因而较快地在通道30的整个横截面达到良好的燃料弥散状态。

如图7所示，如果以较高速度喷出燃料，燃料会直接地进一步穿入空气流即向着隔壁件9的端头10，并且可很快速地达到与空气混合。

图8示出两种混合试验结果之比较，一种试验是在基本上是现有技术的燃烧器上进行的（该燃烧器的结构见美国专利No.4898001说明书的图19，但不带有旋转的叶片37），另一种试验是在本发明图1-4所示结构的燃烧器上进行的。在该试验中，测量了空气流通道30中距离燃料喷出位置之下游200mm处的横截面上混入预混燃料中示踪气体的浓度分布。为了评价混合的程度，计算出在每一点上的浓度相对于横截面上平均浓度的分散度作为标准偏差，该标准偏差称为混合指数。该指数值小，表明混合得好。

图8表明，在较宽的燃料喷出流速范围内，本发明实施例的混合指数比所比较的燃烧器结构要小，因此混合较均匀。特别是，当流速较低时，现有技术实施例中混合较差。这就意味着，在本发明中，即使在部分荷载下（此时燃料的动能小），也可得到满意的混合特性。可以相信，由本发明得到的改善的混合特性会导致大大减少在燃烧器作业过程中的NO_x产量。

为了达到最佳的燃料混合，可对本实施例中燃料喷出口8的尺寸进行选择。例如可采用一套不同尺寸的喷出口8的组合。当燃料的动量随不同尺寸的喷出口8变化时，燃料轨迹的宽度可增加，这就进一步改善燃料在图6所示A区中的弥散情况。另外，也可能通过改变燃料喷出口8的直径和间距对应于预混空气流的局部变化来供给不同数量的燃料，这样，使可适应沿圆周不均匀分布的空气流。

图9表明，通过在通道30内部即180°弯头之出口处设置部件42和43，制成具有减小面积段40和增大面积段41形式的文杜里管结构，用这种结构可进一步加速燃料与空气的混合。为了将压力损失减到最小，文杜里管构件在入口一侧的伸张角可做得小些。

在图10所示的实施例中，空气通道30设有一块导流板62，用以增大空气通道横截面上的从燃料喷出侧至对面侧的速度差，换句话说，在通道壁上设这样一个凸块可用来使空气偏流。

总言之，在本发明中将气态的预混燃料在预混空气流爱道的弯头处喷入预混空气流中，这样，燃料是垂直于空气流从弯头的外面向弯头之内部喷出。因此，燃料被喷入对着低速区的空气流高速区，并快速地扩散到空气中。当在燃料喷出部位之出口处存在空气紊流区时，上述情况是特别有利的。在喷出区，空气流可能是分层的。在一个燃料喷出速度的宽范围内，混合是良好的，所以，在一个宽的负载条件范围内可能使形成产生NO_x的高温火焰区的非均匀混合倾向减到最低，而且，燃烧器的预混空气流通道带有预混空气流通道的180°弯头的这种结构较为紧凑、易于实施。

虽然按照实施例说明了本发明，但是并不限于这些具体实施例，在本发明的精神范围内可进行改进和变化的。

Claims (14)

1、用来将燃烧的气态燃料与空气混合的装置，含有一条形成空气流通道的管道，该管道有一变向弯头，该弯头由上述管道之相对的第一壁部分和第二壁部分构成，当沿上述管道的纵剖面看去时，上述的第一和第二壁部分分别限定上述变向弯头的外面和内面，上述变向弯头在上述管道内建立了一个带有速度差的上述空气流区，该区从邻近在上述变向弯头之外面的上述第一侧战斗部分的高速区向远离上述第一侧壁部分的低速区延伸，上述的装置还具有将上述的气态燃料从上述第一侧壁部分沿着朝向上述低速区的方向喷入具有垂直于空气流的速度向量的上述高速区内的装置。

2、根据权利要求1的装置，其特征在于上述管道还有一个将上述空气与上述气态燃料在上述变向弯头之出口处进行混合的混合区。

3、根据权利要求2的装置，其特征在于，在上述管道的上述混合区内还有一文杜里管部分。

4、根据权利要求1的装置，其特征在于上述管道具有由一环形隔板隔开的内、外同心的环形部件，上述环形隔板具有一个提供上述限定上述变向弯头的内部的第二壁部分的轴向端部。

5、根据权利要求4的装置，其特征在于上述环形隔板的上述轴向端相对于其隔开上述管道的上述外、内同心环形部分的邻近部分是扩大的。

6、根据权利要求4的装置，其特征在于上述环形隔板的上述轴向端有一个构成上述围出上述变向弯头的内面的第二壁部分的突起弯曲面。

7、根据权利要求4的装置，其特征在于，上述的喷出燃料的装置包含若干孔眼，这些孔眼位于上述限定上述变向弯头之外面的第一壁部分，并围绕上述管道之上述同心环形部件轴线呈环形排列。

8、在一台燃气涡轮的一条预混燃燃烧空气通道中混合气体燃料和空气的装置，具有一条形成上述空气通道的管道，其改进在于：上述管道若从其纵剖面看去，有一个变向弯头，该变向弯头围绕一个限定其一个顶部的部件，上述装置还具有将上述气态燃料沿着朝向上述弯头的上述顶点的方向从上述管道的对着上述顶点的壁部分喷入上述空气流中的装置。

9、根据权利要求8的装置，其特征在于，上述的变向弯头实现使上述空气的流动方向从第一方向变换为与第一方向成180°的第二方向，上述气态燃料的喷出方向则大致平行于上述的第二方向。

10、根据权利要求8的装置，其特征在于，上述的构成上述变向弯头的上述顶点的部件是一件将上述管道的同心环形部件的上游和下游隔开的隔板。

11、一种燃气涡轮的燃烧器，用来按预混燃烧方式进行燃烧，上述燃烧器含有一燃烧区和一条形成提供燃烧空气到上述燃烧区的路线的管道，上述管道含有一个若从其给剖面看去的变向弯头，上述燃烧还具有将燃烧沿垂直于上述空气流的方向在上述变向弯头处从该弯头的外面向着其内面喷入上述燃烧空气中的装置。

12、根据权利要求11的燃烧器，其特征在于，上述燃烧空气管道还包括一个位于上述变向弯头出口处的混合区，上述的在上述变向弯头处喷出气态燃料的方向大致平行于在上述混合区内的流动方向。

13、根据权利要求11的燃烧器，其特征在于，上述管道具有外、内同心环形部件，这两环形件在上述变向弯头处连接，上述弯头的上述内面由一块隔开上述外环件和上述内环件的隔板的轴向端限定。

14、一种在燃气涡轮中实现将要燃烧的气态燃料与空气混合的方法，包含：使空气流在变向弯头处反向，并将上述气态燃料在上述变向弯头处沿垂直于空气气流方向的方向在喷出位置从上述变向弯头的外面向着其内面喷入上述空气流内。

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