CN1122781C - 低噪声燃烧方法 - Google Patents

Abstract

一种减少气体透平机的燃烧器由于燃烧燃料和空气引起的压力波动的方法，该方法包括将在燃料喷嘴组件下游的燃烧器中的燃料/空气混合物燃烧使由燃料喷嘴组件产生的环流区与出口平面相隔一定的距离，在透平机的整个运行条件下使燃烧产物与混合区中的燃料和空气隔离。

Description

低噪声燃烧方法

本发明涉及的是低NOx预混燃料喷嘴，具体地说涉及的是气体透平机的燃烧方法。

高温燃烧会生成氮氧化物(后面称作NOx)，NOx是众所周知的污染物，因此，对生成NOx的燃烧装置的标准日益严格，以防止这些污染扩散。所以，目前正致力于减少燃烧装置中的NOx的生成。

一个解决方案在于使燃料与过量的空气预混，这样通过在局部用超量空气进行燃烧，产生较低的燃烧温度，由此形成最少的NOx。这样运行的燃料喷嘴在美国专利No.5307634中作了描述，该专利所介绍的涡形旋流器具有锥形中心本体。这种燃料喷嘴是切向进气燃料喷嘴，并有两个与两块端板相连的偏心圆柱式弧状涡壳。燃烧空气通过两个大体为矩形的由偏心涡壳构成的槽口进入旋流器，然后经一块端板上的燃烧器入口孔排出，流入燃烧器中。外部涡壳上的与内部后缘相对的一排孔将燃料从总管喷入到各入口槽处的气流中，以便在排入燃烧器之前形成均匀的燃料空气混合物。

已经证明这种切向进口式预混燃料喷嘴的NOx的扩散量要比现有的燃料喷嘴的少。但遗憾的是，在某些情况下，象上面的专利所述的那类燃料喷嘴会产生噪声和过大的燃烧器压力波动，这有损于气体透平机。因此，这种切向进口式燃料喷嘴不适于作为有效的商品气体透平机。

人们需要一种能大大减少造成燃烧器过大压力波动的噪声的燃烧方法。

所以本发明的一个目的在于提供一种燃烧方法，这种方法产生的燃烧噪声与已有技术的方法相比有了大幅度减少。

本发明的另一个目的在于提供一种可以结合使用切向进气式燃料喷嘴的燃烧方法，这种方法大大减少了燃烧噪声，同时排放可以接受的少量NOx产物。

因此所描述的方法减少了气体透平机的燃烧器由于燃烧燃料和空气引起的压力波动，该方法包括在燃料喷嘴组件的混合区内使燃料和空气混合，由此产生燃料/空气混合物，使混合物通过混合区下游的燃烧器入口的出口平面流入到燃烧器中，使第一部分混合物流入到中部环流区，使这里的第一部分混合物中的至少一部分进行燃烧，使第二部分混合物流入中心环流区径向朝外的外部环流区中，并使第二部分混合物中的至少一部分进行燃烧，使上述各环流区与出口平面保持隔开一定的距离，并在透平机的整个运行条件下使燃烧产物与混合区中的混合燃料和空气隔离。

图1是沿图2的1-1线作的本发明燃料喷嘴的横向剖面图；

图2是沿图1的2-2线作的横向剖面图；

图3是沿图2的3-3线作的本发明燃料喷嘴的横向剖面图。

现在参见图1，本发明的低NOx预混燃料喷嘴10包括一个在涡形旋流器14内的中心本体13。涡形旋流器14包括第一和第二端板16，18，第一端板与中心本体12相连，并与第二端板18隔开，第二端板上有一个延伸通过该端板的燃烧器进口20。从第一端板16向第二端板18延伸有若干个圆柱式弧状涡壳，最好有两个这样的涡壳22，24。

如图2所示，涡壳件22，24绕着喷嘴10的纵轴线26均匀隔开，由此在它们之间限定出混合区28。每一个涡壳件22，24都有一个对着纵轴线26的径向内表面，并限定出绕中心线32，34旋转的部分回转表面。这儿所用的词″部分回转表面″指的是使一根线旋转时产生的表面，该表面比绕任一根中心线32，34作完整转动时形成的表面小。

如图2所示，每一个涡壳件22与另一个涡壳件24隔开，每一个涡壳件22，24的中心线32，34都位于混合区28内。参见图3，每根中心线32，34与纵轴线26平行隔开，所有的中心线32，34都与纵轴线26隔开相同的距离，这样就在一对相邻的涡壳22，24之间限定出了平行于纵轴线26延伸的进口槽36，38，进口槽将燃烧空气40引入到混合区28。从压缩机(未示出)出来的助燃空气流过由具有偏离中心线32，34的涡壳件22，24的搭接端44，50，48，46构成的进口槽36，38。

各个涡壳件22，24还有一个燃料管道52，54，当燃烧空气通过某一进口槽36，38进入混合区28中时，燃料管道将燃料引入到燃烧空气40中。燃料第一管线(未示出)可以供应液态或气态燃料，但最好供应气态燃料，该管线与各燃料管道52，54相连。与纵轴线26同轴的燃烧器进口孔20紧靠燃烧器56，以便根据本发明将燃料和燃烧空气排放到燃烧器56中，燃料和空气在燃烧器中燃烧。

现在再参见图1，中心本体12有一个基座58，基座至少有一个、最好有若干个通过该基座的供气孔60，62，基座58垂直于延伸通过该基座的纵轴线26。中心本体12还有一个与纵轴线26同轴的内部通路64，该通路通到燃烧器进口孔20中。通过内部通路64的空气可以作为供应的助燃气体，也可以不作为供应的助燃气体，该部分空气最好随着经过进口槽36，38进入的燃烧空气一起旋转，但也可以反向旋转或不转。如果中心本体需要供应助燃气体，则在本发明的此优选实施例中，内部通路64包括一个具有第一端68和第二端70的第一圆柱形流路66以及一个直径比第一圆柱形流路66大的第二圆柱形流路72，第二流路也有第一端74和第二端76。第二圆柱形流路72通过一个锥形流路78与第一圆柱形流路66连通，锥形流路的第一端80的直径与第一圆柱形流路66的直径相同，锥形流路的第二端82的直径与第二圆柱形流路72的直径相同。各个流路66，72，78均与纵轴线26同轴，锥形流路78的第一端80与第一圆柱形流路66的第二端70成一整体，而锥形流路78的第二端82与第二圆柱形流路72的第一端74成一整体。第一圆柱形流路66包括一个与纵轴线26同轴的圆形排气口68，该排气口位于第一圆柱形流路66的第一端68处。

现在参见图3，中心本体12的径向外表面84包括一个截锥体部分86和一个弧形部分88，截锥体部分限定出一个与纵轴线26同轴、并朝着基座58扩大的截锥外表面，弧形部分与截锥体部分86成一整体，该弧形部分最好限定出一部分由圆周运动形成的表面，它与截锥体部分86相切，其中心在纵轴线26周围的径向外侧。在该优选实施例中，截锥体部分86的一端所处的平面上开有排气口68，截锥体部分86的基座(不是中心本体的基座58)的直径比该截锥体部分86顶端处的直径大2.65倍。截锥体部分86的高度90(截锥体部分86的基座所处的平面和截锥体部分86的顶端所处的平面之间的距离)大约是截锥体部分86在其基座处的直径的1.90倍。下面将进一步详细描述，位于基座58和截锥体部分86之间的弧形部分88的平缓过渡表面在轴向上使进入切向喷嘴10中的燃烧空气40转向，这里的燃烧空气是在基座58附近进入喷嘴的。如图3所示，内部通路64沿径向处在中心本体12的径向外表面84之内，截锥体部分86与纵轴线26同轴，中心本体12与基座58相连，这样截锥体部分86变细的那一端位于第一圆柱形流路66的排气口68处。

如图2所示，截锥体部分86的基座设置在内切于混合区28的圆92中，其圆心94在纵轴线26上。本领域的技术人员很容易明白，由于混合区28的截面不是圆的，所以弧形部分88装入时肯定受到切割。在弧形部分88延伸到各个进口槽36，38的地方，弧形部分88上留有斜面部分96，98，将斜面部分机加工形成翼形斜面96，98，翼形斜面引导进入进口槽36，38的空气离开基座58，到达混合区28内的弧形部分88上。

现在参见图1，在该优选实施例中，一个内室100位于中心本体12的基座58和第二圆柱形流路72的第二端76之间，该圆柱形流路的第二端终止于室100。空气102通过基座58上的供气孔60，62供给室100，供气孔与室100相连通，然后室100将空气通过第二圆柱形流路72的第二端76供给内部通路64。第一端板16上开有与基座58上的供气孔60，62对齐的孔104，106，从而不影响来自气体透平压缩机的燃烧空气102的流动。已有技术中的最好是径向内流式旋流器108与纵轴线26同轴，并设置在室100中紧靠第二圆柱形流路72的第二端76的附近，从而使从室100进入内部通路64的所有空气必须流过旋流器108。

一个燃料喷管110也与纵轴线26同轴，该喷管最好延伸通过基座58，室100以及离心式喷嘴108，然后进入内部通路64的第二圆柱形流路72中。第二圆柱形流路72的较大直径与燃料喷管110的横截面积配合，使第二圆柱形流路72的流动截面基本等于第一圆柱形流路66的流动截面。可以供应液体燃料或气体燃料的第二燃料供应管线(未示出)与燃料喷管110相连，以便将燃料供给燃料喷管110内的内部流路112中。燃料喷管110上开有燃料喷口114，燃料喷口所提供的通路使燃料从燃料喷管110进入内部通路64。

参见图3，燃烧器进口20与纵轴线26同轴，该进口有一个会聚面116和一个延伸到燃料喷管10的出口平面124的排气表面118，该排气表面可以呈圆柱形，会聚状或扩散状。会聚面116和排气表面118也与纵轴线26同轴，会聚面116位于第一端板16和排气表面118之间。会聚面116基本为锥形，它朝着排气表面118变细。排气表面118在中间平面120和燃烧器孔的进口20的燃烧器表面122之间延伸，进口20垂直于纵轴线26，并限定出本发明燃料喷嘴10的出口平面124。

会聚面116的终止于中间平面120处，在此处的会聚面116的直径等于圆柱形表面118的直径。如图3所示，中间平面120在出口平面124和内部通路64的排气孔68之间，会聚面116位于圆柱形表面118和第一端板16之间。为了在燃烧器进口孔20中建立起理想的燃料/空气混合物的速度分布，会聚面116沿着纵轴线26延伸预定的距离126，圆柱形表面118沿着纵轴线26延伸预定的距离128，该距离至少为预定距离126的30％。

在运行中，来自气体透平压缩机的燃烧空气流过孔104，106和基座58上的供气孔60，62，进入中心本体12的室100中。燃烧空气经径向内流旋流器108从室100中出来后相对于纵轴线26基本以切向速度或以涡流的形式进入内部通路64。当该涡流的燃烧空气通过燃料喷管10时，将最好是气态的燃料从燃料喷管110中喷到内部通路64内，使其与涡流燃烧空气进行混合，然后，燃料和燃烧空气的混合物从第二圆柱形流路72经锥形流路78流入第一圆柱形流路66中。此后混合物沿着第一圆柱形流路66的长度下行，混合物刚好在离燃烧器进口孔20的中间平面120不远处或刚好在该平面处从第一圆柱形流路66中出来，这样就提供了燃料空气混合的中心气流。

来自气体透平压缩机的助燃空气通过各个进口槽36，38进入混合区28。进入紧靠基座58的进口槽36，38中的空气由斜面96，98引向弧形部分88，进入涡形旋流器14的混合区28内。供给燃料管道52，54的燃料(最好是气态燃料)喷到流过进口槽36，38的燃烧空气中后与燃烧空气混合。由于涡壳件22，24的形状，该混合物在中心本体周围形成了环形涡流，当燃料/空气混合物作涡流运动时继续混合，同时沿着纵轴线26流向燃烧器进口孔20。

由涡形旋流器14产生的环形涡流最好与第一圆柱形流路66中的旋流的燃料/空气混合物一起转动，该环形涡流最好具有角速度，该角速度至少与第一圆柱形流路66中的燃料/空气混合物的角速度一样大。由于中心本体12的形状，环形气流的轴向速度保持在一个可以避免燃烧器火焰进入涡形旋流器14中而到达中心本体2外表面84的速度上。当离开第一圆柱形流路66时，涡形旋流器14的环形气流包围了中心气流的燃料/空气旋流混合物，这两股气流进入燃烧器进口孔20的喉部120，并径向地在圆柱形表面118内流动，一直到达混合区28下游的燃烧器进口孔20的出口平面124。

当离开燃烧器进口孔20时，中心气流与环形气流之间的相互作用在出口平面124的下游处(即中心环流区和内部通道排气孔之间的出口平面)产生了中心环流区200，该环流区与出口平面隔开一定的距离。圆柱形表面118和燃烧器进口孔20的燃烧器表面122交接处形成的锐角边缘130使燃料/空气混合物突然膨胀，使中心环流区200径向外部的燃料/空气混合物作环流运动。在该外部环流区300中产生的燃烧和火焰使边缘130附近的″外部″火焰得到稳定，但该火焰与出口平面124相隔一定的距离，而且完全在该出口平面的下游。根据本发明的设计，在机器的整个运行条件下，两个环流区200，300保持与出口平面124相隔一定的距离。

本发明的喷嘴10大幅度减少了流动过程中的波动，并减少了由此引起的热释放速度，而这种波动和热量释放会使燃烧器的压力波动和噪声过大。本发明消除了燃烧过程和出口平面124之间的上述相互影响，产生非常小的声音波动。因此，本发明解决了切向进气燃料喷嘴10中出现的压力波动过大的问题，同时使其具有低排放性能。

尽管结合具体实施例对本发明作了描述但本领域的技术人员应当明白，在不超出本发明权利要求的保护范围的前提下，可以对本发明的形式和细节做出各种变化。

Claims (2)

1.一种减少气体透平机的燃烧器由于燃烧燃料和空气引起的压力波动的方法，该方法包括：

在一个燃料喷嘴组件的混合区内使燃料和空气混合，由此产生燃料/空气混合物；

使混合物通过所述混合区下游的燃料喷嘴的出口平面流入到燃烧器中；

使第一部分混合物流入中心环流区，并且使第一部分混合物中的至少一部分在此进行燃烧；

使第二部分混合物流入在所述中心环流区径向外侧的外部环流区中，并使第二部分混合物中的至少一部分进行燃烧；

使上述各环流区与所述出口平面保持隔开一定的距离，并在透平机的整个运行条件下使燃烧产物与混合区中的燃料和空气隔离。

2.一种减少气体透平机的燃烧器由于燃烧燃料和空气引起的压力波动的方法，该方法包括：

提供一个燃料喷嘴组件，该喷嘴组件包括一个中心本体，该中心本体有一个纵轴线，一个径向外表面，一个中心本体的基座，和一个与纵轴线同轴的内部通路，所述径向外表面包括一个截锥体部分和一个弧形部分，该截锥体部分限定出一个与纵轴线同轴、并朝着其截锥基座扩大的截锥外表面，该弧形部分与截锥体部分成一整体并最好限定出通过旋转一个圆而形成的表面的一部分，其中该圆与截锥体部分相切并且其中心在纵轴线周围的径向外侧，所述的中心本体基座至少有一个通过该基座的供气孔；

在所述喷嘴中使燃料和空气混合，由此产生燃料/空气混合物；

使所述混合物通过所述燃料喷嘴的出口平面流入到该燃烧器中；

使第一部分混合物流入一个中心环流区，并且使第一部分混合物中的至少一部分在此进行燃烧；

使第二部分混合物流入一个在中心环流区径向外侧的外部环流区中，并使第二部分混合物中的至少一部分进行燃烧；

使上述各环流区与所述出口平面保持隔开一定的距离，并在透平机的整个运行条件下使燃烧产物与混合区中的燃料和空气隔离。

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