CN1187600A - 从双流切向进气喷嘴中排出火焰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能减少燃烧火焰稳定在切向进气喷嘴混合区内的倾向的方法,它包括,在燃料喷嘴组件内的混合区中混合燃料和空气,这样产生第一燃料/空气混合物,通过在整个混合区内保持足够高的轴向速度,并利用中心体(加注燃料或不加注燃料)内的第二内部通道和燃烧器进口表面的结合,使第一燃料/空气混合物与燃烧产物隔离。

Description

从双流切向进气喷嘴中排出火焰的方法

本发明涉及低氮氧化物(NOx)予混燃料喷嘴，特别是用在燃气涡轮机上的这类喷嘴。

高温燃烧的结果会产生氮氧化物(以后称之为NOx)。NOx是众所周知的污染物，因此产生NOx的燃烧设备要遵守严格的排放标准。所以，为了在燃烧设备中减少NOx的形成，人们做了大量努力。

一种解决方案是将燃料与过量的空气予混，使在局部高过量空气下发生燃烧，这样使燃烧温度相对较低而而使形成的NOx最少。这样运行的一种切向进气喷嘴已显示在美国专利5307634中，该专利公开了一种锥形中心本体的涡壳旋流器。该涡壳旋流器包括两个偏心的圆柱式弧形涡壳，它们连至两个端板。燃烧空气通过形成在偏心涡壳上的两个矩形入口槽进入旋流器，从一个端板上的燃烧器进口排出，流进燃烧器。外侧涡壳上的与内部后缘相对着的一排孔将燃料从一总管注入到各入口槽处的空气流中，使在流进燃烧器之前产生均匀的燃料空气混合物。

这种类型的予混燃料喷嘴与现有技术中的燃料喷嘴相比，大大地降低了NOx的排放。然而在该喷嘴中，由于火焰稳定在喷嘴的予混区内，导致中心体状况恶化，存在喷嘴耐久性问题。这样就限制了这类喷嘴用于燃气涡轮机中的运行寿命。

这样就需要一种燃烧的方法，它能显著减少燃烧火焰稳定在燃料喷嘴中的倾向，并试图把进入燃料喷嘴混合区中的火焰排出去。

因此本发明的目的是提供一种燃烧方法，它能显著地减少燃烧火焰稳定在切向进气喷嘴内的倾向。

与此相对应，本发明公开了一种能防止燃烧火焰稳定在切向进气喷嘴内的倾向的方法，它包括：在燃料喷嘴的混合区中混合燃料和空气，在燃烧器进口喉部的下游燃烧混合物，这样在机器的所有运行工况下，使燃烧产物与喷嘴内混合的燃料和空气隔离。

图1是本发明燃料喷嘴的断面图，取自图2的1-1线；

图2是取自图1中2-2线的断面图；

图3是本发明燃料喷嘴的断面图，取自图2的3-3线。

参照图1，本发明的低NOx予混燃料喷嘴10包括一个中心本体12，它在旋流器14内。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分隔开来，第二端板上具有延伸穿过该端板的燃烧器进口20，若干(最好是两个)柱式弧状涡壳件22、24从第一端板16延伸至第二端板18。

如图2所示，涡壳件22、24相对于喷嘴10的纵轴26均匀地间隔开，由此限定了它们之间的混合区28。每个涡壳件22、24具有一个面对纵轴26并限定了中心线32、34周围的部分旋转表面的径向内表面。这里所说的“部分旋转表而”是指，使一条线绕中心线32、34之一旋转小于一圈的旋转所产生的表面。

如图2所示，每个涡壳件22同其他涡壳件24呈间隔关系，各涡壳件22、24的中心线32、34位于混合区28内。参照图3，各中心线32、34平行于纵轴26并与其有一定的间隔，所有中心线32、34都与纵轴26等距，这样限定了每对相邻的涡壳件22、24之间的平行于纵轴26延伸的入口槽36、38，这些入口槽将燃烧空气40引入混合区28。来自压缩机(未示出)的助燃空气42穿过由具有偏置中心线的涡壳件22、24的搭接端44、50、48、46所形成的入口槽36、38。

各涡壳件22、24还包括燃料管52、54，当燃烧空气40通过入口槽36、38之一被引入混合区28时，燃料管将燃料引入燃烧空气中。第一燃料供应线(未示出)与各燃料管52、54相连，它可供应液体或气体燃料，但最好是气体燃料。与纵轴26同轴的燃烧器进口20紧挨着燃烧器56，用于根据本发明将燃料和燃烧空气排进燃烧器56，燃料和空气在燃烧器中进行燃烧。

再参照图1，中心本体12具有底座58，它具有至少一个(最好是若干个)延伸穿过该底座的空气供应口60、62，并且底座58与通过其延伸的纵轴26垂直。中心本体12还具有与纵轴26同轴的内部通道64，它伸向燃烧器进口20。穿过内部通道64的空气可以被加注燃料，也可以不加注燃料，它最好与从入口槽36、38进来的燃烧空气同向旋转，但是也可以反向旋转或不旋转。如果中心本体需要加注燃料，则在本发明的优选实施例中，内部通道64包括第一筒形通道66和第二筒形通道72，第一筒形通道具有第一端68和第二端70，第二筒形通道的直径大于第一筒形通道的直径，它也有第一端74和第二端76。第二筒形通道72和第一筒形通道66通过一锥形通道78相连通，该锥形通道具有第一端80和第二端82，第一端80的直径等于第一筒形通道66的直径，第二端82的直径等于第二筒形通道72的直径。每个通道66、72、78都与纵轴26同轴，锥形通道78的第一端80与第一筒形通道66的第二端70是一体，锥形通道78的第二端82与第二筒形通道72的第一端74是一体。第一筒形通道66包括圆形排放口68，它与纵轴26同轴，位于第一筒形通道66的第一端68处。

参照图3，中心本体12的径向外表面84包括锥台部分86和曲面部分88，锥台与纵轴26同轴，它朝底座58方向扩口，锥台部分86限定了锥台的外表面，曲面部分88同锥台部分86为一体，它较好地限定了绕纵轴26旋转一弧线所产生的表面部分，该弧线与锥台部分86相切且中心位于其径向朝外处。在优选实施例中，锥台部分86在排放口68所在的平面处截止，锥台部分86的底部(不要同中心体的底座58相混淆)直径是其顶部直径的2.65倍，锥台部分86的高度90(锥台86底部所处平面和锥台86顶部所处平面之间的距离)是锥台86底部直径的约1.9倍。正如以下详述的，位于底座58和锥台部分86之间的曲面部分88具有光滑的过渡表面，使进入靠近底座58的切向进气喷嘴10的燃烧空气40轴向转向。如图3所示，内部通道64沿径向位于中心体12的外表面84之内，锥台部分86与纵轴26同轴，中心本体12与底座58相连使得锥台部分向上变尖并在第一筒形通道66的排放口68处中止。

如图2所示，锥台部分86的底部设置在内切于混合区28的园92内，其圆心94在纵轴26上。本领域技术人员容易理解，由于混合区28的截面不是圆形，因此曲面部分88为和它配合就必须切割。斜道部分96、98在曲面部分88的伸进各进口36、38的地方，该部分被加工形成翼形斜道96、98，给进入进口槽36、38的空气导向，使其离开底座58，进到混合区28内的曲面部分88上。

参照图1，如果中心本体被加注燃料，则内室100位于中心体12内的底座58和第二筒形通道72的第二端76之间，第二筒形通道在室100处截止。空气102通过底座58上的空气供应口60、62供应至室100，空气供应口与室100相连通，然后室100又通过第二筒形通道72的第二端76将空气供应至内部通道64。第一端板16具有开口104、106，它们与底座58的空气供应口60、62对准，以不影响来自燃气涡轮压缩机的燃烧空气102的流动。旋流器108(最好是本领域称之为径流式的那种)与纵轴26同轴，它布置在室100内紧靠第二筒形通道72的第二端76，使得从室100进入内部通道64的所有燃烧空气都必须经过旋流器108。

一个与纵轴26同轴的燃料喷管110，穿过底座58、室100和旋流器108，伸进内部通道64的第二筒形通道72。第二筒形通道72的较大的直径与燃料喷管110的截面积配合，使得第二筒形通道72内的流通面积基本上等于第一筒形通道66的流通面积。可以供应液体或气体燃料的第二燃料供应线(未示出)与燃料喷管110相连，向燃料喷管110的内通道112中供应燃料。燃料喷口114位于燃料喷管110上，燃料喷管所提供的通路用于使燃料从燃料喷管110进入内部通道64。

参照图3，燃烧器进口20与纵轴26同轴，该进口包括收缩表面116和排放表面118，排放表面延伸至燃料喷嘴10的出口平面124，用于控制予混的燃料、空气和燃烧产物间的隔离量。收缩表面116基本上是锥形的，它朝排放表面118的方向变窄。排放表面118在中间平面120和燃烧器进口20的、垂直于纵轴26的燃烧器表面122之间延伸，并限定出本发明燃料喷嘴10的出口平面124。为达到相对于出口平面124的中心再循环区200所要求的轴向位置并保证燃料喷嘴的气流量，排放表面118应设计成从扩张形至圆筒形再至收缩形。

收缩表面116在中间平面120处中止，在这里，收缩表面116的直径等于排放表面118的直径。如图3所示，中间平面120位于出口平面124和内部通道64的排放口68之间，收缩表面116位于排放表面118和第一端板16之间。

在运行中，来自燃气涡轮压缩机的燃烧空气流过开口104、106和底座58上的空气供应口60、62，进入中心本体12的内部通道64。如果中心体12被加料，则最佳实施例包括：来自内室100的燃烧空气经过径流式旋流器108，以相对于纵轴26为切向速度或以涡流形式进入内部通道64。当该涡流燃烧空气流过燃料喷管110时，燃料(最好为气体形式)从燃料喷管110喷进内部通道64中并与涡流燃烧空气相混合。然后燃料和燃烧空气的混合物从第二筒形通道72经过渐缩通道78流进第一筒形通道66。然后混合物流过第一筒形通道66的长度，在接近燃烧器进口20的中间平面120处离开筒形通道66，提供一燃料空气混合的中心流。

来自燃气涡轮压缩机的助燃空气通过各进口36、38进入混合区28。进入到紧靠底座58的进口槽36、38的空气，由斜道96、98导向，进入涡形旋流器14的混合区内的曲面部分88上。供给燃料导管52、54的燃料(最好是气体燃料)喷进流过进口36、38的燃烧空气中，并在这里混合。由于涡壳件22、24的形状，这种混合物建立了绕中心本体12旋转的一个环流，并且当其旋转时燃料/空气混合物继续混合，直至沿纵轴26流向燃烧器进口20。

由涡形旋流器14产生的环流的旋转最好与第一筒形通道66中的燃料/空气混合物的旋转为同向，并且最好具有与第一筒形通道66中的燃料/空气混合物至少是一样大的角速度。由于中心本体12的形状，环流的轴向速度保持在这样的速度，该速度能防止燃烧器火焰移进涡形旋流器14中并稳定在燃料喷嘴10的混合区28内。一旦离开第一筒形通道66，中心流旋转的燃料/空气混合物(或未加注燃料的空气流)就被涡形旋流器14的环流包围，两股流进入燃烧器进口20的中间平面120。

本发明通过极大地提高绕中心本体12旋转的燃料/空气混合物的轴向速度，显著地增加了中心本体12的使用寿命。增加的轴向速度来自曲面部分88和锥台部分86，曲面部分能防止从紧靠底座58的进口36、38进入混合区28的空气产生极小或没有轴向速度的再循环，锥台部分能保持环流的轴向速度在这样一个值：防止火焰接近中心本体12，并且如果接近，能使火焰排出去。

尽管参照详细的实施例对本发明进行了描述和说明，但是本领域的普通技术人员知道，在不偏离本发明权利要求限定的精神和范围内，可以在形式和细节上作出多种变化。

Claims (4)

1、一种在燃气涡轮机燃烧器中燃烧燃料的方法，为予混型燃烧，包括：

提供一个具有第一和第二端板的涡形旋流器，所述的第一端板与所述的第二端板有一定间隔，限定了它们之间基本为园筒形的混合区，所述的第二端板具有从此处穿过的燃烧器进口；

提供一个位于所述的混合区内的中心体，它具有朝燃烧器进口方向渐缩的径向外表面，基本上在混合区的整个长度上延伸，并与纵轴同轴；

将第一部分燃烧空气切向引入所述的混合区，该过程基本上为沿混合区的长度连续地引入；

随着第一部分燃烧空气被引入所述的混合区，将第一部分燃料引入所述的第一部分燃烧空气中；

通过所述的第一部分燃烧空气和燃料绕所述的中心体旋转，使所述的第一部分燃烧空气和燃料混合，同时使所述的第一部分燃烧空气和燃料以一轴向速度朝所述的燃烧器进口流动，该轴向速度能防止火焰稳定在混合区内；

在所述的混合区外燃烧所述的燃料。

2、如权利要求1所述的方法，其中在该步骤之前，即在所述的混合区外燃烧所述的燃料之前还有一步骤：在燃烧器进口处，将第二部分燃烧空气在第一部分燃烧空气的径向内部引入到所述的第一部分燃烧空气中。

3、如权利要求2所述的方法，其中在该步骤之前，即在燃烧器进口处，将第二部分燃烧空气在第一部分燃烧空气的径向内部引入到所述的第一部分燃烧空气中之前还有这样一步骤：

使所述中心体内的第二部分燃烧空气以一定的角速度旋转，该角速度基本上等于第一部分的角速度。

4、如权利要求3所述的方法，其中该步骤，即将第二部分燃烧空气在第一部分燃烧空气的径向内部引入到所述的第一部分燃烧空气中，包括：

将所述的第二部分燃烧空气引入所述的中心体，

将第二部分燃料引入所述的第二部分燃烧空气中，

使所述的第二部分燃料和第二部分燃烧空气相混合。

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