CN1441194A - 降低燃烧排放的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于操作一个燃气轮机(10)的方法便于减小来自燃烧器(16)的排放量。该燃烧器包括一个混合器组件(41)，该混合器组件包括一个引燃混合器(42)、一个主混合器(44)和一个在上述两者之间延伸的中心体(43)。该引燃混合器包括一个引燃燃料喷嘴(54)和数个轴向旋流器(60)。该主混合器包括一个主旋流器和数个燃料喷口(98)。所述方法包括将燃料通过该引燃混合器喷入该燃烧器中，从而该燃料从引燃混合器轴向旋流器的下游排出；和将从带有从中心体延伸的唇部(108)的引燃混合器出来的气流导入所述引燃混合器下游的引燃火焰区。

Description

降低燃烧排放的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种燃烧器，特别是一种气轮机燃烧器。
背景技术
众所关注的空气污染问题已导致国内外产生了更为严格的排放标准。飞行器由美国环保署(EPA)和国际民航组织(ICAO)标准控制。这些标准调控飞行器在机场附近排出的氮氧化物(NOx)、未燃烧的碳氢化合物(HC)和一氧化碳(CO)的排放，因此它们有助于市区光化学烟雾问题的解决。通常而言，发动机排放分为两类：一类是由于高火焰温度形成的排放物(NOx)、一类是由于低火焰温度不允许燃料-空气完全反应而形成的排放物(HC&CO)。
至少一些已知的气轮机燃烧器包括10-30个混合器，它们使高速空气和精细燃料喷雾混合。这些混合器通常由一个单独的燃料喷射器构成，该喷射器位于一个用于旋流进气以提高火焰稳定性和混合状态的旋流器的中心。燃料喷射器和混合器都位于一个燃烧器的汽室上。
通常而言，混合器中的燃空比是高的。由于在整个燃烧器中，气轮机燃烧器的燃空比是低的，所以附加的空气在离开燃烧器之前通过离散的稀释孔添加。稀薄混合和热点都可能发生在汽室中和稀释孔的附近，在汽室中喷入的燃料必需在燃烧之前汽化和混合，在稀释孔的附近，空气被加入浓混合气中。
一个现有技术的稀燃汽室的燃烧器被称作为一个双环燃烧器(DAC)，因为它包括两个在每一个燃料喷嘴上沿径向堆叠的混合器，当从燃烧器的前面看去时，其呈现为两个环形的环。该附加的混合器排允许在不同工况时调谐操作。在空转时，外混合器被供给燃料，该混合器被设计成在空转状态时有效地工作。在高功率工作时，两个混合器都供给大部分燃料，空气供入内环中，该内环设计成在高功率工作时最有效地工作和带有很少的排放。当这些混合器被调谐成与每一个汽室都最佳操作时，这些汽室之间的界限在一个大的范围内抑制CO的反应，这使得这些设计的CO高于相同的浓汽室单独环形燃烧器(SACs)。这样的燃烧器在低功率排放和高功率排放之间是折中的。
其它已知的燃烧器作为稀薄汽室燃烧器工作。替代在单独的汽室中分隔开引燃阶段和主燃阶段并在分界面上生成一个明显的CO急冷段，混合器在该装置内并入同中心的，但却是区分开的引燃空气流和主空气流。然而，在这样的设计中低功率CO/HC和烟雾排放的同时控制是困难的，因为增加燃料/空气的混合经常导致高CO/HC排放。该旋流的主空气通常倾向于吸入引燃火焰并熄火。为了防止燃料喷雾被吸入主空气中，引燃形成一个小角度喷雾。这可能会导致低旋流量的流动的长射束火焰特性。这样的引燃产生高的烟雾、一氧化碳和碳氢排放，并具有差的稳定性。
另外，小角度喷雾与旋流空气的组合可允许燃料撞击在混合器上，从而沿围绕汽室组件的一个尾部倒角，流入该汽室组件的一个尾部表面。利用这样的燃料撞击继续工作，可能导致形成沉积，或可能允许燃料吸入主混合物流中。上述两种不利影响都可能易于减小火焰区内的平均燃料驻留，导致一个较小的和较冷的均匀火焰区，并降低低功率燃烧效率。
发明内容
在一方面中，提供了一种用于操作一个燃气轮机以便于减小来自燃烧器的排放量的方法。该燃烧器包括一个混合器组件，该混合器组件包括一个引燃混合器、一个主混合器和一个在上述两者之间延伸的中心体。该引燃混合器包括一个引燃燃料喷嘴和数个轴向旋流器。该主混合器包括一个主旋流器和数个燃料喷口。该方法包括将燃料通过该引燃混合器喷入该燃烧器中，从而使该燃料从该引燃混合器轴向旋流器的下游排出；并将从带有从中心体延伸的唇部的引燃混合器出来的气流导流到该引燃混合器下游的引燃火焰区。
在本发明的另一方面中，提供了一种用于燃气轮机的燃烧器。该燃烧器包括一个引燃混合器、一个主混合器和一个环形中心体。该引燃混合器包括一个空气旋流器、一个引燃燃料喷嘴和数个位于该引燃燃料喷嘴上游的轴向空气旋流器。该空气旋流器位于该引燃燃料喷嘴的下游，该空气旋流器从该引燃燃料喷嘴径向向外并相对于该引燃燃料喷嘴同中心地安装。该主混合器从该引燃混合器径向向外并相对于该引燃混合器对齐，并包括数个燃料喷口和一个旋流器，该旋流器包括一个锥形空气旋流器和一个气旋旋流器中的至少一个。该主混合器旋流器位于该主混合器燃料喷口的上游。该环形中心体在该引燃混合器和该主混合器之间延伸，并包括一个径向内表面，该内表面包括一个扩散部分、一个尾部和一个在上述二者之间向外延伸的唇部。
在又一方面中，提供了一种用于一个燃气轮机的燃烧器的混合器组件。该混合器组件的结构构成为可控制该燃烧器的排放并包括一个引燃混合器、一个主混合器和一个环形中心体。该引燃混合器包括一个引燃燃料喷嘴和数个位于上游的并从该引燃燃料喷嘴径向向外的轴向旋流器。该主混合器从该引燃混合器径向向外并相对于该引燃混合器同中心，并包括数个燃料喷口和一个位于该燃料喷口上游的旋流器。该中心体在该主混合器和该引燃混合器之间延伸，并且其结构构成为将从该引燃混合器出来的气流导流到该引燃混合器下游的引燃火焰区中。
附图说明
下面根据附图更加详细的说明本发明，附图包括：
图1是一个包括一个燃烧器的燃气轮机的简视图；
图2是可用于图1中所示的燃气轮机的燃烧器的横截面图；
图3是图2中所示燃烧器沿区域3的部分的放大视图；和
图4是图3中所示燃烧器沿区域4的放大视图。
具体实施方式
图1是一个燃气轮机10的简视图，其包括一个低压压气机12、一个高压压气机14和一个燃烧器16。发动机10也包括一个高压透平18和一个低压透平20。
在工作中，空气通过低压压气机12流动，压缩空气由低压压气机12供给高压压气机14。该高度压缩的空气被输送到燃烧器16。来自燃烧器16的空气流(图1中未示出)驱动透平18和20。
图2是可用于类似于图1中所示的发动机10的燃气轮机的燃烧器16的横截面图，图3是燃烧器16沿区域3的放大视图。图4是图3中所示燃烧器沿区域4的放大视图。在一个实施例中，该燃气轮机是一个可从CFM国际公司购得的CFM发动机。在另一个实施例中，该燃气轮机是一个可从俄亥俄州的辛辛那提的通用电气公司购得的CE90发动机。
每一个燃烧器16都包括一个由环形的、径向向外的和径向向内的衬32和34限定的燃烧区或室30。更为具体地说，外衬32限定燃烧室30的外边界，内衬34限定燃烧室30的内边界。衬32和34从一个周向围绕衬32和34延伸的环形燃烧器壳36径向向内。
燃烧器16也包括一个各安装在外衬32和内衬34上游的环形汽室40。汽室40限定燃烧室30的上游端，混合器组件41围绕汽室40周向间隔设置，将燃料和空气的混合物输送给燃烧室30。
每一个混合器组件41都包括一个引燃混合器42、一个主混合器44和一个在上述两者之间延伸的中心体43。中心体43限定一个室50，该室在主混合器44的下游与其流动连通。室50具有一个对称轴线52并大体呈圆柱形。一个引燃燃料喷嘴54延伸入室50并相对于对称轴线52对称安装。喷嘴54包括一个用于将燃料的液滴分散到引燃室50中的燃料喷射器58。在一个实施例中，引燃燃料喷射器58通过喷射射束(未示出)供给燃料。在一个替代实施例中，引燃燃料喷射器58通过喷射单一喷束(未示出)供给燃料。
引燃混合器42也包括一对同中心安装的旋流器60。更为具体地说，旋流器60是轴向旋流器并包括一个引燃内旋流器62和引燃外旋流器64。引燃内旋流器62是环形的并周向围绕引燃燃料喷射器58设置。每一个旋流器62和64都分别包括数个位于引燃燃料喷射器58上游的叶片66和68。选择叶片66和68来提供在低发动机功率工作时所需的点火特性、稀燃稳定性和低一氧化碳(CO)和碳氢(HC)排放。
一个分流器70径向设置在引燃内旋流器62和引燃外旋流器64之间并从引燃内旋流器62和引燃外旋流器64的下游延伸。更为具体地说，分流器70是环形的并周向围绕引燃内旋流器62延伸以将流经内旋流器62的空气流从流经外旋流器64的空气流分开。分流器70具有一个先收缩再扩散的内表面74，该表面在发动机低功率工作时提供一燃料膜表面。分流器70也减小了空气流经引燃混合器42的轴向速度以允许热气体的再循环。
引燃外旋流器64从引燃内旋流器62径向向外，并从引燃壳46的内表面78径向向内。更为具体地说，引燃外旋流器64周向围绕引燃内旋流器62延伸并径向设置在引燃分流器70和引燃壳46之间。在一个实施例中，引燃内旋流器叶片66沿与空气流经引燃外旋流器叶片68的相同方向旋流流经其的空气。在另一个实施例中，引燃内旋流器叶片66沿第一方向旋流流经其的空气，该第一方面与引燃外旋流器叶片68旋流流经其的空气的第二方向相反。
主混合器44包括一个限定一个环形腔92的环形主壳90。主混合器44相对于引燃混合器42中心对齐并周向围绕引燃混合器42延伸。燃料岐管94在引燃混合器42和主混合器44之间延伸。更为具体地说，燃料岐管94周向围绕引燃混合器42延伸并位于中心体43和主壳90之间。
燃料岐管94包括数个喷口98，这些喷口安装在壳96的外表面100上以将燃料从燃料岐管94径向向外喷入主混合腔92中。燃料喷口98方便了主混合器44内周向的燃料-空气混合。
在一个实施例中，岐管94包括两排周向间隔的喷口98。在另一个实施例中，岐管94包括数个不是以周向间隔的排状设置的喷口98。选择喷口98的位置以调节燃料-空气混合的程度以达到低氮氧化物(NOx)排放并确保在变化的发动机工况下完全燃烧。另外，也选择喷口的位置以便于减小或防止燃烧不稳定。
中心体43分开引燃混合器42和主混合器44。相应地，引燃混合器42在引燃操作中被从主混合器44屏蔽开，以便于提高引燃特性的稳定性和效率，同时减小CO和HC排放。另外，中心体43构形成便于完成喷入燃烧器16中的引燃燃料的燃尽。更为具体地说，中心体93的一个内壁102包括一个先收缩再扩散的表面104、一个尾部屏蔽件106和一个唇部108，该唇部在上述二者之间延伸并便于控制引燃火焰分散和混合入从主混合器44中出来的空气流中。
先收缩再扩散的表面104从一个前缘110向唇部108延伸，尾部屏蔽件106从唇部108向一个后缘112延伸。唇部108包括一个大体平的表面120、一个后引槽122和一个在上述二者之间延伸的尖角124。表面120从表面104向角122延伸并在角122处限定一个唇宽130。另外，角124在上游与尾部屏蔽件106错开一定距离134。距离134可被理解为唇部凹槽或唇部凹入。在一个示例性的实施例中，距离134大约等于5.0密耳。
唇角124位于表面下游端132并在表面120和后引槽122之间延伸。更为具体地说，唇角124从后引槽122的取向大于90度，从表面120的取向略小于90度。
后引槽122以一个由半径R1限定的尖的形状向唇表面120喷铸。在一个示例性的实施例中，半径R1大约等于5.0密耳。或者，后引槽122不向唇表面120喷铸，并不由半径R1限定。后引槽半径R1小于限定尾部屏蔽件106相对于表面104取向的中心体半径R2。在一个示例性的实施例中，中心体半径R大约等于95密耳。
可以以多种方式选择唇部108的取向以便于改进点火特性、在高功率工作和低功率工作时的燃烧稳定性和在低功率工况时产生的排放。更为具体地说，可以以多种方式选择半径R1、唇部宽度130、错于的距离134、半径R2、表面120相对于表面104的取向和角122相对于后引槽122及表面120的取向以便于改进点火特性、在高功率工作和低功率工作时的燃烧稳定性和在低功率工况时产生的排放。
主混合器44也包括一个第一旋流器140和一个第二旋流器142，每一个旋流器都位于燃料喷口98的上游。第一旋流器140是一个锥形旋流器，流经其的空气流以锥形旋流角(未示出)排出。选择该锥形旋流角以使从第一旋流器140排出的空气流带有一个相对低的径向向内的动量，该动量便于促进从喷口98径向向外喷出的燃料与空气的径向混合。在一个替代实施例中，第一旋流器140被分成数对旋流器叶片(未示出)，这些叶片可以是同向旋转的或者是反向旋转的。
第二旋流器142是一个径向旋流器，其沿一个大体平行于中心混合器对称轴线52的方向排出空气以便于提高主混合器的燃料-空气混合。在一个实施例中，主混合器44只包括第一旋流器140，不包括第二旋流器142。
一个燃料输送系统150向燃烧器16供给燃料，并包括一个引燃燃料回路152和一个主燃料回路154。引燃燃料回路152向引燃燃料喷射器58供给燃料，主燃料回路154向主混合器44供给燃料，并包括数个用于控制在燃烧器16内产生的氮氧化物排放的单独燃料级。
在工作中，随着燃气轮机10起动并在空转工况下工作，将燃料和空气供入燃烧器16。在燃气轮空转工况下，燃烧器16只使用引燃混合器42进行工作。引燃燃料回路152通过引燃燃料喷射器58向燃烧器16喷射燃料。同进，空气流进入引燃旋流器60和主混合旋流器140和142。该引燃空气流大体平行于中心混合器对称轴线52流动并冲击引燃分流器70，该分流器使旋流运动中的引燃空气流指向从引燃燃料喷口58放出的燃料。更为具体地说，该空气流从引燃混合器42通过唇部108导入引燃火焰区下游。该引燃空气流不破裂成引燃燃料喷射器58的雾化状态(示示出)，而是稳定和原子化燃料。通过主混合器44热电厂排出的空气流经通道进入燃烧室30。
另外，在工作中，唇角124便于在中心体尾部屏蔽件206将引燃混合流从主混合流下游分离开。此外，后引槽122尖的形状便于防止燃料沿中心体表面120和后引槽122沉积，从而也便于减小涡表面120和后引槽122形成沉积。只使用引燃燃料级允许燃烧器16保持低功率效率并控制和使燃烧器16放出的排放物最少。因为引燃空气流通过唇部108被附加地从主混合空气流分离开，所以引燃燃料被完全点燃和燃烧，导致稀燃稳定性和一氧化碳、碳氢和氮氧化物的低功率排放。
当燃气轮机10从空转工况加速以增加作功工况时，附加燃料和空气便被直接引入燃烧器16中。除了引燃燃料级之外，在增加的功率工况中，主混合器44由主混合燃料回路154供给燃料，并以燃料喷口98径向向外喷射。主混合旋流器140和142便于径向和周向进行燃料-空气混合，以提供用于燃烧的大体均匀的燃料和空气分配。更为具体地说，从主混合旋流器140和142出来的空气流迫使燃料径向向外延伸以渗入主混合腔92，从而便于进行燃料-空气混合，并能够使主混合器44以稀薄空气-燃料混合物工作。此外，均匀分散燃料-空气混合物便于得到完全燃烧，以减小高功率工作时Nox的排放。
上述燃烧器是成本有效的并且是高度可靠的。该燃烧器包括一个混合器组件，该组件包括一个引燃混合器、一个主混合器和一个中心体。该引燃混合器在低功率工作中使用，主混合器在中等功率工作和高功率工作中使用。在空转功率工况中，该燃烧器以低排放工作，并只有空气被供入主混合器中。在增加的功率工况中，该燃烧器又将燃料供入该包括一个锥形旋流器的主混合器中，以改进主混合器的燃料-空气混合。该中心体唇部便于均匀分散引燃燃料-空气混合物，以改善燃烧和降低燃烧器内的整体火焰温度。该较低的工作温度和改善了的燃烧便于在高功率工作中增加工作效率和降低燃烧器排放。因此，该燃烧器以高的燃烧效率和低的一氧化碳、氮氧化物和烟气排放工作。
虽然本发明以各种具体的实施例形式进行了说明，但本领域的技术人员将知道，本发明可以在权利要求书的精神和范围内以改型方式进行实践。
附图标号10  燃气轮机                    74   内表面12  低压压气机                  78   内表面14  高压压气机                  90   环形主壳16  燃烧器                      92   环形腔18  高压透平                    94   燃料岐管20  低压透平                    98   喷口30  压缩区/室                   100  外表面32  外衬                        102  内壁34  内衬                        104  表面36  环形燃烧器壳                106  尾部屏蔽件40  环形汽定                    108  唇部41  混合器组件                  110  前缘42  引燃混合器                  112  后缘44  主混合器                    120  平的表面43  中心体                      122  后引槽50  腔                          124  尖角52  对称轴线                    130  唇部宽度54  引燃燃料喷嘴                132  下游端58  燃料喷射器                  134  错开的距离60  旋流器                      140  第一旋流器62  引燃内旋流器                142  第二旋流器64  引燃外旋流器                150  燃料输送系统66  叶片                        152  引燃燃料回路68  叶片                        154  主燃料回路70  引燃分流器

Claims (20)

1.一种用于操作燃气轮机(10)以便于减少一个燃烧器(16)的排放量的方法，该燃烧器(16)包括一个混合器组件(41)，该混合器组件包括一个引燃混合器(42)、一个主混合器(44)和一个在上述两者之间延伸的中心体(43)，该引燃混合器包括一个引燃燃料喷嘴(54)和数个轴向旋流器(60)，该主混合器包括一个主旋流器和数个燃料喷口(98)，所述方法包括：
将燃料通过该引燃混合器喷入该燃烧器中，从而该燃料从引燃混合器轴向旋流器的下游排出；和
使从带有从中心体延伸的唇部(108)的引燃混合器出来的气流导入所述引燃混合器下游的引燃火焰区。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，中心体(43)包括一个扩散部分、一个尾部(106)和一个在上述二者之间延伸的唇部(108)，从引燃混合器出来的气流导流还包括将气流导入带有中心体唇部的引燃火焰区。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将气流导入带有中心体唇部(108)的引燃火焰区还包括利用唇部对气流导流，以便减小沿中心体径向内表面(74)形成沉积。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将气流导入带有中心体唇部(108)的引燃火焰区还包括利用唇部对气流导流，以便使从引燃混合器(42)出来的气流与从主混合器(44)出来的气流隔离开。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将气流导入带有中心体唇部(108)的引燃火焰区还包括利用唇部对气流导流，其中该唇部包括一个延伸部、一个角(124)和一个具有一个半径的后引槽(122)。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，将气流导入带有中心体唇部(108)的引燃火焰区还包括利用唇部对气流导流，以便防止燃料对所述中心体内表面尾部(106)形成膜。
7.一种用于一个燃气轮机(10)的燃烧器(16)，包括：
一个引燃混合器(42)，其包括一个空气旋流器(70)、一个引燃燃料喷嘴(54)和数个位于所述引燃燃料喷嘴上游的轴向空气旋流器(60)，所述空气旋流器位于所述引燃燃料喷嘴的下游，所述空气旋流器从所述引燃燃料喷嘴径向向外并相对于所述引燃燃料喷嘴同中心地安装；
一个主混合器(44)，其从所述引燃混合器径向向外并相对于所述引燃混合器对齐，所述主混合器包括数个燃料喷口(98)和一个旋流器，该旋流器包括一个锥形空气旋流器和一个气旋旋流器中至少之一，所述主混合器旋流器位于所述主混合器燃料喷口的上游；和
一个环形中心体(43)，其在所述引燃混合器所述混合器和所述混合器之间延伸，所述中心体包括一个径向内表面(74)，该内表面包括一个扩散部分、一个尾部(106)和一个在上述二者之间向外延伸的唇部(108)。
8.如权利要求7所述的燃烧器(16)，其特征在于，所述中心体内表面唇部(108)构形成将气流从所述中心体内表面分开。
9.如权利要求7所述的燃烧器(16)，其特征在于，所述中心体内表面唇部(108)构形成便于减小沿所述中心体径向内表面形成沉积。
10.如权利要求7所述的燃烧器(16)，其特征在于，所述中心体内表面唇部(108)构形成便于使引燃气流从所述燃烧器内的气旋气流隔离开。
11.如权利要求7所述的燃烧器(16)，其特征在于，所述中心体内表面唇部(108)包括一个延伸部(110)、一个角(124)和一个后引槽(122)，所述角在所述延伸部和所述后引槽之间延伸。
12.如权利要求11所述的燃烧器(16)，其特征在于，所述中心体内表面唇部后引槽(122)便于防止燃料对所述中心体内表面(78)尾部(106)形成膜。
13.如权利要求11所述的燃烧器(16)，其特征在于，所述中心体内表面唇部角(124)便于使从引燃气流指向所述引燃混合器(42)下游的引燃火焰区。
14.一种用于一个燃气轮机(10)的燃烧器(16)的混合器组件(41)，所述混合器组件构形成可控制该燃烧器的排放并包括一个引燃混合器(42)、一个主混合器(44)和一个环形中心体(43)，所述引燃混合器包括一个引燃燃料喷嘴(54)和数个位于上游的并从所述引燃燃料喷嘴径向向外的轴向旋流器(60)，所述主混合器从所述引燃混合器径向向外并相对于所述引燃混合器同中心，所述主混合器包括数个燃料喷口(98)和一个位于燃料喷口上游的旋流器，所述中心体在所述主混合器和所述引燃混合器之间延伸并构形成将从所述引燃混合器出来的气流指向所述引燃混合器下游的引燃火焰区。
15.如权利要求14所述的混合器组件(41)，其特征在于，所述环形中心体(43)包括一个径向内表面(74)，该内表面包括一个扩散部分、一个尾部(106)和一个在上述二者之间向外延伸的唇部(108)，并构形成便于使从引燃混合器(42)出来的气流与从主混合器(44)出来的气流隔离开。
16.如权利要求15所述的混合器组件(41)，其特征在于，所述中心体内表面唇部(108)构形成便于减小沿所述中心体径向内表面形成沉积。
17.如权利要求15所述的混合器组件(41)，其特征在于，所述中心体内表面唇部(108)包括一个延伸部(110)、一个角(124)和一个后引槽(122)，所述角在所述延伸部和所述后引槽之间延伸。
18.如权利要求17所述的混合器组件(41)，其特征在于，所述中心体内表面唇部后引槽(122)便于防止燃料对所述中心体内表面(78)尾部(106)形成膜。
19.如权利要求17所述的混合器组件(41)，其特征在于，所述中心体内表面唇部后引槽(122)具有一个半径。
20.如权利要求17所述的混合器组件(41)，其特征在于，所述主混合器(44)包括一个锥形空气旋流器(60)和一个气旋旋流器中至少之一。
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