專利名稱：用于在燃氣渦輪發(fā)動機內(nèi)混合空氣和燃氣的燃燒管預混合器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于燃氣渦輪發(fā)動機燃燒室的空氣燃料混合器，以及一種
用于混合空氣和it料的方法。
背景技術(shù)：
燃氣渦輪機制造商一直致力于各種研究和工程項目以生產(chǎn)出能夠高效運行 而不產(chǎn)生不良空氣污染排放物的新型燃氣渦輪機。通常由燃燒常規(guī)烴 料的 燃氣渦輪機產(chǎn)生的主要空氣污染排放物是氮氧化物、 一氧化碳和未燃燒的烴類。 噴氣發(fā)動機中氮分子的氧化高度地依賴于燃燒系統(tǒng)反應區(qū)域內(nèi)最高的熱燃氣溫
度。形成氮氧化物(NOx)的化學反艦率是、鵬的指數(shù)函數(shù)。如果燃燒室熱燃 氣的溫度被控制到足夠低的水平，那么就不會產(chǎn)生熱NOx。
一種將燃燒室反應區(qū)域內(nèi)的溫度控制在產(chǎn)生熱NOx的水平之下的方法是在 燃燒之前將燃料和空氣預混合為貧混合物。存在于貧預混合'燃燒室反應區(qū)域內(nèi) 的過量空氣的熱質(zhì)量吸收熱量荊每燃燒產(chǎn)物的溫升降低至懷會產(chǎn)生熱NOx的水 平。
用燃料和空氣的貧預混合方式運行的干性低排放燃燒室有一些問題，其中 在位于燃燒室反應區(qū)域以外的燃燒室的預混合區(qū)域內(nèi)存在有空氣燃料可燃混合 物。由于回火或自燃，在預混合區(qū)域內(nèi)會有發(fā)生燃燒的趨勢，回火會在來自燃 燒室反應區(qū)域的火焰?zhèn)鞑ブ令A混合區(qū)域內(nèi)并導致火焰滯留在燃料噴射柱(交叉 射流)或葉片尾緣后的尾流內(nèi)時發(fā)生；自燃會在燃料/空氣混合物在預混合區(qū)域 內(nèi)的駐留時間和溫度足以在不需點火器啟動的情況下燃燒時發(fā)生。在預混合區(qū) 域內(nèi)燃燒的后果是排放物性能下降和/或過熱，并對通常未被設計成承 燒熱 量的預混合區(qū)域造成損害。因此， 一個需要解決的問題就是防止在預混合器中 導致燃燒的回火或自燃。
另外，離開預混合器并iax燃燒室反應區(qū)域的燃料和空氣的混合物必須非
常均質(zhì)以達至U所需的排放性能。如果流場中存在燃料/空氣混合物濃度明顯富于
平均值的區(qū)域，那么這些區(qū)域內(nèi)的燃燒產(chǎn)物就會達至搞于平均值的溫度，并會產(chǎn)生熱NOx。這樣可能會導致無法滿足取決于溫度和駐留時間的組合的NOx排
放指標。如果流場中存在燃料/空氣混合物濃度明顯貧于平均值的區(qū)域，那么可 能會發(fā)生熄火而無法將烴類和/或一氧化碳氧化至均衡水平。這樣可能會導致無
法滿足一氧化碳(CO)和/或未燃燒烴類(UHC)的排放指標。因此，另一個 需要解決的問題是生成一種離開預混合器時的燃料/空氣混合物濃度分布，其足 夠均質(zhì)以滿足排放物性能指標。
更進一步，為了滿足在各種應用中對燃氣渦輪機規(guī)定的排放物性能指標， 有必要將燃料/空氣混合物濃度降至絕大多數(shù)烴類燃料的貧可燃性限制附近的水 平。這樣就會導致火焰?zhèn)鞑ニ俣纫约芭欧帕康慕档汀Ｓ纱?，貧預混合燃燒室與 更加常規(guī)的擴散火焰M燒室相比傾向于更加不穩(wěn)定，并且經(jīng)常會導致高度燃 燒造成的動態(tài)壓力波動(動態(tài)性能)。動態(tài)性能可能具有不利的影響，例如由于 磨損鵬勞、回火或爆缸造成燃燒室和渦輪機硬件受損。因此，另一個要解決 的問題就是將燃燒室動態(tài)性能控制到可以接受的低水平。
為了減少排放物的貧、預混^Jt料噴射器在工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用，已經(jīng)在重 型工業(yè)燃氣渦輪機中付諸實施長達20多年。美國專利5259184中介紹了此類裝
置的一個代表性示例。此類裝置在減少燃氣渦輪機廢氣排放的領(lǐng)域內(nèi)己經(jīng)取得 了進展。相對于現(xiàn)有技術(shù)中的擴散火焰燃燒室，將氮氧化物、NOx、排放物減少 一個或更多個數(shù)量級已經(jīng)實現(xiàn)且無需使用注入的稀釋液例如蒸汽或水。
然而如上所述，這些在排放性能方面的迸步是在會弓胞一些問題的風險下 實現(xiàn)的。特別地，在驢預混合區(qū)域內(nèi)的回火和穩(wěn)焰會導致排放性能降級和/或 因過熱造成的硬件損害。此外，升高級別的燃燒引起的動態(tài)壓力作用會導致燃 燒系統(tǒng)部件和/或其他燃氣渦輪機部件因磨損或高周疲勞失效而縮短有效壽命。 更進一步，為了避免引起高水平動態(tài)壓力作用、回火或爆缸的情況，增加了燃 氣渦輪機操作的復雜性和/或有必要對燃氣渦輪機實施操作限制。
除了這些問題之外，常規(guī)的貧預混合燃燒室沒有利用完全均質(zhì)的燃料和空 氣的預混合^可能地實現(xiàn)排放物減少的最大化。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，用于在燃氣渦輪發(fā)動機內(nèi)4頓的燃燒器包括 具有輸入端和輸出端的燃燒管；多個槽，所述多個槽在燃燒管內(nèi)形成且設置用 于將氣流切向地弓I入燃燒管內(nèi)并向氣流施加渦旋；沿燃燒管軸向延伸的多條燃料通道；以及為每一條燃料通道設置的多個燃料噴射孔。每一條燃料通道的燃
料噴射孔中至少有一個被設置用于將燃料流切向地噴入燃燒管內(nèi)相鄰槽的氣流
之間以形 料和空氣的協(xié)流(co-flow)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供了一種在燃氣渦輪機的燃燒器內(nèi)混合空 氣和燃料的方法。燃燒器包括燃燒管，燃燒管包括在燃燒管內(nèi)形成的多個槽。
該方法包括將氣流通過槽切向地引入燃燒管并向氣流施加渦旋；和在相鄰槽的
氣流之間噴入燃料以形成燃料和空氣的坊硫。


圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的燃燒器的透視亂 圖2示意性地示出了圖1中的燃燒器沿2-2的截面圖； 圖3示意性地示出了圖1中的燃燒器沿3-3的截面圖。
具體實施例方式
參照圖1-3，燃燒器2包括具有輸入端6和輸出端8的燃燒管4。法蘭10 被設置在燃燒管4上，用于將燃燒器2安裝至l燃氣渦輪發(fā)動機內(nèi)。應該理解法 蘭10可以和燃燒管4一起整體形成，或者也可以單獨設置。還應該理解可以為 燃燒器2設置其他的安裝裝置。
在燃燒管4內(nèi)形成有多個槽12。空氣艦槽12被切向地引入燃燒管4內(nèi)。 *槽12都具有螺旋或渦旋式結(jié)構(gòu)用于向iSA槽12的燃燒空氣施力鵬旋。如 圖2所示，燃燒管4包括沿燃燒管4軸向延伸的多條燃料通道14。多個燃料噴 射孔16被設置用于將燃料/AM料通道14切向地噴入燃燒管4內(nèi)。燃料通道14 在燃燒管4內(nèi)的夕卜壁36和內(nèi)壁30之間形成。
參照圖2和圖3，燃燒管4內(nèi)設置有會聚的中心體18，用于沿燃燒管4的 軸線使空氣和燃料的混合物加速并保持中心體18表面沒有流動分離。中心體18 具有與燃燒管4的輸出端8相鄰的中心體頂端32。中心體18也包括通道20， 用于允許凈化空氣流過中心體18以防止在中心體18內(nèi)例如在中心體頂端32處 出現(xiàn)穩(wěn)焰。
參照圖3，每個槽12都有與燃燒管4的軸線34成切向的槽端部22，用于 最小化空氣和燃料混合中的干擾。如圖2所示，噴入的燃料24被夾在來自槽12 的氣流26和來自另一個槽12的氣流28之間。噴入的燃料24與氣流26， 28協(xié) 流并被阻止與燃燒管4的內(nèi)壁30接觸。這樣就可以消除可能會導致穩(wěn)焰的交叉
6射流。切向地進入的燃料和空氣的協(xié)流層隨后軸向往下流動并fflil混合和傾倒 到燃燒器內(nèi)用于穩(wěn)定的預混合燃燒。
燃料和空氣的協(xié)流24、 26、 28徑向地ifiA燃燒管4。協(xié)流24、 26、 28的 徑向iSA在燃燒管4內(nèi)不會產(chǎn)生尾流區(qū)域并且可以消除任何潛在的穩(wěn)焰點。徑 向的燃料和空氣協(xié)流24、 26、 28也可以提供軸向渦流阻斷以確保jt料和空氣混 合良好。槽端部22被設置用于允許氣流26、 28與燃燒管軸線34成切向并徑向 iikiSA燃燒管4。中心體18防止在燃燒管4中心處的回火并穩(wěn)定中心體頂端32 附近的火焰。
燃燒器2具有簡單的幾何形狀且可以低成本地生產(chǎn)。燃燒器2還提供了高 效率和低排放。燃燒管4的內(nèi)壁30也可以Mil純凈空氣或空氣凈化得到保護。 燃燒器2也提供較低的空氣和it料壓降，且軸向漸進的燃料噴射避免了動態(tài)性 能。燃燒器2也可用于高ait料和合成氣。
槽12的長度和寬度，燃料噴射孔16的數(shù)量，燃料噴射孔16的直徑，燃料 噴射孔16的位置以及中心體18的表面形狀者阿以利用計算流體力學(CFD) 進行設計，以提供理想的、或增強的空，燃料混合并避免燃燒器內(nèi)的自燃和穩(wěn) 焰。還應該理解，盡管燃燒器被圖示為包括例如四個槽，但是也可以設置任意 數(shù)量的多個槽。
盡管已經(jīng)結(jié)合目前被認為最實用和tt^的實施例對本發(fā)明進行了介紹，但 是應該理解本發(fā)明并不局限于所公開的實施例，相反，本發(fā)明旨在涵蓋包括在 所附豐又利要求的實質(zhì)和保護范圍內(nèi)的各種變形和等價裝置。附圖標記列表 燃燒器2 燃燒管4
輸入端6
輸出端8
法蘭10
槽12
燃料通道14 燃料噴射孔16 中心體18 中心通道20 槽端部22 噴入的燃料24 氣流26 氣流28
(內(nèi))壁30 中心體頂端32 軸34
(外)壁36
8
權(quán)利要求
1、一種用于在燃氣渦輪發(fā)動機內(nèi)使用的燃燒器(2)，包括具有輸入端(6)和輸出端(8)的燃燒管(4)；多個槽(12)，所述多個槽(12)在所述燃燒管(4)內(nèi)形成且設置用于將氣流(26，28)切向地引入所述燃燒管(4)內(nèi)并向所述氣流(26，28)施加渦旋；沿所述燃燒管(4)軸向延伸的多條燃料通道(14)；以及為每一條燃料通道(14)設置的多個燃料噴射孔(16)，其中每一條燃料通道的所述燃料噴射孔(16)中的至少一個被設置成在相鄰槽(12)的氣流(26，28)之間將燃料流(24)切向地噴入所述燃燒管(4)內(nèi)以形成燃料和空氣的協(xié)流。
2、 如權(quán)利要求1所述的燃燒器，還包括同軸地設置在所述燃燒管(4)內(nèi) 所述輸入端(6)和所述輸出端(8)之間的中心體(18)。
3、 如權(quán)利要求2所述的燃燒器，其中，所述中心體(18) iAi^述輸入端(6) 向所述輸出端(8)會聚。
4、 如權(quán)禾腰求2或3所述的燃燒器，其中，所述中心體(18)包括中心通 道(20)。
5、 如權(quán)利要求l至4中任意一項所述的燃燒器，其中，齡槽(12)都包 括相對于所述燃燒管(4)的軸線切向和/或徑向弓l導所述氣流(26， 28)的槽端 部(22)。
6、 如權(quán)利要求1至5中任意一項所述的燃燒器，其中，每條燃料通道(14) 都在所述燃燒管(4)的夕卜壁(36)禾吶壁(30)之間形成。
7、 一種在燃氣渦輪機的燃燒器(2)內(nèi)混合空氣和燃料的方法，所i^M燒 器(2)包括燃燒管(4)，所述燃燒管(4)包括在燃燒管(4)內(nèi)形成的多個槽(12)，所述方^^括將氣流(26， 28)通過所述槽(12)切向地引入所述燃燒管(4)內(nèi)并向所 述氣流(26， 28)施加渦旋；和在相鄰槽(12)的氣流(26， 28)之間噴入燃料(24)以形成燃料和空氣 的協(xié)流。
8、 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，噴入所述燃料包括將所述燃料(24) 切向地噴入所述燃燒管(4)內(nèi)。
9、 如權(quán)利要求7或8所述的方法，還包括在所述槽(12)的端部(22)相 對于所述燃燒管軸線切向和/或徑向地噴射氣流。
10、 如權(quán)利要求7至9中任意一項所述的方法，還包括ilil所述燃燒管沿 同軸地設置在所述燃燒管(4)內(nèi)的中心體(18)加速所述坊硫。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于在燃氣渦輪發(fā)動機內(nèi)混合空氣和燃氣的燃燒管預混合器和方法。用于在燃氣渦輪發(fā)動機內(nèi)使用的燃燒器包括具有輸入端和輸出端的燃燒管；在燃燒管內(nèi)形成且設置用于將氣流切向地引入燃燒管內(nèi)并向氣流施加渦旋的多個槽；沿燃燒管軸向延伸的多條燃料通道；以及設置用于每一條燃料通道的多個燃料噴射孔。每一條燃料通道的燃料噴射孔中至少有一個被設置用于在相鄰槽的氣流之間將燃料流切向地噴入燃燒管內(nèi)以形成燃料和空氣的協(xié)流。一種在燃氣渦輪機的燃燒器內(nèi)混合空氣和燃料的方法包括將氣流通過槽切向地引入燃燒管內(nèi)并向氣流施加渦旋；和在相鄰槽的氣流之間噴入燃料以形成燃料和空氣的協(xié)流。這樣消除了可能會導致穩(wěn)焰的交叉射流。
文檔編號F23D14/82GK101556043SQ20091013071
公開日2009年10月14日 申請日期2009年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月8日
發(fā)明者A·R·坎, B·卓, C·X·斯蒂芬森 申請人:通用電氣公司