專利名稱：帶預(yù)混合直接噴射輔助燃料噴嘴的干式低NOx燃燒系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開內(nèi)容大體而言涉及包括輔助燃料噴嘴的干式低NOx燃燒系統(tǒng)，且更特別 地，涉及包括預(yù)混合直接噴射輔助燃料噴嘴的兩級(jí)干式低NOx燃燒系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)大體上包括壓縮機(jī)、燃燒系統(tǒng)和渦輪區(qū)段。在燃燒系統(tǒng)內(nèi)，空氣與燃料燃 燒以生成熱氣體。然后熱氣體在渦輪區(qū)段中膨脹以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。歷史上，燃燒系統(tǒng)采用擴(kuò)散燃燒器。在擴(kuò)散燃燒器中，燃料直接擴(kuò)散到燃燒器內(nèi)， 在該燃燒器內(nèi)，燃料與空氣混合并燃燒。盡管高效，但擴(kuò)散燃燒器以高峰值溫度操作，這會(huì) 形成比較高水平的污染物，諸如氮氧化物(NOx)。為了降低由燃燒過程所產(chǎn)生的NOx的水平，已發(fā)展了干式低NOx燃燒系統(tǒng)。這些 燃燒系統(tǒng)使用貧預(yù)混合燃燒，這種燃燒預(yù)混合空氣與燃料以形成相對(duì)均勻的空氣_燃料混 合物，之后才將該混合物引導(dǎo)至燃燒區(qū)中。然后，該混合物以相對(duì)較低的溫度燃燒，從而生 成相對(duì)較低水平的NOx。適用于貧預(yù)混合燃燒的一種燃燒器是在名稱為“Dual Stage-DualMode Low NOx combustor”(雙級(jí)-雙模式低NOx燃燒器)的美國專利No. 4，292，801中所公開的類型的兩 級(jí)燃燒器。這種燃燒器包括彼此鄰近地定位的兩個(gè)燃燒室。燃燒室其中之一與多個(gè)主燃料 噴嘴連通，而第二燃燒室與輔助燃料噴嘴連通。不同的噴嘴允許以分級(jí)模式將空氣與燃料 引入到燃燒室內(nèi)。在預(yù)混合模式中，例如，在第一燃燒室中產(chǎn)生了空氣與燃料的貧混合物， 然后該混合物在第二燃燒室中以相對(duì)較低的受控的峰值溫度燃燒，從而減少NOx產(chǎn)生。盡管這樣的燃燒系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了較低水平的NOx排放，但燃料噴嘴可較為可能經(jīng)歷不 合乎需要的火焰條件，諸如回火或自燃?；鼗鸨硎净鹧鎻娜紵抑械念A(yù)期位置向上游傳播 到燃料噴嘴中，而自燃表示空氣-燃料混合物直接在燃料噴嘴本身中意外點(diǎn)燃。無論火焰 的來源是什么，燃料噴嘴都可傾向于“保持”火焰，這可能會(huì)損壞燃料噴嘴或燃?xì)廨啓C(jī)的其 它部分。為了解決這個(gè)問題，燃燒系統(tǒng)通常被設(shè)計(jì)成以便減少自燃、回火和火焰保持的發(fā) 生。近來，已經(jīng)在研究用于燃?xì)廨啓C(jī)的替代燃料，其可改進(jìn)效率，降低污染物排放或二 者。例如，合成氣體(“合成氣”)為來自諸如煤的來源的替代燃料。這些和其它替代燃料 可具有相對(duì)較高的氫含量，其可能反應(yīng)性比較強(qiáng)。這些燃料的反應(yīng)性提高了燃燒器的效率， 但加劇了諸如回火、自燃和火焰保持的不合乎需要的火焰事件的風(fēng)險(xiǎn)?；鹧媸录商貏e地可能發(fā)生于兩級(jí)燃燒系統(tǒng)的輔助燃料噴嘴中。由于輔助噴嘴不 適用于合成氣和其它高反應(yīng)性燃料，所以系統(tǒng)的燃料靈活性受到限制。通過上文，顯而易見，存在對(duì)包括適用于替代燃料的輔助燃料噴嘴的干式低NOx 燃燒系統(tǒng)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
一種燃燒系統(tǒng)包括第一燃燒室和第二燃燒室。第二燃燒室定位在第一燃燒室的下 游。該燃燒系統(tǒng)還包括預(yù)混合直接噴射輔助燃料噴嘴。預(yù)混合直接噴射輔助燃料噴嘴延伸 穿過第一燃燒室而進(jìn)入第二燃燒室中。在研究下文的附圖和具體實(shí)施方式
之后，所公開的系統(tǒng)和方法的其它系統(tǒng)、裝置、 方法、特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見，或者將對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員變得顯而易見。所有這些額外的 系統(tǒng)、裝置、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)都意圖包括于說明書中，且意圖受到所附權(quán)利要求書保護(hù)。


參看下面的附圖，可更好地理解本公開內(nèi)容。在所有附圖中，匹配的附圖標(biāo)記表示 相對(duì)應(yīng)的部件，且附圖中的構(gòu)件不一定按照比例繪制。 圖1是兩級(jí)燃燒器的局部截面圖。
圖2是用于兩級(jí)燃燒器的預(yù)混合直接噴射輔助燃料噴嘴的一個(gè)實(shí)施例的局部截
圖3是圖2所示的預(yù)混合直接噴射輔助燃料噴嘴的實(shí)施例的局部剖視透視圖。 圖4是可用于圖2所示的預(yù)混合直接噴射輔助燃料噴嘴的混合管的一個(gè)實(shí)施例的 局部截面圖。部件列表
100燃燒器
102上游端
104下游端
106燃燒室
108輔助燃燒室
110主燃料噴嘴
112輔助燃料噴
114燃料通路
116空氣通路
118混合頭
120混合管
122入口
124出口
126燃料噴射孔
128外壁
130內(nèi)壁
132上游面
134下游面
136側(cè)面
138燃料氣室
140 開口
142外管壁
144外周向表面
146內(nèi)周向表面
148冷卻孔
150旋流葉片
152上游部分
154錐形部分
156下游部分
158間隙
160百葉窗式壁
162接頭
164冷卻空氣通道
具體實(shí)施例方式圖1是燃?xì)廨啓C(jī)的兩級(jí)燃燒器100的一個(gè)實(shí)施例的局部截面圖。在燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)， 燃燒器100可定位在壓縮機(jī)下游及渦輪區(qū)段上游。通常，燃?xì)廨啓C(jī)包括在該燃?xì)廨啓C(jī)周圍 布置成圓形陣列的多個(gè)燃燒器100，但在圖1中僅示出一個(gè)燃燒器100。在操作中，壓縮機(jī) 可向燃燒器100提供壓縮空氣。燃燒器100可燃燒壓縮空氣與燃料以形成熱氣體。熱氣體 可在渦輪區(qū)段中膨脹以驅(qū)動(dòng)負(fù)載，且在某些情況下，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。由此，可從燃料中提取能 量來產(chǎn)生有用功。如圖所示，燃燒器100可為兩級(jí)燃燒器，其構(gòu)造成在燃燒過程期間產(chǎn)生比較低水 平的氮氧化物(NOx)。此外，燃燒器100可配備預(yù)混合直接噴射(PDI)輔助燃料噴嘴，該噴 嘴可降低諸如回火、自燃或火焰保持這樣的火焰條件的風(fēng)險(xiǎn)。因此，燃燒器100可利用更廣 范圍的燃料來操作，包括合成燃料，高氫燃料或其它反應(yīng)性燃料，諸如包括一氧化碳、乙烷 或丙烷的燃料，反應(yīng)性燃料的混合物，或者其組合。如上文所述，燃燒器100的上游端102可與壓縮機(jī)連通且燃燒器100的下游端104 可與渦輪區(qū)段連通。在上游端102與下游端104之間，燃燒器100可包括兩個(gè)燃燒室。該 室可彼此鄰近地定位，且主燃燒室106相對(duì)更靠近上游端102，而輔助燃燒室108相對(duì)更靠 近下游端104。燃燒器100還可包括多個(gè)燃料噴嘴。燃料噴嘴可延伸穿過在上游端102上封閉了 燃燒器100的端罩。多個(gè)主燃料噴嘴110可延伸穿過端罩而進(jìn)入主燃燒室106內(nèi)，且輔助 燃料噴嘴112可延伸穿過端罩而進(jìn)入輔助燃燒室108內(nèi)。如已知的那樣，燃料噴嘴110、112 可分別自壓縮機(jī)和燃料供應(yīng)將空氣與燃料傳送到室106、108內(nèi)。主燃料噴嘴110可具有本領(lǐng)域已知的一定范圍的構(gòu)造。例如，主燃料噴嘴110可 為預(yù)混合噴嘴或產(chǎn)生回旋流的“旋流噴嘴”。由于這樣的噴嘴是已知的，在此處將省略進(jìn)一 步的描述。輔助燃料噴嘴112可為預(yù)混合直接噴射(“PDI”)燃料噴嘴。如圖所示，PDI輔助燃料噴嘴112大體上包括燃料通路114、空氣通路116和混合 頭118。燃料通路114和空氣通路116可定位成以便將燃料與空氣傳送到混合頭118內(nèi)。 混合頭118可包括多個(gè)混合管120?？諝馀c燃料可在混合管120中混合以形成空氣-燃料
5混合物，該空氣_燃料混合物可被噴射到輔助燃燒室108內(nèi)。當(dāng)PDI輔助燃料噴嘴112與燃燒器110相關(guān)聯(lián)時(shí)，燃料通路114與空氣通路116 可通過端罩傳送空氣與燃料。燃料通路114可與諸如甲烷這樣的常規(guī)燃料或者諸如合成氣 這樣的替代燃料的源相關(guān)聯(lián)。空氣通路116可與壓縮機(jī)連通。例如，如本領(lǐng)域中已知的那 樣，空氣通路116可定位成以便通過定位于燃燒器100周圍的環(huán)形流動(dòng)套管來接收空氣?；?合頭118可鄰近燃燒器100的輔助燃燒室108而定位在燃料通路114與空氣通路116的下 游。利用這種布置，燃料和空氣可通過燃料通路114與空氣流動(dòng)通路116流動(dòng)到混合管120 內(nèi)，其中燃料與空氣可混合，以形成用于在輔助燃燒室108中燃燒的空氣-燃料混合物。參看圖2和圖3進(jìn)一步詳細(xì)地描述PDI輔助燃料噴嘴112，圖2是噴嘴112的一 個(gè)實(shí)施例的局部截面圖，圖3是同一實(shí)施例的透視局部剖視圖。如圖所示，噴嘴112的混合 頭118可包括大約七十五個(gè)至大約一百五十個(gè)之間的混合管120，但可使用任意數(shù)量的混 合管120?；旌瞎?20可為彼此基本平行地對(duì)準(zhǔn)的管“束”?；旌瞎?20中的每一個(gè)可包括 入口部分、中間部分和出口部分。入口部分限定與空氣通路116連通的入口 122。出口部分 限定與燃燒器100的輔助燃燒室108連通的出口 124。中間部分包括與燃料通路114連通 的一個(gè)或多個(gè)燃料噴射孔126，使得燃料可噴射到混合管120內(nèi)，以便與空氣混合?；旌瞎?120可被排列成與燃燒器罩的表面形成角度，使得在輔助燃燒室108中、噴嘴112的下游可 形成回旋流。如在所圖示的實(shí)施例中示出，燃料通路114與空氣通路116可彼此隔離以防止燃 料與空氣在混合管120的上游混合。例如，外壁128可限定空氣通路116的邊界且內(nèi)壁130 可限定燃料通路114的邊界。例如，壁128、130可基本上為圓柱形。壁128、130也可同心 地設(shè)置，使得燃料通路114朝向混合頭118延伸穿過空氣通路116(或相反)。如圖3所示，混合頭118可基本上由上游面132、下游面134和側(cè)面136封閉。上游 面132和下游面134可基本上為平坦表面，而側(cè)面136可例如基本上為圓柱形。混合管120的 入口 122和出口 124可分別形成為通過混合頭118的上游面132和下游面134?；旌瞎?20 可與這些入口 122和出口 124配準(zhǔn)，從上游面132到下游面134延伸穿過混合頭118。燃料氣室138可限定于混合頭118的內(nèi)部、混合頭118的面132、134與混合管120 的外表面之間。燃料氣室138可與燃料通路114連通。例如，開口 140可形成于混合頭118 的上游面132中，且燃料通路114可止于開口 140處，使得燃料可被弓I導(dǎo)至燃料氣室138中。 燃料氣室138也可與混合管120的燃料噴射孔126連通，使得可將燃料從燃料氣室138引 導(dǎo)至燃料噴射孔126中。離開燃料通路114的燃料可沖擊混合頭118的內(nèi)表面，從而提供 高傳熱系數(shù)。在其中燃料通路114位于中心的實(shí)施例(諸如所圖示的實(shí)施例)中，燃料可 沿徑向向外膨脹穿過燃料氣室138并進(jìn)入燃料噴射孔126中。其它構(gòu)造也是可行的。利用這種布置，空氣流動(dòng)通過空氣通路116，通過入口 122且進(jìn)入混合管120內(nèi)。 同時(shí)，燃料流動(dòng)通過燃料通路114，進(jìn)入燃燒氣室138中，在混合管120的外表面周圍且進(jìn)入 燃料噴射孔126內(nèi)?？諝馀c燃料在混合管120中混合以形成空氣-燃料混合物，該混合物 在出口 124處離開混合管120?？諝?燃料混合物從出口 124傳遞到輔助燃燒室108中的 點(diǎn)燃區(qū)內(nèi)，在該點(diǎn)燃區(qū)內(nèi)，混合物燃燒，以形成用于在渦輪中膨脹的熱氣體。在正常操作中，燃燒火焰駐留于輔助燃燒室108的點(diǎn)燃區(qū)中。但是，使用諸如合成 氣或其它高反應(yīng)性燃料(包括包含氫氣、一氧化碳、乙烷或丙烷的燃料或者這樣的燃料的
6混合物)這樣的替代燃料，可加劇自燃、回火和火焰保持的風(fēng)險(xiǎn)，這可能會(huì)導(dǎo)致輔助燃料噴 嘴中的火焰燃燒。為了降低或消除這種風(fēng)險(xiǎn)，PDI輔助燃料噴嘴112被設(shè)計(jì)成使得在混合 管120中出現(xiàn)火焰保持的情況下，在混合管120內(nèi)來自保持的火焰的熱釋放將小于到混合 管120壁的熱損失。該標(biāo)準(zhǔn)限制了管大小、燃料射流穿透和燃料射流回退距離。原則上，較 長的回退距離導(dǎo)致燃料與空氣更佳的混合。如果燃料噴射孔126 (在下文中描述)的回退 距離R與混合管120的內(nèi)管直徑1\的比率比較高，則表示在進(jìn)入到輔助燃燒室108之前， 燃料比較均勻地與空氣混合，在燃燒期間可導(dǎo)致相對(duì)較低的NOx輸出，但噴嘴112可能會(huì)易 于受單獨(dú)的混合管120內(nèi)的回火和火焰保持的影響。火焰可能會(huì)損壞單獨(dú)的混合管120，該 混合管可能需要替換。因此，相對(duì)較小的混合管120將燃料與空氣相對(duì)快速地混合到一定比例，這個(gè)比 例在輔助燃燒室108中產(chǎn)生降低的污染物排放，同時(shí)降低了混合管120中火焰的風(fēng)險(xiǎn)?；?合管120的構(gòu)造允許以比較低的NOx來燃燒高氫或合成氣燃料，而不會(huì)有在噴嘴112中有 不希望的火焰的重大風(fēng)險(xiǎn)。在圖4中示出了示例性混合管120，該圖為局部截面圖?；旌瞎?20可包括沿著 管軸線A沿軸向從入口 122延伸到出口 124的外管壁142。外管壁142可具有外周向表面 144和內(nèi)周向表面146。外周向表面144可具有外管直徑D。，而內(nèi)周向表面146可具有內(nèi)管 直徑隊(duì)。如圖所示，多個(gè)燃料噴射孔126可在外管壁142的外周向表面144與內(nèi)周向表面 146之間延伸，各個(gè)燃料噴射孔126具有燃料噴射孔直徑Df。在實(shí)施例中，燃料噴射孔直徑 Df可小于或等于大約0. 03英寸。而且在實(shí)施例中，內(nèi)管直徑隊(duì)可為燃料噴射孔直徑Df的 大約四倍至大約十二倍。燃料噴射孔126可成角度地穿過混合管120的外壁142。更具體而言，各個(gè)燃料 噴射孔126可關(guān)于沿著管軸線A朝向出口 124延伸的矢量形成噴射角Z。燃料噴射孔126 也可位于出口 124的上游一段回退距離R?；赝司嚯xR可允許燃料與空氣在進(jìn)入輔助燃燒 室108之前在混合管120內(nèi)至少部分地混合?；赝司嚯xR可比較短，但燃料噴射孔126的 數(shù)目和大小，以及噴射角Z可被選擇成以便實(shí)現(xiàn)燃料在空氣中比較快速的混合。因此，當(dāng)所 得到的混合物燃燒時(shí)，可發(fā)生比較低的NOx排放，諸如在小于大約9ppm的量級(jí)上的NOx排 放。噴射角Z可被選擇成以便減小射流交叉流尾流域(jet-cross-flow wake domain)以 及增大燃料與空氣的混合。當(dāng)減小或基本上消除了射流交叉流尾流域時(shí)，可能就不會(huì)發(fā)生 局部火焰保持。伸展的局部擴(kuò)散火焰片可由于小火焰熄滅而被提升。如果回退距離R小于 火焰提升高度，火焰將駐留在噴嘴之外。由于回退距離R可比較短，所以管長度可比較短， 因此，越過混合管120的壓降可在可接受的范圍內(nèi)。噴射角Z可在大約二十度至大約九十度的范圍中。在適用于某些高氫燃料的實(shí)施 例中，噴射角Z可被優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)具有合理火焰保持界限的排放。也可使用復(fù)合噴射角來生 成額外的回旋流，該回旋流可增強(qiáng)空氣燃料混合?；赝司嚯xR大體上可在最小回退距離Rmin與最大回退距離Rmax之間的范圍中，最小 回退距離Rmin大約為燃料噴射孔直徑Df的五倍，且最大回退距離Rmax為燃料噴射孔直徑Df 的一百倍。如上文所提到的那樣，燃料噴射孔直徑Df大體上可等于或小于大約0. 03英寸。 在實(shí)施例中，回退距離R可等于或小于大約1. 5英寸且內(nèi)管直徑隊(duì)可在大約0. 05英寸與大 約0.3英寸之間。這些混合管的實(shí)施例可被設(shè)計(jì)成用于諸如高氫燃料或合成氣的燃料。這
7些實(shí)施例可實(shí)現(xiàn)可接受的混合和目標(biāo)NOx排放。諸如高氫燃料或合成氣的一些燃料可與具 有大約0. 15英寸的內(nèi)管直徑隊(duì)的混合管120 —起更好地起作用。在實(shí)施例中，回退距離R 可與燃燒管速度、管壁傳熱系數(shù)和燃料吹出時(shí)間大體成比例?；赝司嚯xR也可與交叉流射 流高度、湍流燃燒速度和壓力成反比。在適用于相對(duì)較高反應(yīng)性燃料的實(shí)施例中，混合管120可具有在大約一英寸與大 約三英寸之間的長度。各個(gè)混合管120可具有大約一個(gè)和大約八個(gè)之間的燃料噴射孔126， 各個(gè)燃料噴射孔126具有可小于或等于大約0. 03英寸的燃料噴射孔直徑Df。例如，各個(gè)混 合管120可具有大約四個(gè)與大約六個(gè)之間的燃料噴射孔126，各個(gè)燃料噴射孔126具有可在 大約0. 01英寸與大約0. 03英寸之間的燃料噴射孔直徑Df。在適用于諸如天然氣這樣的較 低反應(yīng)性燃料的實(shí)施例中，混合管120可具有大約一英尺的長度。各個(gè)混合管可具有適用 于低壓降的大約兩個(gè)至大約八個(gè)燃料噴射孔126。在這些和其它實(shí)施例中，燃料噴射孔126 可具有在大約10度與大約90度之間的噴射角Z?？墒褂蒙鲜鰳?gòu)造的許多種不同組合來設(shè)計(jì)不同的噴嘴或者將它們結(jié)合在同一噴 嘴中，以實(shí)現(xiàn)燃料與空氣的期望的混合，且實(shí)現(xiàn)目標(biāo)NOx排放或動(dòng)力學(xué)等。例如，混合管120 可包括在不同回退距離R處的多個(gè)燃料噴射孔126。這些燃料噴射孔126可具有不同的噴 射角Z，噴射角Z作為(例如)回退距離R、燃料噴射孔126的直徑Df或其組合的函數(shù)而改 變?？筛淖冞@些和其它參數(shù)，以獲得充分混合，同時(shí)縮短混合管120的長度，使得入口 122 與出口 124之間的壓降不會(huì)不合理地高。例如，可在入口 122與出口 124之間實(shí)現(xiàn)比較低 的壓降，諸如小于大約5%的壓降。以上參數(shù)也可基于以下因素改變，諸如燃料組成、燃料溫度、空氣溫度、混合管 120上游或下游壓力、越過混合管120的壓降以及應(yīng)用到混合管120的外管壁142的內(nèi)周向 表面146和外周向表面144的任何處理的性質(zhì)。如果混合管的內(nèi)周向表面146是平滑的， 則可提高性能，因?yàn)榭諝馀c燃料混合物流經(jīng)該表面。例如，內(nèi)周向表面146可為磨平滑的。在實(shí)施例中，混合管120還可基于在混合頭118內(nèi)的位置來構(gòu)造。在所圖示的實(shí) 施例中，例如，與定位在混合頭118中心附近的混合管120相比，定位在混合頭118外圍上 的混合管120可接收相對(duì)較少的空氣流。因此，燃料噴射孔126的大小、數(shù)目和位置可取決 于在混合頭118中的位置進(jìn)一步被選擇成以便改變流向混合管120的燃料流量。例如，與 定位在混合頭118的中心附近的混合管相比，定位在混合頭118外圍周圍的混合管120可 接收相對(duì)較少的燃料。返回參看圖2，可冷卻PDI輔助燃料噴嘴112，以防止損壞其外表面，該外表面可在 主燃燒室106內(nèi)向比較高的溫度暴露，且不時(shí)向燃燒火焰暴露。PDI輔助燃料噴嘴112大體 上可沿著其長度被冷卻(諸如經(jīng)由薄膜冷卻)，且混合頭118可在其下游面134附近被冷卻 (諸如通過回旋流)。例如，多個(gè)冷卻孔148可沿著PDI輔助燃料噴嘴112的長度形成，這 可允許冷卻空氣在噴嘴的外表面附近排出。此外，多個(gè)旋流葉片150可定位在PDI輔助燃 料噴嘴112的下游端附近，該旋流葉片可在噴嘴112的下游面134附近引導(dǎo)回旋空氣流。參看圖2，在實(shí)施例中，外壁128可具有限定了通入混合頭118中的空氣通路116 的上游部分152。沿著上游部分152，外壁128可具有比較一致的截面積。向下游移動(dòng)，外 壁128可沿著增大截面積的錐形部分154向外呈錐形。沿著錐形部分154的向外錐形允許 在外壁128的下游部分156內(nèi)容納相對(duì)較大的混合頭118。沿著下游部分156，外壁128可返回到直徑略微大于混合頭118的比較一致的截面積，使得在外壁128與混合頭118的側(cè) 面136之間形成間隙158。出于冷卻目的，百葉窗式壁160可定位在外壁128的上游部分周圍。在實(shí)施例中， 百葉窗式壁160可包括多個(gè)百葉窗板。百葉窗式壁160可止于接頭162處，接頭162可沿 著錐形部分154接合到外壁128上?？纱┻^百葉窗式壁160，穿過接頭162，穿過外壁128 的錐形部分154，以及穿過外壁128的下游部分156來形成冷卻孔148。百葉窗式壁160可與外壁128間隔開以形成冷卻空氣通道164。冷卻空氣通道164 可與壓縮機(jī)連通以接收空氣。例如，來自壓縮機(jī)的空氣可從定位在燃燒器周圍的環(huán)形流動(dòng) 套管傳遞到冷卻空氣通道164內(nèi)。來自相同源的空氣可通過噴嘴112傳遞到空氣通路116 內(nèi)。流動(dòng)通過冷卻空氣通道164的空氣可通過百葉窗式壁160中的冷卻孔148排出。百葉 窗式壁160可向下游引導(dǎo)排出的空氣，從而在噴嘴112的外部周圍形成冷卻空氣薄膜。流 動(dòng)通過冷卻空氣通道164的空氣也可通過接合百葉窗式壁160與外壁128的接頭162中的 冷卻孔148排出，從而冷卻該接頭162。在噴嘴112的內(nèi)部上，流動(dòng)通過空氣通路116的空 氣可沿著外壁128的錐形部分154和下游部分156通過冷卻孔148排出。因此，PDI輔助 燃料噴嘴112的外部可受到冷卻空氣薄膜的保護(hù)，其可保護(hù)噴嘴免受熱損壞(諸如當(dāng)燃燒 器100以擴(kuò)散模式操作時(shí))。流動(dòng)通過空氣通路116的空氣也可沿著外壁128與混合頭118的側(cè)面136之間的 間隙158行進(jìn)。一系列旋流葉片150可鄰近下游面134自混合頭118的側(cè)面136延伸。例 如，旋流葉片150可具有四十度的旋流角。旋流葉片150可使行進(jìn)穿過間隙158的空氣進(jìn) 行旋流。回旋流可在混合頭118的下游面134附近被引導(dǎo)至輔助燃燒室108內(nèi)?；匦骺?冷卻混合頭118 (諸如在間隙158的區(qū)域中)?；匦骺杀阌谑馆o助燃燒室108內(nèi)的燃燒 火焰穩(wěn)定，降低向主燃燒室106 (其中存在可燃混合物)中回火的可能性。如本領(lǐng)域中已知 的，連接主燃燒室106與輔助燃燒室108的喉部區(qū)域中的減小的截面積可進(jìn)一步降低回火 的可能性。在實(shí)施例中，PDI輔助燃料噴嘴112可以以與常規(guī)輔助燃料噴嘴相當(dāng)?shù)姆绞嚼鋮s。 因此，燃燒室106、108的結(jié)構(gòu)環(huán)境可與適用于常規(guī)輔助燃料噴嘴112的常規(guī)燃燒室的結(jié)構(gòu) 環(huán)境比較相當(dāng)。這種構(gòu)造可允許在不用重大地重新設(shè)計(jì)燃燒器的情況下對(duì)具有PDI輔助燃 料噴嘴112的現(xiàn)有燃燒器進(jìn)行改型。上文所述的PDI輔助燃料噴嘴的實(shí)施例允許利用常規(guī)燃料(諸如甲烷)或替代燃 料(包括高氫燃料和合成氣)操作兩級(jí)燃燒器?？墒褂肞DI輔助燃料噴嘴將這些燃料噴射 到輔助燃燒室內(nèi)，而基本上不會(huì)增加自燃、回火或火焰保持的風(fēng)險(xiǎn)。可充分地冷卻PDI輔助 燃料噴嘴，以在主燃燒室中存在高溫和火焰的情況下防止損壞?？梢砸员苊庵卮蟮刂匦略O(shè) 計(jì)燃燒器來適應(yīng)PDI輔助燃料噴嘴結(jié)構(gòu)的方式來實(shí)現(xiàn)這種冷卻。本書面描述使用實(shí)例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，且還使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能 實(shí)踐本發(fā)明，包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何結(jié)合的方法。本發(fā)明的可獲得 專利保護(hù)的范圍由權(quán)利要求書限定，且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它實(shí)例。如果這些 實(shí)例具有與權(quán)利要求書的字面語言并無不同的結(jié)構(gòu)元素，或者如果這些實(shí)例包括與權(quán)利要 求書的字面語言并無實(shí)質(zhì)不同的等效結(jié)構(gòu)元素，則這些其它的實(shí)例意圖處在權(quán)利要求書的 范疇內(nèi)。
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權(quán)利要求
一種燃燒系統(tǒng)，包括第一燃燒室(106)，定位在所述第一燃燒室(106)的下游的第二燃燒室(108)；以及延伸穿過所述第一燃燒室(106)而進(jìn)入所述第二燃燒室(108)中的預(yù)混合直接噴射輔助燃料噴嘴(112)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)混合直接噴射輔助燃料噴嘴 (112)包括多個(gè)混合管(120)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，各個(gè)混合管(120)包括至少一個(gè)燃料 噴射孔(126)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)燃料噴射孔(126)自所 述混合管(120)的出口凹入一段回退距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)混合直接噴射輔助燃料噴嘴 (112)包括多個(gè)混合管(120)，各個(gè)混合管(120)包括入口(122)和至少一個(gè)燃料噴射孔(126)；與所述入口(122)連通的燃燒空氣通路(116)；以及與所述燃料噴射孔(126)連通的燃料通路(114)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，各個(gè)混合管(120)還包括與所述第二 燃燒室(108)連通的出口(124)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述燃燒系統(tǒng)還包括定位在所述混 合管(120)周圍的燃料氣室(138)，所述燃料氣室(138)與所述燃料通路(114)和所述燃料 噴射孔(126)連通。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)混合直接噴射輔助燃料噴嘴 (112)還包括在所述噴嘴外部周圍形成冷卻空氣通道(164)的百葉窗式外部壁(160)；以及形成于所述百葉窗式外部壁(160)中的多個(gè)冷卻孔(148)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述燃燒空氣通路(116)在所述混合 頭(118)周圍延伸以冷卻所述混合頭(118)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述燃燒系統(tǒng)還包括定位在所述混 合頭(118)的外部、與所述燃燒空氣通路(116)連通的多個(gè)旋流葉片(150)。
全文摘要
本發(fā)明涉及帶預(yù)混合直接噴射輔助燃料噴嘴的干式低NOx燃燒系統(tǒng)。一種燃燒系統(tǒng)包括第一燃燒室(106)和第二燃燒室(108)。第二燃燒室(108)定位在第一燃燒室(106)的下游。該燃燒系統(tǒng)還包括預(yù)混合直接噴射輔助燃料噴嘴(112)。預(yù)混合直接噴射輔助燃料噴嘴(112)延伸穿過第一燃燒室(106)而進(jìn)入第二燃燒室(108)中。
文檔編號(hào)F23D14/48GK101886808SQ201010146860
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月14日
發(fā)明者A·罕, T·約翰遜, W·齊明斯基, 左柏芳 申請(qǐng)人:通用電氣公司