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具有貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng)的燃燒器的制作方法

文檔序號:4544615閱讀:174來源:國知局
專利名稱:具有貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng)的燃燒器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本申請主要涉及燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī),并且更具體地涉及一種具有用于在燃料噴嘴上游混合燃料和空氣的貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng)的燃燒器。
背景技術(shù)
在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中,操作效率通常隨燃燒流溫度的升高而提高。然而,較高的燃燒流溫度可產(chǎn)生較高水平的氮氧化物(“NOx")及其它類型的排放物,而這受到美國聯(lián)邦法規(guī)和州法規(guī)管制以及在國外還受到類似法規(guī)的管制。因此,在有效溫度范圍內(nèi)操作燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)與同時(shí)還確保NOx及其它類型的受管制排放物的輸出保持在法定水平以下之間存在平衡作用。若干類型的公知燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì),例如使用干式低N0X(" DLN")燃燒器的那些,通常在反應(yīng)區(qū)或燃燒區(qū)的上游預(yù)混燃料流和空氣流,以便通過多個(gè)預(yù)混燃料噴嘴來降低NOx排放物。這種預(yù)混趨于降低整體燃燒溫度,且因此降低NOx排放物等。然而,預(yù)混會出現(xiàn)多種操作問題,例如火焰穩(wěn)定、逆燃、自動(dòng)點(diǎn)火等。這些問題在使用高反應(yīng)性燃料的情況下可能要特別考慮。例如,火焰有可能通過任何較大部分的氫或其它類型的燃料而維持在燃料噴嘴上游的頭端中。因此,任何類型的富燃料氣阱(pocket)都可維持火焰并導(dǎo)致燃燒器損壞。其它預(yù)混問題也可因燃料流和空氣流方面的無規(guī)則性而引起。因此,期望有一種改進(jìn)的燃燒器設(shè)計(jì)。這種燃燒器設(shè)計(jì)將促進(jìn)改善的燃料-空氣預(yù)混,尤其是在使用高反應(yīng)性燃料的情況下。此類燃燒器設(shè)計(jì)將促進(jìn)這種良好混合,同時(shí)保持排放物低于法定水平,并避免或限制諸如火焰穩(wěn)定、逆燃、自動(dòng)點(diǎn)火等問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此,本申請?zhí)峁┝艘环N用于燃燒燃料流和空氣流的燃燒器。燃燒器可包括多個(gè)燃料噴嘴、定位在燃料噴嘴上游的貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng),以及定位在燃料噴嘴與貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng)之間用以預(yù)混燃料流和空氣流的預(yù)混環(huán)形空間(armulus)。本申請還涉及一種在燃燒器中提供空氣流和多個(gè)燃料流的方法。該方法可包括以下步驟將預(yù)混燃料流噴射到預(yù)混環(huán)形空間中、將空氣流提供到預(yù)混環(huán)形空間中、沿預(yù)混環(huán)形空間將預(yù)混燃料流和空氣流預(yù)混成預(yù)混流、將預(yù)混流提供給多個(gè)燃料噴嘴,以及沿多個(gè)燃料噴嘴將另一燃料流噴射到預(yù)混流中。本申請還提供了一種用于燃燒燃料流和空氣流的燃燒器。燃燒器可包括各燃料噴嘴均包括鐘形口的多個(gè)燃料噴嘴、定位在燃料噴嘴上游的貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng),以及定位在燃料噴嘴與貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng)之間用以預(yù)混燃料流和空氣流的預(yù)混環(huán)形空間。預(yù)混環(huán)形空間可沿燃料噴嘴的方向擴(kuò)張。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言,通過查閱以下詳細(xì)描述同時(shí)結(jié)合多個(gè)附圖和所附權(quán)利要求,本申請的這些及其它特征和改進(jìn)將變得明顯。


圖1為公知燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的簡圖。圖2為公知的燃燒器的側(cè)截面視圖。圖3為可如本文所述那樣的具有貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng)的燃燒器的側(cè)截面視圖。圖4為用于結(jié)合具有圖3中的貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng)的燃燒器使用的燃料噴嘴的側(cè)截面視圖。零件清單10燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)15壓縮機(jī)20空氣流25燃燒器30燃料流35燃燒氣流40 渦輪45 負(fù)載50燃燒室55燃料噴嘴60旋流器65空氣通路70 襯套75 殼體80過渡件100燃燒器110燃燒室120燃料噴嘴130中央噴嘴140外噴嘴150燃料通道160燃料噴射器170旋流器180 鐘形口200空氣通路210 蓋板(cap baffle)220 殼體230 端蓋240 端罩245漸縮形狀
250預(yù)混環(huán)形空間260轉(zhuǎn)向部分270貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng)280燃料噴射器285空氣動(dòng)力翼狀形狀290噴射孔300預(yù)混燃料310預(yù)混流
具體實(shí)施例方式現(xiàn)參看附圖,所有附圖中相似的數(shù)字表示相似的元件,圖1示出了可如本文所述那樣的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10的簡圖。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10可包括壓縮機(jī)15。壓縮機(jī)15壓縮進(jìn)入的空氣流20。壓縮機(jī)將壓縮的空氣流20輸送至燃燒器25。燃燒器25使壓縮的空氣流20與壓縮的燃料流30相混合,且點(diǎn)燃混合物以形成燃燒氣流35。盡管僅示出了單個(gè)燃燒器25,但燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10可包括任意數(shù)目的燃燒器25。燃燒氣流35繼而輸送至渦輪 40。燃燒氣流35驅(qū)動(dòng)渦輪40以便產(chǎn)生機(jī)械功。在渦輪40中所產(chǎn)生的機(jī)械功驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī) 15和外部負(fù)載45,如發(fā)電機(jī)等。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10可使用天然氣、各種類型的合成氣和/或其它類型的燃料。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī) 10 可為由 General Electric Company (Schenectady, New York)提供的多種不同燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的任一種。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10可具有不同的構(gòu)造,且可使用其它類型的構(gòu)件。文中還可使用其它類型的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)。多個(gè)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、其它類型的渦輪以及其它類型的動(dòng)力生成設(shè)備還可在此一起使用。圖2示出了公知的燃燒器25的簡化實(shí)例。總的來說,燃燒器25可包括燃燒室50, 燃燒室50具有定位于其中的多個(gè)燃料噴嘴55。燃料噴嘴55可為預(yù)混噴嘴,在其上具有一個(gè)或多個(gè)旋流器60。旋流器60有助于空氣流20和燃料流30的預(yù)混。進(jìn)入空氣通路65可限定在燃燒室50的襯套70與殼體75之間。過渡件80可定位在燃燒室50的下游。其它類型的燃燒器構(gòu)造也是公知的??諝饬?0可從壓縮機(jī)15經(jīng)由進(jìn)入空氣通路65進(jìn)入燃燒器25??諝饬?0可反轉(zhuǎn)方向,且可在燃料噴嘴55和旋流器60附近與燃料流30相預(yù)混?;旌系目諝饬?0和燃料流30可在燃燒室50內(nèi)燃燒。然后,燃燒氣流35可經(jīng)由過渡件80朝渦輪40排出。取決于燃燒器25的性質(zhì),燃燒器25可使用初級燃料,其可為穿過旋流器60的燃料氣體;二級燃料和三級燃料,其可為預(yù)混燃料氣體;以及貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng),其可僅在旋流器60上游噴射少量燃料。其它類型的燃料回路和構(gòu)造也是公知的。圖3和圖4示出了可如本文所述那樣的燃燒器100。類似于上述燃燒器25,燃燒器100包括燃燒室110,在其中定位有多個(gè)燃料噴嘴120。在該實(shí)例中,中央噴嘴130可由多個(gè)外噴嘴140包繞。任何數(shù)目的燃料噴嘴120都可在此使用??偟膩碚f,各燃料噴嘴120均可包括通常用于液體燃料的中央燃料通道150。燃料噴嘴120還可包括多個(gè)燃料噴射器160。燃料噴射器160可定位在一個(gè)或多個(gè)旋流器170 附近。燃料噴射器160可結(jié)合預(yù)混燃料等使用。其它類型的燃料回路也可在此使用。燃料噴嘴120還可包括在其上游端處用于進(jìn)入空氣流20的鐘形口 180。任何數(shù)目或形狀的鐘形口 180都可使用。燃燒器100還包括進(jìn)入空氣通路200。進(jìn)入空氣通路200可限定在襯套或蓋板210 與殼體220之間。蓋板210可附接到端蓋230上,且可沿朝端罩240的方向以外擴(kuò)形狀245 擴(kuò)張。同樣,殼體220可為外擴(kuò)的,使得殼體220在朝端罩240的流動(dòng)方向上具有較大直徑。 蓋板210和殼體220可限定預(yù)混環(huán)形空間250。因此,總體的預(yù)混環(huán)形空間250也朝端罩 240擴(kuò)張。預(yù)混環(huán)形空間250可具有在端罩MO附近朝燃料噴嘴120的平滑轉(zhuǎn)向部分沈0。 預(yù)混環(huán)形空間250可提供擴(kuò)散或不提供。其它構(gòu)造也可在此使用。貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng)270也可圍繞位于蓋板210與殼體220之間的進(jìn)入空氣通路200定位在端蓋230周圍。貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng)270可具有多個(gè)燃料噴射器觀0。 燃料噴射器280可具有空氣動(dòng)力翼狀或流線型形狀觀5以優(yōu)化火焰穩(wěn)定阻力。燃料噴射器 280在其中均可具有多個(gè)噴射器孔四0。燃料噴射器觀0的數(shù)目和噴射孔四0的數(shù)目可針對預(yù)混而優(yōu)化。其它構(gòu)造也可在此使用。預(yù)混燃料300可在其中流動(dòng)。使用中,預(yù)混燃料300經(jīng)由貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng)270的燃料噴射器280噴射到經(jīng)由進(jìn)入空氣通路200傳送的進(jìn)入空氣流20中。燃料噴射器觀0的空氣動(dòng)力翼狀形狀 285最大限度地減小了噴射器280上或后方的火焰穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。因此,預(yù)混燃料300和空氣流20沿預(yù)混環(huán)形空間250的長度預(yù)混成預(yù)混流310。由于蓋板210和殼體220兩者都沿朝端罩240的方向擴(kuò)張,故預(yù)混環(huán)形空間250使空氣減慢且恢復(fù)一定的靜壓。因此,這種外擴(kuò)形狀容許比典型圓柱形殼體更大的擴(kuò)散。預(yù)混還除去了可能維持火焰的任何富含燃料的氣阱。因此,預(yù)混環(huán)形空間250的長度與噴射器觀0的數(shù)目和間距一起提供了在預(yù)混環(huán)形空間250內(nèi)改善的預(yù)混。預(yù)混流310在離開環(huán)形空間250之前將完全混合。然后,預(yù)混流310在轉(zhuǎn)向區(qū)段沈0附近轉(zhuǎn)向并進(jìn)入燃料噴嘴120。由于空氣流20 在預(yù)混環(huán)形空間250內(nèi)減慢,故預(yù)混流310容易在轉(zhuǎn)向區(qū)段沈0附近轉(zhuǎn)向到燃料噴嘴120 中,而不會發(fā)生再循環(huán)或流動(dòng)不足。因此,燃料噴嘴120可使用鐘形口 180,與常規(guī)流動(dòng)調(diào)節(jié)器相反這會導(dǎo)致壓降較低。預(yù)混流310在燃燒室110中燃燒之前,與來自于燃料噴射器 160或其它的常規(guī)燃料流30進(jìn)一步混合。預(yù)混環(huán)形空間250可使較大百分比的總?cè)剂狭髁鲃?dòng),而不會不利地影響排放物。 同樣,通過卸下燃料噴嘴120,也即通過將燃料帶走,則還可增強(qiáng)燃料噴嘴的總體火焰穩(wěn)定性能。在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸送至貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng)270的總?cè)剂系陌俜直鹊哪芰商峁毫Ρ瓤刂?,以便處理燃料組分方面的波動(dòng)。燃料噴嘴120的總壓力比可針對動(dòng)力進(jìn)行優(yōu)化,而不會改變噴嘴當(dāng)量比等。此外,燃料噴射器160的尺寸也可減小。因此,使用貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng)270的燃料噴射器280和預(yù)混環(huán)形空間250 降低了 NOx排放物、減小了壓降,以及提供了在麗I (修正沃布指數(shù))能力和燃料反應(yīng)性兩者方面的提高的燃料靈活性。因此,貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng)270可為燃料靈活的,包括使用高反應(yīng)性燃料,如氫、乙烷、丙烷等。應(yīng)清楚的是,上文僅涉及本申請的一些實(shí)施例,且在不脫離由所附權(quán)利要求及其等同方案所限定的本發(fā)明的總體精神和范圍的情況下,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可作出許多變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種用于燃燒燃料流(30)和空氣流00)的燃燒器(100),包括多個(gè)燃料噴嘴(120);定位在所述多個(gè)燃料噴嘴(120)上游的貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng)O70);以及定位在所述多個(gè)燃料噴嘴(120)與所述貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng)(270)之間以預(yù)混所述燃料流(30)和所述空氣流00)的預(yù)混環(huán)形空間050)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器(100),其特征在于,所述多個(gè)燃料噴嘴(120)中的各個(gè)均包括燃料噴射器(160)和旋流器(170)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器(100),其特征在于,所述多個(gè)燃料噴嘴(120)中的各個(gè)均包括多個(gè)外燃料噴嘴(140)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器(100),其特征在于,所述多個(gè)燃料噴嘴(120)包括鐘形口(180)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器(100),其特征在于,所述燃燒器(100)還包括蓋板 (210)和殼體020),以及其中,所述蓋板(210)和所述殼體Q20)限定所述預(yù)混環(huán)形空間 (250)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃燒器(100),其特征在于,所述蓋板(210)和所述殼體 (220)包括朝所述多個(gè)燃料噴嘴(120)擴(kuò)張的外擴(kuò)形狀(M5)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器(100),其特征在于,所述預(yù)混環(huán)形空間(250)包括鄰近所述多個(gè)燃料噴嘴(120)的平滑轉(zhuǎn)向部分060)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒器(100),其特征在于,所述貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng) (270)包括多個(gè)燃料噴射器(觀0)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃燒器(100),其特征在于,所述多個(gè)燃料噴射器(觀0)中的各個(gè)均包括流線型翼狀形狀(觀5)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃燒器(100),其特征在于,所述多個(gè)燃料噴射器Q80)中的各個(gè)均包括多個(gè)噴射器孔(四0)。
11.一種在燃燒器(100)中提供空氣流00)和多個(gè)燃料流(30)的方法,包括將預(yù)混燃料流(300)噴射到預(yù)混環(huán)形空間(250)中;將所述空氣流00)提供到所述預(yù)混環(huán)形空間(250)中;沿所述預(yù)混環(huán)形空間(250)將所述預(yù)混燃料流(300)和所述空氣流00)預(yù)混成預(yù)混流(310);將所述預(yù)混流(310)提供給多個(gè)燃料噴嘴(120);以及沿所述多個(gè)燃料噴嘴(120)將另一燃料流(30)噴射到所述預(yù)混流(310)中。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法,其特征在于,沿所述預(yù)混環(huán)形空間(250)將所述預(yù)混燃料流(300)和所述空氣流00)預(yù)混成預(yù)混流(310)的步驟包括沿所述預(yù)混環(huán)形空間 (250)使所述預(yù)混流(310)擴(kuò)張。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法,其特征在于,所述方法還包括沿所述預(yù)混環(huán)形空間 (250)的轉(zhuǎn)向部分O60)使所述預(yù)混流(310)反向的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法,其特征在于,所述方法還包括使所述預(yù)混流(310)穿過旋流器(170)傳送的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法,其特征在于,所述方法還包括改變所述預(yù)混燃料(300)和所述另一燃料(30)的量的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng)的燃燒器。具體而言,本申請?zhí)峁┝艘环N用于燃燒燃料流(30)和空氣流(20)的燃燒器(100)。燃燒器(100)可包括多個(gè)燃料噴嘴(120)、定位在燃料噴嘴(120)上游的貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng)(270),以及定位在燃料噴嘴(120)與貧預(yù)噴噴嘴燃料噴射系統(tǒng)(270)之間用于預(yù)混燃料流(30)和空氣流(20)的預(yù)混環(huán)形空間(250)。
文檔編號F23R3/28GK102444911SQ20111032018
公開日2012年5月9日 申請日期2011年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月11日
發(fā)明者A·瓦利夫, J·D·貝里, J·T·斯圖爾特, M·J·休斯, 吳春陽 申請人:通用電氣公司
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